산화-환원 반응

[dhleepaul]

산화-환원 반응

1. • 4.3: 산-염기 반응
   • 4.5: 용액 농도

학습 목표

• 용액 내 산화-환원 반응을 규명하기 위해서입니다.

산화라는 용어는 금속이 공기 중 산소와 반응하여 금속 산화물을 생성하는 반응을 설명하는 데 처음 사용되었습니다. 예를 들어, 철이 물이 있는 공기 중에 노출되면 철이 녹으로 변하는데, 이는 산화철입니다. 공기 중에 노출되면 알루미늄 금속은 표면에 연속적이고 투명한 알루미늄 산화물층을 형성합니다. 두 경우 모두 금속은 산소 분자의 중성 산소 원자로 전자를 전달함으로써 양전하를 얻습니다. 그 결과 산소 원자들은 음전하를 얻고 산화 이온(O2−). 금속이 전자를 산소로 잃었기 때문에 산화되었고; 따라서 산화는 전자의 손실입니다. 반대로, 산소 원자들이 전자를 얻었기 때문에 전자가 줄어들었고, 환원은 전자의 증가입니다. 산화가 있을 때마다 반드시 환원이 있어야 합니다. 따라서 이러한 반응들은 산화환원 반응, 줄여서 '산화환원' 반응이라고 합니다.

원래 환원이라는 용어는 금속 산화물을 일산화탄소와 가열했을 때 관찰되는 질량 감소를 의미했으며, 이 반응은 광석에서 금속을 추출하는 데 널리 사용되었습니다. 예를 들어, 고체 구리(I) 산화물을 수소와 함께 가열하면, 순수 구리가 형성될 때 산소 원자가 휘발성 생성물(수증기)으로 손실되기 때문에 질량이 감소합니다. 반응은 다음과 같습니다:

산화-환원 반응은 이제 전자의 전달로 인해 반응물 내 하나 이상의 원소의 산화 상태가 변화하는 반응으로 정의되며, 이는 "산화는 손실, 환원은 이득", 또는 "오일 리그"라는 기억법 뒤에 따른다. 화합물 내 각 원자의 산화 상태는 모든 결합 전자가 전자에 더 강한 원자로 옮겨졌을 때 갖게 될 전하를 의미합니다. 원소 형태의 원자들, 예를 들어 O.2 또는 H2, 는 산화 상태가 0으로 할당된다. 예를 들어, 알루미늄과 산소가 반응하여 산화알루미늄 생성은 다음과 같습니다

\[\ce{ 4 알(s) + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3 (s)} \label{4.4.2} \]

각 중성 산소 원자는 두 개의 전자를 얻고 음전하를 띠어 산화 이온을 형성합니다; 따라서 산소는 생성물 내 산화 상태가 −2이며 환원되었습니다. 각 중성 알루미늄 원자는 산화 상태가 +3인 알루미늄 이온을 생성하기 위해 세 개의 전자를 잃어, 알루미늄이 산화된 것입니다. 알의 결성2O3, 전자는 다음과 같이 전달됩니다(작은 오버셋 숫자는 원소의 산화 상태를 강조합니다):

방정식 \(\ref{4.4.1}\)와 방정식 \(\ref{4.4.2}\)는 산화환원(산화환원) 반응의 예입니다. 산화환원 반응에서는 한 반응물에서 다른 반응물로 전자가 순전이가 발생합니다. 어떤 산화환원 반응에서든, 전기 중성을 유지하기 위해 잃어버린 전자의 총수는 획득한 전자의 총과 같아야 합니다. 예를 들어 방식 \(\ref{4.4.3}\)에서 알루미늄이 잃는 전자 총수는 산소가 얻은 총 전자의 수와 같다:

\[ \begin{정렬*} \text{전자 손실} &= \ce{4 알} \, \text{원자} \times {3 \, e^- \, \text{잃어버림} \over \ce{Al} \, \text{atom} \\[4pt] &= 12 \, e^- \, \text{잃어버림} \label{4.4a} \end{정렬*} \]

\[ \begin{정렬*} \text{전자 획득} &= \ce{6 O} \, \text{atoms} \times {2 \, e^- \, \text{획득} \오버 \ce{O} \, \text{atom}} \\[4pt] &= 12 \, e^- \, \text{획득} \label{4.4b}\end{align*} \]

