酸化산화還元환원

◁ 進化진화와 生物생물多樣性다양성 ｜ 酸산과 鹽基염기 ▷

■ 10統통科과2-01-03: 自然자연과 人類인류의 歷史역사에 큰 變化변화를 가져온 光合成광합성, 化石화석 燃料연료 使用사용, 鐵철의 製鍊제련 等등에서 共通點공통점을 찾아 酸化산화와 還元환원을 理解이해하고, 生活생활 周邊주변의 多樣다양한 變化변화를 酸化산화와 還元환원의 特徵특징과 規則性규칙성으로 分析분석할 수 있다.

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酸化산화와 還元환원

鐵철이 녹슬고, 나무가 타고, 植物식물이 빛을 받아 有機物유기물을 만들고, 鐵鑛石철광석에서 金屬금속 鐵철을 얻는 過程과정은 겉모습이 서로 다릅니다. 그러나 原子원자가 가진 電子전자가 어느 쪽으로 이동하거나 치우치는지를 따라가면 같은 原理원리로 묶을 수 있습니다. 이 原理원리가 酸化산화와 還元환원입니다.

酸素산소의 移動이동

酸化산화와 還元환원은 먼저 酸素산소의 移動이동으로 理解이해할 수 있습니다. 어떤 物質물질이 酸素산소를 얻으면 酸化산화, 酸素산소를 잃으면 還元환원입니다. 18世紀세기 後半후반 라부아지에가 燃燒연소를 物質물질과 酸素산소의 結合결합으로 說明설명하면서 자리 잡은 定義정의로, '酸化산화'라는 이름도 여기서 나왔습니다.

Mg는 酸素산소와 結合결합하므로 酸化산화됩니다. 다음 反應반응에서는 CuO가 酸素산소를 잃어 Cu가 됩니다.

CuO는 還元환원되고, C는 酸素산소를 얻어 酸化산화됩니다. 한쪽이 잃은 酸素산소를 다른 쪽이 받아 가므로 두 變化변화는 같은 反應반응 안에서 함께 일어납니다.

그러나 酸素산소가 들어 있지 않은 反應반응에서도 같은 構造구조가 나타납니다.

이 反應반응에는 酸素산소가 없지만 Zn과 $Cu^{2+}$ 사이에서 電子전자가 이동합니다. 따라서 酸素산소의 移動이동은 酸化산화와 還元환원을 理解이해하는 좋은 出發點출발점이지만, 모든 酸化還元산화환원 反應반응을 包含포함하는 定義정의는 아닙니다.

電子전자의 移動이동

더 넓게 보면 酸化산화는 電子전자를 잃는 變化변화, 還元환원은 電子전자를 얻는 變化변화입니다. Zn과 $Cu^{2+}$의 反應반응을 둘로 나누면 다음과 같습니다.

Zn은 電子전자 2個개를 잃어 酸化산화되고, $Cu^{2+}$는 그 電子전자 2個개를 얻어 還元환원됩니다. 한쪽에서 나온 電子전자를 다른 쪽이 받아야 하므로 酸化산화와 還元환원은 언제나 함께 일어납니다.

다만 共有結合공유결합 物質물질에서는 電子전자가 한 原子원자에서 다른 原子원자로 완전히 넘어가지 않고 여러 原子원자 사이에 共有공유된 채 치우침이 달라지는 境遇경우도 많습니다. 이런 反應반응까지 같은 基準기준으로 다루기 위해 酸化數산화수를 이용합니다.

이온化화 傾向경향

金屬금속마다 電子전자를 잃고 陽양이온이 되려는 傾向경향이 다릅니다. 이를 이온化화 傾向경향이라고 합니다. 이온化화 傾向경향이 큰 金屬금속일수록 電子전자를 내놓아 酸化산화되기 쉽고, 작은 金屬금속일수록 金屬금속 狀態상태로 남으려는 傾向경향이 큽니다.

왼쪽에 있을수록 이온化화 傾向경향이 크고, 오른쪽에 있을수록 작습니다. H는 金屬금속이 아니지만 金屬금속의 反應性반응성을 비교하기 위한 基準기준으로 사이에 넣습니다. H보다 왼쪽에 있는 여러 金屬금속은 酸산과 反應반응하여 水素수소를 발생시킬 수 있고, Cu·Ag처럼 H보다 오른쪽에 있는 金屬금속은 묽은 鹽酸염산이나 묽은 硫酸황산에서 H$^+$를 쉽게 還元환원시키지 못합니다.

