우리는 철 구조물이 녹이 슬고, 포도주가 공기에 노출되어 오래되면 시큼해지고, 가솔린을 연소시켜 자동차를 움직이는 것 등을 경험하고 있다. 또한 음식으로 섭취한 포도당이 몸 안에서 이산화탄소와 물로 변한다는 것을 배워서 알고 있다. 이 모든 변화는 모두 산화라는 화학반응을 공통분모로 갖고 있다. 약 20년 전 화장품 선전에 ‘산소 같은 여자’라는 광고 카피를 사용하여 유행한 적이 있었다. 그런데 산소는 많은 물질을 변화(산화)시키는 화학물질이므로, 화학적으로 보면 ‘산소 같은 여자’는 다른 해석도 가능하다. 이번에는 물질 변화에 있어서 중요한 중심축의 하나인 산화(oxidation)반응에 대해 알아보자.

산화수 변화 - 전자를 잃으면 산화이고 얻으면 환원

산화(oxidation)는 분자, 원자, 이온이 전자를 잃고, 산화수(oxidation number)가 증가하는 것을 말한다. 전기적으로 중성인 분자 혹은 원자가 전자(electron)를 잃으면 양이온이 된다. 양성자와 전자의 개수가 같은 원자는 전기적으로 중성이며, 그 때 산화수는 0 이다. 만약에 그 원자가 자발적으로 전자 1개를 내 놓았든지 혹은 외부의 힘에 의해 전자 1개를 빼앗겼다면 그 원자는 더 이상 전기적으로 중성이 아니다. 결국 그 원자는 전자의 개수보다 양성자의 개수가 1개 더 많은 양이온이 된 것이며, 그 양이온의 산화수는 +1(원소기호 다음에 위 첨자로 +1 혹은 + 를 적어서 양이온임을 표기한다.)이다. 분자나 이온의 경우에도 같은 원리가 적용이 된다.

예를 들어 철(Fe)이 전자를 2개 잃으면 철 양이온(Fe²⁺, Fe⁺⁺, 혹은 Fe(II)로 표기)이 되고, 그것의 산화수는 +2이다. 그 양이온이 전자를 1개 더 잃으면 (빼앗기면) 그것은 Fe³⁺ 혹은 Fe(III)으로 표기되는 3가 철 이온이 된다. 이와 같이 산화수가 0 에서 1 혹은 2로, 다시 2 에서 3으로 증가하는 것을 산화라고 표현한다. 반면에 전기적으로 중성인 원자가 전자를 얻거나 혹은 빼앗으면 전기적으로 음성을 띤 음이온이 된다. 예를 들어서 염소(Cl) 원자가 전자를 1개 얻는다면(혹은 다른 원자나 분자로부터 전자를 빼앗는다면), 결국에는 양성자 개수 보다 전자 개수가 많아 음이온이 된다. 염소 음이온은 보통 Cl^- 혹은 Cl^-1 로 표기하며, 그것의 산화수는 -1 이다. 이 경우처럼 전자를 얻어서 분자, 원자, 이온이 본래의 산화수보다 감소하는 경우는 환원(reduction)이라 한다.

금속이 산소를 얻으면 산화, 잃으면 환원

분자, 원자, 혹은 그것의 결합으로 이루어진 화학물질은 주변 환경 혹은 그 자신의 특성으로 인해서 산화되는 속도와 정도가 다르다. 많은 금속은 전자를 쉽게 잃어버리고 양이온으로 변한다. 그 양이온은 주변 환경에 따라 이온상태로 존재하거나 혹은 산소와 반응 혹은 산소를 포함하는 다른 분자나 이온과 반응하여 금속산화물로 변신을 한다. 예를 들어 금속 철(Fe)을 포함하고 있는 철광석(iron ore)은 철 산화물이 다른 광물과 함께 섞여 있는 돌덩어리이다. 철이 산소와 반응하여 철 산화물이 형성되고 다른 물질과 섞인 뭉치가 철광석인 것이다. 철을 이용하여 각종 도구를 만들려면 철광석에 철을 뽑아내야 된다. 그 도구들에 페인트 칠과 같이 부식 방지 수단을 사용하지 않으면 금새 뻘건 녹이 슬어 버린다.

