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高校化学無機化学水素と水素化合物—結合と酸化数から水との反応の違いを説明する｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴化学を掘り下げる無機化学

水との反応を酸化数と物質量で比べる鍵となるのが水素化合物です。

よくあるのは、水素化合物の式を見た高校生が、水素の酸化数をいつも +1 と書く場面です。HCl の水素は +1 ですが、NaH の水素は -1 です。符号を変えるのは気まぐれな例外処理ではありません。結合相手との電子の引きつけ方と、化合物全体の電荷を考えると、2つの式を同じ規則で扱えます。その違いは水との反応で水素がどこへ行くかを追う手がかりにもなります。

式から何を読み取るか

出題の型の1つは、H₂、HCl、NaH で水素の酸化数を比べ、その根拠を述べるものです。単体か化合物かを先に見て、化合物なら相手の元素と全体の電荷を確かめます。酸化数は電子を形式的に割り当てた帳簿上の値であり、原子が必ずその数の電荷を実際に帯びるという意味ではありません。

別の型では、金属の水素化物に水を作用させたときの生成物と気体の量を求めます。水素化物側の水素と水側の水素がともに H₂ に入るため、出発物質中の水素原子だけを数えて終えると係数を誤ります。もう1つは水素による酸化銅(Ⅱ)の還元です。反応の前後の酸素と水素を数え、どの物質が酸化されるかを説明します。反応が進むことは与えられた条件や既知の反応から判断し、酸化数の計算だけから実現を断定しないことが肝心です。

結合相手と水素の符号

単体 H₂ の水素の酸化数は 0 です。同種の原子が結合しているので、形式的に結合電子を一方の原子へ偏らせません。一方、HCl では塩素の方が水素より電子を強く引きつけます。共有電子対を塩素側に割り当てると、水素は +1、塩素は -1 です。H₂O でも酸素側へ割り当てるため、水素は +1、酸素は -2 になります。分子全体の酸化数の和は 0 です。

NaH は金属のナトリウムと水素からなる水素化物です。高校化学では Na⁺ と H⁻ からなるイオン性の物質として扱います。Na の酸化数を +1 とすれば、電気的に中性の NaH の H は -1 です。CaH₂ では Ca が +2、2個の H がそれぞれ -1 です。金属と結びつく水素に負の値が現れることを、電荷の和で確かめられます。

図1のように、まず単体かを見分け、化合物では相手と全体の電荷を調べます。HCl の共有結合と NaH のイオン結合を区別しても、酸化数を形式的に決める規則は共通です。ただし金属を含むすべての水素化物を同じ結合で説明できるとは限らないため、ここでは代表例に絞ります。

水との反応も式の意味を分けて見ます。塩化水素は水に溶けて電離し、H⁺ と Cl⁻ を生じます。H⁺ は水中で水分子と結びついて存在しますが、高校の式では簡単に H⁺ と表します。この変化では H の酸化数は +1 のままで、酸化還元として扱う必要はありません。

これに対し、水素化ナトリウムは水と次のように反応します。

NaH + H₂O → NaOH + H₂

左辺の H は NaH 由来が1個、水由来が2個です。右辺では NaOH に1個、H₂ に2個あるので保存します。H⁻ が水から H⁺ に相当する水素を受け取る見方をすると、H₂ が生じ、残りは OH⁻ になります。NaH の H は -1 から 0 へ、H₂ になる水側の H は +1 から 0 へ変わります。水の2個の水素を区別して追う形式的な説明であり、どちらの原子が選ばれるかを観察したという意味ではありません。

基本例題：水素化物から生じる気体

【問題】自作の条件として、純粋な NaH 0.20 mol が十分な量の水と完全に反応するとします。発生する H₂ と生成する NaOH の物質量をそれぞれ mol で、有効数字2桁で求めてください。気体の損失はないものとします。

式の係数を決めます。Na は左右に1個ずつ、O は水と NaOH に1個ずつです。残った水素2個が H₂ になるので、各係数は1です。図2のように、物質量は係数比に従います。

NaH + H₂O → NaOH + H₂
NaH : H₂ = 1 : 1
H₂の物質量 = 0.20 mol・1 = 0.20 mol
NaOHの物質量 = 0.20 mol・1 = 0.20 mol