이 順序순서를 이용하면 金屬금속과 金屬금속 이온 사이의 酸化還元산화환원 方向방향을 대략 판단할 수 있습니다. 例예를 들어 Zn은 Cu보다 왼쪽에 있으므로 電子전자를 더 쉽게 잃습니다.

그 電子전자를 $Cu^{2+}$가 받아 Cu로 還元환원됩니다.

따라서 全體전체 反應반응은 다음과 같습니다.

반대로 Cu 金屬금속이 $Zn^{2+}$에 電子전자를 내놓아 Zn을 만드는 方向방향은 같은 條件조건에서 잘 진행되지 않습니다.

이 順序순서는 金屬금속의 反應性반응성을 빠르게 비교하기 위한 經驗的경험적 整理정리입니다. 實際실제 反應반응은 濃度농도, 溫度온도, 表面표면의 酸化膜산화막, 溶液용액의 性質성질 등에 따라 달라질 수 있습니다. 특히 Al처럼 이온化화 傾向경향은 크지만 表面표면에 치밀한 酸化膜산화막이 생겨 겉보기에는 잘 反應반응하지 않는 金屬금속도 있습니다.

또한 이온化화 傾向경향은 氣體기체 狀態상태의 原子원자 하나에서 電子전자를 떼어 내는 데 필요한 에너지를 뜻하는 이온化화 에너지와 같은 槪念개념이 아니라 溶液용액 속 酸化還元산화환원 反應반응에서 金屬금속이 電子전자를 얼마나 쉽게 내놓는지를 비교하는 槪念개념입니다.

酸化劑산화제와 還元劑환원제

다른 物質물질을 酸化산화시키는 物質물질을 酸化劑산화제라고 합니다. 酸化劑산화제는 相對상대에게서 電子전자를 받아 오므로 자신은 還元환원됩니다. 반대로 다른 物質물질을 還元환원시키는 還元劑환원제는 電子전자를 내주므로 자신은 酸化산화됩니다.

$Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu$에서 Zn은 $Cu^{2+}$를 還元환원시키므로 還元劑환원제이고, $Cu^{2+}$는 Zn을 酸化산화시키므로 酸化劑산화제입니다. 酸化劑산화제와 還元劑환원제라는 이름은 그 物質물질이 相對상대에게 일으키는 變化변화를 나타냅니다.

酸化數산화수

酸化數산화수는 結合결합 電子전자를 일정한 規則규칙에 따라 어느 原子원자에 속하는 것으로 셈했을 때 各각 原子원자에 주어지는 數수입니다. 實際실제 電荷전하와 항상 같은 것은 아니며, 酸化산화와 還元환원에서 電子전자의 移動이동 方向방향을 추적하는 補助보조 道具도구입니다.

$CO_2$에서 C의 酸化數산화수를 $x$라고 하면 O는 -2이므로

이고, 따라서 C의 酸化數산화수는 +4입니다.

酸化數산화수가 증가하면 酸化산화, 감소하면 還元환원입니다. Zn이 $Zn^{2+}$가 되면 0에서 +2로 증가하므로 酸化산화되고, $Cu^{2+}$가 Cu가 되면 +2에서 0으로 감소하므로 還元환원됩니다.

酸素산소의 酸化數산화수가 언제나 -2인 것은 아닙니다. 過酸化水素과산화수소 $H_2O_2$에서 O는 -1입니다. 酸化數산화수는 電子전자의 흐름을 정리하는 形式的형식적 數수이므로, 實際실제 電荷전하와 같다고 생각해서는 안 됩니다.

光合成광합성

光合成광합성은 빛 에너지를 이용하여 二酸化炭素이산화탄소와 물로부터 有機物유기물을 만드는 過程과정입니다. 全體전체 反應반응은 간단히 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

$CO_2$에서 C의 酸化數산화수는 +4입니다. $C_6H_{12}O_6$에서 C의 平均평균 酸化數산화수를 $x$라고 하면

이므로 $x=0$입니다. 따라서 二酸化炭素이산화탄소의 C는 +4에서 平均평균 0으로 酸化數산화수가 낮아집니다. 炭素탄소는 還元환원됩니다.

반대로 光合成광합성에서 만들어지는 $O_2$의 酸素산소는 물에서 옵니다. $H_2O$에서 O의 酸化數산화수는 -2이고 $O_2$에서는 0이므로, 물의 酸素산소는 酸化산화됩니다.

