물질이 달라지는 변화
얼음이 녹아 물이 되는 일은 변화다. 하지만 얼음도 물도 모두 같은 H₂O이다. 입자의 배열과 움직임이 달라졌을 뿐, 물질의 종류는 바뀌지 않았다. 이런 변화를 물리 변화라고 한다. 물리 변화는 모양, 크기, 상태처럼 겉모습은 달라져도 물질 자체는 그대로인 변화다.
반대로 종이가 타면 다시 종이로 돌아오지 않는다. 검은 재, 연기, 여러 기체가 생긴다. 철못을 오래 두면 붉은 녹이 생기고, 과일을 오래 두면 냄새와 색이 변한다. 이런 변화에서는 처음 물질과 성질이 다른 새로운 물질이 생긴다. 이것을 화학 변화라고 한다.
화학 변화가 일어나는 과정을 화학 반응이라고 부른다. 말이 어렵게 들리지만 핵심은 간단하다. 화학 반응은 물질을 이루던 원자들이 서로의 짝을 바꾸어 새롭게 배열되는 일이다.
예를 들어 블록으로 만든 집을 생각해 보자. 같은 블록을 사용하더라도 집을 분해해서 자동차 모양으로 다시 만들 수 있다. 블록 자체가 사라진 것은 아니다. 다만 블록이 연결된 방식이 달라졌다. 화학 반응도 이와 비슷하다. 원자라는 작은 블록은 그대로 남아 있지만, 어떤 원자와 어떤 원자가 붙어 있는지가 달라진다.
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물리 변화와 화학 변화를 구분하는 법
물리 변화와 화학 변화를 구분할 때 가장 중요한 질문은 이것이다.
"새로운 물질이 생겼는가?"
물을 얼리면 얼음이 된다. 다시 녹이면 물이 된다. 물질의 종류는 바뀌지 않았다. 이것은 물리 변화다. 소금을 물에 녹여 소금물을 만들어도 소금과 물이 섞인 것일 뿐이다. 물을 증발시키면 소금을 다시 얻을 수 있다. 이것도 물리 변화로 볼 수 있다.
하지만 달걀을 익히면 다시 날달걀로 되돌리기 어렵다. 열 때문에 달걀 속 단백질의 구조가 크게 바뀌기 때문이다. 나무가 타면 재와 여러 기체가 생긴다. 철이 녹슬면 철이 산소, 물과 반응해 녹이라는 새로운 물질을 만든다. 이런 경우는 화학 변화다.
물론 겉으로만 보고 항상 쉽게 판단할 수는 없다. 물이 끓어 김이 나는 것은 기체가 생기는 것처럼 보여도 물리 변화다. 수증기도 여전히 H₂O이기 때문이다. 반면 식초와 베이킹소다를 섞을 때 거품이 생기는 것은 새로운 기체인 이산화 탄소가 만들어지는 화학 반응이다.
따라서 "거품이 생겼다", "색이 변했다", "열이 났다"만으로 바로 결론을 내리기보다, 새로운 물질이 만들어졌는지를 생각해야 한다.
화학 반응은 원자의 재배열이다
화학 반응에서는 결합이 끊어지고 새 결합이 생긴다. 결합은 원자들이 서로 붙어 있게 하는 힘이다. 반응 전에는 어떤 원자들이 함께 붙어 있었고, 반응 후에는 그 원자들이 다른 방식으로 붙는다.
수소와 산소가 반응해 물이 되는 경우를 보자.
수소 기체는 H₂로 나타낸다. 수소 원자 두 개가 붙어 있는 분자라는 뜻이다. 산소 기체는 O₂이다. 산소 원자 두 개가 붙어 있다. 이 둘이 반응하면 물 H₂O가 생긴다. 물 한 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개가 결합한 것이다.
이때 수소 원자와 산소 원자가 새로 생겨난 것이 아니다. 수소 원자끼리 붙어 있던 결합, 산소 원자끼리 붙어 있던 결합이 끊어지고, 수소 원자와 산소 원자가 새로 결합한 것이다.
화학 반응을 이렇게 보면 훨씬 덜 어렵다. 복잡한 공식처럼 보이는 반응식도 사실은 "원자들이 어떻게 짝을 바꾸었는가"를 적은 문장이다.
원자의 종류와 수는 보존된다
화학 반응에서 매우 중요한 원리가 있다. 반응 전후에 원자의 종류와 수는 변하지 않는다는 것이다. 화학 반응은 원자를 없애거나 새로 만드는 일이 아니라, 원자들이 다시 배열되는 일이기 때문이다.
이 원리는 질량 보존의 법칙과도 이어진다. 쉽게 말해, 닫힌 공간 안에서 반응이 일어나면 반응 전 물질의 전체 질량과 반응 후 물질의 전체 질량은 같다. 반응에 참여한 원자들이 밖으로 빠져나가지 않는다면, 원자들의 총량도 그대로이기 때문이다.
초가 타는 장면을 떠올려 보자. 초는 점점 작아진다. 그래서 물질이 사라지는 것처럼 보인다. 하지만 실제로는 초의 성분이 공기 중 산소와 반응해 이산화 탄소와 수증기 같은 기체가 되어 공기 중으로 퍼진다. 눈에 보이는 초는 줄어들지만, 원자들이 사라진 것은 아니다. 열린 공간에서는 기체가 날아가 버리기 때문에 전체 질량을 직접 확인하기 어렵다.
