chapter 14 - oxidation-reduction...
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Chapter 17
산화-환원 반응
Oxidation-Reduction Reactions
2
산화-환원 반응 / 산화수
산화-환원 반응:o 물질간에 전자이동을 동반하는 반응.o 산화와 환원이 짝을 이루어 동시에 일어난다.
산화수 (oxidation number)원자가 갖는 전자를 전기음성도가 더 큰 원자에 할당 시그 원자가 갖는 전하.
(oxidation) : )
(reduction) : )
(
.
(
산화 전자를 잃는 것 (산화수가 증가
환원 전자를 얻는 것 (산화수가 감소
산화제oxidant) : 다른 물질을 산화시키는 물질로서자신은
환원된다
환원제reductant):다른 물질을 환원시키는 물질로서자신은
산화된다.
3
산화수를 정하는 규칙
-자유상태의 원소의 산화수는 0이다.-단원자이온의 산화수는 그 이온의 전하량과 같다.-수소화합물에서 일반적으로 수소원자 (H)의 산화수는 +1이다.
(예외, NaH, CaH2: -1)
-산화물에서 일반적으로 산소(O)의 산화수는 –2이다.(예외, 과산화물 -1 (H2O2), OF2 +2)
-분자화합물에서 전기음성도가 큰 원소가 음의산화수를 갖고 그 전기량은 음이온과 같다.
-화합물에서 각 원자들의 산화수의 합은 0이다.-다원자이온에서 각 원자들의 산화수의 합은 그이온 전하와 같다
2
2
4
3
0
1
2
1
2
4
1 4 4 0 1
2
5 3 ( 2) 1, 5
Mg
K
S
H O H
O
CCl C
Cl x x
NO O
N x x
예 산화수
2
3
3 2
0
( ), ( 2) 2( 2) 0, 4
( 2), ( ), ( 2), 2 3( 2) 0 4
( ) ( 2), (1), ( ), ( 2) 2 2 1 3( 2) 0 4
C
CO C x O x x
CaCO Ca C x O x x
Ca HCO Ca H C x O x x
4
산화환원반응식의 균형 맞추기
반응식의 전후에 각 원소의 수 가 동일할 것반응식의 전후에 전체 전하가 동일할 것
I. 산화상태법 (다리법) : Oxidation State Method
HNO3 H2S NO+ + S + H2O0+2-2+5
HNO3 H2S NO+ + S + H2O0+2-2+5
+3e-
-2e-
O 산화상태가 변한 원자확인
O 산화상태가 변한 원자끼리다리로 연결하고 잃거나얻은 전자수 표시
5
O 얻은 전자의 수와 잃은 전자의 수가 같도록 한다 (정수를 곱해 줌)
HNO3 H2S NO+ + S + H2O0+2-2+5
+3e- x 2 = +6e-
-2e- x 3 = -6e-
3 × 2 = 6 2 × 3 = 6
2 HNO3 + 3 H2S 2 NO + 3 S + 4 H2O
O 반응식의 나머지 원소에 대하여 계수를 맞춘다
2 3
O 검토각 원소의 개수 : OK전체 전하의 수 : OK
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II. 반쪽 반응법 (Half reaction method)
Zn(s) + NO3-(aq) Zn2+(aq) + NO(g)
* 산성용액:1. 전체 반응을 반쪽 반응으로 분리한다. ; 2. 각각 반쪽 반응의 원자와 전하량을 맞춘다. (O원자는 H2O로 맞추고,
반대쪽에 H+를 더해 균형을 맞춘다.)3. 잃은 전자와 얻은 전자의 수를 같게 한다.; 4. 두 반쪽반응을 더한다
O 검토 : 원자수, 전체 전하수*염기성 용액 : 1~3 단계 동일. H+ 만큼 양변에 OH-이온 첨가.
물분자 소거 후 다시 반응식 적음.
산화반쪽 반응 환원반쪽 반응
1 Zn Zn2+ NO3- NO
2 Zn Zn2++2e- 3e-+4H++ NO3- NO+2H2O
3 3Zn 3Zn2++6e- 6e-+8H++ 2NO3-
2NO+4H2O
4 3Zn 3Zn2++6e-
6e-+8H++ 2NO3- 2NO+4H2O
------------------------------3Zn+8H++ 2NO3
- 3Zn2++2NO+4H2O
5 원자수 : OK 전체 전하량: OK (1x8-1x2=2x3)
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1. 2 e- + 2 H+ + ClO- Cl- + H2O
2. 2 e- + (2 H+ + 2OH-) + ClO-
Cl- + H2O + 2 OH-
3. 2 e- + 2 H2O + ClO- Cl- + H2O + 2 OH-
4. 2 e- + H2O + ClO- Cl- + 2 OH-
염기성 용액 내 반응의 예
염기성 용액 : 1~3 단계 동일. H+ 만큼 양변에 OH-이온 첨가. 물분자 소거 후 다시 반응식 적음.
자발적 산화 환원 반응의 예측Predicting Spontaneous Redox Reactions
환원전위 (reduction potential)
어떤 물질이 전자를 얻어 환원이일어나는 경향
산화제로서 상대적인 세기
2H+ (aq) +2e-H2(g) E0=0.00V
Zn2+(aq) + 2e- Zn(s) E0 = -0.762 V
Cu2+(aq) + 2e-Cu(s) E0 = 0.339 V
ZnSO4 + Cu (S) NRCuSO4 + Zn ZnSO4 + Cu(s)
Ecell = 0.339+0.762=1.101V
환원전위가 클수록 환원반응이 잘 일어난다. 즉 산화력이 증가한다.환원전위가 작을수록 산화반응이 잘 일어난다. 즉 환원력이 증가한다.환원전위가 보다 큰 반쪽 반응이 작은 반쪽반응에 비하여 환원이 자발적으로일어난다.
