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酸化還元反応1|酸化,還元とは

 
 

鉄を屋外に放置しておくと,鉄はどんどん錆びていってしまいます.この「鉄が錆びる」という現象を化学では「鉄が酸化される」といいます.

また,「錆びた鉄」をうまく化学的処理をすれば,「錆びる前の鉄」に戻すことができます.この「錆びる」の逆の現象を化学では「還元する」といいます.

この互いに逆の化学反応である「酸化」と「還元」は,鉄などの金属以外の物質でも「酸化」と「還元」は起こります.

「酸化還元反応」の考え方は「電池」や「電気分解」の基礎にもなっており,「酸化還元反応」は苦手意識が多い人も多いようです.

たしかに,「酸化還元反応」の化学反応式を考えるまでの手順が長く,嫌になってしまう気持ちはとてもよく分かります.

しかし,実際には覚えるべき事項はさほど多くなく,一度真剣にやれば意外と簡単に身に付く分野でもありますから,是非ともしっかり押さえて欲しいところです.

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「酸化」と「還元」の具体例

銅を空気中で過熱すると,\mathrm{2Cu+O_2 \to 2CuO}という反応が起こります.このように,物質が酸素と結合する化学反応を「酸化」と言います.

つまり,この反応は「銅\mathrm{Cu}が酸化されて,酸化銅(II)\mathrm{CuO_2}になった」ということができます.

また,塩素\mathrm{Cl_2}と水素\mathrm{H_2}が化合して,\mathrm{Cl_2+H_2\to 2HCl}という反応が起こります.このように,物質が水素と結合する化学反応を「還元」と言います.

つまり,この反応は「塩素\mathrm{Cl}が還元されて, 塩化水素\mathrm{HCl}になった」ということができます.

さて,物質が「酸化される」,「還元される」とは次のことをいいます.

[酸化と還元(暫定版)] 物質\mathrm{X}が酸素\mathrm{O}と結合するとき,\mathrm{X}は酸化される」という.また,物質\mathrm{X}が水素\mathrm{H}と結合するとき,\mathrm{X}は還元される」という.

ここで重要なのは,「酸化する」ではなく「酸化される」,「還元する」ではなく「還元される」という表現になっていることです.

「酸化還元反応」では,「その物質がどうなったのか」ということを考えるので,その物質が「酸化された」または「還元された」という表現になるのです.

また,[酸化と還元(暫定版)]と暫定版したのは,より広い範囲に適用できる酸化と還元の定義を次で考えるためです.

ですが,「酸化は酸素\mathrm{O}と結合すること」,「還元は水素\mathrm{O}と結合すること」というのはイメージとして非常に大切ですから,この暫定版もしっかり頭に入れておいてください.

「酸化」と「還元」の定義

先ほど見た,銅\mathrm{Cu}が酸化される化学反応\mathrm{2Cu+O_2 \to 2CuO}と,塩素\mathrm{Cl_2}が還元される化学反応\mathrm{Cl_2+H_2\to HCl}をもう一度考察します.

酸化

銅が酸化される化学反応\mathrm{2Cu+O_2 \to 2CuO}は,次の2つの反応の合成と見ることができます.

\begin{cases} \mathrm{2Cu \to 2Cu^{2+} + 4e^-} & (1)\\ \mathrm{O_2+4e^- \to 2O^{2-}} & (2) \end{cases}

\mathrm{e^-}電子です.このように,電子\mathrm{e^-}を含んだ反応式を「半反応式」といいます.詳しくは次の記事【酸化還元反応2|酸化剤と還元剤の半反応式の一覧】で説明しています.

さて,(1)の半反応式では,銅\mathrm{Cu}は電子\mathrm{e^-}を放出して,銅イオン\mathrm{Cu^{2+}}になっています.

一方,(2)の半反応式では,酸素\mathrm{O_2}は電子\mathrm{e^-}を受け取って,酸素イオン\mathrm{O^{2-}}になっています.

このようにして,(1)でできた銅イオン\mathrm{Cu^{2+}}と(2)でできた酸素イオン\mathrm{O^{2-}}によって,酸化銅(II)CuOになっているわけです.

以上の考察から,酸素\mathrm{O}と結合しようとすると,酸素イオン\mathrm{O^{2-}}と反応することになるので,一度電子\mathrm{e^-}を放出しならなければいけなさそうです.

したがって,次のように「酸化」を定義すれば,「酸化」は「酸素\mathrm{O}と結合すること」よりも広い意味になりますね.

[酸化] 物質\mathrm{X}が電子を放出するとき,Xは酸化された」という.

還元

塩素\mathrm{Cl_2}が還元される化学反応\mathrm{Cl_2+H_2\to HCl}は,次の2つの反応の合成と見ることができます.

\begin{cases} \mathrm{Cl_2+2e^- \to 2Cl^-} & (3)\\ \mathrm{H_2 \to 2H^+ +2e^-} & (4) \end{cases}

(3)の半反応式では,塩素\mathrm{Cl_2}は電子\mathrm{e^-}を受け取って,塩化物イオン\mathrm{Cl^-}になっています.

一方,(4)の半反応式では,水素\mathrm{O_2}は電子\mathrm{e^-}を放出して,水素イオン\mathrm{H^+}になっています.

このようにして,(3)でできた塩化物イオン\mathrm{Cu^{2+}}と(2)でできた水素イオン\mathrm{H_2}によって,塩化水素HClになっているわけです.

以上の考察から,水素\mathrm{H}と結合しようとすると,水素イオン\mathrm{H^+}と反応することになるので,一度電子\mathrm{e^-}を受け取らなければいけなさそうです.

したがって,次のように「還元」を定義すれば,「還元」は「水素\mathrm{H}と結合すること」よりも広い意味になりますね.

[還元] 物質\mathrm{X}が電子を受け取るとき,Xは還元された」という.

補足

さて,以上の説明で,「酸化」と「還元」は(つい)になる反応であることが分かります.

したがって,[酸化と還元(暫定版)]で書いたように,酸素\mathrm{O}が結合する反応は「酸化」でしたから,逆に酸素\mathrm{O}を失う反応は「還元」であろうと予想がつきます.

一方,水素\mathrm{H}が結合する反応は「還元」でしたから,逆に水素\mathrm{H}を失う反応は「酸化」であろうと予想がつきます.

詳しくは説明しませんが,これらは正しいです.

さて,酸化と還元について,以上のことを表にまとめておきます.

電子 酸素 水素
酸化される 失う 受け取る 失う
還元される 受け取る 失う 受け取る

半反応式から酸化,還元を判断する

銅が酸化される化学反応\mathrm{2Cu+O_2 \to 2CuO}は,

\begin{cases} \mathrm{2Cu \to 2Cu^{2+} + 4e^-} & (1)\\ \mathrm{O_2+4e^- \to 2O^{2-}} & (2) \end{cases}

の2つの合成と見ることができました.これらの式から分かるように,

半反応式の

  • 右辺に電子\mathrm{e}^{-}があれば,左辺の物質は酸化される
  • 左辺に電子\mathrm{e}^{-}があれば,左辺の物質は還元される

このことはとても有効な手がかりなので,酸化還元を考えるときには常に意識するようにして下さい.

また,電子\mathrm{e^-}を含んだ半反応式の両辺を足すと,電子\mathrm{e^-}を含まない普通の化学反応式になるのでした.つまり,一方の半反応式には左辺に電子e^-が,他方の半反応式には左辺に電子e^-があることになります.

したがって,「酸化反応と還元反応は同時に起こる」ということが分かります.

次の記事【酸化還元反応2|酸化剤と還元剤の半反応式の一覧】に続きます.

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