산화와 환원

산소의 결합이나 분리에 의한 산화와 환원
산화 : 산소가 다른 원소 또는 화합물과 결합하는 반응으로, 연소 반응이나 철의 부식 반응 등이 있다.

연소 반응 : 산화가 매우 빠르게 진행되는 현상이다
C(s) + O2(g) -> CO₂(g)
철의 부식 반응 : 산화가 서서히 진행되는 현상이다
4Fe(s) + 3O₂(g) -> 2Fe₂O₃(s)

환원 : 산화물이 산소를 잃는 반응으로, 철의 제련 과정이나 산화크로뮴의 환원 과정 등이 있다.

철의 제련 : 철광석을 숯으로 환원시켜 금속 철을 만든다.
산화크로뮴의 환원 : 산화크로뮴을 알루미늄으로 환원시켜 크로뮴을 얻는다.

산화와 환원의 동시성 : 한 물질이 산화될 때 다른 물질은 환원되므로 산화와 환원 반응은 항상 동시에 일어난다. 탄소의 연소 반응에서는 탄소가 산화되는 동안 산소가 환원된 것이고, 철의 부식 반응에서도 철이 산화되는 동안 산소가 환원된 것이다. 그리고 철의 제련 과정에서는 산화철이 환원되는 동안 탄소가 산화된 것이고, 산화크로뮴의 환원에서는 산화크로뮴이 환원되는 동안 알루미늄이 산화된 것이다.

산화 : 화학 반응에서 어떤 원자나 이온이 전자를 잃는 반응이다.

Mg -> Mg2+ + 2e- (산화 반응)
Mg이 전자 2개를 잃고 Mg2+가 되었으므로 Mg는 산화되었다.

환원 : 원자, 분자, 이온 등이 전자를 얻는 반응

Cl₂+2e- -> 2Cl-

구리가 산소와 결합하면 산화구리로 되는 반응은 전자의 이동으로도 설명할 수 있다. 금속인 구리는 전자 2개를 잃고 양이온이 되기 쉽고, 비금속인 산소 원자는 전자 2개를 얻어 음이온이 되기 쉬운 성질이 있으므로, 구리가 산소와 결합할 때 구리 원자 1개는 전자 2개를 잃고 산화되고, 산소는 이 전자를 얻어 환원된다.

즉 산소의 결합이나 분리에 의한 반응도 전자의 이동에 의해 설명될 수 있으므로 전자의 이동에 의한 정의가 산소의 결합이나 분리에 의한 정의보다 더 넓은 의미의 정의임을 알 수 있다.

이온 결합 물질이 반응에 참여하는 산화, 환원 반응에서는 다음과 같이 전자의 이동으로 산화와 환원을 쉽게 설명할 수 있다.

Fe(s) + CuSO₄(aq) -> FeSO₄(aq) + Cu(s)

그러나 다음과 같이 공유 결합으로 이루어진 화합물은 전자를 주고받는 관계가 뚜렷하지 않으므로 전자의 이동으로 산화, 환원 반응을 설명하기 어렵다.

따라서 오늘날에는 이와 같은 모든 경우를 포함하여 산화, 환원 반응을 설명하기 위해 산화수의 개념을 도입하고 있다.

산화수(oxidation number) : 산화수란 물질 중의 원자가 어느 정도 산화 또는 환원되었는가를 나타내는 수치로, 산화 상태는 (+)로 나타내고 환원 상태는 (-)로 나타낸다.

이온 결합 물질 : 이온 결합 물질에서는 산화수가 물질을 구성하고 있는 이온의 전하와 같다. 예를 들면 염화나트륨과 염화마그네슘에서 산화수는 다음과 같다.

공유 결합 물질 : 공유 결합 물질에서는 공유 전자쌍을 전기 음성도가 큰 원소가 완전히 차지했다고 가정했을 때 그 원소가 가지는 전하를 나타낸다.
H₂0의 경우는 O의 전기 음성도가 H보다 크므로 공유 전자쌍을 산소 원자가 모두 가졌다고 가정하면, O는 전자 2개를 얻은 것과 같으므로 산화수가 -2가 되고, H는 전자 1개를 잃은 것과 같으므로 산화수가 +1이 된다.
NH₃의 경우는 O의 전기 음성도가 N보다 크므로 공유 전자쌍을 질소 원자가 모두 가졌다고 가정하면, N는 전자 3개를 얻은 것과 같으므로 산화수가 -3가 되고, H는 전자 1개를 잃은 것과 같으므로 산화수가 +1이 된다.
CO₂의 경우는 O의 전기 음성도가 C보다 크므로 공유 전자쌍을 산소 원자가 모두 가졌다고 가정하면, O는 전자 2개를 얻은 것과 같으므로 산화수가 -2가 되고, C는 전자 4개를 잃은 것과 같으므로 산화수가 +4가 된다.
CH₄의 경우는 C의 전기 음성도가 H보다 크므로 공유 전자쌍을 탄소 원자가 모두 가졌다고 가정하면, C는 전자 4개를 얻은 것과 같으므로 산화수가 -4가 되고, H는 전자 1개를 잃은 것과 같으므로 산화수가 +1이 된다.

