뿌리학습 · 고등 과학탐구
산화·환원과 중화 반응
물질이 변하는 모습은 다양하지만, 그 가운데 자연과 인류의 역사를 크게 바꾼 반응들이 있다. 식물이 양분을 만드는 광합성, 석탄과 석유를 태워 에너지를 얻는 화석 연료의 사용, 철광석에서 철을 얻는 철의 제련이다. 서로 달라 보이는 이 반응들에는 공통점이 있다. 모두 산화와 환원이 함께 일어나는 반응이라는 점이다.
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개념 정리
먼저 산소의 이동으로 보자. 물질이 산소를 얻는 것을 산화, 산소를 잃는 것을 환원이라고 한다. 석탄이나 석유 같은 화석 연료가 탈 때는 연료 속의 탄소가 산소와 결합해 이산화 탄소가 되므로 산화가 일어난다. 이때 많은 열이 나오고, 인류는 이 에너지로 산업을 일으켰다.
철의 제련에서는 반대 방향도 함께 보인다. 철광석에는 철이 산소와 결합한 산화 철이 들어 있다. 용광로에서는 코크스가 타면서 생긴 일산화 탄소가 산화 철의 산소를 빼앗는 대표적인 반응이 일어난다. 이때 산화 철은 산소를 잃고 철이 되는데, 이것은 환원이다. 이때 산화 철이 내놓은 산소를 일산화 탄소가 얻어 이산화 탄소가 되므로 일산화 탄소는 산화된다. 뜨겁게 태우는 장면 때문에 철이 산화된다고 생각하기 쉽지만, 철을 얻는 과정은 환원이다.
광합성도 산화·환원 반응이다. 식물은 빛에너지를 이용해 이산화 탄소와 물로 포도당을 만들고 산소를 내놓는다. 이 과정에서 이산화 탄소는 환원되어 포도당이 되고, 물은 산화되어 산소가 발생한다. 불꽃이 보이지 않아도 산화와 환원이 함께 일어나는 것이다.
산화는 불꽃을 내며 빠르게 일어나기도 하지만 천천히 일어나기도 한다. 철이 공기 중의 산소와 물의 영향을 받아 녹스는 것, 세포에서 산소를 이용해 영양소를 산화하여 에너지를 얻는 호흡도 산화 반응의 예이다.
산화와 환원은 전자의 이동으로도 설명할 수 있다. 물질이 전자를 잃는 것을 산화, 전자를 얻는 것을 환원이라고 한다. 예를 들어 질산 은 수용액에 구리를 넣으면, 구리는 전자를 잃고 구리 이온이 되어 산화되고, 은 이온은 그 전자를 얻어 은이 되어 환원된다. 이렇게 보면 산소가 등장하지 않는 반응에서도 산화와 환원을 설명할 수 있다.
어느 쪽으로 보든 기억할 점이 있다. 한 물질이 산소를 얻거나 전자를 잃으면, 그 산소를 내놓거나 전자를 받은 물질이 있다. 그래서 산화와 환원은 함께 일어난다. 한 반응에서 산화된 물질을 찾았다면 환원된 물질도 함께 찾아야 한다.
이제 산과 염기다. 염산, 황산, 아세트산처럼 신맛을 내는 물질들이 있고, 수산화 나트륨, 수산화 칼슘처럼 쓴맛을 내고 미끈거리는 물질들이 있다. 이름은 달라도 같은 무리끼리는 성질이 비슷하다. 산은 물에 녹아 수소 이온을 내놓는 물질이고, 염기는 물에 녹아 수산화 이온을 내놓는 물질이기 때문이다. 산은 마그네슘 같은 일부 금속과 반응해 수소 기체를 내고, 달걀 껍데기의 성분인 탄산 칼슘 같은 탄산염과 반응해 이산화 탄소를 낸다. 염기는 단백질을 녹이는 성질이 있어 피부에 닿으면 미끈거리는 느낌이 들고 다칠 수 있으며, 페놀프탈레인 용액을 붉게 변하게 한다. 산과 염기의 수용액에는 이온이 들어 있어 전류가 흐를 수 있다. 실험에서 산과 염기의 성질을 확인할 때 맛을 보거나 손으로 만져서는 안 된다.
산과 염기를 섞으면 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온이 만나 물이 된다. 이 반응을 중화 반응이라고 한다. 중화 반응이 일어나는 동안 두 가지 변화를 관찰할 수 있다.
첫째는 온도 변화다. 중화 반응이 일어날 때는 열이 나기 때문에 용액의 온도가 올라간다. 산에 염기를 조금씩 넣으면 반응이 계속되는 동안 온도가 올라가다가, 산의 수소 이온이 모두 반응하면 더 이상 중화 반응이 일어나지 않아 새로 나는 열이 없다. 그 뒤로 온도가 내려가는 것은 반응이 되돌아가서가 아니라, 온도가 낮은 용액이 계속 섞이고 열이 주변으로 빠져나가는 영향이 커지기 때문이다.
둘째는 지시약의 색 변화다. 지시약은 용액의 성질에 따라 색이 달라지는 물질이다. 예를 들어 BTB 용액은 산성에서 노란색, 중성에서 초록색, 염기성에서 파란색을 띤다. 산에 BTB 용액을 넣고 염기를 조금씩 넣으면 노란색에서 초록색을 거쳐 파란색으로 변한다. 지시약은 용액의 성질을 바꾸는 것이 아니라 성질에 따라 색만 달라진다.
여기서 주의할 점이 있다. 산과 염기를 섞는다고 용액이 늘 중성이 되는 것은 아니다. 섞은 양에 따라 산성이 남을 수도 있고 염기성이 될 수도 있다. 그래서 지시약의 색으로 용액의 성질을 확인한다.
