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환원
환원(還元, reduction)은 화학 반응에서 수소를 얻거나 산소를 잃는 것을 의미하지만, 넓은 의미로는 전자를 얻는 것을 환원이라 한다. 또한 환원의 역반응으로는 산화가 있으며, 환원과 반대로 수소를 잃거나 산소를 얻고, 역시 넓은 의미로는 전자를 잃는 것을 말한다. 일반적으로 한쪽이 전자를 잃게 되면 다른 쪽은 전자를 얻게 되므로, 산화와 환원은 동시에 일어나며 이를 산화-환원 반응이라 칭하기도 한다. 광물의 경우에도 대부분의 광물은 자연에서 산화된 상태로 존재하기 때문에, 순수한 광물을 얻기 위해 산소를 제거하는 과정을 거치게 되는데, 이 과정 역시 환원 과정이다.
환원제는 다른 물질을 환원시키면서 자신은 산화되는 물질을 말한다.
개요
일반적으로 환원은 원래 상태로 전환한다는 뜻이다. 그런데 화학에서 환원은 특별히 어떤 산화된 물질을 산화 이전의 상태로 되돌리는 것을 의미한다. 예컨대 현재 지구의 상황을 초기 지구의 상황으로 돌이킨다면 그것은 환원이 될 것이다.
약 40억 년 전 생명이 태어나기 이전 원시 지구 표면의 성분과 현재 지구 표면의 성분 사이에는 큰 차이가 있다. 현재 바다의 주성분인 물(H₂O), 그리고 대기의 주성분인 질소(N₂), 산소(O₂), 이산화 탄소(CO₂)는 원시 지구에 들어있던 다른 성분, 즉 물 대신 수소(H₂), 질소 대신 암모니아(NH₃), 산소 대신 물, 그리고 이산화 탄소 대신 메테인(CH₄)으로부터 만들어졌다고 믿어진다. 그런데 산화는 시간이 흐르면서 물이 아래로 흐르듯이 안정한 방향으로 변하는 자연스러운 변화이고, 반면에 환원은 흐르는 물을 거꾸로 거스르는 방향이다. 그래서 수소가 물로, 암모니아가 질소로, 물이 산소로, 그리고 메테인이 이산화 탄소로 변하는 것은 산화이다. 그렇다면 물이 수소로, 질소가 암모니아로, 산소가 물로, 그리고 이산화 탄소가 메테인으로 변하는 것은 환원이다.
상세
- 화학에서 이용되는 환원이라는 말은 산화물에서 산소를 제거하고 원소로 환원한다고 하는 의미에서 생겼다. 예를 들면 가열한 산화구리(Ⅱ)에 수소 가스를 통과시키면 CuO＋H₂ ⇀ Cu＋H₂O의 반응식으로 나타내듯이, 산화물에서 산소가 빼앗겨져 산화구리는 금속 구리로 환원된다. 본래의 의미는 위와 같이 산화물에서 산소가 빼앗기는 것으로 시작되는 것이지만, 산화물에서 산소의 일부가 빼앗기는 경우, 물질이 수소와 화합하여 새로운 화합물을 생성하는 경우도 마찬가지로 환원이라고 불린다.
- 이것들은 모두 좁은 의미의 환원이지만, 넓은 의미에서는 일반적으로 물질이 전자와 결합하는 것을 환원으로 부른다. 현상으로서는 화합물 내의 어떤 성분의 산화수가 감소로서 나타나고, 이온의 경우에는 양전하의 감소 또는 음전하의 증가로서 확인된다 : M⁺＋e ⇀ M ; X＋e ⇀ X－(좁은 의미의 환원이 이 정의에 따르는 것은 말할 필요도 없다 : CuⅡO＋H₂ ⇀ Cu0＋H₂O). 예를 들면 아세트산납(Ⅱ)의 수용액 중에 아연 입자를 만들어두면 납이 아연 위에 유리하여 수지상의 아름다운 판모양 결정(납 나무)을 생성한다.