實際실제 光合成광합성은 한 段階단계의 反應반응으로 끝나지 않습니다. 葉綠體엽록체의 빛 反應반응에서는 물이 分解분해되며 電子전자를 내놓습니다. 이 電子전자는 여러 電子傳達전자전달 段階단계를 거쳐 NADP$^+$ 같은 電子전자 運搬體운반체로 전달됩니다. 이어지는 炭素탄소 固定고정 過程과정에서는 이 還元力환원력을 이용하여 $CO_2$의 炭素탄소를 有機物유기물로 還元환원합니다.

이 過程과정을 酸化還元산화환원만 남겨 단순하게 보면, 물은 電子전자를 내놓아 酸化산화되고 二酸化炭素이산화탄소의 炭素탄소는 電子전자를 받는 쪽으로 바뀌어 還元환원됩니다. 빛 에너지는 이 變化변화가 진행되도록 에너지를 공급합니다.

二酸化炭素이산화탄소는 炭素탄소가 매우 酸化산화된 狀態상태의 物質물질입니다. 이를 葡萄糖포도당 같은 有機物유기물으로 바꾸려면 에너지가 필요합니다. 植物식물은 太陽태양으로부터 받은 에너지의 一部일부를 有機物유기물의 化學화학 에너지로 저장합니다.

光合成광합성이 오랜 時間시간 이어지면서 地球지구 表面표면의 酸化還元산화환원 條件조건도 크게 달라졌습니다. 光合成광합성 生物생물이 내놓은 酸素산소가 축적되면서 大氣대기와 海洋해양의 化學화학 環境환경이 달라졌고, 酸素산소를 이용하는 呼吸호흡이 널리 가능해졌습니다.

化石화석 燃料연료

石炭석탄, 石油석유, 天然천연가스 같은 化石화석 燃料연료에는 炭素탄소와 水素수소를 많이 포함한 物質물질이 들어 있습니다. 이 物質물질이 酸素산소와 反應반응하면 二酸化炭素이산화탄소와 물이 만들어지고 에너지가 放出방출됩니다.

가장 單純단순한 炭化水素탄화수소인 메테인의 完全燃燒완전연소는 다음과 같습니다.

$CH_4$에서 H의 酸化數산화수는 +1이므로 C는 -4입니다. $CO_2$에서 C는 +4입니다. C의 酸化數산화수가 -4에서 +4로 증가하므로 메테인의 炭素탄소는 酸化산화됩니다.

$O_2$에서 O의 酸化數산화수는 0입니다. $CO_2$와 $H_2O$에서 O는 -2이므로 酸素산소는 還元환원됩니다. 따라서 메테인은 還元劑환원제, $O_2$는 酸化劑산화제입니다.

炭素탄소 하나의 酸化數산화수는 -4에서 +4로 8만큼 증가합니다. 한편 酸素산소 原子원자 하나의 酸化數산화수는 0에서 -2로 2만큼 감소합니다. $O_2$ 두 分子분자에는 酸素산소 原子원자가 네 個개 있으므로 全體전체 減少量감소량은 $4\times2=8$입니다.

酸化數산화수의 增加量증가량과 減少量감소량이 맞는 것은 電子전자가 保存보존되기 때문입니다.

一般的일반적인 炭化水素탄화수소 $C_xH_y$의 完全燃燒완전연소는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

實際실제 化石화석 燃料연료는 여러 炭化水素탄화수소와 다른 物質물질이 섞여 있으므로 이 式식이 모든 燃料연료의 組成조성을 그대로 나타내는 것은 아닙니다. 그러나 燃料연료의 炭素탄소가 酸化산화되고 酸素산소가 還元환원된다는 骨格골격은 같습니다.

光合成광합성과 燃燒연소를 나란히 보면 炭素탄소의 變化변화 方向방향이 거의 반대입니다. 光合成광합성에서는 +4인 $CO_2$의 炭素탄소가 還元환원되어 有機物유기물에 들어갑니다. 燃燒연소에서는 還元환원된 炭素탄소가 다시 +4의 $CO_2$로 酸化산화됩니다.

光合成광합성은 빛 에너지를 이용하여 還元환원된 炭素탄소 化合物화합물을 만들고, 燃燒연소는 그 物質물질이 다시 酸化산화되면서 에너지를 내놓는 過程과정입니다.

다만 두 過程과정의 全體전체 反應式반응식이 서로 거꾸로 보인다고 해서 實際실제 反應반응 經路경로까지 서로 逆順역순인 것은 아닙니다. 光合成광합성과 燃燒연소는 서로 다른 中間物質중간물질과 反應반응 段階단계를 거칩니다.

