高校化学基礎 酸化数と酸化還元—電子の移動と酸化数の増減を対応させる｜武蔵野個別指導塾

過酸化水素や水素化物の例外を確かめ、酸化数の和と変化量から、電子の授受と酸化・還元の対応を読み取ります。

よくあるのは、酸化数が減る変化を酸化と呼び、反応式の横で手が止まるという場面です。数字の大小と、電子を受け取る向きが頭の中で入れ替わると、相手側の変化も逆にしてしまいます。まず反応の前後で同じ元素を探し、符号を含めた数の変化を書きます。そのうえで電子の授受と照らせば、名前を暗記するだけでは見えなかった対応をたどれます。

問題文のどこを見て始めるか

出方の1つは、化学式の中の指定された元素について酸化数を求める型です。化合物全体の酸化数の和は0、イオン全体ではその電荷に等しいという関係を使います。先に求められる元素の値と原子の個数を書き、残る値を文字で置きます。添字を見落とすと、立てる式の段階からずれます。

もう1つは、反応前後の酸化数を比較し、どの元素が酸化され、どの元素が還元されたかを選ぶ型です。反応式の係数は原子の数をそろえるために読みますが、元素1原子あたりの酸化数そのものには掛けません。反応の前と後で、同じ元素どうしを線で結んで比べます。

さらに、酸素や水素の出入りと酸化還元を結びつける記述もあります。酸素を受け取る変化は酸化、酸素を失う変化は還元です。水素を失う変化は酸化、水素を受け取る変化は還元です。ただし、酸素や水素が登場しない反応にも酸化還元はあります。その場合も使える見方が電子と酸化数です。

符号を含めて数の向きを読む

酸化数は、結合している電子を一定の規則で割り当てたときに、各原子に付ける帳簿上の数です。単原子イオンでは電荷と同じですが、共有結合を含む物質でも形式的に付けるので、いつも実際の電荷を表すとは限りません。化学式全体の電荷と、各原子に付ける酸化数を区別します。

基本規則は次のように整理できます。単体中の原子は0です。単原子イオンはイオンの電荷と同じ値です。化合物では水素を原則+1、酸素を原則-2とします。中性の化合物では、各原子の酸化数にその個数を掛けた和が0です。多原子イオンではその和がイオン全体の電荷に等しくなります。

例外として、過酸化水素 H₂O₂ の酸素は-1です。また、金属の水素化物である NaH では水素は-1です。酸素と水素の値を機械的に決める前に、物質の種類を確認します。こうした例外を一般規則に押し込むと、和が合うように他の元素の値を不自然に変えてしまいます。

図1のように、酸化数が増加する変化を酸化、減少する変化を還元と呼びます。電子を失えば負の電荷を手放すので酸化数は増え、電子を受け取れば酸化数は減ります。酸化と還元は相手との電子の授受に対応し、反応全体では対になって起こります。

図1の矢印は数の変化と電子の向きを整理した模式図です。たとえば-2から0は、絶対値が小さくなっても数としては増加です。逆に+3から+2は、どちらも正ですが減少です。数直線上で右へ進むか左へ進むかを考えると符号を含めて比較できます。

基本例題: 化合物の中から変化を拾う

次の反応式で、炭素と銅の酸化数をそれぞれ反応前後について整数で求め、酸化された元素と還元された元素を答えてください。炭素 C と酸化銅(II) CuO が反応して銅 Cu と二酸化炭素 CO₂ を生じるものとします。

C + 2CuO → 2Cu + CO₂

まず単体の C と Cu の酸化数は、それぞれ0です。CuO の酸素は通常の酸素なので-2とします。銅の酸化数を x と置くと、中性の CuO の和から次の式になります。

x + (-2) = 0
x = +2

次に CO₂ の炭素の酸化数を y と置きます。酸素は1原子あたり-2で、2原子あるので合計は-4です。中性の化合物であることから、次のように求めます。

y + 2 × (-2) = 0
y − 4 = 0
y = +4

炭素は0から+4へ増加するので酸化されています。銅は+2から0へ減少するので還元されています。図2のように、係数2は銅原子が2個あることを示し、銅1原子の酸化数を+4に変える指示ではありません。

