산화환원반응 산화수로 완성시키는 방법

화학반응식의 계수를 맞추는 방법과 산화수

일전에 아래와 같이 미정계수법을 이용하여 화학반응식의 계수를 맞추고 화학반응식을 완성시키는 방법을 작성한 바 있는데, 화학반응 중에 산화 환원 반응(Oxidation-Reduction reaction, 줄여서 redox로 표기)의 경우에 산화수(Oxidation number)를 이용하여 계수를 맞추고 반응식을 완성시킬 수가 있습니다.

2023.09.11 - [과학] - 미정계수법으로 화학 반응식 계수 완성하는 방법

미정계수법으로 화학 반응식 계수 완성하는 방법

산화수로 Redox 반응의 반응식을 완성시키는 방법은 산화 환원은 반드시 동시에 일어난다는 산화 환원 반응의 동시성과 증가한 산화수와 감소한 산화수가 항상 같다는 것을 이용하는 것인데요, 아래에 정리를 해보겠습니다. 산화수는 아래 포스팅을 참고하면 되겠습니다.

2023.08.22 - [과학] - 산화수 규칙 (Oxidation Number)

산화수 규칙 (Oxidation Number)

 

 

산화 환원 반응식을 산화수로 계수 맞추는 방법

 

산성 용액 내에 옥살레이트와 과망가니즈산 이온의 반응

우선 아래와 같이 산성 용액 내에 옥살레이트(Oxalate, C2O4^(2-))와 과망가니즈산 이온의 반응을 예로 들어서 산화수를 이용해 산화 환원 반응식의 계수를 맞추어 반응식을 완성해 보겠습니다. 참고로 산성 용액 내에 있다는 말은 용액 내에 수소 이온(H^(+))가 존재한다는 뜻이 됩니다.

산화수로 산화 환원 반응식 완성시키는 방법

 

 

1. 다음과 같이 생성물과 반응물만 아는 경우가 있을 때, 우선 화학 반응식을 작성합니다.

 

C2O4^(2-)(aq) + MnO4^(-)(aq) + H^(+) → CO2(g) + Mn^(2+)(aq) + H2O(l)

 

2. 화학 반응식에서 각 원자의 산화수를 구합니다.

 

C2O4^(2-) : O의 산화수는 -2이고, 산화수의 합이 이온의 전하량인 2-가 되어야 하므로 C의 산화수는 +3

MnO4^(-) : O의 산화수는 -2이고, 산화수의 합이 이온의 전하량인 -1이 되어야 하므로 Mn의 산화수는 +7

H^(+) : H의 산화수는 +1

CO2 : O의 산화수는 -2이므로, C의 산화수는 +4

Mn^(2+) : Mn의 산화수는 +2

H2O : O의 산화수는 -2이고, H의 산화수는 +1

 

3. 반응 전후의 산화수 증감을 살펴보고 정리합니다.

 

C : +3에서 +4가 되었으므로, 1이 증가 (산화수가 증가하였으므로 산화되었습니다.)

Mn : +7에서 +2가 되었으므로, 5 감소 (산화수가 감소하였으므로 환원되었습니다.)

이 외에는 변화가 없는 것을 쉽게 확인할 수 있습니다.

 

4. 산화되는 원자와 환원되는 원자의 수를 맞춰줍니다.

 

이 반응에서 산화되는 탄소(C)의 경우 반응물에서는 2개인데, 생성물에서는 1개이므로, 우측에 계수를 2를 붙여줍니다.

 

C2O4^(2-)(aq) + MnO4^(-)(aq) + H^(+) → 2CO2(g) + Mn^(2+)(aq) + H2O(l)

 

이렇게 되면 C 원자가 2개이므로, 산화수가 2가 증가한 셈이 됩니다.

 

5. 증가한 산화수와 감소한 산화수가 같아지도록 계수를 맞춰줍니다.

 

C2O4^(2-)(aq) + MnO4^(-)(aq) + H^(+) → 2CO2(g) + Mn^(2+)(aq) + H2O(l)

 

위의 반응식에서 C의 산화수는 1 x 2 = 2가 증가하였고, Mn의 산화수는 5가 감소하였으므로, 최소공배수인 10이 증감되도록 계수를 맞춰줍니다.

