【화학】 14강. 산화환원반응

14강. 산화환원반응(oxidation-reduction reaction)

 

추천글 : 【화학】 화학 목차

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1. 산화수 [본문]

2. 산화환원반응 [본문]

3. 산화제와 환원제 [본문]

4. 반응식 계수 맞추기 [본문]

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a. 유기화학과 산화환원반응

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1. 산화수(oxidation number) [목차]

⑴ 정의 : 전기음성도가 큰 원소가 공유 전자쌍을 모두 가졌다가 가정했을 때의 가상의 전하량 

⑵ 각 원자의 산화수 = 해당 원자의 전하 + 원자가 전자 - 결합수 - 비공유 전자 수

① 분수 산화수는 평균 산화수를 나타냄

⑶ 자연계에서 각 원자의 산화수는 정형화됨 : ① ＞ ··· ＞ ⑦ 순으로 우선순위를 가짐

① 중성 화합물을 구성하는 원자의 산화수의 합은 0

② 이온을 구성하는 원자의 산화수의 합은 이온의 전하와 같음

③ 플루오린의 산화수는 항상 -1

④ 알칼리금속은 +1, 알칼리토금속은 +2, 알루미늄은 +3

⑤ 수소의 경우 +1

○ 예외 : LiH에서 H의 산화수는 -1

⑥ 산소의 경우 -2

○ 예외 1. OF₂에서 O의 산화수는 +2

○ 예외 2. H₂O₂(-1), O₂^-(-1/2), O₃^-(-1/3)

⑦ 플루오린을 제외한 할로젠 원소는 -1

○ 예외 : 산소와 결합시(예 : OCl₂) +1

 

 

2. 산화환원반응 [목차]

⑴ 산화(oxidation) : 원자, 분자, 이온 등이 고에너지 전자를 잃는 것

① 표현 1. 산화수가 증가하는 것

② 표현 2. 산소를 얻는 것

○ 반응 전 : O₂에서 각 O 원자의 산화수는 0임

○ 반응 후 : 분자 내 O의 산화수는 -2가 되고 다른 화학종은 산화수 증가

③ 표현 3. 수소를 잃는 것

○ 반응 전 : 일반적으로 분자 내 H의 산화수는 +1

○ 반응 후 : 각 원자의 산화수가 0인 H₂가 생성되면서 다른 화학종은 산화수 증가

④ 표현 4. 에너지를 잃는 반응 : 고에너지 전자를 잃으므로

⑵ 환원(reduction) : 원자, 분자, 이온 등이 고에너지 전자를 얻는 것

① 표현 1. 산화수가 감소하는 것

② 표현 2. 산소를 잃는 것

○ 반응 전 : 일반적으로 분자 내 O의 산화수는 -2

○ 반응 후 : 각 원자의 산화수가 0인 O₂가 생성되면서 다른 화학종은 산화수 감소

③ 표현 3. 수소를 얻는 것

○ 반응 전 : H₂에서 각 H 원자의 산화수는 0임

○ 반응 후 : 분자 내 H의 산화수는 +1이 되고 다른 화학종은 산화수 감소

④ 표현 4. 에너지를 얻는 반응 : 고에너지 전자를 얻으므로

⑶ 동시성 : 산화와 환원은 항상 동시에 일어나며, 산화수의 변화량은 이동한 전자의 수와 같음

⑷ 산화환원반응은 산·염기 반응과 달리 전자가 직접 이동함

① 전자 활동도(electron activity) : 전자의 농도

 

 

3. 산화제와 환원제 [목차]

⑴ 정의

① 산화제(oxidant) : 자신은 환원하면서 다른 물질을 산화시키는 물질

② 환원제(reductant) : 자신은 산화하면서 다른 물질을 환원시키는 물질

⑵ 산화제의 상대적 세기

① 전자를 얻는 성질이 클수록(17족) 강한 산화제

② 산화수가 높은 금속이나 비금속 원자를 가진 화합물

○ 예 : K₂Cr₂O₇에서 Cr의 산화수는 +6으로 강한 산화제임

③ 같은 원자가 여러 산화수를 가질 경우 산화수가 클수록 강한 산화제

○ KMnO₄ > MnO₂ > Mn₂O₃ > MnCl₂

○ KMnO₄ : Mn의 산화수가 +7이므로 낮은 산화수가 되기 위해 다른 물질을 산화시킴

④ 일반적인 산화수보다 산화수가 낮은 경우 산화제로 기능

○ 과산화수소 : H₂O₂에서 O의 산화수가 -1이므로 -2가 되기 위해 다른 물질을 산화시킴

⑶ 환원제의 상대적 세기

① 전자를 내놓는 성질이 클수록 강한 환원제(주기율표 왼쪽 아래)

