산화 환원의 반응(펌)

산화․환원의 반응 [1] 산화와 환원 (1) 전자 이동과 산화․환원 ① 산화 ․산소와 화합하거나 수소를 잃는 화학 변화 ․전자를 잃는 화학 변화 ② 환원 ․산소를 잃거나 수소와 화합하는 화학 변화 ․전자를 얻는 화학 변화 ③ 산화․환원은 항상 동시에 일어난다. ④ 산화되는 물질이 잃은 전자의 수와 환원되는 물질이 얻은 전자의 수는 같다. ex) Zn＋Cu2＋ → Zn2＋＋Cu (2) 산화수와 산화․환원 ① 산화수 : 공유 결합 물질에서 전기 음성도가 더 큰 원자가 공유 전자쌍을 모두 차지하는 것으로 가정할 때, 각 원자가 갖는 전하 ㉠ 홑원소 물질을 구성하는 원자의 산화수는 0이다. ㉡ 화합물을 구성하는 원자들의 산화수의 합은 0이다. ㉢ 단원자 이온의 산화수는 그 이온의 전하수와 같다. ㉣ 다원자 이온을 구성하는 원자들의 산화수의 합은 그 이온의 전하수와 같다. ㉤ 대부분의 화합물에서 수소의 산화수는 ＋1이나, 금속 수소화물에서는 －1이다. ex) NaH, MgH2 ㉥ 대부분의 화합물에서 산소의 산화수는 －2이나, 과산화물에서는 －1이며, 일부 다른 산화수를 가지기도 한다. ex) H2O2, OF2 ② 산화수에 의한 산화․환원 ㉠ 산화 : 산화수가 증가하는 화학 변화 ㉡ 환원 : 산화수가 감소하는 화학 변화 ㉢ 증가된 산화수와 감소된 산화수는 항상 같다. ex) Zn＋CuSO4 → ZnSO4＋Cu ex1) 다음에서 밑줄 친 원자의 산화수는 얼마인가? (1) Fe2O3 (2) SO42－ (3) HNO3 (4) SO2 ex2) 다음 반응에서 산화된 원자와 환원된 원자를 찾아라. (1) Zn＋H2SO4 → ZnSO4＋H2 (2) Cu＋4HNO3 → Cu(NO3)2＋2H2O＋2NO2 (3) 산화제와 환원제 ① 산화제 ㉠ 다른 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질 ㉡ 산화제가 될 수 있는 물질 ․전자를 얻는 성질이 강한 비금속 원소 ․산화수가 높은 원소를 포함한 화합물 ex) F2, O2, KMnO4, K2Cr2O7 ② 환원제 ㉠ 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화되는 물질 ㉡ 환원제가 될 수 있는 물질 ․전자를 주는 성질이 강한 금속 원소 ․산화수가 낮은 원소를 포함한 화합물 ex) Na, K, Ca, H2S, SnCl2 ③ 환원력과 산화력의 세기는 상대적이다. 따라서 같은 물질이라도 산화제로 작용할 수도 있고, 환원제로 작용할 수도 있다. ex) H2O2＋SO2 → H2SO4 SO2＋2H2S → 2H2O＋3S ex3) 메탄(CH4)의 연소 반응에서 산화제와 환원제는 각각 무엇인가? (4) 산화․환원 반응의 양적 관계 ① 산화․환원 반응식의 완결 ㉠ 이온－전자법 Sn2＋＋Cr2O72－＋H＋ → Sn4＋＋Cr3＋＋H2O ․반응을 산화 반반응과 환원 반반응으로 나눈다. ․각 반쪽 반응의 모든 원자수가 같아지도록 계수를 맞춘다. ․각 반쪽 반응에서 화살표 양쪽의 전하량이 같아지도록 필요한 전자수를 더한다. ․산화 반응의 잃은 전자수와 환원 반응의 얻은 전자수가 같아지도록 계수를 맞춘다, ․두 반쪽 반응을 더한다. ㉡ 산화수법 Cu＋H＋＋NO3－ → Cu2＋＋NO＋＋H2O ․산화된 원자와 환원된 원자의 산화수를 구한다. ․증가하는 산화수와 감소하는 산화수가 같아지도록 계수를 맞춘다. ․각 원소의 원자수가 같아지도록 계수를 맞춘다. ② 산화․환원 반응의 양적 관계 ․산화제가 받는 전자수＝환원제가 주는 전자수 (감소된 산화수) (증가된 산화수) ․nMV＝n′M′V′ ex4) Sn2＋＋MnO4－＋H＋ → Sn4＋＋Mn2＋＋H2O의 반응식을 완성하여라. ex5) 다음 반응에서 Cu2＋ 1몰을 환원시키는 데 필요한 Al의 