철광석에서 철을 추출하는 것은 철 산화물에서 철로 환원시킨 것이며, 뻘건 녹은 철이 철 산화물로 산화된 것이다. 철 산화물에서 산소를 제거하면 철이 되고, 철에 산소가 더해 지면 철 산화물이 되므로 산소가 제거되는 과정을 환원, 산소가 더 해지는 과정을 산화라 해도 된다. 산화수의 증감으로 산화 환원을 구별하기도 하지만 산소의 득과 실로 산화 환원을 구별할 수 있다는 말이다.

그러나 금과 같이 산화되기 어려운 금속들은 자연에서 순수한 금속으로 발견되기도 한다. 만약에 금이 철과 같이 쉽게 산화되어 그것의 외양 혹은 성질이 쉽게 변해 녹슨 철과 같이 되었다면 귀한 대접을 받지 못했을 것이다. 금속이 산화되는 특성은 금속마다 다르며, 산화되기 쉬운 금속은 이온화 경향이 큰 금속이다라고 말한다. 이온화 경향이 다른 금속 혹은 금속이온들이 서로 접촉하는 환경에서는 이온화 경향이 큰 금속은 산화되고, 그것과 접촉하는 금속이온은 환원된다.

예를 들어 구리(Cu) 조각을 유리 그릇에 놓고 질산은(AgNO₃) 용액을 부으면 즉각적인 산화 환원 반응이 진행된다. 이온화 경향이 큰 구리(Cu)는 구리 이온(Cu²⁺)으로 산화되고, 질산은에 포함된 은이온(Ag⁺)은 은(Ag)으로 환원이 되며, 구리선과 용액은 맨눈으로도 관찰이 가능한 변화가 일어난다. 포타슘(K, 칼륨), 소듐(Na, 나트륨), 리튬(Li)은 산화가 매우 잘 되는 금속들이며, 금을 포함하여 귀금속 대접을 받는 금속들은 주로 산화되기 어렵다.

질산은 용액에 구리선을 넣은 모습. 구리는 녹아(산화) 푸른색 질산구리가 되고, 은은 결정으로 석출(환원)된다.

표준전극전위(Eo)값이 음수일수록 산화가 더 잘돼

특정 반응의 산화 혹은 환원되는 정도는 표준전극전위를 사용하여 정량적으로 표현할 수 있다. 수소이온이 환원되어 수소기체로 되는 반응에 대한 반응식과 그것의 전위를 다음과 같이 표시한다.

2H⁺(aq) + 2e → H₂(g) E^o = 0.00 V

여기서 반응에 관여하는 수소이온과 수소기체가 모두 표준상태에 있을 때 그 전위를 0.00 볼트(V)로 정하고, 기준으로 삼았다. 표준상태라 함은 수소이온의 활동도(activity, 농도와 매우 유사한 개념)가 1.0 이고, 수소의 기체의 활동도가 1.0인 평형상태에 있을 때를 말한다. 이 전극을 표준수소전극(standard hydrogen electrode, SHE)이라 부른다. 마치 산의 높이를 비교할 때 해수면을 기준으로 삼는 것처럼 표준수소전극을 기준으로 많은 반응에 대한 산화 혹은 환원 정도를 비교하는 것이다.

각 반응의 전위 값을 비교하기 위해서 수 없이 많은 종류의 반응을 환원 반응으로 표시하며, 각 개별 반응의 표준전극전위(standard electrode potential, Eo)는 표준수소전극의 전위를 기준으로 하여 환원이 쉽고 어려움에 따라 값을 결정하였다. 만약에 표준수소전극에 관련된 반응보다 전자를 더 쉽게 받아들일 수 있는 화학종의 환원반응은 플러스(+) 전위로, 전자를 더 어렵게 받아들이는 화학종의 환원반응은 마이너스(-) 전위로 표기하였다. 수 많은 반응에 대한 표준전극전위 값은 각종 교과서나 참고 문헌에 표로 나와있다. 그 값이 플러스 이고, 크면 클수록 환원되기 쉬운 반응이고, 반면에 그 값이 마이너스이고, 작으면 작을수록 환원되기 어려운 반응이라고 생각하면 된다. 예를 들어 은이온이 은으로 환원되는 반응의 표준전극전위는 +0.799 볼트이며, 구리이온이 구리로 환원되는 반응에 대한 전위는 +0.339 볼트이다. 반면에 리튬이온이 리튬으로 환원되는 표준전극전위는 -3.05 볼트이다.

