전자 전달에 의한 산화와 환원: HSC 화학

아연 금속 조각을 파란색 구리(II) 용액에 넣으면 다소 이상한 일이 일어납니다. 구리 금속이 아연 표면을 덮기 시작하는 한편, 아연 원자들은 금속 조각을 떠나 이온으로 용액 속에 들어갑니다.

실제로 아연에서 구리로 이동한 것은 무엇일까요?

산소 원자도 아니고 양성자도 아닙니다. 핵심적으로 전달되는 것은 훨씬 더 작은 입자인 전자입니다. 전자가 아연 원자에서 구리(II) 이온으로 이동합니다. 이 전자의 전달을 추적할 수 있게 되면 산화와 환원을 훨씬 쉽게 구별할 수 있습니다.

01먼저 전자를 따라가 보자

다음 반응을 생각해 봅시다.

\[ \ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)} \]

계속 읽기 전에 전자에 어떤 일이 일어날지 예측해 보세요.

중성 아연 원자는 \(\mathrm{Zn}^{2+}\)가 됩니다. \(2+\)가 되려면 음전하를 띤 전자 두 개를 잃어야 합니다.

\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]

한편, \(\mathrm{Cu}^{2+}\) 이온은 중성 구리 원자가 됩니다. 따라서 전자 두 개를 얻어야 합니다.

\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]

이 두 변화에는 각각 특별한 이름이 있습니다.

• 산화는 전자를 잃는 과정입니다.
• 환원은 전자를 얻는 과정입니다.

OIL RIG라는 암기법을 본 적이 있을지도 모릅니다. Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain, 즉 산화는 전자 손실, 환원은 전자 획득이라는 뜻입니다. 유용한 암기법이지만, 단순히 외우는 데서 그치지 마세요. 중요한 개념은 전자가 한 화학종에서 다른 화학종으로 전달된다는 것입니다.

이를 콘서트 표를 건네주는 것에 비유해 볼 수 있습니다. 한 사람이 표를 받으려면 다른 누군가는 그 표를 내주어야 합니다. 전자 전달도 마찬가지입니다. 어떤 화학종이 전자를 얻으려면 다른 화학종이 반드시 전자를 잃어야 합니다.

물론 이 비유에는 한계가 있습니다. 전자는 실제 입자이지 표가 아니며, 화학 반응에서 전자가 언제나 자유 입자 상태로 용액을 가로질러 직접 이동하는 것도 아닙니다. 반쪽 반응식은 전자가 어디에서 나오고 어디로 가는지를 계산하고 추적하는 방법입니다.

02산화와 환원은 항상 함께 일어난다

아연이 전자 두 개를 잃는다고 해 봅시다.

\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]

이것만으로 전체 반응이 될 수 있을까요?

그렇지 않습니다. 전자는 그냥 사라질 수 없습니다. 다른 화학종이 그 전자를 받아야 합니다.

따라서 산화와 환원은 서로 짝을 이루는 과정입니다. 두 과정이 함께 일어나는 반응을 **산화·환원 반응(redox reaction)**이라고 합니다.

아연-구리 반응에서:

• 아연은 전자를 잃으므로 산화됩니다.
• 구리(II) 이온은 전자를 얻으므로 환원됩니다.

다음 두 식

\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]

과

\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]

을 반쪽 반응식이라고 합니다. 각각 전자 전달의 한쪽 과정을 보여 줍니다.

두 식을 더하면 전자가 소거됩니다.

\[ \ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu} \]

이 소거는 중요합니다. 잃은 전자의 수와 얻은 전자의 수가 같다는 것을 확인해 주기 때문입니다.

03가장 혼동하기 쉬운 명칭

학생들은 산화와 환원은 올바르게 구별하면서도 산화제와 환원제를 서로 반대로 쓰는 경우가 많습니다.

가장 안전한 방법은 각 화학종이 다른 화학종에 어떤 작용을 하는지에 집중하는 것입니다.

