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산화수 규칙과 루이스 구조식으로 산화수를 구하고, 산화와 환원이 항상 동시에 일어나는 원리 및 산화제·환원제의 변화를 설명합니다.
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산화·환원 반응

¶ 지식 정보

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산화수 규칙과 루이스 구조식으로 산화수를 구하고, 산화와 환원이 항상 동시에 일어나는 원리 및 산화제·환원제의 변화를 설명합니다.
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¶ 과산화물

두 산소 원자가 연속으로 결합된 $-\mathrm{O} - \mathrm{O}-$ 구조를 가진 물질이다.

¶ 과산화물 예시

$\mathrm{H_{2}O_{2}}$ 의 루이스 구조식을 그리면 아래 그림과 같다.

분자 내에 $-\mathrm{O} - \mathrm{O}-$ 구조를 가지므로 $\mathrm{H_{2}O_{2}}$ 는 과산화물에 해당한다.

¶ 산화수

전자가 전기 음성도가 큰 원자로 완전히 이동했다고 가정할 때 각 원자가 갖는 가상의 전하이다.

¶ 산화수 규칙

홑원소 물질의 산화수는 $0$ 이다.
예: $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{H_{2}}$ , $\mathrm{O_{2}}$ 에서 $\mathrm{Cu}$ , $\mathrm{H}$ , $\mathrm{O}$ 의 산화수는 모두 $0$ 이다.

이온의 산화수는 그 이온의 전하와 같다.
예: $\mathrm{Cu}^{2+}$ 에서 $\mathrm{Cu}$ 의 산화수는 $+ 2$ 이다.

화합물에서 $\mathrm{F}$ 의 산화수는 $- 1$ 이다.
예: $\mathrm{CF_{4}}$ 에서 $\mathrm{F}$ 의 산화수는 $- 1$ 이다.

모든 원소 중 전기 음성도가 가장 큰 $\mathrm{F}$ 가 $\mathrm{C}$ 보다 전자를 더 잘 끌어당겨 $\mathrm{F}$ 는 음 $(-)$ 의 산화수를 갖는다.

중성인 화합물에서 원자의 산화수의 총합은 $0$ 이다.
예: $\mathrm{CF_{4}}$ 에서 $\mathrm{F}$ 의 산화수는 $- 1$ 이고, $\mathrm{F}$ 는 $4$ 개이므로 $\mathrm{C}$ 의 산화수를 $a$ 라 할 때,
$a + (-1) \times 4 = 0$ ,
$a = + 4$ 이다.
따라서 $\mathrm{CF_{4}}$ 에서 $\mathrm{C}$ 의 산화수는 $+ 4$ 이다.

화합물에서 $\mathrm{H}$ 의 산화수는 $+ 1$ 이다. (단, 금속의 수소 화합물에서는 $- 1$ 이다.)
예 $1$ : $\mathrm{CH_{4}}$ 에서 $\mathrm{H}$ 의 산화수는 $+ 1$ 이다.
예 $2$ : $\mathrm{NaH}$ 는 금속의 수소 화합물이므로 $\mathrm{H}$ 의 산화수는 $- 1$ 이다.

전기 음성도는 $\mathrm{H}$ 가 금속 원소보다 크므로 $\mathrm{H}$ 가 전자를 더 잘 끌어당겨 $\mathrm{H}$ 는 음 $(-)$ 의 산화수를 갖는다.

화합물에서 $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $- 2$ 이다. (단, 과산화물에서는 $- 1$ , 플루오린 화합물에서는 $+ 2$ 또는 $+ 1$ 이다.)
예 $1$ : $\mathrm{CO_{2}}$ 에서 $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $- 2$ 이다.
예 $2$ : $\mathrm{H_{2}O_{2}}$ 는 과산화물이므로 $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $- 1$ 이다.
예 $3$ : $\mathrm{OF_{2}}$ 는 플루오린 화합물에 해당하고, $\mathrm{F}$ 의 산화수는 $- 1$ 이므로 $\mathrm{O}$ 의 산화수를 $a$ 라 할 때,
$a + (-1) \times 2 = 0$ ,
$a = + 2$ 이다.
따라서 $\mathrm{OF_{2}}$ 에서 $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $+ 2$ 이다.

모든 원소 중 $\mathrm{F}$ 의 전기 음성도가 가장 크므로 $\mathrm{F}$ 가 $\mathrm{O}$ 보다 전자를 더 잘 끌어당겨 플루오린 화합물에서 $\mathrm{O}$ 는 양 $(+)$ 의 산화수를 갖는다.

