산화 환원 반응식과 산화제·환원제

핵심 정리

산화 환원 반응은 반응 전후에 원소의 산화수가 변하는 반응이다. 산화수의 증가를 산화, 감소를 환원이라 하며, 한 반응에서 산화와 환원은 함께 일어난다. 산화수가 증가한 물질은 전자를 잃은 것이므로 환원제이고, 산화수가 감소한 물질은 전자를 얻은 것이므로 산화제다. 산화수가 증가하여 전자를 잃는 물질은 환원제이다.

산화제와 환원제는 각각 상대 물질에 일으키는 변화와 자기 자신에게 일어나는 변화를 함께 보고 판별한다. 산화제는 다른 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질이다. 환원제는 자신이 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 물질이다. 산화되는 물질은 환원제이고 환원되는 물질은 산화제이다.

산화 환원 반응식의 계수는 각 원소의 원자 수와 전하가 보존되도록 정한다. 산화되는 물질이 내놓는 전자 수와 환원되는 물질이 받아들이는 전자 수는 같다.산화 환원 반응에서 산화제가 얻은 전자 수와 환원제가 잃은 전자 수는 같다. 따라서 산화수 변화에 참여하는 원자 수와 산화수 변화량을 함께 고려하면 계수의 비를 구할 수 있다.

자세히

산화와 환원을 판단할 때는 물질 이름이나 반응식의 어느 쪽에 적혔는지만 보지 않는다. 먼저 반응 전후에 같은 원소의 산화수를 비교한다. 산화수가 커지면 그 원소는 산화된 것이고, 작아지면 환원된 것이다. 산화수는 전자가 원자 사이에 완전히 옮겨 간다고 가정할 때 원자에 배정하는 값이다. 실제 이온의 전하와 같은 경우도 있지만, 공유 결합을 이루는 물질에서는 산화수와 실제 전하를 구별해야 한다. 화학식에서 원소의 산화수를 정할 때에는 화합물 전체의 산화수 합이 전체 전하와 같다는 조건을 이용한다. 중성 분자는 합이 0이고, 다원자 이온은 합이 그 이온의 전하와 같다. 이 조건을 적용하면 한 원소의 산화수가 미지수일 때 나머지 원소의 산화수를 이용해 구할 수 있다.

먼저 산화수가 변한 원소를 찾고, 그다음 해당 물질이 산화제인지 환원제인지 판단한다. 산화수가 증가한 원소를 포함하는 물질은 전자를 내놓은 쪽이므로 환원제다. 산화수가 감소한 원소를 포함하는 물질은 전자를 받은 쪽이므로 산화제다. 말로 된 정의만 외우면 산화제는 산화되는 물질이라고 잘못 연결하기 쉽다. 그러나 이름의 기준은 상대에게 일으키는 작용이다. 산화제는 상대를 산화시키기 때문에 산화제이고, 그 과정에서 자신은 전자를 얻어 환원된다. 환원제는 상대를 환원시키기 때문에 환원제이고, 자신은 전자를 잃어 산화된다. 물질의 역할을 물으면 먼저 그 물질에 포함된 원소의 산화수 변화를 확인한다. 상대에게 미치는 변화는 그 결과와 반대 방향으로 나타난다.

전자 이동으로 표현하면 산화는 전자를 잃는 과정이고 환원은 전자를 얻는 과정이다. 이 두 과정은 한 반응 안에서 짝을 이룬다. 전자를 내놓은 물질이 있으면 그 전자를 받아들이는 물질도 있어야 하며, 전자는 반응식 전체에서 사라지거나 새로 생기지 않는다. 따라서 산화되는 물질이 잃은 전자 수와 환원되는 물질이 얻은 전자 수가 일치한다. 한 원자가 산화수를 여러 단위만큼 바꾸면 그 변화량을 전자 수에 반영하고, 해당 원자가 여러 개이면 원자 수도 함께 반영한다. 이 점을 놓치면 산화수 변화가 확인되더라도 계수의 비를 잘못 잡을 수 있다. 전자 수를 맞추는 것은 반응물과 생성물의 원자 수를 맞추는 일과 별도의 조건이 아니라, 계수를 정하는 과정에 함께 적용되는 보존 조건이다.

반응식을 맞출 때에는 우선 산화수가 변하는 원소를 표시하고, 각 원소의 산화수 변화가 얼마인지 살핀다. 이어 산화되는 쪽과 환원되는 쪽의 전자 이동을 비교해 전자 수가 같아지도록 계수의 비를 정한다. 그 뒤 식의 양쪽에서 원자 수를 비교하고, 이온 반응식이라면 양쪽의 전하도 비교해 계수를 조정한다. 계수를 바꿀 때에는 화학식 아래의 원자 수를 바꾸는 것이 아니라 화학식 앞의 계수를 바꾼다. 계수는 식 전체의 물질량 비를 나타내므로, 하나를 바꾸면 해당 물질을 이루는 모든 원자의 수와 그 물질의 전체 전하가 함께 달라진다. 그래서 원자만 맞고 전하가 맞지 않는 식은 완성된 반응식이 아니다. 반대로 전하만 맞고 원자 수가 맞지 않아도 보존을 만족하지 않는다. 산화 환원 반응식에서 반응 계수는 원자 보존과 전자 보존을 만족하도록 정해진다.

표의 역할 구분은 물질이 반응에서 실제로 어떤 변화를 겪는지를 기준으로 한다. 원소가 들어 있는 물질 전체를 판별할 때에는 산화수가 변한 원소가 그 물질에 속하는지 확인한다. 산화수가 변하지 않은 다른 원소까지 모두 산화 또는 환원되었다고 말할 수는 없다. 다만 그 물질에 산화수가 변한 원소가 포함되어 있으면 그 물질은 산화제나 환원제로 작용할 수 있다. 반응식에 한 물질이 여러 원소로 이루어져 있을 때에는 화학식 전체를 한 덩어리로 보고 이름만 외우지 말고, 먼저 변한 원소를 찾아야 한다.