1. 개요
산화수(酸化數, oxidation number)는 화학에서 산화·환원 반응을 설명하기 위해 도입되는 개념으로, 물질 속 원자에 걸리는 상대적 전하량을 나타내는 수치이다. 복잡한 반응에서 산화제와 환원제를 판단할 때 유용하게 사용된다.이온 결합에서는 전자의 이동이 분명하지만 공유 결합에서는 그렇지 않으므로, 공유 결합에서는 전기 음성도가 큰 원자가 공유 전자쌍을 완전히 차지한다고 가정하고 산화수를 구한다. 예컨대 H2O의 경우, 전기음성도가 큰 산소원자가 공유 전자쌍을 독차지한다고 가정하면 2[H+][O2-]가 되며, 따라서 수소의 산화수는 +1, 산소의 산화수는 -2이다.
그러나 실제 화학결합에서 전기 음성도가 큰 원자가 전자쌍을 완전히 차지하는 것은 아니므로 산화수는 어디까지나 가상의 수치이다. 이 허점을 보완하기 위해 산화수에 여러 규칙이 존재한다.
2. 규칙
산화수 결정에는 기본 규칙과 보조 규칙이 사용된다. 아래의 4개 기본 규칙은 절대적으로 성립하므로 보조 규칙보다 우선하여 적용한다.- 기본 규칙
- 홑원소 물질을 구성하는 원자의 산화수는 0이다.
- 단원자 이온의 산화수는 이온의 전하와 같다.
- 다원자 이온의 각 원자의 산화수의 합은 다원자 이온의 전하와 같다.
- 화합물을 구성하는 모든 원자의 산화수의 합은 0이다.
e.g. C, Cl2, P4에서 각 원자의 산화수는 모두 0이다.
e.g. Na+, Cl-, Mg2+, O2-의 산화수는 각각 +1, -1, +2, -2이다.
e.g. OH-에서 (O의 산화수) + (H의 산화수) = (이온의 전하) ((-2)+(+1)=(-1))이다.
e.g. H2O에서 (H의 산화수) × 2 + (O의 산화수) × 1 = 0 ((+1)×2+(-2)×1=0)이다.
다음으로, 아래의 보조 규칙은 화합물에서 자주 나오는 원소의 산화수를 결정할 때 알아 두면 편리하다. 규칙끼리 상충되는 경우 우선 순위가 높은 규칙부터 따르는데, A, B, C 순으로 우선 순위가 높다.
- 보조 규칙
- 화합물에서,
- 알칼리 금속(1족 금속 원자)의 산화수는 +1이다.
- 알칼리 토금속(2족 금속 원자)의 산화수는 +2이다.
- Al의 산화수는 +3이다.
- F의 산화수는 -1이다.[1] 물론, 위의 기본 규칙을 고려하면 F2에서의 경우 0이다. 이는 아래의 H와 O에 대해서도 마찬가지이다.
- 화합물에서 H의 산화수는 +1이다. 단, 금속의 수소 화합물에서는 -1이다.[2]
- 화합물에서 O의 산화수는 -2이다. 단, F와 결합할 때에는 +2이다.[3] 또한 과산화물에서는 -1이다.[4]
3. 활용법
어떤 원자나 이온이 전자를 잃으면(산화) 산화수가 증가하고, 전자를 얻으면(환원) 산화수가 감소한다. 따라서 화학 반응식에서 반응 전과 후의 산화수를 비교하여 특정 원소가 산화됐는지 환원됐는지, 산화제로 작용했는지 환원제로 작용했는지 따질 수 있다.실제로 산화수를 이용해서 산화제와 환원제를 파악해 보자. 아래의 반응은 굳이 산화수를 계산하지 않고도 파악할 수 있지만, 어디까지나 예시이므로 계산해 보기로 한다.
- Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
- Fe: +3 → 0
- O: -2 → -2
- C: 0 → +2
4. 화학Ⅰ에서
산화수는 산화·환원 반응을 파악할 때 중요한 역할을 한다. 아래 선지를 예로 들어 보자.- 이 반응식은 산화·환원 반응식이다.
☞ 반응 전과 후에 원자 1개라도 산화수의 변화가 있으면 산화·환원 반응식이며, 그렇지 않다면 산화·환원 반응식이 아니다.[5] - 이 화합물은 산화되었다. (= 이 화합물은 환원제이다.)
☞ 역시 산화수의 변화를 통해 파악한다. 화합물을 이루는 원자 각각이 산화수가 바뀌었는지 확인한 뒤, 바뀐 산화수의 합으로 산화·환원을 판단한다.