따라서

\[ \ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu} \]

에서 아연은 전자를 잃습니다. 따라서 아연은:

• 산화되고,
• 환원제입니다.

구리(II) 이온은 그 전자를 얻습니다. 따라서 \(\mathrm{Cu}^{2+}\)는:

• 환원되고,
• 산화제입니다.

처음에는 명칭이 반대로 된 것처럼 느껴질 수 있습니다. 하지만 그렇지 않습니다.

환원제가 환원제라고 불리는 이유는 다른 화학종을 환원시키기 때문입니다. 그러기 위해서는 전자를 제공해야 하므로, 환원제 자신은 산화됩니다.

마찬가지로 산화제는 다른 화학종의 전자를 받아 그 화학종을 산화시킵니다. 따라서 산화제 자신은 환원됩니다.

조금 우스운 방법으로 기억해 봅시다. 형편없는 데이트를 하는 두 사람이 재킷을 주고받는다고 상상해 보세요. 재킷을 건네준 사람은 상대방을 더 따뜻하게 만들지만 자신은 더 추워집니다. 마찬가지로 환원제는 전자를 내주어 다른 화학종을 환원시키지만, 자신은 반대 과정인 산화를 겪습니다.

04각 화학종을 확실하게 구별하는 방법

산화·환원 반응식이 주어졌다면 다음 순서를 사용하세요.

1단계: 전자를 잃은 화학종을 찾는다

원자나 이온이 더 큰 양전하를 띠게 되거나, 음전하의 크기가 작아지는지 살펴보세요.

그 화학종은 산화된 것입니다.

2단계: 전자를 얻은 화학종을 찾는다

원자나 이온의 양전하가 작아지거나, 음전하의 크기가 커지는지 살펴보세요.

그 화학종은 환원된 것입니다.

3단계: 산화제와 환원제를 정한다

전자를 잃는 화학종이 환원제입니다.

전자를 얻는 화학종이 산화제입니다.

4단계: 전자 수를 확인한다

반쪽 반응식에 적절한 계수를 곱한 뒤에는 잃은 전자의 수와 얻은 전자의 수가 같아야 합니다.

이 마지막 확인 과정으로 놀랄 만큼 많은 실수를 잡아낼 수 있습니다.

05전자 전달과 “산소”라는 단어를 혼동하지 말자

역사적으로 산화는 산소가 관여하는 반응과 관련지어졌습니다. 예를 들어,

\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]

에서는 실제로 마그네슘이 산화됩니다.

하지만 “산화는 산소를 얻는 것”이라는 정의는 충분히 일반적이지 않습니다.

다음 반응에서도 마그네슘은 산화됩니다.

\[ \ce{Mg + 2H+ -> Mg^2+ + H2} \]

이 식에는 산소가 전혀 없습니다.

전자 전달에 따른 정의는 두 경우를 모두 설명할 수 있습니다. 마그네슘은 두 반응에서 모두 전자를 잃습니다.

HSC의 산화·환원 문제에서는 전자의 손실과 획득을 기준으로 생각하는 것이 더 일반적인 모델을 제공합니다.

06전하의 변화는 증거이지 정의 자체가 아니다

단순한 이온에서는 전하의 변화를 통해 전자 전달을 쉽게 확인할 수 있습니다.

예를 들어,

\[ \ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-} \]

는 \(\mathrm{Fe}^{2+}\)가 전자 하나를 잃으므로 산화입니다.

그리고

\[ \ce{Fe^3+ + e^- -> Fe^2+} \]

는 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)가 전자 하나를 얻으므로 환원입니다.

전하가 더 양의 값이 되는 것은 흔히 산화를 나타내고, 양전하가 작아지는 것은 흔히 환원을 나타냅니다.

하지만 표현에는 주의해야 합니다. 산화는 “더 양전하를 띠게 되는 것”으로 정의되는 것이 아닙니다. 근본적인 정의는 여전히 전자의 손실입니다.

