18.1: 산화환원 방정식의 균형 맞추기

전기화학은 전기 반응과 화학 반응의 상호 변환과 관련된 과학입니다. 이러한 반응을 환원-산화 또는 산화환원 반응이라고 합니다. 이러한 중요한 반응은 하나 이상의 반응물 요소에 대한 산화 상태의 변화로 정의되며 반응물 종 간의 전자 이동과 관련된 반응의 하위 집합을 포함합니다. 한 분야로서의 전기화학은 산화환원 화학의 기본 원리와 산업 규모의 야금 공정부터 전기 자동차용 견고한 충전식 배터리에 이르는 다양한 기술에 대한 충분한 통찰력을 제공하도록 발전했습니다. 전자 이동과 관련된 반응은 전기화학 연구에 필수적이므로 산화환원 화학에 대한 간략한 검토에는 다음이 포함됩니다.

산화수

정의에 따르면, 산화환원 반응은 하나 또는 여러 반응물에 대한 산화수 또는 산화 상태의 변화를 수반합니다. 원소의 산화수는 원자의 전자 환경이 순수 원소의 원자와 어떻게 다른지를 평가한 것입니다. 이 정의에 따르면 원소의 원자는 산화수 0을 갖습니다. 원자의 경우 산화수는 화합물이 이온성인 경우 화합물의 원자 전하와 같습니다. 따라서 분자 내의 모든 원자에 대한 산화수의 합은 분자의 전하와 같습니다.

이온 화합물

단순한 이온 화합물은 원소의 이온 전하와 동일한 산화수를 갖기 때문에 이러한 형식주의의 가장 간단한 예입니다. 염화나트륨(NaCl)은 Na^+ 양이온과 Cl^- 음이온으로 구성되며, 나트륨과 염소의 산화수는 각각 +1과 -1입니다. 불화칼슘(CaF_2)은 Ca^2+ 양이온과 F^- 음이온으로 구성되며, 칼슘과 불소의 산화수는 +2와 -1입니다.

공유결합 화합물

공유 화합물은 형식주의를 사용하는 것이 더 어렵습니다. 물은 극성 공유 O−H 결합을 통해 O 원자에 결합된 두 개의 H 원자로 구성된 공유 결합 화합물입니다. O-H 결합을 만드는 공유 전자는 전기 음성도가 더 높은 O 원자에 더 강하게 끌립니다. 따라서 산소는 원소 산소의 O 원자와 비교하여 부분적인 음전하를 얻습니다. 결과적으로 물 분자의 H 원자는 수소 가스의 수소 원자에 비해 부분적인 양전하를 나타냅니다. 각 물 분자의 부분적인 음전하와 양전하의 합은 0이므로 물 분자는 중성이 됩니다.

물의 O-H 결합 내에서 공유 전자의 분극이 완료되면 그 결과 전자가 H에서 O로 완전히 이동하게 되며 물은 O_2^- 음이온과 H^+ 양이온으로 구성된 이온 화합물이 됩니다. 따라서 물 속의 산소와 수소의 산화수는 각각 -2와 +1입니다. 이 동일한 논리를 사염화탄소(CCl_4)에 적용하면 탄소의 경우 +4, 염소의 경우 -1의 산화수가 생성됩니다. 질산염 이온 NO_3^−에서 질소의 산화수는 +5이고 산소의 산화수는 -2입니다. 합하면 분자의 -1 전하와 같습니다.

산화환원 방정식의 균형 맞추기

아래 표시된 불균형 방정식은 염화나트륨의 분해를 설명합니다.

이 반응은 Na의 산화수가 +1에서 0(환원을 통해)으로 감소하고 Cl의 산화수가 -1에서 0(산화를 통해)으로 증가하므로 산화환원 반응의 기준과 일치합니다. 방정식 사례는 NaCl 및 Na에 대해 화학양론적 계수 2를 추가하여 쉽게 균형을 이룹니다.

수용액에서 발생하는 산화환원 반응은 전기화학에서 흔히 볼 수 있으며, 많은 경우 물이나 그 이온, H^+(aq) 및 OH^−(aq)가 반응물 또는 생성물로 포함됩니다.

이러한 경우, 산화환원 반응을 나타내는 방정식은 검사만으로 균형을 맞추는 것이 매우 어려울 수 있으며 반쪽 반응 방법으로 알려진 체계적인 접근 방식을 사용하는 것이 도움이 됩니다. 이 접근 방식에는 다음 단계가 포함됩니다.

