Chapter 17 산화-환원 반응과 전기화학.

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1 Chapter 17 산화-환원 반응과 전기화학

2 ▶산화-환원 반응(oxidation-reduction reaction or redox reaction)
: 전자들이 이동되는 반응 예 : 금속+비금속의 반응(곰속의 산화, 비금속의 환원) ▶ 산화(oxidation) : 전자를 잃는 것 ▶ 환원(reduction) : 전자를 얻는 것

3 ▶ 산화상태(oxidation state, 산화수)
: 화합물을 구성하는 원자들에 대하여 전자를 할당함으로서 산화-환원 반응에서 전자들의 이동 행로를 알 수 있게 해준다. ① 이성분 이온 결합 화합물 : 이온의 전하

4 ⇓ ② 결합되지 않은 원자(즉, 원소 상태의 모든 원자)=전하를 띠지 않는다(중성)
예 : 소듐 금속 - 중성 소듐 원자들로 구성됨 염소 기체(Cl2) - 중성 염소 원자 두 개로 구성 ⇓ 순수한 원소의 원자는 전하가 없으며 0의 산화 상태가 할당된다.

5 ③ 공유 결합 화합물 : 전기음성도가 큰 원소가 공유된 전자를 갖는다고 가정
수소의 산화상태 : +1 산소의 산화상태 : -2 * 전기음성도가 큰 원소 : 그 음이온의 전하와 동일

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8 염화 나트륨의 형성 전자 이동

9 메테인의 연소 전자 이동 C : O :

10 ▶ 산화(oxidation) : 산화 상태의 증가 (전자를 잃음) ▶환원(reduction) : 산화 상태의 감소 (전자를 얻음) ▶산화제(oxidizing agent, 전자 받개) : 환원(전자 얻음)되는 원소를 포함하는 반응물 →위 반응에서는 Cl2 ▶환원제(reducing agent, 전자 주개) : 산화(전자를 잃음)되는 원소를 포함하는 반응물 →위 반응에서는 Na

11 탄소의 산화 상태가 증가하였으므로 탄소는 산화되었다.
(탄소는 명백하게 전자를 잃었다.) 2. 반응물 CH4는 산화된 탄소를 포함하므로 환원제이다. CH4는 (탄소가 잃은) 전자를 공급하는 반응물이다. 3. 산소의 산화 상태가 감소하였으므로 산소는 환원되었다. (산소는 분명히 전자를 얻었다.) 4. 산소 원자를 포함하고 있는 반응물은 O2이므로 O2는 산화제이다. 즉, O2는 전자를 받아들인다.

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14 ▶ 반쪽반응(half-reaction)
: 전자를 반응물이나 생성물처럼 나타낸 반응식 →한쪽 반응은 환원 과정을 나타내고 또 다른 한쪽 반응은 산화 과정을 나타낸다.

15 Ce4+가 전자를 하나를 얻는 동안에 Sn2+는 전자를 두 개 잃는다. 잃은 전자 수와 얻은 전자 수는 같아야만 하기 때문에
산화-환원 반응 균형 맞추기의 중요한 원리!!! 잃은 전자 수 = 얻은 전자 수 ① 위의 반쪽 반응들에서, Ce4+가 전자를 하나를 얻는 동안에 Sn2+는 전자를 두 개 잃는다. 잃은 전자 수와 얻은 전자 수는 같아야만 하기 때문에 환원 반쪽 반응에 2를 먼저 곱해야 한다. ② 이 반쪽 반응을 산화 반쪽 반응에 더한 후, 전체 균형 맞춘 반응식을 얻기 위하여 양쪽에 있는 2개의 전자를 소거한다.

16 요약 수용액 중에서 일어나는 산화-환원 반응식의 균형을 맞추는 방법 ① 반응식을 산화 반쪽 반응과 환원 반쪽 반응으로 나눈다. ② 각각의 반쪽 반응을 개별적으로 균형 맞춘다. ③ 얻은 전자의 수와 잃은 전자의 수를 같게 한다. ④ 두 반쪽 반응을 더하고 전자를 소거하여 균형이 맞추어진 산화-환원 반응식을 얻는다.

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22 배터리는 산화-환원 반응에서 발생하는 에너지를 이용하여 전류를 생성!
⇒화학 에너지와 전기 에너지 사이의 상호 변환에 대하여 연구하는 전기화학(electrochemistry)의 중요한 예시 ① 화학 반응(산화-환원)으로부터 전류 생성 ② 화학적 변화를 일으키기 위한 전류의 사용 예 >수용액에서 MnO4-와 Fe2+의 두 개의 반쪽반응

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26 갈바니 전지(galvanic cell)라고 부르는 전기화학적 배터리(electro chemical battery)
▶ 환원전극(cathode) : 환원이 일어나는 전극 ▶ 산화전극(anode) : 산화가 일어나는 전극 갈바니 전지(galvanic cell)라고 부르는 전기화학적 배터리(electro chemical battery) 산화제와 환원제가 분리되어 있어 전자가 환원제로부터 산화제로 전선을 통하여 이동하는 산화-환원 반응에 의해서 동력이 발생되는 장치이다.

27 환원제 산화제

28 알칼리형(alkaline version) 건전지
산성형(acid version) 건전지 산화전극으로 작용하는 내부 아연통과 고체 MnO2, NH4Cl 및 탄소 가루의 축축한 반죽과 접촉하고 환원 전극 역할을 하는 탄소(흑연)막대로 구성 알칼리형(alkaline version) 건전지 KOH나 NaOH를 사용 염기성 조건에서 아연 산화전극이 훨씬 느린 속도로 부식되기 때문에 수명이 더 길다.

29 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery)
은 전지(silver cell) Zn 산화전극과 염기성환경에서 산화제로 작동하는 Ag2O 환원전극으로 구성. 수은 전지 (mercury cell) Zn 산화전극과 염기성매체에서 산화제로 작동하는 HgO를 함유하고 있는 환원전극으로 구성. 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery) 생성물이 전극의 표면에 석출 외부 전류를 가해서 생성물을 반응물로 되돌아가게 할 수 있으므로 무한히 재충전 가능

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31 ▶ 부식(corrosion) : 금속이 자연에 있던 상태(철이 있었던 광석)로 돌아가는 과정 ⇒부식은 금속의 산화를 동반 부식된 철은 강도와 광택을 잃기 때문에 경제적 손실 ▶ 음극화 보호(cathodic protection) : 땅 속에 묻혀 있는 강철 연료 탱크나 파이프를 보호하기 위해서 가장 자주 쓰이는 방법 ⇒마그네슘은 철보다 더 좋은 산화제이므로 전자는 전선을 통해서 마그네슘에서 강철 파이프로 흐른다 전자가 철보다 마그네슘에 의해서 공급되어 철이 산화되지 못하게 한다.

32 ▶ 전기분해(electrolysis) : 자발적으로 일어나지 않는 화학반응이 일어나도록 전지에 전류를 강제로 흘려서 화학 반응이 발생하도록 하는 과정

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