산화수 규칙  산화, 환원 반응식에서 각 물질들의 산화수를 결정할 때 다음 네 가지 규칙을 항상 성립한다.

1. 홑원소 물질의 산화수는 0이다.
홑원소 물질 Cu, B, Cl₂, P₄, H₂, O₂, C, Na에서 각 원자의 산화수는 모두 0이다.
2. 단원자 이온의 경우 산화수는 이온의 전하와 같다.
Na+, Cl-, Mg2+, O2- 등의 이온은 산화수가 각각 +1, -1, +2, -2이다.
3. 다원자 이온의 경우 각 원자의 산화수의 총합이 다원자 이온의 전하와 같다.
OH-에서 O의 산화수는 -2이고 H의 산화수는 +1이므로 다음과 같은 관계가 성립한다.
산소의 산화수(-2) + 수소의 산화수 (+1) = 이온의 총전하량(-1)
4. 화합물에서 모든 원자의 산화수 총합은 0이다.
H₂O에서 O의 산화수는 -2이고 H이 산화수는 +1이므로 다음과 같은 관계가 성립한다.

다음은 산화수를 결정할 때 알아 두면 편리한 규칙으로, 약간의 예외가 있을 수 있다. 만약 규칙들이 서로 상충될 경우에는 우선 순위가 높은 규칙에 따른다.

1. 화합물에서 1족 금속 원자는 +1, 2족 금속 원자는 +2, 13족 금속 원자는 +3의 산화수를 갖는다.
2. 화합물에서 H의 산화수는 +1이다.
3. 화합물에서 O의 산화수는 -2이다.
4. 화합물에서 할로젠의 산화수는 -1이다.

산화수의 주기성 : 어떤 원소의 원자가 가질 수 있는 산화수는 그 원자의 전자 배치와 관련이 있으므로 산화수도 주기성을 나타낸다.

위 그림을 보면 원자가 가질 수 있는 가장 높은 산화수는 그 원소의 원자가 전자 수와 같다는 것을 알 수 있다.

₁₆S : K(2) L(8) M(6) -> 최대 산화수 6

₁₇Cl : K(2) L(8) M(7) -> 최대 산화수 7

산화수의 변화에 의한 산화, 환원 : 어떤 원자나 이온이 전자를 잃으면 산화수가 증가하고 전자를 얻으면 산화수가 감소한다. 따라서 산화수가 증가하는 반응을 산화라 하고, 산화수가 감소하는 반응을 환원이라고 한다.

산화, 완원 반응에서 다은 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질을 산화제라 하고, 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화되는 물질을 환원제라고 한다.

산화제(oxidizing agent) : 전자를 얻는 성질이 강할수록 강한 산화력을 가지므로 전기 음성도가 큰 대부분의 비금속 원소는 산화제가 될 수 있다.
산화수가 높은 원소를 포함한 물질은 산화제가 될 수 있다.
같은 원자가 여러 가지 산화수를 가지는 경우 산화수가 가장 큰 원자를 포함한 화합물이 가장 강한 산화제이다.
환원제(reducing agent) : 전자를 내놓는 성질이 강할수록 강한 환원력을 가지므로 이온화 에너지가 작은 대부분의 금속 원소는 환원제가 될 수 있다.
산화수가 낮은 원소를 포함한 물질은 환원제가 될 수 있다.

같은 원자가 여러 가지 산화수를 가지는 경우 산화수가 가장 작은 원자를 포함한 화합물이 가장 강한 환원제이다.

산화제와 환원제의 상대성 : 산화, 환원 반응에서 전자를 내놓으려는 경향과 전자를 얻으려는 경향은 상대적이므로 산화제와 환원제의 세기도 상대적이다. 예를 들면 SO₂의 경우 보통 환원제로 작용하지만 더 강한 환원제와 같이 반응할 때에는 산화제로 작용하기도 한다.