침전 반응에서는 양이온과 음이온이 합쳐져서 불용성 이온 결합 화합물을 생성한다. 중화반응에서는 수소 이온과 수산화 이온이 합쳐져서 물을 생성한다. 반응의 세 번째 유형을 고려하면, 하나의 반응물에서 다른 반응물로 전자가 이동된다. 이러한 반응을 산화-환원 반응(oxidation-reduction reaction, redox reaction) 이라고 한다. 이 장에서는 반응물 중 하나가 원소 상태의 금속인 산화-환원 반응을 주로 다룬다. 산화-환원 반응은 심해 열수 분출구 주위에서 일어나는 현상을 포함하여 많은 생물학적, 지질학적 변화 과정을 이해하기 위한 필수적이다. 산화 환원 반응은 또한 건전지나 연료 전지 같은 에너지 관련 기술의 기초가 된다.
산화와 환원
가장 일반적인 산화환원 반응은 금속의 부식이다. 구리 지붕이나 동상의 표면에 생성되는 녹색층처럼, 금속 표면에만 부식이 국한되는 경우도 있다. 다른 경우는, 철이 부식되는 것과 같이 부식이 금속 내부까지 진행되어 금속의 강도가 약해진다.
부식이란 어떤 환경에서 금속과 다른 물질 간의 반응에 의해 금속이 금속 화합물로 변환하는 것이다. 금속이 부식될 때 각 금속 원자는 전자를 잃고 양이온을 생성하고, 음이온과 결합하여 이온 결합 화합물을 생성한다. 자유의 여신상은 녹색 녹은 구리이온과 수산화 이온 및 탄산 이온이 결합된 것이고, 철의 녹은 철이온과 산화 이온 및 수산화 이온이 결합된 것이며, 은의 녹은 은이온과 황화 이온이 결합된 것이다.
원자,이온,분자가 더 큰 양 전하를 띠면 그것은 산화되었다고 한다. 즉, 물질에 의해 전자를 잃는 것이 산화이다. 산화라는 용어는 이 유형의 첫 번째 반응이 산소와 반응한 것이 연구되었기 때문에 붙은 것이다. 많은 금속은 공기 중에서 산소와 직접 반응하여 금속 산화물을 만든다. 이 반응에서 금속은 산소에 전자를 잃어버리고, 금속 이온과 산화 이온의 이온 결합 화합물을 생성한다. 철이 녹스는 과정은 물이 존재하는 곳에서 철 금속과 산소의 반응이다. 이 과정에서 철은 산화되어 철 이온을 생성한다.
철과 산소의 반응은 비교적 느린 반응이지만, 알칼리 금속이나 알칼리 토금속은 공기 중에서도 매우 빠르게 반응한다. 다음 반응과 같이 광택이 있는 적갈색의 칼슘 금속 표면이 산화칼슘으로 생성되는 것을 보여 준다.
칼슘은 칼슘이온으로 산화되고, 중성의 산소는 산화이온으로 바뀐다. 원자, 이온, 분자들이 더 많은 음전하를 띠면 그것은 환원되었다고 한다. 즉, 물질이 전자를 얻는 것이 환원이다. 반응물이 전자를 잃으면 다른 반응물은 전자를 얻어야 한다. 즉, 한 물질의 산화는 항상 다른 물질의 환원을 수반한다. 칼슘 금속에서 산소 분자로 전자가 이동하는 산화 과정으로 산화칼슘이 생성된다.
산화수
산화환원 반응을 알아보기 전에, 물질이 전자를 얻으면 환원되고 전자를 잃으면 산화된다는 개념을 정리뱋야 한다. 산화수 개념은 이것을 수행하는 방법으로 고안되었다. 중성 물질 또는 이온 내의 각 원자는 특정한 산화수를 갖는다. 단원자 이온의 산화수는 전하와 같다. 중성 분자와 다원자 이온에서 어떤 원자의 산화수는 가상적 전하이다. 이 전하는 분자나 이온의 원자들 사이에 인위적인 분할로 결정된다. 산화수를 부여하는 방법은 다음 규칙을 사용한다.
1. 원소 형태의 원자에 대한 산화수는 항상 0이다. 따라서 수소 분자의 각각 수소 원자는 0의 산화수를 갖고, 인 분자의 인 원자도 0의 산화수를 갖는다.
2. 단원자 이온의 산화수는 이온 전하와 같다. 따라서 칼륨 이온은 +1의 산화수를 갖고, 황화 이온은 -2의 산화수를 갖는다. 이온 결합 화합물에서 알칼리 금속 이온은 항상 1+의 전하를 가지므로 알칼리 금속은 항상 화합물에서 +1의 산화수를 갖는다. 마찬가지로 이온 결합 화합물에서 알칼리 토금속은 항상 +2의, 알루미늄은 항상 +3의 산화수를 갖는다.
3. 비금속은 가끔 양전하를 띠기도 하지만, 일반적으로는 음의 산화수를 갖는다.
-산소의 산화수는 일반적으로 이온 결합 화합물과 분자 화합물에서 -2이다. 중요한 예외는 과산화물이라고 하는 화합물이다.
-수소의 산화수는 비금속과 결합할 때 +1이고, 다른 금속과 결합할 때 -1이다.
-플루오린의 산화수는 모든 화합물에서 -1이다.
4. 중성 분자에서 모든 원자의 산화수의 합은 0이다. 다원자 이온의 산화수의 합은 이온의 전하와 같다. 예를 들어 하이드로늄 이온에서 각 수소의 산화수는 +1이고, 산소의 산화수는 -2이다. 따라서 산화수의 합은 +1이고, 그 이온의 알짜 전하와 같다.
