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환원제

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목차

1. 개요

환원제는 산화환원 반응에서 전자를 잃고 산화되어 다른 물질을 환원시키는 물질이다. 환원 전위가 낮을수록 강한 환원제이며, 금속 원소가 일반적으로 강한 환원제로 작용한다. 환원제는 부식을 일으키는 주요 원인이며, 배터리, 반도체, 제철 산업 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 한다.

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환원제
개요
유형화학 종
역할다른 종에 전자를 제공하는 화학 종
반대 역할산화제
다른 이름전자 공여체
환원제
환원성 물질
전자 제공자
상세 설명
정의산화환원 반응에서 다른 화학 종에 전자를 제공하는 화학 종을 의미
반응 특징전자를 잃고 산화됨
다른 물질을 환원시킴
예시글루코스(C6H12O6)는 산소(O2)에 의해 산화되어 이산화탄소(CO2)와 물(H2O) 생성: C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l)
이 반응에서 글루코스는 환원제, 산소는 산화제 역할을 함
환원제의 예시
일반적인 환원제금속: 수소, 탄소, 일산화탄소
금속 수소화물, 수소화 붕소 나트륨, 리튬 알루미늄 수소화물
황화물 및 요오드화물과 같은 음이온
포름산
참고 사항
환원력환원제의 환원력은 화학 종이 전자를 잃는 능력과 관련
응용 분야화학 공정 및 제련 공정
금속 추출
유기화학 반응
수처리
연료전지
관련 용어
관련 용어산화제, 산화환원 반응, 산화, 환원, 전자

2. 환원제의 특징

환원제는 산화환원 반응에서 자신은 전자를 잃고 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 물질이다. 환원제의 환원 능력은 환원 전위로 측정할 수 있는데, 환원 전위가 낮을수록 강한 환원제이다.[3]

강한 환원제는 전자를 쉽게 잃는 경향이 있다. 상대적으로 원자 반지름이 큰 원자는 핵에서 최외각 전자까지의 거리가 멀어 전자들이 강하게 끌어당겨지지 않기 때문에 강한 환원제로 작용하는 경향이 있다. 또한, 전기 음성도가 낮고 이온화 에너지가 작은 원자나 분자도 좋은 환원제 역할을 한다.

일반적으로 금속 원소들은 강한 환원제로 작용하는 경향이 있다. 일부 원소나 화합물은 반응 조건에 따라 환원제 또는 산화제로 작용할 수 있는데, 예를 들어 수소는 비금속과 반응할 때는 환원제로, 금속과 반응할 때는 산화제로 작용한다.

대표적인 환원제로 작용하는 물질 중 하나는 알데하이드계 물질이다. 알데하이드계 물질은 알코올이나 카르복실산으로 산화되는 산화성이 크기 때문에 대부분의 물질에 대하여 환원제로 작용한다. 기본적인 알데하이드에는 포름알데하이드(HCHO), 아세트알데하이드(CH3CHO) 등이 있다. 포름알데하이드는 유기 물질의 부패를 방지하기 위한 환원 보존제로 널리 쓰인다.

2. 1. 환원 전위

물질의 환원 능력은 환원 전위로 나타낸다.[3] 환원제는 전자를 내놓아 산화제를 환원시키는데, 이때 산화제는 환원제에 의해 "환원된다"고 표현한다. 환원 전위가 더 음의 값일수록 환원제의 환원력은 강해지고, 양의 값일수록 약해진다. 환원 전위가 양의 값일수록 해당 물질이 전자를 얻으려는 경향, 즉 환원되려는 경향이 커진다. 예를 들어, 나트륨(Na), 크롬(Cr), 구리(Cu+), 염화물(Cl−) 중에서 나트륨은 가장 강한 환원제이고, 염화물은 가장 약한 환원제이다.

2. 2. 일반적인 환원제

알칼리 금속(Li, Na, K 등) 및 알칼리 토금속(Mg, Ca, Ba 등)과 수소화물(H−) 이온을 포함하는 화합물(NaH, LiH,[4] LiAlH4, CaH2 등)이 일반적인 환원제에 해당한다.

일부 원소와 화합물은 환원제 또는 산화제 모두가 될 수 있다. 수소 가스는 비금속과 반응할 때 환원제이고, 금속과 반응할 때 산화제이다.

:2 Li(s) + H2(g) → 2 LiH(s)

수소(환원 전위가 0.0임)는 환원 전위가 -3.04인 환원제인 리튬으로부터 전자 기증을 받기 때문에 산화제로 작용하며, 이로 인해 Li는 산화되고 수소는 환원된다.

:H2(g) + F2(g) → 2 HF(g)

수소는 전자를 플루오린에 기증하여 플루오린이 환원되도록 하기 때문에 환원제로 작용한다.

이 외에도 다음과 같은 물질들이 환원제로 작용할 수 있다.