볼타전지 (Votaic Cell) = 갈바니 전지자발적으로 일어나기 쉬운 화학반응을 외부회로를 통하여 전기에너지를 발생하는 장치
1차 전지 : 충전이 안됨 (수소발생).
양극 + (cathode) : 환원이 일어나는 전극(구리전극)음극 – (anode) : 산화가 일어나는 전극(아연전극)
다니엘 전지 (The Danielle Cell)-2차전지 (충전)
염다리 (salt bridge) : 증가된 전하량을 제거하는 역할을 한다.
전극의 부호
Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cuanode salt bridge cathode
전지의 표현
양극 + (cathode) : 환원이 일어나는 전극(구리전극)음극 – (anode) : 산화가 일어나는 전극(아연전극)
양극 + (cathode) : 환원이 일어나는 전극(구리전극)음극 – (anode) : 산화가 일어나는 전극(아연전극)
@ Eo전지 = Eo음극(cathode) - Eo양극 (anode))
건전지 (dry cell)
• The disadvantage of the dry cell is that it creates an acidic solution.
• This acidic solution slowly dissolves the zinc, so the shelf life of the battery is only a few months.
• Alkaline batteries use NaOH or KOH in place of NH4Cl, which is more expensive but the shelf life is much greater. The anode becomes:Zn(s) + 2 OH-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2 e-
전해액을 섬유질이나 종이에 흡수시켜 액이 흐르지 않도록 한 전지. 망간 전지-예. 주로 1차 전지.
납 축전지 (Lead Acid Car Battery)
• Anode:
Pb(s) + H2SO4(aq) PbSO4(s) + 2H+(aq) + 2 e-
• Cathode:
2 e- + 2 H+(aq) + PbO2(s) + H2SO4(aq) PbSO4(s) + 2 H2O(l)
• Total reaction:
Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)
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연료전지 (Fuel Cells)연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지.
연료 : 주로 수소, 산소, CH4
연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를직접 전기에너지로 변환시키는 전지. 특징- 반응물이 외부에서 연속적으로공급되어 반응생성물이 연속적으로 계의바깥으로 제거된다는 점.
이차 전지. 리튬이온전지는 현재 2차 전지 시장의 대부분을 차지하고 있는 전지. 한 번쓰고 버리는 1차전지(일반 건전지)와 달리 외부전원을 이용해 충전해서 반영구적으로사용하는 전지를 2차전지라고 한다. 양극과 음극 사이에 유기전해질을 넣어 충전과방전을 반복하게 하는 원리이다. 즉, 리튬산화물로 플러스(+) 극을 만들고, 탄소화합물로마이너스(-) 극을 만드는데, 플러스 극의 리튬이온이 중간의 전해액을 지나 마이너스쪽으로 이동하면서 전기를 발생시킨다. 무게가 가벼운데다 고용량의 전지를 만드는 데유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있다.
리튬이온폴리머 전지: 리튬은 본래 불안정한 원소여서 공기 중의 수분과 급격히 반응해폭발하기 쉬우며 전해액은 과열에 따른 화재 위험성이 있다. 이런 이유 때문에리튬이온전지에는 안전보호회로(PCM)가 들어가며, 내부를 단단한 플라스틱으로둘러싸게 된다. 최근엔 양극과 음극 사이에 액체가 아닌 고체나 겔 형태의 폴리머 재료로된 전해질을 사용, 전기를 발생시키는 '리튬폴리머전지'가 각광받고 있다
리튬이온 전지 (-電池, Lithium-ion battery, Li-ion battery):
식물 엽록체처럼 햇빛 흠뻑 흡수하는 고성능 태양전지 ‘꿈의 기술’개발
2010.09.17 중앙일보
가장 효율이 좋은 실리콘 태양전지도 20~30%의 빛만 흡수해 전기를 만든다. 태양광 효율이 낮다고 하는 연유다. 그런데 ‘엽록체 태양전지’의 태양광 흡수율은최대 93%에 달한다고 한다. ‘꿈의 기술’이라 해도 과언이 아니다.원리는 이렇다. 엽록체 안에 들어 있는 엽록소·카로티노이드·보조색소 등이 각각 다른 색의빛을 흡수함으로써 태양광을 좀더 많이 흡수한다는 데 착안했다. 태양전지도 이런 원리로여러 빛을 받아들일 수 있도록 하자는 것이다. 엽록체 안의 각종 색소에 해당하는 역할을할 수 있는 재료로, 연구팀은 고성능 신소재인 탄소나노튜브를 사용했다. 탄소나노튜브는눈에 보이지도 않을 정도로 작으며, 그물망 같은 모양을 원통형으로 말아 놓은 구조다. 빛을 흡수하면 전기를 생산하는 반도체에 비유할 수 있다. 기존 실리콘 태양전지의 기능과 비슷하다
기말고사 예고일시 : 2019년 6월 12일 (수) 오후 3시
(계산기 지참)
풀이노트 제출 : 6월3일, 노트는 6월 5일 반납