高校化学基礎 酸化還元反応式—相手への作用と自身の変化を反応式で追う｜武蔵野個別指導塾

酸性条件の半反応式を電子数をそろえる過程と酸化剤自身の変化から、相手への作用を示す酸化還元反応式をたどる。

よくあるのは、高校生が酸化剤自身が酸化されると考え、反応式の電子の向きと名前が合わずに止まる場面です。酸化剤という名前は、その物質が相手に及ぼす作用を表します。本人の変化は逆向きです。電子を受け取った粒子と渡した粒子を式の左右で追えば、名前を当てずっぽうで覚えなくても役割を判断できます。

ここでは代表的な反応と、酸性条件で水や水素イオンを使って半反応式を整える方法を扱います。複雑な滴定の計算には進まず、原子数、電荷、電子数が合う式を作るところまで考えます。

問題の形を先に見分ける

1つ目は、反応式から酸化剤と還元剤を選び、それぞれの変化を説明する問題です。反応前後で同じ元素の酸化数を比べます。増えた側が電子を失い、減った側が電子を受け取ります。役割の名前は相手への作用を基準に付けます。

2つ目は、酸性条件で半反応式を完成させる問題です。変化する元素の原子数を合わせ、酸素を水、水素を水素イオンで補い、最後に電荷を電子で合わせます。物質を左右にどちらも足してよいという意味ではなく、足りない側を数えて決めます。

3つ目は、2本の半反応式を組み合わせる問題です。受け取る電子と放出する電子の数を等しくしてから足し、左右に共通する粒子を消します。酸性条件で使える粒子と反応後に残る粒子を区別することが必要です。係数を合わせて終わりにせず、原子と電荷の収支まで戻って確かめます。

相手にすることと自身の変化

酸化は電子を失う変化、還元は電子を受け取る変化です。電子を受け取る物質は、相手から電子を奪って相手を酸化するので酸化剤です。電子を渡す物質は、相手に電子を与えて相手を還元するので還元剤です。図1のように、電子の矢印と、それぞれの物質自身の変化を分けて読みます。

図1では、還元剤から酸化剤へ電子が移ります。還元剤自身は酸化され、酸化剤自身は還元されます。酸化剤の「酸化」は自身の変化の名前ではなく、相手への作用を示します。酸化数で見ても、電子を受け取る側の酸化数は減り、電子を失う側は増えます。

たとえば亜鉛と銅イオンの反応 Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu では、亜鉛の酸化数は0から+2、銅の酸化数は+2から0です。Znは電子を2個失い、Cu²⁺は2個受け取ります。したがってZnが還元剤、Cu²⁺が酸化剤です。反応後のZn²⁺やCuを反応前の役割として答えないよう、何を問われたかも読みます。

半反応式は、この電子の授受を片側ずつ表した式です。電子を受け取る式では電子が左、失う式では右に置かれます。電子は反応全体で受け渡されるため、2本を合わせた最終式には通常残りません。酸性条件ではH⁺とH₂Oを用いて水素と酸素を合わせられますが、何もないところから原子や電荷を消してよいわけではありません。

基本例題：過マンガン酸イオンと鉄イオン

酸性水溶液中で、過マンガン酸イオンMnO₄⁻がMn²⁺に変わり、鉄(II)イオンFe²⁺が鉄(III)イオンFe³⁺に変わります。この反応を表すイオン反応式を最簡整数係数で作り、酸化剤と還元剤をそれぞれ化学式で答えてください。両方の半反応式も示します。

まずMnの変化を書きます。MnO₄⁻中の酸素の酸化数を通常の-2とすると、Mnの酸化数をxとして x + 4 × (-2) = -1、よってx = +7です。Mn²⁺では+2なので、Mnは電子を受け取って還元されます。Mn原子は左右に1個ずつあります。

酸素は左に4個あるので、右に4H₂Oを加えます。右の水素が8個になるため、左に8H⁺を加えます。電荷は左が-1 + 8 = +7、右が+2です。左に5個の電子e⁻を置けば左の電荷も+2になり、次の式になります。

