[통합과학② 1단원] 5강. 지구 역사 속 산화환원 반응｜철의 제련🔨｜메테인 연소🔥｜광합성🪴

0:01 지난 강의에서 살펴본 것처럼 화학 변화에는 산화 환원 반응과 산염기 반응이 있고 지난 시간에는 4만원 반응이 무엇이고 어떻게 산화 환원을 구분하는지에 대해 알아보았습니다 이번 강의에서는 지구 역사의 영향을 준 산화 환원 반응 몇 가지를 살펴보고 다음 강의에서 산염기 반응을 다루도록 하겠습니다 이전 강의에서 배운 사나와는 반응을 간단히 정리해보면 먼저 화학 반응은 크게 산화환원 반응과 산염기 반응으로 나눌 수 있는데 그 중에 하나하나 반응을 물질의 산화수가 변하는 화학 반응입니다 여기서 산화수란 물질이 산화되는지 환원되는지를 판단하기 위해 만든 가상의 전화로 모든 화합물이 이온결합이라고 가정하고 누가 전자를

0:48 얻고 누가 전자를 잃는지 판단하기 위한 것입니다 특별히 산화수를 정할 때는 다음과 같은 규칙이 있는데 먼저 전자를 뺏어가려는 경향이 큰 산소에 산화수를 -2로 정하고 전자를 줄여는 경향이 큰 수소의 산화수를 +1로 정합니다 한 종류의 원소로 이루어진 금속이나 이원자 분자 같은 호전소 물질을 이루는 원자들은 산화수가 0이며 이온의 경우에는 전하가 곧 산화수와 같습니다 마지막으로 하나의 화합물을 이루는 원자들의 산화수를 모두 더한 것은 0이 되어야 합니다 이러한 규칙에 따라 물질의 산화수를 정하고 화학 반응이 일어나기 전과 후에 산화수를 비교했을 때 산화수가 증가한 물질인 산화 산화수가

1:35 감소한 물질은 환원되었다고 표현합니다 특히 산화수가 증가하는 경우는 어떤 물질이 산소와 결합하거나 전자를 잃는 경우에 산화수가 증가합니다 반대로 어떤 물질이 산소를 잃거나 전자를 얻는 경우에 산화수가 감소합니다 저희 오늘 살펴볼 화학 반응들은 산소와 결합하거나 산소를 잃으면서 산화 환원이 일어나는 반응입니다 지구의 역사에 영향을 준 대표적인 화학 반응에는 철의 제련 화성 연료의 연소 광합성이 있습니다 각각의 화학 반응식을 간단히 살펴보면 차를 재련하는 과정에는 탄소와 산소가 반응하여 만들어진 일산화탄소가 산하철과 반응하여 처리 만들어집니다 화석연료를 연소하는 과정에는

2:22 메테인과 산소가 반응하여 이산화탄소와 물이 만들어지고 식물의 광합성 과정에는 이산화탄소와 물이 반응하여 포도당과 산소가 만들어집니다 세 가지 반응 모두 공통적으로 산소가 관여하는 화학 반응임을 알 수 있는데 방금 전에 어떤 물질이 산소와 결합하거나 산소를 잃으면 산화수가 변한다고 했으므로 산소가 관여하는이 세 가지 반응 모두 하나하나 반응이라는 것을 알 수 있습니다 먼저 철의 재련 과정을 자세히 살펴봅시다 자연 상태에서 철광석을 캐면 철이 산소와 쉽게 반응해서 붉은색의 산화철이라는 물질로 존재하는데이 산화철에서 산소를 제거해서 순수한 철을 얻는 과정을 재련이라고

3:09 합니다 그럼 산하철에서 산소를 제거하려면 산소를 잘 떼어가는 물질이 필요한데이를 위해서 코크스라는 물질을 불완전 연소시켜 일산화탄소를 만들어 줍니다 코크스는 탄소 성분으로 이루어진 물질인데 코크스를 연소시키면 산소기체와 반응하면서 이산화탄소가 만들어집니다 그런데 산소 기체가 충분할 때는 탄소환자 1개와 산소 원자 두 개가 결합한 이산화탄소가 생성되지만 산소기체가 충분하지 않을 때는 탄소원자 1개와 산소 원자 1개가 결합한 일산화탄소가 만들어집니다 이렇게 산소가 부족한 상태에서 연소시키는 것을 불완전 라고 하며 이렇게 만들어진 일산화탄소는

