산화수를 구하는 규칙과 산화수 계산 방법

산화수를 다른 말로 산화 상태라고도 합니다. 산화수는 하나의 물질 내에서 전자의 교환이 일어났다고 가정했을 때 물질을 이루는 특정 원자가 갖게 되는 전하수를 말합니다. 특히 공유 결합 화합물의 산화-환원 반응에서 전자 이동을 알아낼 수 있는 방법을 제공합니다. 즉, 원자 사이에 주고받은 전자 수 또는 원자가 얻거나 잃은 전자 수를 산화수라고 합니다.
 
이번 시간에는 화학식 작성에서 필수라고 할 수 있는 산화수를 구하는 규칙(Rule)과 산화수의 다양한 계산 방법에 대해 말씀드리겠습니다.
 
오늘 배우는 산화수를 구하는 규칙과 산화수 계산 방법은 이온결합 화합물의 실험식(화학식)과 같이 보면 이해도를 더욱 높일 수 있습니다. 반드시 확인해 보세요.

 
★ 이온결합 화합물의 실험식(화학식) 작성 방법
 
 
 
1. 원소에서 산화수를 구하는 규칙

    1) 원소의 산화수 = 0
        동위원소($H_2, O_2$..)와 금속물질($Na, Cu$)에서 각 원자의 산화수는 0입니다.
         ① $H_2$ 분자에서, $H$의 산화수 = 0
         ② $O_2$ (산소), $O_3$(오존)에서, $O$의 산화수 = 0
         ③ 마그네슘 금속, $Mg$에서, $Mg$의 산화수 = 0
 
    2) 단원자 이온의 산화수 = 이온 전하
        단원자 이온의 산화수는 이온의 전하와 같습니다.
         ① $Cu^2$$^+$ 이온에서 $Cu$의 산화수 = +2
         ② $Na^+$ 이온에서 $Na$의 산화수 = +1
          ③ $Al^3$$^+$ 이온에서, $Al$의 산화수 = +3
         ④ $K^+$ 이온에서, $K$의 산화수 = +1
         ⑤ $S^2$$^-$ 이온에서, $S$의 산화수 = -2

 
 

 
2. 화합물에서 산화수를 구하는 규칙

1족 산화수 : +1	2족 산화수 : +2	7족 산화수 : -1
$Li$	$Be$	$F$
$Na$	$Mg$
$K$	$Ca$
$Rb$	$Sr$
$Cs$	$Ba$
$Fr$	$Ra$

 

    - 아래 내용 중 폐급 No-1 ~ 3은 공식적 용어는 아님을 밝힙니다. 여러분의 이해도를 높이고 설명을 원활히 하기 위해 지어진 용어입니다. 착오 없으시기 바랍니다.

 
    1) 폐급 No-1 이기주의 원소의 산화수 
        폐급 No-1 이기주의 원소는 무조건 산화수를 자기에게 가장 먼저 할당해 주기를 강력히 원합니다. 따라서 산화수를 구할 때는 아래의 규칙에 따라야 합니다. 예를 들면 1족 원소의 산화수는 +1, 2족 원소의 산화수는 +2, F의 산화수는 -1, O의 산화수는 -2, H의 산화수는 +1 또는 -1 등의 규칙을 말합니다.
 
화합물 또는 다원자 이온에서, 이들 폐급 No-1 이기주의 원자는 그 어떤 원자보다 우선적으로 각자의 산화수 값을 갖게 됩니다.
 
          ① 알칼리 금속(1족)의 산화수 = +1
          ② 알칼리 토금속(2족)의 산화수 = +2
          ③ 할로겐족 원소인 F의 산화수 = –1
 
          예1) $OF_2$에서, $F$의 산화수 = -1, 따라서 $O$의 산화수 = +2
          예2) $Ca_3(PO_4)_2$에서 $Ca$의 산화수 = +2, O의 산화수 = -2, 따라서 $P$의 산화수 = +5           
 
    2) 폐급 No-2 $H$의 산화수 = +1
         - 아래의 경우는 예외로 적용됩니다.
            ㆍ금속과의 결합(금속화합물)에서는 -1입니다. (일부 붕소 포함)
                  예) $NaH, MgH_2$는 $H$ 의 산화수 = -1
 
