위험물기능사 실기 - 화학식, 시성식을 위한 산화수 이해하기

화학식, 시성식을 위한 산화수

 

위험물의 화학식, 시성식을 위한 산화수(1가, 2가, 3가...)를 이해하면 위험물의 시성식의 작성에 많은 도움이 된다. 위험물기능사에 나오는 원소만이라도 산화수를 이해해 보자. 참고로 이온결합을 하는 경우에는 맞지만 공유결합하는 분자들은 적용이 복잡하다.

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원자들의 결합방식

 

산화수는 산화수는 원자의 결합 방식에 따라 정해지는 규칙이며, 화합물 내에서 각 원자의 산화수를 모두 더하면 전체 전하(중성일 경우 0)가 된다.

 

또한 수소처럼 반응 시  "+1가"가 기본이지만 금속과 결합시 "-1가"로 작용하기도 한다. 즉, 예외적으로 반응물질에 따라서 다르게 작용하기도 한다. 이온결합에서는 실제 전하와 산화수가 일치하지만,

 

공유결합에서는 전기음성도 차이를 기준으로 산화수를 추정하므로 차이가 발생한다. 예를 들어 산소의 경우 CO2나 H2O의 경우처럼 보통의 반응에서 산소는 "-2가"의 산화수를 갖지만 과산화수소(H₂O₂ - 6류 위험물)이나 금속과산화물(Na₂O₂, BaO₂)에서는 "-1가"를 갖는다.

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산화수 

산화수는 화합물 내에서 원자가 가지는 가상의 전하를 의미한다. 즉, 원자가 전자를 잃으면 "+", 전자를 얻으면 "-" 이다. 실제 전하가 아닐 수도 있지만, 산화·환원 반응을 이해하고 또 분자식을 작성할 때나, 반응식을 균형 맞출 때 필수적이다.

 

원소의 산화수

산화수	작용화학식	비고
H1+, H1-	H2O CaH2	금속수소화물에서 -1가
Na1+	NaCl
K+1	KClO3 KCl
Li 1+	CH3Li
Ag1+	AgNO3
F 1-	HF(불화수소), CF₂ClBr	할론1211  C 4+, F1-, Cl1- Br1-
Ba2+
Ca2+	CaH2, CaC₂	탄화칼슘은 탄소 3중결합으로 -8에서 -2로
Mg2+	MgO, Mg(OH)₂	Mg₃N₂
Zn2+
O1-	K2O2, CaO2	대부분 2가 과산화물은 1가로 작용
O2-	CaO, K2O	대부분 -2가, +2가도 있음
S2-	FeS (황화철), H2S	H2S (황화수소)
Al3+	Al2(SO4)3
S2-, S4+, S6+	H₂S, SO₂,	SO₄²⁻  황산이온 +6가
Fe2+ , Fe3+	FeO(산화2철) , Fe₂O₃(산화3철)	산화수에 따라
Pb2+, Pb4+	Pb(NO3)2, Pb(C2H5)4
N3- N2-, N1+, N3+, N5+,	NH₃(암모니아)	Li₃N (질화리튬)
P³⁻, P1+, P5+	PH₃ , 인화수소(포스핀)
Mn2+, Mn4+, Mn7+	MnO₂, MnO4 1-	산화망간 4+, 망가니즈산 7+
Cl1- ~ 7+	HCl, ClO21- , ClO41- , HClO4	HClO4 에서는 +7가
C4-, C3-, C2+, C4+	CH4, C2H6, CO, CO2
Cr2+, Cr3+, Cr6+	CrCl2, K2CrO7, CrO3
Br1-, Br1+, Br3+, Br5+	HBr, BrO3 1-	Br +5가로 작용
I1-, I5+, I7+	KI(아이오딘 칼륨) IO3 1-	이이오딘산염류 5+로 작용

 

 

수소(H)

수소의 산화수는 기본적으로 1+이다.

H2O(H1+, O2-), KOH (H1+, K1+, O2-)  금속수소화합물의 경우 수소는 -1가로 작용한다. KH(K 1+, H1-), CaH2 (Ca 2+, H1-)

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1가 금속(K, Na, Li), Ag(은)

1족의 알칼리금속은 모두 1+ 을 갖는다.  

KI(아이오단화 칼륨), NaOH, LiAlH(수소화알루미늄리튬),  CH3Li(알킬리튬 CH3 1-, Li 1+)

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불소(플루오린) 

할로젠기체로 할론소화약제의 구성원소인 플루오린은 -1 가를 갖는다.

