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산화 환원 반응 또는 산화 환원 반응은 산화되는 한 화학종에서 환원되는 다른 화학종으로 전자의 순 이동이 발생하는 화학 공정입니다 . 이러한 유형의 반응은 시행 착오와 같은 전통적인 방법으로는 조정하기 어려우므로 프로세스를 용이하게 하는 대체 방법이 개발되었습니다. 이러한 방법 중 하나는 전자 이온 방법 으로도 알려진 반쪽 반응 방법입니다 .
반쪽 반응 또는 전자 이온의 방법은 무엇입니까?
반쪽 반응 방법은 산화 환원 반응 방정식의 균형을 맞추거나 조정하기 위해 따라야 할 일련의 단계로 구성됩니다. 이 방법은 산화환원 공정이 실제로는 별도로 간주할 수 있는 두 공정, 즉 산화와 환원의 결합으로 구성된다는 생각에 기반합니다.
반쪽 반응 방법 또는 전자 이온 방법에서 산화 및 환원 반쪽 반응의 방정식은 나중에 이미 균형 잡힌 전체 방정식에서 두 방정식을 결합하기 위해 개별적으로 조정됩니다.
산화 및 환원 반쪽 반응
산화는 원자 또는 원자 그룹이 하나 이상의 전자를 잃거나 방출하는 화학적 과정입니다 . 이 과정은 필연적으로 원래 종을 구성하는 일부 원자의 산화 상태가 증가함을 의미합니다.
반면에 환원은 산화의 반대 과정으로 이해됩니다. 환원은 화학종이 하나 이상의 전자를 얻는 화학적 과정입니다 . 이런 일이 발생하면 이 화학종을 구성하는 일부 원자의 산화 상태가 감소합니다. 전하가 음전하인 전자를 받기 때문입니다.
동일한 프로세스의 두 반쪽
자유 전자는 매우 불안정한 종이기 때문에 산화 반응은 매우 특별한 조건이 아니면 독립적으로 일어날 수 없는 과정입니다. 즉, 원자가 더 이상 고민하지 않고 자발적으로 전자를 방출하고 이 전자가 소위 “떠다니는” 상태로 남아 있는 것은 일어날 수 없습니다. 이것은 플라즈마와 같이 에너지가 높은 조건에서만 발생하거나 물질이 어떤 유형의 고에너지 방사선에 노출될 때 발생합니다. 결과적으로 산화 반응은 동시에 다른 종이 방출된 전자를 받을 수 있는 경우에만 발생할 수 있습니다.
이러한 관점에서 산화와 환원은 그 자체로 화학 반응으로 간주될 수 없으며 오히려 동일한 과정의 두 반쪽이므로 반 반응 또는 반 반응이라고 합니다. 후자는 거의 사용되지 않습니다 . 스페인 화학 문헌.
산화 환원 반응을 조정하는 반쪽 반응 방법
다음으로 전자이온법 또는 반반응법을 이용하여 산화환원 반응식의 균형을 맞추는 단계에 대해 자세히 설명한다.
이 방법은 반응이 산성 매질에서 수행되는지 또는 염기성 매질에서 수행되는지에 따라 두 가지 변형을 허용한다는 점에 유의해야 합니다. 대부분의 문헌에서 이 두 가지 방법은 프로세스의 다른 단계에서 약간 다른 단계에 따라 별도로 자세히 설명되어 있습니다. 그러나 산성 매질에서의 산화환원 조절 반응은 세 가지 매우 간단한 단계를 통해 염기성 매질로 쉽게 전환될 수 있습니다. 이러한 이유로 산성 매질에서 반응을 설정하는 방법(더 쉬움)을 배우고 필요한 경우 염기성 매질로 변환하는 것이 더 편리하다고 생각합니다.
이 과정을 설명하기 위해 기본 매질에서 발생하는 다음과 같은 산화환원 반응을 적용할 것입니다.
단계 0(선택 사항): 이온 반응식을 얻기 위해 용해된 모든 이온 종을 해리합니다.
전자 이온 방법에 의한 조정 과정은 모든 구경꾼 이온이 반쪽 반응, 즉 산화 또는 환원에 직접 관여하지 않지만 그럼에도 불구하고 반응에 존재하는 모든 이온이 제외된다면 훨씬 간단합니다.용액 및 형태 원래 이온 화합물의 일부입니다.
그렇게 하는 첫 번째 단계는 용해된 모든 이온 종, 즉 염, 산 및 염기를 해리하는 것입니다. 방정식의 양쪽에 완전히 변하지 않고 나타나는 이온은 구경꾼 이온입니다. 이 예의 경우 이온 방정식은 다음과 같습니다.