18世紀세기 英國영국에서 石炭석탄을 태워 蒸氣증기 機關기관을 움직이면서 産業革命산업혁명이 始作시작되었습니다. 人類인류는 化石화석 燃料연료의 燃燒연소에서 얻은 에너지를 大量대량으로 이용하면서 交通교통, 發電발전, 製造業제조업, 都市도시의 構造구조를 크게 바꾸었습니다. 동시에 오랜 時間시간 地層지층에 저장되어 있던 炭素탄소를 짧은 期間기간에 $CO_2$로 酸化산화하여 大氣대기로 돌려보냈습니다. 産業革命산업혁명 以前이전에 約약 280 ppm이던 大氣대기의 $CO_2$ 濃度농도가 오늘날 400 ppm을 넘어선 것은 이 酸化산화의 結果결과입니다. 수억 秊년 동안 光合成광합성으로 還元환원되어 묻힌 炭素탄소를 수백 秊년 만에 다시 酸化산화시키고 있는 셈입니다.

鐵철의 製鍊제련

自然자연에서 鐵철은 純粹순수한 金屬금속보다 酸素산소와 結合결합한 鐵鑛石철광석으로 흔히 존재합니다. 赤鐵鑛적철광의 主要주요 成分성분인 $Fe_2O_3$에서 金屬금속 鐵철을 얻으려면 Fe를 還元환원해야 합니다.

高爐고로에서는 코크스와 뜨거운 空氣공기를 이용해 一酸化炭素일산화탄소를 만들고, 이 CO가 鐵철 酸化物산화물을 還元환원합니다.

鐵철 酸化物산화물의 還元환원을 단순화하면 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

酸素산소의 移動이동으로 보면 $Fe_2O_3$는 酸素산소를 잃고 Fe가 되므로 還元환원됩니다. CO는 酸素산소를 얻어 $CO_2$가 되므로 酸化산화됩니다.

酸化數산화수로 보면 電子전자의 收支수지도 드러납니다. $Fe_2O_3$에서 O는 -2이므로 Fe는 +3입니다. 生成物생성물인 Fe는 單體단체이므로 0입니다.

Fe 하나는 酸化數산화수가 3만큼 감소하여 還元환원됩니다. Fe가 두 個개이므로 全體전체 減少量감소량은 6입니다.

CO에서 C는 +2이고 $CO_2$에서 C는 +4입니다.

C 하나는 酸化數산화수가 2만큼 증가하여 酸化산화됩니다. 이런 C가 세 個개이므로 全體전체 增加量증가량은 6입니다.

따라서 Fe가 얻는 電子전자의 數수와 C가 잃는 電子전자의 數수가 맞습니다. $Fe_2O_3+3CO\rightarrow2Fe+3CO_2$라는 係數계수는 原子원자의 數수뿐 아니라 電子전자의 收支수지에도 맞습니다.

이 反應반응에서 CO는 $Fe_2O_3$를 還元환원시키므로 還元劑환원제이고, $Fe_2O_3$는 CO를 酸化산화시키므로 酸化劑산화제입니다.

高爐고로에서 일어나는 모든 反應반응이 酸化還元산화환원 反應반응인 것은 아닙니다. 石灰石석회석이 뜨거워져 다음과 같이 分解분해되는 反應반응을 보겠습니다.

이 反應반응에서는 Ca, C, O의 酸化數산화수가 달라지지 않습니다. 따라서 酸化還元산화환원 反應반응이 아닙니다.

鐵철은 銅동보다 늦게 쓰이기 시작했습니다. 銅동은 이온化화 傾向경향이 작아 比較的비교적 낮은 溫度온도에서도 鑛石광석을 還元환원할 수 있었지만, 鐵철은 이온化화 傾向경향이 커서 酸化物산화물에서 떼어 내기가 더 어렵고, 녹는점도 約약 1,538 ℃로 銅동(約약 1,085 ℃)보다 훨씬 높습니다. 靑銅器청동기 時代시대 뒤에 鐵器철기 時代시대가 온 順序순서에도 酸化還元산화환원의 規則性규칙성이 담겨 있는 것입니다. 18世紀세기 初초 英國영국에서 木炭목탄 대신 石炭석탄을 구워 만든 코크스로 鐵철을 製鍊제련하게 되면서 鐵철의 大量대량 生産생산이 可能가능해졌고, 이는 産業革命산업혁명의 基盤기반이 되었습니다.