 

5C2O4^(2-)(aq) + 2MnO4^(-)(aq) + H^(+) → 10CO2(g) + 2Mn^(2+)(aq) + H2O(l)

 

C의 산화수는 2 x 5 = 10 증가, Mn의 산화수는 5 x 2 = 10 감소로 균형이 맞춰집니다.

 

6. 이제 산화수 변화가 없는 원자들의 수가 반응물과 생성물에서 동일하게 되도록 계수를 맞춰줍니다.

 

수소와 산소를 보면 되겠죠. 반응물에서 산소 원자의 숫자는 28개이므로, 생성물에서 산소의 원자는 20 + 8이 되어야 하므로 쉽게 맞춰질 수 있습니다. 아래와 같이 산화 환원 반응식이 완성되었습니다.

 

5C2O4^(2-)(aq) + 2MnO4^(-)(aq) + 16H^(+) → 10CO2(g) + 2Mn^(2+)(aq) + 8H2O(l)

 

 

산성 용액 내 철 이온과 과망가니즈산 이온의 반응

예를 하나 더 들어보죠. 철 이온(Fe^(2+))과 과망가니즈산 이온(MnO4^(-))이 산성 용액에서 반응할 때, 철 이온은 추가로 산화되고, 물이 생성됩니다. 이 반응에 대해서 왼쪽에는 반응물을, 오른쪽에는 생성물을 적어서 아래와 같이 화학반응식의 뼈대를 만듭니다.

 

Fe^(2+)(aq) + MnO4^(-)(aq) + H^(+)(aq) → Fe^(3+)(aq) + Mn^(2+)(aq) + H2O(l)

 

이제 여기서 원자의 산화수와 산화수의 증감을 살펴보면 아래와 같습니다.

• Fe^(2+)는 Fe^(3+)가 되므로 산화수가 1 증가
• MnO4^(-)에서 O의 산화수가 -2이므로 Mn의 산화수는 +7
• Mn^(2+)의 산화수는 +2, 따라서 Mn의 산화수는 5가 감소

그렇다면, 여기서 산화수의 증감에 맞게 계수를 맞추어주면 됩니다. 철 이온의 산화수가 1이 증가했고, 망간의 산화수가 5가 감소했으므로 여기서는 철의 산화수가 5가 증가하도록 해주면 되겠죠.

 

5Fe^(2+)(aq) + MnO4^(-)(aq) + H^(+)(aq) → 5Fe^(3+)(aq) + Mn^(2+)(aq) + H2O(l)

 

위와 같이 계수를 맞추어주면 철의 산화수 증가는 +5, 망간의 산화수 감소는 -5가 되므로 증가한 산화수와 감소한 산화수가 같게 맞춰집니다. 여기서 마지막으로 산화수 변화가 없는 수소 원자의 반응물과 생성물 간 수가 같도록 계수를 맞추어주면 마무리가 됩니다.

 

5Fe^(2+)(aq) + MnO4^(-)(aq) + 8H^(+)(aq) → 5Fe^(3+)(aq) + Mn^(2+)(aq) + 8H2O(l)

 

이렇게 산화환원 반응식을 완성시키면 우리는 이 반응의 양적 관계를 파악할 수 있게 됩니다. 예를 들어서 Fe^(2+) 이온 5mol을 완전히 산화시키려면 MnO4^(-) 이온이 1mol이 필요하죠. 반응비가 5:1이기 때문입니다.

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이제 위에 두 가지 예에서 완성된 산화 환원 반응식을 통해서, 산화나 환원에 필요한 산화제나 환원제의 양을 계산할 수가 있게 됩니다. 왜냐하면 화학반응식에서 우리가 알 수 있는 것은 반응물과 생성물의 종류와 함께, 계수비가 몰비와 동일하며, 이는 분자 수비 및 부피비와 동일하다는 것을 알고 있기 때문입니다.