答えを式に戻して確かめます。左辺には炭素1個、銅2個、酸素2個があり、右辺にも炭素1個、銅2個、酸素2個があります。炭素1原子の酸化数は4増え、銅1原子では2減ります。銅は2原子なので減少の合計は4となり、増加と対応します。酸化数の変化を電子の形式的な授受として数えると、炭素側の4個分の放出と銅側の合計4個分の受け取りがつり合います。

酸素の出入りからも確認できます。炭素は酸素を受け取って二酸化炭素になり、酸化銅は酸素を失って銅になります。酸化数の判定と同じ向きです。ただし、この確認だけでは酸素を含まない反応を判定できないため、数の変化も書き残します。

少し難しい例題: 例外とイオン全体の電荷

過酸化水素 H₂O₂ の酸素の酸化数と、硫酸イオン SO₄²⁻ の硫黄の酸化数を、いずれも整数で求めてください。H₂O₂ の水素は+1、酸素は2原子で等しい酸化数を持つものとします。SO₄²⁻ の酸素は-2とします。

まず H₂O₂ の酸素を a と置きます。分子全体は中性なので、各原子の寄与の和は0です。

2 × (+1) + 2a = 0
2a = -2
a = -1

もし酸素を通常の-2と決めてしまうと、2 × (+1) + 2 × (-2) = -2となり、中性の分子と合いません。ここでは与えられた水素の値と全体の電荷から、酸素が例外の-1だと確認できます。

次に SO₄²⁻ の硫黄を b と置きます。全体の電荷が2価の負なので、和の右辺は0でなく-2です。

b + 4 × (-2) = -2
b − 8 = -2
b = +6

戻して確かめると、+6 + 4 × (-2) = -2です。酸素4原子を含むイオン全体の電荷に一致します。H₂O₂ も、2 × (+1) + 2 × (-1) = 0となり中性に戻ります。

分かれ目は、和の右辺を決める対象が分子かイオンかという点です。右肩の2-は硫黄1原子の酸化数ではなく、イオン全体の電荷です。酸素の添字4は、酸素1原子の値を4倍して和に入れるために使います。数字が同じ位置に見えても役割が違います。

間違いを手順に戻して直す

誤答1は、酸化数が+5から+2に変わった元素を「酸化」とする答えです。原因は、変化後も正の数だから酸化だと判断することです。修正すると、+5から+2は3減少しているため還元です。正負を先に分類するのではなく、前後の差を取ります。

図3のように、同じ前後の値を並べ、後の値から前の値を引いてみます。+2 − (+5) = -3です。差が負なら減少であり、電子を受け取る向きに対応します。増減の判定と、酸化数の符号そのものは別の作業です。

誤答2は、化合物中の酸素を例外を見ずに常に-2とする答えです。原因は、原則を条件なしの決まりとして覚えたことです。過酸化物かどうかを確認し、わかっている値と全体の電荷を使って和が合うか調べます。和が合わなければ、添字、電荷、例外の順に点検します。

誤答3は、係数が3なら酸化数も3倍すると考えることです。係数は粒子の数を示します。酸化数は原子1個あたりに付け、変化の合計を求めるときに初めて原子の個数を掛けます。1原子あたりの変化と、反応式全体の変化を別の行に書くと取り違えを防げます。

判断が分かれるところをもう一度

酸化数の規則を使うとき、まず化学式全体を囲み、全体の電荷を書きます。中性なら0、イオンなら右肩の電荷です。次に既知の酸化数を各元素に付け、添字を使って原子の数を確認します。最後に未知数を置いて和の式を作ります。この順番なら、酸化数の符号とイオン全体の符号を混ぜずに済みます。

式を解いた後には逆向きの確認ができます。求めた値を元の和に入れ、問題文に示された電荷に戻るかを見ます。戻らないときは計算ミスだけでなく、分子をイオンとして扱っていないか、原子の個数を取り違えていないかも調べます。値が出た時点で鉛筆を止めず、条件に戻すことが誤りを見つける手掛かりです。

