산화수란 (Oxidation Number, Oxidation State)
산화수란 어떤 물질에서 전자 교환이 발생하였을 때 원자가 가지게 되는 가상의 전하를 뜻합니다. 말 그대로 가상의 전하이므로, 실제 이온 상태의 전하를 의미하는 것은 아니라는 점을 기억하여야 하며, 산화 환원 반응에서 산화수의 증가가 발생하면 이를 산화로 간주하면 됩니다.
참고로, 산화 환원 반응에서 산소의 이동을 통해 산화 환원 반응을 구분하여 학습하나, 실제 산화 환원의 본질은 전자의 이동이며, 산화수 규칙을 암기해 두면 여러 반응식을 쉽게 설명할 수 있게 됩니다. 산화 환원 반응을 간략하게 정의하여 도표로 나타내면 아래와 같이 됩니다.
| 구분 | 산화 (Oxidation) | 환원 (Reduction) |
| 산소 | 산소를 얻음 | 산소를 잃음 |
| 전자 | 전자를 잃음 | 전자를 얻음 |
| 산화수 | 산화수의 증가 | 산화수의 감소 |
산화수를 정하는 규칙
1. 원소의 경우, 원자의 산화수는 0
수소 분자, H2에서 H의 산화수는 0이 된다. 산소 분자, O2에서 O의 산화수는 0이다. Zn, Cu의 경우 모두 산화수는 0이다.
2. 일원자 이온의 산화수는 그 이온의 전하와 동일하다.
Na +에서 Na의 산화수는 +1이 된다. Cl -에서 Cl의 산화수는 -1이다. Al3 +에서 Al의 산화수는 +3이 된다. Zn 2+에서 Zn의 산화수는 2+이다.
3. 다원자 이온에서 각 원자의 산화수의 합은 그 이온의 전하와 동일하다.
SO4 2-에서 S의 산화수와 O의 산화수의 합은 -2이다. O의 산화수는 -2이고, 4개이므로 -8, S의 산화수는 +6이 된다.
4. 화합물에서 각 원자의 산화수의 합은 0이 된다.
물분자, H2O에서 O의 산화수는 -2이므로 H의 산화수는 +1이 되고, (+1)x2 + (-2)이므로 0이 된다.
5. 1족 금속 원자는 산화수가 +1, 2족 금속 원자는 산화수가 +2이다. 대부분의 경우 3족 원소는 산화수가 +3이 된다.
염화나트륨, NaCl에서 Na는 1족 금속이므로 산화수는 +1이고, 산화수의 합이 0이 되어야 하므로, Cl의 산화수는 -1이 된다. 산화마그네슘, MgO에서 2족 금소 Mg의 산화수는 +2이고, 산화수의 합이 0이 되어야 하므로, O의 산화수는 -2가 된다.
6. 화합물에서 F의 산화수는 -1이다. 대부분의 경우에 할로젠은 -1이 되는 경우가 많다.
LiF에서 F의 산화수는 -1이 되므로, 합이 0이 되기 위하여 Li의 산화수는 +1이다. CaCl2에서 Cl의 산화수는 -1이므로 산화수의 합이 0이 되기 위해 Ca의 산화수는 +2가 된다.
7. 화합물에서 H의 산화수는 +1이다. (금속화합물 제외)
H2O에서 H의 산화수는 +1이므로, O의 산화수는 -2이다. 수산화이온, OH -의 경우 다원자 이온에서 각 원자의 산화수의 합은 그 이온의 전하와 동일하므로 H의 산화수가 +1이고, 합계 전하량이 -1이 되기 위해 O의 산화수는 -2가 된다. NH3에서 H의 산화수가 +1이므로 N의 산화수는 -3이 된다. 금속산화물의 경우, LiH라면 1족 금속인 Li의 산화수가 +1인 규칙이 먼저 적용되어 H의 산화수는 -1이 된다.
8. 화합물에서 O의 산화수는 -2가 된다.
CO2의 경우 O의 산화수가 -2이므로 C의 산화수는 합계가 0이 되기 위해 +4가 된다. 다만, 과산화수소, H2O2에서 O의 산화수는 -1이 되고, 플루오린 화합물, 예를 들어 OF2의 경우 O의 산화수는 +2가 된다.
산화 환원 반응에서 적용
철의 제련에 관련한 아래 포스팅을 작성한 바가 있는데요, 여기서 불순물을 제거하는 반응이 왜 산화 환원 반응이 아닌지를 확인해 보겠습니다.
2023.08.22 - [과학] - 철의 제련 (산화철의 환원)
철의 제련 (산화철의 환원)
철의 제련 제련이라는 것은 금속을 순도가 높은 형태로 분리 및 추출하는 것을 말합니다. 따라서, 철의 제련이라는 것은 철광석으로부터 불순물을 분리하고 철을 얻는 과정을 이야기하는 것인
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CaCO3 → CaO + CO2
1) CaCO3 : Ca의 산화수는 +2, O의 산화수는 -2, 따라서, C의 산화수는 +4가 됩니다.
2) CaO : Ca의 산화수는 +2, O의 산화수는 -2입니다.
3) CO2 : O의 산화수가 -2이므로, (-2x2)와 합계가 0이 되는 규칙에 의해 C의 산화수는 +4가 됩니다.
산화수가 증가하거나, 감소한 원자가 발견되지 않습니다. 이에 따라 산화되거나 환원된 물질이 없으므로, 산화 환원 반응이 아닙니다.
CaO + SiO2 → CaSiO3
1) CaO : Ca의 산화수는 +2, O의 산화수는 -2입니다.
2) SiO2 : O의 산화수는 -2이므로 Si의 산화수는 +4입니다.
3) CaSiO3 : Ca의 산화수는 +2, O의 산화수는 -2이므로, +2+(-2x3)와 합이 0이 되기 위해 Si의 산화수는 +4입니다.
이 역시 산화수의 변화가 발생한 원자가 없으므로, 산화 환원 반응이 아닙니다.
광합성과 세포호흡의 산화와 환원을 산화수로 설명하는 방법
중요한 반응식 중의 하나로 광합성과 세포 호흡을 들 수 있는데요, 이 반응을 산소의 이동만으로 이해를 하면 조금 어려울 수 있으나, 산화수에 대해 숙지를 하고 살펴보면 쉽게 산화와 환원에 대해 이해를 할 수 있습니다. 아래 포스팅을 참조하시기 바랍니다.
https://jcspirit.tistory.com/421
광합성 세포호흡 산화환원 산화수로 설명
광합성과 세포 호흡의 산화와 환원을 산화수로 확인 광합성과 세포호흡은 우리 주변에서 흔하게 접할 수 있고, 많은 영향을 끼치고 있는 대표적인 산화 환원 반응 중의 하나입니다. 그리고, 이
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