3:55 산소원자 한계를 가져와서 이산화탄소가 되려는 성질이 강합니다 그래서 코크스를 불완전 연소시켜 만든 일산화탄소를 이용하면 산화철에 있는 산소를 쉽게 뜯어낼 수 있습니다이 과정에서 코크스의 탄소는 산소 기체로부터 산소 원자를 얻어서 결합하므로 산화된 것이고 산소 기체는 코크스에게 산소 원자를 뺏겼으므로 환원된 것으로 볼 수 있습니다 코크스를 불완전 연소시켜 만든 일산화탄소를 산하철과 반응시키면 일산화탄소가 산화철에 산소를 뜯어가서 이산화탄소가 되고 산소를 뺏긴 산화철은 철이 됩니다 일산화탄소가 이산화탄소가 된 것은 산하철로부터

4:40 산소를 얻은 것이므로 산화된 것이고 산하철이 처리된 것은 산소를 잃은 것이므로 환원된 것입니다 전체적인 철의 재량 과정을 다시 정리해보면 자연 상태에서 캐낸 철광석과 코크스 석회석을 용광로에 넣고 가열하는데 코크스는 철광석의 산소를 떼어낼 일산화탄소를 만들기 위한 역할이고 석회석은 그 과정에서 불순물을 제거하는 역할을 합니다 철광석과 코크스를 넣고 가열하면 먼저 코크스가 불완전 연소하여 일산화탄소가 만들어지는데이 과정을 화학 반응식으로 나타내면 코크스의 탄소와 산소 분자가 반응해서 일산 만들어지는 반응입니다 산화수 규칙에 따라 반응물과 생성물의

5:28 산화수를 계산해 보면 먼저 산소 환자의 산화수를 -2로 정하고 한 가지 원소로만 이루어진 호던서 물질인 탄소와 산소 분자의 산화수는 0입니다 일산화탄소에서 원자들의 산화수를 모두 더한 것은 0이 되어야 하므로 탄소의 산화수는 플러스 2가 됩니다 그러면 산화수가 증가한 탄소는 산화된 것이고 산화수가 감소한 산소는 환원된 것임을 알 수 있습니다 참고로 어떤 물질이 산소를 얻으면 산화수가 증가하고 산소를 잃으면 산화수가 감소하므로 산소가 관여하는 반응에서는 어떤 물질이 화학 반응을 통해 산소를 얻었다면 산화된 것이고 산소를 잃었다면 환원된 것으로 판단할 수 있습니다

6:14 코크스의 불완전 연소로 일산화탄소가 만들어지면 철광석의 산화철이 일산화탄소와 반응해서 처리 만들어지는데 때문에 일산화탄소가 산화철에 산소를 뜯어가서 이산화탄소가 되는 반응이므로 이번에는 일산화탄소가 산소를 얻어 산화되고 반대로 산하철은 산소를 잃고 환원됨을 쉽게 판단할 수 있습니다 하지만 산화수를 한번 계산해서 판단해 본다면 먼저 산소 환자의 산화수를 -2로 정하고 화합물의 총 산화수가 0이 되도록 다른 원소들의 산화수를 정하면 됩니다 먼저 산화철에서는 산소 원자의 산화수가 -2인데 산소 원자가 총 3개이므로 산소의 총 산화수가 -26인

7:00 상태입니다 화합물의 산화수가 총 0이 되기 위해서는 산하철의 철원자 두 개가 플러스 6에 산화수가 되어야 하므로 산하철의 철원자 하나당 플러스 3의 산화수를 갖게 됩니다 다음으로 일산화탄소는 탄소 1개 산소 한 개가 결합한 것이므로 탄소의 산화수는 플러스 2가 됩니다 이산화탄소에서는 산소 원자가 총 2개이므로 산소의 총 산화수가 -4인 상태입니다 따라서 화합물의 총 산화수가 0이 되기 위해서 탄소원자는 플러스 4에서 나수를 갖게 됩니다 마지막으로 호던섬 물질인 철의 산화수는 0입니다 이렇게 선화수를 계산하고 보니 산하철의 철은 산화수가 감소하고

7:47 일산화탄소의 탄소는 산화수가 증가하므로 산하철을 환원되고 일산화탄소는 산화됨을 판단할 수 있습니다 하지만이 경우에는 산화수를 계산하는 것보다 산소를 얻었는지 잃었는지로 판단하는 것이 더 간단합니다이 과정을 통해서 산하철로부터 철을 얻을 수 있게 되었고 철을 이용한 무기나 도구 등을 만드는 기술이 더욱 발달하여 지구의 여러 문명의 영향을 주게 되었습니다 이 화학 반응식이 다소 복잡해 보이지만 자세한 화학 반응식을 외우는 것보다는 어떤 과정으로 처리 재련되는지 누가 산화되고 환원되는지를 판단하는 것이 더 중요합니다 지구 역사의 영향을 준 중요한 화학 반응 두 번째는 화성 연료의 연소