答えは H₂ が 0.20 mol、NaOH が 0.20 mol です。別の見方では、NaH 0.20 mol から H⁻ が 0.20 mol、水から反応に使う水素が 0.20 mol あり、H 原子の合計 0.40 mol が H₂ 0.20 mol になります。ただし、これと別に水から NaOH に入る H も 0.20 mol 必要です。水を十分量とした条件があるから水の不足を心配せずに計算できます。

答えを戻すと、NaOH 0.20 mol に Na 0.20 mol、H₂ 0.20 mol に H 原子 0.40 mol があります。反応した水 0.20 mol の酸素と水素を合わせれば、左右の Na、O、H の数は一致します。気体の分子数と原子数を区別することが、この問題の中心です。

酸化物から銅を取り出す

【標準例題】自作の条件として、純粋な CuO 0.30 mol に H₂ 0.20 mol を供給し、次の反応が可能な限り進んだとします。生成する Cu と残る CuO の物質量を mol で、有効数字2桁で求めてください。他の反応は考えません。

CuO + H₂ → Cu + H₂O

係数はすべて1です。CuO 0.30 mol を全部反応させるには H₂ 0.30 mol が必要ですが、供給は 0.20 mol です。したがって H₂ が先に尽きます。

反応したCuO = 0.20 mol・1 = 0.20 mol
生成したCu = 0.20 mol・1 = 0.20 mol
残るCuO = 0.30 mol - 0.20 mol = 0.10 mol

別解は、反応した量を x mol と置く方法です。両方の反応物が非負であるには x は 0.30 mol 以下かつ 0.20 mol 以下です。可能な限り進むという条件から x は小さい方の 0.20 mol です。係数が1でない反応でも、各初期量を係数で割って比べれば同じ考え方が使えます。答えを戻すと、CuO の消費 0.20 mol と残量 0.10 mol の和は最初の 0.30 mol、H₂ の消費は供給した 0.20 mol です。

CuO 中の Cu は +2 から単体の 0 に下がり、還元されます。H₂ の H は 0 から H₂O で +1 に上がり、酸化されます。水素は酸化銅(Ⅱ)を還元するので還元剤です。酸素を奪う見方と酸化数の変化はこの式で一致します。水素自体が還元されるという意味ではありません。

【発展例題】自作の条件として、純粋な CaH₂ 0.15 mol と水 0.20 mol を反応させます。次の反応のみが可能な限り進むとし、生成する H₂ と残る CaH₂ の物質量を mol で、有効数字2桁で求めてください。

CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂

Ca と O をそろえた後、左辺の H は水素化物から2個、水から4個です。右辺は水酸化物に2個、気体に4個で合計6個です。CaH₂ 0.15 mol の全量には水 0.30 mol が必要なので、水が不足します。

反応したCaH₂ = 0.20 mol・(1)/(2) = 0.10 mol
生成したH₂ = 0.20 mol・(2)/(2) = 0.20 mol
残るCaH₂ = 0.15 mol - 0.10 mol = 0.050 mol

反応量を x mol と置く別解では、水の消費量が 2x mol です。2x は 0.20 以下なので最大 x は 0.10、生成 H₂ は 2x です。水の消費量を逆算すると 0.20 mol、CaH₂ の反応量と残量の和は 0.15 mol に戻ります。水が過剰と決めつけると、気体を 0.30 mol と過大に見積もります。

観察記録と誤差を読む

水素や金属水素化物を扱う実験は、危険性を踏まえ学校の指導の下で行います。ここでは装置の製作や操作手順ではなく、記録から何を判断できるかを考えます。水素による酸化銅(Ⅱ)の還元を調べる場合、反応前後の固体の変化と生成した水をそれぞれ記録します。水素を供給しない条件の記録も比べれば、加熱や装置自体による変化を、水素を供給したときの変化と区別する助けになります。対照にも同じ種類の固体と加熱条件を用い、変える要因を水素の有無に絞ります。

気体量を測る記録では、漏れがあれば捕集量は実際の生成量より小さくなります。反対に、最初に装置内にあった空気を生成気体に含めれば、生成量を大きく見積もります。測定値が理論値より小さい原因は漏れに限らず、反応の未完了も候補です。1つの数値だけから原因を断定せず、残った試料や接続部など別の記録と照らします。測定が途中で止まったり記録が欠けたりした場合は、終点の値として扱わず、欠測として残します。

