8 산화와환원 8.1 산화와환원 : 세가지관점 8. 산화제와환원제 8.9 수소자세히보기 8.10 산화, 환원그리고생물 8.3 전지화학 : 전지 (cell) 와축전지 8.4 부식 8.5 폭발반응 8.6 산소 : 풍부하고꼭필요한산화제 8.7 다른일반적인산화제들 8.8 몇가지관심의대상이되는환원제들 연소와불연소 산화 - 환원반응의예 : 석탄의연소, 철이녹스는것, 얼룩을제거하는표백제, 필름이현상되는것, 우리가먹는음식이뇌와근육을위한에너지로전환되는것등 산화 - 환원반응은항상같이일어남 그림 8.1 산화와환원은항상같이일어난다. 왼쪽사진은중크롬산암모늄이연소하는사진이다. 이반응에서암모늄이온 (NH 4+ ) 은산화되고중크롬산이온 (Cr O - 7 ) 은환원된다. 상당한열과빛이나온다. 반응식은다음과같다. (NH 4 ) Cr O 7 Cr O 3 +N +4 H O 물은수증기로날아가고질소기체도날아가고순수한 Cr O 3 만이남는다 ( 오른쪽 ). 에너지측면 - 물질의환원된형태 : 높은에너지 (ex. 음식, 석탄, 휘발유 ) - 물질의산화된형태 : 낮은에너지 (ex. 이산화탄소, 물 ) 1
8.1 산화와환원 : 세가지관점 산화 (oxidation) - 산소원자를얻음 - 수소원자를잃음 - 전자를잃음 ( 산화수증가 ) 환원 (reduction) - 산소원자를잃음 - 수소원자를얻음 - 전자를얻음 ( 산화수감소 ) 그림 8. 산화와환원의세가지정의 그림 8.3 산화수에대한산화-환원정의 예제 8.1 산화와환원 - 산소원자를얻는것또는잃는것다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? (a) Pb PbO (b) SnO SnO (c) KClO 3 KCl (d) Cu O CuO a. 납은산소원자를얻음 산화 b. 주석은산소원자를잃음 환원 c. 왼쪽화합물은산소를잃음 환원 d. 구리는산소를얻음 산화 예제 8. 산화와환원 - 수소원자를얻는것또는잃는것 다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? ( 아래의화학식은완전한화학식이아니다.) (a) C H 6 O C H 4 O (b) C H C H 6 a. 왼쪽화합물은수소원자를잃음 산화 b. 왼쪽화합물은수소원자를얻음 환원 예제 8.3 산화와환원 전자를얻는것과잃는것 다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? ( 아래의화학식은완전한화학식이아니다.) (a) Zn Zn + (b) Fe 3+ Fe + (c) S - S (d) AgNO 3 Ag a. 산화수가 0에서 로증가 산화 b. 산화수가 +3에서 +로감소 환원 c. 산화수가 -에서 0로증가 산화 d. 산화수 (Ag) 가 +1에서 0로감소 환원
8. 산화제와환원제 산화제 : 환원되는물질환원제 : 산화되는물질 예제 8.4 산화제와환원제 다음반응에서산화제와환원제를찾아라. (a) C + O CO (b) N + 3H NH 3 (c) SnO + H Sn + H O (d) Mg + Cl Mg + + Cl - a. C는산소를얻어서산화됨 환원제, O 는산화제 b. N 는수소를얻어서환원됨 산화제, H 는환원제 c. SnO는산소를잃어서환원됨 산화제, H 는환원제 d. Mg는전자를잃어서산화됨 환원제, Cl 는산화제 8.3 전지화학 : 전지 (cell) 와축전지 전기화학전지 (electrochemical cell) 의예 ( 구리 은전지 ) : 구리선코일을질산은용액에담가두면구리원자는전자를은이온에게준다. 구리는용액안으로녹아들어가고구리 (Ⅱ) 이온때문에용액은푸르게변한다. 은이온은바늘형태의은금속으로석출된다. 구리는산화되고은이온은환원됨 - 전극 (electrode) : 전자전달이일어나는두금속 - 음극 (anode) : 산화반응이일어나는전극 - 양극 (cathode) : 환원반응이일어나는전극 - 반쪽반응식 + 산화 : Cu( s) Cu + e + 환원 : Ag + e Ag( s) 전체반응 : + + Cu ( s) + Ag Cu + Ag( s) 그림 8.4 산화-환원반응의응용그림 8.5 전기화학전지. 3
