[강신종 쌤의 '재미있는 과학이야기' (23)] 산화환원 반응 (2)

철은 철광석에서 산소를 빼내는 환원반응에서 얻죠

석유같은 화석연료에서 에너지를 얻는 방법도 같죠

최초 지구의 대기에는 산소 기체가 없었다. 그러나 해양 식물들의 출현과 광합성으로 대기조성이 바뀌어 산소 기체가 많아지게 되었고 일부는 성층권의 오존층에서 태양에서 나오는 강한 자외선을 차단하는 역할을 하면서 해양 생물들이 육지로 올라갈 수 있는 환경을 만들었다. 오랜 시간 진화를 거치면서 현재 지구의 생명체들은 산소 기체가 없는 환경을 상상할 수 없게 되었다.

지구를 바꾼 화학반응

통합과학 교과서에서는 ‘광합성’과 ‘철의 제련’, 그리고 ‘화석 연료의 사용’ 등을 지구와 생명체의 역사를 바꾼 화학 반응으로 보고 있다. 이번 시간에는 ‘철의 제련’과 ‘화석 연료의 사용’에 대하여 이야기해 보겠다.

지각에 가장 많이 존재하는 원소는 산소(O)이지만, 금속인 철(Fe)은 철광석(Fe2O3)의 형태로 어디서든지 구할 수 있을 정도로 넓은 지역에 분포되어 있다. 순수한 철을 얻는 제련 과정은 쉬운 일은 아니다. 철의 제련은 철광석(Fe2O3)에서 산소를 빼내는 환원 반응이며, 인류는 얻기 쉬운 구리 금속을 먼저 사용하면서 청동기 시대를 열었다. 시간이 많이 지난 후에야 철을 사용하게 되며 철기 시대가 열린 것이다.

철기 시대와 화학

2007년 드라마 ‘주몽’에서는 주몽이 고구려를 건국하는 과정을 재미있게 보여 주었다. 하지만 나에게 재미있던 볼거리는 한나라의 철기 군에 맞서기 위해 ‘주몽’과 ‘모팔모’가 힘든 역경을 모두 이겨내고 강철검을 만드는 과정이었으며, 철기 시대 생활 풍습과 권력 구도의 변화 과정을 표현하려 노력했던 것으로 기억된다.

드라마에서 ‘모팔모’는 철기방에서 산화철 형태의 철광석(Fe2O3)을 숯(C)과 함께 가열하였을 것이다. 숯에 있는 탄소(C) 성분이 산소(O)를 만나며 불완전연소의 생성물로 일산화탄소(CO)가 발생되고, 일산화탄소가 철광석(Fe2O3)을 환원시키며 순수한 철(Fe)이 되는 과정으로 생각된다. 현재는 이런 과정으로 얻어진 철은 시계의 작은 부품부터 건축물들의 뼈대까지 다양하게 사용되고 있다.

지질 시대의 생물들이 땅속에 묻혀 화석같이 굳어 오늘날 연료로 이용되는 석탄, 석유, 천연 가스 등을 화석 연료(化石 燃料)라 하며, 화석 연료는 탄소(C)와 수소(H)가 주성분이다. 18세기 산업혁명 이후 화석 연료의 대량 사용으로 배출된 이산화탄소(CO2)로 인해 지구 온난화와 같은 환경 문제에 직면하게 되었다.

현재까지 인류는 화석 연료를 중심으로 연소(燃燒)를 통해 에너지를 공급받으며 인류의 문명은 빠르게 발달하였다. 하지만 매장량의 한계와 환경 오염 등 여러 문제 해결을 위해 가까운 미래에는 수소 자동차처럼 화학 변화를 이용하여 에너지를 얻으며 당면한 문제점을 극복할 것이다.

인류는 화석 연료인 석탄을 증기 기관의 에너지로 사용하면서 먼 곳까지 물류 및 사람들의 이동이 가능하게 되었고 이를 바탕으로 대량 생산과 대량 생산을 위한 기계화가 필요한 사회가 되면서 전반적으로 커다란 변화를 맞이하게 된다. 이를 우리는 ‘산업혁명’이라 한다. 또한 화석 연료의 연소로 난방, 음식의 조리, 전기를 얻었다. 만약에 화석 연료(석유)가 고갈된다면 인류에게 닥칠 문제점들은 뭐가 있을까?

산화환원 반응을 안다는 것

화석 연료를 사용하는 비행기, 배, 자동차 등 각종 운송 수단이 중지될 것이며 이는 물류 및 사람들의 이동 중단을 의미한다. 다시 말하면 쌀이나 물고기 등이 생산지에서 도시로 공급되기 어렵다는 것을 의미한다. 도시에서는 쌀이나 물고기를 구할 수가 없어 커다란 혼란에 빠지게 될 것이다. 또한 일상생활에서 쉽게 볼 수 있었던 플라스틱 제품, 폴리에스테르계 섬유 등 탄소 화합물을 원료로 하는 많은 화학 제품 등이 사라지는 등 우리 주변에서 다양한 분야에 엄청난 문제들이 야기될 정도로 화석 연료의 사용은 지구와 생명체의 역사를 바꾼 화학 반응이다.

지금까지 언급한 주요한 내용은 지구와 생명체의 역사를 바꾼 화학 반응은 ‘광합성’과 ‘철의 제련’, 그리고 ‘화석 연료의 사용’ 등이며, 이들은 모두 산화환원 반응을 한다는 것과 생명 현상과 밀접한 관계가 있다는 공통점을 갖고 있다는 것이다.

강신종 < 용화여고 교사 >