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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「錆びる」という現象を化学では「酸化する」といいます.この「酸化」は金属だけに限らず他の物質でも起こります.

一方,「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.

ですから,「酸化」と「還元」は互いに逆の化学反応ということができます.また,鉄などの金属以外の物質でも「酸化」と「還元」は起こります.

また,「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,私もそうだったので,「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」

物質が「酸化される」,「還元される」とは次のことをいいます.

物質が「酸化される」とは,物質が「電子を失う」ことをいう.また,物質が「還元される」とは,物質が「電子を受け取る」ことをいう.

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

「酸化還元反応」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.

上に書いた通り,物質が「電子を失った」のか「電子を受け取った」のかで,物質が「酸化されたのか」「還元されたのか」がすべて判断できますが,いちいち「電子を失った」「電子を受け取った」というのを考えるのが面倒です.

そこで,次のことが成り立つことも重要で覚えておいてください.

物質が「酸素と化合する」または「水素を失う」なら,その物質は「酸化され」ている.また,物質が「酸素を失う」または「水素と化合する」なら,その物質は「還元され」ている.

もしかすると,こちらの方が馴染み深いかもしれません.

たとえば,銅\mathrm{Cu}を空気中で熱して酸化させるときの化学反応式は

\mathrm{2Cu+O_2} \to \mathrm{2CuO}

です.これは銅が酸素と化合しているので,銅が「酸化された」と分かります.

そもそも「電子の受け渡し」ってどういうこと?

私は上でいきなり,物質が「電子を失う」ことを「酸化される」,「電子を受け取る」ことを「還元される」という,と書きました.

しかし,そもそも「電子の受け渡し」とはどういうことでしょうか?

上で扱った銅の酸化反応\mathrm{2Cu+O_2} \to \mathrm{2CuO}を例に考えてみます.

ここでは詳しいことは書きませんが,実はこの反応は次のように2つの反応に分けることができます.詳しい説明は「酸化還元反応4 ―半反応式から反応式をつくる―」に書いています.

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

(1)の反応は銅\mathrm{Cu}\mathrm{Cu}^{2+}と電子\mathrm{e}^{-}に分かれる反応です.

(2)の反応は酸素と\mathrm{O}_2が電子\mathrm{e}^{-}とくっついて,\mathrm{O}^{2-}になる反応です.

(1)や(2)のように,反応式の中に電子\mathrm{e}^{-}が含まれている式のことを,「半反応式」といいます.

なお,(1),(2)左辺,右辺を足すと,もとの式に戻ることにも注意して下さい.

なぜこのような半反応式が成り立つのかということは,次の記事「酸化還元反応2 ―酸化剤と還元剤の半反応式―」で説明しています.

半反応式から酸化,還元を判断する

半反応式(1)から銅\mathrm{Cu}は電子\mathrm{e}^{-}を失っていますから,銅は「酸化された」ことが分かります.

半反応式(2)から酸素\mathrm{O}_2は電子\mathrm{e}^{-}を受け取っていますから,酸素は「還元された」ことが分かります.

(2)で「酸素が還元される」というのは気持ち悪いことかも知れませんが,これは実際に有り得ることです.

「電子を失った」のであれば「酸化された」,「電子を受け取った」のであれば「還元された」というのは,いつでも正しいことですから注意して下さい.

さて,半反応式(1),(2)の考察から,一般の半反応式について次のことが分かります.

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

半反応式の左辺に電子\mathrm{e}^{-}があれば,左辺の物質は還元される

このことはとても重要なので,常に意識するようにして下さい.

また,これから通常の化学反応では「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.

ある物質が酸化されているなら,その物質の半反応式は右辺に電子\mathrm{e}^{-}があります.

しかし,本来の反応には電子\mathrm{e}^{-}が含まれていません.

ですから,右辺の電子\mathrm{e}^{-}を打ち消すように,左辺に電子\mathrm{e}^{-}を含んだ式がもう一つの半反応式としてあるはずです.

ところで,左辺に電子\mathrm{e}^{-}があるということは還元が起こっているということですから,酸化が起これば還元も同時に起こることが分かります.

還元が起こった場合にも,必ず酸化が起こることは同様にして分かります.

次の記事「酸化還元反応の基本2 ―酸化剤と還元剤の半反応式―」に続きます.

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