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산화와 환원
학습 목표
․ 산화․환원 반응을 전자의 이동과 산화수의 변화로 이해한다.
․ 산화․환원 반응식을 완결한다.
․ 산화․환원 반응에서 산화제와 환원제를 구별한다.
☞ 산화․환원 반응의 예
- 연료의 연소, 음식물의 소화, 화학 전지의 반응, 금속의 제련 등
1. 전자의 이동과 산화․환원
1) 산화․환원의 정의
① 어떤 물질이 산소와 화합하는 반응을 산화, 산소를 잃는 반응을 환원이라고 한다.
② 넓은 의미로 전자를 잃는 것을 산화, 전자를 얻는 것을 환원이라고 한다.
기준
산화
환원
산소
얻음 예) C + O2 → CO2
잃음 예) 2CuO → 2Cu + O2
수소
잃음 예) 2H2O → 2H2 + O2
얻음 예) H2 + Cl2 → 2HCl
전자
잃음 예) Zn → Zn2+ + 2e-
얻음 예) Cu2+ + 2e- → Cu
2) 산화․환원 반응의 동시성
- 아연과 황산구리(Ⅱ) 수용액에서의 반응
산화 Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (1)
환원 +) Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (2)
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) (3)
(1)을 산화 반쪽 반응 (2)를 환원 반쪽 반응 (3)을 전체 반응식이라고 한다.
① 반쪽 반응식 : 동시에 일어나는 산화․환원 반응을 산화 반응과 환원 반응으로 각각 분리하여 나
타낸 것을 반쪽 반응식이라고 한다.
② 산화․환원 반응에서 전자를 잃는 물질이 있으면 반드시 그 전자를 얻는 물질이 있으므로 산화․환
원 반응은 항상 동시에 일어난다.
③ 산화되는 물질이 잃는 전자수와 환원되는 물질이 얻은 전자의 수는 같다.
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
푸른색
붉은색
-2e-(산화)
+2e-(환원)
☞ 금속과 금속 이온의 반응에서 반응성이(이온화 경향)이 큰 금속일수록 전자를 잃고 산화되기 쉽다.
예) 묽은 염산에 아연 조각을 넣으면 수소 기체가 발생한다. 이 반응을 전자의 이동으로 설명해 보자.
답) Zn(aq) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g)
아연이 산화되면서 내놓은 전자를 수소 이온이 얻어 수소 기체로 환원되기 때문.
2. 산화수와 산화․환원
☞ 전자의 이동이 뚜렷이 나타나지 않는 경우의 산화․환원 반응의 설명은 어떻게 ?
① 산화수 : 공유 결합 물질에서 공유 전자쌍을 전기 음성도가 큰 원자가 모두 차지하는 것으로 가
정할 때, 각 원자가 가지는 전하의 수를 말한다.
H
O
H
H
O
H
공유 전자쌍 모두를
산소 원자가 차지한다.
- 물 분자에서 O 는 H 보다 전기 음성도가 크므로 2개의 전자를 얻은 셈이고, 2개의 H 는 각각
1개씩 준 셈이다. H2O에서 O 의 산화수는 -2이고, H는 산화수가 1이다.
② 산화수를 정하는 규칙
㉠ 홑원소 물질을 이루는 원자의 산화수는 0이다. 예) H2, O2, P4, Ag, S, Cu 등
㉡ 단원자 이온의 산화수는 그 이온의 전하수와 같다.
예) Cu2+: Cu의 산화수 +2, Cl- : Cl의 산화수 -1 등
㉢ 수소 화합물에서 수소의 산화수는 +1이나, 금속의 수소화물(예 : NaF, CaH2 등)에서는 -1이다.
㉣ 산소 원자의 산화수는 대부분의 화합물에서 -2이다. 단, 과산화물에서 산소의 산화수는 -1이
다. OF2에서 산소의 산화수는 +2이다. 예) H2O2, Na2O2 : -1
㉤ 화합물을 구성하는 각 원자의 산화수의 합은 0이다. 예) CO2
㉥ 다원자 이온을 구성하는 원자의 산화수의 합은 이온의 전하와 같다.
예) ClO3- : Cl의 산화수 + 3×O의 산화수 = -1, Cl의 산화수는 = +5
ex) 다음에서 밑줄 친 원자의 산화수는 얼마인가?
(1) Fe2O3 답) Fe : +3
(2) H2SO4 답) S : +6
③ 산화수와 산화․환원 - 원자의 산화수가 증가하면 산화, 산화수가 감소하면 환원된 것이다.
