共通テスト化学基礎の酸化還元｜酸化数と電子の受け渡しで反応量をそろえる｜武蔵野個別指導塾

酸化剤自身の変化と電子数のつり合いを、鉄イオンと過マンガン酸イオンの自作例でたどり、反応量を決める電子収支に迫ります。

酸化剤の名前を見て、「酸化剤自身も酸化される」とメモに書いた場面を考えます。相手を酸化する働きと、自分が受ける変化を同じ向きにしてしまうと、電子の置き場所も反応量も逆になります。相手から電子を受け取る側は、相手を酸化する一方、自身は還元されます。まず変化の前後を並べ、その後で電子の数をそろえましょう。

どの資料から何を決めるか

酸化還元の問題には、いくつかの読み方があります。1つ目は、反応前後の化学式から注目する元素の酸化数を決め、どちらが酸化されたかを選ぶ型です。酸化数の増減を先に調べてから、酸化剤と還元剤の名前を付けます。名前を先に当てはめるより、変化の向きを見失いにくくなります。

2つ目は、電子を含む2つの式を使い、反応する粒子の比を決める型です。片方が出した電子の総数と、もう片方が受け取った電子の総数は等しくなります。1粒子あたりの電子数が違う場合は、式の係数を掛けて総数を合わせます。

3つ目は、与えられた物質量の表から、どちらが余り、生成物がどれだけできるかを判断する型です。電子数をそろえた反応比を物質量に移し、必要な量と実際の量を比べます。このページでは与えられた反応種と電子収支に集中し、電極電位による反応の予測は扱いません。

酸化数と電子を別の言葉で追う

酸化とは電子を失う変化、還元とは電子を受け取る変化です。酸化された粒子は電子を相手に渡すので還元剤として働きます。還元された粒子は相手から電子を受け取るので酸化剤として働きます。「剤」の名前は相手への働きを指し、自身の変化とは向きが反対です。

酸化数は、化合物中の原子の状態を一定の約束で表す数です。単体の元素の酸化数は0、単原子イオンではその電荷に等しくなります。通常、水素は+1、酸素は-2として扱い、各原子の酸化数の合計を粒子全体の電荷に合わせます。酸化数が増加した元素は酸化され、減少した元素は還元されます。酸化数は原子に実際に移った電子の個数そのものとは限りませんが、反応の前後で電子収支を数える手掛かりになります。

例えば Fe²⁺ が Fe³⁺ に変わると、鉄の酸化数は+2から+3に1増えます。Fe²⁺ 1個につき電子1個を失う変化として表せます。図1のように、電子を出す側と受け取る側を矢印で分け、両方の変化を一組として読みます。電子の矢印と「相手を酸化する」という働きの向きを混ぜないことが出発点です。

図1では、還元剤が電子を渡して酸化され、酸化剤が電子を受け取って還元されます。電子は途中で消えず、一方が失った分を他方が受け取ります。酸化数の変化が2倍なら必要な粒子数も常に2倍というわけではありません。1粒子あたりの変化量と、実際に反応した粒子の数を掛けた総数で比較するためです。

イオンの式では、原子の数に加え電荷の合計も左右で一致させます。電子 e⁻ の電荷は-1です。酸性の水溶液で酸素や水素を含む変化を扱うときは、問題で与えられた H⁺ と H₂O を用いて原子数をそろえます。水や水素イオンは、電子の数だけを見て勝手に省いてよいものではありません。

基本例題：鉄イオンと電子の数

自作問題です。酸性の水溶液で、Fe²⁺ が Fe³⁺ に、MnO₄⁻ が Mn²⁺ に変化します。次の2式を用います。Fe²⁺ を 0.010 mol 反応させるのに必要な MnO₄⁻ の物質量を、小数で mol 単位まで求めてください。両方の変化は示された反応で進み、他の反応は起こらないものとします。

Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O

まず鉄の式は、左の電荷が+2、右が+3と-1の合計で+2です。マンガンの式は、左の電荷が-1 + 8 − 5で+2、右も+2です。マンガン原子は両辺に1個、酸素原子は4個、水素原子は8個ずつあります。式そのものが原子と電荷を保存していることを確認できます。

次に酸化数を見ます。MnO₄⁻ ではマンガンの酸化数を x とすると、x + 4 × (-2) = -1 です。したがって x = +7 です。Mn²⁺ では+2なので、マンガン1原子あたり酸化数が5減り、電子を5個受け取ります。鉄は1個につき電子を1個出すので、鉄の式を5倍すれば電子の総数がそろいます。

