개념 한 쪽
산화환원반응은 전자의 이동을 동반하여 원자의 산화수가 변하는 반응이다. 산화제는 자신이 환원되어 산화수가 감소하는 물질이며, 환원제는 자신이 산화되어 산화수가 증가하는 물질이다. 금속의 치환이나 기체 발생, 전지의 전극 반응 등 여러 실험·분석 상황에서 산화수의 증감으로 반응을 판단한다.
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출제기준 단원 「산화환원반응」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 산·알칼리 반응성 판단 | 1 | 산과 알칼리 모두에서 수소 발생 여부로 양쪽성 금속을 구별하기 |
| 유리기구 유기물 제거제 식별 | 1 | 강한 산화제를 이용한 클리닝용액의 조성을 고르기 |
| 금속 치환 원인 판단 | 1 | 금속이 다른 금속 이온을 치환해 석출시키는 원인(이온화경향) 파악하기 |
산화수는 원자가 전자를 잃거나 얻은 가상의 전하량으로 정의한다. 단일 원소로 이루어진 분자의 산화수는 0이고, 단원자 이온의 산화수는 그 이온의 전하량과 같다. 중성 화합물에서 구성 원소들의 산화수 합은 0이라는 원칙을 적용한다.
산소는 대부분의 화합물에서 산화수가 -2이나 예외가 존재한다는 점을 주의한다. 예컨대 과산화물(H2O2)에서는 산소의 산화수가 -1이고, 불소와 결합한 OF2에서는 산소의 산화수가 +2가 된다. 따라서 "항상 -2"라는 절대적 표현은 틀린 설명이다.
산화제와 환원제의 판별은 해당 물질의 산화수 변화를 추적하면 된다. 산화제는 다른 물질을 산화시키고 자신은 환원되어 산화수가 감소한다. 예로 SO2의 황(+4)이 0으로 감소하면 SO2는 산화제로 작용한 것이다. 반대로 환원제는 자신이 산화되어 산화수가 증가하는 물질이다.
금속의 치환 반응은 이온화경향 차이에 의해 설명한다. 이온화경향이 큰 금속이 용액 속의 하위 금속 이온을 치환하여 석출을 일으킨다. 예로 아연이 구리 이온을 환원시켜 구리를 석출시키는 현상은 아연의 이온화경향이 구리보다 크기 때문이다.
산과 염기의 반응과 산화환원반응의 구분에 유의한다. 브뢴스테드-로우리의 산·염기 정의는 양성자(H+)의 이동, 루이스 정의는 전자쌍의 제공·수용을 기준으로 한다. 금속이 관여하여 전자 이동이 일어나는 반응은 산화환원으로 분류하는 것이 일반적이다.
(계산 예) 수산화나트륨 80 g을 물에 녹여 전체 부피를 1000 mL로 만들었을 때 N농도를 구하는 과정은 다음과 같다. NaOH의 분자량은 40이므로 몰수는 80 g ÷ 40 g·mol⁻¹ = 2 mol이다. 부피가 1 L이므로 몰농도(M)는 2 mol·L⁻¹이다. NaOH는 1가 염기로 당량수가 1이므로 N농도는 M농도와 같아 2 N가 된다. 이 계산 과정은 몰수→부피로 나누기→당량수 적용 순서로 해결한다.
(판단 예) 황산구리 용액에 아연을 넣어 구리가 석출되는 반응을 산화환원 관점에서 보면, 아연이 전자를 잃어 Zn2+가 되고 구리 이온이 전자를 얻어 Cu로 환원되므로 아연이 환원제가 아니라 환원시키는 쪽, 즉 환원제 역할을 하는 물질은 구리 이온이 아니라 아연이 전자를 제공하는 쪽임을 확인한다. 핵심은 이온화경향의 크기 차이로 치환 반응을 설명하는 것이다.
산이나 알칼리에 반응하여 수소를 발생시키는 것은?
정답 ③ · Al은 양쪽성 금속으로 산(HCl 등)뿐 아니라 알칼리(NaOH 등)와도 반응하여 수소 기체를 발생시킨다. Mg은 산과는 반응하나 알칼리와는 거의 반응하지 않고, Si과 Fe도 알칼리와의 반응성이 약해 산·알칼리 양쪽 모두에서 수소를 내는 것은 Al이 대표적이다.
양쪽성 금속인 알루미늄(Al)은 산과 알칼리 모두와 반응하여 수소 기체를 발생시키는 대표적인 원소이다.
실험실에서 유리기구 등에 묻은 기름을 산화시켜 제거하는 데 쓰이는 클리닝용액(cleanig solution)은 다음 중 어느것인가?
정답 ① · 실험실에서 유리기구에 묻은 유기물(기름때)을 강력한 산화력으로 제거하는 클리닝용액은 크롬산(중크롬산)칼륨을 진한황산에 녹여 만든 크롬산 세척액이다. 이 용액은 강한 산화력을 가진 크롬산이온과 진한황산의 탈수·산화작용을 결합하여 유기 오염물을 효과적으로 산화 분해시킨다.
유리기구의 유기물 제거에는 강력한 산화력을 가진 크롬산 세척액이 사용된다.
황산구리 용액에 아연을 넣을 경우 구리가 석출되는 것은 아연이 구리보다 무엇의 크기가 크기 때문인가?
정답 ① · 황산구리(CuSO4) 용액에 아연(Zn)을 넣으면 아연이 산화되어 Zn2+ 이온으로 녹아 들어가고, 구리이온(Cu2+)은 환원되어 금속구리로 석출된다. 이는 아연이 구리보다 이온화경향(전자를 잃고 양이온이 되려는 경향)이 크기 때문에 일어나는 반응으로, 이온화 서열에서 Zn이 Cu보다 앞선다.
아연이 구리보다 이온화경향이 커서 구리 이온을 치환하여 석출시킨다.
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