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O

次に鉄の変化を見ます。Fe²⁺からFe³⁺への酸化数は+2から+3へ1増えるので、電子を1個失います。原子数と電荷を確かめると、半反応式は次のとおりです。

Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻

図2のように、Mn側は電子を5個受け取り、鉄側は1個放出します。鉄側の式全体を5倍すると、受け渡す電子の数が一致します。

5Fe²⁺ → 5Fe³⁺ + 5e⁻

この式とMn側を足し、左右の5e⁻を消すと、最終式は次のようになります。

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O + 5Fe³⁺

答えは酸化剤がMnO₄⁻、還元剤がFe²⁺です。左の電荷は-1 + 8 + 5 × 2 = +17、右は2 + 5 × 3 = +17です。Mnは各1個、Feは各5個、Oは各4個、Hは各8個で一致します。Mnが受け取る5個と、5個のFe²⁺が合わせて失う5個も対応します。図2の5倍は鉄の式の全体にかかり、電子の項だけを5倍する操作ではありません。

方向が逆になる半反応式

酸性水溶液中で、二クロム酸イオンCr₂O₇²⁻がCr³⁺に変わり、ヨウ化物イオンI⁻がI₂に変わります。2本の半反応式と、最簡整数係数のイオン反応式を作り、酸化剤と還元剤を化学式で答えてください。

Crは左に2個あるので、右を2Cr³⁺とします。酸素は左に7個なので右に7H₂Oを加え、水素を合わせるため左に14H⁺を加えます。この時点の電荷は左が-2 + 14 = +12、右が2 × 3 = +6です。左に6e⁻を加えると一致します。

Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O

ヨウ素の式では、右のI₂に原子が2個あるので左を2I⁻とします。左の電荷は-2、右のI₂は0です。右に2e⁻を置くと電荷が-2でそろいます。

2I⁻ → I₂ + 2e⁻

ここが分かれ目です。電子は電荷が大きい側に置くので、Cr側では左、I側では右です。電子の位置を決めてから、2本の数をそろえます。ヨウ素側を3倍すると6個の電子を放出します。

6I⁻ → 3I₂ + 6e⁻

2本を足して電子を消すと、次の式です。

Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6I⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3I₂

Cr₂O₇²⁻が酸化剤、I⁻が還元剤です。Crの酸化数は+6から+3に変わり、2原子で電子を計6個受け取ります。Iは-1から0に変わり、6原子で6個を失います。元の条件に戻して数えると、Crは2個、Oは7個、Hは14個、Iは6個ずつです。電荷も左が-2 + 14 − 6 = +6、右が+6です。水とH⁺の位置を逆にした場合は、原子数の段階ですでに一致しません。

誤答を手がかりに戻す

図3のように、酸化剤を「自分が酸化される物質」として選ぶ誤答があります。原因は作用の向きを取り違えることです。電子を受け取る物質を先に特定し、その物質が相手を酸化すると言い直せば修正できます。酸化剤自身について聞かれたら「還元される」と答えます。

図3では電子を受け取る側が酸化剤です。電子を出す側を酸化剤とした場合、両方の自身の変化と名前が入れ替わります。矢印の始点と終点に「失う」「受け取る」を書き、相手への作用を別に確認します。

半反応式で電子を足す側を誤ることもあります。たとえば基本例題のMn側で電子を右に置くと、左の電荷は+7、右は+2からさらに小さくなり、一致しません。原子数が合った後、左右の電荷を数として書き出すと、電子を左に加える必要が見えます。

また、電子の数をそろえるときに電子の項だけを倍にすると、半反応式の原子数や電荷が崩れます。式の両辺のすべての係数を同じ数だけ倍にし、足した後に共通項を消してください。電子を消し忘れた式も、受け渡しの途中を残した状態です。最後に左右の電子を比べ、最終式に残っていないか見ます。

問題に酸性条件が書かれていない場合は、勝手に酸性と決めてH⁺を加えません。反応条件や生成物が不足していれば、その情報を確認する必要があります。原子数や電荷が合うだけで、どんな条件でも反応が起こると結論することもできません。

