酸化還元反応５｜酸化数は８つの原則と２つの例外で求める

酸化還元反応の一連の記事の最後として，「酸化数」を説明しておきます．

酸化還元反応が起こったとき，電子$\ce{e-}$の移動で酸化と還元を判断してきたわけですが，これは電荷の移動が酸化還元反応の根底にあるということになります．

よって，反応の前後で元素がもつ電荷を比べることにより，酸化されたか還元されたかを判断することができます．

ざっくり言えば，「酸化数」は元素のもつ電荷を定めたもので，この「酸化数」を反応の前後で比較することにより，元素が酸化されたのか，還元されたのかということを判断することができます．

この記事では酸化数の求め方について書きます．

酸化数の基本

大雑把に言えば，酸化数とは「物質に含まれる各元素が，どれだけ酸化しているかを表した数」です．

もう少し正確に言うと，「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」の指標ですが，単に「各元素がどれくらい酸化しているかの指標」と思っておけばほとんど問題はありません．

酸化数は各物質を構成する各元素について決定でき，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みることができます．

原則と例外

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．

酸化数はプラスでも「+1」「+2」のように数の前に必ず「+」が必要です．

酸化数の表記

さて，これまで酸化銅(II)や酸化マンガン(IV)などとローマ数字(IIやIV)がついた化学式を黙って使ってきました．

実は，このIIやIVは酸化数を表しています．

上の[原則と例外]で書いたようにアルカリ金属やアルカリ土類金属の酸化数は決まっています．

しかし，それ以外の金属の多くで酸化数は変化し，酸化数が変化する金属は酸化数をローマ数字を用いて表すことになっているのです．

例えば，あとで実際に求めますが，酸化マンガン(IV)$\ce{MnO2}$中のマンガンMnの酸化数は+4ですが，過マンガン酸イオン$\ce{MnO4^-}$のマンガンMnの酸化数は+7です．

酸化数の例

それでは，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$\ce{Cl2}$中の元素Clの酸化数は0
• 酸素$\ce{O2}$中の元素Oの酸化数は0
• 水素$\ce{H2}$中の元素Hの酸化数は0
• アルミニウムAl中の元素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と分かります．

化合物，イオンの酸化数の例

酸化数の決まっている元素を[原則2～6]から決定し，残りの元素の酸化数は[原則7]と[原則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)$\ce{MnO2}$中のマンガン元素Mnの酸化数を$x$とする．

• [原則2]から化合物中のOの酸化数は-2

である．[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，

   

となって，マンガンMnの酸化数は+4と分かる．

例２：硫酸

硫酸$\ce{H2SO4}$中の硫黄Sの酸化数を$x$とする．

• [原則2]から化合物中のOの酸化数は-2
• [原則3]から化合物中のHの酸化数は+1

である．[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，

   

となって，硫黄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$\ce{K2Cr2O7}$中のクロムCrの酸化数を$x$とする．

• [原則2]から化合物中のOの酸化数は-2
• [原則5]から化合物中のKの酸化数は+1

である．[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，

   

となって，クロム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．

例４：過マンガン酸イオン

過マンガン酸イオン$\ce{MnO4^-}$中のマンガンMnの酸化数を$x$とする．

• [原則2]から化合物中のOの酸化数は-2

である．[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，

   

となって，マンガンMnの酸化数は+7と分かります．

例１，例４から分かるように，同じマンガンでも酸化数が異なり，これにより酸化されたのか，還元されたのかが判断できます．

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$\ce{H2O2}$中の元素Oの酸化数は-1である．なお，水素Hの酸化数は原則通り+1ある．
• 水素化ナトリウムNaH中の元素Hの酸化数は-1である．なお，ナトリウムNaの酸化数は原則通り+1である．
• 水素化マグネシウム$\ce{MgH2}$中の元素Hの酸化数は-1である．なお，マグネシウムMgの酸化数は原則通り+2である．

酸化数は分かっていれば簡単な計算でも止まりますから，確実に求められるようにして下さい．

電池と電気分解

これで酸化還元反応の基本事項の説明が終わりました．

酸化還元反応の次は「電池と電気分解」の分野に進むことができます．