산화수와 산화·환원 반응식
본문구리가 은 이온과 반응하면 구리 원자가 전자를 잃고 은 이온이 전자를 얻는다. 이온이 생기고 사라지니 전자의 이동이 분명하다. 그런데 메테인이 산소와 타서 이산화 탄소와 물이 될 때는 이온이 하나도 없다. 이 반응도 산화·환원 반응일까? 그리고 과망가니즈산 이온과 철 이온의 반응처럼 복잡한 반응식의 계수는 어떻게 맞출까?
2.1.1산화수
공유 결합에서는 전자를 완전히 주고받지 않고 함께 쓴다. 그러나 전기 음성도가 큰 원자 쪽으로 공유 전자쌍이 치우친다. 그래서 공유 전자쌍을 전기 음성도가 큰 원자가 모두 가져간다고 가정하고, 각 원자가 띠게 될 전하를 정해 그 원자의 산화수라 한다. 산화수가 커지면 전자를 잃은 것이므로 산화, 작아지면 전자를 얻은 것이므로 환원이다.
홑원소 물질의 원자는 0이다. 화합물에서 H는 보통 +1, O는 보통 −2, F는 −1이다. 중성 화합물은 산화수의 합이 0이고, 다원자 이온은 합이 이온의 전하와 같다.
메테인의 연소 \(\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}\)에서 C의 산화수는 −4에서 +4로 커지고, O는 0에서 −2로 작아진다. 그래서 이온이 없어도 탄소는 산화되고 산소는 환원된 산화·환원 반응이다. 그림 1에서 화합물을 바꾸어 보자. HNO₃의 N은 \(1 + x + 3 \times (-2) = 0\)에서 +5이다.
2.1.2산화수로 계수 맞추기
산화·환원 반응에서 잃은 전자의 수와 얻은 전자의 수는 같아야 한다. 따라서 산화수가 늘어난 총량과 줄어든 총량이 같도록 계수를 정한다. 그다음 산소 수를 물로, 수소 수를 H⁺로 맞추고, 마지막에 전하의 합이 양쪽에서 같은지 확인한다.1
2.1.3예제 풀이
산성 용액에서 과망가니즈산 이온과 철(Ⅱ) 이온이 반응하여 망가니즈(Ⅱ) 이온과 철(Ⅲ) 이온이 생긴다. 반응식 \(\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}\)의 계수를 맞추어라. Fe²⁺ 0.010 mol을 모두 산화하려면 MnO₄⁻가 몇 mol 필요한가?
Mn은 +7에서 +2로 5 줄고, Fe는 +2에서 +3으로 1 는다. 그래서 MnO₄⁻ 1개에 Fe²⁺ 5개를 둔다. 왼쪽 산소 4개는 오른쪽에 H₂O 4개로 맞추고, 그 수소 8개를 위해 왼쪽에 H⁺ 8개를 둔다. 따라서 \(\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}\)이다. 전하를 확인하면 왼쪽 \(-1 + 10 + 8 = +17\), 오른쪽 \(2 + 15 = +17\)로 같다.
Fe²⁺ 0.010 mol에는 MnO₄⁻가 그 5분의 1인 0.0020 mol 필요하다. 과망가니즈산 칼륨 용액은 진한 보라색이고 Mn²⁺는 거의 무색이라, 철 이온이 다 산화되는 순간 보라색이 남기 시작한다. 그래서 지시약 없이 적정할 수 있다.
아래 탐구 카드에서 산화가 산소와의 반응인지 전자의 이동인지 따져 보고, 복잡한 산화·환원 반응식의 계수를 직접 맞추어 보자.
- 과산화 수소(H₂O₂)에서는 O의 산화수가 −1이고, 수소화 나트륨(NaH)에서는 H가 −1이다. 규칙의 '보통'은 이런 예외를 위한 말이다.
산화수는 공유 전자쌍을 전기 음성도가 큰 원자에게 모두 준다고 가정한 전하로, 커지면 산화, 작아지면 환원이다. 산화·환원 반응식은 산화수의 증가량과 감소량이 같도록 계수를 맞춘 뒤 원자 수와 전하를 확인한다. 그래서 처음 질문의 메테인 연소도 탄소의 산화수가 −4에서 +4로 커지므로 이온이 없어도 산화·환원 반응이다.