전하는 반응하는 화학종이 이온일 때 활용할 수 있는 유용한 단서일 뿐입니다.

07역할은 그 특정 반응에서의 화학종에 따라 결정된다

“금속은 환원제이다” 또는 “\(\mathrm{Fe}^{3+}\)는 산화제이다”와 같은 문장을 외우고 싶어질 수 있습니다.

이런 문장들은 흔한 반응 경향을 설명할 수 있지만, 최종적인 역할은 실제로 일어나고 있는 반응을 통해 판단해야 합니다.

예를 들어:

\[ \ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-} \]

여기서 \(\mathrm{Fe}^{2+}\)는 전자 하나를 잃으므로 환원제로 작용합니다.

하지만 다른 반응에서는 같은 화학종이 다른 방식으로 참여할 수도 있습니다. 산화·환원에서의 명칭은 전자 전달 과정에서의 역할을 나타내는 것이지, 특정 화학종에 영구적으로 붙는 성격표가 아닙니다.

이 점은 금속 활동도 서열을 공부할 때 특히 유용합니다. 활동도 서열을 이용하면 금속과 금속 이온 사이에서 어떤 전자 전달이 일어날 가능성이 높은지 예측할 수 있기 때문입니다.

08문제와 풀이

문제 1

다음 반응을 생각해 봅시다.

\[ \ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)} \]

다음을 확인하세요.

a. 산화된 화학종
b. 환원된 화학종
c. 환원제
d. 산화제

산화와 환원의 반쪽 반응식을 쓰세요.

풀이 1

아연은 산화되고 환원제로 작용하며, \(\mathrm{Ag}^{+}\)는 환원되고 산화제로 작용합니다.

아연은 중성인 \(\ce{Zn}\)에서 \(\mathrm{Zn}^{2+}\)로 변하므로 전자 두 개를 잃습니다.

\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]

이것이 산화입니다.

각 은 이온은 전자 하나를 얻습니다.

\[ \ce{Ag+ + e^- -> Ag} \]

은 이온 두 개가 반응하므로 환원 반쪽 반응식에 2를 곱할 수 있습니다.

\[ \ce{2Ag+ + 2e^- -> 2Ag} \]

아연이 잃은 전자 두 개는 은 이온이 얻은 전자 두 개와 정확히 일치합니다.

따라서:

• 산화된 화학종: \(\ce{Zn}\)
• 환원된 화학종: \(\mathrm{Ag}^{+}\)
• 환원제: \(\ce{Zn}\)
• 산화제: \(\mathrm{Ag}^{+}\)

아연이 산화되고 있기 때문에 아연을 산화제라고 부르는 것이 흔한 실수입니다. 하지만 산화제와 환원제라는 명칭은 해당 화학종이 다른 반응물에 어떤 변화를 일으키는지를 나타냅니다. 아연은 전자를 제공해 \(\mathrm{Ag}^{+}\)를 환원시키므로 환원제입니다.

문제 2

한 학생에게 다음 반응이 주어졌습니다.

\[ \ce{2Fe^3+(aq) + Sn^2+(aq) -> 2Fe^2+(aq) + Sn^4+(aq)} \]

학생은 다음과 같이 말합니다.

“주석이 \(2+\)에서 \(4+\)로 변했으므로 양전하 두 개를 더 얻었고, 따라서 무언가를 얻은 것이 틀림없다. 그러므로 주석은 환원되었다.”

학생의 주장이 맞는지 판단하세요. 산화된 화학종과 환원된 화학종, 두 가지 반응제를 확인하고 전자 전달의 균형이 맞는다는 것을 보이세요.

풀이 2

학생의 주장은 틀렸습니다. \(\mathrm{Sn}^{2+}\)는 산화되고 환원제로 작용하며, \(\mathrm{Fe}^{3+}\)는 환원되고 산화제로 작용합니다.

