高校受験の理科 酸化と還元—酸素の移動から二つの変化を対応させる｜武蔵野個別指導塾

酸化銅から炭素へ移る酸素を図で追い、還元された物質と還元した物質を反応式と練習で区別します。

よくあるのは、酸化銅と炭素の反応を見て、還元した物質と還元された物質を逆に答える場面です。どちらにも「還元」という言葉があるため、名前だけを追うと混乱します。反応前と反応後を対応させ、酸素がどちらからどちらへ移ったかをたどると、2つの言い方を区別できます。

要点（結論から）

• 酸化は酸素と結びつく変化、還元は酸化物から酸素がうばわれる変化です。
• 酸素を失う物質と受け取る物質を、反応前後で対応させます。
• 還元された物質と、それを還元した物質は問いの向きが異なります。

酸素の行き先を問う3つの形

1つ目は、金属を加熱したときの変化を、酸素と結びついたかどうかで説明する問題です。銅を空気中で加熱すると黒色の酸化銅が生じます。元の銅に酸素が結びつくので、銅は酸化されたと表します。見た目の色の変化と、粒子の組み合わせの変化を結びつけましょう。

2つ目は、酸化銅から銅が生じる反応で、酸素を失った物質と酸素を受け取った物質を選ぶ問題です。矢印の左側にある物質をそれぞれ右側の生成物へ対応させます。その後で酸素の有無を比べれば、還元されたものと、それを還元したものを判定できます。

3つ目は、物質が燃えるときの生成物を手がかりにする問題です。燃焼は、物質が酸素と激しく結びつき、光や熱を出す変化です。炭素が十分な酸素の中で燃えると二酸化炭素が生じます。酸素と結びつく点では酸化ですが、酸化がいつも炎を伴うとは限りません。問題で与えられた反応条件を読み、見えた現象と物質の変化を分けて考えます。

2つの物質を別々に追う

酸化は、物質が酸素と結びつく化学変化です。還元は、酸化物から酸素がうばわれる化学変化です。酸化物とは、ある物質と酸素が結びついてできた物質です。酸化銅は銅と酸素からできた酸化物で、銅そのものとは区別します。

図1のように、酸化銅と炭素の反応では、酸化銅から酸素が離れ、炭素と結びつきます。酸化銅は酸素を失って銅になるので還元されます。炭素は酸素と結びついて二酸化炭素になるので酸化されます。酸素の移動を中心に置けば、1つの反応を2つの側面から読めます。

図1では上段が銅を含む物質の変化、下段が炭素を含む物質の変化です。「還元された物質」は酸素を失った酸化銅です。「酸化銅を還元した物質」は、酸化銅から酸素を受け取った炭素です。同じものを指す言い換えではありません。主語を省かず、「何が何を還元したか」と書いてみると関係が整理できます。

化学反応式の左は反応物、右は生成物です。物質の名前と化学式を対応させ、同じ種類の原子がどこへ移ったかを見ます。式の係数は粒子の数の比を示しますが、小さい数字は物質を表す化学式の一部です。酸素の数を合わせるために化学式の小さい数字を変えてはいけません。

基本例題：酸化銅と炭素

【問題】酸化銅と炭素の混合物を加熱すると銅と二酸化炭素が生じました。反応式を完成させ、還元された物質と、それを還元した物質を名前で答えてください。また、それぞれの物質が酸化と還元のどちらを受けたか、酸素に注目して説明してください。生成物は問題に示したものとします。

まず、反応前と反応後の物質を化学式で書きます。酸化銅は CuO、炭素は C、銅は Cu、二酸化炭素は CO₂ です。係数を決める前の並びは次のようになります。

CuO + C → Cu + CO₂

右側の二酸化炭素には酸素原子が2個あります。左側の酸化銅1個には酸素原子が1個なので、左側の酸化銅の前に2を置きます。すると左側の銅原子も2個になりますから、右側の銅の前にも2を置きます。

2CuO + C → 2Cu + CO₂

左右の原子数を確認します。銅は左2個、右2個です。酸素は左2個、右2個です。炭素は左1個、右1個です。どの種類の原子も前後で数が合うので、式は完成です。

図2のように、2個の酸化銅に含まれた酸素原子2個が、炭素原子1個と結びついて二酸化炭素になります。酸化銅に着目すると酸素を失い、銅になっています。そのため酸化銅は還元されました。炭素に着目すると酸素を受け取っているので、炭素は酸化されました。