鐵철 製鍊제련은 自然자연에서 酸化物산화물로 존재하는 鐵철을 人間인간이 還元劑환원제와 높은 溫度온도를 이용하여 金屬금속 狀態상태로 바꾸는 技術기술입니다. 鐵製철제 工具공구, 農機具농기구, 建築건축 材料재료, 機械기계와 交通手段교통수단의 發達발달은 이 還元환원 技術기술과 깊게 연결되어 있습니다.

高爐고로 製鍊제련은 還元劑환원제로 炭素탄소를 쓰므로 必然的필연적으로 $CO_2$를 내놓습니다. 그래서 鐵鋼철강 産業산업은 溫室온실 氣體기체를 많이 排出배출하는 産業산업의 하나입니다. 이를 줄이려고 炭素탄소 대신 水素수소를 還元劑환원제로 쓰는 水素수소 還元환원 製鐵제철이 開發개발되고 있습니다.

H의 酸化數산화수는 0에서 +1로 增加증가해 $H_2$가 酸化산화되고, Fe는 +3에서 0으로 還元환원됩니다. 還元劑환원제만 바뀌었을 뿐 같은 酸化還元산화환원 反應반응이지만, 生成物생성물이 $CO_2$가 아니라 물이라는 點점이 다릅니다.

세 事例사례의 共通點공통점

세 事例사례는 規模규모와 目的목적이 다르지만 같은 規則규칙을 따릅니다. 酸化산화되는 쪽에서는 電子전자를 잃고, 還元환원되는 쪽에서는 電子전자를 얻습니다. 잃은 電子전자의 數수와 얻은 電子전자의 數수는 같습니다.

光合成광합성은 빛 에너지를 이용하여 炭素탄소를 還元환원합니다. 燃燒연소는 還元환원되어 있던 炭素탄소를 다시 酸化산화합니다. 鐵철 製鍊제련에서는 CO가 酸化산화되는 동안 鐵철 酸化物산화물이 還元환원됩니다.

生活생활 周邊주변의 酸化還元산화환원

鐵철의 腐蝕부식

鐵철이 녹스는 過程과정도 酸化還元산화환원 反應반응입니다. 全體전체 變化변화를 매우 단순하게 나타내면 다음과 같습니다.

實際실제 녹은 純粹순수한 $Fe_2O_3$만으로 이루어져 있지 않습니다. 물을 포함한 여러 鐵철 酸化物산화물과 水酸化物수산화물이 함께 존재합니다.

腐蝕부식 過程과정에서 Fe는 電子전자를 잃고 $Fe^{2+}$나 $Fe^{3+}$로 酸化산화됩니다. 酸素산소는 물이 있는 곳에서 電子전자를 받아 還元환원됩니다.

腐蝕부식은 鐵철 表面표면의 서로 다른 자리에서 酸化산화와 還元환원이 나뉘어 일어나는 작은 電池전지로 볼 수 있습니다. 물방울이 맺힌 鐵철 表面표면에서 酸素산소가 적은 물방울 가운데 쪽은 酸化산화가 일어나는 (−)極극 구실을 해 鐵철이 녹아 나가고, 酸素산소가 잘 닿는 가장자리 쪽에서는 酸素산소가 그 電子전자를 받습니다.

두 곳에서 생긴 $Fe^{2+}$와 $OH^-$가 만나 $Fe(OH)_2$가 되고, 이것이 다시 酸素산소에 의해 $Fe(OH)_3$로 酸化산화된 뒤 물을 잃으면서 붉은 녹, 곧 물을 포함한 酸化산화 鐵철(III)이 됩니다. 還元환원 半反應반반응에 $O_2$와 $H_2O$가 함께 들어 있으므로, 물과 酸素산소 가운데 하나라도 없으면 腐蝕부식이 거의 진행되지 않습니다. 乾燥건조한 空氣공기 속이나 酸素산소를 뺀 물 속에 둔 못이 잘 녹슬지 않는 것도 이 때문입니다.

물에 鹽類염류가 녹아 있으면 電荷전하가 이동하기 쉬워져 腐蝕부식이 빨라질 수 있습니다. 바닷물에 닿는 鐵철이나 鹽化物염화물에 露出노출된 鐵철이 쉽게 녹스는 까닭 가운데 하나입니다.

