과학전람회(~2012/5/18)

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과학전람회(~2012/5/18)

osvkor 2012. 2. 20. 21:35

본 게시물에 결과와 내용을 업데이트 하도록 하겠습니다.

과학전람회 일지

2/10 문화재 선정
청정 지역과 오염 지역의 문화재를 각각 1개씩 선정했으며, 재질은 비슷하다.
1) 인천 답동성당(중구)
2) 강화 하점면 오층석탑(강화 하점면 장정리)

2/13 선정한 문화재의 재질 조사.
1) 답동성당
붉은벽돌(산화철을 포함한 찰흙과 강모래를 원료로 하고, 색을 가감하기 위해 석회를 넣음.)을 주재료로 하여, 중요한 곳에는 화강암을 이용함.
2) 하점면 오층석탑
자세한 재질은 온라인상 검색 불가.

2/16 문화재의 재질의 구성성분 원소 조사(하점면 오층석탑은 구성성분 조사 불가능.)
답동성당
1) 붉은 벽돌 : 겉보기상 불에 잘 견딜 수 있도록 만든 내화벽돌이라 판단하였다.(건축상 자체습도 조절 능력이 있어 많이 이용하기도 함.) 내화점토질 77%, 규석질 2%, 고알루미아질 4%, 크로뮴[크롬(Cr) - 광택이 있는 단단한 금속, 하지만 쉽게 산화되므로, 이 물질을 조사해보면 산화를 막을 수 있는 방법을 찾을 수 있음.), 마그네시아질(산화 마그네슘) 17%
2) 내화 점토 : 알루미늄 규산염(SiO4 사면체의 규소대신 알루미늄으로 치환된 규산염, 구조적으로 SiO4 사면체와 SiO4 사면체가 꼭치점의 산소를 공유하며 결합. 많은 조암광물은 마그네슘, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨의 금속 알루미늄 규산염임.)이 풍부한 규질 점토(석영으로 된 유리, 규산을 많이 포함하고 있음을 의미함. 여기서 고령토에 가까우며, 가열하면 적어도 35% 이상의 알루미나(산화 알루미늄 - Al₂O₃을 주성분으로 하는 광물의 일종)를 포함하게 된다.

3) 화강암(구성물질)
    1. 사장석 : NaAlSiO~CaAlsiO. 주로 알바이트(조장석) 성분 Ab(NaAlSiO)와 아노사이트(회장석) 성분 An(CaAlSio)으로 이루어진 장석 KAlSiO(칼륨장석, Or). 모두 삼사결정계임.
    2. 석영 : SiO. 중요한 조암광물 중 하나.
    3. 흑운모 : 금운모 KMg(SiAl)O(OH)와 아나이트 KFe(SiAl)O(OH) 사이의 고용체이나, Fe·Mg를 Al로 치환한 것도 많다. 그 밖에 Fe·Mg를 Mn·Fe·Ti로 치환한 것, K를 Na로, OH를 F로 치환한 것 등 매우 복잡한 화학조성을 지닌다.
    4. 석영 : 화강암 내에서는 보통 투명한 것으로 나타낸다.
    5. 정장석 : 연분홍빛, 연갈색, 황색으로 나타낸다.
    6. 사장석 : 흰색으로 석영에 비해 불투명하다.
    7. 흑운모 : 검은색으로, 작고 비늘형이다.
    8. 각섬석 : 검은색이지만 흑운모에 비해 약간 어두운 정도가 덜해보인다.

일정정리

2012/02/06-02/10    문화재 선정 및 조사

2012/02/13-02/18    인천의 기후와 산성비 실태 조사, 이것들이 문화재에 미쳤을 영향에 대해 추측

2012/02/22-02/23    문화재 실태 파악 및 답사(답동성당, 강화도 (잠정적 하점면 오층석탑[확정은 아님]))

2012/02/24-03/09    문화재 조사 결과 정리 및 학교 실험실에서 <실험 1>, <실험 2> 진행(실험 기간이 더 늘어날 수 있음.)

2012/03/12-03/31   <실험 2> 진행(물질을 빨리 찾지 못할 수도 있으므로 예비 기간임.)

2012/04/01-04/07    실험 결과 정리 및 결론 도출(보고서의 개요 작성)

2012/04/08-04/29    탐구 결과 보고서 작성.

2012/04/30-05/06    최종 검토

~2012/05/18    보고서 제출

조사 예정

하점리 석탑의 구성 물질 사전 조사.
구성 물질을 찾을 수 없다면, 암석의 종류와 특징을 미리 조사하여 현장에 가서 어떠한 암석으로 이루어져 있는지 판별한다.
석탑 주변의 자연환경과 그 주변의 기후 환경을 알아볼 수 있는 곳을 찾아놓는다.

서적 내용

1) 산성비(김준호 지음, 서울대출판부)
산성비의 실상과 폐해, 산성화한 생태계를 복원한 사례를 제시했으며, 산성비를 이해하기 위해 빗물에 관한 기초와 산성비의 원인이 되는 대기오염 물질이 배출되어 내리는 과정도 서술되어 있다.

해염에서 오는 나트륨과 원소는 빗물을 중성으로 유지시키며, 바닷물은 알칼리성(pH 8.2)이기 때문에 빗물의 산도를 낮추는 역할을 한다. 봄철에 황사와 비가 함께 내릴 때는 빗물 속에 황사 먼지를 많이 함유하는데, 알칼리성이므로 빗물의 산도를 낮추는 효과가 있다. 먼지의 성분인 칼슘과 마그네슘은 빗물에 녹아서 황산이나 질산을 중화시킨다. 도시와 공업단지의 빗물에 녹아 있는 먼지의 성분은 수소이온, 암모늄이온, 황산이온 및 질산이온이며, 해안에 가까운 곳의 먼지에는 높은 농도의 나트륨이온, 염소이온 및 마그네슘이온이 들어 있다.

