Oxidation number의 특성

Oxidation number란 무엇인가?

Oxidation number란 한국어로 번역하자면 '산화수'라고 규정할 수 있습니다. Oxidation number를 계산하여 산화와 환원을 정의할 수 있습니다. Oxidation number는 전자들의 이동이 완전히 이루어지고 나면 어떤 분자 속의 어떤 원자가 전하의 숫자를 어떻게 가지고 있는지를 계산하는 방식입니다. 즉, oxidation number는 전자가 이동한 숫자를 의미합니다. 그래서 oxidation은 oxidation number가 증가한 것을 뜻하고, 반대로 reduction은 oxidation number가 감소한 것을 뜻합니다. Oxidation number 계산을 예로 들어 설명해 보자면 HCl을 보면 H는 oxidation number가 +1입니다. Cl은 oxidation number가 -1이므로 두 oxidation number의 총합은 0이 됩니다.

 

Oxidation number의 규칙

Oxidation number에 대해서 좀 더 상세하게 알아보자면 oxidation number는 따라야 하는 몇가지 규칙이 있습니다. 우선 자유원소들은 값이 0입니다. 자유원소로는 He, Ne, H2, N2, O2, Zn등이 해당합니다. 또한 중성 물질도 값이 0입니다. 중성 물질은 H2O나 CH4 등을 예로 들 수 있습니다. 1가 이온 금속의 경우 +1입니다. 리튬과 나트륨, 포타슘 이온들이 이에 해당합니다. 2가 이온 금속은 +2의 oxidative number를 갖습니다. 칼슘이나 마그네슘 +2 이온이 이에 해당합니다. 1가 음이온인 염소나 브롬, 아이오다인 등은 -1의 oxidative number 값을 갖습니다. 산소의 경우 특이하게 -2, -1, 또는 -0.5의 값을 갖습니다. 경우에 따라 달라지는 것으로 산화물에서는 -2의 값을, 과산화물에서는 -1의 값을, 초과산화물에서는 -0.5의 값을 갖습니다. 수소의 경우도 특이성이 있습니다. +1이거나 -1의 값을 갖는데 H2O와 같은 화학식에서는 +1의 값을 갖지만, 금속수화물에서는 -1의 값을 나타냅니다. 마지막으로 어떤 이온은 이온이 갖고있는 전자 수의 표기대로 oxidation number를 계산하면 됩니다.

 

Oxidation number 계산의 실제 예

위 설명을 바탕으로 Oxidation number를 실제 화학식에서 계산을 해보도록 하겠습니다. 예를 들어 Li2O라는 화합물의 oxidation number를 계산해 보겠습니다. 일반적으로 위에서 설명한 oxidation number의 규칙을 바탕으로 생각해보면 알칼리 금속은 +1가 이온일 때 +1로 계산한다고 하였습니다. 그래서 Li은 1개 당 +1로 계산할 수 있는데 2개 있으니 +2가 됩니다. 산소의 산화수는 특이하게 -2, -1, -0.5가 될 수 있다고 했기 때문에 조금 헷갈리실 수도 있겠습니다만, 일반적인 산화물이므로 -2가 적용됩니다. 과산화물이나 초과산화물이 아니기 때문입니다. 그래서 Li2O의 oxidation number의 합은 0으로 표기가 됩니다. 

 

 

산화 환원 반응의 현상들

산화 환원 반응에서 일반적으로 나타나는 현상들은 결합과 분해, 연소와 치환 등이 있습니다. 결합 반응이란 두 가지 이상 물질이 결합하면 하나의 생성물이 되는 반응으로 예를 들어 S원자와 산소가 만나 SO2 산화물이 되는 과정이 있습니다. 분해 반응은 결합 반응이 역으로 일어났을 때 나타나는 것으로 2NaH가 Na 2개와 H2 기체로 분해되는 과정을 예로 들 수 있습니다. 연소 반응은 산소와 반응해서 열과 불꽃을 내면서 빛을 방출하는 과정을 말합니다. 마그네슘 등이 산소와 반응해서 연소되는 것 등 모든 연소 반응은 결국 산화 환원 반응이 됩니다. 치환 반응이란 화합물을 구성하는 이온 등이 다른 원소의 이온 등으로 바뀌는 것을 의미합니다. 예를 들어 수소 치환 반응이 있습니다. 알칼리 금속 들은 물과 반응하면 수소를 방출하는데 이 과정이 대표적인 산화 환원 반응으로 일어나는 치환 반응입니다. 

 

금속의 치환 반응

화합물을 구성하는 금속의 경우에는 원소 상태로 있는 다른 금속에 의해서 치환되는 산화 환원 반응이 일어납니다. 예를 들어 Zn에 CuSO4를 넣어주면 SO4가 Zn에 붙고 Cu 침전물이 생기는 반응이 있습니다. 이 경우 알짜이온의 반응식으로 보면 Zn은 고체였다가 +2가 되면서 Zn2+ 수용액 상태로 변화되고, Cu2+는 수용액 상태에 존재하고 있다가 Zn과 치환 되어 solid로 침전되는 반응으로 나타납니다. 그 외 halogen 즉, 주기율표 상 7A족들에 해당하는 것들도 치환 반응이 있습니다. Activity series에 의해 나타나는 활동도 서열을 따져보면 F, Cl, Br, I 순으로 활동도 서열이 낮습니다. 이 반응을 예를 들어 설명하자면 Br 분자가 용액 속에서 아이오딘화 이온을 만나면 치환 반응이 일어날 수 있습니다. 그런데 만약 반대로 halogen의 역할이 바뀌면 치환 반응은 일어나지 않습니다. 이런 치환 과정을 공업적으로 활용하는 예시도 있습니다. 브로민은 증발성이 강한 묽은 액체인데 바닷물 속에 Br- 이온이 풍부하기 떄문에 염소를 치환 반응 시켜서 브로민 액체를 얻어내는 공정을 이용하기도 합니다.