페인트나 기름을 바르면 鐵철이 물과 酸素산소에 직접 닿는 것을 막을 수 있습니다. 亞鉛아연을 表面표면에 입히는 亞鉛鍍金아연도금은 다른 原理원리도 이용합니다. Zn은 Fe보다 이온化화 傾向경향이 크므로 Zn이 먼저 電子전자를 잃고 酸化산화되기 쉽습니다. 그 결과 鐵철의 酸化산화가 억제됩니다.

같은 鍍金도금이라도 주석을 입힌 양철은 사정이 다릅니다. Sn은 Fe보다 이온化화 傾向경향이 작아 鐵철보다 잘 酸化산화되지 않으므로, 表面표면이 온전할 때는 물과 酸素산소를 막아 주는 保護膜보호막 구실을 합니다. 그러나 긁혀서 鐵철이 드러나면 두 金屬금속이 電池전지를 이루는데, 이때 電子전자를 내놓는 쪽은 이온化화 傾向경향이 큰 Fe이므로 오히려 鐵철의 腐蝕부식이 빨라집니다. 반면 亞鉛아연을 입힌 함석은 긁혀도 Zn이 대신 酸化산화되어 鐵철을 지킵니다. 통조림 깡통처럼 속이 酸性산성 食品식품에 닿는 用途용도에 양철을 쓰는 것은 주석이 毒性독성이 적고 食品식품과 잘 反應반응하지 않기 때문이지, 긁혔을 때의 保護보호 效果효과 때문은 아닙니다.

이 原理원리를 더 積極的적극적으로 쓴 것이 犧牲희생 陽極양극입니다. 船舶선박의 船體선체나 땅속에 묻은 送油管송유관·水道管수도관에 Mg나 Zn 덩어리를 導線도선으로 연결해 두면, 이온化화 傾向경향이 큰 이 金屬금속이 먼저 酸化산화되면서 鐵철에 電子전자를 공급하므로 鐵철은 還元환원 쪽에 머물게 됩니다. 犧牲희생 陽極양극은 닳아 없어지므로 週期的주기적으로 갈아 주어야 합니다.

電池전지

酸化還元산화환원 反應반응에서 오가는 電子전자를 導線도선으로 흐르게 하면 電流전류를 얻을 수 있습니다. 이것이 化學화학 電池전지입니다. 앞에서 본 Zn과 $Cu^{2+}$의 反應반응을 두 容器용기로 나누어, 亞鉛아연 電極전극에서 酸化산화가, 銅동 電極전극에서 還元환원이 일어나게 한 것이 다니엘 電池전지입니다.

電子전자는 이온化화 傾向경향이 큰 Zn 쪽에서 나와 導線도선을 거쳐 Cu 쪽으로 흐릅니다. 兩양 電極전극 金屬금속의 이온化화 傾向경향 差異차이가 클수록 電壓전압이 커집니다. 水素수소 燃料연료 電池전지는 $H_2$를 酸化산화하고 $O_2$를 還元환원해 電氣전기를 얻으며, 生成物생성물은 물뿐입니다.

燃燒연소와 같은 反應式반응식이지만, 電子전자를 熱열이 아니라 電流전류의 形態형태로 꺼낸다는 點점이 다릅니다. 휴대 전화의 리튬 이온 電池전지도 充電충전과 放電방전 때 電極전극에서 酸化산화와 還元환원이 번갈아 일어납니다.

손난로

鐵철가루가 든 손난로는 鐵철의 腐蝕부식을 意圖的의도적으로 빠르게 일으키는 製品제품입니다. 鐵철가루는 表面積표면적이 넓고, 함께 든 鹽類염류와 물이 腐蝕부식을 促進촉진합니다. 鐵철이 酸化산화될 때 나오는 熱열을 이용하는 것으로, 녹스는 反應반응도 燃燒연소처럼 熱열을 내놓는 酸化산화라는 點점을 보여 줍니다.

呼吸호흡

細胞세포 呼吸호흡에서 葡萄糖포도당은 酸素산소와 反應반응하여 二酸化炭素이산화탄소와 물이 되는 方向방향으로 酸化산화됩니다.

全體전체 反應式반응식만 보면 葡萄糖포도당의 燃燒연소와 같습니다. 그러나 細胞세포에서는 여러 段階단계에 걸쳐 電子전자가 이동하고, 방출되는 에너지의 一部일부가 ATP 같은 形態형태로 저장됩니다.

따라서 細胞세포 呼吸호흡과 불꽃을 내는 燃燒연소는 酸化還元산화환원의 큰 方向방향은 같지만, 反應반응이 진행되는 方式방식은 다릅니다.

