반반응

화학에서 **반반응**(Half-reaction, 또는 **반쪽 전지 반응**(half-cell reaction))은 산화·환원 반응의 산화 또는 환원 반응 구성 요소이다. 반반응은 산화·환원 반응에 관련된 개별 물질의 산화수 변화를 고려하여 얻는다. 종종 반반응의 개념은 갈바니 전지 배터리와 같은 화학 전지에서 발생하는 현상을 설명하는 데 사용된다. 반반응은 산화되는 금속(애노드로 알려짐)과 환원되는 금속(캐소드로 알려짐)을 모두 설명하도록 작성할 수 있다. 반반응은 종종 산화·환원 반응의 균형을 맞추는 방법으로 사용된다. 산성 조건에서의 산화·환원 반응의 경우, 원자와 산화수의 균형을 맞춘 후 반반응에서 수소 이온의 균형을 맞추기 위해 H+ 이온을 추가해야 한다. 염기성 조건에서의 산화·환원 반응의 경우, 원자와 산화수의 균형을 맞춘 후 먼저 산성 용액으로 처리한 다음 반반응에서 H+ 이온의 균형을 맞추기 위해 OH- 이온을 추가한다(그러면 H2O가 생성됨).
# 예시: 아연-구리 갈바니 전지
갈바니 전지 인접 이미지에 표시된 갈바니 전지를 고려해 보자: 아연 (Zn) 조각이 황산 아연 (ZnSO4) 용액에 잠겨 있고, 구리 (Cu) 조각이 황산 구리(II) (CuSO4) 용액에 잠겨 있는 형태로 구성되어 있다. 전체 반응은 다음과 같다. :Zn_{(s)}{} + CuSO4_{(aq)} -> ZnSO4_{(aq)}{} + Cu_{(s)} Zn 애노드에서는 산화가 일어난다(금속이 전자를 잃는다). 이는 다음 산화 반반응으로 나타낼 수 있다(전자가 생성물 쪽에 있음에 유의). :Zn_{(s)} -> Zn^2+ + 2e- Cu 캐소드에서는 환원이 일어난다(전자가 받아들여진다). 이는 다음 환원 반반응으로 나타낼 수 있다(전자가 반응물 쪽에 있음에 유의). :Cu^2+ + 2e- -> Cu_{(s)}
# 예시: 마그네슘의 산화
염기성 산화물 합성을 보여주는 실험. 마그네슘 리본이 버너에 의해 점화된다. 마그네슘은 강렬한 빛을 방출하며 산화 마그네슘(MgO)을 형성한다. 산화 세부 사항을 얻기 위해 매우 짧은 노출로 촬영된 불타는 마그네슘 리본 사진 마그네슘 리본(Mg)이 연소하는 예를 고려해 보자. 마그네슘이 연소하면 공기 중의 산소(O2)와 결합하여 다음 방정식에 따라 산화 마그네슘 (MgO)을 형성한다. :2Mg_{(s)}{} + O2_{(g)} -> 2MgO_{(s)} 산화 마그네슘은 Mg(2+) 및 O(2-) 이온을 포함하는 염 화합물인 반면, Mg_{(s)} 및 O_{2(g)}는 전하가 없는 원소이다. 전하가 0인 Mg_{(s)}는 반응물 쪽에서 생성물 쪽으로 이동하면서 +2의 전하를 얻고, 전하가 0인 O_{2(g)}는 -2의 전하를 얻는다. 이는 Mg_{(s)}가 Mg(2+)가 될 때 2개의 전자를 잃기 때문이다. 왼쪽에는 2개의 Mg가 있으므로 다음 산화 반쪽 반응에 따라 총 4개의 전자가 손실된다. :2Mg_{(s)} -> 2Mg^2+ + 4e- 반면에 O2는 환원되었다. 산화 상태가 0에서 -2로 변한다. 따라서 O2에 대한 환원 반쪽 반응은 4개의 전자를 얻는 것으로 작성할 수 있다. :O2_{(g)}{} + 4e- -> 2O^2- 전체 반응은 두 반반응의 합이다. :2Mg_{(s)}{} + O2_{(g)}{} + 4e- -> 2Mg^2+ + 2O^2- + 4e- 화학 반응, 특히 산화·환원 반응이 일어날 때 우리는 반응 과정에서 나타나고 사라지는 전자를 볼 수 없다. 우리가 보는 것은 반응물(시작 물질)과 최종 생성물이다. 이로 인해 방정식 양쪽에 나타나는 전자는 상쇄된다. 상쇄 후 방정식은 다음과 같이 다시 작성된다. :2Mg_{(s)}{} + O2_{(g)} -> 2Mg^2+ + 2O^2- 두 이온, 양이온(Mg(2+))과 음이온(O(2-))은 생성물 쪽에 존재하며, 반대 전하(정전기적 인력)로 인해 즉시 결합하여 화합물 산화 마그네슘(MgO)을 형성한다. 주어진 모든 산화·환원 반응에는 산화 반쪽 반응과 환원 반쪽 반응의 두 가지 반쪽 반응이 있다. 이 두 반쪽 반응의 합이 산화·환원 반응이다.
