Microsoft PowerPoint - 화학의 세계 13판 8장.pptx

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1 8 산화와환원 8.1 산화와환원 : 세가지관점 8.2 산화제와환원제 8.3 전지화학 : 전지 (cell) 와축전지 8.4 부식 8.5 산소 : 풍부하고꼭필요한산화제 8.6 몇가지관심의대상이되는환원제들 8.7 산화, 환원그리고생물 산화와환원은반대되는개념으로, 산화란고전적으로산소와결합한다는의미이다. 금속이산소와결합하면산소에전자를빼앗겨양이온이되고, 산소는음이온으로변한다. 고전적개념은현대에서는전자를잃으면산화, 얻으면환원이라고부른다. 1

2 연소와불연소 산화-환원반응의일상적인예 : 석탄의연소, 철이녹스는것, 얼룩을제거하는표백제, 필름이현상되는것, 우리가먹는음식이뇌와근육을위한에너지로전환되는것등 산화 - 환원반응은항상같이일어남 에너지측면 - 물질의환원된형태 : 높은에너지 (ex. 음식, 석탄, 휘발유 ) - 물질의산화된형태 : 낮은에너지 (ex. 이산화탄소, 물 ) 그림 8.1 산화와환원은항상같이일어난다. 왼쪽사진은중크롬산암모늄이연소하는사진이다. 이반응에서암모늄이온 (NH 4+ ) 은산화되고중크롬산이온 (Cr 2 O 7 2- ) 은환원 e 되면서상당한열과빛이나온다. 반응식은다음과같다. (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 Cr 2 O 3 + N H 2 O 물은수증기로날아가고질소기체도날아가고순수한 Cr 2 O 3 만이남는다 ( 오른쪽 ). 2

3 8.1 산화와환원 : 세가지관점 첫번째관점 : 고전적관점산화 (oxidation) : 산소원자를얻음환원 (reduction) : 산소원자를잃음 ex) 메탄의연소반응 ; 산화반응 그림 8.2 산화와환원의세가지정의 3

4 ex) 이산화납의분해반응 ( 높은온도에서가열 ); 환원반응 예제 8.1 산화와환원 - 산소원자를얻는것또는잃는것다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? (a) Pb PbO 2 (b) SnO 2 SnO (c) KClO 3 KCl (d) Cu 2 O 2CuO 풀이 a. 납은산소원자를얻음 산화 b. 주석은산소원자를잃음 환원 c. 왼쪽화합물은산소를잃음 환원 d. 구리는산소를얻음 산화 4

5 두번째관점 산화 (oxidation) : 수소원자를잃음 환원 (reduction) : 수소원자를얻음 ex) 메틸알코올 (CH 3 OH) 을구리철망 ( 촉매로작용 ) 을통과시키면포름알데하이드와수소기체생성 ; 산화 CH OH CH O H ex) 메틸알코올은일산화탄소와수소의반응으로만들어짐 ; 환원 CO 2H CH OH 2 3 산화의역반응은환원이다. 5

6 예제 8.2 산화와환원 - 수소원자를얻는것또는잃는것다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? ( 아래의화학식은완전한화학식이아니다.) (a) C 2 H 6 O C 2 H 4 O (b) C 2 H 2 C 2 H 6 풀이 a. 왼쪽화합물은수소원자를잃음 산화 b. 왼쪽화합물은수소원자를얻음 환원 6

7 세번째관점 : 가장폭넓은정의 산화 (oxidation) : 전자를잃음, 산화수증가 환원 (reduction) : 전자를얻음, 산화수감소 산화 ex) 마그네슘금속이염소와반응 Mg Cl Mg Cl 산화 환원 예제 8.3 산화와환원 전자를얻는것과잃는것 환원 그림 8.3 산화수에대한산화-환원정의 다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? ( 아래의화학식은완전한화학식이아니다.) (a) Zn Zn 2+ (b) Fe 3+ Fe 2+ (c) S 2- S (d) AgNO 3 Ag 풀이 a. 산화수가 0에서 2로증가 산화 b. 산화수가 +3에서 +2로감소 환원 c. 산화수가 -2에서 0로증가 산화 d. 산화수 (Ag) 가 +1에서 0로감소 환원 7