화합물에서 $1$ 족 금속 원자의 산화수는 $+ 1$ 이고,
$2$ 족 금속 원자의 산화수는 $+ 2$ 이다.
예: $\mathrm{NaCl}$ 에서 $\mathrm{Na}$ 는 $1$ 족 금속 원자이므로 $\mathrm{Na}$ 의 산화수는 $+ 1$ 이다.

다원자 이온에서 구성 원자의 산화수의 총합은 다원자 이온의 전하와 같다.
예: $\mathrm{SO_{4}}^{2-}$ 에서 $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $- 2$ 이고, 다원자 이온 $(\mathrm{SO_{4}}^{2-})$ 의 전하는 $- 2$ 이므로 $\mathrm{S}$ 의 산화수를 $a$ 라 할 때,
$a + (-2) \times 4 = -2$ ,
$a = + 6$ 이다.
따라서 $\mathrm{SO_{4}}^{2-}$ 에서 $\mathrm{S}$ 의 산화수는 $+ 6$ 이다.

¶ 산화와 환원

산화는 산화수가 증가하는 것이고,
환원은 산화수가 감소하는 것이다.

전자가 한쪽으로 쏠리면, 다른 한쪽은 전자가 부족해지므로 산화와 환원은 항상 동시에 일어난다.

¶ 산화·환원 반응식

산화·환원 반응을 나타낸 화학 반응식이다.

¶ 산화·환원 반응식 예시

다음은 어느 산화·환원 반응의 화학 반응식이다. 각 원자의 산화수를 구해보자.

$\mathrm{SO_{2}} + 2\mathrm{H_{2}S} \rightarrow 2\mathrm{H_{2}O} + 3\mathrm{S}$

$\mathrm{SO_{2}}$ 에서 각 원자의 산화수 구하기:
화합물에서 $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $- 2$ (단, 과산화물에서는 $- 1$ , 플루오린 화합물에서는 $+ 2$ 또는 $+ 1$ 이다.)이고,
중성인 화합물에서 원자의 산화수의 총합은 $0$ 이므로 $\mathrm{S}$ 의 산화수를 $a$ 라 할 때,
$a + (-2) \times 2 = 0$ ,
$a = + 4$ 이다.

$\mathrm{H_{2}S}$ 에서 각 원자의 산화수 구하기:
화합물에서 $\mathrm{H}$ 의 산화수는 $+ 1$ (단, 금속의 수소 화합물에서는 $- 1$ 이다.)이고,
중성인 화합물에서 원자의 산화수의 총합은 $0$ 이므로 $\mathrm{S}$ 의 산화수를 $a$ 라 할 때,
$+1 \times 2 + a = 0$ ,
$a = - 2$ 이다.

$\mathrm{H_{2}O}$ 에서 각 원자의 산화수 구하기:
화합물에서 $\mathrm{H}$ 의 산화수는 $+ 1$ (단, 금속의 수소 화합물에서는 $- 1$ 이다.)이고,
화합물에서 $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $- 2$ (단, 과산화물에서는 $- 1$ , 플루오린 화합물에서는 $+ 2$ 또는 $+ 1$ 이다.)이다.

$\mathrm{S}$ 의 산화수 구하기:
홑원소 물질의 산화수는 $0$ 이므로 $\mathrm{S}$ 의 산화수는 $0$ 이다.

위에서 구한 내용을 바탕으로 화학 반응식에 각 원자의 산화수를 나타내면 아래와 같다.

$\underset{+4}{\underline{\mathrm{S}}}\underset{-2}{\underline{\mathrm{O}}\smash{{}_{2}}} + 2\underset{+1}{\underline{\mathrm{H}}\smash{{}_{2}}}\underset{-2}{\underline{\mathrm{S}}} \rightarrow 2\underset{+1}{\underline{\mathrm{H}}\smash{{}_{2}}}\underset{-2}{\underline{\mathrm{O}}} + 3\underset{0}{\underline{\mathrm{S}}}$

¶ 루이스 구조식을 통해 산화수 구하기

한 화합물에 산화수를 모르는 원소가 $2$ 개 이상 있으면, '중성인 화합물에서 원자의 산화수의 총합은 $0$ '임을 활용해도 각 원소의 산화수를 모두 구할 수 없으므로 루이스 구조식을 그려 구한다.

무극성 공유 결합에서 두 원자의 전기 음성도가 같으므로 어느 한쪽으로 전자가 쏠리지 않아 산화수가 변하지 않는다.

단일 결합에서 두 원자가 각각 전자를 $1$ 개씩 내어 공유하므로,
전기 음성도가 큰 쪽으로 전자 $1$ 개가 이동하여 산화수가 $- 1$ 만큼 변하고,
반대로 전기 음성도가 작은 쪽의 산화수는 $+ 1$ 만큼 변한다.

