산화·환원
1. 정의
화학의 기본 반응 원리 중 하나.[1] 산화수가 증가하면 산화, 감소하면 환원에 해당한다.
산화와 환원을 정의하기 위한 노력은 화학의 탄생 이후로 화두였는데, 시대순으로 정리하면 다음과 같다.
- 산화(oxidation)라는 말에서 볼 수 있듯이, 초창기에는 산화를 산소를 얻는 것, 환원을 산소를 잃는 것이라 정의했다.
- 하지만 특징상 명백히 산화-환원 반응이지만 산소가 관여하지 않는 반응도 있었는데, 이런 반응들은 당연히 산소를 갖고 정의하기 힘들었다. 이를 설명하고자 수소를 얻는 것을 환원, 잃는 것을 산화라 정의했다.
산화수는 전자의 이동을 묘사하기 위한 개념이지만, 산화수의 변화 없이 전자 밀도가 바뀌는 것만으로는 산화-환원으로 부르지 않는다. 예를 들어 thiol(R-SH)이 alcohol(R-OH)가 되는 경우, 탄소의 전자 밀도는 분명 감소하지만 산화수는 변화가 없다. 산화-환원 반응의 정의 또한 일종의 formalism이라는 것을 확실히 할 필요가 있다.
영어로는 환원(Reduction)과 산화(Oxidation)을 합쳐 Redox Reaction ('''RED'''uction+'''OX'''idation)이라 부른다.
2. 특징
어떤 화학반응식에 있어서 한 물질이 산화했으면 다른 물질은 반드시 환원한다.(산화-환원 동시성) 이유를 간단히 말하자면 전자는 없어지거나 생기지 않기 때문이다.
2.1. 오해
유사과학이나 TV에서 산화라 그러면 아주 농축우라늄을 원샷하는 행위라도 되는 듯하게 몰아가고, 알칼리환원수니 이상한 수식어구를 붙이면서 좋아 보이게 해서 그렇지, 절대 산화가 나쁘고 환원은 좋은 것이 아니다. 무지한 PD들이 악의적으로 편집한 결과물. 이에 대해서는 MSG와 일맥상통한다.
만약 우리 몸을 열심히 조절해서 산화가 하나도 안 되게 만든다면, 당장 포도당이 이산화탄소로 연소되지 않는 데다가, 산화에 관여하는 산소도 필요없다.
다만, hydroxyl radical, peroxide, superoxide 등 산화력이 강한 일명 '활성 산소'는 단백질이나 핵산, 지질을 무차별적으로 공격하므로 이를 방지하는 비타민 C나 E 등이 모자란 경우 보충하는 것은 반드시 필요하다.
3. 산화 환원과 산-염기 반응과의 구분
기초적인 화학 교과에서 두 형태의 반응을 구분하라는 문제가 자주 출제되는데, 산화-환원 반응은 산화수의 변화로 정의되므로 산화수를 계산해 보면 산화-환원 반응인지의 여부를 알 수 있다. 산-염기 반응은 전자쌍의 이동[4]으로 정의되는 것이므로 형식 전하의 변화가 생기게 된다.
4. 산화제/환원제
처음 접하는 학생들에게 오개념을 일으키기 쉬운 개념인데, 산화제와 환원제는 물질을 각각 산화, 환원 '''시키는''' 물질이다.즉 자기 자신은 그 반대로 산화제의 경우 환원되고 환원제의 경우 산화된다.[5] 산소, 과산화수소, 과망간산칼륨(KMnO4)등이 대표적인 산화제이며, 환원제로 자주 쓰이는 물질로는 LAH(LiAlH4), 하이드라진, 일산화탄소 등이 있다. 그러나 산화제, 환원제는 어디까지나 상대적 개념으로, '''산화제라고 알고 있는 물질이 환원제로 작용할 수도 있고, 그 반대도 가능하다.'''[6]
가장 강한 산화제는 매직 블루며, 가장 강한 환원제는 수소화 알루미늄화 리튬이다. 둘 다 함부로 취급해서는 안 되는 위험물이다.
5. 산화-환원 적정
산-염기 반응과 마찬가지로 산화-환원 적정도 가능한데, I2-KI나 KMnO4 등이 주로 사용된다. Proton transfer의 경우 매우 빠르게 진행되므로 pKa 차이가 어느 정도만 나면 적정에 무리가 없지만, 산화-환원 적정은 반응 속도가 매우 다양하다.
6. 예시
일반화학 수준까지는 산-염기 반응을 제외하면 대부분 산화-환원 반응이라고 봐도 무방하다. 전지, 전기분해가 보통 나오는 예시지만 이외에도 많은 예시가 있다.
[1] 다른 기본적 반응으로는 산-염기 반응, 협동 반응 등이 있다.[2] 사족으로, 모든 결합을 대등한 공유 결합으로 간주한 경우를 형식 전하라 칭한다.[3] 모든 결합이 고전적인 2-centered bond라면 전자는 항상 정수 개수로 나뉠 수밖에 없다.[4] 배위 결합이라고 해도 좋다.[5] 소화제를 생각하면 쉽다. 소화제가 다른 음식물을 소화시키지, 자기 자신이 소화되는 것은 아니기 때문. 실제로 각종 인터넷 강의나 시중의 참고서에서도 이런 연상법을 권장한다.[6] 단적으로 플루오린과 산소의 반응이 있다.