산화 환원 반응이란 무엇입니까?

산화환원반응이 무엇인지, 존재하는 유형과 응용, 특성, 산화환원반응의 예에 대해 설명합니다.


산화환원 반응에서 한 분자는 전자를 잃고 다른 분자는 전자를 얻습니다.

산화 환원 반응이란 무엇입니까?

화학 에서는 관련된 원자나 분자 사이에서 전자 교환 이 일어나는 화학 반응 을 산화환원 반응, 산화-환원 반응 또는 환원-산화 반응이라고 합니다 .

이 교환은 반응물의 산화 상태 변화에 반영됩니다 . 전자를 내주는 반응물은 산화되고 전자를 받는 반응물은 환원됩니다.

산화 상태는 화학 반응 의 일부일 때 화학 원소의 원자가 포기하거나 받아들이는 전자의 수를 나타냅니다 . 이는 또한 다른 원자와의 모든 결합이 완전히 이온일 경우 특정 원자가 갖게 될 가정된 전하 로 해석될 수도 있습니다 . 산화수 또는 원자가 라고도 합니다 .

산화 상태는 정수 로 표현 되며 0은 중성 원소의 산화 상태입니다. 따라서 원자의 유형과 참여하는 반응에 따라 양수 또는 음수 값을 취할 수 있습니다. 반면에 일부 원자는 관련된 반응에 따라 다양한 산화 상태를 갖습니다.

산화환원 반응을 이해하고 분석하려면 화합물 에 포함된 각 원자의 상태 또는 산화수를 올바르게 결정하는 방법을 아는 것이 필수적입니다. 해당 값을 계산할 수 있는 특정 규칙이 있습니다.

  • 중성 원소 또는 분자의 산화수는 0입니다. 예: 고체 금속(Fe, Cu, Zn…), 분자(O 2 , N 2 , F 2 ).
  • 단일 원자로 구성된 이온은 전하와 동일한 산화수를 갖습니다 . 예: Na + , Li + , Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Cl – .
  • 불소는 존재하는 원소 중 전기음성도가 가장 높은 원소(F – ) 이기 때문에 항상 -1의 산화 상태를 갖습니다 .
  • 수소는 산화수 -1(H – )을 갖는 금속 수소화물(수소화칼륨, KH)을 제외하고 항상 산화수 +1(H + )을 갖습니다.
  • 산소의 산화수는 -2이지만 몇 가지 예외가 있습니다.
    • 불소와 화합물을 형성할 때 산화수는 2+입니다. 예: 이불화산소(OF 2 ).
    • 과산화물을 형성할 때 산화수는 -1(O 2 2- )입니다. 예: 과산화수소(H 2 O 2 ), 과산화나트륨(Na 2 O 2 ).
    • 초과산화물을 형성할 때 산화수는 -½(O 2 – )입니다. 예: 과산화물칼륨(KO 2 ).
  • 중성 화합물을 구성하는 원자의 산화수의 대수적 합은 0입니다.
  • 다원자 이온을 구성하는 원자의 산화수의 대수적 합은 이온의 전하와 같습니다. 예를 들어, 황산염 음이온(SO 4 2- )의 산화수는 -2이며, 이는 황과 산소의 산화수 합계에 화합물의 각 원자 양을 곱한 값과 같습니다. 황 원자 1개와 산소 원자 4개가 있습니다.
  • 일부 화학 원소 의 산화수는 해당 원소가 속한 중성 화합물이나 이온에 따라 달라질 수 있습니다. 그러면 다음과 같은 방법으로 화합물의 원자 산화수를 계산할 수 있습니다.

여기서 no()는 산화수를 의미하고, 괄호 안에는 화학원소가 들어있습니다.

이러한 방식으로 모든 산화환원 반응에는 두 가지 유형의 반응물이 있습니다. 하나는 전자를 포기하고 다른 하나는 전자를 받아들입니다 .