褐變갈변

사과나 감자를 자른 뒤 空氣공기에 두면 表面표면이 褐色갈색으로 변합니다. 植物식물 組織조직이 손상되면 酵素효소의 作用작용으로 폴리페놀 系列계열 物質물질이 酸素산소에 의해 酸化산화되고, 이어지는 反應반응에서 褐色갈색 物質물질이 만들어집니다.

酸素산소와의 接觸접촉을 줄이거나 酵素효소의 作用작용이 느려지는 條件조건을 만들면 褐變갈변을 늦출 수 있습니다.

이 反應반응을 돕는 酵素효소는 폴리페놀 酸化산화 酵素효소입니다. 平素평소에는 酵素효소와 폴리페놀이 細胞세포 안의 서로 다른 區劃구획에 나뉘어 있다가, 자르거나 으깨면 둘이 만나고 空氣공기 中중의 酸素산소가 들어오면서 폴리페놀이 퀴논이라는 物質물질로 酸化산화됩니다. 퀴논끼리 다시 이어지면서 褐色갈색 色素색소가 생깁니다.

자른 사과에 레몬즙을 뿌리면 褐變갈변이 늦어지는 데에는 두 가지 理由이유가 있습니다. 레몬즙의 비타민 C(아스코브산)는 還元劑환원제여서, 생겨난 퀴논에 電子전자를 주어 다시 폴리페놀로 되돌리고 自身자신이 대신 酸化산화됩니다. 또 레몬즙의 酸산이 pH를 낮추어 酵素효소의 活性활성을 떨어뜨립니다. 소금물에 담그는 方法방법은 酸素산소와의 接觸접촉을 막는 同時동시에 鹽化염화 이온이 酵素효소의 作用작용을 妨害방해하는 效果효과가 있고, 채소를 끓는 물에 살짝 데치는 것은 熱열로 酵素효소 蛋白質단백질 自體자체를 變性변성시키는 方法방법입니다. 반대로 紅茶홍차의 빛깔처럼 이 褐變갈변을 意圖的의도적으로 이용하는 境遇경우도 있습니다.

漂白표백

漂白劑표백제는 색을 나타내는 物質물질의 電子전자 構造구조를 바꾸어 빛을 吸收흡수하는 性質성질을 달라지게 합니다.

어떤 漂白劑표백제는 色素색소를 酸化산화하고, 다른 漂白劑표백제는 色素색소를 還元환원합니다. 따라서 겉으로 같은 脫色탈색이 일어나더라도 酸化還元산화환원의 方向방향은 서로 다를 수 있습니다.

酸化산화 漂白劑표백제의 代表대표는 家庭用가정용 鹽素系염소계 漂白劑표백제의 主成分주성분인 次亞鹽素酸차아염소산나트륨(NaOCl)입니다. $ClO^-$에서 Cl의 酸化數산화수는 +1인데, 色素색소에서 電子전자를 빼앗고 自身자신은 酸化數산화수 -1인 $Cl^-$로 還元환원됩니다. 酸素系산소계 漂白劑표백제에 쓰이는 過酸化水素과산화수소도 O의 酸化數산화수가 -1에서 -2로 내려가면서 色素색소를 酸化산화합니다. 色素색소 分子분자가 빛을 吸收흡수하는 部分부분이 酸化산화로 끊기거나 바뀌면 可視光線가시광선을 吸收흡수하지 못해 無色무색이 됩니다.

반대로 二酸化黃이산화황($SO_2$)은 色素색소를 還元환원해 脫色탈색하는 還元환원 漂白劑표백제로, 鹽素염소에 상하기 쉬운 비단이나 羊毛양모를 漂白표백하는 데 쓰여 왔습니다. 그런데 還元환원되어 無色무색이 된 色素색소는 오랫동안 空氣공기 中중의 酸素산소에 닿으면 다시 酸化산화되어 본래의 色색을 되찾을 수 있습니다. 二酸化黃이산화황으로 漂白표백한 밀짚모자나 羊毛양모 製品제품이 세월이 지나면 누렇게 변하는 것은 이 때문입니다. 같은 脫色탈색이라도 酸化산화 漂白표백은 色素색소를 分解분해해 되돌리기 어렵고, 還元환원 漂白표백은 酸化산화되면 되돌아갈 수 있다는 차이가 酸化還元산화환원의 方向방향에서 나옵니다.

不均等化불균등화

한 物質물질 안의 같은 元素원소가 一部일부는 酸化산화되고 다른 一部일부는 還元환원될 수도 있습니다.

