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酸化、還元のマスター方法
- 酸化と還元の基本的な理解方法と諸条件について解説します。
- 酸化数の計算方法や単原子イオン、多原子イオンの酸化数について詳しく説明します。
- 独学で学習している方や理数系が苦手な方でも、酸化、還元をマスターするための学習方法をご紹介します。
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＞単原子イオンの酸化数は電荷数に等しいとのことですが これは金属原子においてすべてありえるという事なのでしょうか？ 絶対とは言い切る自信がないですスイマセン。ただ、その認識で１０中８，９間違いないと思います。たとえば、アルカリ金属はすべて+1 アルカリ土類金属はすべて＋2です。 ＞単体だったらということですよね、HだけOだけなら０ですよね？ Ｈだけが存在してる事はまずありませんが、もしＨだけなら0です。 同様にＨeも０です ＞例えば何かと化合している、２H2Sならー２でいいんですよね？ 「２H2Sならー２でいいんですよね」何が-2なんですか？Ｈが-2なら違います。Ｓは-2で正解ですが。 各原子１個ずつ考えます。あと係数（Ｈ２Ｓの前についてる２）は無視してください。ＨはＨ2であろうと酸化数自体は+1です。計算するときに+2になります（計算方法は後述）。Ｈ２ＳではＨの酸化数が+1、Ｓの酸化数は-2になります。 ＞また化合物中の各原子の酸化数の和は０とはどういう物をいうのでしょうか？ 何かの化学式でたとえていただけるとありがたいです。 化合物の各原子の酸化数をすべて足すと0になると言う意味です。 例 ＫＭｎＯ４ 酸化数Ｋ＝+1 Ｏ＝-2（しかも化合物中に４個あるから計算する時は-8） Mn=+7 ゆえに、和は 1-8+7＝0 アルカリ金属は+1 アルカリ土類は+2 酸素は-2 水素は+1 化合物の各原子の酸化数をすべて足すと0になる これらの法則を利用すれば化合物中物質の酸化数を計算できます。 例えば、ＫＮＯ３のＮの酸化数を求めるには、Ｎの酸化数をＸと置いて。 Ｋ＝+1 Ｏ＝-2（３個あるので-6として計算） Ｎ＝Ｘ 和が０なので 1-6+Ｘ＝0 よって Ｘ＝5 このように計算できます。 ＞多原子イオン中の酸化数の和はイオンの価数に等しいとは どういうものなのでしょうか？ 化合物の各原子の酸化数をすべて足すとそのイオンの価数になると言う意味です。 例 硫酸イオン（ＳＯ４＾-2）では、各原子の酸化数はＯ＝-2（４つあるから計算では-8とする）Ｓ＝6であるため、その和は-8+6＝-2 このように和がイオンの価数等しくなります。 これを利用して化合物中の原子の酸化数を求めれます。 例題 ＨＣＯ３-のＣの酸化数を求めよ Ｈの酸化数は+1、Ｏの酸化数は-2（計算上では-6）、Ｃの酸化数をＸとすると、酸化数 の和は-1になるので 1-6+Ｘ＝-1 Ｘ＝4 この先参考書で出てくると思いますが、この酸化数を計算できると、式を見ただけで何が酸化され何が還元されたか分かるようになりますよ。 あと、半反応式って言うのをこの先勉強することになりますが、これが多分一番難しいと思います。めげずに頑張ってください。 因みにお薦め参考書は「大宮理の化学（理論化学）が面白いほど分かる本」です。
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- htms42
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＞ですね、あと諸条件、 ここから後がよく分かりません。 「諸条件」とは何でしょうか。 ＞何かと化合していたらＨは＋１、Ｏは－２、 これは「酸化数」です。「酸化数」は化合物の中に含まれている元素の酸化の程度を何とか数字で表したいということで考えだされた「便宜的な」数字です。 酸化・還元を電子の移動で考えるという立場と酸素や水素の移動で考えるという立場をつなぐために必要になったものです。電子の移動が関係する場面が出てくる重要な例が電池・電気分解です。従って物が燃えるような反応と電池や電気分解で起こっている化学反応とを1つの枠組みで理解していきたいということのために必要になった数字だということになります。化学結合とか、酸・塩基とは別の話であるとして考えることが必要です。 