주석은 다음과 같이 변합니다.

\[ \ce{Sn^2+ -> Sn^4+ + 2e^-} \]

이 이온이 더 큰 양전하를 띠게 된 이유는 음전하를 띤 전자 두 개를 잃었기 때문입니다. “양전하를 얻은” 것이 아닙니다.

철은 다음과 같은 변화를 겪습니다.

\[ \ce{Fe^3+ + e^- -> Fe^2+} \]

각 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 이온은 전자 하나를 얻습니다. 철(III) 이온이 두 개 있으므로:

\[ \ce{2Fe^3+ + 2e^- -> 2Fe^2+} \]

이제 전자 수의 관계가 분명합니다.

• \(\mathrm{Sn}^{2+}\)는 \(2e^-\)를 잃습니다.
• 두 개의 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 이온은 \(2e^-\)를 얻습니다.

따라서:

• 산화된 화학종: \(\mathrm{Sn}^{2+}\)
• 환원된 화학종: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
• 환원제: \(\mathrm{Sn}^{2+}\)
• 산화제: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)

흔히 빠지기 쉬운 오류는 양전하를 어떤 물질처럼 추가되는 것으로 생각하는 것입니다. 전하는 양성자와 전자의 수에 따른 순전하입니다. 원자핵 속 양성자 수가 그대로일 때 더 큰 양전하를 띠게 되었다는 것은 전자를 잃었다는 뜻입니다.

문제 3

깨끗한 아연 조각을 과량의 은 이온이 들어 있는 용액에 넣었습니다.

반응은 다음과 같습니다.

\[ \ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)} \]

얼마 후 금속 조각의 질량이 증가했습니다.

한 학생은 “산화되면 아연이 금속 조각에서 빠져나가므로 금속 조각은 더 가벼워져야 한다”는 이유로 아연이 산화되었을 리 없다고 주장합니다.

몰 질량은 다음과 같습니다.

• Zn: \(65.4\ \text{g mol}^{-1}\)
• Ag: \(107.9\ \text{g mol}^{-1}\)

학생의 결론은 타당할까요? 산화·환원 과정을 설명하고 질량 증가가 가능한지 계산으로 보이세요.

풀이 3

학생의 결론은 타당하지 않습니다. 고체 금속 조각 전체의 질량이 증가하더라도 아연은 산화될 수 있습니다.

산화 과정은

\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]

이므로 아연 원자는 \(\mathrm{Zn}^{2+}\) 이온이 되어 금속에서 빠져나갑니다. 따라서 아연은 산화되며 환원제입니다.

은 이온은 환원됩니다.

\[ \ce{2Ag+ + 2e^- -> 2Ag} \]

생성된 은은 남아 있는 아연 조각 표면에 석출될 수 있습니다.

Zn \(1.00\ \text{mol}\)이 산화될 때마다 금속 조각에서는

\[ 1.00\ \text{mol} \times 65.4\ \text{g mol}^{-1} = 65.4\ \text{g} \]

의 아연이 빠져나갑니다.

하지만 같은 반응에서 Ag \(2.00\ \text{mol}\)이 석출됩니다.

\[ 2.00\ \text{mol} \times 107.9\ \text{g mol}^{-1} = 215.8\ \text{g} \]

의 은입니다.

이 은이 모두 금속 조각에 붙어 있다고 하면 순질량 변화는

\[ 215.8\ \text{g} - 65.4\ \text{g} = +150.4\ \text{g} \]

이며, 이는 반응한 아연 1몰당 질량 변화입니다.

따라서 측정된 질량이 증가하는 것은 아연이 산화되는 것과 전혀 모순되지 않습니다.

