1. 개요
酸化還元反應Reduction-oxidation reaction / Redox reaction / Oxidation-reduction reaction
반응 중 한 개 이상의 전자가 이동하는 반응을 산화·환원 반응이라 한다. 예를 들면 [math(\rm2Na(s) + Cl_2(g) \rightarrow 2NaCl(s))]에서 반응 전후 [math(\rm Na)]의 산화수는 [math(0)]에서 [math(+1)]로 증가하고(전자를 잃음) [math(\rm Cl)]의 산화수는 [math(0)]에서 [math(-1)]로 감소한다(전자를 얻는 것을 뜻한다). 영어로 표현하면 Oxidation is losing electron, Reduction is Gaining electron. 이를 용해서 영미권 국가에서 화학을 배울때 산화 환원 반응을 Oil Rig라고 외운다.
2. 산화수 규칙
화합물의 구조를 자세히 고려하지 않고 일정한 규칙, 즉 산화수 규칙에 따라 각 원자의 대략적인 산화 상태를 알 수 있다. 애매하면 루이스 전자점식를 그려서 전기음성도가 큰 원소에 전자를 몰아주고 각 원소의 전하를 따져야 한다. 쉽게 생각하면 전기음성도가 높은 쪽의 산화수가 마이너스이다.1. 홑원소 물질을 구성하는 원자의 산화수는 [math(0)]이다. [1]
2. 일원자 이온의 산화수는 그 이온의 전하와 같다. [2]
3. 수소 화합물에서 [math(\rm H)]의 산화수는 대부분 [math(+1)]이다. [3]
4. 산소 화합물에서 [math(\rm O)]의 산화수는 대부분 [math(-2)]이다. [4]
5. 17족 원소, 즉 할로젠 원소 원자의 산화수는 산화물 이외에서 대부분 [math(-1)]이다.
6. 1족 금속, 즉 알칼리 금속의 산화수는 대부분 [math(+1)]이다.
7. 화합물 또는 다원자 이온을 구성하는 각 원자의 산화수를 모두 더하면 전체 전하량과 같다.
또한 한 원자가 가지는 산화수의 절댓값의 최댓값은 그 원자의 원자가전자수와 같다.
3. 산화-환원 반응에서 전자의 이동
산화-환원 반응의 중요한 특징은 산화와 환원의 정의에서도 알 수 있듯이 바로 전자의 이동이다. 따라서 이동한 전자 수를 제대로 계산해야 산화-환원 반응의 균형 맞추기와 양론 계산을 정확히 할 수 있다. 이동한 전자 수는 한 종류의 원자를 기준으로 산화수 차이에 그 원자의 수를 곱한 것과 같다. 예를 들어 다음과 같은 프로페인(propane)의 연소[5]반응[math(\rm C_3H_8(g) + 5O_2(g) \rightarrow 3CO_2(g) + 4H_2O(l))]
에서 [math(\rm C)]의 산화수는 [math(-\dfrac83)]에서 [math(+4)]로 증가하므로 프로페인은 산화되고, 잃은 전자의 수는 [math(\rm{\left\{+4-{\left(-\dfrac83\right)}\right\}}e^-\times3 = 20e^-)]이다. 환원 반응에서도 이동한 전자 수는 같아야 하므로 산소로 검산해보면 [math(\rm O)]의 산화수는 [math(0)]에서 [math(-2)]으로 감소하므로 산소 기체는 환원되고 이때 얻는 전자 수는 [math(\rm\{0-(-2)\}e^-\times10 = 20e^-)]이다. 참고로 위 반응에서 프로페인을 환원제(reducing agent), 산소 기체를 산화제(oxidizing agent)라 한다. 주의할 점은 '환원제' 또는 '산화제'라는 명칭이 산화수가 변하는 원소가 아닌 화합물 전체를 가리킨다는 것과 화합물 자신이 아닌 다른 물질을 기준으로 이름이 붙는다는 것이다. 이 사항은 산화제를 산화시키는 약제', 환원제를 '환원시키는 약제'라고 외워두면 좋다.