몰수는? Cu2＋＋Al → Cu＋Al3＋ ex6) 다음의 산화․환원 반응에서 1몰의 Cr2O72－은 몇 몰의 Fe2＋과 반응하는가? Fe2＋＋Cr2O72－＋14H＋ → Fe3＋＋2Cr3＋＋7H2O [2] 화학 전지와 전기 분해 (1) 화학 전지 ① 전지의 원리 ㉠ 전지 : 산화․환원 반응을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치 ㉡ 전지의 구성 ․(－)극 : 이온화 경향이 큰 금속, 산화 반응 ․(＋)극 : 이온화 경향이 작은 금속, 환원 반응 ․전자 : (－)극 → (＋)극 ․전류 : (＋)극 → (－)극 ․전지를 이루는 두 전극의 이온화 경향 차이가 클수록 기전력(＝전압)이 커진다. ② 볼타 전지 ㉠ ZnㅣH2SO4ㅣCu ㉡ (－)극 : Zn → Zn2＋＋2e－ (산화, 질량 감소) (＋)극 : 2H＋＋2e－ → H2↑ (환원, 질량 변화×) 전체 반응 : Zn＋2H＋ → Zn2＋＋H2↑ ㉢ 분극 현상 : (＋)극에서 발생한 H2 기체가 Cu판에 붙어서 H＋의 환원 반응을 방해하여 전지의 기전력이 급격히 떨어지는 현상 ㉣ 감극제 : 분극 현상을 없애기 위해 사용하는 산화제로서 (＋)극에서 발생하는 H2 기체를 물로 산화시킨다. ex) H2O2, MnO2, KMnO4 ③ 다니엘 전지 ㉠ ZnㅣZnSO4∥CuSO4ㅣCu ㉡ (－)극 : Zn → Zn2＋＋2e－ (산화, 질량 감소) (＋)극 : Cu2＋＋2e－ → Cu (환원, 질량 증가) 전체 반응 : Zn＋Cu2＋ → Zn2＋＋Cu ㉢ 기체가 발생하지 않으므로 분극 현상은 나타나지 않는다. ㉣ 다니엘 전지에서는 반드시 염다리로 연결해 주어야 한다. ※ 염다리 : U자관에 한천과 염(KCl이나 KNO3)의 혼합 용액을 넣어 겔의 형태로 만든 것으로 이온의 이동 통로가 되어 전지의 회로를 형성(전하의 불균형 해소)하고, 두 반쪽 전지의 전해질을 분리하여 준다. (2) 표준 전극 전위 ① 표준 수소 전극 : 표준 전극 전위의 기준 2H＋(aq, 1M, 25℃)＋2e－ → H2(g, 1기압) E°＝0.00V ② 표준 전극 전위 ㉠ 표준 상태(1M, 25℃, 1기압)에서의 반쪽 전지의 전극 전위값 ㉡ 표준 수소 전극과 측정하고자 하는 전극을 연결하여 만든 전지의 전압을 측정하여 구한다. ③ 표준 환원 전위 : 표준 전극 전위를 환원 반응의 형태로 나타냈을 때의 전위 ㉠ 표준 환원 전위값이 (＋)이면 수소 이온보다 환원되기 쉽고, (－)이면 수소 이온보다 환원되기 어렵다. ㉡ 표준 환원 전위값이 큰 물질은 환원되기 쉽다. ㉢ 표준 환원 전위값이 큰 물질들은 전지의 (＋)극이 된다. ㉣ 표준 환원 전위값은 반응식의 계수가 변하여도 변하지 않는다. ④ 전지의 기전력 전지의 기전력(E°)＝{(＋)극의 환원 전위값}－{(－)극의 환원 전위값} ⑤ 자발적인 산화․환원 반응의 예측 : 예상되는 산화․환원 반응에서 기전력의 값이 (＋)이면 반응이 자발적으로 일어나고, (－)이면 역반응이 일어난다. ex1) 다음 전지의 표준 기전력을 구하여라. (1) LiㅣLi＋∥Ag＋ㅣAg (2) AlㅣAl3＋∥Cu2＋ㅣCu ex2) 다음 표준 환원 전위 값을 이용하여 Pb＋Zn2＋ → Pb2＋＋Zn 반응의 진행 방향을 예측하여라. Pb2＋＋2e－ → Pb E°＝－0.13V Zn2＋＋2e－ → Zn E°＝－0.76V (3) 실용 전지 ① 아연－탄소 건전지 ㉠ ZnㅣNH4ClㅣMnO2, C ㉡ (－)극 : Zn → Zn2＋＋2e－ (산화) (＋)극 : 2MnO2＋2NH4＋＋2e－ → Mn2O3＋2NH3＋H2O (환원) 전체 반응 : Zn＋2NH4＋＋2MnO2 → Zn2＋＋2NH3＋Mn2O3＋H2O ㉢ 약산인 전해질로 인해 수명이 짧아진다. ② 알칼리 건전지 ㉠ ZnㅣKOHㅣMnO2, C ㉡ (－)극 : Zn＋2OH－ → Zn(OH)2＋2e－ (산화) (＋)극 : 2MnO2＋H2O＋2e－ → Mn2O3＋2OH－ (환원) 전체 반응 : Zn＋2MnO2＋H2O → Zn(OH)2＋Mn2O3 ㉢ 염기성 전해질을 사용하여 부식이 느리므로 수명이 길다. ③ 납축전지 ㉠ PbㅣH2SO4ㅣPbO2 ㉡ (－)극 : Pb＋SO42－ → PbSO4↓＋2e－ (산화) (＋)극 : PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－ → PbSO4↓＋2H2O (환원) 전체 반응 : Pb＋2H2SO4＋PbO2 ⇄ 2PbSO4↓＋2H2O ㉢ 방전이 일어나면 두 전극의 질량이 모두 증가하고, 황산 용액의 농도가 묽어진다. ㉣ (＋)극인 PbO2는 감극제의 역할도 겸하고 있다. ㉤ 충전하여 다시 사용할 수 있는 2차 전지이다. ④ 연료 전지 ㉠ (C, Pt) H2ㅣKOHㅣO2 (C, Pt) ㉡ (－)극 : 2H2＋4OH－ → 4H2O＋4e－ (산화) (＋)극 : O2＋2H2O＋4e－ → 4OH－ (환원) 전체 반응 : 2H2＋O2 → 2H2O ㉢ 환경 오염을 일으키지 않는다. (4) 전기 분해 ① 전기 분해의 원리 : 전해질의 수용액이나 용융액에 직류 전류를 가하면 양이온은 (－)극으로, 음이온은 (＋)극으로 끌려가 전자를 얻거나 잃고 중성의 물질로 석출된다. ② 전해질 용융액의 전기 분해 ㉠ (－)극 : 양이온＋e－ → 홑원소 물질 (환원 반응) ㉡ (＋)극 : 음이온 → 홑원소 물질＋e－ (산화 반응) ③ 전해질 수용액의 전기 분해 ㉠ (－)극 : 양이온과 H2O 중 환원되기 쉬운 것이 전자를 얻어 먼저 환원된다. ․K＋, Na＋, Ca2＋, Mg2＋, Al3＋ : 환원되기 어려우므로 H2O이 환원되어 H2 기체가 발생하고 수용액의 pH가 증가한다. 2H2O＋2e－ → H2↑＋2OH－ ㉡ (＋)극 : 음이온과 H2O 중 산화되기 쉬운 것이 전자를 잃고 먼저 산화된다. ․SO42－, CO32－, NO3－, PO43－, F－ : 산화되기 어려우므로 H2O이 산화되어 O2 기체가 발생하고 수용액의 pH는 감소한다. 2H2O → 4H＋＋O2↑＋4e－ ㉢ 소금물의 전기 분해 ․(－)극 : 2H2O＋2e－ → H2↑＋2OH－ (환원) ․(＋)극 : 2Cl－ → Cl2＋2e－ (산화) ․용액은 염기성이 된다. ㉣ 황산구리(Ⅱ) 수용액의 전기 분해 ․(－)극 : Cu2＋＋2e－ → Cu (환원) ․(＋)극 : H2O → 2H＋＋1/2O2↑＋2e－ (산화) ․용액은 산성이 된다. ex3) CuCl2 수용액을 구리 전극을 이용하여 전기 분해할 때 (－)극과 (＋)극에서 일어나는 반응을 화학 반응식으로 나타내어라. (5) 전기 분해에서의 양적 관계 ① 패러데이 법칙 ㉠ 물질을 전기 분해할 때, 생성되거나 소모되는 물질의 양은 흘려준 전하량에 비례한다. 전하량(C)＝전류의 세기(A)×시간(초) ㉡ 일정한 전하량에 의해 생성되거나 소모되는 물질의 양은 각 물질의 ㉡ 에 비례한다. ② 1F＝전자 1몰의 전하량 ＝ 전자 1개의 전하량×아보가드로수 ＝1.6×10-19C×6.02×1023≒96500 C ex4) CuSO4 수용액을 전기 분해할 때 구리 1몰을 얻기 위해서는 얼마만한 전하량이 필요한가? ex5) 묽은 염산에 0.1F의 전류를 흘려 전기 분해할 때 (－)극에서 생성되는 물질은 무엇이며, 그 양은 몇 몰인가? ex6) 질산은(AgNO3) 수용액과 미지 금속의 질산염 X(NO3)2이 녹아 있는 수용액을 전기 분해하기 위해 직렬로 연결하였다. 수용액에 0.10A의 전류를 30분간 흘려주었더니 0.060g의 금속 X가 석출되었다. 금속 X의 원자량은 얼마인가? 또 이 때 석출된 은의 질량은 몇 g인가? (단, 은의 원자량은 107.9 이다.)