흔한 잘못된 가정은 “산화된다”는 말이 “물체의 질량이 반드시 감소한다”는 뜻이라고 생각하는 것입니다. 산화는 한 화학종이 전자를 잃는 과정입니다. 저울에 나타나는 값은 측정하는 물체에 들어오거나 나가는 모든 물질에 의해 결정됩니다. 아연은 고체에서 빠져나가지만, 동시에 더 큰 질량의 은이 그 위에 석출될 수 있습니다.

문제 4

철을 포함하는 용액에서 두 단계의 연속 반응이 일어납니다.

1단계:

\[ \ce{2Fe^3+ + 2I^- -> 2Fe^2+ + I2} \]

2단계:

\[ \ce{2Fe^2+ + Cl2 -> 2Fe^3+ + 2Cl^-} \]

각 단계에 대해:

a. 산화된 화학종과 환원된 화학종을 확인하세요.
b. 환원제와 산화제를 확인하세요.

그런 다음 두 반응을 더해 전체 반응식을 구하세요. 전체 두 단계의 과정에서 철 화학종에 어떤 일이 일어났는지 설명하세요.

풀이 4

1단계에서는 \(\mathrm{I}^{-}\)가 산화되어 환원제로 작용하고, \(\mathrm{Fe}^{3+}\)가 환원되어 산화제로 작용합니다. 2단계에서는 \(\mathrm{Fe}^{2+}\)가 산화되어 환원제로 작용하고, \(\ce{Cl2}\)가 환원되어 산화제로 작용합니다. 두 단계를 모두 거치면 철 화학종은 재생되며 전체 반응식에서는 소거됩니다.

1단계에서 아이오딘화 이온은 전자를 잃습니다.

\[ \ce{2I^- -> I2 + 2e^-} \]

철(III) 이온은 그 전자를 얻습니다.

\[ \ce{2Fe^3+ + 2e^- -> 2Fe^2+} \]

따라서:

• 산화된 화학종: \(\mathrm{I}^{-}\)
• 환원된 화학종: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
• 환원제: \(\mathrm{I}^{-}\)
• 산화제: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)

2단계에서는 철의 변화가 반대로 일어납니다.

\[ \ce{2Fe^2+ -> 2Fe^3+ + 2e^-} \]

한편 염소는 전자를 얻습니다.

\[ \ce{Cl2 + 2e^- -> 2Cl^-} \]

따라서:

• 산화된 화학종: \(\mathrm{Fe}^{2+}\)
• 환원된 화학종: \(\ce{Cl2}\)
• 환원제: \(\mathrm{Fe}^{2+}\)
• 산화제: \(\ce{Cl2}\)

이제 주어진 두 반응을 더합니다.

\[ \begin{aligned} \ce{2Fe^3+ + 2I^-} &\ce{-> 2Fe^2+ + I2}\\ \ce{2Fe^2+ + Cl2} &\ce{-> 2Fe^3+ + 2Cl^-} \end{aligned} \]

\(\ce{2Fe^3+}\)와 \(\ce{2Fe^2+}\)는 각각 식의 양쪽에 나타나므로 소거되어 다음 식만 남습니다.

\[ \ce{2I^- + Cl2 -> I2 + 2Cl^-} \]

전체 과정에서 철은 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)로 시작해 \(\mathrm{Fe}^{2+}\)가 되었다가 다시 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)로 돌아옵니다. 철은 전자 전달 경로에 참여하지만 전체 반응식에서는 순변화가 없습니다.

흔히 빠지기 쉬운 오류는 “철”에 하나의 영구적인 역할을 부여하는 것입니다. 하지만 산화·환원 역할은 특정 반응 속 화학종에 따라 달라지므로 이런 접근은 실패합니다. \(\mathrm{Fe}^{3+}\)는 1단계에서 전자를 받아들이고, \(\mathrm{Fe}^{2+}\)는 2단계에서 전자를 내놓습니다.

전체적인 전자 전달은 아이오딘화 이온에서 염소로 일어납니다. 다만 그 전달이 중간 단계의 철 화학종을 통해 진행됩니다.