酸化数とはどういうものかについて説明してみます。 銅線をバーナーで加熱してから炎の外に出すと黒くなっています。表面に酸化銅ができています。 ２Ｃｕ＋Ｏ２⇒２ＣｕＯ この反応では銅が酸化されているという判断は酸素がくっついたというから出てきます。 この時、銅と酸素で起こった変化を別々に考えてみます。 ＣｕはＣｕ^(2+)に変わっています。 Ｏ２はＯ^(2-)に変わっています。 Ｃｕから電子が出て行ってＯ２に渡されるという変化が起こったと考えられます。 Ｃｕ⇒Ｃｕ^(2+)＋２ｅ^- （１） Ｏ２＋４ｅ^－⇒２Ｏ^(2-) （２） 「酸素と化合することと電子が出ていくこととは同じ内容のことではないだろうか」という考えが出てきます。 酸化銅を水素を使って還元します。 ＣｕＯ＋Ｈ２⇒Ｃｕ＋Ｈ２Ｏ（３） （これは先ほどの表面の黒くなった銅線をバーナーの強い炎の中に入れるときれいな銅に戻っていくことが観察されることで確かめることができます。・・・都市ガスの成分は水素Ｈ２ではなくメタンＣＨ４ですが同じような反応が起こっているとして下さい。） この場合、Ｃｕイオンは元のＣｕに戻るのですから電子が再び入ってきたことになります。 Ｃｕ^(2-)＋２ｅ^-⇒Ｃｕ （４） 単原子イオンについては酸化・還元と電子の移動の対応は分かりやすいものになっています。 酸化：電子が出ていく 還元：電子が入ってくる ところがこの立場で見てみると酸素も変化していることも分かります。 式（２）でＯ２は電子を貰ってＯ^(2-)に変わっています。「酸素は還元されている」と考えなくてはいけなくなります。これは酸素の移動で酸化・還元を表現する立場では考えていない事です。一歩踏み出していることになります。 式（３）で考えます。Ｃｕ^(2+）が電子を貰ったのであれば残りの物質から電子が出ていなければいけません。 無理に分離して考えます。 Ｏ^(2-)＋Ｈ２⇒Ｈ２Ｏ+２ｅ^- （５） になります。 この式で電子はどこから出てきたのでしょう。 Ｏ^(2-)から来たとも考えることもできるでしょうがＨ２から出てきたとも考えることができます。よく分かりません。よく分からなくてもこの式は成り立っています。 よく分からないというままでは不便ですから何とか基準を設けて変化の主になっている元素がどれかが分かるようにしたいですね。そこで出てくるのが「酸化数」です。だから「酸化数」はこう考えましょうという「基準がなければ決められない数字」なのです。実験や観察で決められたものではありません。原理でもありません。（酸化数の規則を原理のように受け取っている高校生がたくさんいます。だから酸化数の規則からイオンの価数も求めることができると思ってしまうようです。でもこれはできません。イオンの価数に合わせて酸化数を決めるのです。イオンの価数の決まり方の方が先です。イオンの価数は酸化数とは別の原理で決まるものです。） 単原子イオンであれば電子の移動の判断は分かりやすかったのですから「イオンではない分子に対してもイオンのような扱いをしよう、そうすれば電子の移動の判断ができるようになる」というものです。 「化合物中のＨの酸化数を＋１、Ｏの酸化数を－２とする」というのは化合物の中のＨ，Ｏをイオンであると仮に考えたらという時の数字です。化合物の中の原子に対して電荷を割り振るのですから酸化数の合計は元々の全体の電荷に一致していなければいけません。中性の分子に対して当てはめた場合は０になります。多原子イオンに対して当てはめたのであればそのイオンの価数に一致していなければいけません。単体は同じ元素が集まっているのですから皆性質は同じはずです。イオンとみなすということができません。酸化数が０というのはイオンではない（イオンであるとはみなすことはできない）ということです。 単体の酸化数は０とするというのは金属であるか、非金属であるかには関係しません。単体を基準にして電子の移動を考えていくのです。 酸化数の変化している元素があればその元素が電子の授受の主役になっているだろうと考えることになります。 こういう基準で考えると式（５）では電子は酸素イオンから出てきたのでなくてＨ２から出てきたとみなすことになります。Ｏの酸化数は変わっていませんがＨの酸化数は変化しています。式（３）で還元の主役がＨ２だというイメージとも合います。Ｈ２は銅イオンが還元されたことの跳ね返りで酸化されてしまったと考えることともうまく合います。しかしＨ２がＨ２Ｏに変わったからと言ってイオンになったわけではありません。