통합과학 3단원 “변화와 다양성”에서는 화학 변화와 생물의 다양성과 유지를 중심으로 학습 내용을 전개하고 있다. 화학 변화에서는 우리 주변에서 일어나는 다양한 변화 중에서도 산화환원 반응과 중화 반응을 주로 다루는데, 이 두 반응은 물질의 성질이 바뀌는 화학 변화이며, 생명 활동에 관여하는 중요한 반응이라는 공통점을 가지고 있다. 또한 현재까지 지구상에 다양한 생물이 나타났다 사라지는 과정을 생명과학과 지구과학의 관점을 통해 설명하고 있다. 산화환원 반응과 중화반응
최초 지구의 대기는 수소(H)와 헬륨(He) 기체로 이루어졌을 것으로 추정되며, 시간이 지날수록 지구의 대기는 내부에서 분출되는 기체인 수증기, 이산화탄소, 질소 등으로 채워졌을 것이다. 시간이 많이 지난 뒤 지구가 냉각되면서 수증기는 응결되어 지표면의 바닥에 모이면서 원시해양이 만들어졌다. 이산화탄소(CO2) 기체는 물에 녹아 산성을 나타낸다. 이 때문에 산성 상태인 원시해양에 용해되질 않아 이산화탄소는 대기 중에 많이 존재했을 것이다. 그 뒤 원시해양이 중성으로 변하면서 대기의 이산화탄소는 원시해양에 서서히 녹아 들어가 현재 대기의 이산화탄소 비율과 같아졌을 것이다.
지구가 생성된 이후 한참 뒤에 생성된 산소기체(O2)이지만 잠시라도 산소기체가 없는 지구상 모든 생명체의 모습을 상상하기 힘들 정도로 산소기체는 모든 생명체의 삶을 영위하는 데 매우 중요한 물질이다. 원자번호 8번인 산소원자(O)는 공유결합을 하면서 산소기체(O2)가 생성되며, 현재 대기의 18% 정도를 차지하고 있으며 반응성 또한 큰 기체이다.
산소와 결합 또는 분리
석회(CaO)처럼 금속 원자가 산소와 결합된 물질을 금속 산화물이라 하며 일반적으로 염기성을 갖게 된다. 반대로 이산화탄소와 같이 비금속 원자가 산소와 결합된 물질을 비금속 산화물이라 한다. 비금속 산화물은 산성의 성질을 갖고 있다.
불의 사용(연소), 호흡과 광합성, 식량 증대에 기여한 암모니아(NH3), 아스피린의 합성, 화석 연료의 사용, 철기 시대를 가져온 철(Fe)의 제련 등 지구와 생명의 역사에 혁신적인 변화를 가져온 화학 반응은 많이 있다. 그중 연소, 철의 제련, 호흡, 광합성들은 산소와 결합하거나 분리되는 산화 환원 반응이라는 공통점을 가지고 있다.
산화(酸化)는 물질이 산소원자와 결합하여 전자를 잃게 되어 산화수가 증가하는 반응이다. 반대로 어떤 물질이 산소원자와 떨어지면서 전자를 받아들이고 산화수가 감소하는 반응을 환원(還元) 반응이라 한다. 산화 환원 반응은 항상 동시에 일어나며, 전자의 이동을 설명하는 반응이다. 또한 화학 교과영역에서 중요한 개념 중 하나다.
불(火)의 발견은 위협적인 동물들로부터 방어, 어둠을 밝히는 빛, 추위를 이기는 방어 수단, 사냥한 동물들을 구워먹는 등 인류의 생활 방식을 바꾸는 커다란 계기가 되었다. 불은 물질의 산화 반응으로 나타나는 일종의 현상으로 화학에서는 불을 연소라는 말로 바꾸어 말한다. 연소는 산소기체와 결합하여 빛과 열을 내는 반응을 일컫는 말이다. 가까운 미래에는 변하겠지만 현재까지 인류는 주로 화석 연료의 연소에 의하여 만들어진 에너지를 사용하고 있다.
산소기체를 만드는 광합성
원시지구에서 해양 생물의 출현으로 광합성이 시작되었고, 이로 인해 대기 중 산소 기체의 양이 점점 늘어남과 동시에 산소 호흡을 하는 생명체도 늘어났다. 산소기체는 여러 가지 영향으로 일부 오존(O3)으로 변하였다. 성층권에서 오존이 층을 형성하면서 태양으로부터 나오는 강한 자외선을 차단하게 되었고 이로 인해 생물들의 육상 진출이 가능한 조건이 형성되었다. 공기 중의 이산화탄소와 물(H2O) 그리고 빛 에너지를 이용하여 유기물과 산소기체를 만들어내는 광합성은 지구의 대기 조성을 바꾸었고, 이로 인해 다양한 생명체의 출현이 가능하게 되었던 것이다.
지금까지 살펴보았듯이 연소와 광합성은 산화 환원 반응으로 지구와 생명의 역사에 큰 변화를 가져온 반응이며, 생명 현상과 밀접한 연관이 있다. 다음 시간에는 지구와 생명의 역사에 큰 변화를 가져온 반응을 계속 알아보도록 하겠습니다.
강신종 < 용화여고 교사 >
