화학 고2 역동적인 화학 반응

산화수

Q: 산화수가 분수로 나오기도 하나요?

네. Fe3O4에서 철의 평균 산화수는 +83입니다. 실제로는 +2인 철과 +3인 철이 섞여 있는데, 산화수 규칙은 그것을 평균으로 계산하기 때문입니다. 산화수가 실제 전하가 아니라 계산 규칙이라는 증거이기도 합니다.

Q: 산화수 규칙끼리 충돌하면 어떤 걸 우선하나요?

위쪽 규칙이 이깁니다. 순서는 (1) 홑원소 물질은 0, (2) 단원자 이온은 전하와 동일, (3) 플루오린은 항상 -1, (4) 1·2족 금속, (5) 수소 +1, (6) 산소 -2입니다. NaH에서 나트륨 규칙이 수소 규칙보다 앞서므로 수소가 -1로 밀리는 것입니다.

원자가 이온 결합하였다고 가정할 때 갖는 가상적 전하로, 산화·환원 반응을 추적하는 데 사용된다.

결합한 원자들이 마치 이온 결합을 한 것처럼, 공유 전자쌍을 전기 음성도가 큰 쪽이 모두 가져갔다고 가정했을 때 각 원자가 갖게 되는 가상의 전하입니다.

전자를 주고받는 거래의 '장부'라고 보면 됩니다. 실제로 전자가 완전히 넘어가지 않아도, 누가 이득을 보고 누가 손해를 봤는지 숫자로 적어 두면 반응 전후를 비교하기 쉬워집니다.

쉽게 말하면

산화·환원을 '전자의 이동'으로 정의하면 문제가 하나 생깁니다. $H_{2} + C l_{2} \to 2 HCl$ 처럼 전자가 완전히 넘어가지 않고 그냥 치우치기만 하는 반응에서는, 전자가 몇 개 이동했는지 셀 수가 없습니다. 그래서 화학자들은 '전자를 아예 전기 음성도가 큰 원자가 다 가져갔다고 치자'는 가상의 규칙을 만들었습니다. 그 결과가 산화수입니다.

규칙은 몇 개 안 됩니다. 홑원소 물질 속 원자는 $0$ , 단원자 이온은 그 이온의 전하와 같은 값, 화합물에서 산소는 보통 $- 2$ , 수소는 보통 $+ 1$ 입니다. 그리고 한 화합물 안에 있는 모든 원자의 산화수 합은 $0$ , 다원자 이온이면 그 이온의 전하와 같습니다. 이 마지막 규칙이 사실상 계산의 전부입니다 — 나머지를 아는 원자에 대입하고 모르는 원자를 미지수로 두면 됩니다.

이렇게 정해 두면 산화·환원 반응을 눈으로 확인할 수 있습니다. 반응 전후로 산화수가 커진 원자는 전자를 잃었으니 산화된 것이고, 작아진 원자는 전자를 얻었으니 환원된 것입니다. 산소가 오가지 않는 반응에서도 산화·환원을 판정할 수 있게 해 주는 것이 산화수의 존재 이유입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$H_{2} S O_{4}$ 에서 황(S)의 산화수

$2 (+ 1) + x + 4 (- 2) = 0 \Rightarrow x = + 6$

수소는 $+ 1$ , 산소는 $- 2$ , 화합물 전체의 합은 $0$ 입니다. 아는 값을 먼저 넣고 황만 미지수로 두면 한 줄로 끝납니다.
예시 2

$C r_{2} O_{7}^{2 -}$ 에서 크로뮴(Cr)의 산화수

$2 x + 7 (- 2) = - 2 \Rightarrow x = + 6$

다원자 이온에서는 합이 $0$ 이 아니라 이온의 전하인 $- 2$ 가 됩니다. 여기서 실수하는 학생이 많습니다.
예시 3

예외가 있는 자리들

과산화 수소 $H_{2} O_{2}$ 의 산소는 $- 2$ 가 아니라 $- 1$ 입니다. 산소끼리 결합( $O - O$ )한 전자쌍은 전기 음성도가 같아 어느 쪽도 가져가지 못하기 때문입니다. 금속 수소화물 $NaH$ 의 수소도 $+ 1$ 이 아니라 $- 1$ 입니다 — 나트륨보다 수소의 전기 음성도가 크기 때문입니다.

