【化学基礎】酸化と還元を図解で総まとめ—酸化数・酸化剤と還元剤・半反応式・反応式の作り方｜武蔵野個別指導塾

電子の移動と酸化数の変化を3枚の図で整理し、過マンガン酸イオンの半反応式から濃度計算まで4つの例題でたどります。酸化剤と還元剤の名前を、相手への働きと結びつけて判断できます。

よくあるのは、美術室の床のタイルに置いたかばんから化学のノートを取り出し、「酸化された物質が、どうして還元剤なのだろう」と同じ行を読み直すという場面です。「酸化」と「酸化剤」は似た名前なのに、解答では反対側に印がついています。さらに反応式に酸素が見当たらないと、何を根拠に判断すればよいか迷ってしまいます。

この混乱をほどくには、自分に起こった変化と、相手に起こさせた変化を分けて読む必要があります。電子を失った物質は酸化されますが、その電子を相手に渡すことで相手を還元します。この二つは同じ反応の別々の見方です。

酸化還元は、名前を覚えるだけでなく、反応式を組み立てるための単元でもあります。原子の数に加えて電荷を数え、最後に電子の授受をそろえると、長い反応式にも順序が見えてきます。酸化数の判定から半反応式、物質量の計算までを、一つの流れとして確かめていきましょう。

この単元で身につけること

• 酸化と還元を、酸素・水素・電子の三つの見方で説明します。酸素が式に出てこなくても、電子の授受から反応を判断できるようにします。
• 酸化数を決める規則を使い、反応前後の増減を調べます。化学式の右上にあるイオンの電荷と、個々の原子の酸化数を区別することが出発点です。
• 酸化剤と還元剤を、相手に及ぼす働きから選びます。物質の名前だけで決めず、その反応で自身がどう変わったかを根拠にします。
• 半反応式で原子数と電荷をそろえ、電子を消去して全体の式を作ります。酸性条件ではH₂OとH⁺を使う理由も確かめます。
• 反応式の係数比を物質量の比に読み替えます。濃度と体積からmolを求め、電子の数を介して相手の量につなぎます。

前の単元で学んだイオンの電荷、化学反応式の係数、物質量とモル濃度が、この単元の土台です。計算が途中で止まったときには、酸化還元の名前より先に「係数は粒子の個数比であり、molの比でもある」という関係へ戻ると、直す場所を絞れます。

基本の考え方

酸素・水素の出入りから電子の授受へ

酸化は、物質が酸素と化合する変化として学び始めます。たとえば銅が酸素と反応して酸化銅（Ⅱ）になる変化は、2Cu ＋ O₂ → 2CuO と表します。銅は酸素と結びつくので酸化されています。一方、酸化物から酸素が取り除かれる変化は還元です。

酸化銅（Ⅱ）と水素の反応を表す CuO ＋ H₂ → Cu ＋ H₂O では、CuOは酸素を失って還元され、H₂は酸素と結びついて酸化されます。この式だけでも、酸化と還元が同時に起こる様子が見えます。ここでは反応式の読み取りを扱っており、家庭で加熱実験を行う必要はありません。

水素に着目すると、酸化は水素を失う変化、還元は水素と化合する変化として捉えられます。たとえば H₂ ＋ Cl₂ → 2HCl で、Cl₂は水素と化合して還元されています。ただし、酸素や水素の出入りだけでは説明しにくい反応もあります。金属と金属イオンの反応には、酸素も水素も登場しない場合があるからです。

そこで、より広く使える定義が電子の授受です。電子を失うことを酸化、電子を受け取ることを還元といいます。電子1個は負の電荷を持ち、反応式ではe⁻と書きます。Zn → Zn²⁺ ＋ 2e⁻ は亜鉛が電子を2個失う酸化、Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu は銅（Ⅱ）イオンが電子を2個受け取る還元です。

図1のように、電子を出す側と受け取る側は一組になります。二つの式を足すと電子が打ち消され、Zn ＋ Cu²⁺ → Zn²⁺ ＋ Cu となります。電子が消滅するという意味ではなく、片方から出た電子がもう片方に受け取られ、全体の式には残らないという意味です。図の矢印は授受の向きを示す模式的な表現で、電子が溶液中をこの線のとおりに進むことを表してはいません。