# 반반응 균형 맞추는 방법
다음 반응을 고려해 보자. :Cl2 + 2Fe^2+ -> 2Cl- + 2Fe^3+ 관련된 두 원소인 철과 염소는 각각 산화 상태가 변한다. 철은 +2에서 +3으로, 염소는 0에서 -1로 변한다. 그러면 효과적으로 두 가지 반반응이 일어나는 것이다. 이러한 변화는 각 반반응에 적절한 전자를 삽입하여 공식으로 나타낼 수 있다. :\begin{align} & \ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e-} \\\ & \ce{Cl2 + 2e- -> 2Cl-} \end{align} 두 반반응이 주어지면 적절한 전극 전위에 대한 지식으로 완전한 (원래) 반응에 동일한 방식으로 도달할 수 있다. 반응을 반반응으로 분해하는 것은 다양한 화학 과정을 이해하는 데 핵심이다. 예를 들어, 위 반응에서 이것이 Fe가 산화되고 Cl이 환원되는 산화·환원 반응이라는 것을 보여줄 수 있다. Fe에서 Cl로의 전자 이동에 주목하라. 분해는 또한 화학반응식의 균형을 단순화하는 방법이다. 화학자는 한 번에 방정식의 한 부분을 원자 균형 및 전하 균형을 맞출 수 있다. 예를 들어, * Fe(2+) -> Fe(3+) + e-는 2Fe(2+) -> 2Fe(3+) + 2e-가 된다. * Cl2 + 2e- -> 2Cl-에 추가된다. * 그리고 최종적으로 Cl2 + 2Fe(2+) -> 2Cl- + 2Fe(3+)가 된다. 산성 또는 염기성 조건에서 반반응을 고려하는 것이 가능하며 때로는 필요하다. 이는 산화·환원 반응에 산성 또는 염기성 전해질이 존재할 수 있기 때문이다. 이 전해질 때문에 원자와 전하의 균형을 모두 맞추는 것이 더 어려울 수 있다. 이는 반응의 양쪽에 H2O, OH-, e- 및 H+를 추가하여 원자와 전하가 모두 균형을 이룰 때까지 수행한다. 아래의 반반응을 고려해 보자. : PbO2 -> PbO OH-, H2O, 그리고 e-는 반응이 물에서 일어난다고 가정하면 염기성 조건에서 전하와 원자의 균형을 맞추는 데 사용될 수 있다. : 2e- + H2O + PbO2 -> PbO + 2OH- 다시 아래의 반반응을 고려해 보자. : PbO2 -> PbO H+, H2O, 그리고 e-는 반응이 물에서 일어난다고 가정하면 산성 조건에서 전하와 원자의 균형을 맞추는 데 사용될 수 있다. : 2e- + 2H+ + PbO2 -> PbO + H2O 양쪽 모두 전하 균형과 원자 균형이 맞춰져 있음에 주목하라. 종종 산성 및 염기성 조건 모두에 H+와 OH-가 존재하지만, 두 이온의 반응 결과 물, H2O가 생성된다 (아래 참조): : H+ + OH- -> H2O