산화와 환원 — 전자를 주고받는다는 것

자전거 체인이 붉게 녹슬고, 깎아 둔 사과가 갈색으로 변하고, 가스레인지에서 불이 붙습니다. 셋은 서로 아무 상관 없어 보이는데, 화학에서는 모두 산화라고 부릅니다. 겉모습이 이렇게 다른 일들이 왜 같은 이름을 달고 있을까요? 답은 산소가 아니라 전자에 있습니다.

처음에는 정말 산소였습니다

산화라는 이름은 산소에서 왔습니다. 물질이 산소와 결합하는 것이 산화, 반대로 산소를 잃는 것이 환원. 이것이 첫 정의였습니다.

위 반응 하나에서 구리는 환원되고 수소는 산화됩니다. 한쪽이 산소를 잃으면 다른 쪽이 그 산소를 얻으니, 산화와 환원은 처음부터 짝으로 등장했습니다.

맨 앞에 든 세 가지도 이 정의로 설명됩니다. 철이 공기 중의 산소와 천천히 결합하면 붉은 녹이 되고, 가스가 산소와 빠르게 결합하면 불꽃과 열이 나는 연소가 되고, 깎아 둔 사과의 단면이 산소와 만나면 갈색 물질이 생깁니다. 속도만 다를 뿐 같은 종류의 반응입니다.

그런데 이 정의는 곧 벽에 부딪힙니다. 산소가 한 톨도 없는 반응에서도 똑같은 종류의 일이 벌어지기 때문입니다.

산소에서 수소로, 수소에서 전자로

정의는 두 번 넓어졌습니다. 산소를 기준으로, 다음은 수소를 기준으로, 마지막에 전자를 기준으로.

• 산소를 얻으면 산화 · 잃으면 환원
• 수소를 잃으면 산화 · 얻으면 환원
• 전자를 잃으면 산화 · 얻으면 환원

가장 넓은 것이 전자 기준이고, 앞의 두 정의는 그 특수한 경우일 뿐입니다. 산소는 전자를 끌어당기는 힘이 아주 셉니다. 그래서 어떤 원자가 산소와 결합하면 전자를 산소 쪽에 빼앗기고, 결국 전자를 잃은 셈이 됩니다. 수소는 반대로 전자를 잘 내주는 쪽이라, 수소를 잃는 것 역시 전자를 잃는 것으로 이어집니다.

전자 기준으로 보면 산소도 수소도 없는 반응까지 설명됩니다. 나트륨과 염소가 만나 소금이 될 때 나트륨은 전자 하나를 내주고, 염소는 그 전자를 받습니다. 나트륨이 산화된 것입니다.

한쪽이 잃으면 다른 쪽이 받습니다

전자는 허공으로 사라지지 않습니다. 한쪽이 잃은 전자를 반드시 다른 쪽이 그만큼 받습니다. 그래서 산화와 환원은 언제나 동시에 일어납니다. 둘을 묶어 산화 환원 반응이라고 부르는 이유입니다.

푸른 황산 구리 수용액에 아연판을 담가 보면 눈으로 보입니다. 아연판은 녹아 얇아지고, 그 표면에 붉은 구리가 달라붙고, 용액의 푸른색은 옅어집니다.

아연이 내놓은 전자 두 개를 구리 이온이 그대로 받습니다. 용액이 옅어지는 것은 푸른색의 원인인 구리 이온이 줄어들기 때문입니다.

반대로 구리판을 황산 아연 수용액에 담그면 아무 일도 일어나지 않습니다. 전자를 내주려는 성질, 곧 반응성이 아연 쪽이 크기 때문입니다. 반응성이 큰 금속이 전자를 내주고 이온이 되어 녹고, 작은 금속이 전자를 받아 금속으로 석출됩니다.

여기서 이름이 하나 더 나옵니다. 상대를 산화시키는 물질이 산화제입니다. 남을 산화시키려면 그 전자를 자기가 받아야 하니, 산화제 자신은 환원됩니다. 반대로 환원제는 자기 전자를 내주므로 스스로는 산화됩니다. 위 반응에서 구리 이온이 산화제, 아연이 환원제입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 반응식을 주고 산화된 물질과 환원된 물질을 고르게 합니다. 산소·수소·전자 가운데 무엇으로 판단할지부터 정하세요.
• 산화수를 매기고 그 변화를 봅니다. 산화수가 커지면 산화, 작아지면 환원입니다.
• 산화제와 환원제를 고르는 문제. 산화제는 자신이 환원되는 물질이라는 점이 함정입니다.
• 금속을 이온이 든 수용액에 담그는 실험. 반응성이 큰 금속이 전자를 내주고 녹아 나오고, 작은 금속이 석출됩니다. 용액의 색과 금속판의 질량 변화를 같이 묻습니다.
• 생활 속 예를 분류하기: 철의 부식, 연소, 호흡과 광합성, 사과의 갈변, 표백제의 작용은 모두 산화 환원 반응입니다.

자주 헷갈리는 것

• "산화는 산소와 결합하는 것이다" — 출발점일 뿐입니다. 소금이 만들어질 때처럼 산소가 없어도 산화는 일어납니다. 기준은 전자입니다.
• "산화제는 산화되는 물질이다" — 반대입니다. 산화제는 남을 산화시키고 자신은 환원됩니다. "제"는 남에게 하는 일을 가리킵니다.
• "산화만 일어나는 반응도 있다" — 없습니다. 전자를 받아 줄 상대가 없으면 애초에 전자를 내놓을 수 없습니다.

정리합니다. 산화의 기준은 산소에서 수소로, 다시 전자로 넓어졌고 가장 근본은 전자입니다. 전자를 잃으면 산화, 얻으면 환원입니다. 잃은 전자는 반드시 누군가 받으므로 산화와 환원은 늘 짝을 이루어 일어납니다.

그림 참고: [Wikimedia Commons, Redox example](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Redox_example.svg) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.