酸化数は原子ごとに変化を追うための数

酸化数とは、物質中の原子について、電子の偏りを一定の規則に従って数値で表したものです。共有結合では、共有電子対を電子を引きつける力が強い原子にすべて割り当てたと考えて決めます。実際に各原子がその値の電荷を持つという意味ではありませんが、反応前後で比べると酸化と還元を整理できます。

基本の規則は、単体中の原子の酸化数は0、単原子イオンの酸化数はイオンの電荷に等しい、というものです。CuもO₂中のOも0です。Fe²⁺中のFeは＋2、Cl⁻中のClは−1になります。単体は原子が1個で存在するものだけではありません。O₂のような分子からなる単体にも0の規則が当てはまります。

化合物中のHはふつう＋1、Oはふつう−2です。そして電気的に中性の化合物では、構成する原子の酸化数の総和は0になります。H₂SO₄中のSの酸化数をxとすれば、2×（＋1）＋x＋4×（−2）＝0 なのでx＝＋6です。式中の2や4は原子の個数であり、酸化数に掛けて合計します。

多原子イオンでは、酸化数の総和がイオン全体の電荷に等しくなります。SO₄²⁻なら x＋4×（−2）＝−2 で、Sは＋6です。右上の2−はイオン全体の電荷ですから、Sの酸化数を−2と決めることはできません。MnO₄⁻なら x＋4×（−2）＝−1 となり、Mnは＋7です。

「ふつう」という条件にも注意が必要です。過酸化水素H₂O₂では、Hを＋1として総和を0にするとOは−1になります。NaHのような金属の水素化物では、Naが＋1なのでHは−1です。すべての物質にH＝＋1、O＝−2を機械的に当てはめず、単体か化合物か、例外に当たらないかを先に確認します。

酸化数が増える変化が酸化、減る変化が還元です。Znの0 → ＋2は酸化、Cuの＋2 → 0は還元となり、電子による定義と一致します。酸化数は符号つきの数なので、−2 → 0も増加です。絶対値の大小ではなく、数直線上でどちらへ進んだかを考えると判断が安定します。

酸化剤と還元剤は相手への働きで呼ぶ

酸化剤は相手を酸化する物質で、自身は電子を受け取って還元されます。還元剤は相手を還元する物質で、自身は電子を失って酸化されます。図1の反応ではCu²⁺が酸化剤、Znが還元剤です。「自分が還元されたから還元剤」とすると、名前の向きが逆になってしまいます。

代表的な酸化剤には、酸性条件で用いる過マンガン酸カリウムや過酸化水素があり、代表的な還元剤には亜鉛などの金属や鉄（Ⅱ）イオンがあります。ただし、一つの物質がいつも同じ役割を持つとは限りません。過酸化水素は相手に応じて酸化剤にも還元剤にもなります。

H₂O₂からH₂Oになると、Oの酸化数は−1から−2へ減少するので、H₂O₂は酸化剤です。H₂O₂からO₂になると、Oの酸化数は−1から0へ増加するので、H₂O₂は還元剤です。役割を問われたら、反応後の物質まで読んでから答えます。同じ化学式を見つけたというだけでは、判定の根拠が足りません。

例題で解き方を確かめる

例題1　酸化数から酸化剤と還元剤を選ぶ

CuO ＋ H₂ → Cu ＋ H₂O について、CuとHの酸化数の変化を求め、酸化剤と還元剤を答えます。電子が式に書かれていない反応でも、酸化数を付ければ授受を読み取れます。

1. CuO中のOを−2とし、総和が0になるようにCuを＋2と決めます。生成物のCuは単体なので0です。Cuは＋2から0へ減少しており、還元されています。
2. H₂中のHは単体なので0、H₂O中のHは＋1です。Hは0から＋1へ増加しており、酸化されています。H₂にはH原子が2個あるので、H₂全体で失う電子は2個分です。
3. 自身が還元されたCuOを酸化剤、自身が酸化されたH₂を還元剤とします。問いが「物質」を求めているので、変化した元素名だけでなく反応物の化学式で答えます。

答え：Cuは＋2 → 0、Hは0 → ＋1、酸化剤はCuO、還元剤はH₂です。

この反応ではOの酸化数は前後とも−2です。酸素原子が別の物質へ移ったからといって、酸素自身の酸化数が変わるとは限りません。どの原子を追っているのかを、途中で入れ替えないことが大切です。

