철의 산화 반응 (철의 녹슬음과 핫팩)

철의 산화 반응

우리 주변에서 일어나는 산화환원반응은 여러 가지가 있습니다만, 그중에 가장 익숙한 것을 꼽으라면, 대표적으로 철의 산화 반응이 있습니다. 이렇게 말하면 조금 이상할 수 있는데, 사실 고등학교 교과를 학습하는 레벨에서는 아래 반응식 정도로만 소개하는 교재가 많습니다.

 

4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s)

 

이 반응은 단순하게 산소의 이동만 보더라도, Fe가 산화되었고, O2가 환원이 된 것을 쉽게 알 수가 있습니다.

 

철은 다른 금속들처럼 공기 중의 수분 및 산소와 쉽게 반응을 하는데, 이 산화 반응은 반응 속도가 느리기 때문에, 다시 말해서 비교적 천천히 진행되는 반응이기 때문에 바로 확인되는 것은 아닙니다. 하지만, 우리 주변에서 관찰할 수 있는 철의 산화환원반응 사례를 철이 녹스는 반응과 핫팩의 원리가 되는 반응, 두 가지로 정리해 보겠습니다.

 

※ 이건 여담입니다만, 위의 철의 산화 반응이나 구리가 산화되어 산화구리가 되는 반응(2Cu + O2 → 2CuO)과 같은 류의 반응에서 산소가 왜 환원된 것인지 궁금해하는 학생들이 더러 있습니다. 크게 두 가지로 간략하게 답변을 하자면, 첫 번째로는 산화 환원의 본질은 산소의 이동이 아니라 전자의 이동으로 설명되어야 하고, 산화수를 따져보면 쉽게 파악이 됩니다. 두 번째로는 철이 산소를 얻어서 산화가 되었기 때문에 산화환원의 동시성, 즉 산화된 물질이 있으면 반드시 환원된 물질이 있다, 산화와 환원은 항상 동시에 일어난다는 것에 따라 산소가 환원된 것으로 이해를 하면 됩니다. 전자를 잃는 물질이 있다면 반드시 전자를 얻는 물질이 있기 때문입니다. 여담이 길었습니다.

 

1. 철이 녹스는 반응

철은 대기 중에 포함된 산소와 수분에 의해서 산화 반응이 일어나고, 녹이 습니다. 위의 반응식을 살펴보면 산소만 있는데요, 사실 아래에 링크된 자료의 기전이 일어납니다. 기억해야 되는 것은 철이 산소와 물과 만나면 산화철이 생성되는 반응이 진행된다는 것이고, 이렇게 생성된 산화철, 즉 Fe2O3나 Fe3O4가 붉은색 녹(rust)의 주성분이라는 것입니다. 아래 링크에서 철의 부식에 대한 화학반응식과 상세한 내용을 확인하시기 바랍니다.

2023.11.14 - [과학] - 철이 녹스는 화학반응식

철이 녹스는 화학반응식

 

유명한 에펠탑을 보면 철골로 된 탑인데 녹이 슬지 않고 색상이 유지가 되죠. 이것은 바로 7년마다 안료로 칠을 하여 철의 산화를 방지해 주고 있기 때문인데요, 이와 같이 철의 표면에 페인트나 기름을 칠하는 것으로 산소 및 수분에 노출되어 접촉되는 것을 차단해 주면 산화를 방지, 변색을 예방할 수 있습니다.

파리의 에펠탑, 7년마다 특수 안료로 칠을 하여 철의 산화를 방지하고 있기 때문에 변색되지 않고 있다. 이미지 출처: wikipedia

 

2. 핫팩이 뜨거워지는 반응

우리가 동절기에 사용하는 핫팩이 철이 산화 반응을 이용한 것입니다. 손난로 내부는 몇 가지 물질로 구성되어 있지만, 그중 미세한 철입자들이 있는데요, 비벼주면 빠르게 산소와 반응하면서 발열 반응인 철의 산화 반응이 일어나게 됩니다. 아래 내용을 참고하면 되겠습니다.

2023.11.14 - [과학] - 손난로가 뜨거워지는 반응식

 

손난로가 뜨거워지는 반응식

 

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반응식 및 반응물과 생성물 외에 문제의 지문으로 자주 등장하는 것을 정리해서 적어보면 Fe은 산화되고, O2는 환원되는 것, 철이 녹스는 것과 일회용 핫팩의 반응, 이 반응은 느리게 진행된다는 것, 에펠탑 등 철골에 페인트나 기름칠을 하여 산화를 방지하는 것 등을 알아두면 되겠습니다.