反応式が与えられたとき、まず左右で変化する元素に印を付けると、傍観しているイオンと電子を授受する粒子を区別しやすくなります。酸化数が変化した原子が複数ある場合には、原子1個あたりの変化量と原子の個数を掛け合わせます。式全体の電子数はその合計です。酸化数の変化だけで係数を決めた後も、酸素や水素、電荷を実際の式に戻して点検します。係数の比が合っていても、共通の約数が残っていれば最簡整数係数に直します。反応前後で原子の種類が変わるわけではないので、ある元素が片側にしか見えないときは、物質の書き落としや化学式の写し間違いも調べます。電荷が合わないときは、係数をイオンの電荷にも掛けたかを確かめます。

練習：粒子の行き先をたどる

次の問題では、指定された反応が進むものとします。係数は最簡整数で答え、役割は反応前の化学式で答えてください。

1. 2Mg + O₂ → 2MgO について、酸化剤と還元剤をそれぞれ1つ選び、MgとOの酸化数の変化を整数で示してください。
2. 酸性水溶液中で過酸化水素H₂O₂が水H₂Oに変わる半反応式を作ってください。H₂O₂は電子を受け取るものとし、係数は最簡整数で答えてください。
3. 酸性水溶液中で過酸化水素H₂O₂が酸素O₂に変わる半反応式を作ってください。H₂O₂は電子を失うものとし、係数は最簡整数で答えてください。
4. 酸性水溶液中で過酸化水素H₂O₂が水になり、スズ(II)イオンSn²⁺がSn⁴⁺になる反応について、半反応式を組み合わせたイオン反応式を最簡整数係数で作り、酸化剤と還元剤をそれぞれ化学式で答えてください。

練習の答えと考え方

1. 酸化剤はO₂、還元剤はMgです。単体のMgとO₂の酸化数はいずれも0、MgOではMgが+2、Oが-2です。Mg原子2個が各2個、計4個の電子を失い、O原子2個が各2個、計4個を受け取ります。元の式に戻すとMgとOは左右に各2個で、受け渡しの数も一致します。

2. H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O です。Oを合わせるため右に水を2個置き、Hを合わせるため左に2H⁺を置きます。左の電荷は電子を加える前は+2、右は0なので、左に2e⁻を加えます。戻して数えるとHは各4個、Oは各2個、電荷は各0です。Oの酸化数は-1から-2に減っています。

3. H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ です。Oはすでに各2個で、左のHを右の2H⁺で合わせます。右の電荷が+2なので、右に2e⁻を置きます。HとOはそれぞれ左右に2個、電荷は左右とも0です。Oの酸化数は-1から0に増え、2原子で電子を計2個失います。同じH₂O₂でも生成物が異なるため、2と3の電子の向きは逆です。

4. H₂O₂側は練習2の式で、スズ側は Sn²⁺ → Sn⁴⁺ + 2e⁻ です。Sn側の左の電荷は+2、右は+4 − 2 = +2です。電子数はともに2なので、そのまま足して消します。

H₂O₂ + 2H⁺ + Sn²⁺ → 2H₂O + Sn⁴⁺

酸化剤はH₂O₂、還元剤はSn²⁺です。元の条件の粒子に戻して調べると、Hは左右に4個、Oは2個、Snは1個です。電荷は左が+2 + 2 = +4、右が+4です。H₂O₂中のO原子2個が計2個受け取り、Snが2個失うため、電子の収支も合います。

覚えておくこと

酸化剤は電子を受け取り、自身は還元されます。
還元剤は電子を渡し、自身は酸化されます。
酸性条件の半反応式は原子数、電荷の順に合わせます。
電子数をそろえて式を足し、共通項を消します。
最後に原子数と電荷を元の条件で確認します。

どこで止まったかを見つける

役割の名前だけを逆に答える場合は、電子を渡す側と受け取る側を指してから、相手への作用を声に出してみてください。電子の位置が決まらない場合は、電子を加える前の左右の電荷を別々に計算します。式を足すところで止まる場合は、倍にする前後の各係数を並べ、電子以外も同じ倍率になったかを見ます。

個別指導では、完成した式を見せてもらうだけでなく、水とH⁺を置いた理由、電子をその側に置いた理由を順に説明してもらうと、修正する場所を特定できます。条件が不明な問題では、どの粒子が生成するか、酸性かどうかを確認する練習も有効です。酸化剤の名前は相手への作用に結び付け、式の中の電子の行き先で確かめられます。