例題2　酸性条件で半反応式を作る

酸性水溶液中で、MnO₄⁻がMn²⁺へ変化する半反応式を作ります。半反応式は、酸化または還元の片方を、電子を含めて表した式です。ここでは十分なH⁺が存在する酸性条件を前提とし、別の液性での反応へそのまま流用しません。

1. 変化する中心の原子をそろえ、MnO₄⁻ → Mn²⁺ と書きます。Mn原子は両辺に1個ずつあるので、ここでは係数を変える必要がありません。
2. O原子をH₂Oでそろえ、MnO₄⁻ → Mn²⁺ ＋ 4H₂O とします。左辺のO原子4個に対し、右辺にもO原子を4個置くためです。
3. H原子をH⁺でそろえ、MnO₄⁻ ＋ 8H⁺ → Mn²⁺ ＋ 4H₂O とします。右辺の4H₂OにはH原子が8個あるため、左辺にも8個分を加えます。
4. 最後に電荷をe⁻でそろえます。左辺の電荷は−1＋8＝＋7、右辺は＋2です。左辺に5e⁻を加えれば、左辺も＋2になります。

答え：MnO₄⁻ ＋ 8H⁺ ＋ 5e⁻ → Mn²⁺ ＋ 4H₂O です。

Mnの酸化数は＋7から＋2へ5だけ減少するので、受け取る電子が5個であることを別の方法でも確かめられます。図2のように、この半反応式をほかの酸化の半反応式と組み合わせるには、両方の電子数を同じにします。OやHの数を合わせる段階では電荷がそろっていなくてもかまいませんが、完成した式では原子数と電荷の両方が一致しなければなりません。

例題3　二つの半反応式から全体の式を作る

酸性条件で、MnO₄⁻とFe²⁺が反応してMn²⁺とFe³⁺になるイオン反応式を作ります。イオン反応式とは、反応に直接関わるイオンなどを使って表す反応式です。例題2の式と、Fe²⁺の変化を組み合わせます。

1. Fe²⁺ → Fe³⁺ ＋ e⁻ と書きます。Feの酸化数は＋2から＋3へ1だけ増加するので、Fe²⁺1個が電子1個を出します。右辺の電荷も＋3−1＝＋2で、左辺と一致します。
2. Feの半反応式全体を5倍して、5Fe²⁺ → 5Fe³⁺ ＋ 5e⁻ とします。MnO₄⁻1個が受け取る5個の電子を供給するには、Fe²⁺が5個必要だからです。
3. 二つの式を足し、両辺に現れる5e⁻を消します。係数を掛けるときは電子だけでなく、Fe²⁺とFe³⁺の係数も同時に5倍します。
4. Mn、Fe、O、Hの数と電荷を確認します。原子数は両辺ともMnが1個、Feが5個、Oが4個、Hが8個です。電荷は左辺が−1＋8＋10＝＋17、右辺が＋2＋15＝＋17で一致します。

答え：MnO₄⁻ ＋ 8H⁺ ＋ 5Fe²⁺ → Mn²⁺ ＋ 4H₂O ＋ 5Fe³⁺ です。

全体の式ではMnO₄⁻が酸化剤、Fe²⁺が還元剤です。図2の左右を結びつけると、MnO₄⁻とFe²⁺の係数比1：5は、受け取る電子と失う電子の数から決まったことがわかります。この比を、次の量的関係でもそのまま使います。

反応物が過マンガン酸カリウムKMnO₄、硫酸鉄（Ⅱ）FeSO₄、硫酸H₂SO₄として与えられた場合は、反応に直接関わらなかったK⁺やSO₄²⁻を戻します。イオン反応式を2倍するとK⁺が2個となり、生成物をK₂SO₄、MnSO₄、Fe₂(SO₄)₃としてまとめられます。物質の式で表した反応式は、2KMnO₄ ＋ 10FeSO₄ ＋ 8H₂SO₄ → K₂SO₄ ＋ 2MnSO₄ ＋ 5Fe₂(SO₄)₃ ＋ 8H₂O です。