공기 중에는 여러 가지 대기오염 물질이 빗물에 녹지 않는 기체 또는 작은 고체 알갱이의 형태로 떠돌아다니다가 마침내 땅이나 물이나 식물 위에 떨어진다. 이 중에서 빗물에 녹지 않는 물질을 건성강하물이라 하고 녹는 물질을 습성강하물이라 한다. 건성강하물과 습성강하물은 산성을 띠기 때문에 통틀어서 산성강하물이라 한다. 보통 습성강하물은 빗물에 녹아 산성비를 만든다. 황산화물중에서 이산화황은 빗방울에 녹는 양이 적으므로 건성강하물에 속하지만 황산이온은 많이 녹기 때문에 습성강하물에 속한다. 그리고 질소산화물 중에서는 일산화질소가 건성강하물이고 이산화질소나 질산이온은 습성강하물에 속한다. 이처럼 황산화물이나 질소산화물은 공기 중에서 화합하여 산화될수록 물에 잘 녹는다. 그리고 먼지의 성분 중에서 염기성 양이온은 빗방울에 녹아 습성강하물로 되고 흙가루는 건성강하물로 되어 땅에 떨어진다. 건성강하물은 땅에 떨어지기 전에는 빗물의 산도에 직접적인 영향을 미치지 않는다. 하지만 습성강하물은 공기 중을 떠돌면서 산화되어 빗방울 속으로 녹아들어 빗물을 산성화시킨다. 땅에 떨어지는 건성강하물과 습성강하물의 비율은 배출원으로부터의 거리와 시간, 대기조건 및 먼젓번에 내린 강수 유형에 따라 달라진다. 예를 들면, 황산화물은 배출될 때 이산화황 95%와 황산이온 5%의 비율이지만 먼 거리를 이동하면 대부분이 황산이온으로 산화되어 빗물에 녹는다. 더구나 강수량이 많은 지역에서는 강수강도와 깅수빈도가 높으므로 대기 중의 가스와 에어로졸과 같은 건성강하물은 멀고 긴 시간을 이동하는 동안 빗물에 서서히 녹으므로 습성강하물의 농도보다 훨씬 적어진다.

위는 안개와 빗물의 pH 백분율 비교를 나타낸 표이다. 안개와 박무의 산도는 빗물보다 높다.

정리해서 대기오염물질은 건성강하물과 습성강하물로 나뉘고, 그중 황산화물, 질소산화물 및 염소와 같은 습성강하물은 빗방울에 녹아 산성비가 된다는 것을 았았으며, 건성강하물도 원거리를 이동하면서 산화되면 빗방울에 녹아 산성비가 된다. 이렇게 보면 대기오염물질이 산성비의 전구물질이라는 것을 알 수 있다. 따라 대기오염물질을 많이 배출하는 지역에 산성비가 많이 내리기 마련이다. 산성비는 숲과 토양을 거쳐 흐르는 동안 토양과 물을 산성화시킨다. 따라서 산성강하물은 궁극적적으로 환경을 산성화시킨다고 말할 수 있다. 생태계에 유입된 이산화황과 같은 산성가스는 빗물에 적게 녹으므로 빗물의 산도를 크게 높이지 않지만 낮은 농도에서도 토양, 물, 식물, 사람 등에 큰 해를 끼친다. 이와 대조적으로 물에 잘 녹는 이산화질소와 같은 산성가스는 식물에 피해를 입히지 않지만 사람의 건강을 크게 해친다.

대기오염물질은 먼 곳까지 대기 속을 이동하며 산화된다. 산화는 어떤 물질이 산소와 결합하거나 전자 또는 수소가 떨어지는 현상을 말한다. 물질의 산화는 습도와 촉매물질의 영향을 크게 받는다. 이산화황은 탄산이온처럼 산성을 중화시키는 이온이 없는 대기 중에서, 먼저 삼산화황으로 산화되고 다음에 황산이온으로 산화된다. 이들 황화합물을 통틀어서 황산화물이라고 한다. 이산화황은 물에 극히 미량만 녹지만 삼산화황은 약간 많이 녹고 황산이온은 훨씬 많이 녹는다. 이처럼 대기오염물질은 산화될수록 물에 많이 녹는다. 따라서 빗물은 높은 농도의 황산이온이 녹아 들어가서 산성비로 된다. 청정지역에서 이산화황은 대기 중의 산화제(산소를 쉽게 방출해 버리는 물질)에 의해 삼산화황이나 황산이온으로 산화되므로 그 자신은 농도가 낮아진다. 하지만 공업단지와 같은 오염지역에서는 산화제 농도보다 이산화황 농도가 훨씬 높기 때문에 존재하는 산화제 농도에 비례하여 이산화황 농도가 낮아지고 황산이온 농도가 높아진다. 중요한 것은 대기 중의 이산화황 농도가 높아짐으로써 빗물 속의 황산이온 농도가 높아지는가이다. 양자는 어느 정도 비례하지만, 공기 중의 다른 구성물질의 존재, 온도와 습도 및 강수빈도에 따라서 반응이 아주 복잡하기 때문에 짧은 시간 동안에 대기 중의 이산화황 농도가 높다고 해서 반드시 빗물의 황산이온 농도가 높아진다고 말할 수는 없다. 하지만 긴 시간에 걸쳐 이산화황이 대기 중으로 많이 배출되면 빗물의 황산이온이 높아지고, 빗물의 황산이온 농도가 높아지면 지표수의 황산이온도 높아진다.

산성비는 황산화물이나 질소산화물과 같은 대기오염물질과 깊은 관계가 있다. 화력발전소나 공장, 가정, 자동차, 버스, 비행기 등에서 발생하는 대기오염물질에는 산성비를 만드는 성분이 있다.

산성비는 공기 중에서 황산화물이나 질소산화물이 산화된 뒤 빗물에 녹아서 형성된다. 이렇게 해서 생긴 물질이 황산과 질산의 엷은 용액이다. 게다가 햇빛은 이 반응을 아주 빠르게 일으킨다. 아주 엷은 황산과 질산을 품은 비, 눈 및 안개는 정상 빗물보다 산도가 높다. 공기 중에서 빗방울에 이산화탄소가 녹아 들어가는 경우에도 산도가 높은 빗물이 된다. 이 밖에도 공기 중에서 저절로 생긴 산성물질(염산)이 녹으면 빗물의 산도가 높아지고, 염기성 양이온(칼슘이온)이 녹으면 산도가 낮아진다.