이 방정식을 보면 칼륨 양이온이 반응에 관여하지 않으므로 구경꾼 이온이라는 것이 분명합니다. 그런 다음 이 이온을 제거한 후 조정할 알짜 이온 방정식은 다음과 같습니다.
어떤 경우에는 알짜 이온 방정식(관전자 이온이 더 이상 존재하지 않는 방정식)에서 직접 시작하고 다른 경우에는 방정식이 너무 단순하여 이러한 이온의 존재가 반응 조정 과정을 방해합니다.
1단계: 산화되고 환원되는 화학종을 식별합니다.
다음 단계는 어떤 원자가 산화 상태의 변화를 겪었는지 알기 위해 화학 반응식에 존재하는 모든 원자의 산화 상태를 결정하는 것입니다. 적어도 하나의 산화된 원자와 하나의 환원된 원자가 반드시 있어야 하며, 심지어 동일한 원자일 수도 있습니다(이 경우 우리는 dismutation이라고 하는 특정 유형의 산화 환원 반응이 존재합니다).
산화 상태를 결정하는 방법에 대한 완전한 설명을 제공하는 것이 이 기사의 목적은 아니지만 다음과 같은 기본 규칙을 기억합시다.
- 원소 물질은 산화 상태가 0입니다.
- 단원자 양이온과 음이온의 산화 상태는 전하에 해당합니다.
- 모든 산화물과 산소음이온에서 산소는 -2개의 산화 상태를 가집니다.
- 산화 상태가 -1인 수소화물을 제외하고, 수소는 자신이 속한 모든 화합물에서 항상 +1 산화 상태를 가집니다.
- 다른 산화 상태는 모든 산화 상태의 합이 해당 종의 순 전하와 일치하는 방식으로 계산됩니다.
다음 방정식은 예제와 관련된 모든 종의 산화 상태를 나타냅니다.
보시다시피 산화 상태를 변화시키는 원자는 망간과 요오드입니다. 과망간산염 이온의 망간은 +7에서 +4로 환원되는 반면 요오드화물은 원소 요오드로 산화되어 -1에서 0의 산화 상태가 됩니다.
2단계: 전체 반응을 산화 및 환원 반쪽 반응으로 분리합니다.
이제 어떤 종이 산화되고 환원되는지 알았으므로 전체 반응을 두 개의 반쪽 반응으로 나눌 수 있습니다.
수산화물 이온은 산화 또는 환원 과정에 직접 관여하지 않기 때문에 어떤 반쪽 반응에도 포함되지 않았습니다.
3단계: 산성 매질에 있는 것처럼 두 개의 반쪽 반응을 별도로 평형화합니다.
처음에 설명했듯이 반응이 산성 매질에서 일어나는지 염기성인 경우 산성 매질에서 일어나는 것처럼 조정을 시작하겠습니다. 추후 필요에 따라 기본 매체로 변형됩니다. 산성 매질에서 반쪽 반응의 조정은 두 반쪽 반응에 동시에 적용할 수 있는 다음 5단계로 구성됩니다.
- 산화 상태를 변경하는 원자의 수를 조정합니다.
우리의 경우 각 면에 하나의 망간이 있기 때문에 환원은 어떤 변화도 일으키지 않지만 산화는 다음을 수행합니다.
- 필요한 경우 구경꾼 이온을 추가하여 산소 또는 수소 이외의 것을 조정하십시오.
이 예제에서는 처음에 모든 구경꾼 이온을 제거하기 때문에 이것은 필요하지 않습니다.
- 누락된 물 분자를 추가하여 산소의 수를 조정합니다.
우리의 경우 환원 반쪽 반응에서 산소의 수를 조정할 필요가 있지만 산화에서는 그렇지 않습니다.
- 빠진 곳에 양성자(H + ) 를 추가하여 수소의 수를 조정합니다 .
다시 말하지만, 산화는 수소 원자를 포함하지 않기 때문에 변경되지 않은 상태로 유지되지만 환원에서는 이를 조정해야 합니다.
- 누락된 음전하 또는 과도한 양전하가 있는 곳에 전자(e – ) 를 추가하여 총 전하를 조정합니다 (팁: 전자는 거의 항상 양성자와 같은 쪽에 있습니다).
알 수 있는 바와 같이, 환원 반쪽 반응에서 생성물의 알짜 전하는 0이지만 반응물에는 +4 – 1 = +3의 알짜 전하가 있습니다. 즉, 잉여 양전하가 있습니다. 이러한 이유로 우리는 이 초과 전하를 보상하기 위해 반응물 옆에 3개의 전자를 추가해야 합니다.