過酸化水素과산화수소의 分解분해를 보겠습니다.

$H_2O_2$에서 O의 酸化數산화수는 -1입니다. $H_2O$의 O는 -2이고 $O_2$의 O는 0입니다.

따라서 一部일부 O는 -1에서 -2로 還元환원되고, 다른 一部일부 O는 -1에서 0으로 酸化산화됩니다. 같은 物質물질 안의 같은 元素원소가 서로 다른 方向방향으로 변하는 이런 反應반응을 不均等化불균등화 反應반응이라고 합니다.

酸化還元산화환원의 判斷판단

反應式반응식을 볼 때 먼저 酸素산소의 移動이동이 드러나는지 살펴볼 수 있습니다.

$Fe_2O_3$는 酸素산소를 잃으므로 還元환원되고, CO는 酸素산소를 얻으므로 酸化산화됩니다.

酸素산소가 없거나 酸素산소의 移動이동만으로 判斷판단하기 어렵다면 電子전자 또는 酸化數산화수를 살펴봅니다.

Zn은 0에서 +2로 변하므로 酸化산화되고, Cu는 +2에서 0으로 변하므로 還元환원됩니다. 이때 이온化화 傾向경향도 같은 方向방향을 설명합니다. Zn은 Cu보다 이온化화 傾向경향이 커서 電子전자를 잃기 쉽고, $Cu^{2+}$는 그 電子전자를 받아 Cu가 됩니다.

酸化劑산화제와 還元劑환원제는 電子전자의 方向방향을 기준으로 정합니다. 電子전자를 잃어 酸化산화된 物質물질은 相對상대에게 電子전자를 주었으므로 還元劑환원제이고, 電子전자를 얻어 還元환원된 物質물질은 相對상대에게서 電子전자를 받아 왔으므로 酸化劑산화제입니다.

反應係數반응계수를 살펴볼 때도 같은 原理원리가 적용됩니다. 酸化數산화수 增加量증가량의 總合총합과 減少量감소량의 總合총합이 같아야 합니다. 이것은 한쪽이 잃은 電子전자의 數수와 다른 쪽이 얻은 電子전자의 數수가 같다는 電子전자 保存보존을 다른 方式방식으로 나타낸 것입니다.

整理정리

酸化산화와 還元환원은 먼저 酸素산소의 移動이동으로 이해할 수 있습니다. 酸素산소를 얻는 變化변화가 酸化산화, 잃는 變化변화가 還元환원입니다. 더 넓게 보면 電子전자를 잃는 變化변화가 酸化산화이고, 電子전자를 얻는 變化변화가 還元환원입니다.

酸化數산화수는 電子전자의 移動이동과 치우침을 數수로 나타내어 反應반응의 方向방향을 읽게 합니다. 酸化數산화수가 커지면 酸化산화되고 작아지면 還元환원됩니다. 한쪽의 酸化數산화수 增加量증가량과 다른 쪽의 減少量감소량이 맞아야 하는 까닭은 電子전자가 保存보존되기 때문입니다.

金屬금속의 이온化화 傾向경향은 어떤 金屬금속이 電子전자를 더 쉽게 내놓는지를 비교하게 합니다. Zn이 Cu보다 이온化화 傾向경향이 크기 때문에 Zn은 $Cu^{2+}$에 電子전자를 주고 酸化산화되며, $Cu^{2+}$는 還元환원됩니다. 이 原理원리는 金屬금속의 腐蝕부식과 防止방지에도 이어집니다.

光合成광합성에서는 물이 酸化산화되고 二酸化炭素이산화탄소의 炭素탄소가 還元환원되면서 빛 에너지가 有機物유기물에 저장됩니다. 化石화석 燃料연료의 燃燒연소에서는 還元환원된 炭素탄소가 다시 酸化산화되어 二酸化炭素이산화탄소가 되며 에너지를 방출합니다. 鐵철 製鍊제련에서는 CO가 酸化산화되는 동안 鐵철 酸化物산화물의 Fe가 還元환원되어 金屬금속 鐵철이 됩니다.

서로 다른 自然자연 現象현상과 技術기술을 電子전자의 移動이동이라는 共通공통된 基準기준으로 보면 光合成광합성, 燃燒연소, 金屬금속 製鍊제련, 腐蝕부식, 呼吸호흡, 褐變갈변 같은 變化변화를 하나의 酸化還元산화환원 規則性규칙성으로 연결할 수 있습니다.