서울의 빗물은 1980년부터 1999년 사이에 연평균 pH 4.5로 산성을 나타내었다. 한때 유럽이나 북미 대륙의 공업지대에서는 서울보다 빗물의 산도가 약 10배나 높아서 pH 3.5를 기록한 일도 있었다. 하지만 농촌지역에서는 보통 pH 4.5~7.2의 범위를 유지한다.

물에 녹는 염기성 화합물이 빗물에 녹으면 음이온과 양이온으로 나누어진다. 음이온은 전자를 얻어 음전하를 띠는 이온이고 양이온은 전자를 잃어 양전하를 띠는 이온이다. 음이온이 많은 빗물은 산도가 높아지고(pH가 낮아지고), 양이온이 많은 빗물은 산도가 낮아진다(pH가 높아진다). 우리나라의 빗물 속에는 산도와 관련된 9가지 이온이 들어있다.

위 표처럼 산성비 속에는 황산이온, 질산이온 및 염소이온의 3가지 음이온이 들어 있고, 수소이온, 나트륨이온, 칼륨이온, 마그네슘이온, 칼슘이온 및 암모늄이온의 6가지 양이온이 들어있다.

산성비의 원인물질과 산성빗물(pH 4.3) 속의 음이온과 양이온

서울과 한국 33곳의 평균 및 고성에서 받은 빗물의 양이온(위)과 음이온(아래)의 농도 비교

빗물 속에 들어 있는 황산이온은 석유나 석탄 또는 생물체를 태울 때 황이 산화되어 배출된 가스, 곧 이산화황에서 생긴다. 이산화황은 고약한 냄새를 풍기는 기체로 눈물이 나고 목을 자극하며 시계를 차단하여 시정을 단축시키고 식물과 사람에 큰 피해를 입힌다. 서울 대기의 이산화황 농도는 1996년에 0.013ppm에서 2001년 이후 0.005ppm으로 유지되어 1996~2005년의 10년간 1년에 평균 약 8%씩 감소되었다. 다행히 우리나라의 다른 도시들도 서울과 비슷하게 대기 중의 이산화황 농도가 낮아지고 있고 우리나라의 시산화황 배출량은 연 2%씩 감소되고 있다.

대기 중의 질산이온은 복잡한 경로를 거쳐 빗물을 산성화시킨다. 질소산화물은 주로 물질을 고온으로 연소하는 내연기관에서 공중질소와 산소가 결합하여 일산화질소나 이산화질소로 산화될 때 배출된다. 이 밖에 삼산화질소, 무수질산 등이 형성되기도 한다. 질소산화물은 온도가 높고 연소하는 물질의 질소 함량이 많을수록 많이 배출된다. 그리고 질소산화물은 토양에서 배출되거나 대기질소가 오존이나 수산기와 반응하여 형성되기도 한다. 지구상의 질소순환은 세균에 의한 질소고정, 생물학전 환원에 의한 암모니아 생성, 탈질작용에 의한 질소산화물로부터의 질소가스 배출 등에 의해 평형이 이루어지고 있다. 하지만 인간활동에 의한 질소산화물의 배출로 말미암아 질소순환의 평형이 깨지는 경향이 있다.

3) 문화재 보존과학의 원리(도이시 겐조 [외]지음 ; 전경미 옮김)
문화재 손상의 주변 원인
1. 온도-문화재 재질 열화는 온도가 높을수록 빠르다.
사용하기 쉬운 브룩스식에 의하면 0℃에서 열화속도를 1로 할 때, 25℃에서는 4와 가깝다.
그러나 엄밀히 온도와의 관련은 아레니우스(Arrhenius) 이론식에 따라야 한다. 이것은 상온 20℃에서 열화속도를 기준으로 정확히 온도가 8℃ 오르면 열화속도는 2배가 되고, 8℃ 내려가면 ½이 된다는 내용이며 이를 8℃법칙이라고 말하기도 한다.
모든 재료는 온도의 상승, 하강에 따라 신축한다. 자연기온 변화의 모든 지역을 생각해도 그 정도는 문제가 되지 않는다.
그러나 태양 복사에 의한 축열로 돌의 온도가 높아졌을 때는 뜨거워진 부분은 팽창되고 뜨거워지지 않은 부분과의 사이에 커다란 스트레스가 생겨 표층이 박리되는 듯한 현상이 생긴다.

※열화: 절연체가 외부적인 영향이나 내부적인 영향에 따라 화학적 및 물리적 성질이 나빠지는 현상.
▼스트레스가 생겨 표층이 벗겨져 나간 돌 ▼온도와 재질 열화-브룩스 식

2. 습도-문화재 열화에 있어서 재질적으로나 기계적으로나 온도 이상의 중요한 인자이며,
유물의 재질에 직접 작용하여 열화(劣化)시키기도 한다. 그 예로, 종이에 대한 열화작용 중 가장 큰 인자로 가수분해가 있다.
또 유황산화물이나 질소산화물 등 오염된 대기가 수분을 빨아들이면 유황산, 유산이나 아초산, 초산 등 강한 산이 된다. 최근 문제가 되는 산성비는 이것이 비가 된 것으로 옥외의 금속제품이나 석조물을 침해한다. 이것들은 수분의 직접작용에 의한 것이어서 습도의 직접작용이라 할 수은 없다. 그러나 염색된 천이 퇴색될 때 습도가 높은 상태에서는 퇴색이 빠르다는 실험보고도 나와 있어 유념할 필요가 있다. 퇴색을 직접 일으키는 것은 대개 공기 중의 산소로, 습도가 높은 쪽이 산화가 심할 수밖에 없을 것이다.
※고습에 의한 열화의 촉진
습도가 높은 곳에서 열화가 확실히 빠르게 진행되는 것은 금속(특히 철이나 청동)의 녹화이다. 이러한 녹은 습도가 40% 이하일 때 거의 진행 되지 않고, 역으로 습도가 오르면 상당히 빠르게 진행된다. 금속뿐만 아니라 모든 문화재 재질의 열화는 습도가 높은 쪽이 크다. 이것을 나타낸 것이 브룩스 식으로 이 방식은 특정의 물질에 한정되지 않는다. 단 유물이 더욱 열화되지 않고 견딜 수 있는 조건은 유물마다 달라서 완전히 건조된 환경보다도 그 유물에 적당한 습도를 유지시키는 쪽이 좋다는 의견도 있다.

