산화

크게 보면 화학 반응은

반응처럼 같은 원소 사이의 반응과 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ H2 + Cl2 -> 2HCl }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응처럼 다른 원소 사이의 반응의 두 가지로 나눌 수 있을 것이다. H₂, O₂, O₃처럼 한 종류의 원소로 이루어진 물질을 홑원소 물질이라 부르고, HCl이나 H₂O, 또는 H₂O₂처럼 두 가지 이상의 원소로 이루어진 물질을 화합물이라 부른다. 그렇다면 확률적으로 홑원소 물질보다 화합물의 종류가 훨씬 많고 중요할 것임이 분명하다. 실제로 홑원소 물질은 원소의 종류인 100가지 정도에 불과하지만, 화합물의 종류는 수천 만에 이른다. 그런데 수소, 탄소, 질소, 산소, 플루오린, 규소, 황, 인, 염소, 소듐, 칼슘 등 화학이 다루는 대부분 원소들은 전기음성도에 차이가 있다. 그래서 위에서 살펴본 두 번째 유형의 반응은 전기음성도가 다른 원소 사이의 반응이라고 일반화할 수 있을 것이다. 그리고 전기음성도가 다른 원소들이 만나면 전자의 이동이 일어나고 결과적으로 극성 공유 결합, 이온 결합, 산-염기 등 화학이 다루는 대부분 현상들이 나타난다. 그런데 전기음성도가 4.0인 플루오린을 제외하면 자연에서 풍부하면서도 전기음성도가 3.5로 높은 원소는 산소이다. 따라서 가장 흔하고 중요한 화학 반응은 산소와 결합하는 반응이라고 말할 수 있다. 그러한 관점에서 몇 가지 중요한 예를 들어 산화를 정의할 수 있다.

녹이 슨 철 구조물: 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 산화 과정의 한 예이다 ()

목차

수소와 산소가 물을 만드는 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2H2 + O2 -> 2H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서 수소는 산소와 결합해서 산화된다. 물은 우주에서 가장 풍부한 화합물의 하나이고 약 40억 년 전에 태어난 최초의 생명체도 태초의 바다에서 태어났으리라는 점을 생각하면, 이 반응은 자연에서 일어나는 가장 중요한 반응의 하나라고 말할 수 있다. 그런데 1937년에 발생한 독일의 힌덴부르크 수소 비행선 폭발 사고에서 보았듯이 이 반응은 격렬하고 많은 열을 발생한다. 수소와 산소의 전기음성도가 2.2와 3.5로 상당히 차이가 크기 때문에 반응을 통해 산소의 높은 전자에 대한 요구를 만족시키면서 엔탈피가 많이 감소하기 때문이다.

수십만 년 전에 호모 에렉투스가 불을 발견했을 때 연료로 사용한 마른 나무나 풀에서 타는 성분은 탄소이다. 따라서 이때의 연소 반응은 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ C + O2 -> CO2 }@@NAMATH_DISPLAY@@로 탄소는 산소와 결합하면서 빛과 열을 낸다. 우리가 밥을 먹고 에너지를 얻는 호흡 작용은 체온에서 일어나는 느린 산화 반응으로 탄수화물의 탄소가 궁극적으로 산소와 결합해서 이산화 탄소로 바뀌는 것은 마찬가지이다. 철이 녹스는 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응도 느린 산화 반응이다.

화력 발전소에서 석탄의 불순물인 황이 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ S -> SO2 -> SO3 }@@NAMATH_DISPLAY@@로 바뀌는 것도 산화이다. 또한 이때 높은 온도에서 공기 중의 질소는 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ N2 + 2O2 -> 2NO2 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에 의해 갈색의 이산화 질소로 바뀌어 스모그의 원인이 된다.

산소와 결합한다는 산화의 정의에는 몇 가지 중요한 예외가 있다. @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ H2 + Cl2 -> 2HCl }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서 수소는 염소와 결합한다. 그런데 염소는 전기음성도가 3.0으로 플루오린과 산소에 이어 세 번째로 높은 원소이다. 따라서 수소가 염소와 결합하는 것은 기본적으로 산소와 결합하는 것과 유사하다. 그래서 이 반응을 굳이 염화 반응이라고 하지 않고 산화라고 한다. 암모니아를 합성하는 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 3H2 + N2 -> 2NH3 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서 수소는 염소와 마찬가지로 전기음성도가 3.0인 질소에 의하여 산화된다. 산소가 자신보다 전기음성도가 높은 플루오린과 만나면 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ O2 + 2F2 -> 2OF2 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에 따라 플루오린이 산소를 산화시킨다. 산소가 다른 원소에 의해 산화되는 유일한 경우이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2H2 + O2 -> 2H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서 수소는 전기음성도가 높은 산소에 전자를 내어준다. 물론 이온 결합의 경우처럼 전자를 통째로 내어주는 것은 아니고 전자 밀도가 약간 치우칠 뿐이다. @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ C + O2 -> CO2 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응이나 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서도 전기음성도가 2.5인 탄소도, 1.8인 철도 산소에 전자를 내준다. @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ H2 + Cl2 -> 2HCl }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서는 수소가 염소에게, @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 3H2 + N2 -> 2NH3 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서는 수소가 질소에게, @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ O2 + 2F2 -> 2OF2 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서는 산소가 플루오린에 전자를 내준다. 그리고 보면 전자를 잃는다는 것은 모든 산화 반응에 적용되는 포괄적인 산화의 정의이다.