8 8.2 산화제와환원제 산화제 : 환원되는물질 환원제 : 산화되는물질 본인이산화되면상대를환원시킨다 : 환원제본인이환원되면상대를산화시킨다 : 산화제 예제 8.4 산화제와환원제 다음반응에서산화제와환원제를찾아라. (a) 2C + O 2 2CO 2 (b) N 2 + 3H 2 2NH 3 (c) SnO + H 2 Sn + H 2 O (d) Mg + Cl 2 Mg Cl - 풀이 a. C는산소를얻어서산화됨 환원제, O 2 는산화제 b. N 2 는수소를얻어서환원됨 산화제, H 2 는환원제 c. SnO는산소를잃어서환원됨 산화제, H 2 는환원제 d. Mg는전자를잃어서산화됨 환원제, Cl 2 는산화제 8

9 8.3 전지화학 : 전지 (cell) 와축전지 전기화학전지 (electrochemical cell) 의예 ( 구리 은전지 ) 구리선코일을질산은용액에담가두면구리원자는전자를은이온에게준다. 구리는용액안으로녹아들어가고구리 (Ⅱ) 이온때문에용액은푸르게변한다. 은이온은바늘형태의은금속으로석출된다. 구리는산화되고은이온은환원됨 - 전극 (electrode) : 전자전달이일어나는두금속 - 음극 (anode) : 산화반응이일어나는전극 ( 왼쪽 ) - 양극 (cathode) : 환원반응이일어나는전극 ( 오른쪽 ) - 반쪽반응식 산화 : 환원 : 전체반응 : 2 Cu( s) Cu ( aq) 2 2Ag ( aq) 2e 2Ag( s) Cu( s) 2Ag ( aq) Cu e 2 ( aq) 2Ag( s) 그림 8.4 의응용 산화 - 환원반응 전자의이동이산화 / 환원반응이다. 그림 8.5 전기화학전지. 9

10 예제 8.5 산화와환원반쪽반응 다음반응을 2개의반쪽반응식, 즉산화반쪽반응과환원반쪽반응으로나타내라. Mg + Cl 2 Mg Cl - 풀이산화 : Mg Mg e - 환원 : Cl 2 + 2e - 2Cl - 산화 / 환원반응은항상동시에일어나므로 2 개로분리하여반응식을적을수있다. 산화반응식과환원반응식이다. 예제 8.6 산화-환원반응균형맞추기다음반쪽반응의균형을맞추고이들을합하여전체균형반응식을만들어라. Sn 2+ Sn 4+ Bi 3+ Bi 풀이산화 : Sn 2+ Sn e - ] 3 환원 : Bi e - Bi ] 2 전체반응 : 3Sn Bi 3+ 3Sn Bi 전자의개수는항상같아야한다. 10

11 감광유리 - 일반렌즈 : 규산염으로이루어져있어가시광선을통과시킴 ( 무색투명함 ) - 감광렌즈 : 빛에노출되면렌즈가어두워짐 빛에대한산화-환원반응결과 염화은 (AgCl) 과염화구리 (Ⅰ) (CuCl) 결정이유리에고르게분포되 어있음 Cl Cl e Ag e Ag 산화 : 환원 : 빛의강도에의해검어지는정도가달라짐 렌즈를빛이없는곳에두면빛에의해생성됨염소원자가구리 (Ⅰ) 이온에의해환원됨빛이없는곳에서의반응 2 Cl Cu Cu Cl 2 Cu Ag Cu Ag 원래의상태로돌아간다 그림 감광유리는빛에의해검게된다 11