  • 수소화알루미늄리튬(LiAlH4)
  • 나트륨 아말감(Na(Hg))
  • 아연 아말감(Zn(Hg)) (클레멘젠 환원 시약)
  • 디보란
  • 수소화붕소나트륨(NaBH4)
  • 제1철 이온(Fe2+)을 포함하는 화합물 (예: 황산제1철)
  • 제2주석 이온(Sn2+)을 포함하는 화합물 (예: 염화제2주석)
  • 이산화황, 아황산염 화합물
  • 다이티온산염류 (예: Na2S2O6)
  • 티오황산염류 (예: Na2S2O3)[9]
  • 요오드화물류 (예: KI)
  • 히드라진(N2H4) (볼프-키쉬너 환원)
  • 디이소부틸알루미늄 수소화물(DIBAL-H)
  • 옥살산(C2H2O4)
  • 개미산(HCOOH)
  • 아스코르브산(C6H8O6)
  • 환원당류 (예: 에리트로스, 알도스)
  • 인산염, 하이포인산염, 및 아인산
  • 일산화탄소(CO)
  • 시안화물(CN-)
  • 탄소(C)
  • 트리스(2-카르복시에틸)포스핀 염산염(TCEP)
  • 갈산

3. 산화환원 반응의 예시

산화철(III) 생성 반응


역사적으로 환원은 화합물에서 산소를 제거하는 것을 의미했으며, 그래서 '환원'이라는 이름이 붙었다.[5] 이 현상의 한 예는 대산화사건에서 볼 수 있는데, 이 사건은 생물학적으로 생성된 분자 산소(이산소 (O2), 산화제이자 전자 수용체)가 원래는 메테인 (CH4)과 일산화 탄소 (CO)와 같은 환원성 기체를 포함하는 약한 환원성 대기였던 초기 지구 대기)에 추가되었던 사건이다.[6] 초기 지구 대기에는 산소가 거의 없었는데, 이는 산소가 생성되더라도 이러한 환원제나 다른 환원제(특히 바닷물에 용해된 철)와 반응하여 제거되었기 때문이다.[7] 물을 환원제로 사용하여 수중 광합성 시아노박테리아가 이 분자 산소를 부산물로 생성했다.[7] 이 O2는 처음에 해양에 용해된 제일철(Fe(II) - +2 산화 상태의 철)을 산화시켜 불용성 삼산화철과 같은 산화철(III) (Fe(II)가 산화제에 전자를 잃고 Fe(III) - +3 산화 상태의 철이 됨)을 형성했고, 이는 해저로 침전되어 줄무늬 철광층을 형성하여 산소(그리고 철)를 제거했다. 산소 생성 속도는 결국 산소를 제거하는 환원 물질의 이용 가능성을 넘어섰고, 궁극적으로 지구가 풍부한 산소를 포함하는 강한 산화성 대기(현대 대기)를 갖게 되었다.[8]

산화철(III)의 형성은 대표적인 산화·환원 반응의 예시이다.

: 4Fe + 3O2 → 4Fe3+ + 6O2− → 2Fe2O3

위 식에서 철(Fe)의 산화수는 반응 전에는 0이고 반응 후에는 3+이다. 산소(O)의 산화수는 0으로 시작하여 2−로 감소했다. 이러한 변화는 동시에 발생하는 두 개의 "반쪽 반응"으로 볼 수 있다.

# 산화 반쪽 반응: Fe0 → Fe3+ + 3e−

# 환원 반쪽 반응: O2 + 4e− → 2 O2−

철(Fe)은 산화수가 증가했기 때문에 산화되었고, 산소(O2)에 전자를 주었기 때문에 환원제이다. 산소(O2)는 산화수가 감소했기 때문에 환원되었고, 철(Fe)에서 전자를 받았기 때문에 산화제이다.

3. 1. 유기 화합물에서의 환원

알데하이드계 물질은 알코올계 혹은 카복실산계로 산화되기 쉽기 때문에 대부분의 물질에 대하여 환원제로 작용한다. 기본적인 알데하이드에는 포름알데하이드(HCHO), 아세트알데하이드(CH3CHO) 등이 있다. 포름알데하이드는 산화 작용으로 인한 유기 물질의 부패를 방지하기 위한 환원 보존제로 널리 쓰인다.

4. 환원제의 중요성

환원제와 산화제는 금속의 부식을 일으키는 주요 원인이다.[3] 부식은 양극과 음극을 필요로 하는데, 양극은 전자를 잃는 원소(환원제)이므로 항상 산화가 일어나고, 음극은 전자를 얻는 원소(산화제)이므로 항상 환원이 일어난다. 산화 전위차가 존재하면 전기적 연결과 전해질이 존재하는 경우 양극 금속이 열화되기 시작한다.

환원제는 금속 제련, 도금, 배터리 제조, 유기 합성 등 다양한 산업 분야에서 중요하게 사용된다.

생물학적 시스템에서도 환원제는 중요한 역할을 한다. 특히, 광합성과 같이 에너지를 생산하고 저장하는 과정에 필수적이다.

참조

[1] 논문 Use of formic acid as reducing agent for application in catalytic reduction of nitrate in water 2005
[2] 웹사이트 Oxidizing and Reducing Agents https://chemed.chem.[...] Purdue University
[3] 웹사이트 Electrode Reduction and Oxidation Potential Values https://www.eesemi.c[...] 2021-07-12
[4] 논문 New Synthesis of Nanosized Niobium Oxides and Lithium Niobate Particles and Their Characterization by XPS Analysis https://web.archive.[...] 2019-09-24
[5] 백과사전 oxidation-reduction reaction https://www.britanni[...] 2022-05-03
[6] 서적 Treatise on Geochemistry Elsevier
[7] 논문 When did oxygenic photosynthesis evolve? 2008-08-27
[8] 서적 Sustaining Life on Planet Earth: Metalloenzymes Mastering Dioxygen and Other Chewy Gases Springer
[9] 웹사이트 Cathodic Stripping Voltammetric Procedure for Determination of Some Inorganic Arsenic Species in Water, Soil and Ores Samples https://www.research[...]


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