したがって、還元された物質は酸化銅、酸化銅を還元した物質は炭素です。図2の矢印を逆に読まないよう、反応前の酸素の持ち主を左側で確かめます。右側の銅は生成物であり、問いの「還元された物質」として反応前の酸化銅を答える点にも注意します。

この反応では、酸化銅の黒色から銅の赤色への変化と、二酸化炭素が生じることを対応させられます。二酸化炭素は石灰水を白くにごらせる性質があります。ただし、白いにごりという結果から何が生じたかを考える際は、問題に示された他の条件も合わせて読みます。

条件を変えて考える：水素を使う場合

【問題】酸化銅に水素を通しながら加熱すると、銅と水が生じました。この反応の化学反応式を書き、酸化銅を還元した物質と、酸化された物質をそれぞれ名前で答えてください。さらに、酸素がどの物質からどの物質へ移ったか説明してください。

反応前は酸化銅 CuO と水素 H₂、反応後は銅 Cu と水 H₂O です。これを並べると次の式になります。

CuO + H₂ → Cu + H₂O

銅原子は左右に1個ずつ、酸素原子は左右に1個ずつ、水素原子は左右に2個ずつあります。係数を追加しなくても、与えられた生成物に戻して原子数がそろいます。酸化銅は酸素を失って銅となり、水素はその酸素と結びついて水となります。

答えは、酸化銅を還元した物質が水素、酸化された物質も水素です。酸素は酸化銅から水素へ移りました。水素が還元されたのではありません。水素は酸化銅から酸素をうばう側で、同時に自分は酸化される側です。

ここが分かれ目です。問いが「何が還元されたか」なら、酸素を失った酸化銅を答えます。「何が酸化銅を還元したか」なら、酸素を受け取った水素を答えます。さらに「何が酸化されたか」も水素です。反応に関わる物質を見つけたら、問いの助詞と述語まで読んで、答える側を選びます。

誤答を酸素の矢印で直す

「炭素は還元された。酸化銅は炭素を還元した」という答えを考えます。酸化銅と炭素から銅と二酸化炭素ができる場合、これは両方とも逆です。炭素は酸素を失ったのではなく、酸素と結びついています。酸化銅は酸素を失っており、炭素から酸素をうばっていません。

図3のように、反応前の酸化銅と炭素を並べ、酸素が出る側から入る側へ矢印を描きます。出る側の酸化銅が還元され、入る側の炭素が酸化されます。修正した文は「酸化銅は還元され、炭素は酸化銅を還元した」です。図3の対応を文章に戻すと、主語の取り違えを見つけやすくなります。

もう1つの誤りは、酸化を「酸素が出ていくこと」と覚えることです。「酸化銅が銅になった」という結果を見たら、前にあった酸素が後にあるかを確認します。なくなっていれば還元です。色の変化だけで名前を決めず、反応前後の物質名と酸素の有無をセットにします。

酸素を含む名前が並んでいても、名前だけで両方を酸化物と決める必要はありません。まず反応前の物質が何からできているか、問題文や化学式で確かめます。次に、反応後に同じ金属や炭素がどの物質に含まれるかを探します。対応が決まれば、酸素を失ったか受け取ったかを調べられます。

実験の結果を読む問題では、観察した事実と、その事実から考えたことを分けて書きます。たとえば黒い酸化銅から赤い銅が生じたという観察は、銅を含む物質が変化した手がかりです。それに加えて生成物が何かという条件を用いれば、酸化銅から酸素がうばわれたと説明できます。色の変化だけから、相手の物質や生じた気体の種類まで決めることはできません。

気体を調べた結果が予想と異なる場合も、先に反応の成功を決めつけず、与えられた観察を確認します。石灰水が白くにごらなかったという情報だけでは、原因が反応しなかったことなのか、気体が十分に届かなかったことなのかは区別できません。条件や操作の記録が足りなければ、断定を避けて追加の情報が必要だと考えます。反応式は物質が変化した場合の関係を表し、観察の成否を自動的に保証するものではありません。

