산화-환원(redox, 酸化還元), 전자의 이동, 산화수와 산화상태

산화환원은 전자의 이동에 의해 일어나는 화학반응을 말합니다. 산화는 물질이 전자를 잃는 반응이고, 환원은 물질이 전자를 얻는 반응입니다. 산화환원 반응은 항상 동시에 일어납니다. 산화된 물질은 산화제로 작용하고, 환원된 물질은 환원제로 작용합니다.

 

생명체에서 일어나는 모든 화학반응의 기초라고 할 수 있는 산화환원 반응은 우리와 밀접한 관계를 가지고 있습니다. 

 

산화환원 반응은 생명체에서 일어나는 모든 화학반응의 기초입니다. 예를 들어, 호흡은 포도당이 산소와 결합하여 이산화탄소와 물을 생성하는 반응으로, 산화환원 반응의 한 예입니다.

 

★ 이온결합 화합물의 실험식(화학식) 작성 방법

 

1. 산화-환원(Redox, Oxidation reduction) 반응

    ① 물질이 전자를 잃거나 얻는 반응을 말합니다. 즉, 전자의 이동 반응으로, 산화-환원 반응의 동시성을 말합니다.

구분	O(산소)의 이동	H(수소)의 이동
산화	물질이 산소를 얻는 것	물질이 수소를 잃는 것
환원	물질이 산소를 잃는 것	물질이 수소를 얻는 것

 

    ② 산화환원 반응의 예

         - 철이 녹이스는 반응

           철은 산소와 결합하여 산화철이 됩니다. 이 반응에서 철은 전자를 잃어 산화되고, 산소는 전자를 얻어 환원됩니다.

           $4Fe + 3O_2 → 2Fe_2O_3$

 

         - 수소가 염소와 결합하여 염화수소를 생성하는 반응

           수소와 염소는 결합하여 염화수소를 생성합니다. 이 반응에서 수소는 전자를 잃어 산화되고, 염소는 전자를 얻어 환원됩니다.

           $H + Cl → HCl$

 

         - 식물의 광합성 반응

           식물은 광합성 반응을 통해 이산화탄소와 물을 사용하여 포도당과 산소를 생성합니다. 이 반응에서 이산화탄소는 산소와 결합하여 포도당이 되고, 물은 광에너지를 사용하여 산소로 분해됩니다.

           $6CO_2 + 6H_2O → C_6H_12O_6 + 6O_2$

 

         - 산화환원 반응의 응용

           산화환원 반응은 다양한 분야에서 응용되고 있습니다. 예를 들어, 다음과 같은 분야에서 사용됩니다.

            ㉠ 화학 : 화합물의 제조, 분석, 전지, 배터리

            ㉡ 산업 : 염료, 비료, 세제, 식품 보존

            ㉢ 의료 : 약물, 의료 기기

            ㉣ 환경 : 에너지 저장, 환경오염 방지

 

 

 

2. 산화(Oxidation)와 환원(Reduction)

    1) 산화(Oxidation)

        산소와 반응하여 산화물을 형성하는 반응을 말합니다. 즉, 물질(원자, 이온, 분자 등)이 전자를 잃는 것입니다.

        예) $Mg$ → $Mg^2$$^+$ + $2e^-$

               ㆍ산화된 물질의 산화수는 증가합니다. 위 예에서 $Mg$의 산화수는 0 → +2로 증가하였습니다.

              $Sn^2$$^+$ → $Sn^4$$^+$ + $2e^-$

 

    2) 환원(Reduction)

        금속산화물인 금속 광석을 가열할 때 발생하는 질량의 손실이 일어나는 것을 말합니다. 즉, 물질(원자, 이온, 분자 등)이 전자를 얻는 것입니다.

       예) $Cu^2$$^+$ + $2e^-$ → $Cu$

             ㆍ환원된 물질은 산화수가 감소합니다. 위 예에서 $Cu$의 산화수는 +2 → 0으로 감소하였습니다.

