산화 환원 반응의 양적 관계

핵심 정리

산화·환원 반응의 양적 관계는 산화수 변화와 전자 이동량을 연결해 반응한 물질의 양, 생성된 이온의 양을 구하는 방법이다. 산화는 전자를 잃고 산화수가 증가하는 과정이며, 환원은 전자를 얻고 산화수가 감소하는 과정이다. 두 과정은 한 반응에서 함께 일어나므로, 잃은 전자와 얻은 전자의 양은 반드시 일치한다. 반응식의 계수를 정하거나 실험에서 남은 금속과 생성된 이온을 추론할 때도 이 일치가 기본 조건이다.

금속 원자 하나가 전자를 잃어 양이온이 되면, 금속 원자 수와 양이온의 전하를 이용해 잃은 전자 수를 계산한다. 반응한 금속이온의 양이 몰 단위로 주어졌을 때는 몰수와 산화수 변화량의 곱으로 전자 이동량을 나타낸다. 산화제는 다른 물질에서 전자를 받아 자신은 환원되는 물질이고, 환원제는 전자를 주어 자신은 산화되는 물질이다.

용액의 양이온 수를 구할 때는 각 이온의 생성량을 따로 계산하고, 전체 양이온 수와 전하량을 구별한다. 이온의 전하가 크다고 해서 그 이온의 개수가 같은 비율로 커지는 것은 아니다. 양이온 개수의 비는 전하의 비와 같지 않을 수 있다. 반응 전후의 물질량 보존과 전자 수 보존을 함께 적용하면, 반응한 금속의 양과 생성된 이온의 양을 서로 연결할 수 있다.

자세히

산화 환원 반응을 양적으로 푸는 첫 단계는 반응 전후에 산화수가 변하는 원소를 찾는 것이다. 원자의 산화수가 커졌다면 그 원자는 산화되면서 전자를 내놓았고, 산화수가 작아졌다면 환원되면서 전자를 받아들였다. 산화수 변화의 크기는 한 원자가 주고받은 전자 수를 나타낸다. 같은 원소가 여러 개 반응하거나 물질의 몰수가 주어지면, 원자 하나의 변화량만 보지 말고 반응한 원자의 수 또는 몰수를 함께 곱해야 한다. 따라서 전자 이동량은 반응한 금속 원자 수와 산화수 변화량의 곱으로 정해진다.

예를 들어 일반적인 금속 M이 전자를 잃어 Mᶻ⁺가 되는 과정은 다음처럼 나타낼 수 있다.

M \rightarrow M^{z+}+ze^-

여기서 z는 금속 원자 하나가 내놓는 전자 수이며, 생성되는 양이온의 전하량과 같다. M이 n mol 반응했다면 내놓은 전자의 양은 zn mol이다. 반대로 양이온이 금속 원자로 환원되는 과정에서는 그 양이온의 몰수에 전하량을 곱해 받아들인 전자의 양을 구한다. 전자 수를 세는 대신 몰을 이용해 계산해도 원리는 같다. 계수나 양을 구할 때는 산화되는 쪽에서 내놓은 전자의 양과 환원되는 쪽에서 받은 전자의 양이 같도록 맞춘다. 한쪽에서 정한 양만으로 전체 반응을 확정하지 말고, 다른 쪽의 전자 수와 대조해야 한다.

산화제와 환원제는 반응에서 맡는 역할로 구분한다. 산화제는 상대 물질의 전자를 받아들이므로 자신은 환원되고, 환원제는 상대 물질에 전자를 주므로 자신은 산화된다. 이름만 보고 어느 물질이 산화되는지 판단하면 역할을 뒤바꾸기 쉽다. 물질별 산화수 변화를 먼저 적고, 산화수가 증가한 물질은 전자를 내놓은 쪽, 감소한 물질은 전자를 받은 쪽으로 확인한다. 그다음 산화된 물질이 환원제, 환원된 물질이 산화제라고 연결하면 전자 이동 방향과 물질의 역할을 일관되게 정할 수 있다.

반응식의 양적 관계를 정리할 때는 반쪽 반응을 이용해도 된다. 산화되는 물질의 변화와 환원되는 물질의 변화를 각각 적고, 각 변화에서 전자 수가 드러나도록 한다. 두 과정의 전자 수를 같게 만든 뒤 더하면 전자가 소거되고 전체 반응이 된다. 전자 수가 같아야 하는 까닭은 전자가 반응 전체에서 새로 생기거나 사라지는 것이 아니라 물질 사이에서 이동하기 때문이다. 전자 수를 맞춘 뒤에는 원자 수와 전체 전하가 양쪽에서 일치하는지도 확인한다. 수용액 반응에서는 산성 조건에 H⁺와 H₂O가 반응식에 포함될 수 있으므로, 산화·환원에 직접 관여하는 원소의 변화와 나머지 원자 및 전하의 균형을 나누어 살핀다.

금속과 금속 이온이 함께 있는 수용액의 실험에서는 반응 전의 금속 및 이온의 양, 넣어 준 금속의 양, 반응 후 남은 금속과 이온을 차례로 표에 정리한다. 금속 고체가 전자를 내놓아 양이온이 되고, 용액의 양이온이 전자를 받아 금속 고체로 석출되는 상황이라면, 각 과정에서 전자 이동량을 계산한다. 한 금속이 모두 반응했는지, 다른 금속이 남았는지 같은 조건은 반응의 진행 정도를 제한한다. 먼저 전자 수 일치로 반응한 양을 정하고, 그 양을 초기 양에서 빼거나 더해 반응 후 양을 구한다. 초기량과 반응량을 한꺼번에 섞어 계산하지 않는 것이 중요하다.