Ｈ２⇒２Ｈ^+＋2e^-と書くのは「？」です。酸化数は結合についての判断ではありません。式（５）はそのままの方がいいのです。 水溶液中の反応でよく出てくる ４ＯＨ^-⇒２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ^- という反応もこういう立場のものです。 酸化数の変化はＯで起こっていますが式としては実際に存在するイオンのままで書いています。 ＞また化合物中の各原子の酸化数の和は０とはどういう物をいうのでしょうか？ 何かの化学式でたとえていただけるとありがたいです。 ＞ 多原子イオン中の酸化数の和はイオンの価数に等しいとは どういうものなのでしょうか？ 上の例ではＨ＝＋１， Ｏ＝－２という酸化数は 中性の分子Ｈ２Ｏ、１－の電荷を持つイオンＯＨ^-に対して矛盾のないものになっています。矛盾しないように電荷を割り振ったのです。 これを手掛かりに酸化数の考えをＨ，Ｏ以外の元素に対しても当てはめて行きます。 Ｈ２Ｓであれば、全体＝０、Ｈ＝＋１を当てはめるとＳ＝－２が出てきます。 ＳＯ２であれば，全体＝０、Ｏ＝－２を当てはめるとＳ＝＋４になります。 ＳＯ２を水に溶かした時にできる物質Ｈ２ＳＯ３は，全体＝０、Ｈ＝１、Ｏ＝－２を入れるとＳ＝＋４が出てきます。ＳＯ２を水に溶かすとＨ２ＳＯ４ができる反応では酸化数の変化する元素がありません。酸化・還元反応ではないという判断が可能になります。 よく似た化合物に硫酸Ｈ２ＳＯ４があります。同じように計算するとＳ＝＋６が出てきます。 硫酸は強い酸性を示す物質です。化合物もたくさんあります。その場合ＳＯ４^(2-)というイオンになります。このイオンの中のＳの酸化数は＋６です。Ｈ２ＳＯ４の中のＳの酸化数と同じです。 Ｈ２ＳＯ４＋２ＮａＯＨ⇒Ｎａ２ＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ という中和反応ではＨ２ＳＯ４からＨが離れますので酸化であると考えてしまうかもしれません。 酸化数は「中和反応は酸化・還元反応ではない」という判断をするために有効な数字であるとも言うことができます。 長くなりましたが参考書の代わりに読んで下さい。 酸化数は高校生だけでなくて大学生や、中学、高校の先生でも誤解している人がかなりいます。 酸化数と原子価を混同している人もいます。 資格試験の解説書の中に硫酸の中のＳの原子価は＋６であると書いてあるのを見た事があります。 炭素は４＋のイオンになると書いてある本もあります。 中学校でそのように習ったと言っていた生徒もいます。 ４＋の炭素イオンなど存在しません。 過酸化水素Ｈ－Ｏ－Ｏ－Ｈの中の酸素はＯ－Ｏという結合を持っています。この部分は単体の結合と同じです。 Ｈ－[ ]－Ｈとして考えると[ ]の塊について酸化数が－２になります。そこで「Ｏ１つについては酸化数が－１であるとしましょう」という事になります。Ｏの酸化数が－１になるのは例外であると教科書には書かれていますが特殊な例ではありません。結合する相手が変われば酸化数も変わります。Ｈが相手であるかＯが相手であるかで変わるのですからＯとＨが混ざって相手になっていればまた変わってくるのです。チオ硫酸ナトリウムＮａ２Ｓ２Ｏ３の中には結合状態の異なるＳがありますのでＳの酸化数としては２つの数字が出てきます。酢酸の中の炭素でも事情は同じです。
お礼
詳しい説明ありがとうございます、 少し専門的ですがしっかり読み込んでマスターしたいと 思います。（先は長いですが。。。） ご丁寧にありがとうございました。
- nezusuke
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仕事、子育てしながらの独学とのこと 頭が下がる思いです。 以下のところが 分かりやすいと思いましたのでご参考までに。 お身体にはくれぐれもお気をつけて、頑張ってくださいね。
お礼
検索をかけてもなかなか思うようなサイトが見つからなかったのですが こちらはわかりやすそうです。 今日職場にプリントアウトしたものを持参してじっくり読んでみます。 ありがとうございました＾＾
お礼
お礼が遅くなり申し訳ありません。 わかりやすく説明していただきありがとうございます、 ただ私が思った以上に奥深いですね、 しっかり読み込んでいきたいと思います。 どうもありがとうございました。