산화수, 산화와 환원

산화수

산화수(Oxidation number 또는 Oxidation state)란 원자 사이의 결합이 이온결합(Ionic bonding)이라고 생각했을 때의 가상 전하(Charge)로써, 다른말로 말하자면 산화(Oxidation)와 환원(Reduction) 반응(산화 반응과 환원 반응을 합쳐 레독스 반응(Redox Reaction)이라고 한다)에서 나타나는 전하를 가리킨다. 산화수는 양수나 음수가 될 수 있다.

 

첫번째로 알아야 할 것은 하나로만 이뤄진 물질은 항상 산화수가 0이다. 예를들어 순수 마그네슘(Magnesium) 원자나 수소(Hydrogen) 분자는 산화수가 0이다.

두번째로 이온의 산화수에 대해 알아 보자. 일반적으로 이온의 산화수는 그 이온의 전하량이다. 예를 들자면 다음과 같다.

하지만 이원자 이온(diatomic ion)의 경우에는 약간 다르다. 이때는 이원자 이온이 띄는 전하량에서 이원자 이온의 개수만큼 나눠 줘야 이온의 산화수를 구할 수 있다. 예를 들어 과산화물 이온(peroxide ion)의 산화수는 -2에서 2를 나눈 -1, 초과산화물 이온(superoxide ion)의 산화수는 -1에서 2를 나눈 -0.5가 되겠다.

이온의 산화수는 조심해야 할 부분이 많은데 전기음성도(Electronegativity)에 따라 이온의 산화수가 양 혹은 음수로 바뀔 수 있기 때문이다. 수소를 예를 들어 보면, 수소가 비금속(Non-metal)과 결합하는 경우에는 +1의 산화수를 띄지만, 금속(Metal)과 결합하는 경우에는 -1의 산화수를 띈다. 수소는 대부분의 금속보다 전기음성도가 크고 대부분의 비금속 보다는 전기음성도가 작기 때문이다. 따라서 전기음성도가 큰 원소가 주로 음수의 산화수를 가진다.

 

 

다원자 이온(polyatomic ion)에 존재하는 이온의 경우는 어떠할까? 황산염(Sulfate)은 황(Sulfur)과 산소(Oxygen)로 이뤄진 이온으로, -2의 산화수 값을 띈다. 산소는 주로 -2의 산화수를 가지므로, 황의 산화수는 +6가 된다.

산화수의 값이 8/3일 수 있을까? 가능하다. 다음의 예를 알아보자. 철 이온은 +2 또는 +3의 산화수를 가질 수 있다. 따라서 2개의 철 이온이 +3의 값을 가지고 하나의 철 이온이 +2의 값을 가진다면 평균 산화수의 값은 8/3이 된다.

산화와 환원

레독스 반응은 산화와 환원으로 이루어져있다. 두 물질 사이에 화학 반응이 일어날 때 전자가 움직인다면(다른 말로 하자면 산화수가 변화하면) 레독스 반응이다. 전자를 잃어버린쪽은 산화 반응이 일어났다고 말하고 환원제이다. 반대로 전자를 얻은 쪽은 환원 반응이 일어났다고 말하고 산화제이다. 산화수를 계산하는 법을 알고 난 후에 산화와 환원 반응은 이해하기 쉽다. 예시를 먼저 보여주고 설명을 하고자 한다.

전/후의 산화수를 계산했을 때, 산화수가 올라가면 산화, 내려가면 환원이다. 이에 따라 메탄과 산소는 각각 산화, 환원 되었다고 말한다. 눈여겨 봐야할 점은 실제로 산화된 물질은 탄소이고 환원된 물질은 산소이지만 결과적으로 산화, 환원된 물질을 말할 때는 반응 전의 물질을 보고 묶어서 얘기한다.(메탄=산화, 산소=환원)

 

다음 예시는 반응 전/후 사이에 전자의 이동이 없음으로 레독스 반응이 아니다. 

OIL RIG(Oxidation Is Loosing electron | Reduction Is Gaining electron)