この式では、左辺の硫酸イオンに当たるまとまりが10＋8＝18個、右辺が1＋2＋15＝18個です。KやSも含めて保存されているかを最後に確認します。イオン反応式を求める問題なら、その式で解答は完成しており、物質の式に直す必要はありません。

例題4　電子の授受から濃度を求める

濃度が未知のFe²⁺水溶液20.0 mLを十分に酸性にし、0.0200 mol/LのKMnO₄水溶液12.0 mLとちょうど反応させました。Fe²⁺のモル濃度を求めます。ほかに酸化還元反応をする物質は含まれず、反応は例題3の式に従って完全に進むものとします。

1. 体積をLに直します。12.0 mL＝0.0120 Lです。濃度の分母がLなので、mLの数値をそのまま掛けないようにします。
2. MnO₄⁻の物質量を求めます。KMnO₄の式量単位1個につきMnO₄⁻は1個なので、0.0200 mol/L × 0.0120 L＝0.000240 molです。
3. 係数比1：5を使い、Fe²⁺の物質量を求めます。0.000240 mol × 5＝0.00120 molです。濃度を5倍するのではなく、反応した物質量を5倍しています。
4. 元の試料の体積0.0200 Lで割ります。0.00120 mol ÷ 0.0200 L＝0.0600 mol/Lとなります。問われているのは元の水溶液の濃度なので、酸を加えた後や反応後の全体積は使いません。

答え：Fe²⁺のモル濃度は0.0600 mol/Lです。

与えられた濃度と体積が有効数字3桁なので、答えも3桁で表しています。係数5は測定値ではなく正確な個数比です。この計算では物理定数は用いず、教科書で使う単位換算1 L＝1000 mLと、反応式の係数比を用いています。電子の物質量で見直すと、MnO₄⁻側は0.000240×5＝0.00120 mol、Fe²⁺側は0.00120×1＝0.00120 molとなり、授受が一致します。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　イオン全体の電荷を原子の酸化数にする

誤った書き方は「MnO₄⁻だからMnの酸化数は−1」です。どこが違うかというと、右上の−はMnとOを合わせたイオン全体の電荷を示しており、Mnだけの値ではありません。正しい書き方は「Mnをxとすると x＋4×（−2）＝−1、したがってx＝＋7」です。

この誤りは、単原子イオンの規則を多原子イオンにも直接使ったときに起こります。Fe³⁺ならFeだけで＋3ですが、MnO₄⁻にはO原子も含まれます。まず化学式の中に何種類の元素があるかを確認し、総和の式を1行置くと、符号の取り違えを減らせます。

誤り2　自身が酸化された物質を酸化剤と呼ぶ

誤った書き方は「Znは電子を失って酸化されたので、酸化剤です」です。どこが違うかというと、酸化剤という名前は自身の変化ではなく、相手を酸化する働きに付いています。正しい書き方は「Znは電子を渡して相手を還元するので、還元剤です」です。

図3の上段では、Znの酸化数が0から＋2へ上がるほど、自身は酸化され、役割は還元剤となります。下段ではCuの酸化数が＋2から0へ下がり、自身は還元され、Cu²⁺の役割は酸化剤となります。「酸化数の増減 → 自身の変化 → 相手への働き」の順で言葉をつなげれば、名称だけを入れ替えて暗記する必要がなくなります。

誤り3　原子数だけ合わせて半反応式を完成とする

誤った書き方は「Fe²⁺ → Fe³⁺」を完成した半反応式として扱うことです。どこが違うかというと、Fe原子の数は合っていますが、左辺の電荷＋2と右辺の電荷＋3が一致していません。正しい書き方は「Fe²⁺ → Fe³⁺ ＋ e⁻」で、右辺の電荷を＋2にそろえます。

電子を加える側に迷ったら、酸化だから右、還元だから左という対応と、電荷の合計の両方で確認します。電子は負なので、加えた側の電荷の合計は小さくなります。「足すのだから電荷も増える」と考えないようにしましょう。さらに全体の式にした後もe⁻が残っていたら、二つの半反応式の電子数がそろっていない可能性があります。最小公倍数で係数を決め、式全体を倍にするところへ戻ります。

練習問題

練習1　酸化数の規則を使う

H₂SO₄中のS、SO₄²⁻中のS、H₂O₂中のO、O₂中のOの酸化数を求めてください。H₂O₂のHは＋1として考え、各物質の総和が0になるのか、イオンの電荷になるのかも区別します。