습도

▼실제의 열화 속도와 습도와의 관계 ※고습의 원인

▲유리 용기 안의 수분 포화
지면상에 유리관을 덮었을 때 온도가 일정하면 안은 거의 포화상태가 되지만 유리가 차가워지면 결로가 생긴다.

   ① 증발원이 있고 그것을 습기가 투과되지 않는 벽으로 밀폐시킨 공간 내에 두었을 때
   증발은 포화가 될 때까지 계속 된다. 습도 100%가 되면 멈추지만 벽에 조금이라도
   온도가 낮은 곳이 생기면 그곳에서 결로(結露)가 생긴다.
     눅눅한 땅, 흙, 돌도 증발원이다. 흙이나 돌 등이 벽, 말, 천장이 되어 밀폐 공간을
   이루고 있을 때도 증발원이 될 수 있다. 반면 흙으로 된 창고는 습기의 투과에 대한
   저항이 크기 때문에 상당히 고습이지만 안전하다.
   ② 공간이 닫혀 있지 않아도 넓은 증발원이 있고 그것을 덮을만한 충분히 넓은 불투습한
   격벽이 있으면 중앙 근처에 포화 상태가 나타난다. ex) 비닐하우스
   ③ 밀폐공간이 아니고 무한으로 넓은 공간에서도 그 안에 증발원이 많이 있는 경우 포화
   상태가 된다. ex)비가 올 때
   ④ 어느 정해진 상태에서 공기의 온도를 내리면 습도는 상승한다. 온도가 낮아지면 공기     중에 수분이 최고로 존재 할 수 있는 양이 줄어들게 되기 때문이며, 만약 공기중의 수분     이 최고로 존재할 수 있는 양을 초과해 버리면 결로가 생긴다.

※고습시의 건조
건조 상태가 되면 미술품이나 주변의 물건은 포함된 수분을 증발하여 건조 상태가 완화 되지만 고온 때는 저온 때보다 더 많은 양의 수분을 필요로 하기 때문에 고온시 건조는 위험하다.

※건조의 원인
① 가습하지 않고 난방만 했을 경우 - 문화재의 칠 층이나 채색층이 벗겨지고 액장품이 균열을 일으키거나 목조각품이 부서진다. 또 풀의 접착 부분이 떨어지기도 한다.
② 푄 현상 - 바람이 산을 넘어 올 때 높은 곳의 냉각에 의해 비 또는 눈으로 공중에서 수분을 잃고 내려오다가 산을 넘기 전의
원래 높이까지 내려가면 산을 넘기 전 보다 온도가 상승하여 건조해지는 현상
③ 밤에 찬 공기에 의해 결로나 서리가 생기거나 낮 동안 기온이 높아지는 경우

3. 대기
① 산소 - 항상 문화재의 재질과 접해 있고 산화를 일으키려고 한다.
반드시 산소가 나쁘다는 증거를 포착하지는 못했으나 확실히 산소가 없는 쪽이 좋다고 알려진 유물에 대해서는
공기 대신에 불활성 가스로 밀봉하는 방법도 있다.
② 습기 - 가수분해라는 화학 작용으로 종이의 열화에 나쁜 역할을 한다.
③ 탄산가스 - 모든 종류의 안료에 작용하여 변색을 일으키기도 한다.
④ 대기 오염
(1) 굴뚝의 연기 - 유황산화물이 혼합된 수분이 포함되어 있으며 아유산가스 또는 이것이 산화된 유산 가스는 수분을 빨아들여
아유산, 유산이 되어 금속이나 석제품 등을 침해한다.
결정적인 대책은 없으며 미술품 등의 진품을 전시관에 넣어 두는 대신 복제품으로 대체 전시하는 것이 최선이지만,
그것이 불가능할 경우 산성비로부터 지키기 위해 발수제 처리를 하거나 또는 가스로부터 지키기 위해 보호층을 만들기도 한다.
(2) 자동차의 배기가스 - 배기가스에 포함된 질소산화물, 특히 일산화질소는 공중에서 산소와 섞이고 여기에 햇빛까지 만나면
이산화질소가 된다. 이것들은 또 햇빛과 작용하여 오존을 만들어낸다.
이 간은 NOX 들은 그 자체에 산화작용이 있을 뿐 아니라 초산계 산이기 때문에 문화재에 두려운 오염인자이다.
오존 역시 산화작용이 강하며, 이런 오염은 자동차에 의해서 많이 발생 되고 날씨가 맑은 지역에서 잘 일어난다.
(3) 연못, 수증기, 쓰레기장 - 침전된 늪의 공기나 화산, 온천의 수증기 등에는 유화수소가 포함되어 있다.
이것은 금속에 강하게 작용하여 특히 은제품의 표면을 쉽게 흑화시킨다.
(4) 화장실 - 근처에서 암모니아 가스가 발생한다.
(5) 바다 - 파도가 강해져 작은 물방울이 공중으로 날아오를 때, 이것이 증발해 염분 입자로 바뀌게 되면 미술품 등에
영향을 주게 된다. 염분은 청동과 동제품에 염기성 염화동이라고 하는 악성의 녹을 만들며, 문서 등도 습하게 만든다.
(6) 도로, 의복 등의 먼지 - 꼭 도로 만이 아니라 지표의 여러 가지 광물질들의 분진이 떠다니며 진열물 위에 쌓여 습기를
흡수하면 유물에 달라붙어 쉽게 떨어지지 않게 된다. 또, 관람자의 의류에서 섬유질 먼지가 흔히 날리기도 한다.

