化学基礎 / 酸化還元反応
酸化と還元の定義
要点整理
酸素の授受による定義
酸化・還元という言葉は、もともと酸素の出入りに注目して定義されました。
- 酸化:物質が酸素と結びつく変化
- 還元:物質が酸素を失う変化
例えば銅を加熱すると空気中の酸素と結びついて酸化銅(Ⅱ)になります。
$\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}$
このとき銅は酸素と結びついているので酸化されたといえます。逆に、酸化銅(Ⅱ)を水素の中で加熱すると、
$\ce{CuO + H2 -> Cu + H2O}$
という反応が起こります。$\ce{CuO}$ は酸素を失って $\ce{Cu}$ に戻っているので還元された、一方の $\ce{H2}$ は酸素と結びついて $\ce{H2O}$ になっているので酸化されたことになります。この例からわかるように、1つの反応式の中で、一方の物質が還元されると同時に、もう一方の物質が酸化されています。
水素の授受による定義
酸素だけでなく水素が関わる反応にも対応できるように、水素の出入りによる定義も使われます。
- 酸化:物質が水素を失う変化
- 還元:物質が水素と結びつく変化
例えば硫化水素とヨウ素の反応、
$\ce{H2S + I2 -> S + 2HI}$
では、$\ce{H2S}$ は水素を失って硫黄 $\ce{S}$ になっているので酸化された、$\ce{I2}$ は水素と結びついて $\ce{HI}$ になっているので還元されたことになります。
電子の授受による定義(最も本質的な定義)
酸素も水素もまったく関わらない反応もあります。例えばナトリウムと塩素が反応して塩化ナトリウムができる反応、
$\ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl}$
には、酸素も水素も登場しません。この反応にも対応できる、最も一般的で本質的な定義が、電子の出入りに注目したものです。
- 酸化:物質が電子を失う変化
- 還元:物質が電子を得る変化
$\ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl}$ を、イオンができる過程として2つに分けて書くと、次のようになります。
$\ce{Na -> Na+ + e-}$
$\ce{Cl2 + 2e- -> 2Cl-}$
ナトリウム原子は電子を1個失って $\ce{Na+}$ になっているので酸化された、塩素分子は電子を2個受け取って $\ce{Cl-}$ になっているので還元されたことになります。
この「電子の授受」による定義は、実は酸素・水素による定義を包み込む、より広い考え方です。酸素は電子を強く引きつける性質(電気陰性度が大きい)をもつ元素なので、物質が酸素と結びつくとき、その物質の原子は酸素側に電子を引かれ、実質的に電子を失ったのと同じ状態になります。逆に水素は電子を引きつける力が弱いので、物質が水素を失うときも、多くの場合その原子は電子を失った状態になります。つまり、酸素の授受・水素の授受という2つの定義は、どちらも「電子の授受」という同じ本質を、別の切り口から見ていたことになるのです。この電子の授受を数値として正確に追跡する方法が、次の単元で学ぶ酸化数です。
酸化と還元は必ず同時に起こる
電子の授受という視点に立つと、重要な事実が見えてきます。ある物質が電子を失うとき、その電子は必ずどこかの物質に渡され、受け取られています。つまり、酸化だけが単独で起こったり、還元だけが単独で起こったりすることは絶対にありません。酸化と還元は常にペアで起こるので、これらをまとめて酸化還元反応と呼びます。
例題
例題1(基本)
問題
次の(1)、(2)の反応において、$\ce{Cu}$ を含む物質(反応前の物質)は酸化されたか、還元されたか、酸素の授受に注目して答えよ。
(1) $\ce{2Cu + O2 -> 2CuO}$
(2) $\ce{CuO + H2 -> Cu + H2O}$
解答・解説を見る
(1) $\ce{Cu}$ は酸素と結びついて $\ce{CuO}$ になっているので酸化された。
(2) $\ce{CuO}$ は酸素を失って $\ce{Cu}$ になっているので還元された。
答え:(1) 酸化された (2) 還元された
例題2(標準)
問題
次の反応が酸化還元反応であることを、電子の授受の観点から説明せよ。また、$\ce{Na}$ と $\ce{Cl2}$ はそれぞれ酸化されたか、還元されたか答えよ。
$\ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl}$
解答・解説を見る
この反応をイオンができる過程として分けて考えると、
$\ce{Na -> Na+ + e-}$
$\ce{Cl2 + 2e- -> 2Cl-}$
となります。$\ce{Na}$ が失った電子を、$\ce{Cl2}$ がそのまま受け取っているので、電子の授受が起こっている酸化還元反応であるといえます。
$\ce{Na}$ は電子を失っているので酸化された、$\ce{Cl2}$ は電子を得ているので還元された。
答え:$\ce{Na}$ は酸化された、$\ce{Cl2}$ は還元された(Naが失った電子をCl2が受け取っている)
例題3(応用)
問題
次の反応について、あとの問いに答えよ。
$\ce{H2S + I2 -> S + 2HI}$
(1) 水素の授受に注目して、$\ce{H2S}$ と $\ce{I2}$ はそれぞれ酸化されたか、還元されたか答えよ。
(2) この反応で、硫黄原子の酸化数は $-2$ から $0$ へ、ヨウ素原子の酸化数は $0$ から $-1$ へ変化することがわかっている。この変化をもとに、電子が実際にはどちらの原子からどちらの原子へ、何個移動したと考えられるか説明せよ。
解答・解説を見る
(1)
$\ce{H2S}$ は水素を失って $\ce{S}$ になっているので酸化された。$\ce{I2}$ は水素と結びついて $\ce{HI}$ になっているので還元された。
(2)
硫黄原子は酸化数が $-2$ から $0$ へ、$2$ だけ増加しています。酸化数が増加するのは電子を失ったときなので、硫黄原子は電子を2個失ったことになります。
一方、ヨウ素原子は酸化数が $0$ から $-1$ へ、$1$ だけ減少しています。ヨウ素は $\ce{I2}$ 分子として2原子分あるので、ヨウ素原子2個で合計 $2$ だけ電子を得たことになります。
したがって、硫黄原子(硫化水素中)が失った $2$ 個の電子を、ヨウ素原子(ヨウ素分子中)が合計 $2$ 個受け取ったと考えられ、水素の授受による判断(硫化水素が酸化された、ヨウ素が還元された)と矛盾なく一致します。
答え:(1) $\ce{H2S}$ は酸化された、$\ce{I2}$ は還元された (2) 硫黄原子からヨウ素原子(2個)へ、合計2個の電子が移動したと考えられる
練習問題
問題
次の反応において、酸化された物質と還元された物質を、それぞれイオンまたは化学式で答えよ。
$\ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}$
答え
酸化された物質:$\ce{Zn}$($\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}$)。還元された物質:$\ce{Cu^2+}$($\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}$)