8:33 반응입니다 석유와 석탄 같은 화성 연료는 탄소와 수소로 이루어진 물질로 이루어져 있는데 그 중에 가장 간단한 분자인 메테인의 연소 반응을 살펴봅시다 메테인을 연소시키면 산소 분자와 반응하면서 이산화탄소와 물이 생성되는데 이와 같은 화학 반응이 일어날 때 굉장히 많은 열에너지가 발생합니다 메테인이 연소하는 과정에서 메테인 분자의 탄소는 산소와 결합하고 산소 분자는 산소를 하나 잃게 되는데 산소를 얻은 메테인은 산화된 것이고 산소를 잃은 산소 분자는 환원된 것임을 알 수 있습니다 산화수 규칙에 따라 산화수를 계산해 보면 먼저 산소 원자의 산화수는 -2로

9:18 정하지만 호던서 물질인 산소 분자에서는 산소의 산화수가 0입니다 다음으로 수소에 산화수는 +1로 정하고 화합물의 산화수가 총 0이 되도록 탄소의 산화수를 정하면 됩니다 먼저 메테인에서는 플러스 1의 산화수를 가진 수소원자가 4개이므로 탄소의 산화수내 -4가 됩니다 반면에 이산화탄소에서는 -2의 산화수를 가진 산소 원자가 2개이므로 탄소의 산화수는 플러스 4가 됩니다 이렇게 계산해 보면 메테인의 탄소는 산화수가 증가하고 산소는 산화수가 감소하는 것을 확인할 수 있습니다

10:15 마지막으로 지구 역사의 중요한 영향을 준 화학 반응으로 식물의 광합성 반응이 있는데 광합성이란 식물이 이산화탄소와 물을 가지고 포도당과 산소를 만드는 반응입니다 광합성반응의 경우에는 이산화탄소 6개가 포도당 1개를 만들기 때문에이 과정에서 산소를 얻는 건지 읽는 건지 판단하기가 좀 어렵습니다 산화원을 판단하기 위해 산화수 규칙에 따라 산화수를 계산해 보면 먼저 산소 환자의 산화수를 -2로 정하는데 산소 분자는 호던소 물질이므로 여기서 산소에 산화수는 0입니다 다음으로 수소의 산화수를 +1로 정한 후에 화합물의 산화수가 0이 되도록 탄소의 산화수를 계산하면 됩니다

11:01 먼저 이산화탄소에서는 -2의 산화수를 가진 산소 원자가 2개이므로 탄소의 산화수는 플러스 4가 됩니다 포도당에서는 플러스 1의 산화수를 가진 수소원자가 12개이고 -2의 산하수를 가진 산소 환자가 6개이므로 둘을 합하면 산화수가 0이 됩니다 따라서 포도당의 탄수 원자의 산화수는 0이 됩니다 이렇게 계산하고 보니 이산화탄소의 탄소 원자는 산화수가 감소하므로 환원된 것이고 물의 산소 원자는 산화수가 증가하므로 산화된 것임을 판단할 수 있습니다이 과정을 통해 생성된 포도당은 식물 또는 다른 생물에게 중요한 양분이 되고 광합성을 통해 생물들이 호흡하는데

11:47 필요한 산소 기체 농도가 증가하게 되었습니다 지금까지 살펴본 지구 역사의 영향을 준 철의 재련 화석연료 연소 광합성 등의 화학 반응은 산소를 얻거나 잃는 산화 환원 반응입니다 산소를 얻은 물질은 산화수가 증가하므로 산화되고 산소를 잃은 물질은 산화수가 감소하므로 환원되는데 철을 재련하는 과정에서는 탄소와 일산화탄소가 산화되고 산소와 산화철을 환원됩니다 화석연료가 연소될 때는 메테인이 산화되고 산소가 환원되며 광합성이 일어날 때는 이산화탄소가 환원되고 물이 산화됩니다 이와 같이 지구의 역사에 영향을 준 반응들은 산화 환원 반응이라는 것과 각각의 반응에서 어떤 물질이 산화되고 환원되는지 잘

12:34 알아두시기 바랍니다