4.11: 산화수

산화 환원 반응에서 전자의 이동은 반응하는 종 사이에서 발생합니다. 전자 이동은 산화수(또는 산화 상태)라고 불리는 가상의 숫자로 설명됩니다. 이는 일련의 규칙을 사용하여 할당되는 원자 또는 원소의 유효 전하를 나타냅니다.

산화수(산화상태)

이온 화합물의 경우, 산화수는 반응하는 종 사이에 전달되는 전자의 수에 따라 지정됩니다. 예를 들어 염화칼슘(CaCl_2)이 형성될 때 칼슘은 원자가 전자 2개를 잃고 염소 원자 2개는 각각 전자 1개를 얻습니다. CaCl_2에서 칼슘의 산화수는 +2이고, 각 염소의 산화수는 -1입니다.

공유결합 화합물의 경우 전자는 얻거나 잃거나 얻지 않고 대신 원자 간에 공유됩니다. 전자에 대한 인력이 더 큰 원자는 공유쌍을 더 강하게 끌어당깁니다. 공유 결합 화합물과 관련된 반응은 전자 이동을 추적하기 위해 산화수 개념을 적용하여 산화환원으로 식별됩니다. 산화 상태는 산화환원 반응에서 산화되고 환원되는 종을 쉽게 식별하는 데 도움이 됩니다.

산화수 지정 규칙

산화수는 양수, 음수 또는 0일 수 있습니다. 이는 다음 규칙에 따라 할당됩니다.

모든 자유 원소의 산화수는 0입니다. 요소는 단원자, 이원자 또는 다원자일 수 있습니다.

1. 화합물에서 1A족 원소(모든 알칼리 금속)의 산화수는 +1이고, 2A족 원소(모든 알칼리 토금속)의 산화수는 +2입니다.
2. 할로겐은 일반적으로 산화수가 -1입니다. 단, 산소가 포함된 화합물의 경우 양성 산화 상태를 갖습니다.
3. 불소는 전기 음성도가 가장 높은 원소입니다. 모든 화합물에서 -1 산화 상태를 갖습니다.
4. 단원자 이온의 경우 산화수는 이온의 전하와 동일합니다.
5. 산소의 산화수는 -1인 과산화물을 제외하고 항상 -2의 산화수를 갖습니다.
6. 수소의 산화 상태는 비금속의 경우 +1이고 금속의 경우 -1입니다.
7. 중성 화합물의 산화수의 합은 0인 반면, 다원자 이온의 경우 이온의 전하와 같습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다  Openstax, Chemistry 2e, Section 4.2: Classifying Chemical Reactions.

금속과 비금속 사이의 산화 환원 반응은 보통 전자가 완전히 이동하여 이온화합물을 형성합니다. 따라서, 이런 반응은 정의하기가 쉽습니다. 그러나, 전자가 부분적으로 전달되는 비금속 간의 산화 환원 반응은 쉽게 식별하기가 어렵습니다.

산화 환원 반응은 원자들 사이의 전자 이동을 나타내는 원자의 산화 상태의 변화에 의해 특징지어집니다. 화합물 내 원자의 산화 상태 또는 산화수는 각 이종 핵간 결합에서 공유된 전자가 보다 전기 음성적인 원자로 완전히 전달될 경우 가질 수 있는 전하입니다. 동종 핵간 결합은 균등하게 나누어져 있습니다.

예를 들어, 기체 염화 수소에서는 염소가 더 전기적 음성을 띱니다. 수소의 전자가 염소에 완전히 전달되면 염소는 마이너스1의 산화 상태에 해당하는 1마이너스 전하를 얻고 수소는 플러스1의 산화 상태에 해당하는 1 플러스 전하를 얻습니다. 산화 상태는 원소 형태와 대부분의 이온 및 화합물에서 특정 규칙을 사용하여 원자에 할당할 수 있습니다.

처음 세 가지 규칙은 항상 지켜집니다. 나머지 규칙은 처음 세 규칙이 충족될 때까지 하나씩 적용됩니다. 이 규칙들을 적용하여 이제 이산화황과 탄산칼슘의 형성 반응이 산화 환원 반응인지 여부를 확인해 봅시다.

규칙 1에 따르면 자유 상태의 원소는 산화수가 0이므로 유황과 산소 원소 모두 산화수 0이 할당됩니다. 규칙 3에 따르면 중성화합물의 산화수 합계는 0이므로 이산화황에서 황과 산소의 산화수 합계는 0이어야 합니다. 규칙 6에 따라 각 산소의 산화수는 SO 투에서 마이너스2입니다.

산소 원자가 두 개이므로 그 합은 마이너스4입니다. 따라서 유황의 산화수는 플러스4가 됩니다. 유황의 산화수는 0에서 플러스4로 증가하므로 산화되는 반면 산소의 산화수는 0에서 마이너스2로 감소하여 환원됩니다.

따라서 이것은 산화 환원 반응입니다. 탄산칼슘 생성 반응의 경우, 산소는 세 가지 화합물에서 산화수가 각각 마이너스2이고, 칼슘은 산화칼슘과 탄산칼슘에서 플러스2입니다. 규칙 3에 따르면 이산화탄소와 탄산칼슘에서 탄소는 플러스4여야 합니다.

반응하는 동안 원자의 산화수에는 변화가 없기 때문에, 이것은 산화 환원 반응이 아닙니다.