산화수

목차

원자 또는 분자 간 발생하는 전자의 이동은 화학 반응을 이해하는데 매우 중요하다. 산화수(酸化數, oxidation number)의 개념은 분자들에서 일어나는 산화-환원 반응(redox reaction)에서의 전자 이동을 알아낼 수 있는 중요한 개념이다. 산화수는 하나의 물질(홑원소 물질, 분자, 이온 화합물 등)에서 전자의 교환이 완전히 일어났다고 가정하였을 때 물질을 이루는 특정 원자가 갖는 전하수를 말하며 산화 상태(oxidation state)라고도 한다. 산화 반응의 경우 전자를 잃게 되어 산화수가 증가하며, 환원 반응의 경우 반대로 전자를 얻어 감소하게 된다. 산화수는 산화-환원 반응에서 전자의 흐름을 확인하기 위하여 사용하는 하나의 방법으로 물질 내의 특정 원자가 가지는 전하량과 반드시 일치하지는 않는다. 간단한 예로써 염화 수소(hydrochloric acid, HCl)의 경우 H 와 Cl의 부분 전하가 +0.2, -0.2 정도이며 이온 화합물(ionic compound)이 아니다. 따라서 수소와 염소가 양이온과 음이온의 상태로 존재하지 않는다. 즉, 수소와 염소의 전하수가 +1과 -1이 아니지만, 각각의 산화수는 +1과 -1이다.

산화수와 형식 전하(formal charge)는 완전히 다른 개념이다. 산화수는 반응을 통해 전자가 완전히 이동했다고 보는 것이고, 형식 전하는 공유한 원자들 간에 결합을 형성할 때 전자쌍을 동등하게 나누어 가진다는, 즉 전자가 이동하지 않았다는 상반된 관점에서 결정된다. 이로 인해 대부분 중성 분자에서 원소의 형식 전하는 0 이 되고, 산화수와는 다르게 된다. 형식 전하의 경우 루이스 구조식을 그릴 때 흔히 사용된다. 산화수와 형식 전하는 많은 경우 같지 않다. 예를 들어, 암모늄 이온, NH₄⁺의 경우 질소의 형식 전하는 +1이지만 산화수는 -3이다. 흥미로운 예로 일산화 탄소(CO)를 들 수 있다. 전기음성도가 낮은 탄소 원자의 형식 전하가 -1 이 되고, 반대로 전기음성도가 큰 산소 원자는 +1이 되기 때문이다.

화학 반응의 반응물과 생성물을 이루는 원소들의 산화수 변화를 통해 그 화학 반응이 산화 반응인지 환원 반응인지를 쉽게 알 수 있다. 산화수가 반응 후 증가하면 그 원소는 산화된 것이며, 산화수가 반응 후 감소하면 그 원소는 환원된 것이다.

반응 전과 후에 원자 1개라도 산화수의 변화가 있으면 산화-환원 반응이다. 그렇지 않다면 산화-환원 반응이 아니다. 산화가 일어난 화합물은 환원제로, 환원이 일어난 화합물은 산화제로 명명된다.

기본적으로 전기음성도의 차이를 이해하면 산화수를 구하는 데 도움이 된다. 전자의 이동이 없는 홑 원자의 경우 산화수는 0이 된다. 단원자 이온은 그 이온의 전하와 산화수가 같고, 다원자 이온의 경우 원자들의 산화수의 총합은 다원자 이온의 전하수와 같다. 중성 분자의 경우 원자들의 산화수 총합은 0이다. 가령, Br < Cl = N < O < F의 전기음성도의 순서를 알면 아래의 결과들을 이해하는 데 큰 도움이 된다.

C, Cl₂, P₄, F₂의 경우 산화수가 0이다.

Na⁺, Cl^-, Mg²⁺, O^2-의 경우 위 규칙에 따라 산화수는 각각 +1, -1, +2, -2이다.

OH^- 의 경우 (O의 산화수) + (H의 산화수) = (이온의 전하)이다. 산소와 수소의 산화수는 위 규칙에 따라 각각 -2, +1이다. 그리고 [(-2)+(+1)=(-1)]의 식이 성립된다.

SF₆의 경우 전기음성도가 큰 플루오린 원자의 산화수가 -1이고 플루오린 원자 6개의 산화수 합은 -6이 된다. 균형을 맞추기 위하여 황의 산화수는 +6이 되어야 한다.

SF₆ 분자

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O 반응의 경우 O₂ 의 산소는 산화수가 0이다. 생성물인 CO₂ 와 H₂O의 산소들은 -2의 산화수를 가진다. 결국 산소 원자의 산화수는 반응을 통해 감소하게 되었고, 이는 산소가 환원되었음을 의미한다. 반응물인 CH₄의 탄소의 경우 -4의 산화수를 가지며 생성물인 CO₂의 탄소는 +4의 산화수를 가진다. 산화수의 증가는 탄소가 산화되었음을 의미한다.

전기음성도가 다른 두 가지 이상의 원소가 결합한 화합물에 대한 산화수의 이해는 매우 중요하다. 예를 들어, 글루코스(glucose) C₆H₁₂O₆ 분자의 경우 전기음성도가 제일 높은 산소가 -2, 낮은 수소가 +1, 중간인 탄소는 0이다. 글루코스의 산화수는 광합성에서 산화-환원 반응을 이해하는데 매우 중요하다.