산화와 환원은 반대되는 개념으로, 산화란 고전적으로 산소와 결합한

산화와 환원

8

8.1 산화와 환원 : 세 가지 관점 8.2 산화제와 환원제

8.3 전지화학 : 전지(cell)와 축전지 8.4 부식

8.5 산소 : 풍부하고 꼭 필요한 산화제 8.6 몇 가지 관심의 대상이 되는 환원제들 8.7 산화, 환원 그리고 생물

산화와 환원은 반대되는 개념으로, 산화란 고전적으로 산소와 결합한

다는 의미이다. 금속이 산소와 결합하면 산소에 전자를 빼앗겨 양이

온이 되고, 산소는 음이온으로 변한다. 고전적 개념은 현대에서는 전

자를 잃으면 산화, 얻으면 환원이라고 부른다.

연소와 불연소

산화-환원 반응의 일상적인 예

: 석탄의 연소, 철이 녹스는 것, 얼룩을 제거하는 표백제, 필름이 현상되는 것, 우리가 먹는 음식이 뇌와 근육을 위한 에너지로 전환되는 것 등

산화-환원 반응은 항상 같이 일어남 에너지 측면

- 물질의 환원된 형태 : 높은 에너지 (ex. 음식, 석탄, 휘발유) - 물질의 산화된 형태 : 낮은 에너지 (ex. 이산화탄소, 물)

그림 8.1 산화와 환원은 항상 같이 일어난다. 왼쪽 사진은 중크롬산 암모늄이 연소하는 사진이다. 이 반응 에서 암모늄 이온(NH₄⁺)은 산화되고 중크롬산 이온(Cr₂O₇^2-)은 환원e되면서 상당한 열과 빛이 나온다.

반응식은 다음과 같다. (NH₄)₂Cr₂O₇ →Cr₂O₃ ＋ N₂ ＋ 4 H₂O

물은 수증기로 날아가고 질소 기체도 날아가고 순수한 Cr O 만이 남는다 (오른쪽).

8.1 산화와 환원 : 세 가지 관점

첫 번째 관점 : 고전적 관점

산화(oxidation) : 산소 원자를 얻음 환원(reduction) : 산소 원자를 잃음

ex) 메탄의 연소반응 ; 산화반응

그림 8.2 산화와 환원의 세 가지 정의

ex) 이산화 납의 분해반응 (높은 온도에서 가열) ; 환원반응

예제 8.1 산화와 환원 - 산소 원자를 얻는 것 또는 잃는 것 다음 각 반응에서 반응물은 산화되는가 또는 환원되는가? (a) Pb → PbO₂ (b) SnO₂ → SnO

(c) KClO₃ → KCl (d) Cu₂O → 2CuO

풀 이

a. 납은 산소원자를 얻음 ⇒ 산화 b. 주석은 산소원자를 잃음 ⇒ 환원 c. 왼쪽화합물은 산소를 잃음 ⇒ 환원 d. 구리는 산소를 얻음 ⇒ 산화

두 번째 관점

산화(oxidation) : 수소 원자를 잃음 환원(reduction) : 수소 원자를 얻음

ex) 메틸 알코올(CH₃OH)을 구리 철망 (촉매로 작용)을 통과시키면 포름알데하이드 와 수소 기체 생성 ; 산화

ex) 메틸 알코올은 일산화탄소와 수소의 반응으로 만들어짐 ; 환원

3 2 2

CH OH   CH O H 

2 3

2

CO  H   CH OH

산화의 역반응은 환원이다.

예제 8.2 산화와 환원 - 수소 원자를 얻는 것 또는 잃는 것 다음 각 반응에서 반응물은 산화되는가 또는 환원되는가? (아래의 화학식은 완전한 화학식이 아니다.)

(a) C₂H₆O → C₂H₄O (b) C₂H₂ → C₂H₆ 풀 이

a. 왼쪽 화합물은 수소원자를 잃음 ⇒ 산화 b. 왼쪽 화합물은 수소원자를 얻음 ⇒ 환원

세 번째 관점 : 가장 폭넓은 정의

산화(oxidation) : 전자를 잃음, 산화수 증가 환원(reduction) : 전자를 얻음, 산화수 감소 ex) 마그네슘 금속이 염소와 반응

그림 8.3 산화수에 대한 산화-환원 정의

2

2

2

Mg Cl    Mg

 Cl

산화

환원

예제 8.3 산화와 환원 – 전자를 얻는 것과 잃는 것

다음 각 반응에서 반응물은 산화되는가 또는 환원되는가? (아래의 화학식은 완전한 화학식이 아니다.)

