화학 반응 — 원자의 재배열

1.물리 변화와 화학 변화

얼음이 녹거나 종이를 자르는 것은 물질의 모양이나 상태만 바뀌는 물리 변화입니다. 반면 종이가 타서 재와 연기가 되거나, 철이 녹슬거나, 고기를 구우면 색과 맛이 변하는 것은 원래와 다른 새 물질이 생기는 화학 변화입니다.

화학 변화의 정체는 원자의 재배열입니다. 원자끼리의 결합이 끊어지고 다른 상대와 새로 결합하면서 성질이 다른 물질이 만들어집니다. 색 변화, 기체 발생, 앙금 생성, 열이나 빛의 출입은 화학 변화가 일어났다는 단서가 됩니다.

2.질량 보존과 화학 반응식

화학 반응 전후에 원자의 종류와 수는 변하지 않습니다. 그래서 반응 전 물질의 전체 질량과 반응 후 물질의 전체 질량은 같습니다. 이것이 질량 보존 법칙입니다.

나무를 태우면 재가 원래 나무보다 훨씬 가벼워 보입니다. 질량이 사라진 것이 아니라 이산화 탄소와 수증기가 공기 중으로 날아갔기 때문입니다. 반대로 강철 솜을 태우면 공기 중의 산소와 결합하여 질량이 늘어납니다. 밀폐된 용기 안에서 반응시키면 전후 질량이 같다는 것을 확인할 수 있습니다.

화학 반응식은 반응물을 왼쪽, 생성물을 오른쪽에 화학식으로 쓰고 화살표로 잇습니다. 그리고 양쪽의 원자 수가 같도록 화학식 앞에 계수를 붙입니다. 화학식 안의 작은 숫자(H₂O의 2)는 물질 자체를 바꾸므로 절대 고치지 않고, 앞의 계수만 조정합니다.

3.반응식으로 양 계산하기 — 연료를 태우면 이산화 탄소는 얼마나

계수를 맞춘 반응식은 원자가 몇 개씩 반응하는지를 알려 주므로, 원자의 상대적 질량을 알면 물질이 몇 g씩 반응하고 생기는지도 계산할 수 있습니다. 여기서는 수소 1, 탄소 12, 산소 16이라는 대략적인 원자량을 씁니다. 분자의 질량은 그 안의 원자량을 모두 더한 값입니다.

이 계산을 하면 의외의 결과가 하나 나옵니다. 연료를 태워 생기는 이산화 탄소는 원래 연료보다 무겁다는 것입니다. 연료 속 탄소 원자 하나가 공기 중의 산소 원자 두 개와 결합하기 때문입니다. 질량 보존 법칙에 어긋나는 것이 아니라, 공기에서 가져온 산소의 질량이 더해진 것입니다.

4.산과 염기, 그리고 pH

산은 물에 녹아 수소 이온(H⁺)을 내놓는 물질로 신맛이 나고 금속과 반응해 수소 기체를 내는 경우가 많습니다. 식초, 레몬즙, 탄산음료가 산성입니다. 염기는 물에 녹아 수산화 이온(OH⁻)을 내놓는 물질로, 쓴맛이 나고 만지면 미끈거립니다. 비누, 베이킹소다 녹인 물, 하수구 세정제가 염기성입니다. 실험실이 아니라면 맛이나 촉감으로 확인하지 않습니다.

산성과 염기성의 정도는 pH로 나타냅니다. 25 °C에서 pH 7이 중성, 7보다 작으면 산성, 크면 염기성입니다. pH는 1 차이마다 수소 이온 농도가 10배씩 달라지는 로그 척도입니다. 그래서 pH 3인 용액은 pH 5인 용액보다 수소 이온 농도가 10 × 10 = 100배 높습니다. 로그 척도는 수학 기초 5강에서 다룹니다.

산과 염기가 만나 수소 이온과 수산화 이온이 물이 되면서 서로의 성질을 약하게 만드는 반응을 중화 반응이라고 합니다. 생선 비린내(염기성 물질)를 레몬즙으로 줄이는 것이 생활 속 예입니다.

5.산화·환원과 연소

물질이 산소를 얻거나 전자를 잃는 반응을 산화, 산소를 잃거나 전자를 얻는 반응을 환원이라고 합니다. 한 물질이 산화되면 다른 물질은 반드시 환원되므로 둘은 동시에 일어납니다. 철이 공기 중의 산소, 물과 만나 녹스는 것이 대표적인 산화입니다. 용광로에서 철광석의 산소를 떼어 내 철을 얻는 것은 환원입니다. 휴대폰 배터리도 충전과 방전 때 산화·환원 반응으로 에너지를 저장하고 내놓습니다.

깎은 사과가 갈색으로 변하는 것도 산화와 관련이 있습니다. 사과 속 물질이 효소의 도움으로 공기 중 산소와 반응하기 때문입니다. 레몬즙을 뿌리거나 옅은 소금물에 잠깐 담가 두면 갈변이 늦어집니다.

연소는 물질이 산소와 빠르게 결합하면서 열과 빛을 내는 산화 반응입니다. 연소가 일어나려면 탈 물질, 산소, 발화점 이상의 온도라는 세 가지 조건이 모두 필요합니다. 불을 끄는 방법은 이 중 하나를 없애는 것입니다. 장작을 치우거나(탈 물질 제거), 모래나 젖은 담요를 덮거나(산소 차단), 물을 뿌립니다(온도 낮추기).

단, 기름에 붙은 불에 물을 부으면 물이 순간적으로 끓어 튀면서 불붙은 기름을 사방으로 퍼뜨려 더 위험해집니다. 프라이팬 기름 화재는 뚜껑을 덮어 산소를 차단하고 불을 끄는 것이 기본입니다.