  • 산화제. 전자를 포획하는 것은 원자이다. 이러한 의미에서 초기 산화 상태가 감소하고 환원이 발생합니다. 이런 식으로 전자를 얻어 음전하가 증가합니다.
  • 환원제. 전자를 포기하고 초기 산화 상태를 증가시켜 산화되는 원자입니다. 이러한 방식으로 전자를 포기함으로써 양전하가 증가합니다.

일부 화학 원소는 동시에 산화되고 환원될 수 있습니다. 이러한 원소를 양쪽성 전해질이라고 하며, 이것이 일어나는 과정을 양쪽성 전해질이라고 합니다.

산화 환원 반응은 우주 에서 가장 흔한 화학 반응 중 하나입니다 . 식물 의 광합성 과정 과 동물의 호흡 과정의 일부로서 생명 의 연속성을 가능하게 하기 때문입니다 .

도움이 될 수 있습니다: 산화제

산화 환원 반응의 특성

산화 환원 반응은 우리 주변에서 매일 발견됩니다. 금속 의 산화 , 부엌에서 가스의 연소 , 심지어 우리 몸에서 ATP를 얻기 위한 포도당의 산화 등이 그 예입니다.

대부분의 경우 산화환원 반응은 상당한 양의 에너지를 방출합니다 .

일반적으로 각 산화환원 반응은 두 단계 또는 반쪽 반응으로 구성됩니다. 반쪽 반응 중 하나에서는 산화가 일어나고(반응물이 산화됨) 다른 반쪽 반응에서는 환원이 일어납니다(반응물이 환원됨).

모든 반쪽 반응을 대수적으로 결합한 결과로 얻어지는 전체 산화환원 반응을 일반적으로 “전역 반응”이라고 합니다. 반쪽 반응을 대수적으로 결합할 때 질량과 전하를 모두 조정해야 한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 즉, 산화 과정에서 포기한 전자의 수는 환원 과정에서 얻은 전자의 수와 같아야 하며, 각 반응물의 질량은 각 생성물의 질량과 같아야 합니다.

예를 들어:

  • 환원 반반응. 두 개의 전자를 포획하여 구리 를 환원시킵니다 . 산화 상태를 감소시킵니다.
  • 산화 반반응. 두 개의 전자를 잃어 철이 산화됩니다. 산화 상태를 증가시킵니다.

    전반적인 반응:

산화 환원 반응의 유형


연소 반응(산화환원 반응)은 움직임을 생성할 수 있는 에너지를 방출합니다.
다양한 특성을 지닌 다양한 유형의 산화환원 반응이 있습니다. 가장 일반적인 유형은 다음과 같습니다.

  • 연소 . 연소는 열과 빛 의형태로 상당한 양의 에너지를 방출하는 산화환원 화학 반응입니다. 이러한 반응은 많은 에너지를 방출하는 급속한 산화입니다. 방출된 에너지는 제어된 방식으로 사용되어 자동차 엔진의 움직임을 생성할 수 있습니다. 이러한 반응에는 산화제 (환원되어 산화되어 연료가 됨)라는 요소와 연료 요소(산화되어 산화제로 환원됨)가연료의 예로는 휘발유와 주방에서 사용하는 가스가 있으며, 가장 잘 알려진 산화제는 기체 산소(O 2 )입니다.
  • 금속 산화 . 연소보다 반응이 느립니다. 이는 일반적으로 특정 물질, 특히 금속 물질에 대한 산소 작용으로 인해 열화되는 것으로 설명됩니다. 이는 특히 해안 마을에서 환경의 염분이 반응을 가속화(촉매)하는 세계적으로 알려진 일상적인 현상입니다. 그렇기 때문에 우리를 해변으로 데려간 후 자동차에서 소금물 흔적을 모두 제거해야 합니다.
  • 불균형. 불균등화 반응이라고도 알려져 있으며 동시에 환원되고 산화되는 단일 반응물을 나타냅니다. 그 대표적인 경우가 과산화수소(H2O2)의 분해이다.
  • 간단한 스크롤. “단일 치환 반응”이라고도 하는 이 반응은 동일한 화합물 내에서 두 원소가 각각의 위치를 교환할 때 발생합니다. 즉, 한 원소가 공식의 정확한 위치에서 다른 원소로 대체되어 각각의 전하가 다른 원자와 적절하게 균형을 이룹니다. 예를 들어 장치 의 배터리가 고장나는 경우와 같이 금속이 산에서 수소를 대체하고 염이 형성될 때 발생하는 현상입니다 .

