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전자이동에 의한 산화와 환원
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전자이동에 의한 산화와 환원 |
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화학반응에서는 물질 사이에 전자를 주고 받습니다. |
모든 원소들은 전자와 관련하여 독특한 성질들을 가집니다. 어떤 원소는 전자를
주기를 좋아하는가 하면 전자를 받기를 좋아하는 원소도 있습니다.
이러한 성질은 원자 내의 전자가 몇 개 어떻게 배치되어 있느냐에 달려 있습니다.
원자의 구조를 잘 알겁니다.
원자는 중심에 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵이 자리잡고 있으며, 그 주변에
전자들이 포진해 있지요. 몇 개의 층으로 이루어진 전자의 세계는 나름의 규칙이
있어서 각자 들어갈 자리가 한정되어 있습니다.
금속들은 보통 한 두개의 전자가 외로이 떨어져 있는 경우가 많아 다른 원소로 이사를
가서 여럿이 어울려 살고 싶어합니다. 반면에 산소나 염소 원소 등의 원자는 한 두개의
전자만 더 있으면 더 할 나위 없이 만족스러워 하지요.
그러다 보니 원소들 끼리 전자를 주고 받는 일이 자연스럽게 이루어지고 이것이 화학
결합의 기초를 이루게 됩니다.
원자가 전자를 받으면 음(-)이온이 되고, 전자를 주면 양(+)이온이 된답니다. 그러니 원자와
이온의 차이는 전자의 들어가고 나감이 있느냐에 달려 있는 거지요.
어떤 원소가 산소와 화합하는 것을 산화라고 했지요? 전자 받기를 좋아하는 산소와
결합하는 원소들은 자연히 전자 주기를 좋아하는 성질이 있지요. 그래서 원자가 전
자를주는 반응도 산화라고 한답니다.
정리하면 어떤 원자나 이온이 전자를 주는 반응을 산화, 전자를 받는 반응을 환원이
라고 합니다. 물론 전자를 주고 받는 것은 동시에 일어나는 일이므로 산화와 환원은
항상 동시에 일어납니다.
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이온화 정도에도 서열이 있습니다. |
금속은 다른 원소에 전자를 주고 화학결합을 하고 싶어 한다고 했습니다.
그런데 금속의 종류에 따라 전자를 주는 힘이 차이가 있어서 금속끼리 '전자 주기
쟁탈전'을 벌이지요. 금속의 전자 주는 힘의 정도를 "이온화 경향"이라고 합니다.
금속 원자가 전자를 주면 (-)이온으로 되기 때문에 붙여진 이름이지요.
이온화 경향의 순서는 다음과 같은데 중요하니 반드시 외워야겠지요? (못외우는
학생이 실제로 거의 없지요?)
K-Ca-Na-Mg-Al-Zn-Fe-Ni-Sn-Pb-(H)-Cu-Hg-Ag-Pt-Au ←☜ 이온화가 잘된다. = 음이온이 되기 쉽다 = 산화되기 쉽다. |
예를 들어볼까요?
황산구리(CuSO4) 수용액은 구리이온(Cu2+) 때문에 푸른색을 띠는데 여기에 철 조각
을 넣어봅니다. 철은 구리보다 이온화 경향이 큰 금속이므로 '전자 주기 쟁탈전'에서
구리를 이겨서 전자(e)를 내놓고 양이온이 되어 구리 이온의 자리를 빼앗습니다.(산화)
구리 이온은 할 수 없이 철이 내놓은 전자를 받아서 금속 구리가 되지요. (환원)
Fe → Fe2+ + 2 e : 산화
Cu2+ + 2 e → Cu :환원
눈으로 확인할 수 있는 변화는 구리 이온이 줄어들어서 수용액의 푸른색이 옅어지고,
철 표면에 붉은색의 금속구리가 점차 많아지는 것을 볼 수 있습니다.
구리라고 항상 전자를 받기만 하는 것은 아닙니다. 질산은(AgNO3) 수용액에 금속 구리
를 넣으면 구리가 은보다 이온화 경향이 크기 때문에 이번에는 구리가 구리 이온으로
되고, 은이온(Ag+) 은 금속 은으로 바뀝니다. 그 결과 무색의 수용액이 구리 이온 때문에
푸른색으로 변하면서 구리 표면에 금속 은이 달라 붙는 것을 볼 수 있습니다.
Cu → Cu2+ + 2e : 전자를 내놓는다 = 산화
2 Ag+ + 2e → Ag : 전자를 받는다 = 환원
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수소보다 이온화 경향이 큰 금속은 산에 잘 녹습니다. |
모든 산에는 공통적으로 수소 이온(H+) 이 들어 있습니다.
수소 원자도 전자를 내놓기를 좋아하지만 대분의 금속보다 그 힘이 작습니다.
따라서 수소보다 이온화 경향이 큰 금속을 산에 넣으면 수소 이온은 금속에게 양이온
자리를 빼앗기게 되겠지요. 그 대신 금속이 내놓은 전자를 받아서 수소 기체가 됩니다.
철(Fe)을 염산(HCl)에 넣으면 다음과 같은 반응이 일어나서 철이 녹습니다.
Fe → Fe2+ + 2e ( 산화 )
H+ + 2e → H2↑ ( 환원)
Fe + HCl → FeCl + H2↑
녹슨 못을 레몬의 산에 집어 넣으면 녹이 제거
되는 것을 볼 수 있는데, 이것이 바로 철이 산에
잘 녹는 성질을이용한 겁니다.
그러나 수소 보다 이온화 경향이 작은 금, 은,
백금 등은 산에 잘 녹지 않습니다.
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산화제는 자신이 환원되면서 다른 물질을 환원시킵니다. |
산화·환원 반응에서 어떤 물질의 원소가 환원된다는 것은 그 반응에서 다른 물질의
원소가 산화된다는 것을 뜻합니다.
위의 철과 염산의 반응에서 염산의 수소가 환원되면서 동시에 철이 산화됩니다. 다른
말로 하면 염산은 자신이 환원되면서 철을 환원시킨거지요.
이와 같이 자신이 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 물질을 산화제라 합니다. 그
반대는 물론 환원제라 하지요.
위에서 환원되는 철이 산화제인지 환원제인지 헷갈린다는 학생들이 많은데, 소화제를
생각해보면 됩니다. 소화제는 자기가 소화되는 것이 아니라 다른 물질(음식)을 소화시
키는 약이지요. 다른 물질을 산화시키면 산화제, 환원시키면 환원제랍니다.
염산이 철을 산화시키는 힘을 산화력이라 하고, 그 작용을 산화 작용이라 합니다.
산소, 오존, 강한 산 등은 산화력이 강한 대표적인 산화제입니다.
대부분의 금속은 산화를 잘하므로 환원력이 커서 환원제로 작용하는 경우가 많습니다.