CF₂ClBr(C4+, F1-, Cl1-, Br1-) 이는 구조식에서도 확인이 된다. 탄소 4개의 가지에 각각 1개씩 붙어 있고 그중 플루오린은 두 개가 붙어 있다.

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2가 금속(Ba, Ca, Mg), Zn(아연)

알칼리토금속의 경우 대부분이 2가이다.

CaH2(Ca 2+, H 1-), CaC₂(Ca 2+, C1- 탄소는 원래 4-인지만 3중 공유결합으로 2-가 되었다.)

MgO(Mg 2+,  O2-), Mg(OH)₂,

Zn(CH3)2 (메틸아연 Zn 2+, (CH3) 1-), Zn(C2H5)2 (에틸아연), Zn3P2(인화아연, Zn 2+, P 3-)

 

 

산소(O)

산소는 기본적으로 -2가이다. 과산화물의 경우에만 -1가(산소끼리 공유결합으로)로 작용한다.

SO2(황 4+, 산소 -2), H2O2 (수소 +1가, 산소 -1가) K2O2, CaO2

 

 

3가 금속

화학포 소화약제에 들어가는 황산알루미늄 Al2(SO4)3 =  Al 3+ 가, (SO4) 2- 가이다. 그래서 결합은 Al이 두 개에 황산이온이 3개가 붙는다. Al(OH)3 - 수산화 알루미늄은 Al 3+, (OH) -1가 이므로 3개가 붙는다.

 

이 정도만 알아도 위험물기능사 필기나 실기시험에서 헷갈리는 분자식 작성에 약간 도움이 될 것으로 보인다.

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여러 개의 산화수를 갖는 원소들

 

인(P)

대부분 +5가를 같지만 경우에 따라  -3, +1, +5도 갖는다.

PH3 (포스핀,  P3-, H1+), P2S5, P2O5(오산화인, P5+, O2-),  하지만 삼황화인은 +1.5 , 칠황화인에서는 +3.5로 다른 산화수를 갖는다. 

 

철(Fe  2+, 3+)

FeO(산화2철 - 철 2+, 산소 2-) , "녹"성분인 Fe₂O₃(산화3철, 철 3+, 산소2-) 이는 철의 산화수에 따라 이름을 달리 부른다.  FeCl₂, Fe(OH)₂ , FeCl₃, Fe(OH)₃

 

납(Pb)

납은  Pb2+, Pb4+, 두 가지 산화수를 갖는다. 3류 금수성물질인 Pb(CH3)4 (사메틸납,  Pb 4+, (CH3)1- 

 

황(S)

황은 -2가, +4, +6를 갖는다.  H2S(황화수소 -2가), (SO4)2 황산이온, 황이 +6가,  SO2(아황산가스 +4가) 

 

 

질소(N)

질소는 N3- N2-, N1+, N3+, N5+ 까지 다양한 산화수를 갖는다.

NH3 (N3-), N2H4(N2-), NO(N2+), NO2(4+), HNO3(H1+, N5+, O2-) 질소는 산화제, 환원제 역활도하고 이중결합, 삼중결합도 잘 만들어내는 유연성이 큰 원소이다.

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작용기의 산화수

 

분자식에 붙은 작용기의 산화수를 알아보면 H2SO4(황산)인지, H2SO3(아황산)인지  헷갈리지 않을 것이다.

작용기의 산화수	적용화학식	비고
(OH) 1-	O 2-, H 1+	수산기 하이드록실기
(BrO3) 1-	Br 5+, O 2-	브로민산기
( IO3)1-	I 5+, O 2-	아이오딘산기
(NO2)	니트로기는 공유결합
(NO3)1-	N5+, O2-	질산기
(NH2)1-	아닐린 (C6H5NH₂) H2N-NH2	아민기
(NH₄)1+	(NH4)H2PO4	암모늄기
(ClO2)1-	NaClO2, Cl 3+ ClO2 Cl 4+	아염소산기 이산화염소
(ClO3)1-	NaClO3, Cl 5+	염소산기
(ClO4)1-	NaClO4, Cl 7+ HClO4, Cl 7+	과염소산기
(CO3)2-	H2CO3 K2CO3	탄산기
(HCO3)-	NaHCO3	중탄산기
(MnO4)1-	NaMnO4, Mn 7+	망가니즈산기
(SO3)2-	-	아황산기 거의 없다
(SO4)2-	H2SO4, Al2 (SO4)3	황산기
(PO4)3-	H3PO4 , NH4H2PO4	인산기
(CrO4)2-	K2CrO4 , Cr6+	크로뮴산기
(Cr2O7)2-	K2Cr2O7	다이크로뮴산기　 크롬두개

 

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수산기(OH), 하이드록실기

산소(O)와 수소(H)가 공유결합으로 연결된 구조이며, 탄소(C)에 붙어 있을 때는 알코올, 벤젠 고리에 붙으면 페놀, 금속 이온에 붙으면 수산화물이 된다.