이렇듯 산화수의 변동으로 산화제와 환원제의 여부가 결정되기 때문에 경우에 따라서는 똑같은 물질이 산화제이면서 환원제가 될 수도 있다. 다음과 같이 과산화수소가 자가분해되어 산소와 물로 분해되는 반응
[math(\rm 2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2)]
에서 물로 변한 과산화수소의 [math(\rm O)]는 산화수가 [math(-1 \rightarrow -2)]로 환원되고(산화제), 산소로 변한 과산화수소의 [math(\rm O)]는 산화수가 [math(-1 \rightarrow 0)]으로 산화되므로(환원제) 과산화수소는 산화제이면서 환원제이다.4. 산화-환원 반응식의 균형 맞추기
다음과 같은 불균형 반응식의 균형을 맞춰보도록 하자.[math(\rm {MnO_4}^-(aq) + Fe^{2+}(aq) \rightarrow Fe^{3+}(aq) + Mn^{2+}(aq))]
다음과 같이 산화 또는 환원 반응의 반쪽 반응식을 쓸 수 있다.
- 산화 반쪽 반응: [math(\rm Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-)]
- 환원 반쪽 반응: [math(\rm {MnO_4}^- + 5e^- \rightarrow Mn^{2+})]
먼저 산성 용액 조건에서 반응이 일어난다고 가정하면, [math(\rm H^+)]을 이용하여 환원 반쪽 반응에서 전하 균형을 맞출 수 있다.
[math(\rm {MnO_4}^- + 5e^- + 8H^+ \rightarrow Mn^{2+})]
다음으로 [math(\rm H_2O)]를 이용하여 산소의 균형을 맞춘다.
[math(\rm {MnO_4}^- + 5e^- + 8H^+ \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O)]
마지막으로 산화 반쪽 반응과 환원 반쪽 반응에 도입된 전자의 수가 같아지도록 산화 반쪽 반응을 정수배하고, 두 반쪽 반응식을 더해 전체 반응식을 만든다.
- 산화 반쪽 반응: [math(\rm{\left(Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-\right)}\times5)]
- 환원 반쪽 반응: [math(\rm {MnO_4}^- + 5e^- + 8H^+ \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O)]
- 전체 반응: [math(\rm {MnO_4}^- + 5Fe^{2+} + 8H^+ \rightarrow Mn^{2+} + 5Fe^{3+} + 4H_2O)]
만약 위 반응이 염기성 용액에서 일어난다면 [math(\rm H^+)] 대신 [math(\rm OH^-)]로 전하 균형을 맞추면 된다. 따라서 염기성 조건에서 환원 반쪽 반응은 다음과 같다. 단 과망가니즈산 이온은 염기성 조건에서 이산화망가니즈(IV)([math(\rm MnO_2)]) 앙금을 형성하여 망가니즈 이온이 완전히 환원되지 않기 때문에 식의 형태가
[math(\rm {MnO_4}^- + 5e^- + 4H_2O \rightarrow Mn^{2+} + 8OH^-)]
가 아닌[math(\rm {MnO_4}^- + 3e^- + 2H_2O \rightarrow MnO_2 + 4OH^-)]
가 된다.따라서 염기성 용액에서 전체 반응식은
[math(\rm3Fe^{2+} + {MnO_4}^- + 2H_2O \rightarrow 3Fe^{3+} + MnO_2 + 4OH^-)]
가 된다.[1] [math(\rm H_2)], [math(\rm O_2)], [math(\rm C)] 등[2] [math(\rm Co^{3+})]의 산화수는 [math(+3)], [math(\rm I^-)]의 산화수는 [math(-1)][3] 단 [math(\rm LiH)]와 같은 금속 수소 화합물에서는 [math(\rm H)]의 전기음성도가 더 크므로 [math(\rm H)]의 산화수는 [math(-1)]이다.[4] 단, [math(\rm H_2O_2)]에서는 [math(-1)], [math(\rm OF_2)]에서는 [math(+2)]이다. 잘 이해가 안되면 루이스 구조를 그려보자.[5] 산화-환원 반응 하면 철 같은 것이 녹이 스는 것만 생각하기 쉬우나, 연소나 폭발반응도 산화-환원반응이다.