図2のように、鉄5個が出す電子5個を、過マンガン酸イオン1個が受け取ります。粒子数の比は Fe²⁺ : MnO₄⁻ = 5 : 1 です。同じ比は物質量にも使えます。

求める MnO₄⁻ の物質量を n mol とすると、0.010 : n = 5 : 1 です。よって n = 0.010 ÷ 5 = 0.0020 mol です。単位を付けて答えは 0.0020 mol となります。図2の比を逆に読んで5倍しないよう、電子を5個受け取る1粒子には、電子を1個ずつ出す粒子が5個必要だと文章に戻します。

答えを条件へ戻すと、0.0020 mol の MnO₄⁻ が受け取る電子は 0.0020 × 5 = 0.010 mol です。0.010 mol の Fe²⁺ が出す電子も 0.010 × 1 = 0.010 mol です。両者が一致し、与えられた鉄イオンの量を使い切る関係に戻ります。

2つの式を加えると、5Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8H⁺ → 5Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4H₂O です。電子は左右で相殺されます。左の電荷は 10 − 1 + 8 = +17、右は 15 + 2 = +17 です。鉄5個、マンガン1個、酸素4個、水素8個もそれぞれ保存されています。

量が足りない側から生成量を決める

自作問題です。酸性の水溶液で、基本例題と同じ2式の変化が起こります。Fe²⁺ を 0.018 mol、MnO₄⁻ を 0.0050 mol 用意し、H⁺ は十分にあるものとします。他の反応は起こりません。生成する Mn²⁺ の物質量と、残る MnO₄⁻ の物質量を、それぞれ小数で mol 単位まで求めてください。

反応比は Fe²⁺ : MnO₄⁻ = 5 : 1 です。用意した Fe²⁺ の 0.018 mol を全部反応させるには、MnO₄⁻ が 0.018 ÷ 5 = 0.0036 mol 必要です。実際には 0.0050 mol あるため、Fe²⁺ が先になくなります。MnO₄⁻ は 0.0050 − 0.0036 = 0.0014 mol 残ります。

反応した MnO₄⁻ 1 mol から Mn²⁺ 1 mol が生じるので、生成量は 0.0036 mol です。電子で戻すと、鉄が出す電子は 0.018 mol、反応した MnO₄⁻ が受け取る電子は 0.0036 × 5 = 0.018 mol です。残った分を加えると 0.0036 + 0.0014 = 0.0050 mol となり、初めに用意した量に戻ります。

ここでの分かれ目は、酸化剤の全量が反応したと決める前に、相手が必要量を満たすかを調べることです。もし Fe²⁺ が十分にあり、MnO₄⁻ が先になくなる条件なら、用意した MnO₄⁻ の量を基準に生成量を求めます。どちらが不足するかは名前では決まらず、反応比と初めの量で決まります。水素イオンも不足する条件では、この比較だけでは足りません。この問題では十分にあると与えられています。

間違いを式に戻して直す

「酸化剤だから酸化される」という答えは、酸化剤の役割と自身の変化を混同しています。MnO₄⁻ は Fe²⁺ から電子を受け取り、相手の鉄を酸化します。そのため酸化剤です。一方、自身のマンガンの酸化数は+7から+2に下がるので、MnO₄⁻ 自身は還元されています。

図3のように、名称を読むときは「相手への働き」と「自分の変化」を別の欄に置きます。誤りの原因は名前の後半だけで変化を判定したことです。修正するときは、電子を受け取る矢印を書き、酸化数が減ることも確認します。どちらか一方の記憶が曖昧でも、2つの根拠が一致するかを確かめられます。

別の誤答は、電子を5個受け取る MnO₄⁻ が鉄より5倍必要だとするものです。これは1粒子あたりの電子数を粒子の必要数と取り違えています。鉄1個が出す電子は1個なので、受け取る側1個に対して鉄が5個必要です。図3の役割の区別に加え、粒子数を掛けた電子の総数を左右に書けば、比の逆転を修正できます。

また、MnO₄⁻ 中のマンガンを-1とする誤りは、イオン全体の電荷を原子1個の酸化数にしたことが原因です。酸素4個の合計-8を含め、マンガンと酸素を足して全体の-1に戻します。Mn²⁺ の+2は単原子イオンなので、そのままマンガンの酸化数に使えます。