참고 자료

1) 산화 반응 - 분자, 원자 이온이 전자를 잃고, 산화수가 증가하는 것

철이 녹스는 것은 대표적인 산화 반응이다.

제철소에서 철광석에서 철을 뽑아낼 때 철광석은 환원된다.

산화수 변화 - 전자를 잃으면 산화이고 얻으면 환원
산화는 분자, 원자, 이온이 전자를 잃고, 산화수가 증가하는 것을 말한다. 전기적으로 중성인 분자 혹은 원자가 전자를 잃으면 양이온이 된다. 양성자와 전자의 개수가 같은 원자는 전기적으로 중성이며, 그 때의 산화수는 0이다. 만약에 그 원자가 자발적으로 전자 1개를 내 놓았든지 혹은 외부의 힘에 의해 전자 1개를 빼앗겼다면 그 원자는 더 이상 전기적으로 중성이 아니다. 결국 그 원자는 전자의 개수보다 양성자의 개수가 1개 더 많은 양이온이 된 것이며, 그 양이온의 산화수는 +1이다. 분자나 이온의 경우에도 같은 원리가 적용이 된다. 예를 들어 철이 전자를 2개 잃으면 철 양이온이 되고, 그것의 산화수는 +2이다. 그 양이온이 전자를 1개 더 잃으면 그것은 Fe3+ 혹은 Fe(III)으로 표기되는 3가 철 이온이 된다. 이와 같이 산화수가 0에서 1 혹은 2로, 다시 2 에서 3으로 증가하는 것을 산화라고 표현한다. 반면에 전기적으로 중성인 원자가 전자를 얻거나 혹은 빼앗으면 전기적으로 음성을 띤 음이온이 된다. 예를 들어서 염소 원자가 전자를 1개 얻는다면, 결국에는 양성자 개수보다 전자 개수가 많아 음이온이 된다. 염소 음이온은 보통 Cl- 혹은 Cl-1로 표기하며, 그것의 산화수는 -1이다. 이 경우처럼 전자를 얻어서 분자, 원자, 이온이 본래의 산화수보다 감소하는 경우는 환원이라 한다.

금속이 산소를 얻으면 산화, 잃으면 환원

분자, 원자, 혹은 그것의 결합으로 이루어진 화학물질은 주변 환경 혹은 그 자신의 특성으로 인해서 산화되는 속도와 정도가 다르다. 많은 금속은 전자를 쉽게 잃어버리고 양이온으로 변한다. 그 양이온은 주변 환경에 따라 이온상태로 존재하거나 혹은 산소와 반응 혹은 산소를 포함하는 다른 분자나 이온과 반응하여 금속산화물로 변신을 한다. 예를 들어 금속 철을 포함하고 있는 철광석은 철 산화물이 다른 광물과 함께 섞여 있는 돌덩어리이다. 철이 산소와 반응하여 철 산화물이 형성되고 다른 물질과 섞인 뭉치가 철광석인 것이다. 철을 이용하여 각종 도구를 만들려면 철광석에 철을 뽑아내야 된다. 그 도구들에 페인트 칠과 같이 부식 방지 수단을 사용하지 않으면 금새 녹이 슬어 버린다.

철광석에서 철을 추출하는 것은 철 산화물에서 철로 환원시킨 것이며, 뻘건 녹은 철이 철 산화물로 산화된 것이다. 철 산화물에서 산소를 제거하면 철이 되고, 철에 산소가 더해 지면 철 산화물이 되므로 산소가 제거되는 과정을 환원, 산소가 더 해지는 과정을 산화라 해도 된다. 산화수의 증감으로 산화 환원을 구별하기도 하지만 산소의 득과 실로 산화 환원을 구별할 수 있다는 말이다.

그러나 금과 같이 산화되기 어려운 금속들은 자연에서 순수한 금속으로 발견되기도 한다. 만약에 금이 철과 같이 쉽게 산화되어 그것의 외양 혹은 성질이 쉽게 변해 녹슨 철과 같이 되었다면 귀한 대접을 받지 못했을 것이다. 금속이 산화되는 특성은 금속마다 다르며, 산화되기 쉬운 금속은 이온화 경향이 큰 금속이다라고 말한다. 이온화 경향이 다른 금속 혹은 금속이온들이 서로 접촉하는 환경에서는 이온화 경향이 큰 금속은 산화되고, 그것과 접촉하는 금속이온은 환원된다.

예를 들어 구리 조각을 유리 그릇에 놓고 질산은 용액을 부으면 즉각적인 산화 환원 반응이 진행된다. 이온화 경향이 큰 구리는 구리 이온으로 산화되고, 질산은에 포함된 은이온은 은으로 환원이 되며, 구리선과 용액은 맨눈으로도 관찰이 가능한 변화가 일어난다. 포타슘, 소듐, 리튬은 산화가 매우 잘 되는 금속들이며, 금을 포함하여 귀금속 대접을 받는 금속들은 주로 산화되기 어렵다.

질산은 용액에 구리선을 넣은 모습. 구리는 녹아 푸른색 질산구리가 되고, 은은 결정으로 환원된다.

표준전극전위 값이 음수일수록 산화가 더 잘돼
특정 반응의 산화 혹은 환원되는 정도는 표준전극전위를 사용하여 정량적으로 표현할 수 있다. 수소이온이 환원되어 수소기체로 되는 반응에 대한 반응식과 그것의 전위를 다음과 같이 표시한다.

2H+(aq) + 2e → H2(g) Eo = 0.00 V

여기서 반응에 관여하는 수소이온과 수소기체가 모두 표준상태에 있을 때 그 전위를 0.00 볼트로 정하고, 기준으로 삼았다. 표준상태라 함은 수소이온의 활동도가 1.0 이고, 수소의 기체의 활동도가 1.0인 평형상태에 있을 때를 말한다. 이 전극을 표준수소전극이라 부른다. 마치 산의 높이를 비교할 때 해수면을 기준으로 삼는 것처럼 표준수소전극을 기준으로 많은 반응에 대한 산화 혹은 환원 정도를 비교하는 것이다.

