酸化還元反応1|どっちが酸化?還元?原理から理解しよう!

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」と表現します.

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」に戻すこともできます.この「錆びる」の逆の現象を化学では還元といいます.

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「電池と電気分解」の分野の基礎にもなっています.

このように,化学反応の中でも酸化還元反応はとくに重要なので,しっかり整理したい分野です.

酸化と還元の具体例

酸化還元の具体例から説明します.

酸化の具体例

銅を空気中で過熱すると

\begin{align*} \ce{2Cu + O2 -> 2CuO} \end{align*}

という反応が起こります.

このように,物質が酸素Oと結合する化学反応を酸化といいます.

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

還元の具体例

また,塩素$\ce{Cl2}$と水素$\ce{H2}$が化合して

\begin{align*} \ce{Cl2 + H2 -> 2HCl} \end{align*}

という反応が起こります.このように,物質が水素Hと結合する化学反応を還元といいます.

つまり,この反応は「塩素Clが還元されて, 塩化水素HClになった」と表現することができます.

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] 物質Xが酸素Oと結合するとき,「Xは酸化される」という.また,物質Xが水素Hと結合するとき,「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.

ですが,「酸化は酸素Oと結合すること」,「還元は水素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

次に,今考えた2つの反応

\begin{align*} &\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}, \\&\ce{Cl2 + H2 -> HCl} \end{align*}

をもとに,酸化と還元の定義を説明します.

酸化の定義

先ほど見た銅Cuが酸化される化学反応

\begin{align*} \ce{2Cu + O2 -> 2CuO} \end{align*}

を考えます.

この銅Cuが酸化される化学反応は,銅Cuと酸素Oのそれぞれに注目して次の2つの反応の合成と考えることができます.

\begin{align*} \begin{cases} \ce{2Cu -> 2Cu^2+ + 4e-} & (1)\\ \ce{O2 + 4e- -> 2O^2-} & (2) \end{cases} \end{align*}

ここで,$\ce{e-}$は電子で,このように電子$\ce{e-}$を含んだ反応式を半反応式といいます.

半反応式については次の記事で詳しく解説するので,今は「そんなものか」と認めて読み進めてください.

さて,ここで銅Cuを観察すると,酸素Oと結合する際,酸素イオン$\ce{O^2-}$と反応することになるので,一度電子$\ce{e-}$を放出しています.

つまり,(1)の半反応式では,銅Cuは電子$\ce{e-}$を放出して銅イオン$\ce{Cu^2+}$になっており,一方の(2)の半反応式では,酸素$\ce{O2}$は電子$\ce{e-}$を受け取って酸素イオン$\ce{O^2-}$になっています.

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

したがって,次のように「酸化」を定義すれば,「酸化」は「酸素Oと結合すること」よりも広い場合に意味を持たせることができますね.

[酸化] 物質Xが電子$\ce{e-}$を放出するとき,「Xは酸化される」という.

還元の定義

先ほど見た,塩素$\ce{Cl2}$が還元される化学反応

\begin{align*} \ce{Cl2 + H2 -> HCl} \end{align*}

を考えます.

酸化の場合と同様に,電子$\ce{e-}$の動きを観察することで還元反応を考えることができます.

この塩素$\ce{Cl2}$が酸化される化学反応は,塩素Clと水素Hのそれぞれに注目して次の2つの反応の合成と考えることができます.

\begin{align*} \begin{cases} \ce{Cl2 + 2e- -> 2Cl-} & (3)\\ \ce{H2 -> 2H+ + 2e-} & (4) \end{cases} \end{align*}

ここで,酸化の場合と同様に,塩素$\ce{Cl2}$を観察すると,水素Hと結合する際,水素イオン$\ce{H+}$と反応することになるので,一度電子$\ce{e-}$を受け取っています.

つまり,(3)の半反応式では,塩素$\ce{Cl2}$は電子$\ce{e-}$を受け取って塩化物イオン$\ce{Cl-}$になっており,一方の(4)の半反応式では,水素$\ce{H2}$は電子$\ce{e-}$を放出して水素イオン$\ce{H+}$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$\ce{Cu^2+}$と(2)でできた水素イオン$\ce{H2}$によって,塩化水素HClになっているわけです.

したがって,次のように「還元」を定義すれば,「還元」は「水素Hと結合すること」よりも広い場合に意味を持たせることができますね.

[還元] 物質Xが電子を受け取るとき,「Xは還元される」という.

酸化と還元の関係

電子$\ce{e-}$の出入りによって酸化と還元が変わるので,「酸化」と「還元」は(つい)になる反応であることが分かります.

このことから

  • 酸素Oを失う反応は「還元」
  • 水素Hを失う反応は「酸化」

ということになります.

以上のことを表にまとめると以下のようになります.

酸化と還元
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$\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}$は,

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

の2つの半反応式の合成と見ることができました.

このように,電子$\ce{e-}$を放出するなら半反応式の右辺に電子$\ce{e-}$が現れ,電子$\ce{e-}$を受け取る半反応式の左辺に電子$\ce{e-}$が現れます.

半反応式の

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

「公式」とはしましたが,酸化と還元の定義の電子$\ce{e-}$の出入りを考えれば当たり前ですね.

さて,電子$\ce{e-}$を含んだ半反応式の両辺を足すと,電子$\ce{e-}$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$\ce{e-}$が,他方の半反応式には左辺に電子$\ce{e-}$があることになります.

このことから,以下のことも分かります.

酸化反応と還元反応は同時に起こる.

このことも酸化還元反応の基礎なので,しっかりフォローしてください.

半反応式の書き方

酸化還元反応の反応式を求める際には,半反応式が書けることが大切です.

最終的に半反応式は自分で書けるようになる必要がありますが,数ある半反応式を丸暗記するのはよくありません.

ポイントさえ押さえておけばあとは自分で半反応式を書くことができるので,次の記事では半反応式の覚えるポイントと書き方を説明します.

最後までありがとうございました!

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