환원반응

환원반응(reduction reaction)은 산화환원반응에서 전자를 얻는 반응을 말한다. 환원반응과 반대로 전자를 잃는 반응을 산화반응이라 한다. 산화환원반응은 물질간의 전자 이동이 일어나는 반응으로 산화반응과 환원반응은 따로 일어날 수 없고 동시에 일어난다. 환원반응은 일상생활에서 많이 사용되는데 자동차의 촉매변환장치, 식물의 광합성작용, 미용실에서의 파마 등의 다양한 곳에서 이용된다.

개요

환원반응은 늘 산화반응과 동반해서 진행되는 것이므로 생활 주변에서 많이 관찰할 수 있다. 환원은 본래의 것으로 되돌린다는 의미로 사용되는 용어이지만 화학자들이 사용하는 환원은 물질의 변환을 의미한다. 예를 들어 광석으로부터 금속을 추출하는 일, 이산화탄소가 녹말이나 셀룰로스로 변하는 일, 산소가 물 혹은 과산화수소로 변하는 과정, 산화질소(NOx)가 질소나 암모니아로 변환되는 일 등이 모두 환원 반응을 거쳐 진행되는 일이다.

산화수가 증가하면 산화, 산화수가 감소하면 환원

물질의 변환이 일어나면서 물질을 구성하는 원소들의 산화수(oxidation number)가 변한다. 산화수가 증가하면 산화, 산화수가 감소하면 환원이라고 정의한다. 즉 환원(reduction)은 분자, 원자, 이온이 전자를 얻어서 산화수가 감소하는 것이다. 예를 들어서 알루미늄 이온(Al³⁺)이 전자를 3개 받아들여서 알루미늄(Al)이 되는 경우에 알루미늄의 산화수가 +3에서 0으로 줄었으므로 환원이며, 염소(Cl) 원자가 전자를 받아서 염소이온(Cl⁻)이 되는 경우에는, 산화수가 0에서 -1로 감소하였으므로 역시 환원이다.

결국 물질을 구성하는 분자, 원자, 이온이 새로운 상태로 변할 때 본래 가지고 있던 산화수 보다 줄어든 경우에는 환원(reduction) 혹은 환원반응이 진행되었다고 말한다. 산화수의 변화와 함께 본래 화합물이 가지고 있던 산소를 잃을 경우 혹은 화합물이 수소와 결합하여 새로운 화합물로 변할 경우에도 환원이 되었다고 말한다.

표준전극전위(Eo)와 환원경향

표준전극전위(standard electrode potential, Eo)를 비교하면 특정 화학반응의 환원경향을 알 수 있다.각 반응에 대한 표준전극전위 값을 비교해 보려면 기준이 되는 표준전극전위가 필요하다. 그 기준이 되는 반응은 수소이온(H⁺)이 수소기체(H₂(g))로 환원되는 반응이며, 이 특정 반응의 전위를 0 볼트로 정하였다.

2H⁺(aq) + 2e → H₂(g)Eo ≡ 0.00V

만약에 어떤 반응에 대한 표준전극전위가 표준수소전극의 전위보다 + 이며 그 값이 크다면 그 반응의 환원은 쉽게 진행된다. 수 많은 반응에 대한 반응식은 수소전극처럼 환원 반응으로 적고, 그 반응의 표준전극전위의 값들은 책이나 문헌에 표로 잘 정리되어 있다. 그러므로 단순히 표준전극전위의 값들을 비교해 보면 어떤 반응이 더 환원 경향이 큰지를 판단할 수 있다. 예를 들어 표를 보면 산화수가 3가인 철이온(Fe³⁺)이 2가 철이온(Fe²⁺)으로 환원되는 반응에 대한 표준전극전위는 +0.771 볼트로, 구리이온(Cu²⁺)이 구리(Cu)로 환원되는 반응에 대한 표준전극전위는 +0.339 볼트로 나와 있다. 그러므로 표준전극전위 값으로 볼 때 철이온이 환원이 되려는 경향은 구리이온이 환원되려는 경향보다 크다고 할 수 있다. 그렇지만 반응이 얼마나 빠르게 진행될 지는 온도, 압력은 물론 용액의 농도 등과 같은 변수에 따라 달라진다.