1. 방정식을 구성 요소인 골격 산화 및 환원 반쪽 반응으로 나눕니다.
2. O와 H를 제외한 모든 원소에 대해 각 반쪽 반응의 균형을 맞춥니다.
3. 방정식에 필요에 따라 물 분자를 추가하여 O 원자에 대한 각 반쪽 반응의 균형을 맞춥니다.
4. 방정식에 필요한 대로 양성자를 추가하여 H 원자에 대한 각 반쪽 반응의 균형을 맞춥니다.
5. 마지막으로 필요에 따라 전자를 추가하여 원소의 전하 균형을 맞춥니다.
6. 산화 반쪽 반응에서 손실된 전자 수와 환원 반쪽 반응에서 얻은 전자 수를 동일하게 만드는 데 필요한 정수를 반쪽 반응에 곱합니다.
7. 두 반쪽 반응을 모두 추가하고 방정식의 양쪽에서 공통 종을 제거하여 더욱 단순화합니다.
8. 반응이 알칼리성 매질에서 발생하는 경우 7단계에서 얻은 식에 OH- 이온을 추가하여 양성자를 중화하고(식의 양쪽에 동일한 수로 추가) 단순화합니다.
9. 원자의 전하가 균형을 이루고 있는지 방정식을 확인합니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다  Openstax, Chemistry 2e, Chapter 17: Introduction, and Openstax, Chemistry 2e, Section17.2: Review of Redox Chemistry.

배터리가 휴대용 장치를 작동하기 위한 전기를 어떻게 제공할까요? 왜 잘린 아보카도는 갈색으로 변하거나 물속에서 금속이 녹이 슬까요? 이러한 과정은 한 원자에서 다른 원자로의 전자 전달과 관련된 특정 유형의 화학 반응에 의해 구동됩니다.

전자를 잃은 원자는 산화되며 전자를 얻는 원자는 환원됩니다. 이러한 반응을 산화 환원 반응이라고 하며 하나 이상의 반응물에서의 산화 상태의 변화로 특징지어집니다. 마그네슘과 농축 염산 사이의 상호작용은 산화환원반응의 가지 예입니다.

이 반응에서 마그네슘은 마그네슘 2 이온으로 산화되고 양성자는 수소 기체로 환원됩니다. 간단한 화학 방정식은 쉽게 균형을 이룰 수 있습니다. 그러나 대부분의 산화환원 방정식은 복잡하므로 손실되고 얻은 전자 수가 해명되어야 합니다.

산화환원 방정식의 균형을 맞출 때 질량 보존 법칙을 준수하는 것이 중요합니다. 각 원소의 양과 전자의 손익은 반응의 양쪽에서 균형을 이루어야 합니다. 따라서 한 반응 물질이 환원하면 다른 반응 물질은 산화되어야 합니다.

산화환원 방정식의 균형을 성공적으로 맞추기 위해 반반응 방법을 사용합니다. 과망간산염과 수산염의 반응을 생각해보세요. 수용성 산성 용액의 경우 산화 상태를 할당하고 반응을 성분 반반응으로 나눕니다.

그리고 나서 수소와 산소를 제외한 각각의 반반응의 균형을 맞춥니다. 여기서, 망간은 이미 균형을 이루었지만 수산염은 계수 2가 있어야 합니다. 산소 원자와 물 분자에 대한 추가적인 균형을 맞춥니다.

셋째, 필요한 곳에 양성자를 추가함으로써 수소 원자의 균형을 이룹니다. 전자를 추가하여 전하의 균형을 맞춥니다. 망간은 환원되었기 때문에 5개의 전자가 반응물 쪽에 추가됩니다.

반대로 수산염은 산화되기 때문에 생성물 측에 두 개의 전자가 추가됩니다. 반반응에 정수를 곱하여 추가된 전자 수가 같도록 합니다. 마지막으로 균형잡힌 산화환원 반응을 얻기 위해 양쪽의 종을 취소함으로써 균형잡힌 반반응을 추가하고 단순화합니다.

염기 수용성 용액의 경우 절차는 유사하지만 한 가지 추가 단계가 포함됩니다. 여기서, 균형의 반반응을 가중하기 전에 양성자를 중화시키기 위해 반응의 양쪽에 같은 수의 수산기 이온을 첨가합니다.