練習2　電子を含む式を完成させる

AlがAl³⁺になる半反応式と、Cl₂がCl⁻になる半反応式を作り、電子を消去して全体の式を求めてください。さらに酸化剤と還元剤を答えます。Cl₂の右辺には、Cl原子が2個分必要であることに注意します。

練習3　過酸化水素の二つの役割を比べる

酸性条件での次の変化について、H₂O₂が酸化剤か還元剤かを答えてください。アは H₂O₂ ＋ 2H⁺ ＋ 2e⁻ → 2H₂O、イは H₂O₂ → O₂ ＋ 2H⁺ ＋ 2e⁻ です。Oの酸化数の変化を、判定の根拠として添えます。

練習4　反応した物質量から濃度を求める

Fe²⁺水溶液25.0 mLが、十分な酸性条件で0.0100 mol/LのKMnO₄水溶液15.0 mLとちょうど反応しました。ほかに反応する物質がないとき、元のFe²⁺水溶液のモル濃度を求めてください。途中でMnO₄⁻とFe²⁺の物質量をそれぞれ書きます。

答えと解説

練習1の答えは、順に＋6、＋6、−1、0です。H₂SO₄では2×（＋1）＋6＋4×（−2）＝0、SO₄²⁻では6＋4×（−2）＝−2となります。H₂O₂では2×（＋1）＋2×（−1）＝0です。O₂は単体なので、化合物中のOの規則を使いません。

練習2の半反応式は Al → Al³⁺ ＋ 3e⁻ と Cl₂ ＋ 2e⁻ → 2Cl⁻ です。前者を2倍、後者を3倍すると電子が6個でそろい、全体は 2Al ＋ 3Cl₂ → 2Al³⁺ ＋ 6Cl⁻ となります。物質の式で表せば 2Al ＋ 3Cl₂ → 2AlCl₃ です。電子を受け取るCl₂が酸化剤、電子を失うAlが還元剤です。

練習3は、アが酸化剤、イが還元剤です。アではOの酸化数が−1から−2へ減り、H₂O₂自身が還元されています。イでは−1から0へ増え、自身が酸化されています。電子の位置もアでは左辺、イでは右辺なので、酸化数による判定と一致します。

練習4の答えは0.0300 mol/Lです。MnO₄⁻は0.0100 mol/L × 0.0150 L＝0.000150 mol、Fe²⁺はその5倍の0.000750 molです。0.000750 mol ÷ 0.0250 L＝0.0300 mol/Lと求めます。末尾の0を省くと有効数字の示し方が変わるため、与えられた測定値に合わせて3桁で表します。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

酸化還元で電子を出す側と受け取る側を区別できると、次に学ぶ電池で、どちらの電極から電子が出るかを考えやすくなります。金属の反応性を比べるときも、金属が電子を失って陽イオンになりやすいかという見方が役立ちます。まずは溶液中のイオンと、金属の単体を区別して読むことが準備になります。

家庭で5分あれば、二つの紙上確認ができます。一つ目は、H₂、H₂O、H₂O₂を並べ、HとOの酸化数を書いて総和を確認することです。二つ目は、例題3の式を隠し、Fe²⁺の半反応式を何倍すればMnO₄⁻の式と組み合わせられるかを説明することです。答えの係数だけでなく、「電子が5個でそろうから」と言葉にしてみましょう。

個別指導で確かめるときは、酸化数が決まらなければ単原子イオンと多原子イオンの違いまで戻り、量の計算で止まればmol/LとLの掛け算まで戻ります。お子さまのノートを見る保護者の方も、正解かどうかに加えて、どの段階の根拠まで書けているかを見ると、次に確かめる箇所を共有しやすくなります。

まとめ

長い反応式を見たとき、最初からすべての係数を当てようとすると、酸素、水素、電荷が一度に目に入ります。まず変化した原子を選び、片方ずつ整え、電子の数が合うところでつなぐと、確認すべき対象は順番に減っていきます。

「5倍にする」と書いた横に「受け取る5個と渡す5個をそろえる」と添えられれば、その係数は覚えた数字から説明できる数字へ変わります。酸化還元の反応式を決めるのは、失う電子と受け取る電子が同じ数になるという約束です。