이것이 바로 과학이다! 구리판과 젓가락으로 구리를 되살리다 ― 산화와 환원의 드라마
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험입니다.
검게 타버린 금속이 순식간에 반짝이는 원래 모습으로 돌아온다…… 혹시 이런 마법 같은 장면을 상상해 보셨나요? 과학실에서 우리에게 아주 친숙한 구리라는 금속은 사실 드라마틱한 변신을 거듭하는 명배우랍니다. 오늘은 산소와 수소가 펼치는 놀라운 산화와 환원의 드라마를 소개해 드릴게요.
산화: 아름다운 구리가 새검게 변신!
이 실험은 어느 선생님의 선택 수업에서 학생들이 실제로 도전했던 것인데, 그 선명한 변화에 저도 모르게 함성을 지르고 말았습니다.
실험 방법은 아주 간단해요. 먼저 십원짜리 동전 같은 예쁜 붉은 갈색의 구리판을 가스버너로 천천히 달굽니다. 그러면 그 아름답던 광택이 순식간에 검은색으로 변해버리죠. 이것은 열에 의해 구리가 공기 중의 산소와 격렬하게 결합하여 산화구리(CuO)라는 다른 물질로 변했기 때문입니다. 이것을 과학에서는 산화라고 부릅니다.
화학식으로 쓰면 다음과 같은 반응입니다.
환원 첫 번째: 나무젓가락으로 일어나는 무지갯빛 부활
자, 이제부터 마법이 시작됩니다. 이 검게 변한 산화구리 위에 무려 나무젓가락을 올려봅니다.
그러자 어떤 일이 벌어질까요! 나무젓가락이 닿은 부분부터 그 붉은 갈색의 구리가 반짝하며 얼굴을 내밀기 시작합니다.
사실 이것은 나무젓가락에 포함된 탄소가 산화구리로부터 산소를 억지로 빼앗아 갔기 때문에 일어나는 현상입니다. 더 놀라운 것은 나무젓가락을 치우는 순간입니다. 찰나의 순간, 무지개처럼 신비로운 광채를 보여주는가 싶더니 다시 공기 중의 산소와 반응해 다시 검은 산화구리로 돌아가 버립니다. 넘실거리며 색이 변하는 생동감 넘치는 모습에 교실 안은 함성으로 가득 찼습니다.
화학식으로 쓰면 이런 반응이죠.
2CuO + C → 2Cu + CO2
환원 두 번째: 수소 속에서 일어나는 찰나의 마법
다음으로 소개해 드릴 것은 수소를 이용한 환원 실험입니다. 이 영상은 출연하신 여성분의 밝은 리액션이 정말 즐거워서, 화학 반응의 재미가 듬뿍 담겨 있습니다. 꼭 함께 놀라면서 감상해 보세요.
실험에서는 코일 형태로 감긴 구리(Cu)를 가열해 검게 만든 뒤, 그것을 투명한 수소(H₂)가 들어 있는 시험관 안에 넣습니다.
그러면…… 마치 마법을 부린 것처럼 순식간에 원래의 아름다운 붉은색 구리로 되돌아옵니다!
산소를 서로 뺏으려는 환원의 배틀
왜 순식간에 색이 원래대로 돌아왔을까요? 거기에는 산소를 둘러싼 물질들 사이의 치열한 쟁탈전이 숨어 있습니다.
수소나 탄소는 구리보다 훨씬 산소와 결합하고 싶어 하는 힘이 강한 성질을 가지고 있습니다. 검은 산화구리에 이들이 다가가면, 산화구리로부터 산소를 강제로 떼어내어 자신들이 산소와 결합해 물(H₂O)이나 이산화탄소(CO₂)가 되려고 합니다. 이렇게 해서 산소를 빼앗긴 산화구리는 다시 순수한 구리로 돌아갈 수 있었던 것이죠. 이처럼 산화물에서 산소를 제거하는 반응을 환원이라고 합니다.
화학식으로 쓰면 이런 느낌입니다.
우리 삶을 지탱하는 환원의 힘
사실 이 환원이라는 반응은 우리 문명을 지탱하는 매우 중요한 기술이기도 합니다.
예를 들어 빌딩이나 자동차를 만드는 데 없어서는 안 될 철. 그 원료인 철광석은 자연 상태에서는 산소와 결합한 산화철 상태로 잠들어 있습니다. 여기에 탄소 등을 가해 산소를 빼앗음(환원함)으로써, 우리는 비로소 튼튼한 철을 대량으로 얻을 수 있게 됩니다. 과학실의 작은 구리 실험부터 거대한 제철소의 원리까지, 과학의 실타래는 단단히 연결되어 있답니다.
본격적인 실험 도전! 직접 만든 숯으로 환원해 보기
학교에서 진행하는 산화구리 환원 실험에서는 목탄을 사용합니다. 시중에서 파는 탄소 가루로도 가능하지만, 사실 나무젓가락으로 직접 만들 수도 있어요. 여기를 봐주세요.
여기서 포인트가 하나 있는데, 직접 만든 숯을 사용하면 반응이 아주 좋아서 반짝반짝 빛나는 아름다운 구리를 관찰할 수 있습니다. 만드는 법은 간단합니다.
스틸 캔 안에 나무젓가락을 부러뜨려 빈틈없이 채워 넣습니다. 그리고 그대로 가스버너로 가열하여 찌듯이 구워냅니다. 스틸 캔은 열에 강하고 구멍이 잘 뚫리지 않아 아주 추천하는 도구입니다.
안의 나무젓가락이 직접 타버리지 않도록 주의해야 합니다. 연기가 나기 때문에 실험은 환기 시설(드래프트) 안에서 진행하세요. 도중에 목가스라는 타는 가스가 나오는데, 불꽃이 생길 때는 입으로 바람을 부는 등 조절하여 안의 젓가락이 다 타버리지 않도록 관리합니다.
약 35분 정도 가열하고 캔이 식은 뒤 꺼내면 훌륭한 숯이 완성됩니다! 이 숯을 막자사발로 가늘게 부수어 산화구리와 잘 섞어줍니다.
실제로 학생들이 실험한 결과, 어떤 모둠에서는 이렇게 예쁜 구리가 탄생했습니다!
그야말로 감동적이네요!
여러분도 주변에서 금속을 보게 되면 “이건 산화된 걸까? 아니면 환원되어 만들어진 걸까?” 하고 그 이면에 숨겨진 산소의 드라마를 상상해 보세요!
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