Fe³⁺ + 3e → Fe²⁺ Eo = +0.799V

Cu²⁺ + 2e → Cu(S)Eo = +0.339V

만약에 금속 구리(Cu) 조각을 철이온(Fe³⁺) 용액에 담그면 철이온이 환원되면서 구리를 산화시킨다. 그 결과 철이온은 2가 철이온(Fe²⁺)으로 변하고, 금속 구리는 녹아서 용액에는 구리이온(Cu²⁺)의 농도가 높아진다. 컴퓨터에 사용되는 인쇄 회로 기판을 대량으로 만들 때 이 반응을 이용하기도 한다. 얇은 절연체 수지 위에 입혀진 구리 박막(thin film)에 원하는 회로를 인쇄한다. 회로 선을 따라서 그 위에 절연성 도료를 입힌다. 그 후에 기판을 3가 철이온(Fe³⁺) 용액에 담그면 용액과 접촉되는 부분의 구리 기판은 녹아 없어져 절연체 수지가 들어난다. 절연성 도료를 입힌 회로 부분은 철이온 용액과 접촉하지 않았으므로 구리선 회로만 기판 위에 남게 된다. 이 반응 역시 한쪽에서 환원(Fe³⁺ → Fe²⁺)이 진행되면 다른 쪽에서는 동시에 산화(Cu → Cu²⁺)가 진행되고 있다는 것을 알 수 있다.

환원반응의 사례

자동차 촉매

산화질소를 질소(N₂) 혹은 암모니아 등으로 환원시키는 반응은 실생활에서 이용되는 반응이다. 자동차의 배기관에는 자동차 배기가스에서 배출되는 산화질소를 환원시키는 촉매가 들어 있다. 공기를 정화하는 곳에 환원반응이 이용되고 있는 셈이다.

NO₂ + HC(탄화수소) → N₂ + CO₂ + H₂O

전기차 충전

충전은 양극에서 음극으로 전자가 이동하며 이루어진다. 방전 시에는 반대다. 충전 플러그를 꽂으면 전류의 영향으로 양극 리튬 산화물에서 리튬 원자가 분리된다. 반응성이 큰 리튬은 리튬 이온과 전자로 분리된다(산화 반응). 음극과 양극의 전위차가 발생하면 양극에서 분리된 전자는 전위가 높아진 음극으로 이동한다. 이때 리튬 이온은 전해액을 통해 양극에서 음극으로 이동한다. 음극에 위치한 흑연이 전자와 리튬 이온을 받아들이며 배터리의 충전이 이루어진다.(환원반응)

자연의 광합성

자연에서 일어나는 대표적인 환원 반응에는 식물에서 이산화탄소가 포도당으로 변하는 것이다. 포도당과 산소가 생성되는 광합성 반응은 결국은 이산화탄소가 환원되는 반응이며, 물이 산화되어 산소가 발생하는 산화반응도 동시에 진행된다.

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

산림이 파괴되어 광합성 반응이 덜 진행되면 환원되는 이산화탄소의 양이 줄어들게 되고, 그 결과 지구의 온난화도 가속화 될 것이다. 그러나 효율적인 촉매와 화학반응을 고안하여 이산화탄소를 효율적으로 환원시켜 연료(CH₄, HCOOH 등)로, 더 나아가서 유사 석유를 만들어 내는 성과를 낸다면 미래의 에너지 문제도 해결할 수 있을 것이다. 화학이 더 발달하여 미래에 이산화탄소로부터 직접 자동차 연료를 얻는 꿈 같은 일도 불가능해 보이지 않는다.

CO₂ + 2H₂O → CH₄ + 2O₂

2CO₂ + 2H₂O → 2HCOOH + O₂

참고자료

• 〈환원반응〉, 《화학산책》
• 〈환원반응〉, 《사이언스올》

같이 보기

• 산화반응
• 산화환원반응
• 산화수

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