문제 5

다음 반응을 생각해 봅시다.

\[ \ce{2Cu+ -> Cu^2+ + Cu} \]

한 학생은 반응물의 화학종이 \(\mathrm{Cu}^{+}\) 하나뿐이므로 서로 구별되는 전자 공여체와 전자 수용체가 존재할 수 없고, 따라서 이 반응은 산화·환원 반응일 수 없다고 주장합니다.

a. 이 반응이 산화·환원 반응인지 판단하세요.
b. 적절한 산화 및 환원 반쪽 반응식을 쓰세요.
c. 산화제로 작용하는 화학종과 환원제로 작용하는 화학종을 확인하세요.
d. 하나의 \(\mathrm{Cu}^{+}\) 이온이 반드시 전자 하나를 잃는 동시에 전자 하나를 얻어야 하는지 설명하세요.
e. 전체 반응을 역으로 진행시킨다면 역반응에서 산화제와 환원제를 확인하세요.

풀이 5

이 반응은 산화·환원 반응이며, 서로 다른 \(\mathrm{Cu}^{+}\) 이온들이 반대 방향의 전자 전달 변화를 겪기 때문에 \(\mathrm{Cu}^{+}\)는 산화제로도, 환원제로도 작용합니다.

한 \(\mathrm{Cu}^{+}\) 이온은 산화될 수 있습니다.

\[ \ce{Cu+ -> Cu^2+ + e^-} \]

전자를 잃으므로 이 \(\mathrm{Cu}^{+}\)는 환원제로 작용합니다.

다른 \(\mathrm{Cu}^{+}\) 이온은 환원될 수 있습니다.

\[ \ce{Cu+ + e^- -> Cu} \]

전자를 얻으므로 이 \(\mathrm{Cu}^{+}\)는 산화제로 작용합니다.

두 반쪽 반응식을 더하면

\[ \ce{2Cu+ -> Cu^2+ + Cu} \]

가 됩니다.

한 구리(I) 이온이 잃은 전자 하나는 다른 구리(I) 이온이 얻은 전자 하나와 정확히 일치합니다.

하나의 \(\mathrm{Cu}^{+}\) 이온이 같은 전자를 잃었다가 얻어야 하는 것은 아닙니다. 이 반응식은 여러 이온으로 이루어진 집단을 나타냅니다. 한 구리(I) 이온은 산화 경로를 따르고 다른 구리(I) 이온은 환원 경로를 따릅니다.

이 점이 학생의 주장이 성립하지 않는 이유입니다. 산화·환원 반응에서는 전자의 손실과 획득이 짝을 이루어야 하지만, 전자를 주는 화학종과 받는 화학종이 처음부터 화학적으로 서로 다른 종류일 필요는 없습니다.

이제 반응을 역으로 진행시켜 봅시다.

\[ \ce{Cu^2+ + Cu -> 2Cu+} \]

반쪽 반응식도 반대로 바뀝니다.

구리 금속은 산화됩니다.

\[ \ce{Cu -> Cu+ + e^-} \]

따라서 \(\ce{Cu}\)는 환원제입니다.

구리(II) 이온은 환원됩니다.

\[ \ce{Cu^2+ + e^- -> Cu+} \]

따라서 \(\mathrm{Cu}^{2+}\)는 산화제입니다.

더 중요한 점은 “산화제”와 “환원제”가 영구적인 명칭이 아니라는 것입니다. 이 명칭들은 고려하고 있는 특정 반응에서 전자가 어느 방향으로 이동하는지를 나타냅니다.

이러한 전자 수지 계산은 산화·환원 화학에서 다음으로 유용한 단계의 기초가 됩니다. 즉, 어떤 화학종이 먼저 전자를 내놓을 가능성이 높은지를 예측하는 것입니다. 금속의 경우 이는 곧 상대적인 반응성과 활동도 서열로 이어집니다.