練習：反応の条件を読み分ける

以下はいずれも自作の条件です。問題を一通り解いてから、後の解答で式と元の量を照合してください。

1. 銅の変化 Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ と、鉄の変化 Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺ を組み合わせます。Cu を 0.014 mol 反応させるとき、必要な Fe³⁺ は何 mol ですか。小数で答えてください。他の反応は起こらず、Fe³⁺ は必要量あります。

2. 酸性溶液で、2I⁻ → I₂ + 2e⁻ と Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻ が進みます。I⁻ 0.030 mol と Cl₂ 0.020 mol を用意したとき、生成する I₂ と残る Cl₂ はそれぞれ何 mol ですか。小数で答えてください。他の反応は起こりません。

3. 酸性溶液で Cr₂O₇²⁻ は Cr³⁺ に変わります。酸素の酸化数を-2とし、クロム原子2個の酸化数は等しいものとします。反応前のクロムの酸化数と、Cr₂O₇²⁻ 1個が受け取る電子の数を整数で答えてください。

4. 酸性溶液で H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O と、2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻ が組み合わさります。H₂O₂ 0.0060 mol がすべて反応するとき、消費した Br⁻ は何 mol ですか。また、H₂O₂ は酸化剤と還元剤のどちらですか。物質量は小数で答え、他の反応は起こらず H⁺ と Br⁻ は十分にあるものとします。

練習の答えと確かめ方

1. 鉄イオンの式を2倍すると、銅原子1個が放出する電子2個を、Fe³⁺ 2個が受け取ります。Cu : Fe³⁺ = 1 : 2なので、必要なFe³⁺は0.014 × 2 = 0.028 molです。銅が出す電子0.028 molと鉄イオンが受け取る電子0.028 molが一致します。全体の式はCu + 2Fe³⁺ → Cu²⁺ + 2Fe²⁺で、左右の電荷はともに+6です。銅と鉄の原子数も保存されています。

2. 電子は両式ですでに2個ずつそろっています。I⁻ 2 mol に Cl₂ 1 mol が必要です。0.030 mol の I⁻ に必要な Cl₂ は 0.030 ÷ 2 = 0.015 mol で、用意した 0.020 mol より少ないため I⁻ が先になくなります。I₂ は 0.015 mol、残る Cl₂ は 0.020 − 0.015 = 0.005 mol です。生成した I₂ のヨウ素原子は 0.015 × 2 = 0.030 mol、塩素は反応した 0.015 mol と残った 0.005 mol の和で初めの 0.020 mol に戻ります。

3. クロムの酸化数を x とすると、2x + 7 × (-2) = -2 です。2x = +12 より x = +6 です。Cr³⁺ では+3なので、クロム原子1個あたり3減ります。1粒子にクロムは2個あるため、受け取る電子は 3 × 2 = 6個です。逆に、各クロムが電子3個を受け取ると+6から+3へ変化し、2原子で6個になることを確かめられます。原子1個の変化と粒子全体の変化を区別する問題です。

4. 両式の電子は2個ずつなので、H₂O₂ 1 mol と Br⁻ 2 mol が反応します。消費量は 0.0060 × 2 = 0.012 mol です。H₂O₂ は電子を受け取るため酸化剤です。Br⁻ 0.012 mol が出す電子は 0.012 mol、H₂O₂ 0.0060 mol が受け取る電子も 0.0060 × 2 = 0.012 mol です。生成する Br₂ は 0.0060 mol で、臭素原子の量は 0.012 mol に戻ります。与えた2式は酸素、水素、臭素の原子数と電荷もそれぞれ左右で一致します。

要点を持ち帰る

酸化は電子を失い、還元は電子を受け取る変化です。 酸化剤は相手を酸化し、自身は還元されます。 原子1個の酸化数の変化に、その原子の個数を掛けます。 失う電子と受け取る電子の総数をそろえて反応比を決めます。 余りがあるときは、先になくなる反応物を基準にします。

答えにたどり着けないときの確認

最初の式が書けない場合は、反応前後のどの元素に注目するかを示し、その元素の酸化数を左右に書いてみます。酸化剤の名前で止まる場合は、電子を受け取る粒子に丸を付け、相手への働きと自身の変化を別々に言葉にします。個別指導で答案を見るときも、正答だけでなく、どの粒子1個あたりの数を書いたかを確かめます。

比を立てた後で止まる場合は、両方の物質量にそれぞれ1粒子あたりの電子数を掛け、等しくなるかを調べます。過不足の問題なら、初めにある量と、反応に必要な量を別の行に書きます。計算が終わったら、生成量や残量を元の条件へ戻します。酸化還元の量は、電子の行き先を最後まで追うと確かめられます。