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
+3
+2
0
+4
산화(산화수 증가)
환원(산화수 감소)
ex) 다음 반응에서 산화된 원자와 환원된 원자를 찾아보자.
(1) Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 답) 산화 : Zn 환원 : H
(2) Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 답) 산화 : Cu 환원 : N
④ 산화수의 주기성 : 어떤 원자가 가질 수 있는 산화수는 주기성을 나타낸다. 원자들은 비활성 기
체와 같은 전자 배치를 가지기 위해 전자를 잃거나 얻은 전자수는 산화수와 일치한다.
1
2
3
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-1
0
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6
7
산
화
수
원 자 번 호
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
▲ 원자 번호 20번까지의 원소들의 산화수의 주기성
․ 같은 원자라 하더라도 결합하는 원자들의 전기 음성도에 따라 전자를 잃는 경우도 있고 얻는 경
우도 있으므로 한 원자가 여러 가지 산화수를 가질 수 있다.
․ 각 원자의 최고 산화수는 원자가전자수를 초과하지 못한다.
․ 1,2 및 13족 원자들은 +1, +2 및 +3의 산화수를 가진다.
․ 14 및 15족 원자들과 산소(O) 및 플루오르(F)를 제외한 16족 및 17족 원자들도 원자가전자를
모두 잃고 각각 +4, +5, +6 및 +7의 산화수를 가질 수 있다.
․ 15 ~ 17족 원자의 최저 산화수인 -3, -2, -1은 비활성 기체의 전자 배치를 가졌을 때 나타내
는 산화수이다.
3. 산화제와 환원제
① 산화제
㉠ 다른 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질
․ 주기율표의 오른쪽에 있는 원소들 예) F2, O2 등
․ 산화수가 높은, 금속이나 비금속 원자를 가진 화합물
예) KMnO4, K2Cr2O7, HNO3 등
② 환원제
㉠ 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화되는 물질
․ 주기율표의 왼쪽에 있는 원소들 예) Na, K, Ca 등
․ 산화수가 낮은 원소를 포함한 화합물 예) NaH, H2S, SnCl2 등
③ 산화제와 환원제의 상대적 세기 - 산화제로 작용하는가 또는 환원제로 작용하는가는 산화․환원
반응에서 산화력이나 환원력의 상대적 크기에 따라서 결정된다. 예) SO2
SO2 + 2H2O + Cl2 → H2SO4 + 2HCl
+4
0
+6
-1
산화
환원
환원제
산화제
SO2 + 2H2S → 2H2O + 3S
+4
-2
0
환원
산화
산화제
환원제
④ 산화․환원 반응의 이용
㉠ 산화제 : 물질의 산화력을 이용한 산화 표백제
예) 과산화물(과산화수소, 과산화나트륨), 표백분(옥시풀, 락스), 화이포아염소산나
트륨, 아염소산나트륨 등의 염소 화합물
㉡ 환원제 : 물질의 환원력을 이용한 환원 표백제
예) 철의 제련 시 사용하는 코크스, 크롬을 제련할 때 사용하는 알루미늄, 이산화
황, 아황산나트륨, 히드로설파이트 등
ex) 다음 식을 보고 각 원자의 산화수가 어떻게 변화되는지 이야기해 보자.
MnO2(s) + 4HCl(aq) → MnCl2(aq) + 2H2O(l) + Cl2(g)
답) : Mn : +4에서 +2로, Cl : -1에서 0으로
4. 산화․환원 반응의 양적 관계
☞ 산화․환원 반응의 계수를 맞추는 방법에 대해 알아보자.
① 이온 - 전자법
㉠ 산화․환원 반응을 산화 반응과 환원 반응으로 나눈 다음, 각각의 반쪽 반응에서
원자수가 같도록 계수를 맞춘다.
㉡ 이동한 전자의 수가 같도록 한 다음, 두 반쪽 반응을 합하여 반응식을 완결한다.
예) Fe2+ + MnO4- + H+ → Fe3+ + Mn2+ + H2O
1단계 : 산화 반응과 환원 반응으로 나눈다.
산화반응 : Fe2+ → Fe3+
환원반응 : MnO4- + H+ → Mn2+ + H2O
2단계 : 각 반쪽 반응의 원자수가 같도록 계수를 맞춘다.
산화반응 : Fe2+ → Fe3+
환원반응 : MnO4- + 8H+ → Mn2+ + 4H2O
3단계 : 각 반쪽 반응에서 화살표 양쪽의 전하가 같도록 맞춘다.