反応式の判定では、前後の化学式が違っても同じ元素を追跡します。単体なら0という規則を使い、化合物なら和から値を求めます。その後に増減を比べます。反応前後を比べる前に酸化と還元の名前を決めると、数字の符号だけに引っ張られやすくなります。

酸素の授受と水素の授受は、変化の見方をつなぐ入口です。ただし、酸素が含まれているという事実だけでは、酸化か還元かは決まりません。反応によって酸素を受け取ったのか失ったのかを、前後の式で確かめます。水素についても、存在するかどうかではなく、受け取るか失うかを読みます。

電子の授受では、負の電荷を持つ電子を失うことと酸化数が増えることを対応させます。電子を受け取る相手があって初めて、失う側の変化も反応全体として成立します。酸化数は電子の割り当てに基づく形式的な値なので、共有結合の反応では実際に電子が丸ごと移動したと決めつけず、変化を数える道具として使います。

途中で例外かどうか迷ったときは、問題で与えられた条件を優先して式に戻します。与条件が不足して判断できない場合には、根拠なく通常の値を確定させず、何の情報が必要かを明らかにします。答案では、選んだ値と和の式を残すと、どこで判断したかを後からたどれます。

練習問題

次の4問に取り組んでください。酸化数は符号付きの整数で答え、変化の判定には「酸化」または「還元」を使います。記述では指定された語を使ってください。

1. アンモニア NH₃ 中の窒素の酸化数を求めてください。水素は+1とします。
2. 炭酸イオン CO₃²⁻ 中の炭素の酸化数を求めてください。酸素は-2とします。
3. 2Mg + O₂ → 2MgO において、マグネシウムと酸素の酸化数を反応前後で求め、それぞれの変化を酸化か還元か判定してください。MgO の酸素は-2とします。
4. 水素化カルシウム CaH₂ では、カルシウムの酸化数が+2です。水素の酸化数を求め、通常の水素の値をそのまま使うと何が合わないか、「和」「中性」を使って説明してください。

答えとたどり方

1. 窒素を x とすると、x + 3 × (+1) = 0です。したがって x = -3です。戻すと -3 + 3 = 0となり、中性の NH₃ に合います。水素の個数3を足す前に掛ける点が要所です。

2. 炭素を x とすると、x + 3 × (-2) = -2です。x − 6 = -2より x = +4です。戻すと +4 − 6 = -2となり、イオンの電荷に一致します。右辺を0にした場合はイオン全体の電荷を落としているので、式の出発点へ戻ります。

3. 単体 Mg と O₂ の酸化数はともに0です。MgO は中性なので Mg の酸化数を x とすると x + (-2) = 0、x = +2です。Mg は0から+2へ増加するため酸化、O は0から-2へ減少するため還元です。左辺と右辺には Mg が2原子、O が2原子ずつあります。Mg の増加は2原子で合計4、O の減少も2原子で合計4となり、電子の形式的な授受が対応します。

4. 水素を x とすると、(+2) + 2x = 0です。2x = -2より x = -1です。戻すと +2 + 2 × (-1) = 0です。通常の+1を使うと酸化数の和は+4となり、中性という条件に合いません。金属の水素化物では水素が例外の値を取ることを、和からも確かめられます。

手元に残す要点

• 単体は0、単原子イオンは電荷と同じです。
• 酸化数と原子数の積の和は、物質全体の電荷に等しくなります。
• 酸化数の増加は酸化、減少は還元です。
• 電子を失うと酸化、受け取ると還元です。
• 酸素や水素の原則には例外があります。

手が止まる場所を見分ける

式を立てる前に止まるなら、化学式の添字とイオン全体の電荷を別々に指させるかを確認します。和が合わない場合は、酸化数を置く原子の個数を掛けたか、右辺に全体の電荷を書いたかを順に見ます。例外の物質では、原則を当てはめた結果を中性や電荷の条件に戻してみます。

増減を取り違える場合は、前後の値を数直線に置き、変化後から変化前を引いて符号を言葉にします。個別指導では、答えの正誤に加えて、1原子あたりの変化と係数を掛けた合計を区別して説明できるかを確かめます。電子の授受と酸化数の向きが結びつくと、見慣れない反応式でも根拠をたどれます。