산화-환원 반응
1. 개요
반응 중 한 개 이상의 전자가 이동하는 반응을 산화·환원 반응(oxidation-reduction 또는 redox reaction)이라 한다. 예를 들면 2Na(s) + $$Cl_2$$(g) → 2NaCl(s) 에서 반응 전후 Na의 산화수는 0에서 +1로 증가하고(전자를 잃음) Cl의 산화수는 0에서 -1로 감소한다(전자를 얻음).
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.
1. 홑원소 물질을 구성하는 원자의 산화수는 0이다. [1]
2. 일원자 이온의 산화수는 그 이온의 전하와 같다. [2]
3. 수소 화합물에서 H의 산화수는 대부분 +1이다. [3]
4. 산소 화합물에서 O의 산화수는 대부분 -2이다. [4]
5. 할로겐 원자의 산화수는 산화물 이외에서 대부분 -1이다.
6. 1족 금속의 산화수는 대부분 +1이다.
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 연소반응 $$C_3$$$$H_8$$(g) + 5$$O_2$$(g) → 3$$CO_2$$(g) + 4$$H_2O$$(l) 에서 C의 산화수는 $$-{8 \over 3}$$에서 +4로 증가하므로 프로페인은 산화되고, 잃은 전자의 수는 {+4-($$-{8 \over 3})$$}$$e^-$$ × 3 = 20$$e^-$$ 이다. 환원 반응에서도 이동한 전자 수는 같아야 하므로 산소로 검산해보면 O의 산화수는 0에서 -2으로 감소하므로 산소 기체는 환원되고 이때 얻는 전자 수는 {0-(-2)}$$e^-$$ × 10 = 20$$e^-$$ 이다.
참고로 위 반응에서 프로페인을 환원제(reducing agent), 산소 기체를 산화제(oxidizing agent)라 한다. 주의할 점은 환원제 또는 산화제가 산화 상태가 변하는 원소가 아닌 화합물 전체를 가리킨다는 것과 자신이 아닌 남을 기준으로 한다는 것이다. 즉 프로페인이 산화되면서 산소 기체를 환원시켰으므로 환원제이고, 산소 기체가 환원되면서 프로페인을 산화시키므로 산화제라 부른다.
4. 산화-환원 반응식의 균형 맞추기
다음과 같은 불균형 반응식의 균형을 맞춰보도록 하자.
$$MnO_4^-$$(aq) + $$Fe^{2+}$$(aq) → $$Fe^{3+}$$(aq) + $$Mn^{2+}$$(aq)다음과 같이 산화 또는 환원 반응의 반쪽 반응식을 쓸 수 있다.
산화 반쪽 반응: $$Fe^{2+}$$ →$$Fe^{3+}$$ +$$e^-$$
환원 반쪽 반응: $$MnO_4^-$$ + 5$$e^-$$ → $$Mn^{2+}$$
먼저 산성 용액 조건에서 반응이 일어난다고 가정하면, $$H^+$$을 이용하여 환원 반쪽 반응에서 전하 균형을 맞출 수 있다.
$$MnO_4^- + 5e^- + 8H^+$$ → $$Mn^{2+}$$
다음으로 $$H_2O$$를 이용하여 산소의 균형을 맞춘다.
$$MnO_4^- + 5e^- + 8H^+$$ → $$Mn^{2+} + 4H_2O$$
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: $$(Fe^{2+}$$ → $$Fe^{3+} + e^-)$$ ×5
환원 반쪽 반응: $$MnO_4^- + 5e^- + 8H^+$$ → $$Mn^{2+} + 4H_2O$$
전체 반응: $$MnO_4^- + 5Fe^{2+} + 8H^+$$ → $$Mn^{2+} + 5Fe^{3+} + 4H_2O$$
만약 위 반응이 염기성 용액에서 일어난다면 $$H^+$$ 대신 $$OH^-$$로 전하 균형을 맞추면 된다. 따라서 염기성 조건에서 환원 반쪽 반응은 다음과 같다.
$$MnO_4^- + 5e^- + 4H_2O$$ → $$Mn^{2+} + 8OH^-$$
따라서 염기성 용액에서 전체 반응식은 $$5Fe^{2+} + MnO_4^- + 4H_2O$$ → $$5Fe^{3+} + Mn^{2+} + 8OH^-$$가 된다.
[1] $$H_2$$, $$O_2$$, C 등[2] $$Co^{3+}$$의 산화수는 +3, $$I^-$$의 산화수는 -1[3] 단 LiH와 같은 금속 수소 화합물에서는 H의 전기음성도가 더 크므로 H의 산화수는 -1이다.[4] 단, $$H_2$$$$O_2$$에서는 -1, $$OF_2$$에서는 +2이다. 잘 이해가 안되면 루이스 구조를 그려보자.