(a) Zn → Zn²⁺ (b) Fe³⁺ → Fe²⁺ (c) S^2- → S (d) AgNO₃ → Ag

풀 이

a. 산화수가 0에서 2로 증가 ⇒ 산화 b. 산화수가 +3에서 +2로 감소 ⇒ 환원 c. 산화수가 -2에서 0로 증가 ⇒ 산화 d. 산화수(Ag)가 +1에서 0로 감소 ⇒ 환원

산화

환원

8.2 산화제와 환원제

산화제 : 환원되는 물질 환원제 : 산화되는 물질

예제 8.4 산화제와 환원제

다음 반응에서 산화제와 환원제를 찾아라.

(a) 2C + O₂ → 2CO₂ (b) N₂ + 3H₂ → 2NH₃

(c) SnO + H₂ → Sn + H₂O (d) Mg + Cl₂ → Mg²⁺ + 2Cl^- 풀 이

a. C는 산소를 얻어서 산화됨 ⇒ 환원제, ∴ O₂는 산화제 b. N₂는 수소를 얻어서 환원됨 ⇒ 산화제, ∴ H₂는 환원제 c. SnO는 산소를 잃어서 환원됨 ⇒ 산화제, ∴ H₂는 환원제 d. Mg는 전자를 잃어서 산화됨 ⇒ 환원제, ∴ Cl₂는 산화제 본인이 산화되면 상대를 환원시킨다: 환원제

본인이 환원되면 상대를 산화시킨다: 산화제

8.3 전지화학 : 전지(cell)와 축전지

그림 8.4 산화-환원반응 의 응용

그림 8.5 전기화학전지.

전기화학전지(electrochemical cell)의 예 (구리 – 은 전지) 구리선 코일을 질산은 용액에 담가두면 구리 원자는 전자를

은 이온에게 준다. 구리는 용액 안으로 녹아 들어가고 구리(Ⅱ) 이온 때문에 용액은 푸르게 변한다.

은 이온은 바늘 형태의 은 금속으로 석출된다.

⇒ 구리는 산화되고 은 이온은 환원됨

- 전극(electrode) : 전자 전달이 일어나는 두 금속 - 음극(anode) : 산화반응이 일어나는 전극 (왼쪽) - 양극(cathode) : 환원반응이 일어나는 전극 (오른쪽) - 반쪽반응식

산화 : 환원 : 전체반응 :







 Cu aq e s

Cu ( )

( ) 2 ) ( 2 2

) (

2 Ag

aq  e

 Ag s

) ( 2 ) ( )

( 2

)

( s Ag aq Cu

aq Ag s

Cu 





전자의 이동이 산화/환원반응이다.

예제 8.5 산화와 환원 반쪽반응

다음 반응을 2개의 반쪽반응식, 즉 산화 반쪽반응과 환원 반쪽반응으로 나타내라.

Mg + Cl₂ → Mg²⁺ + 2Cl^- 풀 이

산화 : Mg → Mg²⁺ + 2e^- 환원 : Cl₂ + 2e^- → 2Cl^-

예제 8.6 산화-환원 반응 균형 맞추기

다음 반쪽반응의 균형을 맞추고 이들을 합하여 전체 균형 반응식을 만들어라. Sn²⁺ → Sn⁴⁺ Bi³⁺ → Bi

풀 이 산화 : Sn²⁺ → Sn⁴⁺ + 2e^- ] × 3 환원 : Bi³⁺ + 3e^- → Bi ] × 2

전체반응 : 3Sn²⁺ + 2Bi³⁺ → 3Sn⁴⁺ + 2Bi

산화/환원반응은 항상 동시에 일 어나므로 2개로 분리하여 반응 식을 적을 수 있다. 산화반응식 과

환원반응식이다.

전자의 개수는 항상 같아야 한다.

감광 유리

- 일반렌즈 : 규산염으로 이루어져 있어 가시광선을 통과시킴 (무색 투명함)

- 감광렌즈 : 빛에 노출되면 렌즈가 어두워짐 ⇒ 빛에 대한 산화-환원 반응 결과

⇒ 염화은(AgCl)과 염화구리(Ⅰ) (CuCl) 결정이 유리에 고르게 분포되 어 있음

산화 : 환원 :

⇒ 빛의 강도에 의해 검어지는 정도가 달라짐

⇒ 렌즈를 빛이 없는 곳에 두면 빛에 의해 생성됨 염소 원자가 구리(Ⅰ) 이온에 의해 환원됨

그림 감광 유리는 빛에 의해 검게 된다

Cl

  Cl  e

Ag

 e

  Ag

Cl  Cu

  Cu

 Cl

Cu

 Ag   Cu

 Ag

원래의 상태로 돌아간다

그림 8.6 아연-탄소 전지의 단면

그림 8.7 납-산 축전지 의 단면

건전지 : 많은 종류의 건전지가 개발되었으며, 1회용은 1차 전지, 충전식은 2차 전지라고 부른다.