산화반응 : Fe2+ → Fe3+ + e-
환원반응 ; MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
4단계 : 산화 반응의 잃은 전자수와 환원 반응의 얻은 전자수가 같아지도록 계수를 맞춘다.
산화반응 : 5Fe2+ → 5Fe3+ + 5e-
환원반응 ; MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
5단계 : 두 반쪽 반응을 더하여 하나의 반응식으로 만든다.
5Fe2+ → 5Fe3+ + 5e-
MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
② 산화수법
Fe2+ + MnO4- + H+ → Fe3+ + Mn2+ + H2O
㉠ 각 원소의 산화수를 조사한다.
Fe2+ + MnO4- + H+ → Fe3+ + Mn2+ + H2O
+2 +7 -2 +1 +3 +2 +1 -2
㉡ 각 원소의 산화수의 변화를 조사한다.
Fe2+ + MnO4- + H+ → Fe3+ + Mn2+ + H2O
5증가
1증가
㉢ 증가한 산화수와 감소한 산화수가 같도록 계수를 맞춘다.
5Fe2+ + MnO4- + H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + H2O
산화수1×5증가
산화수5×1증가
㉣ 산화수의 변화가 없는 원자들(보통 O와 H)의 개수가 같도록 계수를 맞춘다.
5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
☞ 계수비는 몰수비이다.
ex)1. 다음의 산화․환원 반응에서 1몰의 Cr2O72-은 몇 몰의 Fe2+과 반응하는가?
( )Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ → ( )Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
답) 6몰
ex)2. 산화․환원 반응을 산화수의 변화로 설명해 보자.
답) 산화수가 증가한 물질은 산화된 것이고 산화수가 감소한 물질은 환원된 것이다.
산화․환원 반응은 물질의 산화수가 변하는 반응이다.
ex)3. 다음 밑줄 친 원자의 산화수를 확인해 보자.
(1) SO2 (2) HNO3 (3) SO42-
답) (1) +4 (2) +5 (3) +6
ex)4. 메탄의 연소 반응에서 산화제와 환원제는 각각 무엇인가?
답) CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 산화제 : O2, 환원제 : CH4
ex)5. 다음 산화․환원 반응의 계수를 맞추어라.
Al + Cu2+ → Al3+ + Cu 답) 2Al + 3Cu2+ → 2Al3+ + 3Cu
산화와 환원
학습 목표
․ 산화․환원 반응을 전자의 이동과 산화수의 변화로 이해한다.
․ 산화․환원 반응식을 완결한다.
․ 산화․환원 반응에서 산화제와 환원제를 구별한다.
☞ 산화․환원 반응의 예
- 연료의 연소, 음식물의 소화, 화학 전지의 반응, 금속의 제련 등
1. 전자의 이동과 산화․환원
1) 산화․환원의 정의
① 어떤 물질이 산소와 화합하는 반응을 산화, 산소를 잃는 반응을 환원이라고 한다.
② 넓은 의미로 전자를 잃는 것을 산화, 전자를 얻는 것을 환원이라고 한다.
기준
산화
환원
산소
얻음 예) C + O2 → CO2
잃음 예) 2CuO → 2Cu + O2
수소
잃음 예) 2H2O → 2H2 + O2
얻음 예) H2 + Cl2 → 2HCl
전자
잃음 예) Zn → Zn2+ + 2e-
얻음 예) Cu2+ + 2e- → Cu
2) 산화․환원 반응의 동시성
- 아연과 황산구리(Ⅱ) 수용액에서의 반응
산화 Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (1)
환원 +) Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (2)
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) (3)
(1)을 산화 반쪽 반응 (2)를 환원 반쪽 반응 (3)을 전체 반응식이라고 한다.
① 반쪽 반응식 : 동시에 일어나는 산화․환원 반응을 산화 반응과 환원 반응으로 각각 분리하여 나
타낸 것을 반쪽 반응식이라고 한다.
② 산화․환원 반응에서 전자를 잃는 물질이 있으면 반드시 그 전자를 얻는 물질이 있으므로 산화․환
원 반응은 항상 동시에 일어난다.
③ 산화되는 물질이 잃는 전자수와 환원되는 물질이 얻은 전자의 수는 같다.
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
푸른색
붉은색
-2e-(산화)
+2e-(환원)
☞ 금속과 금속 이온의 반응에서 반응성이(이온화 경향)이 큰 금속일수록 전자를 잃고 산화되기 쉽다.
예) 묽은 염산에 아연 조각을 넣으면 수소 기체가 발생한다. 이 반응을 전자의 이동으로 설명해 보자.
