酸化と還元

酸化と還元は、酸化還元反応の表裏一体の過程です。酸化は電子を失うこと、還元は電子を受け取ることを意味します。ある化学種が電子を失えば、別の化学種がその電子を受け取る必要があるため、この2つの過程は必ず同時に起こります。

酸化還元反応かどうかを最も手早く見分けるには、1つの問いを立てます。どの化学種が電子を失い、どの化学種が電子を受け取ったのか、ということです。電子が明示されていない場合は、酸化数を使って変化を追跡します。

酸化と還元を一言でいうと

まずはこのルールを使いましょう。酸化は電子を失うこと、還元は電子を受け取ることです。

次の半反応式を見ると、そのパターンがはっきりわかります。

$$\mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+} + 2e^-$$

亜鉛は2個の電子を失うので、亜鉛は酸化されています。

$$\mathrm{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \mathrm{Cu}$$

銅イオンは2個の電子を受け取るので、銅イオンは還元されています。

酸化数を使うと酸化還元反応を見抜きやすい理由

多くの酸化還元反応では、電子が独立した粒子として書かれていません。そのような場合、酸化数は記録のための道具として働き、どの原子が実質的に電子密度を失い、どの原子が実質的に電子密度を得ているかを追跡するのに役立ちます。

原子の酸化数が増加すれば、その原子は酸化されています。原子の酸化数が減少すれば、その原子は還元されています。

これは、原子が化合物中にある場合でも成り立ちます。その場合の酸化数は、原子に実際にある電荷というより、形式的な数え方の値であることが一般的です。

例題：亜鉛と銅イオン

次の反応を考えます。

$$\mathrm{Zn} + \mathrm{Cu}^{2+} \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+} + \mathrm{Cu}$$

まず酸化数を見ます。亜鉛は $\mathrm{Zn}$ で $0$ から $\mathrm{Zn}^{2+}$ で $+2$ になるので、亜鉛は酸化されています。銅は $\mathrm{Cu}^{2+}$ で $+2$ から $\mathrm{Cu}$ で $0$ になるので、銅は還元されています。

電子の移動を直接見ることもできます。

$$\mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+} + 2e^-$$ $$\mathrm{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \mathrm{Cu}$$

この2つの半反応式を足し合わせると電子が打ち消し合うため、全体の反応が酸化還元反応であることが確認できます。

この例から、2つの剤もわかります。

• 亜鉛は電子を与えて還元を起こさせるので、還元剤です。
• 銅イオンは電子を受け取って酸化を起こさせるので、酸化剤です。

酸化還元反応でよくある間違い

酸化を「酸素が加わること」と考えてしまう

この覚え方は、よく知られた反応の一部では使えますが、完全な定義ではありません。酸素が出てこなくても、電子を失うか酸化数が増加していれば、その反応は酸化です。

酸化と還元は必ず同時に起こることを忘れる

ある化学種が電子を失うなら、別の化学種がその電子を受け取らなければなりません。反応が酸化だけ、あるいは還元だけを示しているように見えるなら、何かが抜けています。

酸化剤と還元剤を取り違える

酸化剤は還元され、還元剤は酸化されます。名前は、それぞれの化学種が相手に対して何をするかを表しています。

酸化と還元が使われる場面

酸化還元の考え方は、電池、腐食、燃焼、電気分解、細胞代謝で重要です。どの場合でも、役に立つ問いは同じです。電子はどこから出発し、どこへ移るのか、ということです。

そのため、酸化還元は化学の授業で何度も登場します。反応の分類、酸化数、反応式の係数合わせ、そしてエネルギーをやり取りする実際の系を結びつける考え方だからです。

似た反応で練習してみよう

たとえば、次のような反応を考えてみましょう。

$$\mathrm{Mg} + \mathrm{Cl}_2 \rightarrow \mathrm{MgCl}_2$$

自分でやってみましょう。酸化数を割り当て、何が酸化され何が還元されるかを見つけ、さらに酸化剤と還元剤を答えてみてください。