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東大生が酸化還元反応を解説!酸化数と半反応式をマスターしよう!

はじめに

あなたは化学の勉強は覚えることが多くて大変だと感じていませんか?
もしかすると、学校の授業が退屈すぎて授業中に居眠りしてしまっている人もいるかもしれません。

何を隠そう私も高校時代はそうでした。
酸化還元の授業では教科書やプリントに書いてある反応をただただ暗記して、問題集を解いて計算できるようにして…といった勉強を繰り返していました。
化学ってなんてつまらないんだろうとずっと思っていました。
しかし、大学受験生になって本腰を入れて勉強をし始めると、今までただ単に暗記していた化学式の裏に様々な理論が隠れていることに気付きました。
今回この記事では、単なる暗記に終わらない、酸化還元反応の知っておきたい本質について紹介します。
ポイントは「電子」と「酸化数」にあります!
今まで単純暗記していた半反応式がスラスラ頭に入ってくる勉強のコツについてお教えします!

酸化還元反応とは?

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さて、酸化還元反応の勉強を始める前に、「そもそも酸化還元反応ってなんだっけ?」という定義の部分をしっかりと確認しましょう。

そもそも「酸化」と「還元」って?

酸化還元反応とは名前の通り「酸化と還元を伴う反応」であります。
つまり、この「酸化」と「還元」とはどういうことかが分かれば酸化還元反応を理解したことになります。
それぞれ説明します。

酸化・・・物質が酸素を得る・または水素を失う反応
還元・・・物質が酸素を失う・または水素を得る反応

これだけ聞くと、???となってしまう人が多いはずです。
ここで具体的に酸化還元反応の例を見てみましょう。

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最も身近な酸化還元反応といえば、燃焼反応です。
上に書いたのはメタンCH4の燃焼を表す化学反応式です。
この反応の前と後で炭素原子Cを含む物質に注目してみましょう。

すると、反応前はCH4 だったものが、反応後はCO2になっています。
水素と化合していた炭素は、水素を失って酸素と化合しています。
水素を失って酸素を得ているこの反応は、紛うことなき炭素の酸化反応だと言えます!

また、酸素原子Oについて見てみると、反応前はO2だったものが、反応後はH2Oになっています。
酸素は水素を得ているので、この反応は酸素の還元反応だとも言うことができるのです。

何かの物質が水素を失った時、その水素が何処かに消えてしまうことはありません。
何かが水素を失った時、必ず別の何かが水素を得ているのです。酸素についても同様です。
ある物質が酸化された時、他に還元された物質が存在します。
つまり、「酸化」と「還元」は片方だけでは起こり得ない、必ずセットになって起こる現象なのです。
この1組の現象を伴う反応こそが、「酸化還元反応」なのです。

練習問題として、次の反応式の中で、()に示した元素が酸化されているか還元されているかを答えてみましょう。

①2Cu + O2 →2CuO (Cu)
②N2 + 3H2 →2NH3 (N)

改めて、酸化と還元とは何かについてまとめておきます。

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練習問題の答え
①Cu は酸素を得ているので 酸化
②N は水素を得ているので 還元

電子のやり取り=「酸化数」を理解しよう

ここまで酸化還元反応を、物質が酸素や水素を得たり失ったりする反応だと説明してきました。
実はこの説明は、不十分というか、酸化還元反応の「本質」ではなく「具体例」に過ぎないのです。
いきなり説明されても理解しにくい酸化還元反応のイメージを掴んでもらうために水素と酸素のやり取りを伴う代表的な反応を見てもらいました。

それでは、酸化還元反応の「本質」とはどこにあるのでしょうか?
それは、「電子のやり取り」にあります。

幾つかの原子が集まることで、CH4やO2などの分子が作られています。
本来別の物質である原子たちが1つの分子になるために、これらの原子たちは電子を共有しています。これを「共有結合」と言いました。

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例えば二酸化炭素CO2では、炭素原子とそれぞれの酸素原子が2つずつ電子を共有しています。(上の図の赤い電子)
ここまでは化学基礎の「分子と共有結合」で習っている人ならすんなり理解していただけると思います。ここからがポイントです。
実はこの共有結合では、共有されている電子は2つの原子の真ん中にあるわけではなく、どちらかの原子に引っ張られているのです。
元素ごとに電子を引っ張る力の強さが決まっています(電気陰性度)。この場合だと、酸素のほうが炭素よりもより強く電子を引っ張ります。
そこで「共有している電子は酸素のもの」と捉えてみましょう。