- Pb(CH₃COO)₂ + Zn ⇀ Zn(CH₃COO)₂ + Pb
- Pb²⁺ Zn ⇀ Pb + Zn²⁺
- 이 경우 납은 ＋2가에서 0가가 된 것이므로 환원된 것이고, 동시에 아연은 이온화 경향이 납보다 크므로 양이온이 되고 0 ⇀ ＋2의 산화를 받게 된다. 또한 요오드화칼륨의 수용액에 염소를 통과시키면 요오드를 유리한다.
- 2KI + Cl₂ ⇀ 2KCL + I₂
- I⁻ + Cl ⇀ Cl⁻ + I
- 이 경우 염소는 0 ⇀ －1가의 변화를 하여 환원되고 요오드는 －1 ⇀ 0가의 변화를 하여 산화된다. 이와 같이 어떤 화합물 중의 어떤 원소가 환원을 받았을 때는 그 화합물은 환원되었다고 한다. 전해시에 일어나는 전극에서의 전자의 주고받음은 산화 환원 반응이고, 음극에서는 항상 물질이 환원되며 양극에서는 항상 물질이 산화되고 있다. 하나의 반응계에서는 산화와 환원이 항상 당량으로 일어난다. ⇀ 산화
- 무기 화학에 있어서의 환원 반응은 전술한 것과 같이 성분 원소의 원자가 저하에 의한 경우가 많지만, 유기 화학에서는 이와 달리 원자가의 변화는 드물고 대부분이 좁은 의미의 환원에 한정되어, 어떤 화합물에서의 수소 원자수를 증가하든가 또는 산소 원자수를 감소하는 반응을 환원이라고 한다. 그 방법으로서는 촉매의 존재하에서 수소로 환원하는 접촉 환원법(⇀ 접촉 환원), 전극에서 환원하는 전해 환원법(⇀ 전해 환원)과 여러 가지 환원 시약을 이용하는 방법으로 대별된다. 유기 화학에 있어서의 환원의 주요 형식을 나타내면
- 알데히드, 케톤, 에스테르에서 알코올로의 환원 :
- RCOR′ ⇀ RCH(OH)R′
- RCOOR′⇀ RCH₂OH + R′OH
- 수산기, 카르보닐기에서 메틸렌기로의 환원 :
- >CHOH ⇀ >CH₂;>CO⇀ >CH₂
- 니트로기의 환원
- -NO₂ ⇀ -NO, -N=N-, -N=N-,
- -NH·NH-, -NHOH, -NH₂
- -C≡C-, -CH＝CH-, -C≡N, ＞C＝N-, -N＝N-
- 등의 불포화 결합으로의 수소 첨가 등이다. 이와 같은 환원 반응은 유기 화학의 연구에서 구조 결정, 합성 등에 항상 이용되고 공업적으로도 여러 가지 합성에 널리 이용되고 있다.
- 발효법에 의한 환원 : 유기 합성 화학적으로 곤란한 환원도 미생물의 특이적인 효소 작용에 의한 환원에 의해 수득률이 높게 되는 것이 많고, 최근에는 널리 이용되게 되었다. 그 방법으로서는 환원하려고 하는 화합물을 용액 또는 현탁상으로서 미생물의 배양액 속에 넣고, 대부분의 경우 수소 공여체가 되는 당류 등을 영양원으로서 배지에 이용하여 배양을 계속하면 그 화합물이 환원되므로 배양액에서 추출 정제하여 얻을 수 있다. 오늘날까지 알려져 있는 대부분의 반응 형식은 다음 식으로 나타내는 것과 같다.
- 이들 환원에 이용되는 미생물로서는 효모, 클로스트리듐속, 대장균, 락트산균, 호기균, 방선균 및 곰팡이가 있다.
참고자료
같이 보기