② 산화수가 낮은 금속이나 비금속 원자를 가진 화합물

③ 한 원소가 여러 가지 산화수를 가질 경우, 산화수가 작을수록 강한 환원제

○ 예 : H₂S (-2) > S (0) > SO₂ (+4) > SO₃ (+6)

⑷ 산화제와 환원제의 상대성 : 반응에 따라 산화제로 작용할 수도, 환원제로 작용할 수도 있음

① 예 1. 불균등화 반응 : 2A → A' + A" 와 같은 형태로 일어나는 반응

○ 4SO₂ + 3H₂O → S₂O₃^2- + 2HSO₄^- + 4H⁺

 

 

4. 반응식 계수 맞추기 [목차]

⑴ 산화수법

① 정의 : 증가하는 산화수와 감소하는 산화수가 같음을 이용

② 1^st. 골격 반응식(skeletal formula) 작성하기

 

MnO₄^-(aq) + H₂C₂O₄(aq) → Mn²⁺(aq) + CO₂(g)

 

② 2^nd. 산화 골격 반응의 산화수 변화(x) 계산

 

탄소의 산화수를 [·]에 표시 : H₂C₂O₄(aq) [+6] → 2CO₂(g) [+8]

x = +2

 

③ 3^rd. 환원 골격 반응의 산화수 변화(y) 계산

 

망간의 산화수를 [·]에 표시 : MnO₄^-(aq) [+7] → Mn²⁺(aq) [+2]

y = -5

 

④ 4^th. 산화 골격 반응과 환원 골격 반응의 산화수 변화가 x와 y의 최소공배수(10)가 되도록 적절히 곱한 뒤 더함

 

2MnO₄^-(aq) + 5H₂C₂O₄(aq) → 2Mn²⁺(aq) + 10CO₂(g)

 

⑤ 5^th. 산성 환경이라면 O의 개수를 H₂O로 맞추고, H의 개수를 H⁺로 맞춤

○ 5^th - 1^st.

 

2MnO₄^-(aq) + 5H₂C₂O₄(aq) → 2Mn²⁺(aq) + 10CO₂(g) + 8H₂O(ℓ)

2MnO₄^-(aq) + 5H₂C₂O₄(aq) + 6H⁺(aq) → 2Mn²⁺(aq) + 10CO₂(g) + 8H₂O(ℓ)

 

○ 5^th - 2^nd. 검토 : 전하균형이 맞는지 확인

○ 5^th - 3^rd. ④ 과정에 의해 자연스럽게 전하균형이 성립

⑥ 6^th. 염기성 환경이라면 O의 개수를 H₂O로 맞추고, H의 개수를 (H₂O - OH^-)로 맞춤

○ 6^th - 1^st.

 

2MnO₄^-(aq) + 5H₂C₂O₄(aq) → 2Mn²⁺(aq) + 10CO₂(g) + 8H₂O(ℓ)

2MnO₄^-(aq) + 5H₂C₂O₄(aq) + 6H₂O(ℓ) - 6OH^-(aq) → 2Mn²⁺(aq) + 10CO₂(g) + 8H₂O(ℓ)

2MnO₄^-(aq) + 5H₂C₂O₄(aq) → 2Mn²⁺(aq) + 10CO₂(g) + 2H₂O(ℓ) + 6OH^-(aq)

 

○ 6^th - 2^nd. 검토 : 전하균형이 맞는지 확인

○ 6^th - 3^rd. ④ 과정에 의해 자연스럽게 전하균형이 성립

⑵ 이온-전자법 : 산화 반쪽 반응식과 환원 반응 반쪽식을 구한 뒤 두 반쪽 반응식을 더하는 방법

 

입력: 2018.12.28 13:28