화학 반응이란 무엇일까

메테인 분자 1개와 산소 분자 2개는 이산화 탄소 1개와 물 분자 2개가 되고, 그 사이에 원자는 하나도 사라지지 않습니다.

가스레인지를 켜면 파란 불꽃이 피어오릅니다. 들어가는 것은 가스와 공기뿐이고, 나오는 것은 열뿐인 것처럼 보입니다. 그런데도 그 사이에 무언가는 완전히 바뀌었습니다. 가스 속에 있던 메테인과 공기 속에 있던 산소는 없어지고, 그 자리에 이산화 탄소와 수증기가 새로 생깁니다. 이것이 바로 화학 반응(chemical reaction)입니다. 원자들이 예전에 붙어 있던 짝을 놓아주고 새로운 짝과 결합하면서, 어떤 물질이 전혀 다른 물질로 바뀌는 일입니다.

화학 변화와 물리 변화

얼음 한 조각을 녹여도 그것은 여전히 물입니다. 차에 설탕을 넣어 녹여도 설탕 분자는 그대로 설탕이고, 다만 여기저기 흩어졌을 뿐입니다. 이런 변화를 물리 변화(physical change)라고 합니다. 물질의 겉모습은 바뀌지만 그 물질을 이루는 분자는 그대로입니다. 반면 화학 변화에서는 언제나 처음에 있던 것과 다른 물질이 생깁니다. 예를 들어 녹은 그것이 생겨난 재료인 철, 산소, 물과는 다른 물질입니다. 무언가가 불에 타는 것, 음식을 익히는 것, 음식을 소화하는 것, 음식이 썩는 것은 모두 화학 변화입니다. 그때마다 새로운 물질이 생기기 때문입니다.

원자가 다시 배열되는 모습은 대개 눈으로 볼 수 없으므로 화학자는 반응이 일어났다는 단서를 찾습니다. 첫째, 없던 기체가 생깁니다. 베이킹 소다에 식초를 부을 때 나오는 거품이 그렇습니다. 둘째, 색이 바뀝니다. 예를 들어 질산 은 용액에 구리선을 넣어 두면 용액이 파랗게 변하고, 구리선에 회색 은 결정이 자라납니다. 셋째, 맑은 두 용액을 섞었는데 고체가 생깁니다. 질산 납 용액과 아이오딘화 칼륨 용액을 섞으면 앙금(precipitate)이라고 부르는 샛노란 고체가 생깁니다. 넷째, 불꽃에서처럼 열이나 빛이 바깥으로 나오거나, 반대로 열을 주변에서 빼앗기도 합니다. 물이 끓을 때도 거품이 생기듯 단서 하나만으로는 반응이라고 단정할 수 없지만, 여러 단서가 함께 보이면 좋은 길잡이가 됩니다.

화학 반응식 읽기

화학자는 반응을 반응식(equation)으로 나타냅니다. 처음에 가지고 시작한 물질인 반응물(reactant)은 왼쪽에 쓰고, 반응으로 새로 생긴 물질인 생성물(product)은 오른쪽에 씁니다. 그 사이에 화살표를 그려 한쪽에서 다른 쪽을 가리키게 하고, 같은 쪽에 있는 물질과 물질 사이에는 + 를 씁니다. 예를 들어 메테인이 타는 반응을 반응식으로 쓰면 CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O 입니다. 화학식 안에 작게 쓴 숫자는 아래 첨자이며, 그 물질이 무엇인지를 알려 줍니다. H₂O에는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 있습니다. 화학식 앞에 크게 붙인 숫자는 계수(coefficient)이며, 각 물질이 몇 단위씩 반응에 참여하는지 알려 줍니다. 계수가 1일 때는 쓰지 않고 비워 둡니다.

계수는 정확한 개수를 뜻하는 것이 아니라 서로의 비율을 뜻합니다. CH₄ + 2O₂ 는 메테인 1개마다 산소 분자 2개라는 뜻이므로, 메테인 분자 3개에는 산소 분자 6개가 필요하고 메테인 1몰에는 산소 2몰이 필요합니다. 반응식에는 괄호 안에 글자를 넣어 각 물질의 상태를 함께 적는 경우가 많습니다. (s)는 고체, (l)은 액체, (g)는 기체, (aq)는 물에 녹은 상태입니다. 물을 식혀 액체로 모으는 경우라면 메테인 반응식은 CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) 가 됩니다.

위에 있는 실험실에서 반응 몇 가지를 골라 서로 비교해 보세요. 어느 반응이든 처음에 가지고 시작한 원자를 하나도 빠짐없이 그대로 가지고 있습니다. 예를 들어 철과 산소는 반응해서 녹의 주성분인 산화 철(III)이 됩니다. 석회암을 이루는 광물인 탄산 칼슘은 세게 가열하면 산화 칼슘과 이산화 탄소로 쪼개집니다. 어느 경우를 골라도 반응물 원자를 나타낸 막대와 생성물 원자를 나타낸 막대의 길이가 똑같습니다. 다음 단원에서 다룰 규칙이 바로 이것입니다.