    3) 폐급 No-3 $O$의 산화수 = -2
         ① $O$의 산화수는 -2입니다. 전기음성도가 $F$ 다음으로 크기 때문입니다.
         ② 아래의 경우는 예외로 적용됩니다.
               폐급 No-2 $H$와 폐급 No-3 $O$는 $NaH$, $H_2O_2$에서처럼 자신보다 우선순위에 있는 원자와
단 두 종류끼리만 있을 경우에 한해, 산화수가 변하게 됩니다.
            - $H_2O_2$에서 -1, $O_2F_2$에서 +1, $OF_2$에서 +2, $O_2$에서 0
                  ㉠ $H_2O_2$에서 $O$의 산화수 = –1,  $H$가 $O$보다 우선순위에 있기 때문입니다.
                  ㉡ $O_2F_2$에서  $O$의 산화수 = +1, $F$가 폐급 No-1 원소이기 때문입니다.
                  ㉢ $OF_2$에서 $O$의 산화수 = +2, $F$가 폐급 No-1 원소이므로 -1의 산화수를 먼저 할당받기에 산소는 -2가 아닌 +2의 산화수를 갖게 됩니다.
 
★ 참고 _ 전기음성도ㆍ금속의 이온화 경향ㆍ금속과 비금속의 양쪽성 원소
 
 
 
3. 다원자 이온의 산화수를 구하는 규칙
     - 다원자 이온에서 각 원자의 산화수의 총합은 이온의 전하와 같습니다. 기본식은 다음과 같습니다.
        ㉠ 양전하 + 음전하 = 0
        ㉡ (양이온의 개수 × 양이온의 전하) + (음이온의 개수 × 음이온의 전하) = 0
 
       문1) $SO_4^2$$^-$에서 $S$의 산화수를 구하세요.
                 - 다원자 이온에서 각 원자의 산화수의 총합은 이온의 전하와 같으므로 기본식은 양전하 + 음전하 = -2가 됩니다. 이 기본식에 따르면 S + 4 × (–2) = –2 되므로 S의 산화수는 +6이 됩니다.
 
       문2) $CO_3^2$$^-$에서 $C$의 산화수는 어떻게 될까요?
                 - C + 3 × (-2) = -2, C의 산화수 = +4
 
       문3) $NO^3$$^-$에서 $N$의 산화수는 어떻게 될까요?
                 - N + 3 × (-2) = -1, N의 산화수 = +5
 
       문4) $MnO^2$$^-$에서 $Mn$의 산화수를 구하시오?
                - Mn + 2 × (-2) = -1, Mn의 산화수 = +3
 
 
  
4. 중성화합물(분자)에서의 산화수를 구하는 규칙
     - 화합물을 이루는 각 원자의 산화수의 합은 0입니다. 즉, 각 원자의 산화수의 합 = 0입니다.
 
       문1) $SO_2$에서 $S$의 산화수를 구하시오?
                ㉠ 산화수를 구하는 규칙에서 폐급 원소가 있는지 확인합니다. 폐급 No-3에 해당하는 O가 있으므로 여기에 산화수 -2를 먼저 배당해 주면 아래와 같이 계산됩니다.
                ㉡ $SO_2$에서, $O$는 2×(–2)이므로, $S$ S의 산화수 = +4가 됩니다.
 
       문2) $KMnO_4$에서 $Mn$의 산화수를 구하시오?
                ㉠ 폐급 No-1 ~ 폐급 No-3에 해당하는 원소가 K과 O가 있습니다. 화합물에서 산화수를 구하는 규칙에 따라 K = +1, O = -2의 산화수를 배당해 줍니다.
                ㉡ 1 × (+1) + Mn + 4 × (-2) = 0   ∴ Mn = +7

 

    ★화합물에서 산화수 예시

분자	원소 산화수	원소 산화수	원소 산화수
$SO_2$	O = -2	S = +4
$SO_4^2$$^-$	O = -2	S = +6
$NH_4^+$	H = +1	N = -3
$NO_2^-$	O = -2	N = +3
$NO_3^-$	O = -2	N = +5
$OF_2$	F = -1	O = +2
$KMnO_4$	K = +1	O = -2	Mn = +7
$H_2O_2$	H = +1	O = -1
$H_2O$	H = +1	O = -2

 

★참고 _ 전기음성도 및 금속의 이온화경향 알아보기
 
 
5. 산화수를 구하는 방법 중 우선순위 알아보기
     - 지금까지 상황별로 산화수 구하는 규칙에 대해 알아보았습니다. 이 부분은 암기 영역입니다. 반드시 암기 바랍니다. 산화수 구하는 규칙에서 화합물 또는 다원자 이온에서 각 원자의 산화수를 구하는 순서 즉 우선순위에 대해 다시 한번 확인해 보도록 하겠습니다.
 