알칼리 건전지

- 환원반쪽반응(양극) - 산화반쪽반응(음극)

- 전체반응

납 축전지

- 환원반쪽반응(양극) - 산화반쪽반응(음극)

- 전체반응







 Zn aq e s

Zn ( )

( ) 2

) ( 2

) ( 2

) ( )

(

2 MnO

s  H

O l  e

 Mn

O

s  OH

aq

) ( 2

) ( )

( )

( )

( 2

)

( s MnO

s H

O l Zn

aq Mn

O

s OH aq

Zn   

 



 

 SO aq PbSO s e s

Pb ( )

( )

( ) 2

) ( 2

) ( 2

) ( )

( 4 )

(

2

s H aq SO aq e PbSO s H O l

PbO 





 

) ( 2

) ( 2

) ( 2

) ( )

( s PbO

s H

SO

aq PbSO

s H

O l

Pb    

납 축전지의 기전력은 1.5V이지만 직렬연결로 전압을 높인다.

산화전극 환원전극

산화전극

환원전극

다른 전지들 : 많은 충전식 전지가 개발되었다. 그 중에서 기전력이 높고, 가벼운 것 이 리튬이온전지이다.

리튬전지

- 리튬 – SO₂ 전지 : 잠수함과 주피터 같은 탐사용 로켓에 사용 - 리튬 – 요오드 전지 : 심장박동 조절장치에 사용

- 리튬 – FeS₂ 전지 : 카메라, 라디오, CD 플레이어에 사용 Ni – Cad 전지

- 재충전 가능한 전지

- 휴대용 라디오나 무선 가전기기에 사용

연료 전지 : 많이 연구되고 있는 실용성이 높은 전지이다.

- 화석연료가 연소하여 전기를 생산할 때 연소 에너지의 이용 : 35-40%

- 연료전지에서의 에너지 이용 : 70-75%

- 연료전지의 예

: 수산화칼륨 용액에 백금, 니켈, 로듐 전극을 가지고 있는 수소를 이용 전기 분해

- 외부에서 공급된 전기가 화학반응을 일어나게 함

- 크롬도금 : 크롬 이온(Cr⁶⁺) 용액에 전류를 통과시켜 이루어짐

Figure 18.15 A Mercury Battery of the Type Used in Calculators

Anodes, oxidation:

Zn(s) + 2OH

(aq) → ZnO(s) +H

O(l) +2e

Cathode, reduction:

HgO(s) + H O(l) + 2e

→ Hg(l) +2OH

(aq)

Makes very small ones

Produce Hg(l).

함부로 버리면 안된다.

Electrical energy can only be obtained if electrons flow through a (closed) external circuit. The following equations are written in units of moles, making it possible to use the coefficient x . During the discharging process, the half-reaction at anode is

Li _x C ₆ → x Li ⁺ +6C + x e ^- and the half-reaction at cathode is

Li _1-x CoO ₂ + x Li ⁺ + x e ^- → LiCoO ₂

In a lithium-ion battery the lithium ions are transported to and from the cathode or anode, with the transition metal, Co, in Li _x CoO

being oxidized from Co

to Co

during charging, and reduced from Co ⁴⁺ to Co ³⁺ during discharge.

Mechanism of Li ion battery

8.4 부식

철의 부식 (녹스는 것) - 철의 산화 :

- 산소의 환원 : - 전체반응 :

- 수산화철(Ⅱ)은 수산화철(Ⅲ)로 더 산화됨 ⇒ 철의 녹

알루미늄의 보호

알루미늄은 철보다 반응성이 크나 부식은 심각하게 일어나지 않음 ⇒ ∵ 알루미늄 표면이 공기 중에서 산소와 반응하여 얇은 산화물 막을 형성함

이 형성된 산화알루미늄 막은 단단하고 질기기 때문에 내부 금속을 보호함

은의 변색

- 은의 변색 : 은 표면이 공기 중이나 음식에 있는 황화수소에 의해 산화됨 - 은의 녹 제거법 : 탄산수소나트륨 용액에서 알루미늄과 접촉







 Fe e Fe

2









 H O e OH

O

2

4 4

2 2

2 2 2 ( )

2

Fe

O

H O

Fe OH

3 2

2

2 2 4 ( )

) (

4

Fe OH

O

H O

Fe OH

그림 8.8 철의 부식에는 물, 산소, 전해질이 필요함

은의 녹은 베이킹 소다 용액에서 알루미늄과 접촉시키면 쉽게 제거

경제적 가치가 높아서 연구가 많이 진행되고 있다.