12 건전지 : 많은종류의건전지가개발되었으며, 1 회용은 1 차전지, 충전식은 2 차전지라고부른다. 알칼리건전지 - 환원반쪽반응 ( 양극 ) - 산화반쪽반응 ( 음극 ) - 전체반응 Zn 2 Zn( s) Zn ( aq) 2 환원전극 2 3 MnO2 ( s) H 2O( l) 2e Mn2O ( s) 2OH ( aq) ( 3 2 s) 2MnO2 ( s) H 2O( l) Zn ( aq) Mn2O ( s) 2OH ( aq) e 산화전극 그림 8.6 아연-탄소전지의단면 납축전지 - 환원반쪽반응 ( 양극 ) - 산화반쪽반응 ( 음극 ) 2 ( s) SO4 ( aq) PbSO4 Pb ( s) 2e 2 PbO2 ( s) 4H ( aq) SO4 ( aq) 2e PbSO4 ( s) 2H 2O( l) - 전체반응환원전극 Pb 산화전극 ( 2 s) PbO2 ( s) 2H 2SO4 ( aq) 2PbSO4 ( s) 2H O( l) 납축전지의기전력은 1.5V 이지만직렬연결로전압을높인다. 그림 8.7 의단면 납 - 산축전지 12

13 다른전지들 : 많은충전식전지가개발되었다. 그중에서기전력이높고, 가벼운것이리튬이온전지이다. 리튬전지 - 리튬 SO 2 전지 : 잠수함과주피터같은탐사용로켓에사용 - 리튬 요오드전지 : 심장박동조절장치에사용 - 리튬 FeS 2 전지 : 카메라, 라디오, CD 플레이어에사용 Ni Cad 전지 - 재충전가능한전지 - 휴대용라디오나무선가전기기에사용 연료전지 : 많이연구되고있는실용성이높은전지이다. - 화석연료가연소하여전기를생산할때연소에너지의이용 : 35-40% - 연료전지에서의에너지이용 : 70-75% - 연료전지의예 : 수산화칼륨용액에백금, 니켈, 로듐전극을가지고있는수소를이용전기분해 - 외부에서공급된전기가화학반응을일어나게함 - 크롬도금 : 크롬이온 (Cr 6+ ) 용액에전류를통과시켜이루어짐 13

14 Figure A Mercury Battery of the Type Used in Calculators Makes very small ones Anodes, oxidation: Zn(s) + 2OH - (aq) ZnO(s) +H 2 O(l) +2e - Cathode, reduction: HgO(s) + H 2 O(l) + 2e - Hg(l) +2OH - (aq) Produce Hg(l). 함부로버리면안된다. 14

15 Mechanism of Li ion battery Electrical energy can only be obtained if electrons flow through a (closed) external circuit. The following equations are written in units of moles, making it possible to use the coefficient x. During the discharging process, the half-reaction at anode is Li x C 6 xli + +6C + xe - and the half-reaction at cathode is Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - LiCoO 2 In a lithium-ion battery the lithium ions are transported to and from the cathode or anode, with the transition metal, Co, in Li x CoO 2 being oxidized from Co 3+ to Co 4+ during charging, and reduced from Co 4+ to Co 3+ during discharge. 15

16 8.4 부식 경제적가치가높아서연구가많이진행되고있다. 철의부식 ( 녹스는것 ) - 철의산화 : - 산소의환원 : - 전체반응 : 2 Fe Fe 2 - 수산화철 (Ⅱ) 은수산화철 (Ⅲ) 로더산화됨 철의녹 e O H O e OH 2Fe O OH 2 2H 2O 2Fe( ) 2 4Fe( OH) OH 2 O2 2H 2O 4Fe( ) 3 그림 8.8 철의부식에는물, 산소, 전해질이필요함 알루미늄의보호알루미늄은철보다반응성이크나부식은심각하게일어나지않음 알루미늄표면이공기중에서산소와반응하여얇은산화물막을형성함이형성된산화알루미늄막은단단하고질기기때문에내부금속을보호함 은의녹은베이킹소다용액에서알루미늄과접촉시키면쉽게제거 은의변색 - 은의변색 : 은표면이공기중이나음식에있는황화수소에의해산화됨 - 은의녹제거법 : 탄산수소나트륨용액에서알루미늄과접촉 16

