환원제

자신은 산화되면서 같은 반응 내 다른 물질을 환원시켜주는 물질

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지각에서 얻어지는 철광석은 주로 산화철(Fe₂O₃ 및 Fe₃O₄)의 혼합물이다. 이 철광석에서 순수한 철을 얻기 위해 탄소가 주성분 중 하나인 코크스와 함께 반응시키는데, 이때 아래와 같은 산화-환원 반응이 일어나면서 순수한 철과 이산화 탄소가 얻어지게 된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2Fe2O3(s) + 3C(s) -> 4Fe(s) + 3CO2(g) }@@NAMATH_DISPLAY@@

위의 식은 화학양론의 입장에서는 문제가 없지만, 실제 제철소에서는 약간 다른 형태의 반응이 진행된다. 산화철과 코크스가 모두 고체(위의 화학식에서 solid를 뜻하는 s 기호로 표시)이기 때문에 둘 사이의 직접적인 반응이 느리기 때문이다. 따라서 실제 공정에서는 코크스에 산소를 주입하며 불완전 연소를 수행하여 일산화 탄소(CO)를 만들고, 기체 상태의 일산화 탄소가 산화철과 반응하여 철과 이산화 탄소가 생성되는 반응이 진행된다. 이때 불안정한 일산화 탄소가 안정한 이산화 탄소로 전환되기 때문에 반응열이 매우 크고, 전체 산화철의 환원 반응이 쉽게 일어난다. 즉, 위의 반응식에 중간체로 존재하는 일산화 탄소는 나타나지 않지만, 산소가 추가되어 아래와 같은 화학식으로 바뀌게 된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2Fe2O3(s) + 6C(s) + 3O2(g) -> 4Fe(s) + 6CO2(g) }@@NAMATH_DISPLAY@@

완성된 반응식을 살펴보면, 반응식에서 산화철은 탄소와 반응하여 산소를 내어주고 철(Fe)로 돌아갔다. 즉 산소를 잃으며 환원되었다. 같은 반응을 탄소 입장에서 살펴보면, 탄소는 산소를 얻어 산화되었다. 이렇듯 두 물질이 산화-환원 반응을 진행할 경우, 한 물질이 산화되면 다른 물질을 환원되는 관계를 가지고 있다.

코크스를 이용한 산화철의 환원 반응(출처: 대한화학회)

이때 다시 한번 산화철의 입장에서 살펴보면, 산화철은 자신이 환원되면서 떨어진 산소 원자를 탄소에 주어 탄소를 산화시킨다. 즉, 자기가 환원되며 다른 대상을 산화시킨 것이다. 탄소의 입장에서 살펴보면 탄소는 산소를 얻어 이산화 탄소로 변하면서 자기가 산화되고 산화철을 철로 환원시킨다. 이 개념을 산화제, 환원제라고 한다. 산화제는 자신은 환원되며 다른 반응 대상을 산화시키는 물질을 일컫고, 환원제는 자신은 산화되며 반응 대상을 환원시키는 물질을 말한다.

브라질에서 나온 Fe₂O₃를 함유한 철광석 ()

환원제는 자신은 산화되며 반응 대상을 환원시켜야 하므로, 쉽게 산화되는 물질들이 이에 해당한다. 알데하이드 분자의 경우 자신이 카복실산으로 산화되며 다른 물질을 환원시켜줄 수 있다. 이런 이유로 폼알데하이드나 아세트알데하이드 같은 물질이 산화 반응으로 인한 유기물의 부패를 막는 환원제로 사용된다. 이산화황의 경우 쉽게 산화되어 삼산화황으로 변할 수 있기 때문에 환원제로 사용 가능하다.

또다른 환원제로 다른 물질에 환원 반응을 위한 수소 음이온(H^-, hydride)을 쉽게 공급할 수 있는 물질들이 있다. 수소 기체(H₂)나 수소화붕소 소듐(NaBH₄), 수소화알루미늄 리튬(LiAlH₄) 등이 많이 사용되는 환원제이다.

마지막으로, 산화-환원 반응은 꼭 산소나 수소를 주고받는 반응 외에 화학전지와 같은 전자의 이동에서도 나타나기 때문에, 상대적으로 이온화가 쉽게 되는 금속이 스스로는 전자를 잃고 산화되며 반응 대상을 환원시키는 환원제로 널리 이용된다.