순서대로 하면

산화수 구하는 순서

1홑원소 물질인지 확인합니다. $O_{2}$ , $C l_{2}$ , $Fe$ 처럼 한 종류 원소로만 되어 있으면 산화수는 무조건 $0$ 입니다.
2전체의 합이 얼마여야 하는지 정합니다. 중성 화합물이면 $0$ , 다원자 이온이면 그 이온의 전하입니다.
3확실한 원자부터 채웁니다. 1족 금속 $+ 1$ , 2족 금속 $+ 2$ , 플루오린 $- 1$ , 산소 $- 2$ , 수소 $+ 1$ .
4남은 원자를 $x$ 로 두고 방정식을 풀어 미지수를 구합니다.
5과산화물( $H_{2} O_{2}$ )이나 금속 수소화물( $NaH$ )이 아닌지 마지막으로 확인합니다.

자주 하는 오해

산화수를 그 원자가 실제로 띠는 전하라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

H_{2} O

의 산소는 산화수가

- 2

니까 전자를 2개 통째로 빼앗아

O^{2 -}

가 되어 있다

실제로는물 분자의 산소는 실제로는

- 2

가 아니라 부분 전하(

δ^{-}

)만 띱니다.

- 2

는 '공유 전자쌍을 전부 산소가 가졌다고 치면'이라는 가정 위에서만 성립하는 숫자입니다.

물은 공유 결합 물질이지 이온 결합 물질이 아닙니다. 산화수는 실제 전하를 재는 값이 아니라, 반응 전후를 비교하려고 통일한 회계 규칙입니다. 실제 전하를 재는 값이 아니라 '비교용 눈금'이라는 점을 놓치면 분수 산화수(

F e_{3} O_{4}

의 철)가 왜 가능한지 영원히 이해할 수 없습니다.

산소는 언제나

- 2

, 수소는 언제나

+ 1

이라고 외우기

이렇게 생각하기 쉬움

H_{2} O_{2}

에서 산소가

- 2

이므로 수소는

+ 2

여야 한다

실제로는

H_{2} O_{2}

에서 수소는

+ 1

그대로이고, 산소가

- 1

입니다.

산화수의 진짜 기준은 '전기 음성도가 큰 쪽이 전자를 가져간다'입니다.

- 2

나

+ 1

은 그 기준에서 나온 결과일 뿐 규칙 그 자체가 아닙니다. 같은 원소끼리 결합하면(

O - O

C - C

) 어느 쪽도 전자를 못 가져가므로 그 결합은 산화수 계산에 기여하지 않습니다. 수소는

+ 2

가 될 수 없습니다 — 전자가 하나뿐이라 두 개를 잃을 방법이 없습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

없음 — 이 개념이 출발점입니다

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

산화·환원 반응고2

같은 단원의 개념 — 역동적인 화학 반응

당량점과 지시약고2 산·염기의 정의(아레니우스·브뢴스테드)고2 산화·환원 반응고2 중화 반응고2 중화 적정고2

자주 묻는 질문

Q1산화수와 원자가는 같은 건가요?

다릅니다. 원자가는 그 원자가 만드는 결합의 개수에 가깝고, 부호가 없습니다. 산화수는 부호가 있고 전자를 누가 가져갔는지를 따집니다. 예를 들어

C H_{4}

와

C O_{2}

에서 탄소는 둘 다 결합을 4개 만들지만, 산화수는 각각

- 4

와

+ 4

로 정반대입니다.

Q2산화수가 분수로 나오기도 하나요?

네.

F e_{3} O_{4}

에서 철의 평균 산화수는

+ \frac{8}{3}

입니다. 실제로는

+ 2

인 철과

+ 3

인 철이 섞여 있는데, 산화수 규칙은 그것을 평균으로 계산하기 때문입니다. 산화수가 실제 전하가 아니라 계산 규칙이라는 증거이기도 합니다.

Q3산화수 규칙끼리 충돌하면 어떤 걸 우선하나요?

위쪽 규칙이 이깁니다. 순서는 (1) 홑원소 물질은

0

, (2) 단원자 이온은 전하와 동일, (3) 플루오린은 항상

- 1

, (4) 1·2족 금속, (5) 수소

+ 1

, (6) 산소

- 2

입니다.

NaH

에서 나트륨 규칙이 수소 규칙보다 앞서므로 수소가

- 1

로 밀리는 것입니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 역동적인 화학 반응 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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