밀폐된 병 안에서 충분한 산소와 함께 초가 탄다고 생각해 보자. 반응 전 병 전체의 질량과 반응 후 병 전체의 질량은 같다. 병 안에서 원자들이 다른 물질로 바뀌어 배열되었을 뿐, 밖으로 빠져나가지 않았기 때문이다.
이 원리는 반응식을 맞출 때도 가장 중요한 기준이 된다.
반응식은 화학 반응을 쓰는 문장이다
화학 반응은 말로도 설명할 수 있다.
수소 + 산소 → 물
이 문장은 수소와 산소가 반응하여 물이 생긴다는 뜻이다. 여기서 화살표 왼쪽에 있는 물질을 반응물이라고 한다. 반응을 시작할 때 있는 물질이다. 화살표 오른쪽에 있는 물질을 생성물이라고 한다. 반응 결과 만들어지는 물질이다.
이를 화학식으로 쓰면 다음과 같다.
2H₂ + O₂ → 2H₂O
처음 보면 숫자가 헷갈릴 수 있다. H₂에서 아래쪽의 ₂는 수소 원자 두 개가 한 분자 안에 붙어 있다는 뜻이다. 앞에 붙은 숫자 2는 그런 분자가 두 개 있다는 뜻이다. 앞의 큰 숫자를 계수라고 한다.
이 반응식에서 왼쪽을 세어 보자.
2H₂에는 수소 원자가 모두 4개 있다.
O₂에는 산소 원자가 2개 있다.
오른쪽을 세어 보자.
2H₂O에는 물 분자가 2개 있다.
물 한 분자에는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 있으므로, 전체로는 수소 원자 4개와 산소 원자 2개가 있다.
왼쪽과 오른쪽의 원자 수가 같다. 수소 원자 4개, 산소 원자 2개가 반응 전후에 그대로 보존된다. 달라진 것은 연결 방식이다.
반응식을 읽을 때는 세 가지를 보면 된다.
화살표 왼쪽에는 무엇이 있는가?
화살표 오른쪽에는 무엇이 생기는가?
양쪽의 원자 종류와 수가 맞는가?
이렇게 읽으면 반응식은 외워야 할 암호가 아니라, 원자의 재배열을 보여 주는 짧은 기록이 된다.
일상에서 만나는 화학 반응
가장 익숙한 화학 반응 중 하나는 연소다. 연소는 물질이 산소와 빠르게 반응하면서 빛과 열을 내는 반응이다. 나무, 종이, 가스레인지의 도시가스, 촛농이 탈 때 연소가 일어난다.
도시가스의 주성분 중 하나인 메테인이 탈 때는 다음과 같은 반응이 일어난다.
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
메테인과 산소가 반응해 이산화 탄소와 물이 생긴다. 불꽃에서 열이 나는 이유는 이 반응에서 에너지가 밖으로 나오기 때문이다. 이 내용은 뒤에서 에너지와 함께 더 자세히 다룰 수 있다.
또 다른 예는 녹슬기다. 철이 공기 중 산소, 물과 오랫동안 만나면 산화 철을 포함한 물질이 생긴다. 우리가 흔히 보는 붉은 녹이다. 철못이 녹슬면 표면이 거칠어지고 색도 변한다. 철 원자가 산소와 새롭게 결합해 처음의 철과 다른 성질을 가진 물질이 된 것이다.
음식이 상하는 부패도 화학 반응과 관련이 깊다. 음식 속 성분이 공기, 물, 미생물의 작용을 받아 다른 물질로 바뀐다. 냄새가 달라지고 색이 변하며, 먹기 어려운 상태가 된다. 김치나 요구르트처럼 미생물이 만드는 변화를 잘 이용하면 발효 식품이 되지만, 원하지 않는 방향으로 진행되면 부패가 된다.
요리도 화학 반응의 연속이다. 고기를 구우면 색과 냄새가 변하고, 빵을 구우면 반죽이 부풀고 갈색 껍질이 생긴다. 단순히 뜨거워진 것이 아니라 음식 속 여러 물질이 반응하여 새로운 맛과 향을 만드는 것이다.
반응을 볼 때 기억할 것
화학 반응을 처음 배울 때 반응식을 외우려고 하면 어렵다. 대신 원자들이 어떻게 다시 배열되는지부터 생각하면 좋다.
종이가 타든, 철이 녹슬든, 음식이 익든, 공통점은 같다. 반응 전의 물질을 이루던 원자들이 새로운 방식으로 결합해 다른 물질을 만든다. 그 과정에서 원자의 종류와 수는 보존된다. 그래서 반응식은 양쪽의 원자 수가 맞아야 한다.
화학 반응은 마술처럼 물질이 갑자기 사라지거나 생기는 일이 아니다. 보이지 않는 작은 원자들이 자리를 바꾸는 일이다. 이 관점이 생기면 복잡해 보이는 화학 반응도 조금씩 읽을 수 있다.
확인 질문
얼음이 녹아 물이 되는 변화와 종이가 타는 변화는 어떻게 다른가?
화학 반응에서 반응 전후에 원자의 종류와 수가 보존되는 까닭은 무엇인가?
2H₂ + O₂ → 2H₂O에서 반응물과 생성물은 각각 무엇인가?초가 타면 초의 질량이 줄어드는 것처럼 보인다. 그런데 원자가 사라진 것은 아니라고 말할 수 있는 이유는 무엇인가?
연소, 녹슬기, 부패 중 하나를 골라 "어떤 새로운 물질이 생기는 변화"인지 설명해 보자.
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