1 2014년도 제2학기 현대생활과 화학 제8장 산화와 환원 산화와 환원 8 8.1 산화와 환원 : 세 가지 관점 8.2 산화제와 환원제 8.3 전지화학 : 전지(cell)와 축전지 8.4 부식 8.5 산소 : 풍부하고 꼭 필요한 산화제 8.6 몇 가지 관심의 대상이 되는 환원제들 8.7 산화, 환원 그리고 생물 산화와 환원은 반대되는 개념으로, 산화란 고전적으로 산소와 결합한 다는 의미이다. 금속이 산소와 결합하면 산소에 전자를 빼앗겨 양이 온이 되고, 산소는 음이온으로 변한다. 고전적 개념은 현대에서는 전 자를 잃으면 산화, 얻으면 환원이라고 부른다.
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12014년도 제2학기 현대생활과 화학 제8장 산화와 환원
산화와 환원88.1 산화와 환원 : 세 가지 관점
8.2 산화제와 환원제
8.3 전지화학 : 전지(cell)와 축전지
8.4 부식
8.5 산소 : 풍부하고 꼭 필요한 산화제
8.6 몇 가지 관심의 대상이 되는 환원제들
8.7 산화, 환원 그리고 생물
산화와 환원은 반대되는 개념으로, 산화란 고전적으로 산소와 결합한다는 의미이다. 금속이 산소와 결합하면 산소에 전자를 빼앗겨 양이온이 되고, 산소는 음이온으로 변한다. 고전적 개념은 현대에서는 전자를 잃으면 산화, 얻으면 환원이라고 부른다.
22014년도 제2학기 현대생활과 화학 제8장 산화와 환원
연소와 불연소
산화-환원 반응의 일상적인 예
: 석탄의 연소, 철이 녹스는 것, 얼룩을 제거하는 표백제, 필름이 현상되는 것, 우리가 먹는 음식이 뇌와 근육을 위한 에너지로 전환되는 것 등
산화-환원 반응은 항상 같이 일어남
에너지 측면
- 물질의 환원된 형태 : 높은 에너지 (ex. 음식, 석탄, 휘발유)- 물질의 산화된 형태 : 낮은 에너지 (ex. 이산화탄소, 물)
그림 8.1 산화와 환원은 항상 같이 일어난다. 왼쪽 사진은 중크롬산 암모늄이 연소하는 사진이다. 이 반응에서 암모늄 이온(NH4
+)은 산화되고 중크롬산 이온(Cr2O72-)은 환원e되면서 상당한 열과 빛이 나온다.
반응식은 다음과 같다. (NH4)2Cr2O7 →Cr2O3 + N2 + 4 H2O물은 수증기로 날아가고 질소 기체도 날아가고 순수한 Cr2O3만이 남는다 (오른쪽).
전기화학전지(electrochemical cell)의 예 (구리 – 은 전지) 구리선 코일을 질산은 용액에 담가두면 구리 원자는 전자를
은 이온에게 준다. 구리는 용액 안으로 녹아 들어가고
구리(Ⅱ) 이온 때문에 용액은 푸르게 변한다. 은 이온은 바늘 형태의 은 금속으로 석출된다. ⇒ 구리는 산화되고 은 이온은 환원됨
- 전극(electrode) : 전자 전달이 일어나는 두 금속
- 음극(anode) : 산화반응이 일어나는 전극 (왼쪽)- 양극(cathode) : 환원반응이 일어나는 전극 (오른쪽)
- 반쪽반응식
산화 :
환원 :
전체반응 :
eaqCusCu 2)()( 2
)(22)(2 sAgeaqAg
)(2)()(2)( 2 sAgaqCuaqAgsCu
전자의 이동이 산화/환원반응이다.
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예제 8.5 산화와 환원 반쪽반응
다음 반응을 2개의 반쪽반응식, 즉 산화 반쪽반응과 환원 반쪽반응으로 나타내라.
Mg + Cl2 → Mg2+ + 2Cl-
풀 이
산화 : Mg → Mg2+ + 2e-
환원 : Cl2 + 2e- → 2Cl-
예제 8.6 산화-환원 반응 균형 맞추기
다음 반쪽반응의 균형을 맞추고 이들을 합하여 전체 균형 반응식을 만들어라.
Sn2+ → Sn4+ Bi3+ → Bi
풀 이 산화 : Sn2+ → Sn4+ + 2e- ] × 3환원 : Bi3+ + 3e- → Bi ] × 2
전체반응 : 3Sn2+ + 2Bi3+ → 3Sn4+ + 2Bi
산화/환원반응은 항상 동시에 일어나므로 2개로 분리하여 반응식을 적을 수 있다. 산화반응식과 환원반응식이다.