예제 8.5 산화와환원반쪽반응 다음반응을 개의반쪽반응식, 즉산화반쪽반응과환원반쪽반응으로나타내라. Mg + Cl Mg + + Cl - 산화 : Mg Mg + + e - 환원 : Cl + e - Cl - 예제 8.6 산화-환원반응균형맞추기다음반쪽반응의균형을맞추고이들을합하여전체균형반응식을만들어라. Sn + Sn 4+ Bi 3+ Bi 산화 : Sn + Sn 4+ + e - ] 3 환원 : Bi 3+ + 3e - Bi ] 전체반응 : 3Sn + + Bi 3+ 3Sn 4+ + Bi 건전지 알칼리건전지 - 환원반쪽반응 ( 양극 ) - 산화반쪽반응 ( 음극 ) - 전체반응 + Zn( s) Zn + 3 MnO ( s) + H O( l) + e MnO ( s) + OH + Zn( s) + MnO ( s) + H O( l) Zn + MnO3 ( s) + OH e 그림 8.6 아연-탄소전지의단면 납축전지 납-산축전지 - 환원반쪽반응 ( 양극 ) - 산화반쪽반응 ( 음극 ) ( s) SO4 PbSO4 Pb + ( s) + e + PbO ( s) + 4H + SO4 + e PbSO4 ( s) + H O( l) - 전체반응 Pb s) + PbO ( s) + H SO PbSO ( s) + H O( ) ( 4 4 l 그림 8.7 의단면 납 - 산축전지 4
다른전지들 리튬전지 - 리튬 SO 전지 : 잠수함과주피터같은탐사용로켓에사용 - 리튬 요오드전지 : 심장박동조절장치에사용 - 리튬 FeS 전지 : 카메라, 라디오, CD 플레이어에사용 Ni Cad 전지 - 재충전가능한전지 - 휴대용라디오나무선가전기기에사용 연료전지 - 화석연료가연소하여전기를생산할때연소에너지의이용 : 35-40% - 연료전지에서의에너지이용 : 70-75% - 연료전지의예 : 수산화칼륨용액에백금, 니켈, 로듐전극을가지고있는수소를이용 8.4 부식 철의부식 ( 녹스는것 ) - 철의산화 : - 산소의환원 : - 전체반응 : Fe Fe + + + H O + 4e OH - 수산화철 (Ⅱ) 은수산화철 (Ⅲ) 로더산화됨 철의녹 e O 4 Fe + O OH + H O Fe( ) 4Fe( OH ) OH + O + H O 4Fe( ) 3 그림 8.8 철의부식에는물, 산소, 전해질이필요함 알루미늄의보호 알루미늄은철보다반응성이크나부식은심각하게일어나지않음 알루미늄표면이공기중에서산소와반응하여얇은산화물막을형성함이형성된산화알루미늄은단단하고질기기때문에금속을보호함 은의변색 은의녹은베이킹소다용액에서알루미늄과접촉시키면쉽게제거 - 은의변색 : 은표면이공기중이나음식에있는황화수소에의해산화됨 - 은의녹제거법 : 탄산수소나트륨용액에서알루미늄과접촉 5
8.5 폭발반응 화학적폭발 : 산화-환원반응의결과폭발반응에필요한화합물 : 나이트로글리세린 ( 다이너마이트의활성성분 ), 질산암모늄 ( 비료 ), 트라이나이트로툴루엔 (TNT) 같은질소화합물폭발성혼합물의사용예 : 폭탄, 광산, 굴착공사, 건물파괴등폭발반응식 5NH 4NO3( s) + C17H 36( l) 5N( g) + 17CO ( g) + 1H O( g) 8.6 산소 : 풍부하고꼭필요한산화제 산소 - 가장흔한산화제 - 지구상에있는가장중요한원소중의하나 - 사람몸무게의거의 /3를차지 - 존재형태 대기권에서는수소와결합하여물로존재 암석권에서는규소 (SiO ), 알루미늄 ( 점토안 ) 등다른원소와결합하여존재 - 순수한산소 : 공기를액화한뒤증류하여질소와아르곤을없애서얻음 - 나쁜면 : 부식을초래, 음식의부패와나무를썩게함 다른원소와의반응 - 금속과결합하여금속산화물형성 - 비금속과결합하여비금속산화물형성 6
