우리가 흔히 말하는 산화반응은 산소와 결합하는 반응이다. 따라서 환원 반응이란 산소를 잃어버리는 반응을 말한다. 그러나 우리 주변의 수많은 화학반응을 산소와의 결합으로만 설명할 수 없다. 따라서 수소를 포함하는 물질은 수소를 가지고 산화 환원 반응을 표현할 수 있다. 금속 원소가 수소를 얻는 것을 환원, 반대로 수소를 잃는 것이 산화반응이다. 이 과정에서 전자의 이동이 생기므로 전자를 잃고 산화수가 증가하는 것을 산화라 하고, 전자를 얻고 산화수가 감소하는 것을 환원이라고 한다. 정리하자면 산소를 얻거나 수소를 잃거나 전자를 잃고 산화수가 증가하면 산화반응, 반대로 산소를 잃거나 수소를 얻거나 전자를 얻어 산화수가 감소하면 환원 반응이라고 말한다. 산화-환원 반응에서 자신은 환원되면서 다른 물질을 산화시키면 산화제, 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키면 환원제라고 한다. 산화-환원 반응은 항상 동시에 일어나고 한쪽이 전자를 얻으면 다른 한쪽은 반드시 전자를 얻기 때문에 전자의 잃은 몰수와 얻은 몰수가 같다. 그러므로 화학반응식을 꾸밀 때 산화된 물질과 환원된 물질 사이에 이동한 전자의 몰수가 같도록 계수를 맞춰준다.
금속이 공기 중의 산소나 물과 반응하는 빠르기가 금속의 종류에 따라 다른데, 이 빠른 정도를 순서대로 나열하여 금속의 반응성 또는 이온화 경향이라고 표현한다. 금속이 전자를 잃고 이온이 되려는 경향을 이온화 경향이라고 하고 이온화 경향이 클수록 산화되기 쉽다. 금속과 금속의 이온이 존재하는 경우 산화-환원반응이 일어나는지 아닌지에 따라 금속의 반응성을 비교할 수 있다. 예로 금속 아연을 구리이온이 존재하는 수용액에 넣으면 아연은 산화되고 구리이온은 전자를 얻어 환원이 일어난다. 그러나 반대로 금속 구리를 아연 이온이 존재하는 수용액에 넣으면 반응이 일어나지 않는다. 이온화 경향이 큰 아연이 전자를 잃고 산화되고 그 전자를 구리 이온이 받아 환원되면서 산화-환원 반응이 일어나는 것이다. 즉 아연이 구리보다 금속의 반응성이 크기 때문이다. 금속의 반응성이 큰 금속이 산화반응이 일어나는 조건에서만 산화-환원 반응을 통해 전자의 이동이 일어난다. 자발적인 산화-환원의 화학반응을 통해 전자를 발생하여 전기에너지를 얻는 것이 화학전지이다. 즉 화학에너지를 전기에너지로 변화시키는 것이 배터리이다. 전지는 음극, 양극, 전해질의 3요소 구성되고, 전자는 도선을 따라 음극에서 양극으로 이동한다. 음극에서는 이온화 경향이 큰 금속에서 전자가 나오는 산화반응이 일어나고, 양극에서는 전자를 얻는 환원 반응이 일어나는 원리이다. 최초의 화학전지는 이탈리아의 과학자 볼타가 만든 볼타전지이다. 볼타전지는 음극이 아연판, 양극이 구리판, 전해질은 묽은 황산으로 구성된 간단한 전지이다. 음극에서 아연이 전자를 잃고 아연 이온이 되는 산화반응이 일어난다. 전자는 도선을 따라 양극인 구리판으로 이동하는데, 수용액 속에 존재하는 수소 이온들이 구리판에서 전자를 얻어 환원되면서 수소 기체가 발생한다. 따라서 반응이 진행되면 아연이 계속 아연 이온으로 녹아들어가 아연판의 질량은 감소한다. 그러나 양극인 구리판에서는 수소 기체가 발생할 뿐 구리는 아무런 변화가 없어 구리판의 질량은 변화 없이 일정하다. 볼타전지에서는 전압이 떨어지는 분극 현상이 일어나는데, 발생한 수소 기체가 양극판에 달라붙어 다른 수소 이온의 환원 반응을 방해하기 때문에 나타나는 현상이다. 산화력이 강한 물질을 넣어 수소를 제거하면 다시 산화-환원 반응이 일어나면서 전압을 회복하게 되는데, 이런 산화제들을 소극제 또는 감극제라고 하고, 과산화수소나 이산화망간 등을 사용한다. 분극 현상이 일어나는 볼타전지를 개선한 전지를 다니엘 전지라고 한다. 다니엘전지는 아연을 아연 이온이 존재하는 수용액에 담근 용기와 구리를 구리이온이 존재하는 수용액에 담근 용기를 염다리로 연결하고, 금속끼리 도선으로 연결하여 회로를 완성한 전지이다. 아연은 음극으로 아연 이온이 녹아 나오는 산화반응이 일어나고, 구리판에서는 구리이온이 음극에서 이동한 전자를 얻어 환원 반응이 일어난다. 아연판은 아연 이온이 녹아 나와 질량이 감소하고, 구리판에서는 구리 이온이 환원되어 구리가 극판에 달라붙어 질량이 증가한다. 다니엘 전지 역시 산화가 일어나는 반쪽전지와 환원이 일어나는 반쪽전지의 잃고 얻은 전자의 몰수는 같다. 이러한 볼타전지와 다니엘전지의 연구결과가 요즘 우리의 생활을 혁신적으로 바꾼 리튬전지나 연료전지로 이어졌고, 전기 화학의 분야의 디딤돌이 되었다고 볼 수 있다.
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