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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」の基礎にもなっています.

しかし,一度真剣にやれば意外と理論は簡単に身に付く分野なので,是非とも腰を据えて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,$\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}$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」と言います.

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.

また,塩素$\ce{Cl2}$と水素$\ce{H2}$が化合して,$\ce{Cl2 + H2 -> 2HCl}$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

先ほど見た,銅Cuが酸化される化学反応$\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}$と,塩素$\ce{Cl2}$が還元される化学反応$\ce{Cl2 + H2 -> HCl}$をもう一度考察します.

酸化

銅が酸化される化学反応$\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}$は,次の2つの反応の合成と見ることができます.

\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,ここでは「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が電子を放出するとき,「Xは酸化される」という.

還元

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.

塩素$\ce{Cl2}$が還元される化学反応$\ce{Cl2 + H2 -> HCl}$は,次の2つの半反応式の合成と見ることができます.

\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.

酸化還元のまとめ

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

実際,これらは正しく,酸化と還元について,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

このことは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.

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.

最後までありがとうございました!

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