산화수

산화수(酸化數, oxidation number)는 화학에서 산화·환원 반응을 설명하기 위해 도입되는 개념으로, 물질 중의 원자에 걸리는 상대적 전하량을 나타내는 수치이다. 산화 상태(oxidation state)라고도 한다. 어떤 물질에서 원소의 산화정도를 나타내는 가상적인 전하량이므로 반드시 이온전하를 의미하지는 않는다.

산화수를 표현할 때에는 몇몇 경우를 제외하고는 보통 정수로 표현한다.

이온 결합에서는 전자의 이동이 분명하나, 공유 결합에서는 전자의 이동이 분명하지 않으므로, 공유 결합에서는 전기 음성도가 큰 원자가 공유 전자쌍을 완전히 차지한다고 가정하고 산화수를 구한다. 예컨대 H₂O의 경우, 전기음성도가 큰 산소원자가 공유 전자쌍을 독차지한다고 가정하면 2[H⁺] [O²⁻] 가 되며, 수소의 산화수는 +1, 산소의 산화수는 -2이다.

그러나 실제 화학결합에서 전기 음성도가 큰 원자가 전자쌍을 완전히 차지하는 것이 아니므로 산화수는 어디까지나 가상의 수치이다. 이 허점을 보완하기 위해 산화수에 여러 규칙이 존재한다.

원자에서 화학 변화를 통해 산화수의 증가가 이루어질 경우에는 산화라고 칭하며, 그 반대로 산화수가 감소될 경우에는 환원이라고 이야기 한다. 즉 반응물과 생성물을 이루는 원소들이 반응 후 산화수가 증가하면 그 원소는 산화된 것이며, 산화수가 반응 후 감소하면 그 원소는 환원된 것이다. 형식적으로 전하가 끌려갔다는 것을 표현한다.

원자의 산화수는 진짜 원자의 전하를 나타나지 않는다. 말 그대로 형식상일 뿐이다. 이것은 높은 산화수에서도 특별히 성립한다. 또한 원소의 산화수는 전기음성도에 따라 달라진다. 그래서 원소의 산화수는 형식상이다.

개요

원자 또는 분자 간 발생하는 전자의 이동은 화학 반응을 이해하는데 매우 중요하다. 산화수(酸化數, oxidation number)의 개념은 분자들에서 일어나는 산화-환원 반응(redox reaction)에서의 전자 이동을 알아낼 수 있는 중요한 개념이다. 산화수는 하나의 물질(홑원소 물질, 분자, 이온 화합물 등)에서 전자의 교환이 완전히 일어났다고 가정하였을 때 물질을 이루는 특정 원자가 갖는 전하수를 말하며 산화 상태(oxidation state)라고도 한다. 산화 반응의 경우 전자를 잃게 되어 산화수가 증가하며, 환원 반응의 경우 반대로 전자를 얻어 감소하게 된다. 산화수는 산화-환원 반응에서 전자의 흐름을 확인하기 위하여 사용하는 하나의 방법으로 물질 내의 특정 원자가 가지는 전하량과 반드시 일치하지는 않는다. 간단한 예로써 염화 수소(hydrochloric acid, HCl)의 경우 H 와 Cl의 부분 전하가 +0.2, -0.2 정도이며 이온 화합물(ionic compound)이 아니다. 따라서 수소와 염소가 양이온과 음이온의 상태로 존재하지 않는다. 즉, 수소와 염소의 전하수가 +1과 -1이 아니지만, 각각의 산화수는 +1과 -1이다.

산화수와 형식 전하(formal charge)는 완전히 다른 개념이다. 산화수는 반응을 통해 전자가 완전히 이동했다고 보는 것이고, 형식 전하는 공유한 원자들 간에 결합을 형성할 때 전자쌍을 동등하게 나누어 가진다는, 즉 전자가 이동하지 않았다는 상반된 관점에서 결정된다. 이로 인해 대부분 중성 분자에서 원소의 형식 전하는 0 이 되고, 산화수와는 다르게 된다. 형식 전하의 경우 루이스 구조식을 그릴 때 흔히 사용된다. 산화수와 형식 전하는 많은 경우 같지 않다. 예를 들어, 암모늄 이온, NH4+의 경우 질소의 형식 전하는 +1이지만 산화수는 -3이다. 흥미로운 예로 일산화 탄소(CO)를 들 수 있다. 전기음성도가 낮은 탄소 원자의 형식 전하가 -1 이 되고, 반대로 전기음성도가 큰 산소 원자는 +1이 되기 때문이다.