모든 산화-환원 반응에서 동일한 패턴이 관찰됩니다: 잃어버린 전자의 수는 획득한 전자의 수와 같아야 합니다. 산화환원 반응의 추가 예로, 나트륨 금속과 염소의 반응은 그림 에 나와 있습니다.

산화 상태 할당

이진 이온 화합물의 원소에 산화 상태를 부여하는 것은 간단합니다: 원소들의 산화 상태는 단원자 이온의 전하와 동일합니다. 이전에는 중성 원소가 형성하는 단원자 이온의 전하 기호와 크기를 바탕으로 단순 이온 화합물의 공식을 예측하는 방법을 배웠습니다. 이러한 화합물의 예로는 염화나트륨(NaCl; 그림 ), 산화마그네슘(MgO), 그리고 염화칼슘(CaCl2). 반면 공유 화합물에서는 원자들이 전자를 공유합니다. 하지만 관련된 원소들을 이온성(즉, 결합 전자가 모두 더 매력적인 원소로 이동된 것처럼)으로 취급하여 산화 상태를 할당할 수 있습니다. 공유 공유 화합물의 산화 상태는 다소 임의적이지만, 많은 반응을 이해하고 예측하는 데 유용한 기록 도구입니다.

그림 : 중성 나트륨 원자와 중성 염소 원자의 반응. 그 결과 나트륨에서 염소로 전자 하나가 이동하여 이온 화합물인 NaCl이 형성됩니다.나트륨 원자는 환원제로, 염소는 산화제 역할을 합니다. 결과적으로 나트륨 이온과 염화물 이온에 대해 각각 양의 1과 음의 1 산화 상태가 됩니다.

화학 화합물 내 원자에 산화 상태를 부여하는 규칙 집합은 다음과 같습니다.

산화 상태 할당 규칙

1. 단원자, 이아토믹, 다원자 원소 등 순수 원소에서 원자의 산화 상태는 0이다.
2. 단원자 이온의 산화 상태는 전하와 동일하며, 예를 들어 Na = +1, Cl+−= −1.
3. 화학 화합물 내 플루오린의 산화 상태는 항상 −1입니다. 다른 할로겐도 일반적으로 산소나 다른 할로겐과 결합하지 않는 한 산화 상태가 −1입니다.
4. 수소는 비금속 화합물에서는 산화 상태가 +1, 금속이 포함된 화합물에서는 산화 상태가 −1로 할당됩니다.
5. 화합물에서는 산소가 일반적으로 −2의 산화 상태로 할당되지만, 두 가지 예외가 있습니다: 산소-플루오린 또는 산소-산소 결합을 포함하는 화합물에서는 산소의 산화 상태가 존재하는 다른 원소들의 산화 상태에 의해 결정됩니다.
6. 중성 분자 또는 이온 내 모든 원자의 산화 상태의 합은 분자나 이온에 가해지는 전하와 같아야 합니다.

모든 화학 반응에서는 순전하가 보존되어야 하며; 즉, 화학 반응에서는 전자의 총 수가 원자의 총수처럼 일정합니다. 이와 일치하게, 규칙 1은 분자나 이온 내 원자들의 개별 산화 상태의 합이 해당 분자나 이온의 순전하와 같아야 한다고 명시합니다. 예를 들어 NaCl에서는 Na의 산화 상태가 +1이고 Cl은 −1입니다. 순전하는 0이며, 이는 모든 화합물에 해당합니다.