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わかりやすく電子の区切れ目で線を引いてみました。
そうすると、酸素原子は電子を8個、炭素原子は電子を0個持っています。
酸素原子は価電子を6つ持つ原子でした。ここではそれよりも2個多く電子を持っています。
ということは通常と比べて-2の電荷を帯びていることになります。(電子は-1だけ電荷を帯びているのでした。)
一方炭素は4つの価電子を持つ原子なので、+4の電荷を帯びています。
ここで示した、「『通常の原子と比べて』どれだけの電荷を帯びているか」を表す数字を「酸化数」と言います。
実は、酸化還元反応の前後においてはこの「酸化数」が増減します。

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さて、メタンCH4についても同様の図を書くと上の様になります。電気陰性度が炭素C>水素Hのため、共有されている電子は炭素に引っ張られています。
この図を見ると、メタンにおける炭素原子の酸化数は-4だとわかります。

よってメタンが燃えて二酸化炭素になる反応では、炭素の酸化数が-4から+4に変わっています。
酸化反応は「電子を失う=酸化数が増える」反応なのです!

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酸化数は公式からわかる!覚えておきたい酸化数の求め方

酸化数の調べ方さえわかってしまえば、例え水素や酸素が出てこない反応だとしても酸化還元反応かどうかを見抜くことが可能になります。
しかし、酸化数を調べるためにいちいち構造式を書いていては時間が掛かってしまいますし、複雑なイオン等では正しく構造式を書くのも至難の業です。
そんな悩みを解決するために、機械的に酸化数を求めることができる、「酸化数の公式」を紹介します。

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これらの内容が頭に入っていれば、酸化数は機械的に求めることができます。

具体例を見てみましょう。
①硫酸H2SO4 のSの酸化数は?

A.
公式②のcよりOの酸化数は-2
公式②のdよりHの酸化数は+1
求める酸化数をxとすると、
公式①より+1×2+x+(-2)×4=0 なので、x=6
よって求める酸化数は+6

②過マンガン酸イオンMnO4-のMnの酸化数は?

A.
公式②のcよりOの酸化数は-2
求める酸化数をxとすると
公式①よりx+(-2)×4=-1なので、x=7
よって求める酸化数は+7

③硝酸カリウムKNO3 のNの酸化数は?

A.
公式②のaよりアルカリ金属(第一族)であるKの酸化数は+1。
公式②のcよりOの酸化数は-2
Nの酸化数をxとすると、
公式①より1+x+(-2)×3=0なので、x=5
よってKNO3中のNの酸化数は+5

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半反応式を覚えよう

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酸化還元反応を作るためには、「酸化剤」と「還元剤」それぞれの反応を表した式(半反応式)を組み合わせることが必要になります。
酸化剤とは物質を酸化させる物質、すなわち自身は還元される物質のことで、還元剤とは物質を還元させる物質、すなわち自身が酸化される物質になります。

ここまで何度も何度も見てきたとおり、「酸化と還元はセットで起こる」ので、ある物質が酸化剤として働くときの式とある物質が還元剤として働くときの式を組み合わせることで1つの酸化還元反応を作ることができます。

反応前後の物質さえ覚えればOK!

実は、半反応式はどの酸化剤or還元剤が、反応後にどの物質になるかということさえ覚えておけばOKなのです。

例えば、二酸化硫黄SO2は酸化剤として働き硫黄Sになります。これだけの知識から半反応式を作ることができるのです。

①両辺に反応前後の物質を書く
②酸素原子の数を揃えるために、足りない辺にH2Oを足す
③水素原子の数を揃えるために、足りない辺に水素イオンH+を足す
④両辺の電荷を揃えるために、足りない辺に電子e-を足す

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大学入試で使う半反応式一覧!