중화 반응은 생활 곳곳에서 이용된다. 위산이 지나치게 많이 나올 때 염기성 물질이 든 제산제를 먹고, 산성으로 변한 토양에 염기성인 석회를 뿌려 토양의 성질을 조절한다. 생선 요리에 레몬즙을 뿌리면 레몬즙의 산성 물질이 비린내의 원인이 되는 일부 염기성 물질과 반응해 냄새를 줄이는 데 도움을 준다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [10통과2-01-03]자연과 인류의 역사에 큰 변화를 가져온 광합성, 화석 연료 사용, 철의 제련 등에서 공통점을 찾아 산화와 환원을 이해하고, 생활 주변의 다양한 변화를 산화와 환원의 특징과 규칙성으로 분석할 수 있다.
자주 하는 착각
산소와 전자의 이동으로 본 산화·환원
- 산화를 산소와 결합하는 것으로만 이해한다. 이름과 처음 배운 정의가 그렇기 때문이다. 물질이 산소를 얻는 것뿐 아니라 전자를 잃는 것도 산화다. 그래서 산소가 등장하지 않는 반응에서도 산화·환원이 일어날 수 있다.
- 광합성을 산화·환원과 관계없는 반응으로 본다. 불에 타는 것처럼 산소가 결합하는 장면이 보이지 않기 때문이다. 광합성에서는 이산화 탄소가 환원되어 포도당이 되고, 물이 산화되어 산소가 발생한다. 산화와 환원이 함께 일어나는 반응이다.
- 철의 제련에서 철이 산화된다고 본다. 용광로에서 뜨겁게 달구고 태우는 장면이 떠오르기 때문이다. 철광석 속의 산화 철은 산소를 잃고 철이 되므로 환원되고, 이때 산소를 얻는 일산화 탄소가 산화되어 이산화 탄소가 된다.
- 불꽃을 내며 타는 연소만 산화 반응으로 본다. 불꽃과 열이 눈에 잘 띄기 때문이다. 철이 녹스는 것이나, 세포에서 산소를 이용해 영양소를 산화하여 에너지를 얻는 호흡처럼 천천히 일어나는 반응도 산화 반응이다.
- 한쪽 물질만 산화되었다고 답한다. 문제가 한 물질을 지목해 묻기 때문이다. 어떤 물질이 산소를 얻거나 전자를 잃으면, 그 산소를 내놓거나 전자를 받은 물질이 있다. 산화와 환원은 함께 일어난다.
산과 염기, 중화 반응
- 산과 염기의 성질을 물질마다 따로 외운다. 물질의 이름이 모두 다르기 때문이다. 산은 수용액에서 수소 이온을 내놓는 물질이어서 마그네슘 같은 일부 금속과 반응해 수소 기체를 내는 것 같은 공통된 성질을 가진다. 염기는 수용액에서 수산화 이온을 내놓는 물질이어서 단백질을 녹이는 것 같은 공통된 성질을 가진다.
- 산과 염기를 섞으면 용액이 늘 중성이 된다고 본다. 중화라는 이름이 중성을 떠올리게 하기 때문이다. 섞은 양에 따라 산성이 남을 수도 있고 염기성이 될 수도 있다. 용액의 성질은 지시약의 색으로 확인한다.
- 온도가 가장 높았던 지점 이후 온도가 내려가는 것을 반응이 되돌아가는 것으로 읽는다. 온도 하강을 반응의 역행으로 해석하기 때문이다. 온도가 가장 높아진 뒤에는 새로 나는 열보다, 온도가 낮은 용액이 계속 섞이고 열이 주변으로 빠져나가는 영향이 커져 온도가 내려가는 것이다.
- 지시약이 용액을 산성이나 염기성으로 바꾼다고 본다. 지시약을 넣자 색이 바뀌는 장면을 보기 때문이다. 지시약은 용액의 성질에 따라 색이 달라지는 물질일 뿐, 용액의 성질을 바꾸지는 않는다.
- 중화 반응을 실험실에서만 일어나는 일로 본다. 교과서에서 실험 장면으로 먼저 배우기 때문이다. 위산이 지나칠 때 제산제를 먹거나, 산성으로 변한 토양에 석회를 뿌리는 것처럼 생활 곳곳에서 중화 반응을 이용한다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
산화는 물질이 산소와 결합하는 경우만을 가리킨다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
처음 배운 정의와 이름 때문에 산화를 산소와 결합하는 것으로만 생각하기 쉬워요. 실제로는 물질이 산소를 얻는 것뿐 아니라 전자를 잃는 것도 산화예요. 그래서 산소가 등장하지 않는 반응에서도 산화·환원이 일어날 수 있어요.
광합성에서는 이산화 탄소가 환원되어 포도당이 되고, 물이 산화되어 산소가 발생한다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
불에 타는 것처럼 산소가 결합하는 장면이 보이지 않아 광합성을 산화·환원과 관계없다고 여기기 쉬워요. 실제로 광합성에서는 이산화 탄소가 환원되어 포도당이 되고, 물이 산화되어 산소가 발생해요. 산화와 환원이 함께 일어나는 반응이에요.
철의 제련에서 철광석 속의 산화 철은 산화되어 철이 된다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
용광로에서 뜨겁게 달구고 태우는 장면이 떠올라 철이 산화된다고 생각하기 쉬워요. 실제로 철광석 속의 산화 철은 산소를 잃고 철이 되므로 환원돼요. 이때 산소를 얻는 일산화 탄소는 산화되어 이산화 탄소가 돼요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반