$2$ 중 결합에서 두 원자가 각각 전자를 $2$ 개씩 내어 공유하므로,
전기 음성도가 큰 쪽으로 전자 $2$ 개가 이동하여 산화수가 $- 2$ 만큼 변하고,
반대로 전기 음성도가 작은 쪽의 산화수는 $+ 2$ 만큼 변한다.

$3$ 중 결합에서 두 원자가 각각 전자를 $3$ 개씩 내어 공유하므로,
전기 음성도가 큰 쪽으로 전자 $3$ 개가 이동하여 산화수가 $- 3$ 만큼 변하고,
반대로 전기 음성도가 작은 쪽의 산화수는 $+ 3$ 만큼 변한다.

¶ 루이스 구조식을 통해 산화수 구하기 예시

$\mathrm{HCN}$ 에서 각 원자의 산화수를 구해보자. 전기 음성도는 $\mathrm{C}$ 가 $\mathrm{H}$ 보다 크다.

화합물에서 $\mathrm{H}$ 의 산화수가 $+ 1$ 임은 알지만, $\mathrm{C}$ 와 $\mathrm{N}$ 의 산화수는 모르므로 아래 그림과 같이 $\mathrm{HCN}$ 의 루이스 구조식을 그려 구한다.

공유 결합에서 전자가 쏠리는 방향을 초록색 화살표로 나타내면 아래 그림과 같다.

단일 결합에서 전기 음성도가 큰 쪽으로 전자 $1$ 개가 이동하여 산화수가 $- 1$ 만큼 변하고,
반대로 전기 음성도가 작은 쪽의 산화수는 $+ 1$ 만큼 변하므로 $\mathrm{H}$ 의 산화수는 $+ 1$ 이다.

$3$ 중 결합에서 전기 음성도가 큰 쪽으로 전자 $3$ 개가 이동하여 산화수가 $- 3$ 만큼 변하고,
반대로 전기 음성도가 작은 쪽의 산화수는 $+ 3$ 만큼 변하므로 $\mathrm{N}$ 의 산화수는 $- 3$ 이다.

따라서 $\mathrm{C}$ 는 단일 결합에서 $- 1$ 만큼, $3$ 중 결합에서 $+ 3$ 만큼 변하므로 $\mathrm{C}$ 의 산화수는 $- 1 + 3 = + 2$ 이다.

¶ 루이스 구조식을 통해 과산화물의 산화수 구하기

$\mathrm{H_{2}O_{2}}$ 의 루이스 구조식을 그리면 아래 그림과 같다.

공유 결합에서 전자가 쏠리는 방향을 초록색 화살표로 나타내면 아래 그림과 같다.

무극성 공유 결합에서 두 원자의 전기 음성도가 같으므로 어느 한쪽으로 전자가 쏠리지 않는다.

따라서 $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $- 1$ 이다.

¶ 산화제와 환원제

산화제는 자신은 환원되어 다른 물질을 산화시키는 물질이고,
환원제는 자신은 산화되어 다른 물질을 환원시키는 물질이다.

산화제와 환원제는 자신이 아닌 상대 물질에 일어나는 변화를 기준으로 붙여진 것임에 주의한다.

¶ 산화제와 환원제 예시

다음은 어느 산화·환원 반응의 화학 반응식과 산화수를 나타낸 것이다. 산화제와 환원제를 구해보자.

$\mathrm{SO_{2}}$ 의 산화제, 환원제 판단:
$\mathrm{SO_{2}}$ 에서 $\mathrm{S}$ 의 산화수는 $+ 4$ 에서 $0$ 으로 감소하고, $\mathrm{O}$ 의 산화수는 $- 2$ 로 일정하므로 $\mathrm{SO_{2}}$ 는 환원되어 다른 물질을 산화시킨다.
따라서 $\mathrm{SO_{2}}$ 는 산화제이다.

$\mathrm{H_{2}S}$ 의 산화제, 환원제 판단:
$\mathrm{H_{2}S}$ 에서 $\mathrm{H}$ 의 산화수는 $+ 1$ 로 일정하고, $\mathrm{S}$ 의 산화수는 $- 2$ 에서 $0$ 으로 증가하므로 $\mathrm{H_{2}S}$ 는 산화되어 다른 물질을 환원시킨다.
따라서 $\mathrm{H_{2}S}$ 는 환원제이다.

¶ 적용 문항

¶ 1번 문항

1번 문항 정답 및 해설 보기

¶ 2번 문항

2번 문항 정답 및 해설 보기