17 폭발반응 화학적폭발 : 산화-환원반응의결과폭발반응에필요한화합물 : 나이트로글리세린 ( 다이너마이트의활성성분 ), 질산암모늄 ( 비료 ), 트라이나이트로툴루엔 (TNT) 같은질소화합물 폭발성혼합물의사용예 : 폭탄, 광산, 굴착공사, 건물파괴등 폭발반응식 52NH 4NO3( s) C17H 36( l) 52N2( g) 17CO2( g) 122H 2O( g) 가장손쉽게만들수있는폭약이다. 질산암모늄은비료의일종이다. 화학반응에서질소기체가만들어지며, 이것은고체상태에비하여부피를엄청증가시킨다. 따라서내부압력이높아져서궁극적으로폭발하게된다. 군사용목적으로사용되는폭약은질소의함량이높다. 17

18 8.5 산소 : 풍부하고꼭필요한산화제 산소 : 존재하는곳과성질 - 가장흔한산화제 - 지구상에있는가장중요한원소중의하나 - 사람몸무게의거의 2/3를차지 - 존재형태 대기권에서는수소와결합하여물로존재 암석권에서는규소 (SiO 2 ), 알루미늄 ( 점토안 ) 등다른원소와결합하여존재 - 순수한산소 : 공기를액화한뒤증류하여질소와아르곤을없애서얻음 - 나쁜면 : 부식을초래, 음식의부패와나무를썩게함 다른원소와의반응 산소없이는생명체가살아갈수없다. 진화의원천이다. - 금속과결합하여금속산화물형성 - 비금속과결합하여비금속산화물형성 18

19 산소 : 화합물과의반응산소는많은화합물과반응하여화합물안에있는하나이상의원소를산화시킴 ex) 황화수소의연소반응 2 H S( g) 3 O ( g) 2 H O( l) 2 SO ( g) 예제 8.7 반응식쓰기 : 산소와다른원소와의반응마그네슘은공기중에서발화시키면산소와잘반응한다. 이반응의반응식은? 풀이 2Mg(s) + O 2 (g) 2MgO(s) 예제 8.8 반응식쓰기 : 산소와화합물의반응매우가연성이큰이황화탄소는산소와쉽게반응하여푸른색불꽃을내며탄다. 어떤생성물이생성되는가? 반응식을써라. 풀이 CS 2 + 3O 2 CO 2 + 2SO 2 19

20 오존 : 산소의다른형태 - 강력한산화제 - 해로운공기오염물질 - 자극적, 고무파괴 오존은인류에게장단점이있다. 성층권의오존은유리하지만대기권의오존은해롭다. - 성층권의오존층은자외선을차단하여지구의생명을보호 다른일반적인산화제들산화제의역할 : 소독제, 살균제, 표백제등으로사용 ex) 과산화수소 (H 2 O 2 ) : 실험실용 30% 용액, 가정용 3% 용액중크롬산칼륨 (K 2 Cr 2 O 7 ) : 실험실에서자주사용 (1) 소독제 - 여드름치료연고 - 주성분 : 5-10% 과산화벤조일포함 피부암유발 그림 과산화수소는강력한산화제이다. 과산화수소묽은용액은살균제나머리카락탈색에쓰인다. 20

21 (2) 살균제 - 주성분 : 염소, 차아염소산칼슘 (Ca(OCl) 2 ) - 염소는해로운미생물을죽이지만작은분자를산화시켜트라이클로로메탄같은해로운부산물을생성할수있음 - 차아염소산칼슘 : 알칼리성이라물의 ph를높임 (3) 표백제 - 천이나다른물질로부터원하지않는색을제거함 - 주성분 : 차아염소산나트륨 (NaOCl), 차아염소산칼슘, 과탄산나트륨 (Na 2 CO 3 와 H 2 O 2 의혼합물 ) 등 유한락스상표로시판되고있다. 순수한물 ( 왼쪽 ) 은마른토마토소스얼룩에영향이거의없다. 차아염소산나트륨표백제 ( 오른쪽 ) 는토마토안의염료를산화시켜서색이없는물질로만듦 21

