산화 환원 구분 - sanhwa hwan-won gubun

산화환원(oxidation-reduction , 酸化還元)은 화학물질간의 전자 주고 받기에 의한 산화와 환원의 두 과정을 총괄한 것이다. 산화란 산소와의 결합, 수소의 떨어져 나감, 산화수의 증가(전자의 수가 줄어듦)의 경우를 말한다. 환원은 산소와의 분리, 수소와의 결합, 산화수의 감소(전자의 수가 늘어남)의 경우를 말한다. 한 원소가 산화하면 다른 원소는 환원되기 때문에 항상 동반되어 발생한다고 볼 수 있다. 처음에는 산소를 기준으로 하여 산소가 다른 원소와 결합하거나 분리되는 현상에 주목하였으나, 현재는 수소와의 결합 여부, 전자의 이동에 따른 원자가 변화인 산화수 변화 또한 산화·환원 반응을 구분하는 기준으로 사용한다.

산화환원반응의 근본은 전자의 이동에서 기인하며, 전자의 이동을 산화수는 모든 결합을 이온 결합으로 간주하였을 때 각 원소들의 전하량을 표시한 개념이다. 기호의 오른쪽 위에 표기한다. 각각 원자의 산화수는 반드시 정수일 수밖에 없지만 한 분자 안에서 특정 원소의 평균 산화수는 당연하게도 정수일 필요는 없다.

산화수는 전자의 이동을 묘사하기 위한 개념이지만, 산화수의 변화 없이 전자 밀도가 바뀌는 것만으로는 산화환원으로 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.

예를 들면, 공기 중에서 탄소나 황을 연소시키는 것은

C ＋ O₂ → CO₂ S ＋ O₂ → SO₂

와 같이 산소와 화합하기 때문에 산화이다. 또 에탄올 CH³CH₂OH를 적당한 산화제와 반응시키면 아세트알데하이드 CH³CHO를 생성하고 원래의 에탄올보다도 분자 중의 수소수가 감소하는 것도 산화이다.

이와는 반대로 산소를 잃거나 수소를 얻는 반응을 환원이라고 한다. 넓은 뜻으로는, 일반적으로 화학반응이 일어난 전후에 1개의 원소에 주목하였을 때, 그 원소는 산화되었다고 한다. 이 경우, 그 원소의 산화수의 증가는 다른 어느 원소의 산화수의 감소를 뜻하므로 그 원소의 산화에 의하여 다른 원소의 환원을 볼 수 있고, 산화와 환원은 항상 동반된다고 할 수 있다.

여기서 산화-환원 반응의 개념은 4가지 다른 방식으로 설명 할 수 있습니다.

1. 전자 이동의 관점
2. 산소 전달 측면
3. 수소 전달 측면
4. 산화수의 관점

위의 4가지 관점에서 산화-환원 반응의 예를 함께 살펴보겠습니다.

1. 전자 전달의 관점

• 산화는 전자의 손실(잃음)을 통해 일어나는 과정입니다.
• 환원은 전자의 획득(얻음)을 통해 일어나는 과정입니다.

다음의 화학 반응식은 전자 이동의 관점에서 산화-환원 반응을 설명할 수 있는 간단한 예시입니다.

산화구리(II) 및 산화마그네슘은 이온성 물질인 반면, 구리 및 마그네슘은 금속성 물질입니다. 여기서 산소 이온을 제외하고 생각하면 위의 화학식을 아래와 같이 바꾸어 표현할 수 있습니다.

산화제와 환원제

산화제는 다른 물질을 산화시키는 작용제이며 환원제는 다른 물질을 환원시키는 작용제입니다.

산화제는 다른 물질을 산화시키는 동안 전자를 얻습니다. 위의 반응식을 보면 구리 이온은 구리가 되기 위해 2개의 전자를 얻기 때문에 산화제라고 할 수 있습니다.

환원제는 다른 물질을 환원시키는 동안 전자를 잃습니다. 마찬가지로 위의 반응식을 보면 마그네슘은 2개의 전자를 잃고 마그네슘 이온을 형성하기 때문에 환원제라고 할 수 있습니다.

2. 산소 전달의 관점

•  산화는 산소의 획득(얻음)을 통해 일어나는 과정입니다.
•  환원은 산소를 손실(잃음)을 통해 일어나는 과정입니다.

화학적으로 동일한 산화-환원 반응도 산소 전달 관점에서 설명 될 수 있습니다.

여기에서 산화구리는 산소를 잃어 구리를 형성하고 마그네슘은 산소를 얻어 산화 마그네슘을 형성합니다.

산화제 및 환원제

산화제는 다른 물질을 산화시키는 동안 산소를 잃습니다. 위의 반응식에서 산화구리는 산소를 잃고 구리를 형성하기 때문에 산화제라고 할 수 있습니다.

환원제는 다른 물질을 환원시키는 동안 산소를 얻습니다. 위의 반응식에서 마그네슘은 산소를 얻어 산화 마그네슘을 형성하기 때문에 환원제라고 할 수 있습니다.

3. 수소 전달의 관점

•  산화는 수소의 손실(잃음)을 통해 일어나는 과정입니다.
•  환원은 수소의 획득(얻음)을 통해 일어나는 과정입니다.

아래의 반응식은 암모니아와 브롬 사이의 산화-환원 반응을 통해 질소와 브롬화 수소를 형성하는 과정입니다.

여기서 암모니아는 수소를 잃고 질소를 형성합니다. 따라서 이것은 산화 반응이라 할 수 있습니다. 한편, 브롬은 수소를 얻어 브롬화 수소가 되기 때문에 이 과정은 환원 반응이라 할 수 있습니다.

산화제 및 환원제

산화제는 다른 물질을 산화시키는 동안 수소를 얻습니다. 위의 반응식에서 브롬은 수소를 얻음으로써 브롬화 수소를 형성하기 때문에 산화제라 할 수 있습니다.

환원제는 다른 물질을 환원시키는 동안 수소를 잃습니다. 위의 반응식에서 암모니아는 수소를 잃어 질소를 형성하기 때문에 환원제라 할 수 있습니다.

4. 산화수의 관점

•  산화는 산화수가 증가하는 과정을 통해 일어납니다.
•  환원은 산화수가 감소하는 과정을 통해 일어납니다.

원자의 산화수는 화합물이 이온으로 구성된 경우 원자가 가질 전하를 의미합니다. 예를 들면, 산화철(Fe2O3)에서 Fe 및 O의 산화수는 2Fe3+ 및 3O2-로 구성되므로 각각 +3과 -2입니다.

위에서 설명드린 산화구리와 마그네슘의 산화-환원 반응은 산화수 변화의 관점에서 아래와 같이 설명할 수 있습니다.

여기서 마그네슘이 마그네슘 이온을 형성하며 마그네슘의 산화수는 0에서 +2로 증가합니다. 따라서 이 반응은 산화반응입니다.

반면 구리이온은 구리를 형성하며 구리이온의 산화수는 +2에서 0으로 감소합니다. 따라서 이 반응은 환원반응입니다.

산화제 및 환원제

산화제는 산화과정에서 상대 화학종을 산화시키며 산화제의 산화수는 반응 동안 감소합니다. 여기서, 구리이온의 산화수는 +2에서 0으로 감소하기 때문에 산화제 입니다. 반면, 환원제는 환원과정에서 상대 화학종을 환원시키며 환원제의 산화수는 반응 동안 증가합니다. 여기서 마그네슘의 산화수가 0에서 +2로 증가하기 때문에 마그네슘은 환원제입니다.