화학 고2 역동적인 화학 반응

산화·환원 반응

Q: 중화 반응은 산화·환원 반응인가요?

아닙니다. H+ + OH- → H2O에서 수소는 반응 전후 모두 +1, 산소는 모두 -2입니다. 산화수가 하나도 변하지 않으므로 전자가 이동하지 않았고, 따라서 산화·환원이 아닙니다. 이온이 자리만 바꾼 반응입니다.

전자를 잃는 산화와 전자를 얻는 환원이 항상 동시에 일어나는 반응이다.

한 물질이 전자를 잃는 산화와 다른 물질이 그 전자를 얻는 환원이 반드시 짝을 이루어 동시에 일어나는 반응입니다.

전자를 '주고받는 거래'라고 생각하세요. 파는 사람이 있으면 반드시 사는 사람이 있습니다. 전자를 버릴 곳 없이 혼자 산화되는 물질은 존재하지 않습니다.

쉽게 말하면

산화·환원의 정의는 역사적으로 세 번 넓어졌습니다. 처음에는 '산소를 얻으면 산화'였고, 다음에는 '수소를 잃으면 산화'였으며, 지금은 '전자를 잃으면 산화'입니다. 앞의 두 정의는 뒤의 정의에 포함되는 특수한 경우일 뿐입니다. 그리고 전자가 몇 개 오갔는지 세는 도구가 산화수입니다 — 반응 전후로 산화수가 커지면 산화, 작아지면 환원입니다.

중학교에서 배운 산화·환원·중화의 분류를 여기서 다시 만나지만, 이제는 산소가 등장하지 않는 반응도 판정할 수 있습니다. 예를 들어 $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ 에는 산소가 한 개도 없지만, 아연의 산화수가 $0 \to + 2$ 로 올랐고 구리는 $+ 2 \to 0$ 으로 내려갔으니 명백한 산화·환원 반응입니다.

용어가 헷갈리는 이유는 이름이 상대의 관점에서 붙었기 때문입니다. 산화제는 남을 산화시키는 물질이고, 그러려면 자기가 전자를 받아야 하므로 자신은 환원됩니다. 환원제는 그 반대입니다. '제(劑)'가 붙으면 남에게 하는 일을 가리킨다고 기억하면 덜 헷갈립니다.

잃은 전자 수와 얻은 전자 수는 항상 같습니다. 이 보존 조건이 양적 관계(화학량론)와 만나면, 반응식의 계수를 전자 개수로 맞출 수 있게 됩니다 — 이것이 반쪽 반응식과 산화환원 균형의 출발점입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

금속과 금속 이온 — 아연을 황산 구리 수용액에 넣기

$Zn (s) + C u^{2 +} (a q) \to Z n^{2 +} (a q) + Cu (s)$

푸른 구리 이온 용액이 옅어지고 아연 표면에 붉은 구리가 달라붙습니다. 아연이 전자를 2개 내놓고(산화), 구리 이온이 그것을 받아(환원) 금속이 됩니다. 아연이 환원제, 구리 이온이 산화제입니다.
예시 2

산소가 없어도 산화·환원 — 수소와 염소

$H_{2} + C l_{2} \to 2 HCl$

수소의 산화수가 $0 \to + 1$ 로 올라 산화되고, 염소는 $0 \to - 1$ 로 내려가 환원됩니다. 전자가 완전히 넘어가지는 않고 치우칠 뿐이지만, 산화수는 그 치우침을 숫자로 잡아 줍니다.
예시 3

생명 활동도 결국 산화·환원

세포 호흡은 포도당의 탄소를 산화시켜 $C O_{2}$ 까지 올리고, 그 과정에서 빠져나온 전자를 전자전달계와 산화적 인산화가 최종적으로 산소에 넘겨 물을 만듭니다. 반대로 광합성은 $C O_{2}$ 의 탄소를 환원해 포도당으로 되돌립니다. 화학 시간의 산화·환원과 생물 시간의 대사는 같은 반응을 다른 말로 부르는 것입니다.

산화와 환원 — 무엇이 어느 쪽인가

구분	산화	환원
전자	잃는다	얻는다
산화수	커진다	작아진다
산소	얻는다	잃는다
수소	잃는다	얻는다
그 물질의 역할	환원제	산화제

자주 하는 오해

산화제는 자기도 산화된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움산화제니까 산화되는 물질이다

실제로는산화제는 남을 산화시키는 물질이고, 그 대가로 전자를 받아 자신은 환원됩니다.

전자를 받아야만 남에게서 전자를 빼앗을 수 있습니다. 이름은 '무엇을 하는가'를 가리키고, 그 물질에게 '무슨 일이 일어났는가'는 정반대입니다. 반응식에서 산화수가 내려간 원자를 포함한 물질을 찾으면 그것이 산화제입니다.

산소가 없으면 산화·환원이 아니라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu

에는 산소가 없으니 산화·환원 반응이 아니다

실제로는산소는 흔한 산화제일 뿐, 산화·환원의 정의가 아닙니다. 전자가 오가면 — 즉 산화수가 변하면 — 산화·환원입니다.

산소 중심 정의는 연소 연구에서 나온 역사적 출발점입니다. 현재의 정의는 전자 이동이며, 산소가 등장하는 반응은 그 중 산소가 강한 산화제로 참여한 경우일 뿐입니다. 반대로 산소가 반응식에 등장해도 산화수가 하나도 변하지 않으면 산화·환원이 아닙니다 — 중화 반응이 그 예입니다.