22 8.6 몇가지일반적인환원제들 금속순수한금속을얻기위해선화합물은환원됨 ex) 산화주석 (Ⅳ) 은석탄이나코크스로환원 SnO 2 (s) + C(s) Sn(s) + CO 2 (g) ex) 산화크롬은알루미늄과함께가열하여환원 Cr 2 O 3 (s) + 2Al(s) Al 2 O 3 (s) + 2Cr(s) 산화방지제 - 아스코르브산 ( 비타민 C) : 공기중의산화를막아과일이갈색으로변하는것을막음 수용성산화방지제 - 지용성산화방지제 : 토코페롤 ( 비타민 E), 베타 - 카로틴 ( 비타민 A 전구체 ) 철강석으로부터철을만드는방법도환원방법이사용된다. 고순도의철이만들어진다. Fe 2 O 3 + 3H 2 2Fe + 3H 2 O 22

23 환원제로의수소 환원제로사용되는수소의예 - 텅스텐같은비싼금속을분리하는데사용 WO 3 + 3H 2 W + 3H 2 O - 에틸렌을에탄으로환원 C 2 H 4 + H 2 C 2 H 6 - 암모니아합성 N 2 + 3H 2 2NH 3 - 물합성 2H 2 + O 2 2H 2 O 불포화지방산인생선기름을수소로환원시키면포화지방산이만들어지며, 이것을마가린이라고부른다. 오랫동안보관할수있다. 트랜스오일이라고부른다. 촉매 (catalyst) : 자신은변하지않고반응속도를증가시키는물질 ex) 백금, 팔라듐, 니켈등활성화에너지 (activation energy) : 반응을시작시키는데필요한최소한의에너지 촉매의사용으로활성화에너지가낮아짐 23

24 수소자세히보기 - 질량기준 : 지구표면의 0.9% 차지 - 원자수로비교 : 10,000개의원자중 1,510수소임. ( 산소 = 5,330, 규소 = 1,510) - 지구에서산소와결합한물형태로존재 -1A족원소처럼전자를하나잃어 +1이온 (but 금속은아님 ) -7A족원소처럼전자를하나얻어 -1이온 (but 할로겐은아님 ) - 실험실에서얻는방법 : 아연과염산을반응시켜수상치환법으로얻음 Zn(s) + 2HCl(aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) 수소의우주의 90% 를차지하며, 지구상에서도물의주성분으로매우풍부하다. 그러나기체상태는폭발의가능성이높다. 다양한방법으로공업적으로만든다. 그림 8.9 실험실에서수소기체는아연과염산을반응시켜얻는다. 24

25 - 암모니아와메탄올을만드는데사용됨 - 미래연료로사용될가능성있음 - 특징 : 무색, 무취의기체밀도는공기의 1/14로가장가벼움불꽃에의해점화될수있음 ( 독일비행선의폭발사고 ) 1937년 헬륨은가격이너무비싸다. 그림 8.10 수소는가장부력이큰기체이다. 그러나매우인화성이강하다. 수소를채운체펠린형비행선힌덴부르크의참화이후로수소는인화성이없는헬륨으로바뀌었다. 사진은헬륨을채운굿이어소형비행선이다. 25

26 8.7 산화, 환원그리고생물 가장중요한산화-환원반응 : 지구에서생명을유지시키는반응 ex) 탄수화물의대사과정 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 에너지 : 인간을포함한동물에게끊임없이일어나는과정 ex) 광합성과정 ( 식물의대사과정 ) 6CO 2 + 6H 2 O + 에너지 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 광합성 (photosynthesis) - 광합성에의한탄수화물은모든음식의궁극적인원천 - 산소를생산하는유일한자연과정 : 대기중의이산화탄소를제거하는작업 그림 8.11 광합성은녹색식물에서일어난다. 광합성과정을촉매하는클로로필염료는지구의육지에초록색을띠게함 26

27 8 장강의가끝났습니다. 수고하셨습니다. 27