화합물과의반응산소는많은화합물과반응하여화합물안에있는하나이상의원소를산화시킴예제 8.7 반응식쓰기 : 산소와다른원소와의반응마그네슘은공기중에서발화시키면산소와잘반응한다. 이반응의반응식은? Mg(s) + O (g) MgO(s) 예제 8.8 반응식쓰기 : 산소와화합물의반응매우가연성이큰이황화탄소는산소와쉽게반응하여푸른색불꽃을내며탄다. 어떤생성물이생성되는가? 반응식을써라. CS + 3O CO + SO 오존 (O 3 ) - 강력한산화제 - 해로운공기오염물질 - 자극적, 고무파괴 - 성층권의오존층은자외선을차단하여지구의생명을보호 8.7 다른일반적인산화제들 산화제의역할 : 소독제, 살균제, 표백제등으로사용 ex) 과산화수소 (H O ) : 실험실용 30% 용액, 가정용 3% 용액중크롬산칼륨 (K Cr O 7 ) : 실험실에서자주사용 (1) 소독제 - 여드름치료연고 - 주성분 : 5-10% 과산화벤조일포함 피부암유발 () 살균제 - 주성분 : 염소, 차아염소산칼슘 (Ca(OCl) ) - 염소는해로운미생물을죽이지만작은분자를산화시켜트라이클로로메탄같은해로운부산물을생성할수있음 - 차아염소산칼슘 : 알칼리성이라물의 ph를높임 순수한물 ( 왼쪽 ) 은마른토마토소스얼룩에영향이거의없다. 차아염소산나트륨표백제 ( 오른쪽 ) 는토마토안의염료를산화시켜서색이없는물질로만듦 (3) 표백제 - 천이나다른물질로부터원하지않는색을제거함 - 주성분 : 차아염소산나트륨 (NaOCl), 차아염소산칼슘, 과탄산나트륨 (Na CO 3 ) 등 7
8.8 몇가지관심의대상이되는환원제들 순수한금속을얻기위해선화합물은환원됨 ex) 산화주석 (Ⅳ) 은석탄이나코크스로환원 SnO + C Sn + CO ex) 산화크롬은알루미늄과함께가열하여환원 Cr O 3 + Al Al O 3 + Cr 산화방지제 - 아스코르브산 ( 비타민 C) : 공기중의산화를막아과일이갈색으로변하는것을막음 수용성산화방지제 - 지용성산화방지제 : 토코페롤 ( 비타민 E), 베타-카로틴 ( 비타민 A 전구체 ) 환원제로의수소환원제로사용되는수소의예 - 텅스텐같은비싼금속을분리하는데사용 WO 3 + 3H W + 3H O - 에틸렌을에탄으로환원 C H 4 + H C H 6 - 암모니아합성 N + 3H NH 3 - 물합성 H + O H O 촉매 (catalyst) : 자신은변하지않고반응속도를증가시키는물질 ex) 백금, 팔라듐, 니켈등 활성화에너지 (activation energy) : 반응을시작시키는데필요한최소한의에너지 촉매의사용으로활성화에너지가낮아짐 8
8.9 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) + HCl(aq) ZnCl (aq) + H (g) - 암모니아와메탄올을만드는데사용됨 - 미래연료로사용될가능성있음그림 8.9 실험실에서수소기 - 특징 : 무색, 무취의기체체는아연과염산을반응시켜밀도는공기의 1/14로가장가벼움얻는다. 불꽃에의해점화될수있음 ( 독일비행선의폭발사고 ) 8.10 산화, 환원그리고생물 가장중요한산화-환원반응 : 지구에서생명을유지시키는반응 ex) 탄수화물의대사과정 C 6 H 1 O 6 + 6O 6CO + 6H O + 에너지 : 인간을포함한동물에게끊임없이일어나는과정 ex) 광합성과정 ( 식물의대사과정 ) 6CO + 6H O + 에너지 C 6 H 1 O 6 + 6O 광합성 (photosynthesis) - 광합성에의한탄수화물은모든음식의궁극적인원천 - 산소를생산하는유일한자연과정 그림 8.1 광합성은녹색식물에서일어난다. 광합성과정을촉매하는클로로필염료는지구의육지에초록색을띠게함 9
8 장강의가끝났습니다. 수고하셨습니다. 10