大学入試で使う酸化剤・還元剤を一覧にしてみました。
先ほど見てきたとおり、反応の前後の物質さえ覚えておけばOKです。

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いくつか気をつけるべきポイントを紹介します。
酸化剤として働くときは酸化数が減る、還元剤として働くときは酸化数が増えます。
そのため酸化剤の式では左辺に、還元剤の式では右辺に電子e-が現れます。

また、過酸化水素H2O2 と二酸化硫黄SO2 は酸化剤としても還元剤としても働きます。
そのため、「酸化剤として働くときはこの物質に」「還元剤として働くときはこの物質に」という風に各々についてしっかりと整理しておくことが大切です。

硝酸は酸化剤として働きますが、濃硝酸か希硝酸かで酸化剤としての式が異なります。
「希硝酸の方が強い酸化剤である」ということをしっかりと覚えておけば大丈夫です。

半反応式から電子e-を消すと酸化還元反応のできあがり

「酸化剤の半反応式と還元剤の半反応式を組み合わせることで酸化還元反応を作る」というのは最初にお話したとおりです。
ここまで半反応式の作り方や覚え方を学んできたあなたに肝心の「酸化還元反応の反応式の作り方」をお教えします。
とは言え難しいことは何もありません。ポイントは次の2つです。

①半反応式から電子e-を消す
②水素イオンH+が何から供給されているかを考える

①半反応式はあくまで酸化還元反応を作るための材料であって、正式な化学反応式ではありません。
そのため半反応式上には電子e-やH+のようなイオンが存在しても問題ありません。
しかし、酸化還元反応は化学反応式なので、イオンや電子が反応式上に登場してはいけないのです。
そこで、ひとまず半反応式から電子e-を消します。
酸化剤の左辺と還元剤の右辺にはそれぞれ電子があるので、これらを何倍かして係数を揃えて足すことで電子を消すことができます。
(そのため、酸化剤や還元剤の半反応式における電子e-の係数が反応の比になります。そのためこの係数が酸化剤や還元剤の価数と呼ばれます。)

②電子の係数を揃えて足すことで電子は消せますが、水素イオンH+は依然として反応式上に残ったままです。
この水素イオンも化学反応式には残せませんから、どうにかして消さなければいけません。
そこで考えることは「この反応で水素イオンはどこから来ているか」ということです。
もし反応液が何らかの酸で酸性になっているとしたら、その酸が電離して水素イオンが発生しています。反応式に書くときには、水素イオンをその出所の酸に戻してあげればよいのです。
例えば硫酸酸性条件だとしたら、水素イオンH+2個を硫酸H2SO4に書き換えましょう。

(+α)どうしてH2OとH+で調整するの?

さて、ここからの内容は少し補足になってしまいます。
半反応式において、酸素と水素の数を合わせるためにH2OとH+をそれぞれ使うことは先程見てきた通りです。
なぜH2OとH+を使って数を合わせるのでしょうか?しかも「足りない分だけ足す」というような大雑把な使い方でも大丈夫なのはなんででしょうか?

それは、「これら2つの物質が水溶液中に無数にある」からです。
水溶液であれば、溶媒として水は大量に存在します。また、水は一部電離して水素イオンになっています。酸であれば水素イオンも大量に存在します。
周囲に無数に存在しているからこそ、これらの物質が数合わせに使えるのです。

センター試験を見てみよう

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平成29年度センター試験 化学 問6

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独立行政法人大学入試センターHPより引用

硫化水素は還元剤なので、この反応では二酸化硫黄は酸化剤として働きます。
それぞれの半反応式は
SO2 +4H+ +4e- → S + 2H2O
H2S →S +2H+ +2e-
です。
ここで、半反応式から電子を消すと
SO2 + 2H2S → 3S +2H2O
という化学反応式ができます。
これより、二酸化硫黄1molに対して硫化水素が2mol反応することがわかります。
硫化水素は0.01×200÷1000mol、二酸化硫黄は14÷1000÷22.4mol存在するので
0.01×200÷1000-14÷1000÷22.4×2=0.00075molの硫化水素が残ります。
よって答えは②になります。

この問題を解くためには、
①硫化水素と二酸化硫黄のそれぞれの半反応式がわかる
②酸化剤の半反応式と還元剤の半反応式から全反応式が作れる
③化学式と与えられた物質量から残った物質量を求めることができる
という3つのステップが必要です。
まずはしっかりと半反応式を覚えておきましょう!

最後に

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酸化還元反応は理論化学の「電池」や「電気分解」範囲だけではなく、無機化学の範囲とも関連する超重要な単元です。
今回紹介した半反応式の覚え方や反応式の作り方をしっかりとマスターして、今後の勉強へと活かしていきましょう!

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この記事を書いた人
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現役で東京大学理科2類に合格しました。いまは教養学部後期課程の4年生です。 得意科目は数学と化学、物理で、理系科目を中心に執筆していますので参考にしていただけると嬉しいです。

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