답) Zn(aq) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g)
아연이 산화되면서 내놓은 전자를 수소 이온이 얻어 수소 기체로 환원되기 때문.
2. 산화수와 산화․환원
☞ 전자의 이동이 뚜렷이 나타나지 않는 경우의 산화․환원 반응의 설명은 어떻게 ?
① 산화수 : 공유 결합 물질에서 공유 전자쌍을 전기 음성도가 큰 원자가 모두 차지하는 것으로 가
정할 때, 각 원자가 가지는 전하의 수를 말한다.
H
O
H
H
O
H
공유 전자쌍 모두를
산소 원자가 차지한다.
- 물 분자에서 O 는 H 보다 전기 음성도가 크므로 2개의 전자를 얻은 셈이고, 2개의 H 는 각각
1개씩 준 셈이다. H2O에서 O 의 산화수는 -2이고, H는 산화수가 1이다.
② 산화수를 정하는 규칙
㉠ 홑원소 물질을 이루는 원자의 산화수는 0이다. 예) H2, O2, P4, Ag, S, Cu 등
㉡ 단원자 이온의 산화수는 그 이온의 전하수와 같다.
예) Cu2+: Cu의 산화수 +2, Cl- : Cl의 산화수 -1 등
㉢ 수소 화합물에서 수소의 산화수는 +1이나, 금속의 수소화물(예 : NaF, CaH2 등)에서는 -1이다.
㉣ 산소 원자의 산화수는 대부분의 화합물에서 -2이다. 단, 과산화물에서 산소의 산화수는 -1이
다. OF2에서 산소의 산화수는 +2이다. 예) H2O2, Na2O2 : -1
㉤ 화합물을 구성하는 각 원자의 산화수의 합은 0이다. 예) CO2
㉥ 다원자 이온을 구성하는 원자의 산화수의 합은 이온의 전하와 같다.
예) ClO3- : Cl의 산화수 + 3×O의 산화수 = -1, Cl의 산화수는 = +5
ex) 다음에서 밑줄 친 원자의 산화수는 얼마인가?
(1) Fe2O3 답) Fe : +3
(2) H2SO4 답) S : +6
③ 산화수와 산화․환원 - 원자의 산화수가 증가하면 산화, 산화수가 감소하면 환원된 것이다.
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
+3
+2
0
+4
산화(산화수 증가)
환원(산화수 감소)
ex) 다음 반응에서 산화된 원자와 환원된 원자를 찾아보자.
(1) Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 답) 산화 : Zn 환원 : H
(2) Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 답) 산화 : Cu 환원 : N
④ 산화수의 주기성 : 어떤 원자가 가질 수 있는 산화수는 주기성을 나타낸다. 원자들은 비활성 기
체와 같은 전자 배치를 가지기 위해 전자를 잃거나 얻은 전자수는 산화수와 일치한다.
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산
화
수
원 자 번 호
H
He
Li
Be
B
C
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O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
▲ 원자 번호 20번까지의 원소들의 산화수의 주기성
․ 같은 원자라 하더라도 결합하는 원자들의 전기 음성도에 따라 전자를 잃는 경우도 있고 얻는 경
우도 있으므로 한 원자가 여러 가지 산화수를 가질 수 있다.
․ 각 원자의 최고 산화수는 원자가전자수를 초과하지 못한다.
․ 1,2 및 13족 원자들은 +1, +2 및 +3의 산화수를 가진다.
․ 14 및 15족 원자들과 산소(O) 및 플루오르(F)를 제외한 16족 및 17족 원자들도 원자가전자를
모두 잃고 각각 +4, +5, +6 및 +7의 산화수를 가질 수 있다.
․ 15 ~ 17족 원자의 최저 산화수인 -3, -2, -1은 비활성 기체의 전자 배치를 가졌을 때 나타내
는 산화수이다.