   첫째, 폐급 No-1 이기주의 원소의 산화수를 할당해 줍니다.
    둘째, 폐급 No-2 이기주의 원소의 산화수를 할당해 줍니다.
    셋째, 폐급 No-3 이기주의 원소의 산화수를 할당해 줍니다.
    넷째, 폐급 No-1 ~ No3에 직접적으로 해당하는 원소가 없고 이웃하는 즉 같은 족에 있는  원소가 있다면, 이들 원소의 산화수를 우선 할당해주어야 합니다.
    다섯째, 위에 언급되지 않은 부분은 ① 원소에서 산화수를 규하는 규칙 ② 다원자 이온과 중성화합물에서의 산화수 구하는 규칙에 따라 산화수를 할당해 주면 됩니다.
    여섯째, 변하지 않고 언제나 같은 예외가 있을 수 없는 절대 산화수를 기억해야 합니다.
                   ① 알칼리금속, 즉 1족 원소로써, 항상 +1의 산화수를 갖습니다.
                   ② 알칼리토금속, 즉 2족 원소로써, 항상 +2의 산화수를 갖습니다.
                   ③ 할로겐족인 F는 항상 –1의 산화수를 갖습니다.
                          - 나머지 할로겐족 원소는 –1, +1, +3, +5, +7의 산화수를 가질 수 있음에 유의하시길 바랍니다.
    일곱째,  절대 산화수에 버금가는 준절대 산화수를 기억하세요.
                   ① $H$는 대부분 +1의 산화수를 갖습니다.
                         - 단, $NaH$에서처럼, 폐급 No-1인 $Na$의 산화수 = +1 이므로, $H$의 산화수 = –1이 됩니다.
                   ② $O$는 대부분 –2의 산화수를 갖습니다.
                         - 단, $H_2O_2$에서처럼, 폐급 No-2인 $H$의 산화수 = +1 이므로, $O$의 산화수 = –1이 됩니다.
 
 
6. 복잡한 분자의 산화수를 구하는 연습문제
 
    1) $MnO_4^-$
         - O를 기준으로 계산하면 됩니다.
 
    2) $NO, NO2, N2O, NO3^-$
         - O를 기준으로 계산하면 됩니다.
         - 탄소화합물의 경우도 O(-2)와 H(+1)을 기준으로, C의 산화수를 구하면 된답니다.
 
     3) $Ag_2S, H_2S$
         - $Ag_2S$ 와 같이, 모든 원자의 산화수를 모를 땐, 전기음성도가 큰 원소를 기준으로 구하면 됩니다.
 
    4) $F - C ≡ N$
         - 전기음성도를 비교하면 C는 공유전자쌍을, F에 1개, N에 3개를 내어주는 것을 알 수 있습니다.
         - 그러므로 F의 산화수 : -1, N의 산화수 : -3, C의 산화수 : +4
 
    5) $H - N = O$
         - 전기음성도를 비교해 보면 N는 H에서 전자를 1개 가져오고, O에게 전자 2개 내어줍니다.
         - 그러므로 N의 산화수 : +1, O의 산화수 : -2, H의 산화수 : +1
 
    6) $C_6H_1$$_2$$O_6$(포도당)
         - 어려워 마시고 산화수 규칙만 적용하면 됩니다. 즉, H의 산화수 +1, O의 산화수 -2
         - H = 12 x (+1) + O = 6 × (-2) + C = 0, C의 산화수 = 0
 
 
지금까지 산화수를  구하는 규칙과 산화수 계산 방법에 대해 알아보았습니다. 제목이 그래서 그렇지 규칙만 알고 있으면 어렵지 않습니다. 산화수를 구하는 규칙은 반드시 암기해 두세요. 위험물의 화학반응식에 많이 이용되고 있기 때문입니다.