例えば水を十分量とし、純粋な NaH の量を横軸、理論上の H₂ の量を縦軸にとると、両軸を mol で表した原点を通る直線です。傾きは係数比から 1 です。水の量を固定した条件に変えると、NaH を増やしても水が不足した後は生成量が増えません。折れ曲がりは反応の係数が変わった印ではなく、先に尽きる反応物が変わった印です。実測点にばらつきがあれば、誤差と条件の変化を分けて考えます。

間違いを式に戻して直す

図3のように、NaH の H を +1 とする答案では、中性の式全体の酸化数の和が +2 になります。原因は HCl の規則を相手を見ずに移したことです。Na が +1 であることから、和が 0 になる H の値を -1 と直します。これは NaH の水との反応で H の酸化数が -1 から 0 に変わることにもつながります。

次に、NaH 0.20 mol から H₂ が 0.10 mol とする誤答を考えます。NaH 中の H 原子だけを2個ずつ組にした計算です。水からも水素が供給されるため、反応式の係数比は NaH と H₂ が 1 対 1 です。水を含めて原子を数え直せば、気体の量を半分にする必要がないと気づけます。

また、HCl が水に溶けた際に H⁺ ができることを、水素の酸化とする誤答もあります。HCl の H も H⁺ の H も酸化数は +1 です。電離で粒子の表し方が変わっても酸化数は変化していません。反応の前後で同じ元素の値を比較し、電荷の有無だけで酸化還元を決めないようにします。

練習：条件を変えて追跡する

次の数値は自作の問題条件です。計算結果は指定された単位で有効数字2桁にし、必要なら最後に四捨五入してください。反応は示した式に従って進むものとします。

H₂O と CaH₂ について、それぞれ水素の酸化数を符号付きで求め、化合物全体の酸化数の和を示してください。
NaH 0.35 mol と十分な水が完全に反応します。生成する NaOH の物質量を mol で求めてください。
CuO 0.25 mol と H₂ 0.40 mol が可能な限り反応します。残る H₂ の物質量を mol で求めてください。
CaH₂ 0.12 mol と水 0.18 mol が可能な限り反応します。残る CaH₂ と生じる H₂ をそれぞれ mol で求めてください。
CuO 0.40 mol と十分な H₂ を反応させたところ、Cu が 0.30 mol 得られました。CuO を基準とした Cu の収率を百分率で有効数字2桁で求めてください。

解答と考え方

H₂O の H は +1、CaH₂ の H は -1 です。O を -2、Ca を +2 とすると、和はそれぞれ 2・(+1) − 2 = 0、2・(-1) + 2 = 0 です。いずれも中性の式に戻ります。
NaH と NaOH の係数比は 1 対 1 なので、0.35 mol・1 = 0.35 mol です。生成した NaOH に含まれる Na も 0.35 mol で、初めの NaH に含まれる Na と一致します。水の量は十分なので NaH が基準です。
CuO と H₂ は 1 対 1 で反応し、CuO が先に尽きます。消費した H₂ は 0.25 mol で、残量は 0.40 mol − 0.25 mol = 0.15 mol です。消費量と残量の和は供給した 0.40 mol に戻ります。
水 0.18 mol に対し、反応できる CaH₂ は 0.18 mol・(1)/(2) = 0.090 mol です。水が先に尽き、残る CaH₂ は 0.12 mol − 0.090 mol = 0.030 mol、H₂ は 0.090 mol・2 = 0.18 mol です。逆算すると水の消費は 0.18 mol、CaH₂ の消費と残量の和は 0.12 mol です。
CuO と Cu は 1 対 1 なので理論上の Cu は 0.40 mol です。収率は (0.30 mol)/(0.40 mol)・100 = 75 % です。理論量に 0.75 を掛けると実際の 0.30 mol に戻り、収率も 0 % 以上 100 % 以下です。未反応や損失の内訳は、この値だけでは決まりません。

見分けるための要点

単体の H₂ は 0、HCl や H₂O の H は +1、NaH や CaH₂ の H は -1 です。
水素化物と水の反応では、両方の水素を生成物に配分して原子数を合わせます。
水素による CuO の還元では、水素自身は酸化されます。
物質量は係数比と不足する反応物から決め、答えを元の量へ戻します。

符号で迷うときは、まず中性の化合物の酸化数の和を計算してみてください。計算が合っても反応量で迷うなら、各反応物に必要な相手の量を書き、どちらが先に尽きるかを確かめます。個別指導では、結合相手を見て符号を決める段階と、反応式から係数比を読む段階のどちらで止まったかを答案の途中式から確認できます。水素の行き先は、原子の数と酸化数を並べると見えてきます。