화학 반응의 반응물과 생성물을 이루는 원소들의 산화수 변화를 통해 그 화학 반응이 산화 반응인지 환원 반응인지를 쉽게 알 수 있다. 산화수가 반응 후 증가하면 그 원소는 산화된 것이며, 산화수가 반응 후 감소하면 그 원소는 환원된 것이다.

반응 전과 후에 원자 1개라도 산화수의 변화가 있으면 산화-환원 반응이다. 그렇지 않다면 산화-환원 반응이 아니다. 산화가 일어난 화합물은 환원제로, 환원이 일어난 화합물은 산화제로 명명된다.

규칙

산화·환원 반응식에서 각 물질들의 산화수를 결정할 때, 아래의 4개 규칙은 절대적으로 성립한다.

기본 규칙

• 홀원소를 구성하는 원자의 산화수는 0이다. ex. C, Cl₂, P4에서 각 원자의 산화수는 모두 0이다.
• 단원자 이온의 산화수는 이온의 전하와 같다. ex. Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, O²⁻의 산화수는 각각 +1, -1, +2, -2이다.
• 다원자 이온의 각 원자의 산화수의 합은 다원자 이온의 전하와 같다. ex. OH⁻에서 (O의 산화수) + (H의 산화수) = (이온의 전하) ((-2)+(+1)=(-1))이다.
• 화합물을 구성하는 모든 원자의 산화수의 합은 0이다. ex. H₂O에서 (H의 산화수) × 2 + (O의 산화수) × 1 = 0 ((+1)×2+(-2)×1=0)이다.

아래의 규칙은 산화수를 결정할 때 알아 두면 편리하다. 규칙이 상충될 때에는 우선 순위가 높은 규칙에 따르는데, A, B, C 순으로 우선 순위가 높다.

보조 규칙

• 규칙 A: · 알칼리 금속(1족 금속 원자)의 산화수는 +1이다.

• 알칼리 토금속(2족 금속 원자)의 산화수는 +2이다.
• Al의 산화수는 +3이다.
• F의 산화수는 -1이다.

물론, 위의 기본 규칙을 고려하면 F₂에서의 경우 0이다. 이는 아래의 H와 O에 대해서도 마찬가지이다.

• 규칙 B: 일반적으로, 화합물에서 H의 산화수는 +1이며, 금속의 수소 화합물에서는 -1이다.
• 규칙 C: 화합물에서 O의 산화수는 -2이다.

단, F와 결합할 때에는 +2이다. 또한 과산화물에서는 -1이다.

활용법

어떤 원자나 이온이 전자를 잃으면(산화) 산화수가 증가하고, 전자를 얻으면(환원) 산화수가 감소한다. 따라서 화학 반응식에서 반응 전과 후의 산화수를 비교하여 특정 원소가 산화됐는지 환원됐는지, 산화제로 작용했는지 환원제로 작용했는지 따질 수 있다.

실제로 산화수를 이용해서 산화제와 환원제를 파악해 보자. 아래의 반응은 굳이 산화수를 계산하지 않고도 파악할 수 있지만, 어디까지나 예시이므로 계산해 보기로 한다.

Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO

반응 전과 반응 후로 나누면

전: Fe₂O₃, 3C

탄소의 산화수는 0이다. 산소의 경우 예외적인 경우가 아니면 산화수는 -2이다. 화합물 내의 원소들의 산화수 총 합은 0이다. 따라서 철의 산화수는 +3이다.

후: 2Fe, 3CO

철의 산화수는 0이다. 산소는 산화수는 -2이다. 따라서 탄소의 산화수는 +2이다.

산화수의 변화를 정리해 보면

Fe: +3 → 0 O: -2 → -2 C: 0 → +2

철의 산화수가 감소하였으므로 철은 이 반응에서 환원되었다. 그리고 탄소의 산화수는 증가하였으므로 이 반응에서 산화되었다. 따라서 산화제는 Fe₂O₃이고, 환원제는 C이다.

복잡한 반응에서의 산화제와 환원제의 판단은 산화수를 이용하는 것이 좋다.

참고자료

• 〈산화수〉, 《나무위키》
• 〈산화수〉, 《위키백과》
• 〈산화수〉, 《화학백과》

같이 보기

• 산화
• 환원
• 산화반응
• 환원반응
• 산화환원
• 산화환원반응
• 전하
• 전하량

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