 

수산기는 OH -1가 이다. 1가 양이온 금속은 1개씩 붙고, 2가 금속은 OH가 두 개 붙어야 한다.

KOH, Ca(OH)2, 

공유결합이지만 산화수로 이해 가능한 것으로는 CH3OH (메탄올, CH3 1+, OH 1-) 정도이다.

 

 

브로민산기 (BrO3) 1-

브로민은 -1가에서 +5가로 다양하고 그중 위험물기능사에 나오는 브로민은 브로민산 염류와 공유결합을 하는 할론소화약제에서 나온다.

Ba(BrO3)2 브로민산 바륨, Ba 2+, BrO3 1-, 그래서 BrO3가 두 개 붙어야 한다.

Halon-1011 , CH₂ClBr - C 0+, H1+, Cl1-  Br1- (공유결합)

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질산기와 니트로기 (-NO3) 1-

질산기는 이온결합을 하지만 니트로기는 공유결합을 한다.

니트로기 -NO2,

질산기 5+,  -ONO2, -NO3(N 5+, O 2-)  HNO3,  NH4NO3,

질산기 공유결합, 글리세린 C₃H₅(ONO₂)₃, 

산화수와 구조식으로 이해하면 암기가 쉬울 것이다.

 

아민기와 암모늄기(NH2 1+, NH41+)

아민기 아닐린(C₆H₅NH₂), 메틸아민(CH₃NH₂) - 공유결합

암모늄기 , (NH₄)₂SO₄ , NH₄ClO₄(과염소산 암모늄), NH₄NO₃(질산암모늄)

 

 

염소산기 

염소는 산소와 반응하여 다양한 산화수를 갖는다.

아염소산(HClO₂), 아염소산기(-ClO₂)1- , NaClO₂(아염소산 소디움)

염소산(HClO₃), 염소산기(-ClO₃)1- , NH₄ClO₃(염소산암모늄)

과염소산(HClO₄),  과염소산기(-ClO₄)1- , Mg(ClO₄)₂ , KClO₄(과염소산포타슘)

 

 

과망가니즈산기  (MnO4)1-

망간은 2+, 4+, 7+ 여러게의 산화수를 갖는데 그중 과망가니즈산은  7+ 산화수를 갖는다.

-MnO₂, 산화망간 Mn 2+

-(MnO4)1-, 과망가니즈산 Mn 7+ O 2- ,  KMnO4(과망가니즈산칼륨)

 

 

인산  

PO4 3- (인산이온, P 5+ ,O 2-)

H3PO4 (인산, H 3+ PO4 3-)

H2PO4 1- (인산이온, H2+ PO4 3-) 인산기가 -1가를 가지고 반응한다. NH4+H2PO4(제1인산암모늄)

이게 이해되면 분말소화약제의 시성식은 원자수를 안 헷갈리고 적을 수 있을 것이다.

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탄산기, 중탄산기

(CO3)2-   C 4+, O 2- 전체적으로 탄산기는 -2가가 된다.  H2CO3

중탄산기는 탄산기에 +1가의 수소가 붙어 있어 HCO3 는 -1가가 된다 

예를 들면, KHCO3 (탄산수소나트륨, K 1+, H1+, C 4+ O 2- , 산소 3개니까 합하면 "0")

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그로뮴산, 다이크로륨산

CrO₃ (크롬 트라이옥사이드, 무수크로뮴산, 삼산화크로뮴),  Cr 6+, O 2-

K₂CrO₄ (크롬산칼륨), K 1+, Cr 6+ O 2-

(NH4)₂Cr₂O₇ (다이크롬산암모늄), Cr 6+

 

크롬이 +6가 이기에

Cr 1개 + O3개  CrO3

Cr 1개 + O4개 ,  CrO4 2-가 되고  1가 금속이 2개 붙어야 한다

Cr 2개 면 산소가 7개 붙어서  Cr₂O₇ 2-가가  되고 1가 금속 2개(또는 2가 양이온 1개)가 붙는다.

 

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이제 위험물기능사 실기시험에 나오는 작용기와 화학식을 알아보자,

 

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