酸化物から酸素をうばう相手は、問題ごとに変わります。炭素と水素を使う2つの例では生成物も異なりますが、酸化銅が銅になる対応は共通です。相手の名前を暗記して当てはめるより、生成物まで追って酸素を受け取ったことを確かめると、初めて見る組み合わせにも対応できます。

自分で解く4問

次の問題はそれぞれ独立しています。化学反応式は係数を最も簡単な整数比にし、係数1は書かない形で答えてください。物質を問う部分は名前で答えます。

問1

マグネシウムを酸素中で燃やすと酸化マグネシウムが生じました。反応式を書き、マグネシウムが酸化された理由を酸素に触れて説明してください。

問2

銅を空気中で加熱して酸化銅ができました。反応式を書き、反応前の銅と反応後の酸化銅のどちらが酸化物か答えてください。銅に起きた変化も答えてください。

問3

酸化鉄とアルミニウムが反応し、鉄と酸化アルミニウムが生じました。酸化鉄を Fe₂O₃、酸化アルミニウムを Al₂O₃ として、反応式を書いてください。また、還元された物質とそれを還元した物質を答えてください。

問4

炭素が十分な酸素中で燃え、二酸化炭素ができました。反応式を書き、炭素が受けた変化を酸化、還元のどちらかで答えてください。この燃焼で光や熱が出ることと酸素との結びつきを使い、燃焼を説明してください。

答えと考え方

問1の答え

2Mg + O₂ → 2MgO です。マグネシウムは酸素と結びついたため酸化されました。左の酸素分子には酸素原子が2個あるので、右の MgO を2個にします。右のマグネシウム原子も2個になるため、左の Mg に2をつけます。左右のマグネシウム原子と酸素原子はそれぞれ2個ずつで、与えられた酸化マグネシウムの式にも戻せます。

問2の答え

2Cu + O₂ → 2CuO です。酸化物は酸化銅で、銅は酸化されました。左の酸素原子2個に合わせて右の CuO を2個にすると、右の銅原子は2個です。左の Cu にも2をつければ銅と酸素がそれぞれ左右2個ずつとなり、酸素と結びついた銅が酸化銅になるという条件に合います。

問3の答え

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃ です。還元された物質は酸化鉄、それを還元した物質はアルミニウムです。酸化鉄の鉄原子2個と酸素原子3個は、それぞれ右の鉄2個と酸化アルミニウムの酸素3個に対応します。酸化アルミニウムにあるアルミニウム原子2個に合わせ、左の Al に2をつけます。酸化鉄は酸素を失い、アルミニウムはその酸素と結びつきます。

問4の答え

C + O₂ → CO₂ で、炭素は酸化されました。炭素原子は左右に1個ずつ、酸素原子は左右に2個ずつあり、生成物は条件の二酸化炭素です。燃焼は物質が酸素と激しく結びつき、光や熱を出す変化です。この問題では炭素が酸素と結びついているため、燃焼であると同時に酸化でもあります。

答え合わせでは、名前だけでなく理由も確認します。反応前に酸素がどこにあったかをたどれば、正解を偶然選んだ場合と、移動を理解して選んだ場合を区別できます。

要点を短く

• 酸化は酸素と結びつく変化、還元は酸化物から酸素がうばわれる変化です。
• 酸素を失う物質と受け取る物質を、反応前後で対応させます。
• 還元された物質と、それを還元した物質は問いの向きが異なります。
• 反応式は化学式を変えず、係数で左右の原子数をそろえます。

どこで迷ったかを見つける

お子さまが答えを逆にしたときは、正しい名前をすぐに覚え直す前に、反応前の酸化物と反応後の生成物を指で結べるか確かめます。次に酸素の矢印を描いてもらい、矢印の出発点と到着点を言葉にします。矢印が逆なら物質の対応から、矢印は正しいのに答えが逆なら「還元した」と「還元された」の主語から見直せます。

個別指導では、式を見せて左右の原子数を1種類ずつ説明してもらうと、係数と化学式を区別できているかも確かめられます。酸素の行き先を言葉と式の両方で追うことが、酸化と還元の判断につながります。