전자의 개수는 항상 같아야 한다.
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감광 유리
- 일반렌즈 : 규산염으로 이루어져 있어 가시광선을 통과시킴 (무색 투명함)
- 감광렌즈 : 빛에 노출되면 렌즈가 어두워짐 ⇒ 빛에 대한 산화-환원 반응 결과
⇒ 염화은(AgCl)과 염화구리(Ⅰ) (CuCl) 결정이 유리에 고르게 분포되
어 있음
산화 : 환원 :
⇒ 빛의 강도에 의해 검어지는 정도가 달라짐
⇒ 렌즈를 빛이 없는 곳에 두면 빛에 의해 생성됨 염소 원자가 구리(Ⅰ) 이온에
의해 환원됨
그림 감광 유리는 빛에 의해 검게 된다
Cl Cl e Ag e Ag
2Cl Cu Cu Cl 2Cu Ag Cu Ag
빛이 없는 곳에서의 반응
원래의 상태로 돌아간다
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그림 8.6 아연-탄소
전지의 단면
그림 8.7 납-산 축전지
의 단면
건전지 : 많은 종류의 건전지가 개발되었으며, 1회용은 1차 전지, 충전식은 2차 전지라고 부른다.
알칼리 건전지
- 환원반쪽반응(양극)
- 산화반쪽반응(음극)
- 전체반응
납 축전지
- 환원반쪽반응(양극) - 산화반쪽반응(음극)
- 전체반응
eaqZnsZn 2)()( 2
)(2)(2)()(2 3222 aqOHsOMnelOHsMnO
)(2)()()()(2)( 322
22 aqOHsOMnaqZnlOHsMnOsZn
esPbSOaqSOsPb 2)()()( 42
4
)(2)(2)()(4)( 242
42 lOHsPbSOeaqSOaqHsPbO
)(2)(2)(2)()( 24422 lOHsPbSOaqSOHsPbOsPb
납 축전지의 기전력은 1.5V이지만 직렬연결로 전압을 높인다.
산화전극
환원전극
산화전극
환원전극
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다른 전지들 : 많은 충전식 전지가 개발되었다. 그 중에서 기전력이 높고, 가벼운 것이 리튬이온전지이다.
리튬전지
- 리튬 – SO2 전지 : 잠수함과 주피터 같은 탐사용 로켓에 사용
- 리튬 – 요오드 전지 : 심장박동 조절장치에 사용
- 리튬 – FeS2 전지 : 카메라, 라디오, CD 플레이어에 사용
Ni – Cad 전지
- 재충전 가능한 전지
- 휴대용 라디오나 무선 가전기기에 사용
연료 전지 : 많이 연구되고 있는 실용성이 높은 전지이다.
- 화석연료가 연소하여 전기를 생산할 때 연소 에너지의 이용 : 35-40%- 연료전지에서의 에너지 이용 : 70-75%- 연료전지의 예
: 수산화칼륨 용액에 백금, 니켈, 로듐 전극을 가지고 있는 수소를 이용
전기 분해
- 외부에서 공급된 전기가 화학반응을 일어나게 함- 크롬도금 : 크롬 이온(Cr6+) 용액에 전류를 통과시켜 이루어짐
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Figure 18.15 A Mercury Battery of the Type Used in Calculators
Anodes, oxidation:
Zn(s) + 2OH-(aq) → ZnO(s) +H2O(l) +2e-
Cathode, reduction:
HgO(s) + H2O(l) + 2e- → Hg(l) +2OH- (aq)
Makes very small ones
Produce Hg(l).
함부로 버리면 안된다.
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Electrical energy can only be obtained if electrons flowthrough a (closed) external circuit. The followingequations are written in units of moles, making it possibleto use the coefficient x. During the discharging process,the half-reaction at anode is
LixC6 → xLi+ +6C + xe-
and the half-reaction at cathode isLi1-xCoO2 + xLi+ + xe- → LiCoO2
In a lithium-ion battery the lithium ions are transported toand from the cathode or anode, with the transition metal,Co, in LixCoO2 being oxidized from Co3+ to Co4+ duringcharging, and reduced from Co4+ to Co3+ duringdischarge.