폭발반응

화학적 폭발 : 산화-환원 반응의 결과 폭발반응에 필요한 화합물

: 나이트로글리세린(다이너마이트의 활성성분), 질산암모늄(비료), 트라이나이트로툴루엔(TNT) 같은 질소화합물

폭발성혼합물의 사용 예 : 폭탄, 광산, 굴착공사, 건물파괴 등 폭발반응식

) ( 122

) ( 17

) ( 52 )

( )

(

52 NH

NO

s  C

H

l  N

g  CO

g  H

O g

가장 손쉽게 만들 수 있는 폭약이다. 질산암모늄은 비료의 일종이다.

화학반응에서 질소기체가 만들어지며, 이것은 고체상태에 비하여 부

피를 엄청 증가시킨다. 따라서 내부 압력이 높아져서 궁극적으로 폭발

하게 된다. 군사용 목적으로 사용되는 폭약은 질소의 함량이 높다.

8.5 산소 : 풍부하고 꼭 필요한 산화제

산소 : 존재하는 곳과 성질 - 가장 흔한 산화제

- 지구상에 있는 가장 중요한 원소 중의 하나 - 사람 몸무게의 거의 2/3를 차지

- 존재 형태

• 대기권에서는 수소와 결합하여 물로 존재

• 암석권에서는 규소(SiO₂), 알루미늄(점토안) 등 다른 원소와 결합하여 존재 - 순수한 산소 : 공기를 액화한 뒤 증류하여 질소와 아르곤을 없애서 얻음

- 나쁜 면 : 부식을 초래, 음식의 부패와 나무를 썩게 함

다른 원소와의 반응

- 금속과 결합하여 금속 산화물 형성

- 비금속과 결합하여 비금속 산화물 형성

산소 없이는 생명체가 살아갈 수 없다. 진

화의 원천이다.

산소 : 화합물과의 반응

산소는 많은 화합물과 반응하여 화합물 안에 있는 하나 이상의 원소를 산화시킴 ex) 황화수소의 연소반응

예제 8.7 반응식 쓰기 : 산소와 다른 원소와의 반응

마그네슘은 공기 중에서 발화시키면 산소와 잘 반응한다. 이 반응의 반응식은?

풀 이

2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s)

예제 8.8 반응식 쓰기 : 산소와 화합물의 반응

매우 가연성이 큰 이황화탄소는 산소와 쉽게 반응하여 푸른색 불꽃을 내며 탄다. 어떤 생성물이 생성되는가? 반응식을 써라.

풀 이

CS₂ + 3O₂ → CO₂ + 2SO₂

2 2 2 2

2 H S g ( ) 3  O g ( )  2 H O l ( ) 2  SO g ( )

오존 : 산소의 다른 형태 - 강력한 산화제

- 해로운 공기 오염물질 - 자극적, 고무파괴

- 성층권의 오존층은 자외선을 차단하여 지구의 생명을 보호

다른 일반적인 산화제들

산화제의 역할 : 소독제, 살균제, 표백제 등으로 사용

ex) 과산화수소(H₂O₂) : 실험실용 30%용액, 가정용 3%용액 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) : 실험실에서 자주 사용

(1) 소독제

- 여드름 치료연고

- 주성분 : 5-10% 과산화벤조일 포함 ⇒ 피부암 유발

그림 과산화수소는 강력한 산화제이다. 과산화수 소 묽은 용액은 살균제 나 머리카락 탈색에 쓰 인다.

오존은 인류에게 장단점이 있다. 성층권의 오

존은 유리하지만 대기권의 오존은 해롭다.

(2) 살균제

- 주성분 : 염소, 차아염소산칼슘(Ca(OCl)₂)

- 염소는 해로운 미생물을 죽이지만 작은 분자를 산화시켜 트라이클로로메탄 같은 해로운 부산물을 생성할 수 있음 - 차아염소산칼슘 : 알칼리성이라 물의 pH를 높임

(3) 표백제

- 천이나 다른 물질로부터 원하지 않는 색을 제거함 - 주성분 : 차아염소산나트륨(NaOCl), 차아염소산칼슘,

과탄산나트륨(Na₂CO₃ 와 H₂O₂의 혼합물) 등

순수한물(왼쪽)은 마른 토마토 소스 얼룩에 영향이 거의 없다.