3. 산화제와 환원제
① 산화제
㉠ 다른 물질을 산화시키고 자신은 환원되는 물질
․ 주기율표의 오른쪽에 있는 원소들 예) F2, O2 등
․ 산화수가 높은, 금속이나 비금속 원자를 가진 화합물
예) KMnO4, K2Cr2O7, HNO3 등
② 환원제
㉠ 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화되는 물질
․ 주기율표의 왼쪽에 있는 원소들 예) Na, K, Ca 등
․ 산화수가 낮은 원소를 포함한 화합물 예) NaH, H2S, SnCl2 등
③ 산화제와 환원제의 상대적 세기 - 산화제로 작용하는가 또는 환원제로 작용하는가는 산화․환원
반응에서 산화력이나 환원력의 상대적 크기에 따라서 결정된다. 예) SO2
SO2 + 2H2O + Cl2 → H2SO4 + 2HCl
+4
0
+6
-1
산화
환원
환원제
산화제
SO2 + 2H2S → 2H2O + 3S
+4
-2
0
환원
산화
산화제
환원제
④ 산화․환원 반응의 이용
㉠ 산화제 : 물질의 산화력을 이용한 산화 표백제
예) 과산화물(과산화수소, 과산화나트륨), 표백분(옥시풀, 락스), 화이포아염소산나
트륨, 아염소산나트륨 등의 염소 화합물
㉡ 환원제 : 물질의 환원력을 이용한 환원 표백제
예) 철의 제련 시 사용하는 코크스, 크롬을 제련할 때 사용하는 알루미늄, 이산화
황, 아황산나트륨, 히드로설파이트 등
ex) 다음 식을 보고 각 원자의 산화수가 어떻게 변화되는지 이야기해 보자.
MnO2(s) + 4HCl(aq) → MnCl2(aq) + 2H2O(l) + Cl2(g)
답) : Mn : +4에서 +2로, Cl : -1에서 0으로
4. 산화․환원 반응의 양적 관계
☞ 산화․환원 반응의 계수를 맞추는 방법에 대해 알아보자.
① 이온 - 전자법
㉠ 산화․환원 반응을 산화 반응과 환원 반응으로 나눈 다음, 각각의 반쪽 반응에서
원자수가 같도록 계수를 맞춘다.
㉡ 이동한 전자의 수가 같도록 한 다음, 두 반쪽 반응을 합하여 반응식을 완결한다.
예) Fe2+ + MnO4- + H+ → Fe3+ + Mn2+ + H2O
1단계 : 산화 반응과 환원 반응으로 나눈다.
산화반응 : Fe2+ → Fe3+
환원반응 : MnO4- + H+ → Mn2+ + H2O
2단계 : 각 반쪽 반응의 원자수가 같도록 계수를 맞춘다.
산화반응 : Fe2+ → Fe3+
환원반응 : MnO4- + 8H+ → Mn2+ + 4H2O
3단계 : 각 반쪽 반응에서 화살표 양쪽의 전하가 같도록 맞춘다.
산화반응 : Fe2+ → Fe3+ + e-
환원반응 ; MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
4단계 : 산화 반응의 잃은 전자수와 환원 반응의 얻은 전자수가 같아지도록 계수를 맞춘다.
산화반응 : 5Fe2+ → 5Fe3+ + 5e-
환원반응 ; MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
5단계 : 두 반쪽 반응을 더하여 하나의 반응식으로 만든다.
5Fe2+ → 5Fe3+ + 5e-
MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
② 산화수법
Fe2+ + MnO4- + H+ → Fe3+ + Mn2+ + H2O
㉠ 각 원소의 산화수를 조사한다.
Fe2+ + MnO4- + H+ → Fe3+ + Mn2+ + H2O
+2 +7 -2 +1 +3 +2 +1 -2
㉡ 각 원소의 산화수의 변화를 조사한다.
Fe2+ + MnO4- + H+ → Fe3+ + Mn2+ + H2O
5증가
1증가
㉢ 증가한 산화수와 감소한 산화수가 같도록 계수를 맞춘다.
5Fe2+ + MnO4- + H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + H2O
산화수1×5증가
산화수5×1증가
㉣ 산화수의 변화가 없는 원자들(보통 O와 H)의 개수가 같도록 계수를 맞춘다.
5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
☞ 계수비는 몰수비이다.
ex)1. 다음의 산화․환원 반응에서 1몰의 Cr2O72-은 몇 몰의 Fe2+과 반응하는가?
( )Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ → ( )Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
답) 6몰
ex)2. 산화․환원 반응을 산화수의 변화로 설명해 보자.
답) 산화수가 증가한 물질은 산화된 것이고 산화수가 감소한 물질은 환원된 것이다.
산화․환원 반응은 물질의 산화수가 변하는 반응이다.
ex)3. 다음 밑줄 친 원자의 산화수를 확인해 보자.
(1) SO2 (2) HNO3 (3) SO42-
답) (1) +4 (2) +5 (3) +6
ex)4. 메탄의 연소 반응에서 산화제와 환원제는 각각 무엇인가?
답) CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 산화제 : O2, 환원제 : CH4
ex)5. 다음 산화․환원 반응의 계수를 맞추어라.
Al + Cu2+ → Al3+ + Cu 답) 2Al + 3Cu2+ → 2Al3+ + 3Cu
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