그런데 H₂O에서 수소는 산소에 전자를 내어주고 +1의 산화수를 가진다. 원소 상태의 H₂에서 수소의 산화수는 0이기 때문에 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2H2 + O2 -> 2H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서 수소의 산화수는 증가한다. @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ H2 + Cl2 -> 2HCl }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응이나 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 3H2 + N2 -> 2NH3 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서도 수소의 산화수는 0에서 +1로 증가한다. @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ C + O2 -> CO2 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서 탄소의 산화수는 0에서 +4로 증가한다. @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서 철의 산화수는 0에서 +3으로 증가한다. 예외로 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ O2 + 2F2 -> 2OF2 }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서는 산소의 산화수가 0에서 +2로 증가한다. 그리고 보면 산화 반응에서 산소와 결합하거나 전자를 내주어서 산화되는 원소의 산화수는 예외 없이 증가한다. 볼타 전지에서 일어나는 @@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ Zn -> Zn^2+ + 2e- }@@NAMATH_DISPLAY@@ 반응에서도 마찬가지이다. 그러고 보면 전자를 잃는다는 것과 산화수가 증가한다는 것은 산화된다는 것과 똑같은 의미이다.

산소와 수소는 비금속 중에서는 전기음성도 면에서 양극단에 해당한다. 그래서 산소와 결합하는 것이 산화라면 수소를 잃는 것도 산화가 아닐까 생각해 볼 만하다. 그런데 산화를 산소와 결합하는 것이라고 하면 다소 제한적으로 되듯이 산화를 수소를 잃는 것이라고 해도 제한적으로 될 우려가 있다. 하지만 이런 정의는 특히 생체 내에서 일어나는 생화학적 반응에서는 상당히 유용하다. 그래서 몇 가지 알려진 경우를 통해서 이 정의가 맞는지 생각해보자.

우리 주위의 수소는 대부분 물에 잡혀있기 때문에 물로부터 수소를 얻는 다음 수성 가스 반응은 산업적으로 중요한 반응이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ CO + H2O -> CO2 + H2 }@@NAMATH_DISPLAY@@

이 반응에서 일단 물의 산소는 수소를 잃고 원자 상태로 바뀌면서 산화수는 –2에서 0으로 증가한다. 즉 산소는 산화된다. 이렇게 산화된 산소는 CO와 결합해서 이미 산화되어 있는 CO의 탄소를 추가로 산화시켜서 CO₂로 바꾼다. 이 단계에서 탄소의 산화수는 +2에서 +4로 증가하고, 산소의 산화수는 0에서 –2로 감소한다. 아무튼 물의 산소 처지에서 보면 수소가 산소로부터 전자를 되찾아서 나간 셈이다. 그렇지 않다면 공유 결합을 이룬 H₂ 분자가 생성될 수 없을 것이다. 그러니까 수소를 잃는 것은 전자를 잃는 것과 마찬가지이고, 따라서 산화에 해당한다. 수소 원자를 하나의 양성자가 하나의 전자를 가지고 다니면서 전자를 내주기도 하고 되찾기도 하는 전자 운송자(electron carrier)로 보는 것도 재미있는 시각이다.

물의 산소가 수소를 잃고 산화되는 과정은 광합성의 첫 단계인 명반응에서 일어나는 중요한 반응이다. 초기 지구에서 수 천만년에 걸쳐 단세포 박테리아가 개발한 이 반응은 인류의 에너지 문제와 지구 온난화 문제를 해결할 꿈의 반응이기도 하다. 인간이 광합성을 모방해서 태양 에너지를 사용하여 물로부터 수소를 생산할 수 있다면 이산화 탄소를 배출하지 않는 무진장의 수소 연료를 얻을 수 있기 때문이다.

탄소가 수소를 잃고 산화되는 경우로 에테인이 에틸렌으로 바뀌는 다음 반응을 들 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ H3C-CH3 -> H2C=CH2 }@@NAMATH_DISPLAY@@

에테인에서 탄소의 산화수는 -3인데 에틸렌에서는 –2로 증가한다. 역시 수소를 잃으면 산화되는 것이다. 에틸렌은 유기 화합물 중에서 생산량이 가장 많은 석유화학 물질인데, 오늘날 세계적으로 에틸렌 생산량은 연간 2억 톤에 육박한다.

포도주를 오래 두면 시어지는 것에서 알 수 있듯이 에탄올이 산화되면 아세트산이 된다. 이 경우에는 에탄올에서 –OH와 결합한 탄소로부터 2개의 수소가 떨어져 나가고 그 자리를 산소가 이중 결합을 통하여 채운다. 그러니까 탄소는 수소를 잃으면서 산화되고 이어서 산소와 결합하면서 추가로 산화된 것이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2CH3CH2OH + O2 -> 2CH3COOH }@@NAMATH_DISPLAY@@

그러고 보면 자연은 전기음성도가 높은 산소, 그리고 산소보다는 전기음성도가 낮은 탄소, 수소, 질소, 인, 황 등을 사용해서 다양한 생체 화합물을 만들고, 이들 사이에서 전자를 주고받으며 생명과 생명의 환경을 만들고 영위하고자 하는 큰 그림을 가지고 있는 듯하다.