Ag⁺ + e → Ag(S) E^o = +0.799 V
Cu²⁺ + 2e → Cu(S) E^o = +0.339 V

Li⁺ + e → Li(S) E^o = -3.05 V

전기자동차의 리튬이온전지. 리튬이온전지는 리튬의 강한 산화 경향을 이용하여 높은 전압을 낸다. <출처: (cc) Tennen-Gas at Wikipedia.org>

표준전극전위의 값으로부터 알 수 있는 사실은 은이온과 구리이온은 리튬이온에 비해서 환원이 쉽고, 구리이온보다는 은이온이 더 쉽게 환원되는 경향이 있다는 것이다. 사실 리튬이온의 환원이 매우 어렵다는 것은 쉽게 이해된다. 왜냐하면 리튬(Li(s))은 자발적으로 전자를 쉽게 잃는 이온화 경향이 매우 큰 금속이므로, 그 역 반응인 리튬이온이 전자를 받아 리튬이 되는 일은 매우 어려울 수 밖에 없기 때문이다. 리튬의 전극전위가 매우 큰 –값을 이용하려고 고출력 전지들은 리튬을 전극물질로 사용하고 있는 것이다.

한편 앞서 설명한 구리(Cu) 조각을 은이온(Ag⁺)이 포함된 용액에 넣었을 때 관찰되는 현상도 이 값을 이용하여 설명할 수 있다. 결국 은이온이 은으로 환원되는 경향은 구리이온이 구리로 환원되는 경향보다 크므로(+0.799 vs. +0.339), 은이온의 환원이 되면서 구리 표면에 석출이 되며, 대신 구리(Cu(s))는 구리이온(Cu²⁺)으로 산화되어 용액이 푸른 색으로 변하는 것이다. 이 때에 산화와 환원 반응이 동시에 진행되고 있음을 알 수 있다.

산화와 환원은 불가분의 관계

산화반응과 환원반응은 뗄래야 뗄 수 없는 관계이다. 왜냐하면 산화 반응은 환원 반응과 동시에 진행되며, 그 반대도 성립되기 때문이다. 자연이나 우리 삶에서도 수 많은 산화 환원 반응이 진행된다. 막걸리나 포도주에 포함된 알코올이 공기중의 산소에 의해서 산화되어 아세트산의 농도가 진해지면 그 맛이 시큼해진다. 자동차의 연료가 연소되는 것도 연료를 구성하는 유기화합물에 포함된 탄소가 이산화탄소로 변하는 산화반응이다. 알코올과 탄소는 산화되는 과정을 겪으면서 산소는 환원이 되는 것이다.

전지는 산화반응과 환원반응이 분리되어 일어나도록 고안을 한 장치로 우리에게 필요한 전기에너지를 얻는 도구이다. 그러나 연소반응 등은 산화와 환원이 분리되지 않고 동시에 한 곳에서 진행된다. 예를 들어 용광로를 가열한 상태에서 철광석(산화철을 포함하고 있다.)과 탄소를 섞어 순수한 철을 생산하는 제련은 산화와 환원이 한 곳에서 동시에 진행되는 것이다. 이것을 반응식으로 간략히 표현하면 다음과 같다.

FeO + C → Fe + CO

철광석에 포함된 산화철은 환원되어 철이 되고, 탄소는 산화되어 일산화탄소(CO)가 되는 화학반응이 용광로에서 일어나는 것이다. 이 때 녹은 철 용액 속으로 산소를 불어 넣어 일산화탄소가 더 산화되면서 이산화탄소(CO₂)로 되고, 광물에 불순물로 존재하는 황이 이산화황(SO₂)으로 산화되는 일도 동시에 일어난다. 산소는 다른 물질을 산화시키고, 자신은 환원(O₂에서 O^2-로)이 된다.

산소 같은 여자는 이기적?

금속의 산화를 보면 금속은 산소를 만나 녹슬어 낡고 볼품없어 진다. 더구나 피부 노화의 관점에서 보면 산화는 노화라 해도 크게 틀리지 않다. 산화가 노화라면 환원은 회춘인 셈이다. ‘산소 같은 여자’라는 카피를 처음 쓴 사람은 무슨 생각으로 썼을지 잘 모르겠으나, 화학적으로 보면 산소란 남들은 노화시키고 자신은 회춘하는 이기적(?)인 원소인 셈이다.