각 반응의 전위 값을 비교하기 위해서 수 없이 많은 종류의 반응을 환원 반응으로 표시하며, 각 개별 반응의 표준전극전위는 표준수소전극의 전위를 기준으로 하여 환원이 쉽고 어려움에 따라 값을 결정하였다. 만약에 표준수소전극에 관련된 반응보다 전자를 더 쉽게 받아들일 수 있는 화학종의 환원반응은 플러스 전위로, 전자를 더 어렵게 받아들이는 화학종의 환원반응은 마이너스 전위로 표기하였다. 수 많은 반응에 대한 표준전극전위 값은 각종 교과서나 참고 문헌에 표로 나와있다. 그 값이 플러스 이고, 크면 클수록 환원되기 쉬운 반응이고, 반면에 그 값이 마이너스이고, 작으면 작을수록 환원되기 어려운 반응이라고 생각하면 된다. 예를 들어 은이온이 은으로 환원되는 반응의 표준전극전위는 +0.799 볼트이며, 구리이온이 구리로 환원되는 반응에 대한 전위는 +0.339 볼트이다. 반면에 리튬이온이 리튬으로 환원되는 표준전극전위는 -3.05 볼트이다.

Ag+ + e     → Ag(S)        Eo = +0.799 V
Cu2+ + 2e → Cu(S)        Eo = +0.339 V
Li+ + e      →   Li(S)        Eo = -3.05 V

전기자동차의 리튬이온전지. 리튬이온전지는 리튬의 강한 산화 경향을 이용하여 높은 전압을 낸다.

표준전극전위의 값으로부터 알 수 있는 사실은 은이온과 구리이온은 리튬이온에 비해서 환원이 쉽고, 구리이온보다는 은이온이 더 쉽게 환원되는 경향이 있다는 것이다. 사실 리튬이온의 환원이 매우 어렵다는 것은 쉽게 이해된다. 왜냐하면 리튬은 자발적으로 전자를 쉽게 잃는 이온화 경향이 매우 큰 금속이므로, 그 역 반응인 리튬이온이 전자를 받아 리튬이 되는 일은 매우 어려울 수 밖에 없기 때문이다. 리튬의 전극전위가 매우 큰 –값을 이용하려고 고출력 전지들은 리튬을 전극물질로 사용하고 있는 것이다.

한편 앞서 설명한 구리 조각을 은이온이 포함된 용액에 넣었을 때 관찰되는 현상도 이 값을 이용하여 설명할 수 있다. 결국 은이온이 은으로 환원되는 경향은 구리이온이 구리로 환원되는 경향보다 크므로, 은이온의 환원이 되면서 구리 표면에 석출이 되며, 대신 구리는 구리이온으로 산화되어 용액이 푸른 색으로 변하는 것이다. 이 때에 산화와 환원 반응이 동시에 진행되고 있음을 알 수 있다.

산화와 환원은 불가분의 관계
산화 반응은 환원 반응과 동시에 진행되며, 그 반대도 성립된다. 자연이나 우리 삶에서도 수 많은 산화 환원 반응이 진행된다. 막걸리나 포도주에 포함된 알코올이 공기중의 산소에 의해서 산화되어 아세트산의 농도가 진해지면 그 맛이 시큼해진다. 자동차의 연료가 연소되는 것도 연료를 구성하는 유기화합물에 포함된 탄소가 이산화탄소로 변하는 산화반응이다. 알코올과 탄소는 산화되는 과정을 겪으면서 산소는 환원이 되는 것이다.

전지는 산화반응과 환원반응이 분리되어 일어나도록 고안을 한 장치로 우리에게 필요한 전기에너지를 얻는 도구이다. 그러나 연소반응 등은 산화와 환원이 분리되지 않고 동시에 한 곳에서 진행된다. 예를 들어 용광로를 가열한 상태에서 철광석과 탄소를 섞어 순수한 철을 생산하는 제련은 산화와 환원이 한 곳에서 동시에 진행되는 것이다. 이것을 반응식으로 간략히 표현하면 다음과 같다.

FeO + C → Fe + CO

철광석에 포함된 산화철은 환원되어 철이 되고, 탄소는 산화되어 일산화탄소가 되는 화학반응이 용광로에서 일어나는 것이다. 이 때 녹은 철 용액 속으로 산소를 불어 넣어 일산화탄소가 더 산화되면서 이산화탄소로 되고, 광물에 불순물로 존재하는 황이 이산화황으로 산화되는 일도 동시에 일어난다. 산소는 다른 물질을 산화시키고, 자신은 환원이 된다.

산화환원반응은 동시에 일어난다. 철광석의 산화철이 환원되면 탄소는 산화된다.

2) 문화재의 손상 원인
1. 물리적인 손상
- 고의적인 파손
- 관리부주의에 의한 손상
- 발굴 및 무분별한 공개
- 자연재해에 의한 손상
- 미숙한 보존처리 행위에 의한 손상
- 동, 식물에 의한 피해

2. 화학적 손상(환경요인에 의한 손상)
- 온도: 온도 변화에 다라 팽창과 수축
- 습도 : 목재나 칠기 문화재 (수축, 갈라짐, 박락, 들뜸, 비틀림)
산화작용 또는 미생물의 발생 야기.
- 빛 : 광손상 (자외선은 염료, 안료, 섬유소와 단백질 등의 분자를 파괴-지류나 섬유류 문화재의 재질 약화)
열손상 (적외선에 의한 표면 온도가 상승하여, 상대습도의 변화를 초래하여, 균열, 박락, 비틀림 발생)
- 대기오염 : 아황상가스 (대리석을 침식시키고 종이, 섬유 등의 손상)
질소산화물 (면이나 양모로 제작된 문화재의 셀룰로오스에 있는 염료를 변질)
오존 (유기물뿐만 아니라 금속 등을 산화)
암모니아 (안료의 색상변화)
건축물의 내장재에서 방출되는 포름알데히드와 콘크리트 건물에서 발생되는 알카리도 손상을 일으킨다.