규칙 3이 필요한 이유는 플루오린이 다른 어떤 원소보다 전자를 더 강하게 끌어당기기 때문이며, 그 이유는 6장에서 알게 될 것입니다. 따라서 플루오린은 화학 화합물 내 다른 원자의 산화 상태를 계산하는 기준이 됩니다. 규칙 4는 수소와 비금속(예: 염소)의 화합물과 금속이 함유된 수소 화합물(예: 나트륨)의 화학 차이를 반영합니다. 예를 들어, NaH는 H를 포함합니다.− 이온은 H와 Cl을 형성하는 반면 HCl은+− 이온이 물에 녹았을 때. 규칙 5는 플루오린이 산소보다 전자를 더 끌기 때문에 필요합니다; 이 규칙은 또한 규칙 2 위반을 방지합니다. 따라서 산소의 산화 상태는 OF에서 +2입니다2 하지만 KO에서는 −1/22. O에서 산화 상태가 −1/2임을 유의하세요2 완전히 허용되는 경우입니다.

방정식에서 나타난 산화구리(I) 환원은 이러한 규칙을 어떻게 적용하는지 보여줍니다. 규칙 1은 원소 형태의 원자는 산화 상태가 0이며, 이는 수소와 구리에 적용됩니다. 규칙 4에 따르면, HO의 수소는 산화 상태가 +1이고, 규칙 5에 따르면 CuO와 HO의 산소 모두 산화 상태가 −2입니다. 규칙 6은 분자 또는 공식 단위의 산화 상태 합이 해당 화합물의 순전하와 같아야 한다고 명시합니다. 이는 CuO의 각 Cu 원자가 전하 +1: 2(+1) + (−2) = 0이어야 함을 의미합니다. 따라서 산화 상태는 다음과 같습니다:22222

산화 상태를 할당하면 수소(0 → +1)에서 구리(+1 → 0)로 전자가 순이동했다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 이것은 산화환원 반응입니다. 다시 말해, 잃어버린 전자의 수는 얻은 전자의 수와 같으며, 전하의 순보존 원칙이 존재합니다:

산화 상태는 산화-환원 반응에서 전자의 이동을 시각화하는 데 유용하지만, 원자의 산화 상태와 실제 전하는 단순 이온 화합물에서만 동일하다는 점을 기억하세요. 산화 상태는 전자를 원자에 할당하는 편리한 방법이며, 물질이 겪는 반응 유형을 예측하는 데 유용합니다.

예시: 산화 상태

각 화합물 내 모든 원자에 산화 상태를 할당하세요.

1. 육플루오라이드 황(SF6)
2. 메탄올 (CH3아)
3. 황산암모늄 [(NH4)소4]
4. 마그철석(Fe)3O4)
5. 에탄산(초산) (CH3CO2H)

주어진 공식: 분자 또는 경험적 공식

요청: 산화 상태

전략:

산화 상태가 제시된 규칙에서 명확히 결정할 수 있는 원자(예: 플루오린, 기타 할로겐, 산소, 단원자 이온)부터 시작한다. 그 다음 규칙 1에 따라 존재하는 다른 원자들의 산화 상태를 결정합니다.

해결책:

a. 규칙 3에서 우리는 플루오린이 항상 화합물 내에서 −1의 산화 상태를 가진다는 것을 알고 있습니다. 육플루오라이드 황 내 여섯 개의 플루오린 원자는 총 음전하를 −6으로 만듭니다. 왜냐하면 규칙 1은 중성 분자에서 모든 원자의 산화 상태 합이 0이어야 한다고 요구하기 때문입니다(여기서는 SF6황의 산화 상태는 +6이어야 합니다:

[(6 F 원자)(−1)] + [(1 S 원자) (+6)] = 0

b. 규칙 4와 5에 따르면, 수소와 산소는 각각 +1과 −2의 산화 상태를 가집니다. 메탄올은 순전하가 없으므로 탄소는 산화 상태가 −2여야 합니다:

[(4개의 H 원자)(+1)] + [(1 O 원자)(−2)] + [(1 C 원자)(−2)] = 0

c. 주의하세요 (NH4)2그래서요4 는 다원자 양이온(NH4+) 그리고 다원자 음이온(SO42−) (표 2.4 참조). 각 다원자 이온의 원자에 산화 상태를 별도로 할당합니다. 뉴햄프셔를 위해4+, 수소의 산화 상태는 +1(규칙 4)이므로 질소는 산화 상태가 −3이어야 합니다:

[(4 H 원자)(+1)] + [(1 N 원자)(−3)] = +1, NH의 전하4+ 이온

SO42−의 경우 산소의 산화 상태는 −2(규칙 5)이므로 황은 산화 상태가 +6이어야 합니다:

[(4 O 원자) (−2)] + [(1 S 원자)(+6)] = −2, 황산염 이온에 대한 전하

d. 산소는 산화 상태가 −2(규칙 5)로, 공식당 전체 전하는 −8이다. 이 양전하가 세 개의 철 원자에 의해 균형을 이루어야 하며, 철의 산화 상태는 +8/3이 됩니다:

[(4 O 원자)(−2)]+[(3 Fe 원자)]= 0

분수 산화 상태가 허용되는 이유는 산화 상태가 전자를 추적하는 다소 임의적인 방법이기 때문입니다. 사실, Fe는3O4 Fe가 두 개인 것으로 볼 수 있습니다.3+ 이온과 Fe 1개2+ 이온은 공식당 +8의 순전하를 제공합니다. Fe3O4 자기 철광석으로, 일반적으로 자철석이라고 불립니다. 고대에는 자철석이 '로드스톤'으로 알려졌는데, 이는 북극성을 향하는 원시 나침반을 만드는 데 사용되었기 때문이며, 이를 '로데스타'라고 불렀다.

e. 처음에는 CH의 구성 요소에 산화 상태를 할당합니다3CO2다른 화합물과 마찬가지로 수소를 사용합니다. 수소와 산소는 산화 상태가 +1과 −2(각각 규칙 4와 5)를 가지므로, 수소와 산소의 총 전하는 다음과 같습니다.

[(4개의 H 원자)(+1)] + [(2개의 O 원자)(−2)] = 0

따라서 탄소의 산화 상태도 0이어야 합니다(규칙 6). 하지만 이는 두 탄소 원자에 대한 평균 산화 상태입니다. 각 탄소 원자는 서로 다른 원자 집합이 결합되어 있기 때문에 산화 상태가 다를 가능성이 큽니다. 개별 탄소 원자의 산화 상태를 결정하기 위해 우리는 이전과 동일한 규칙을 사용하지만, 같은 원소 원자 간의 결합이 그 원자들의 산화 상태에 영향을 미치지 않는다는 가정을 추가합니다. 메틸기의 탄소 원자(−CH3) 는 세 개의 수소 원자와 하나의 탄소 원자와 결합되어 있습니다. 규칙 4에서 수소의 산화 상태가 +1임을 알고 있으며, 탄소 원자의 산화 상태를 계산할 때 탄소-탄소 결합은 무시할 수 있다고 방금 말했습니다. 메틸기가 전기적으로 중성이기 위해서는 탄소 원자가 −3의 산화 상태를 가져야 합니다. 마찬가지로, 카복실산기의 탄소 원자(−CO2H)는 탄소 원자 하나와 산소 원자 두 개에 결합되어 있습니다. 다시 결합된 탄소 원자를 무시하고, 산소와 수소 원자에 각각 −2와 +1의 산화 상태를 부여하여 순전하가 다음과 같습니다

[(2 O 원자)(−2)] + [(1 H 원자)(+1)] = −3

전기적으로 중성적인 카복실산기를 얻으려면 이 탄소의 전하가 +3이어야 합니다. 따라서 아세트산 내 개별 원자의 산화 상태는 다음과 같습니다

따라서 두 탄소 원자의 산화 상태의 합은 실제로 0이 됩니다.

운동 : 산화 상태

각 화합물 내 모든 원자에 산화 상태를 할당하세요.

