산화수

산화수는 형식적인 전자 계수 방법이다. 결합 전자를 더 전기음성인 원자에 모두 준다고 가정한 이온적 근사에서 각 원자가 어떤 전하를 갖는지 표시한다. 산화환원 장부에는 매우 유용하지만 실제 원자의 부분전하와 동일하지 않다.

핵심 규칙과 적용 순서

자유 원소는 0, 단원자 이온은 이온 전하와 같다. 보통 화합물에서 F는 −1, O는 대개 −2, H는 비금속과 결합할 때 대개 +1이고 금속 수소화물에서는 −1이다.

모든 원자의 산화수 합은 분자나 이온의 전체 전하와 같아야 한다. F를 우선하고 O와 H의 예외를 확인한 뒤 이 합 조건으로 미지수를 푼다.

규칙에는 우선순위와 실제 예외가 있다.O–O 결합이나 F와의 결합에서는 “O=−2”를 기계적으로 적용하면 안 된다.

K=+1, O 네 개의 합은 −8. Mn=x이면 +1+x−8=0이므로 Mn=+7.

O 합이 −8이고 이온 전하가 −2이므로 S−8=−2, 따라서 S=+6.

H를 +1로 두면 N+4=+1이므로 N=−3.

O 네 개는 −8, Fe 세 개의 합은 +8이라 평균이 +8/3이다. 유용한 이온 모형에서는 Fe²⁺ 하나와 Fe³⁺ 두 개로 본다.

형식전하는 공유 전자를 반씩 나누고, 산화수는 더 전기음성인 쪽에 모두 준다. 부분전하는 실제 양자 전자밀도에서 나오며 보통 정수가 아니다. CO₂의 C가 산화수 +4라고 해서 실제 +4e 전하를 갖는 것은 아니다.

화학식에서 얻는 분수 산화수는 서로 다른 국소 자리의 평균일 수 있다. Fe₃O₄의 +8/3은 Fe²⁺/Fe³⁺ 혼합가로 표현할 수 있다. 반대로 전자가 실제로 비편재화된 고체에서는 각 원자에 정수 산화수를 붙이는 그림이 불완전하며 분광과 자성 정보가 필요하다.

산화수 증가가 산화, 감소가 환원이다. Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu에서 Zn은 0→+2로 산화되고 Cu는 +2→0으로 환원된다.

산화제는 자신이 환원되는 종이고 환원제는 자신이 산화되는 종이다. 산화수 변화를 추적하면 두 시약의 이름을 뒤집는 흔한 오류를 피할 수 있다.

F는 보통 −1이므로 OF₂에서 O는 +2가 된다. H₂O₂에서는 O=−1, KO₂에서는 O의 평균이 −1/2이다. H는 비금속과 결합하면 주로 +1이지만 NaH와 CaH₂에서는 −1이다. 이 예외들은 전기음성도에 따른 형식 전자 배정에서 나온다.

예외는 전기음성도와 결합 환경을 따른다.과산화물, 초과산화물, 플루오린 화합물, 금속 수소화물을 구별해야 한다.

분수 평균은 여러 정수 산화 상태의 자리를 숨길 수도 있고 실제 비편재 전자를 나타낼 수도 있다. 화학식만으로 단정하지 말고 구조, 분광, 자성을 함께 봐야 한다.

[Fe(CN)₆]⁴⁻에서 CN⁻ 여섯 개가 −6, 전체가 −4이므로 Fe=+2다. 레독스 비무해 리간드에서는 전자밀도가 금속과 리간드에 걸쳐 분포해 산화수는 장부로는 유용하지만 완전한 전자 구조는 아니다.

① 자유 원소=0, 단원자 이온=전하. ② F를 먼저 두고 O와 H의 예외를 확인. ③ 필요하면 1족 +1, 2족 +2 같은 값을 사용. ④ 미지수를 x로 둠. ⑤ 산화수 합을 종의 전체 전하와 같게 놓고 계산한다.

HCl에서 형식 산화수는 H +1, Cl −1이지만 실제 H–Cl은 극성 공유결합이며 원자가 완전한 ±1e를 갖지 않는다. 산화수는 전자 장부, 부분전하는 전자밀도의 물리량이다.

CrO₄²⁻에서 Cr의 산화수는?

풀이

O 네 개가 −8이므로 x−8=−2, 따라서 Cr=+6.

CaH₂에서 H의 산화수는?

풀이

Ca가 +2이므로 H 두 개 합은 −2, 각 H는 −1이다. 금속 수소화물 예외다.

어떤 원소가 +3에서 +2로 바뀌었다. 산화인가 환원인가?

풀이

산화수가 감소했으므로 환원이다.