1 개요
화학에서, 산화수(oxidation number, 酸化數)는 산화·환원 반응을 설명하기 위해 도입되는 개념으로, 물질 중의 원자에 걸리는 상대적 전하량을 나타내는 수치이다.
이온 결합에서는 전자의 이동이 분명하나, 공유 결합에서는 전자의 이동이 분명하지 않으므로, 공유 결합에서는 전기 음성도가 큰 원자가 공유 전자쌍을 완전히 차지한다고 가정하고 산화수를 구한다. 예컨대 H2O의 경우, 전기음성도가 큰 산소원자가 공유 전자쌍을 독차지한다고 가정하면 2[H+] [O2-] 가 되며, 수소의 산화수는 +1, 산소의 산화수는 -2이다.
그러나 실제 화학결합에서 전기 음성도가 큰 원자가 전자쌍을 완전히 차지하는 것이 아니므로 산화수는 어디까지나 가상의 수치이다. 이 허점을 보완하기 위해 산화수에 여러 규칙이 존재한다. (산화수를 어떻게 활용해야 하는지는 산화수의 규칙을 다룬 뒤, 그 다음 문단에서 다루기로 한다.)
2 규칙
[1]
산화·환원 반응식에서 각 물질들의 산화수를 결정할 때, 아래의 4개 규칙은 절대적으로 성립한다.
기본 규칙
· 원소를 구성하는 원자의 산화수는 0이다.
ex. C, Cl2, P4에서 각 원자의 산화수는 모두 0이다.
· 단원자 이온의 산화수는 이온의 전하와 같다.
ex. Na+, Cl-, Mg2+, O2-의 산화수는 각각 +1, -1, +2, -2이다.
· 다원자 이온의 각 원자의 산화수의 합은 다원자 이온의 전하와 같다.
ex. OH-에서 (O의 산화수) + (H의 산화수) = (이온의 전하) ((-2)+(+1)=(-1))이다.
· 화합물을 구성하는 모든 원자의 산화수의 합은 0이다.
ex. H2O에서 (H의 산화수) × 2 + (O의 산화수) × 1 = 0 ((+1)×2+(-2)×1=0)이다.
아래의 규칙은 산화수를 결정할 때 알아 두면 편리하다. 규칙이 상충될 때에는 우선 순위가 높은 규칙에 따르는데, A, B, C 순으로 우선 순위가 높다.
보조 규칙
규칙 A: · 알칼리 금속(1족 금속 원자)의 산화수는 +1이다.
· 알칼리 토금속(2족 금속 원자)의 산화수는 +2이다.
· Al의 산화수는 +3이다.
· F의 산화수는 -1이다.[2]
물론, 위의 기본 규칙을 고려하면 F2에서의 경우 0이다. 이는 아래의 H와 O에 대해서도 마찬가지이다.
규칙 B: 일반적으로, 화합물에서 H의 산화수는 +1이며, 금속의 수소 화합물에서는 -1이다.[3]
규칙 C: 화합물에서 O의 산화수는 -2이다.
단, F와 결합할 때에는 +2이다.[4] 또한 과산화물에서는 -1이다.[5]
3 활용법
어떤 원자나 이온이 전자를 잃으면(산화) 산화수가 증가하고 전자를 얻으면(환원) 산화수가 감소한다. 따라서 화학 반응식에서 반응 전과 후의 산화수를 비교하여 특정 원소가 산화됐는지 환원됐는지, 산화제로 작용했는지 환원제로 작용했는지 따질 수 있다.
실제로 산화수를 이용해서 산화제와 환원제를 파악해 보자. 아래의 반응은 굳이 산화수를 계산하지 않고도 파악할 수 있지만, 어디까지나 예시이므로 계산해 보기로 한다.
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
반응 전과 반응 후로 나누면
전: Fe2O3, 3C
탄소의 산화수는 0이다. 산소의 경우 예외적인 경우가 아니면 산화수는 -2이다. 화합물 내의 원소들의 산화수 총 합은 0이다. 따라서 철의 산화수는 +3이다.
후: 2Fe, 3CO
철의 산화수는 0이다. 산소는 산화수는 -2이다. 따라서 탄소의 산화수는 +2이다.
산화수의 변화를 정리해 보면
Fe: +3 → 0 O: -2 → -2 C: 0 → +2
철의 산화수가 감소하였으므로 철은 이 반응에서 환원되었다. 그리고 탄소의 산화수는 증가하였으므로 이 반응에서 산화되었다.
따라서 산화제는 Fe2O3이고, 환원제는 C이다.
복잡한 반응에서의 산화제와 환원제의 판단은 산화수를 이용하는 것이 좋다.
4 화학Ⅰ에서
산화수는 산화·환원 반응을 파악할 때 중요한 역할을 한다. 아래 선지를 예로 들어 보자.
· 이 반응식은 산화·환원 반응식이다.
☞ 반응 전과 후에 원자 1개라도 산화수의 변화가 있으면 산화·환원 반응식이며, 그렇지 않다면 산화·환원 반응식이 아니다.
· 이 화합물은 산화되었다. (= 이 화합물은 환원제이다.)
☞ 역시 산화수의 변화를 통해 파악한다. 화합물을 이루는 원자 각각이 산화수가 바뀌었는지 확인한 뒤, 바뀐 산화수의 합으로 산화·환원을 판단한다.