산화·환원의 정의와 산화수

핵심 정리

산화와 환원은 산소의 이동만으로 한정되지 않는다. 산화는 물질이 산소를 얻거나 전자를 잃거나 산화수가 증가하는 반응이고, 환원은 산소를 잃거나 전자를 얻거나 산화수가 감소하는 반응이다. 산화수는 원자마다 형식적으로 배정하는 값이며 실제 원자의 전하와 언제나 같지는 않다. 반응물과 생성물에서 같은 원소의 산화수를 비교해 변화가 있으면 산화 환원 반응이고, 변화가 없으면 산화 환원 반응이 아니다.

산화수가 증가한 원소는 산화되고, 산화수가 감소한 원소는 환원된다.산화수가 증가하는 원소는 산화된다. 산화수가 감소하는 원소는 환원된다. 산화와 환원은 한 반응에서 함께 일어난다. 다른 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질이 산화제이며, 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화되는 물질이 환원제다.산화제는 자신은 환원되고 다른 물질을 산화시키는 물질이다. 산화 반응이 일어나는 물질은 환원제로 작용한다.

산화수를 정할 때 홑원소 물질은 0, 단원자 이온의 산화수는 이온 전하와 같다. 화합물 전체의 산화수 합은 0이고 다원자 이온에서는 산화수 합이 이온 전하와 같다. 보통 화합물에서 산소는 -2이고, 플루오린은 항상 -1이다. 같은 원소끼리 결합한 결합은 산화수 계산에서 어느 한쪽 원자에 전자를 배정하지 않으므로 산화수에 기여하는 값이 0이다. 공유 결합에서는 전기 음성도가 큰 원자 쪽으로 결합 전자쌍을 배정해 산화수를 계산한다.

자세히

산화·환원을 판정할 때는 반응식의 겉모양보다 원소의 산화수 변화를 기준으로 삼는다. 산소를 얻거나 잃는 반응은 산화·환원의 대표적인 모습이지만, 산소가 반응에 등장하지 않아도 산화 환원 반응일 수 있다. 전자의 이동을 기준으로 보면 전자를 잃는 쪽이 산화되고 전자를 얻는 쪽이 환원된다. 이를 산화수로 나타내면 산화수 증가가 산화, 감소가 환원에 대응한다. 따라서 산화·환원은 한 쌍으로 일어난다. 어떤 원소의 산화수가 증가했다면 같은 반응에서 다른 원소의 산화수는 감소해야 한다. 산화수는 전자의 이동을 추적하기 위해 정한 형식적인 값이므로 실제 전하를 직접 측정한 수치로 해석하지 않는다.

실제 판정은 다음 순서로 하면 된다. 먼저 반응물과 생성물에서 비교할 원소를 찾는다. 다음으로 각 물질에서 그 원소의 산화수를 정하고, 반응 전후 값을 비교한다. 값이 커졌으면 그 원소는 산화되었고, 작아졌으면 환원되었다. 변화가 전혀 없으면 그 원소는 산화되거나 환원된 것이 아니다. 반응에 포함된 모든 원소를 비교해 산화수 변화가 하나라도 확인되면 그 반응은 산화 환원 반응이다. 반응식의 계수는 물질의 양을 나타내며 원자 하나의 산화수를 바꾸지 않는다. 그러므로 계수에 끌려가 산화수의 증가·감소 방향을 거꾸로 읽지 말고, 같은 원소의 반응 전후 값을 직접 비교해야 한다.

산화제와 환원제는 이름만 외우기보다 자기 자신이 어떻게 변하는지로 구분한다. 산화제는 상대 물질을 산화시키는 물질이므로 자기 자신의 산화수는 감소하며 환원된다. 환원제는 상대 물질을 환원시키는 물질이므로 자기 자신의 산화수는 증가하며 산화된다. 따라서 산화되는 물질은 환원제이고, 환원되는 물질은 산화제다. ‘산화시키는 물질’이라는 표현은 상대에게 일으키는 변화를 가리키고, ‘산화되는 물질’은 자기 자신의 변화를 가리킨다. 이 두 관점을 섞으면 산화제와 환원제를 뒤바꾸기 쉽다. 물질의 역할을 판단할 때에는 먼저 그 물질에 포함된 원소의 산화수 변화를 확인한 뒤, 상대 물질에 미치는 작용을 연결한다.

산화수 계산은 정해진 기준값과 전체 합을 이용한다. 홑원소 물질은 원자가 결합해 있어도 원소 자체로 이루어진 물질이므로 산화수가 0이다. 단원자 이온은 전하량이 곧 산화수다. 화합물에서 산소의 산화수는 보통 -2이고, 플루오린의 산화수는 항상 -1이다. 화합물 전체는 전기적으로 중성이므로 구성 원자들의 산화수 합이 0이다. 다원자 이온은 전체 전하를 가지므로 산화수 합이 그 이온의 전하와 같다. 모르는 산화수를 문자로 놓고 합의 관계를 세우면 나머지 원소의 산화수를 구할 수 있다. 계산 뒤에는 산화수 합이 전체 전하와 맞는지 확인한다.