한편, 산화의 경우 반응물 쪽에는 –2, 생성물 쪽에는 0의 알짜 전하가 있으므로 생성물에는 음전하가 없으므로 균형을 위해 이쪽에 2개의 전자를 추가해야 합니다. 요금:
단서
이 절차에 의한 전자의 추가(전자를 이온인 것처럼 처리하므로 이온-전자 방법의 이름)는 관련된 다른 종의 산화 상태와 독립적으로 수행된다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 전자의 수와 전자의 배치가 관찰된 산화 상태의 변화와 일치하는 것이 필수적입니다.
따라서 환원 반쪽 반응에서 전자는 항상 방정식의 왼쪽에 있어야 하고 산화에서는 전자가 항상 오른쪽에 있어야 합니다.
또한 전자의 수는 산화 상태의 변화와 일치해야 합니다. 망간은 +7에서 +4로 환원되므로 3개의 전자가 추가됨에 따라 산화 상태가 -3 변화합니다. 요오드화물의 경우 +1의 변화에 해당하는 -1에서 0으로 변하는데, 요오드화물이 2개이므로 각각의 식에 제시된 바와 같이 전자가 1개가 아니라 2개가 방출된다.
4단계: 각 반쪽 반응에 다른 반쪽에 있는 전자의 수를 곱하여 가능하면 요인을 단순화합니다.
이 단계는 산화 동안 방출된 전자의 수와 환원에 의해 포획된 전자의 수를 같게 하려고 합니다. 이렇게 하면 반응이 끝날 때 “고아” 전자가 없거나 전자가 누락되지 않습니다. 두 반쪽 반응이 같은 수의 전자를 방출하거나 흡수하는 경우 이 단계는 필요하지 않습니다.
이 예에서 각 산화 반쪽 반응은 2개의 전자를 방출하지만 각 환원 반쪽 반응에는 3개가 필요하므로 2번의 환원이 발생할 때마다 산화가 3번 발생해야 합니다.
결과는 다음과 같습니다.
5단계: 두 반쪽 반응을 모두 추가하여 균형 잡힌 알짜 이온 방정식을 얻습니다.
이 두 반쪽 반응의 합은 산성 매질에서 조정된 알짜 이온 방정식을 초래합니다.
6단계(기본 배지만 해당): 산성 배지를 염기성 배지로 전환합니다.
5단계의 끝에서 우리는 이미 산성 매질에서 조정된 알짜 이온 방정식을 가지고 있습니다. 그러나 반응은 산성 매질이 아닌 염기성 매질에서 일어날 수 있습니다. 이 경우 앞의 방정식을 기본 매체로 변환해야 합니다. 이는 세 가지 간단한 단계를 통해 수행됩니다.
- 존재하는 각 양성자(H + ) 에 대해 방정식의 각 변에 하나의 수산화물 이온(OH – )을 추가합니다 .
우리의 경우 각 면에서 8개의 수산화물 이온을 추가해야 합니다.
- 같은 쪽에 있는 수산화물과 양성자를 결합하여 물 분자를 형성합니다.
우리의 경우, 반응물에는 8개의 물 분자를 형성하기 위해 중화되는 8개의 수산화물과 8개의 양성자가 있습니다.
- 필요한 경우 방정식의 양쪽에서 반복되는 물 분자를 단순화합니다.
이 마지막 단계는 기본 매질에서 균형 잡힌 알짜 이온 반응식을 생성합니다. 우리가 조정하고 있는 반응의 경우, 8개의 물 분자를 형성한 후 나머지 4개는 생성물에 변화가 없기 때문에 이 8개 중 4개만 실제로 반응에 참여한다는 것을 알 수 있습니다. 이 4개의 반복되는 물 분자를 단순화하면 조정된 산화 환원 방정식을 얻을 수 있습니다.
7단계(선택 사항): 구경꾼 이온을 추가하여 전체 분자 방정식을 얻습니다.
알짜 이온 방정식이 실제로 발생하는 화학 공정을 보다 정확하게 표현하기 때문에 이 단계가 항상 필요한 것은 아닙니다. 그러나 화학양론적 계산을 수행하는 데 중요할 수 있습니다. 이런 의미에서 전체 분자 방정식을 얻으려면 순 이온 방정식에 나타나는 모든 종의 반대 이온으로 구경꾼 이온을 추가하기만 하면 됩니다.
현재 예에서 구경꾼 이온은 칼륨 양이온(K + )뿐이므로 반응에 존재하는 모든 음이온을 중화하는 데 사용할 것입니다.
마지막으로 각 이온을 결합한 후 중성 종에 대해서만 조정된 방정식을 얻습니다.
참조
장로영, & Goldsby, K. (2013). 화학 (11판). 맥그로힐 인터아메리카나 데 에스파냐 SL
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Lavado S., A., & Yenque D., JA (2005). 이온-전자 방법을 사용하여 산화환원 반응의 균형을 맞추는 통합 절차 . Redalyc. https://www.redalyc.org/pdf/816/81680214.pdf