3. 생물학적 손상
- 곤충 피해 : 지류(좀벌레), 섬유류(나비목, 좀목, 딱정벌레목의 유충), 목조(흰개미목, 딱정벌레목)
온도는 25~30, 습도는 75%에서 최대 피해가 발생.
- 미생물 피해 : 낮은 온도와 습도를 유지하며, 산소를 차단하여, 미생물 발생 억제.
- 석조문화재의 이끼류 피해 : 이끼류는 수분을 많이 보유하여. 유기물에 의한 화학적인 부식작용을 촉진.
지의류는 석재와 접촉하여 유기산에 의한 부식이 야기.

3) 암석의 판별법
1. 물리적 성질에 의한 구별
암석은 광물들의 집합체이므로 이들의 물리적 성질은 암석을 구성하는 다양한 광물들의 성질에 의해 크게 좌우된다.
암석의 일반적인 성질은 암석을 구성하는 광물들의 성질을 구성비율과 방향성에 따라 평균함으로써 얻을 수 있다.
성분광물들의 평균성질을 구할 경우, 전체 암석에 대한 대부분의 성질들은 등방성을 띠지만,
흔히 개개의 광물 입자들이나 결정들의 성질은 이방성을 띤다.
또한 광물의 물리적 성질은 입자나 결정의 크기·형태·배열과 같은 암석의 조직에 의해서도 좌우된다.
화성암과 변성암은 결정질 광물입자로 구성되어 있는 반면, 퇴적암은 주로 뚜렷하게 구분되는 광물입자들과 이들을
결합시켜주는 천연적인 교결물질로 구성되어 있다.
암석의 성질을 결정하는 다른 요인들로는 빈 공간, 자연적인 교결물의 존재유무, 암석 내에 포함되어 있는 유체들의 분포상태 및
압력과 온도 조건이 있다.
암석의 물리적 성질의 측정은 암석이 분포하고 있는 자연상태나 지구의 조건을 가상한 실험실에서 하는데, 후자의 경우는 측정치에 영향을 미치기도 한다.

2. 공극률을 이용한 구별
암석이란 용어는 입자나 결정과 함께 이들 사이에 존재하는 빈 공간을 모두 포함하는 물질의 총부피를 지칭한다.
공극률이란 암석의 총 부피에 대한 공극부피의 비로 정의된다.
공극률이 큰 경우는 분급이 좋은 퇴적암, 즉 입자크기의 변화범위가 좁은 퇴적암에서 관찰된다.
퇴적물의 교결작용 및 압축작용은 일반적으로 시간이 경과하고 매몰심도가 깊어질수록 증가하는데,
이러한 작용들은 공극률을 감소시킨다.

3. 밀도를 이용한 구별
암석의 공극률은 단위부피당 질량으로 정의되는 암석의 밀도에 영향을 미친다.
암석의 전체밀도는 공극의 존재에 의해 상당히 감소한다.
암석의 밀도는 질량보다는 흔히 무게를 이용해 계산하며, 따라서 밀도는 입자들과 자연적인 교결물의 무게를 입자들과 공극을
합한 부피로 나누어 구한다.
만약 공극이 유체에 의해 채워져 있다면, 전체밀도 대신 포화밀도를 구한다.
포화밀도는 입자의 무게와 유체의 무게를 합한 무게를 전체 부피로 나눈 값으로 정의된다.

4. 자기적 성질을 이용한 구별
암석의 자기적 성질은 암석의 구성광물 입자나 결정들의 자기적 성질에 기인한다.
암석은 전형적으로 소량의 자성 광물을 포함하고 있다. 따라서 특정한 암석의 자기적 성질은 매우 다양하며, 같은 암상의 암석이라고 할지라도 반드시 똑같은 자기적 성질을 갖지는 않는다. 자화율은 암석 연구에 있어 유용한 변수인데, 이는 외부 자기장 내에서 자화되려고 하는 물질의 경향으로 정의된다. 철과 같은 강자성 물질은 큰 자화율을 가진다. 암석들이나 광물들은 외부에 작용하던 자기장이 제거된 이후에도 계속해서 약한 자성을 띠는 영구적으로 약한 자석이 된다. 잔류자기라고 하는 이러한 성질은 화학조성·압력·온도의 변화 등 다양한 조건의 변화에 의해 발생하기도 한다. 암석자기에 관한 연구는 많은 분야에서 중요하다. 지하에 매몰되어 있는 자화된 암석의 깊이·크기·종류·조성을 지도에 기재할 경우에는 원유, 천연 가스, 경제성 있는 광상의 위치를 알아낼 수 있다. 지질조사는 특정한 암석이 형성될 당시의 지구자기장에 관한 특성을 알아내기 위해 실시한다. 따라서 이 작업으로 과거 지각운동에 관한 증거를 알아낼 수 있다.