             $Cl_2$ + $2e^-$ → $2Cl^-$

산화제 및 환원제

 

 

 

3. 산화수(Oxidation Number)와 산화상태(Oxidation State)

    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.

 

    1) 산화수를 정하는 규칙

         ① 홑원소를 구성하는 원자의 산화수는 0입니다.

              예) $C, O_2, H_2, Fe$ 등의 산화수는 0입니다.

 

         ② 이온 원자의 산화수는 이온의 전하와 동일합니다.

              예) $Na^+$, $Cl^-$, $O^2$$^-$ 등의 산화수는 각각 +1, -1, -2입니다.

 

         ③ 다원자 이온에서 각 원자의 산화수의 합은 다원자 이온의 전하와 동일합니다.

              예) $NH_4^+$, $SO_4^2$$^-$, $NO_3$$^-$ 등의 다원자 이온에서 각 원자의 산화수를 구하려면, 전하가 +1, -2, -1이 되도록 산화수를 배분해야 합니다.

 

         ④ 화합물에서 각 원자의 산화수의 합은 0입니다.

              예) $H_2O, CO_2, CH_4$ 등의 화합물에서 각 원자의 산화수를 구하려면, 총합이 0이 되도록 산화수를 배분해야 합니다.

 

         ⑤ 산화수를 구할 때는 일정한 규칙을 따라야 합니다.

               예) 1족 원소의 산화수는 +1, 2족 원소의 산화수는 +2, $F$의 산화수는 -1, $O$의 산화수는 -2, $H$의 산화수는 +1 또는 -1 등의 규칙이 있습니다.

산화수		예시
원소에 있는 원자는 0	원소 : 0	$Na, O_2, O_3, Hg$
단원자 이온은 그 이온의 전화와 같다	단원자 이온 : 이온의 전하	$Na^+$, $Cl^-$
화합물에 있는 F : 보통 -1	F : -1	$HF, PF_3$
화홥물에 있는 산소 : 보통 -2  - 예외 사항    $O_2^2$$^-$를 포함하는 과산화물에 있는 산소 : -1	산소 : -2	$H_2O, CO_2$
공유결합에 있는 수소 : +1	수소 : +1	$H_2O, HCl, NH_3$

 

    2) 산화물질과 환원물질 확인 방법

        산화-환원 반응식에 나오는 각 물질의 산화수를 구할 수 있다면 산화물질과 환원물질을 쉽게 구분할 수 있게 된다. 즉, 반응 전과 반응 후에 변화된 산화수의 증감을 통해 확인할 수 있다.

 

        ① 산화된 물질

             - 산화수가 증가한 원자를 포함한 물질 : 산화된 물질(=환원제)

             ㆍ+2 → +3, 0 → +1, -1 → 0

 

        ② 환원된 물질

             - 산화수가 감소한 원자를 포함한 물질 : 환원된 물질(=산화제)

             ㆍ+3 → +2, +1 → 0, 0 → -1

 

    3) 산화수 계산 방법 1

         지금까지 산화수 규칙과 산화물질과 환원물질의 확인하는 방법까지 확인했습니다. 이제 산화수의 계산방법을 통해 산화물질과 환원물질을 구분해 내는 공부를 하겠습니다. 반응식에서 어떤 물질이 산화반응을 일으켰고, 어떤 물질이 환원반응을 일으켰는지 알 수 있게 됩니다. 즉, 산화수가 증가하면 산화반응이 일어난 것이고, 산화수가 감소한다면 환원반응이 일어난 것이라고 보시면 됩니다.

 

         ① $H_2O$

              원자의 산화수는 이온의 전하와 동일하므로 $O$의 산화수는 -2가 됩니다. 이 때, $H$의 산화수는 +1이 되어야 총합이 0이 됩니다. [2 × (+1) + 1 × (-2) = 0]

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         ② $Fe_2O_3$

              $O$의 산화수는 -2가 되고, $Fe$의 산화수는 +3이 되면 총합이 0이 됩니다. [2 × (+3) + 3 × (-2) = 0]

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         ③ $KMnO_4$

               $K, Mn, O_4$ 셋으로 각각 나누어 생각하면 됩니다. $O$의 산화수 -2, $K$의 산화수 +1입니다. 그러므로 남은 $Mn$의 산화수는 +7이 됩니다. 이 부분은 난해할 수 있지만 조금만 생각해 보면 아주 간단합니다. $K$은 1족으로 +1, $O$는 6족으로 -2가 됩니다. 이렇게 해두고 계산을 해보면 [$K$ = 1 × (+1) + $Mn$ + $O$ = 4 × (-2) = 0] 그러므로 $Mn$ = 7이 됩니다.

