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환원 -Devotion-
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참고하십시오.1. 정의
화학의 기본 반응 원리 중 하나.[1] 산화수가 증가하면 산화, 감소하면 환원에 해당한다.산화와 환원을 정의하기 위한 노력은 화학의 탄생 이후로 화두였는데, 시대순으로 정리하면 다음과 같다.
- 산화(oxidation)라는 말에서 볼 수 있듯이, 초창기에는 산화를 산소를 얻는 것, 환원을 산소를 잃는 것이라 정의했다.
- 하지만 특징상 명백히 산화-환원 반응이지만 산소가 관여하지 않는 반응도 있었는데, 이런 반응들은 당연히 산소를 갖고 정의하기 힘들었다. 이를 설명하고자 전자를 얻는 것을 환원, 잃는 것을 산화라 정의했다.
산화, 환원 반응의 근본은 전자의 이동에서 기인하며, 산화수는 모든 결합을 이온 결합으로 간주하였을 때 각 원소들의 전하량을 표시한 개념이다. 기호의 오른쪽 위에 표기한다.[2] 각각 원자의 산화수는 반드시 정수일 수밖에 없지만[3] 한 분자 안에서 특정 원소의 평균 산화수는 당연하게도 정수일 필요는 없다.
산화수는 전자의 이동을 묘사하기 위한 개념이지만, 산화수의 변화 없이 전자 밀도가 바뀌는 것만으로는 산화-환원으로 부르지 않는다. 예를 들어 thiol(R-SH)이 alcohol(R-OH)가 되는 경우, 탄소의 전자 밀도는 분명 감소하지만 산화수는 변화가 없다. 산화-환원 반응의 정의 또한 일종의 formalism이라는 것을 확실히 할 필요가 있다.
영어로는 환원(Reduction)과 산화(Oxidation)을 합쳐 Redox Reaction (REDuction+OXidation)이라 부른다.
1.1. 유기화학에서
탄화와 수소간의 단일결합만을 가지고 있는 [예시] 알케인이 이중 또는 삼중결합을 지니는 알켄이나 알카인이 되는 화학반응 또한 산화작용으로 정의한다.산소-탄소를 지닌 분자는 알코올 -> 알데하이드/ 케톤 -> 에스테르 -> 이산화탄소 순으로 산화한다.
질소-탄소를 지닌 분자는 아민 -> 이민(imine) -> ammonium salt -> hydroxylamine -> amineoxide -> 나이트로소 -> 나이트로 순으로 산화한다.
2. 특징
어떤 화학반응식에 있어서 한 물질이 산화했으면 다른 물질은 반드시 환원한다.(산화-환원 동시성) 이유를 간단히 말하자면 전자는 없어지거나 생기지 않기 때문이다.2.1. 오해
산성체질설 같은 유사과학이나 TV에서 산화라고 한다면 아주 농축우라늄을 원샷하는 행위라도 되는 듯하게 몰아가고, 알칼리환원수라고 하는 이상한 수식어구를 붙이면서 좋아 보이게 해서 그렇지, 절대 산화가 나쁘고 환원은 좋은 것이 아니다. 무지한 PD들이 악의적으로 편집한 결과물. 이에 대해서는 MSG와 일맥상통한다.만약 우리 몸을 열심히 조절해서 산화가 하나도 안 되게 만든다면, 당장 포도당이 이산화탄소로 연소되지 않는 것은 물론 거기까지 갈 필요 없이 적혈구의 헤모글로빈이 산화가 안 되어 질식으로 사망한다.
3. 산화 환원과 산-염기 반응과의 구분
기초적인 화학 교과에서 두 형태의 반응을 구분하라는 문제가 자주 출제되는데, 산화-환원 반응은 산화수의 변화로 정의되므로 산화수를 계산해 보면 산화-환원 반응인지의 여부를 알 수 있다. 산-염기 반응은 전자쌍의 이동[5]으로 정의되는 것이므로 형식 전하의 변화가 생기게 된다.4. 산화제/ 환원제
처음 접하는 학생들에게 오개념을 일으키기 쉬운 개념인데, 산화제와 환원제는 물질을 각각 산화, 환원 시키는 물질이다.즉 자기 자신은 그 반대로 산화제의 경우 환원되고 환원제의 경우 산화된다.[* 냉각제인 액체 질소화수를 계산해 보면 산화-환원 반응인지의 여부를 알 수 있다. 산-염기 반응은 전자쌍의 이동[6]으로 정의되는 것이므로 형식 전하의 변화가 생기게 된다.5. 산화제/ 환원제
처음 접하는 학생들에게 오개념을 일으키기 쉬운 개념인데, 산화제와 환원제는 물질을 각각 산화, 환원 시키는 물질이다. 즉 자기 자신은 그 반대로 산화제의 경우 환원되고 환원제의 경우 산화된다.[7] 산소, 과산화수소, 과망간산칼륨(KMnO4)등이 대표적인 산화제이며, 환원제로 자주 쓰이는 물질로는 LAH(LiAlH4), 하이드라진, 일산화탄소 등이 있다. 그러나 산화제, 환원제는 어디까지나 상대적 개념으로, 산화제라고 알고 있는 물질이 환원제로 작용할 수도 있고, 그 반대도 가능하다.[8]반응식에서 산화수가 증가하는 물질이 환원제, 산화수가 감소하는 물질이 산화제라고 판단할 수 있다.
6. 산화-환원 적정
산-염기 반응과 마찬가지로 산화-환원 적정도 가능한데, I2-KI나 KMnO4 등이 주로 사용된다. Proton transfer의 경우 매우 빠르게 진행되므로 pKa 차이가 어느 정도만 나면 적정에 무리가 없지만, 산화-환원 적정은 반응 속도가 매우 다양하다.7. 예시
일반화학 수준까지는 산-염기 반응을 제외하면 대부분 산화-환원 반응이라고 봐도 무방하다. 전지, 전기분해(수전해)가 보통 나오는 예시지만 이외에도 많은 예시가 있다.8. 이온화 경향
이온화 경향이 큰 금속은 전자를 잃고 산화되기 쉬우며 이온화 경향이 작은 금속은 전자를 얻어 환원되기 쉽다. 화학 전지에서 이온화 경향이 작은 금속이 +극, 큰 금속이 -극이 된다.
[1]
다른 기본적 반응으로는 산-염기 반응, 협동 반응 등이 있다.
[2]
사족으로, 모든 결합을 대등한 공유 결합으로 간주한 경우를 형식 전하라 칭한다.
[3]
모든 결합이 고전적인 2-centered bond라면 전자는 항상 정수 개수로 나뉠 수밖에 없다.
[예시]
CH3CH2CH2CH3 뷰테인
[5]
배위 결합이라고 해도 좋다.
[6]
배위 결합이라고 해도 좋다.
[7]
냉각제인 액체 질소를 생각해보자. 액체 질소로 물체를 냉각시키면 자신은 어떻게 될까? 열을 받고 뜨거워질 것이다. 이와 같은 논리로 외우면 쉽다.
[8]
이 또한 냉각제로 바꿔 생각해보면 편하다. 상온의 15도 물은 불의 열은 낮추지만 얼음의 온도는 높인다.