1. 불화바륨(BaF2)
2. 포름알데히드 (CH2O)
3. 이크롬산칼륨 (K2크리얼2O7)
4. 산화세슘(CsO2)
5. 에탄올(CH3CH2아)

답변 a답변 b답변 c답변 d답변 e

산화환원 반응의 종류

많은 화학 반응 유형이 산화환원 반응으로 분류되며, 모든 것을 외우기는 불가능합니다. 하지만 여러분이 경험할 가능성이 높고 익숙해야 할 몇 가지 중요한 산화환원 반응 유형이 있습니다. 이들은 다음과 같습니다:

• 합성 반응: 원소에서 직접 생성되는 화합물은 산화환원 반응입니다. 예를 들어, 수소와 산소에서 물이 생성되는 경우는 다음과 같습니다:
• 분해 반응: 반대로, 화합물이 원소로 분해되는 과정도 산화환원 반응으로, 물의 전기분해와 같이 다음과 같습니다:
• 연소 반응: 많은 화학물질이 산소와 함께 연소(연소)합니다. 특히, 탄화수소와 같은 유기 화학물질은 산소가 존재하는 상태에서 연소하여 이산화탄소와 물을 생성합니다. 다음과 같은 결과물들입니다:

다음 절에서는 또 다른 중요한 산화환원 반응 범주인 용액 내 금속의 단일 변위 반응에 대해 설명합니다.

수용 용액 내 고체 금속의 산화환원 반응

• 널리 알려진 산화-환원 반응 범주는 산이나 금속염의 수용액과 고체 금속의 반응입니다. 예를 들어, 자동차 녹슬기와 같은 금속 물체의 부식이 있습니다(그림 ). 녹은 Cl 이온(사실상 희석된 HCl), 철금속, 산소를 포함하는 희석산 용액을 이용한 복잡한 산화-환원 반응에서 형성됩니다. 물체가 녹슬면 철 금속은 HCl(aq)과 반응하여 염화철(II)과 수소 가스를 생성합니다: −
•  
• 1. 알루미늄 호일 스트립을 질산은 수용액에 넣습니다.
  2. 납(II) 아세테이트 수용액에 액체 수은 몇 방울을 첨가합니다.
  3. 자동차 배터리에서 나온 일부 황산이 실수로 납 케이블 단자에 흘러나옵니다.
  1. 도표의 활성열 내에서 반응물들을 위치시키고, 상대적 위치로 반응이 일어날지 예측하세요. 반응이 발생하면 어떤 금속이 산화되고 어떤 금속이 환원되었는지 구분하세요.
  2. 산화환원 반응의 순이온 방정식을 작성하세요.
  1. 알 루미늄은 활성 계열에서 은 위에 위치한 활성 금속이므로, 반응이 일어날 것으로 예상됩니다. 상대적 위치에 따라 알루미늄은 산화되어 용해되며, 은 이온은 은 금속으로 환원됩니다. B 순이온 방정식은 다음과 같습니다:
  2. 활성 계열에서 납 아래에 수은이 있어 반응이 일어나지 않습니다.
  3. 활성 계열에서 납은 수소보다 위에 있으므로 납 단자가 산화되고, 산은 환원되어 수소를 형성합니다2. B 용해도에 대해 논의한 것에서 기억하세요: Pb2+ 그리고 그래서42− 불용성 납(II) 황산염을 형성합니다. 이 경우 황산염 이온은 스펙테이터 이온이 아니며, 반응은 다음과 같습니다:
  1. 크롬 금속 스트립을 염화알루미늄의 수용액에 넣습니다.
  2. 아연 스트립을 크롬(III) 질산염 수용액에 넣습니다.
  3. 알루미늄 호일 한 조각을 식초가 담긴 유리잔에 떨어뜨립니다(활성 성분은 아세트산입니다).

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4.4: 산화-환원 반응은 CC BY-NC-SA 3.0 라이선스 하에 공유되며, LibreTexts가 저술, 리믹스 및/또는 큐레이션했습니다.

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2. • 4.3: 산-염기 반응
   • 4.5: 용액 농도

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