酸化還元反応５<br>酸化数は８つの原則と２つの例外で求める

一連の記事で説明してきたように酸化還元反応では

電子$\mrm{e^-}$を放出するとき酸化される
電子$\mrm{e^-}$を受け取るとき還元される

というのでした．

さて，これまでの記事では「『どれくらい』酸化されているか？還元されているか？」ということは考えてきませんでした．

実は酸化され具合を示す指標として酸化数というものがあり，酸化数を計算することでどれくらい酸化されたのかを考えることができます．

この記事では

酸化数の求め方
酸化数の具体例

を順に説明します．

「酸化還元反応」の一連の記事

酸化数の基本

大雑把に言えば，酸化数とは大雑把には「各元素がどれくらい酸化しているかの指標」を表すものです．

もう少し詳しく述べれば「物質に含まれる各元素の周囲の電子が，単体の時と比べてどれくらい増減しているか」を表したものです．

一般に酸化数が反応前より反応後の方が酸化数が大きければ元素は酸化された，小さければ元素は還元されたということができます．

酸化数は次の８つの原則と２つの例外により定められます．

[酸化数]　物質の酸化数に関して，次で酸化数を定める．

単体中の元素の酸化数は$0$
化合物中，イオン中の酸素$\mrm{O}$の酸化数は$-2$
化合物中，イオン中の水素$\mrm{H}$の酸化数は$+1$
化合物中，イオン中のハロゲンの酸化数は$-1$
化合物中，イオン中のアルカリ金属の酸化数は$+1$
化合物中，イオン中のアルカリ土類金属の酸化数は$+2$
化合物中のすべての元素の酸化数を足すと$0$
$n$価のイオン中のすべての元素の酸化数を足すと$+n$（$n>0$なら陽イオン，$n<0$なら陰イオン）

ただし，次は例外とする．

過酸化水素$\mrm{H_2O_2}$中の酸素$\mrm{O}$の酸化数は$-1$
陽性の強い金属（主にアルカリ金属，アルカリ土類金属）の水素化物中の水素の酸化数は$-1$

酸化数はプラスでも$+1$, $+2$のように，数の前には必ず$+$が必要です．

酸化数の具体例

具体例を用いて酸化数を考えていきましょう．

単体の酸化数の例

単体（一種類の元素のみからなる物質）なら酸化数は$0$なので

塩素$\mrm{Cl_2}$中の元素$\mrm{Cl}$の酸化数は$0$
酸素$\mrm{O_2}$中の元素$\mrm{O}$の酸化数は$0$
水素$\mrm{H_2}$中の元素$\mrm{H}4の酸化数は$0$
アルミニウム$\mrm{Al}$中の元素$\mrm{Al}$の酸化数は$0$

です．

このように，単体の酸化数は見た瞬間に$0$です．

酸化数の例外

次は例外なので，見た瞬間に答えが出ます．

過酸化水素$\mrm{H_2O_2}$中の元素$\mrm{O}$の酸化数は$-1$，水素$\mrm{H}$の酸化数は原則通り$+1$
水素化ナトリウム$\mrm{NaH}$中の元素$\mrm{H}$の酸化数は$-1$，ナトリウム$\mrm{Na}$の酸化数は原則通り$+1$
水素化マグネシウム$\mrm{MgH_2}$中の元素$\mrm{H}$の酸化数は$-1$，マグネシウム$\mrm{Mg}$の酸化数は原則通り$+2$

です．

このように例外の酸化数も見た瞬間に分かります．

化合物，イオンの酸化数の例

単体でない場合は酸化数の決まっている元素を原則の２〜６でから決定し，残りの元素の酸化数は原則の７と８を用いて求めます．

例１：酸化マンガン(IV)

酸化マンガン(IV)$\mrm{MnO_2}$中のマンガン$\mrm{Mn}$の酸化数を求めよ．

マンガン$\mrm{Mn}$の参加数を$x$とする．

原則２から化合物中の$\mrm{O}$の酸化数は$-2$である．

また，原則７から化合物中の全ての元素の酸化数を足すと$0$となるので，

$\begin{align*}x\cdot1+(-2)\cdot2=0\Ra x=4\end{align*}$

となって，マンガン$\mrm{Mn}$の酸化数は$+4$と分かる．

実は酸化マンガン(IV)のIVは酸化数を表しています．

例２：硫酸

硫酸$\mrm{H_2SO_4}$中の硫黄$\mrm{S}$の酸化数を求めよ．

硫黄$\mrm{S}$の酸化数を$x$とする．

原則２から化合物中の$\mrm{O}$の酸化数は$-2$
原則３から化合物中の$\mrm{H}$の酸化数は$+1$

である．

また，原則７から化合物中の全ての元素の酸化数を足すと$0$となるので，

$\begin{align*}(+1)\cdot2+x\cdot1+(-2)\cdot4=0\Ra x=6\end{align*}$

となって，硫黄$\mrm{S}$の酸化数が$+6$と分かる．

例３：二クロム酸カリウム

二クロム酸カリウム$\mrm{K_2Cr_2O_7}$中のクロム$\mrm{Cr}$の酸化数を求めよ．

クロム$\mrm{Cr}$の酸化数を$x$とする．

原則２から化合物中の$\mrm{O}$の酸化数は$-2$
原則５から化合物中の$\mrm{K}$の酸化数は$+1$

である．

また，原則７から化合物中の全ての元素の酸化数を足すと$0$となるので，

$\begin{align*}(+1)\cdot2+x\cdot2+(-2)\cdot7=0\Ra x=6\end{align*}$

となって，クロム$\mrm{Cr}の酸化数は$+6$と分かる．

なお，「二クロム酸カリウム」の初めの「二」は，カタカナの「ニ」ではなく漢数字の「二」です．つまり，「二クロム」は「２つのクロム」です．

カタカナで「ニクロム」は電気コンロなどに使われる抵抗の大きい熱源です（「ニクロム」という元素はありません）．

例４：過マンガン酸イオン

過マンガン酸イオン$\mrm{MnO_4^-}$中のマンガン$\mrm{Mn}$の酸化数を求めよ．

マンガン$\mrm{Mn}$の酸化数を$x$とする．

原則２から化合物中の$\mrm{O}$の酸化数は$-2$である．

また，原則８からイオン中の全ての元素の酸化数を足すとそのイオンの価数と等しくなるので，

$\begin{align*}x\cdot1+(-2)\cdot4=-1\Ra x=7\end{align*}$

となって，マンガン$\mrm{Mn}$の酸化数は$+7$と分かります．

例１の酸化マンガン(IV)$\mrm{MnO_2}$の酸化数が$+4$だったことを思い出すと，過マンガン酸イオン$\mrm{MnO_4^-}$のマンガン$\mrm{Mn}$の方がより酸化されているということができます．

電池と電気分解

電子$\mrm{e^-}$の受け渡しが起こる化学反応を酸化還元反応というのでしたから，この電子$\mrm{e^-}$をうまく取り出すことができれば電気エネルギーが利用できるようになります．

この発想から酸化還元反応を利用して電子$\mrm{e^-}$を取り出す装置を化学電池といいます．

そこで，酸化還元反応の次の分野として「電池と電気分解」があります．

酸化還元反応が応用される分野でとても面白いので，ぜひ続けて学んでみてください．

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