5. 외형(육안)으로 구별
1. 화강암 : 화강암은 화산활동으로 만들어진 물질에는 물 , 연기, 재, 그리고 녹아 있는 물질 등이 있다.
2. 섬록암 : 섬록암의 주성분광물은 사장석과 각섬석이고 간혹 흑운모와 휘석을 포함하며 석영과 정장석을 포함하며 색이 짙으며 고철질 광물로서는 녹색의 각섬석이 가장 일반적이지만 갈색의 흑운모나 담녹색의 보통휘석 또는 사방휘석인 경우도 있다.
3. 반려암 : 조립질 내지 세립질의 완정질이고 등립질인 심성암으로서 주성분 광물은 Ca-사장석 및 휘석 각 50% 정도씩이다.
녹흑색, 암흑색의 유색광물 중에 담회색의 사장석이 섞여 있는 암주, 저반 , 암맥으로 나타난다.
4. 화강편마암 : 전국의 약 30%정도를 차지하며 화성암과 퇴적암이 오랜 세월 동안 풍화작용, 지각변동 등 중압과 열에 의해 편마암으로 된 암석으로서 강원도, 경상도 등 소백산맥 줄기를 타고 주로 분포되어 있다.
5. 안산암 : 안산암은 일반적으로 반상조직이며, 반정을 이루는 큰 사장석이나 고철질 광물은 육안 식별이 가능하며 석기 부분은 결정질인 경우가 많으나만, 유리질인 경우도 있다. 각섬석(흑운모)안산암는 외관상 조면암과 비슷하며, 장석을 많이 포함한다. 각섬석이나 흑운모의 결정 표면에는 마그마와의 반응으로 흑색의 불투명한 미세 결정이 생기는 경우가 많다. 석영안산암은 안산암으로는 가장 산성이며 유문암에 가까운데, 유문암보다는 나트륨(사장석)이 많고 칼륨(칼륨장석)이 적다.
6. 현무암 : 현무암은 대개 암회색 내지 흑색을 띤 세립질의 화산암으로, 화산에서 분출되는 용암 중에서 가장 많은 양을 차지한다. 현무암은 암석 겉 표면에 불규칙한 빈 틈이 있는 다공질 구조를 많이 보이는데, 이는 마그마가 분출되면서 그 속에 함유된 휘발성 성분이 빠져 나간 흔적이다.
7. 퇴적암 : 퇴적암은 화성암과 같이 기존 암석이 부서지면서 풍화작용에 의하여 지상에서 부식 및 침식된 물질이나, 생물들의 유해 등이 퇴적분지에 쌓여서 열과 압력등의 작용을 통하여 오랜 세월 동안 굳어져서 생성된 암석이다
8. 사암 : 사암의 흙색의 진흙가루로 형성되어 있으며 무연탄을 내는 지층으로 사립의 지름은 1/16∼2mm이며, 일반적으로 석영,장석,운모,각섬석 등의 광물 및 암석편으로 이루어져 있으며 구성성분 및 조직은 공급지의 지질, 운반매질, 광물 및 조직의 성숙도, 조구운동, 퇴적방식,기후,풍화작용, 속성작용 등에 의해 입경을 가지게 된다.
9. 역암 : 역암은 유수나 빙하 등에 의해서 생성되는 것과, 화산활동과 더불어 생긴 것등이 있으며 자갈이 주요 구성물이며 그 사이를 모래,진흙,탄산칼슘 등의 교결물질이 메우는 퇴적암 이다.
10. 응회암 : 응회암은 화산재가 퇴적,고결하여 형성된 화산쇄설암으로 유리질 응회암,결정응회암, 석질응회암, 응회집괴암, 부석응회암으로 분류한다. 전체의 75 % 이상이 유리파편으로 된 암석을 응회암을 유리질응회암이라 하고 응회암이 주로 마그마에 연유한 결정으로 되어 있는 것은 결정응회암, 기존암석의 파편이 위주가 되어 있는 것은 석질응회암, 화산탄을 함유한 응회암은 응회집괴암, 부석이나 암재가 굳어서 된 암석은 각각 부석응회암 암재응회암, 응회암의 일종인 용결응회암은 화산재·부석·암재가 고온인 채로 두껍게 퇴적하여, 하중으로 인한 압축으로 암편이 서로 용결하여 생긴 것 용암과 오인되는 경우가 있다. 구성물질의 50∼75%가 유리이고 나머지가 결정이면 유리질결정응회암이라 한다.
11. 이암 : 이암은 일반적으로 실트와 점토를 주성분으로 하는 불규칙한 혼합물
12. 결정 편마암 : 퇴적암이 변성하여 이루어진 암석
13. 석회암, 규암 : 석회암, 규암, 점판암은 석회성분을 가지고 있으며 삼척, 문경 등에 약8%가 분포되어있다.
14. 반암 : 반암은 일반적으로 산성의 화성암을 가리키며, 화강반암, 석영반암 등과 같이 광물명이나 암석 명칭을 앞에 붙여서 부르며 화성암의 일종으로 문경, 목포 사이에 3.7%가 형성된 것으로서 형석, 아연, 금, 은, 동이 함유되어 있다.
15. 대리암 : 석회암이나 백운석과 변성작용을 받아 재결정된 암석을 대리석이라고도 한다. 석회암과 돌로마이트가 접촉변성작용이나 광역변성작용을 받으면, 재결정되어 조립의 방해석 결정으로 조성된 암석으로 변한다.
16. 사문암 : 사문암은 감람암 또는 두나이트 등의 마그네슘이 풍부한 초염기성암이 열수용액에 의한 교체작용을 받거나 초생변질이나 변성작용을 받아 변화하여 생성된 것이다.

* 식별 가능 성질이 아닌 것
부피, 질량 무게 등으로는 식별 불가능함.

실험

<실험 1>
1) 준비물
    1. 석재(화강암이나 대리석) 2조각
    2. 목재(종류는 조사에 따라 달라질 수 있음.) 2조각
    3. 식초
    4. 물
    5. ph 시험지
    6. 비커 4개

2) 실험과정
    1. 식초를 물에 넣어 실제 산성비의 ph인 5정도로 맞춘다.(물은 7)
    2. 현미경으로 각 석재와 목재의 표면을 관찰하고, 사진으로 찍는다.
    3. 준비한 석재와 목재를 각 비커에 넣는다.
    4. 준비한 석재와 목재 각 1개는 공기 중에 두고, 나머지 1개는 지속적으로 산성비에 노출되도록 장치를 설치한다.
    ex) 24~72시간 동안 미리 만들어놓은 용액이 표면에 계속 닿도록 장치를 설치한다.)
    5. 박테리아나 미생물에 의한 추가 손상을 막기 위해 배수구를 반드시 설치하도록 한다.
    6. 예정된 시간(1~3일)이 지난 후 석재와 목재들의 표면을 다시 현미경으로 관찰한다.
    7. 실험 전후 표면의 상태를 비교한다.