Mechanism of Li ion battery
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8.4 부식
철의 부식 (녹스는 것)
- 철의 산화 :
- 산소의 환원 :
- 전체반응 :
- 수산화철(Ⅱ)은 수산화철(Ⅲ)로 더 산화됨 ⇒ 철의 녹
알루미늄의 보호
알루미늄은 철보다 반응성이 크나 부식은 심각하게일어나지 않음 ⇒ ∵ 알루미늄 표면이 공기 중에서산소와 반응하여 얇은 산화물 막을 형성함이 형성된 산화알루미늄 막은 단단하고 질기기 때문에내부 금속을 보호함
은의 변색
- 은의 변색 : 은 표면이 공기 중이나 음식에 있는 황화수소에 의해 산화됨
- 은의 녹 제거법 : 탄산수소나트륨 용액에서 알루미늄과 접촉
eFeFe 22
OHeOHO 442 22
222 )(222 OHFeOHOFe
3222 )(42)(4 OHFeOHOOHFe
그림 8.8 철의 부식에는 물,산소, 전해질이 필요함
은의 녹은 베이킹 소다 용액에서알루미늄과 접촉시키면 쉽게 제거
경제적 가치가 높아서 연구가 많이 진행되고 있다.
172014년도 제2학기 현대생활과 화학 제8장 산화와 환원
폭발반응
화학적 폭발 : 산화-환원 반응의 결과
폭발반응에 필요한 화합물
: 나이트로글리세린(다이너마이트의 활성성분), 질산암모늄(비료),
트라이나이트로툴루엔(TNT) 같은 질소화합물
폭발성혼합물의 사용 예 : 폭탄, 광산, 굴착공사, 건물파괴 등
폭발반응식
)(122)(17)(52)()(52 222361734 gOHgCOgNlHCsNONH
가장 손쉽게 만들 수 있는 폭약이다. 질산암모늄은 비료의 일종이다. 화학반응에서 질소기체가 만들어지며, 이것은 고체상태에 비하여 부피를 엄청 증가시킨다. 따라서 내부 압력이 높아져서 궁극적으로 폭발하게 된다. 군사용 목적으로 사용되는 폭약은 질소의 함량이 높다.
182014년도 제2학기 현대생활과 화학 제8장 산화와 환원
8.5 산소 : 풍부하고 꼭 필요한 산화제
산소 : 존재하는 곳과 성질
- 가장 흔한 산화제
- 지구상에 있는 가장 중요한 원소 중의 하나
- 사람 몸무게의 거의 2/3를 차지
- 존재 형태
• 대기권에서는 수소와 결합하여 물로 존재
• 암석권에서는 규소(SiO2), 알루미늄(점토안) 등 다른 원소와 결합하여 존재
- 순수한 산소 : 공기를 액화한 뒤 증류하여 질소와 아르곤을 없애서 얻음
- 나쁜 면 : 부식을 초래, 음식의 부패와 나무를 썩게 함
다른 원소와의 반응
- 금속과 결합하여 금속 산화물 형성
- 비금속과 결합하여 비금속 산화물 형성
산소 없이는 생명체가 살아갈 수 없다. 진화의 원천이다.
192014년도 제2학기 현대생활과 화학 제8장 산화와 환원
산소 : 화합물과의 반응
산소는 많은 화합물과 반응하여 화합물 안에 있는 하나 이상의 원소를 산화시킴
ex) 황화수소의 연소반응
예제 8.7 반응식 쓰기 : 산소와 다른 원소와의 반응
마그네슘은 공기 중에서 발화시키면 산소와 잘 반응한다. 이 반응의 반응식은?
풀 이
2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s)
예제 8.8 반응식 쓰기 : 산소와 화합물의 반응
매우 가연성이 큰 이황화탄소는 산소와 쉽게 반응하여 푸른색 불꽃을 내며 탄다. 어떤 생성물이 생성되는가? 반응식을 써라.
풀 이
CS2 + 3O2 → CO2 + 2SO2
2 2 2 22 ( ) 3 ( ) 2 ( ) 2 ( )H S g O g H O l SO g
202014년도 제2학기 현대생활과 화학 제8장 산화와 환원
오존 : 산소의 다른 형태
- 강력한 산화제
- 해로운 공기 오염물질
- 자극적, 고무파괴
- 성층권의 오존층은 자외선을 차단하여 지구의 생명을 보호
다른 일반적인 산화제들
산화제의 역할 : 소독제, 살균제, 표백제 등으로 사용
ex) 과산화수소(H2O2) : 실험실용 30%용액, 가정용 3%용액
중크롬산칼륨(K2Cr2O7) : 실험실에서 자주 사용
(1) 소독제
- 여드름 치료연고
- 주성분 : 5-10% 과산화벤조일 포함 ⇒ 피부암 유발
그림 과산화수소는 강력한산화제이다. 과산화수소 묽은 용액은 살균제나 머리카락 탈색에 쓰인다.