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         ④ $NH_4^+$

              $H$의 산화수는 +1입니다. 하지만 +1의 이온이기에 원자의 산화수 총합은 암모늄 이온의 전하값인 +1이어야 합니다. 그러므로 $N$의 산화수는 -3이 됩니다.

              - 다원자 이온에서 각 원자의 산화수의 총합은 이온의 전하와 같다.

              예1) $CO_3^2$$^-$ : $C$ (+4) + $O$ (-2) × 3 = -2

              예2) $NO_3^-$ : $N$ (+5) + $O$ (-2) × 3 = -1

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         ⑤ $NO_3^-$

               $O$의 산화수는 -2입니다. 산화수 총합이 -1이 되어야 하므로 $N$의 산화수는 +5가 됩니다.

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         ⑥ $SO_2$

               $O$의 산화수는 -2이므로 $S$의 산화수는 +4가 됩니다.

 

    4) 산화수 계산방법 2

         ① $Fe_2O_3 + 3C → 2Fe + 3CO$

               ㉠ 반응 전

                    $C$는 홑원소로서 산화수는 0이 됩니다. $O$의 산화수는 -2이므로 $Fe$는 +3의 산화수를 갖게 됩니다.

               ㉡ 반응 후

                    $Fe$은 홑원소로서 산화수가 0이 됩니다. 그러므로 $O$의 산화수는 -2, $C$의 산화수는 +2가 됩니다.

               ㉢ 산화·환원 물질 확인

                    $Fe$ 산화수 감소, $C$ 산화수 증가 이므로 $Fe_2O_3$는 환원반응, $C$는 산화반응을 하게 됩니다.

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         ② $Zn + CuSO_4 → ZnSO_4 + Cu$

               ㉠ 반응 전

                    홑원소인 $Zn$의 산화수는 0이 됩니다. $O$ 산화수 -2, $Cu$ 산화수 +2이므로 $S$의 산화수는 -6이 됩니다.

               ㉡ 반응 후

                    $Zn$의 산화수가 +2로 증가하였고, $O$의 산화수는 그대로 -2이므로 $S$의 산화수는 -6입니다. $Cu$의 산화수는 0이 되었습니다.

               ㉢ 산화·환원 물질 확인

                     $Zn$ 산화수 증가, $Cu$ 산화수 감소 이므로 $Zn$은 산화반응, $CuSO_4$는 환원반응을 하게 됩니다.

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         ③ $CO + H_2O → CO_2 + H_2$

               ㉠ 반응 전

                    $CO$와 $H_2O$에서 $O$의 산화수는 모두 -2입니다.그러므로 $C$의 산화수는 +2, $H$의 산화수는 +1이 됩니다.

               ㉡ 반응 후

                    $C$ 산화수 +4로 증가, $H$의 산화수 0으로 감소했습니다.

               ㉢ 산화·환원 물질 확인

                    $C$는 산화수 증가, $H$는 산화수 감소했으므로 $CO$는 산화반응, $H_2O$는 환원반응을 하게 됩니다.

 

이번 시간에는 산화-환원(redox, 酸化還元)과 전자의 이동 그리고 산화수에 대해 말씀드렸습니다. 산화수 규칙과 산화수 계산방법 등은 조금만 신경 쓰면 어렵지 않게 공부할 수 있습니다. 오늘 배운 내용을 잘 숙지해 두시면 이온 및 화합물의 계산과 반응식의 계산도 어렵지 않게 풀 수 있게 됩니다. 여러분의 건승을 기원합니다.