차아염소산나트륨표백제(오른쪽) 는 토마토 안의 염료를 산화시켜 서 색이 없는 물질로 만듦

유한락스 상표로 시판되고 있다.

8.6 몇 가지 일반적인 환원제들

금속

순수한 금속을 얻기 위해선 화합물은 환원됨 ex) 산화주석(Ⅳ)은 석탄이나 코크스로 환원

SnO₂(s) + C(s) → Sn(s) + CO₂(g)

ex) 산화크롬은 알루미늄과 함께 가열하여 환원 Cr₂O₃(s) + 2Al(s) → Al₂O₃(s) + 2Cr(s)

산화방지제

- 아스코르브산(비타민 C) : 공기 중의 산화를 막아 과일이 갈색으로 변하는 것을 막음 ⇒ 수용성 산화방지제

- 지용성 산화방지제 : 토코페롤(비타민 E), 베타-카로틴(비타민 A 전구체)

철강석으로 부터 철을 만드는 방법도 환원 방법이 사용된다. 고순

도의 철이 만들어진다. Fe

O

+ 3H

→ 2Fe + 3H

O

환원제로의 수소

환원제로 사용되는 수소의 예

- 텅스텐 같은 비싼 금속을 분리하는 데 사용 WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O

- 에틸렌을 에탄으로 환원 C₂H₄ + H₂ → C₂H₆ - 암모니아 합성

N₂ + 3H₂ → 2NH₃ - 물 합성

2H₂ + O₂ → 2H₂O

촉매(catalyst) : 자신은 변하지 않고 반응속도를 증가시키는 물질 ex) 백금, 팔라듐, 니켈 등

활성화 에너지(activation energy) : 반응을 시작시키는 데 필요한 최소한의 에너지

⇒ 촉매의 사용으로 활성화 에너지가 낮아짐

불포화지방산인 생선기름을 수소로 환원시키면

포화지방산이 만들어지며, 이것을 마가린이라

고 부른다. 오랫동안 보관할 수 있다. 트랜스 오

일 이라고 부른다.

수소 자세히 보기

- 질량기준 : 지구 표면의 0.9% 차지

- 원자수로 비교 : 10,000개의 원자 중 1,510수소임. (산소 = 5,330, 규소 = 1,510) - 지구에서 산소와 결합한 물 형태로 존재

- 1A족 원소처럼 전자를 하나 잃어 +1이온 (but 금속은 아님) - 7A족 원소처럼 전자를 하나 얻어 -1이온 (but 할로겐은 아님) - 실험실에서 얻는 방법

: 아연과 염산을 반응시켜 수상 치환법으로 얻음 Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂(g)

그림 8.9 실험실에서 수소 기체는 아연과 염산을 반 응시켜 얻는다.

수소의 우주의 90%를 차지하며, 지구상에서도 물의 주성분 으로 매우 풍부하다. 그러나 기체상태는 폭발의 가능성이 높 다. 다양한 방법으로 공업적으로 만든다.

- 암모니아와 메탄올을 만드는 데 사용됨 - 미래연료로 사용될 가능성 있음

- 특징 : 무색, 무취의 기체

밀도는 공기의 1/14로 가장 가벼움

불꽃에 의해 점화될 수 있음(독일 비행선의 폭발 사고) 1937년

그림 8.10 수소는 가장 부력이 큰 기체이다. 그러나 매우 인화성이 강하다. 수소를 채운 체펠린형 비행선 힌덴부르크의 참화 이후로 수소는 인화성이 없는 헬륨으로 바뀌었다. 사진은 헬륨을 채운 굿이어 소형 비행선이다.

헬륨은 가격이 너무 비싸다.

8.7 산화, 환원 그리고 생물

가장 중요한 산화-환원 반응 : 지구에서 생명을 유지시키는 반응 ex) 탄수화물의 대사과정

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 에너지 : 인간을 포함한 동물에게 끊임없이 일어나는 과정 ex) 광합성 과정 (식물의 대사과정)

6CO₂ + 6H₂O + 에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 광합성(photosynthesis)

- 광합성에 의한 탄수화물은 모든 음식의 궁극적인 원천

- 산소를 생산하는 유일한 자연과정 : 대기중의 이산화탄소를 제거하는 작업

그림 8.11 광합성은 녹색식물에서 일어난다.

광합성 과정을 촉매하는 클로로필 염료는 지구의 육지에 초록색을 띠게 함

8장 강의가 끝났습니다.

수고하셨습니다 .