산화 환원 반응의 예

산화 환원 반응의 예는 매우 풍부합니다. 위에서 설명한 각 유형의 예를 들어 보겠습니다.

  • 옥탄의 연소. 옥탄은 자동차 엔진에 동력을 공급하는 데 사용되는 휘발유의 탄화수소 성분입니다. 옥탄이 산소와 반응하면 옥탄이 산화되고 산소가 환원되어 이 반응으로 인해 많은 양의 에너지가 방출됩니다. 이렇게 방출된 에너지는 엔진에서 일을 생성하는 데 사용되며, 이 과정에서 이산화탄소와 수증기도 생성됩니다. 이 반응을 나타내는 방정식은 다음과 같습니다.
  • 과산화수소의 분해. 이는 과산화수소가 구성 요소인 물과 산소로 분해되는 불균일화 반응입니다. 이 반응에서는 산소의 산화수를 -1(H 2 O 2 )에서 -2(H 2 O)로 감소시켜 산소를 환원시키고, 산화수를 -1(H 2 O 2 )에서 0( 또는 2 ).
  • 은을 구리로 대체. 질산은 용액에 금속 구리 조각을 담그면 용액 의 색 이 파란색으로 변하고 구리 조각 위에 금속 은의 얇은 층이 침전되는 것을 볼 수 있는 간단한 치환 반응 입니다. 이 경우, 금속 구리(Cu)의 일부 는 질산구리(II)(Cu(NO 3 ) 2 )의 일부로서 Cu 2+ 이온으로 변환되며 , 그 용액은 멋진 파란색을 띕니다. 반면, 질산은(AgNO 3 )의 일부인 Ag + 양이온 의 일부 는 침전되는 금속은(Ag)으로 변환됩니다.
  • 아연과 묽은 염산의 반응. 이는 HCl (aq) 의 수소가 아연으로 대체되어 염을 형성하는 간단한 치환 반응입니다 .
  • 철산화 . 금속 철은 공기 중의 산소와 접촉하면 산화됩니다 . 일상생활에서 철제 물체가 오랫동안 공기에 노출되면 갈색 녹층이 형성되는 현상을 볼 수 있습니다. 이 반응에서는 산화수치가 0인 금속철(Fe)이 Fe3+로 변하는 즉, 산화수가 증가(산화)된다. 이러한 이유로 직관적으로나 구어체로 철은 녹슬다고 말합니다.

산업용 애플리케이션


발전소에서는 산화환원 반응이 대형 엔진을 구동합니다.
산화환원 반응의 산업적 응용은 끝이 없습니다 . 예를 들어, 연소 반응은 발전소에서 전기를 생산하는 데 사용되는 대형 엔진의 움직임을 생성하는 데 사용되는 작업을 생성하는 데 이상적입니다 .

이 과정은 화석 연료를 태워 열을 얻고 보일러에서 수증기를 생성하는 것으로 구성되며 , 이 수증기는 대형 엔진이나 터빈을 구동하는 데 사용됩니다. 한편, 연소반응은 우리 자동차처럼 화석연료를 사용하는 자동차의 엔진을 작동시키는 데에도 사용됩니다.

반면, 산화환원 치환 및 치환 반응은 자연 에서 흔히 볼 수 없는 순도 상태의 특정 원소를 얻는 데 유용합니다 . 예를 들어, 은은 반응성이 매우 높습니다. 광물 하층토에서는 순수한 것을 발견하는 경우가 드물지만, 산화환원 반응을 통해 높은 순도를 얻을 수 있습니다. 소금과 기타 화합물을 얻을 때도 마찬가지입니다 .

계속: 신진대사