酸化還元反応の仕組みを酸化数から理解しよう！

「酸化還元反応がわからない」

「覚えることが多すぎる」

「覚えたつもりでもすぐ忘れてしまう」

あなたはこんな風に悩んでいませんか？

闇雲に知識やテクニックを暗記しても、
本当に「酸化還元反応を理解した！」という状態になるのは難しいです。

いつまで経っても知識が自分のものにならないのは、
酸化還元反応の仕組みを理解していないからです。

ここでは、酸化還元反応を心の底から理解するための、
反応の本質的な仕組みをお伝えしますね。

ここでお伝えする仕組みを理解することで、
初めての問題でも半反応式を立てられるようになり、
「酸化還元反応はもう勉強する必要なし！」という状態になります。

確信を持って問題を解けるようになり、
自信につながるでしょう。

反応の仕組みを無視して勉強しても、
結局テクニックの丸暗記になってしまって、
本質的な理解には結びつきません。

今まで丸暗記していた半反応式がサラサラ書け、
未知の問題に出会っても確信を持って解答できる方法についてお教えします。

酸化還元反応とは

「酸化還元反応」は、物質が電子を欲しがることで起こる反応です。

言い換えれば、電子が欲しいなーと思っていた物質が、
電子いらないなーと思っていた物質と出会うことで、
お互いにWin-Winになるから起こる反応です。

そして物質がどれくらい電子を欲しいのかは、
「酸化数」からわかります。

酸化数が大きければ電子を奪いたくなり、
小さければ電子を捨てたくなるんでしたね。

たとえばマンガンMnが取りうる酸化数が+7から0までなのに対し、
過マンガン酸カリウムKMnO₄内のMnの酸化数は7+。
かなり電子が不足しています。

めちゃくちゃ電子を欲しがっている状態です。

一方、シュウ酸(COOH)₂のCの酸化数は+3で、
Cの最大の酸化数+4まで余裕があります。
電子がいらない状態ということです。

そして電子がめっちゃ欲しいKMnO₄と
電子がいらない(COOH)₂が出会うことで
酸化還元反応が起こります。

酸化還元反応とは、
・電子が欲しいから電子を奪う反応
・電子がいらないから電子を投げる反応
ということですね。

半反応式の作り方

酸化還元反応式を作るためには、
「半反応式」を作る必要があります。

半反応式とは、
酸化剤か還元剤の片方にだけ注目したときの
仮の反応式のことです。

酸化剤の反応を見るために半反応式を作り、
還元剤の反応を見るために半反応式を作り、
それを組み合わせれば酸化還元反応式になります。

そしてもちろん、
酸化還元反応式や半反応式は、
暗記するものではありません。

きちんと作り方を理解しておけば、
その場で反応式を作ることができます。

それでは作り方を見ていきましょう。

半反応式を作る４ステップ

教科書には大抵半反応式の表がありますね。

それを見て、
「え、これ、全部覚えるの…？」
と思ったのではないでしょうか。

しかし実際には、
半反応式は自分で作ることができます。

最初に何が何に変化するかさえ覚えておけば、
あとはその場で作れるんですね。

具体的には、半反応式は以下の「4ステップ」で作れます。

ここでは過マンガン酸イオンMnO₄ ^–(硫酸酸性)を例に考えてみましょう。

①反応後の物質を書く

まずは反応物（今回でいうMnO₄ ^–）が、
最終的に何に変化するかを書きます。

残念ながらここは暗記するところ。
酸化還元反応の唯一の暗記部分なので、
頑張って覚えましょう。

②酸化数を調べて、電子の変化量を書く

酸化数を調べることで、
電子がいくつ欲しい/いらないのかがわかります。

たとえば今回はMnの酸化数が+7から+2に変化しています。

つまり酸化数の差分を考えれば、
MnO₄^–→Mn²⁺ではMn原子が
電子を5つを受け取っていることがわかります。

電子を欲しがるから反応が起こるんだ！
というのがわかりやすいですね。

③溶液中のイオンで全体の電荷を中性にする

このように電子を受け取ることはわかりましたが、
現状、左辺の電荷の合計が-6、右辺の電荷の合計が+2です。

反応が起こるほど電荷が発生する、
ってのもおかしな話ですよね。

よって反応の前後で電荷が変化しないように、
溶液中のイオンで全体の電荷を調整する必要があります。

通常は水溶液中での反応を扱うことが多いため、
溶液が酸性であればH⁺、中性・塩基性ならOH^–で調整します。

今回は硫酸酸性条件なので、
左辺に8H⁺を加えて電荷を調整します。

④H₂Oで原子数を調節する

反応によってHやOの原子が生まれる、
というのもおかしな話です。

電荷調整にH⁺やOH^–を用いたの同様、
原子数調整にH₂Oを用いましょう。

右辺に4H₂Oを加えることで原子数を調整できます。

以上で半反応式の完成です。

練習：シュウ酸の半反応式

以上では酸化剤MnO₄^–の半反応式を考えましたが、
練習も兼ねて還元剤(COOH)₂の半反応式も作ってみましょう。

まずは反応後の物質を書きます。

次に酸化数を調べましょう。
酸化数変化は+3→+4だから、1原子のCに対して電子が1個。
シュウ酸にはCが2原子あるから電子を2個放出しています。

そしてシュウ酸は酸性なので、
両辺の電荷のズレをH⁺で調整。

最後にH₂Oで帳尻を合わせます。
しかし今回はすでに帳尻が合っているのでこれで完成です。

酸化還元反応式の作り方

ここまでで半反応式の作り方を考えてきました。
ここからは半反応式を合わせて、
酸化還元反応式を完成させていきましょう。

酸化還元反応の作り方は以下の３ステップです。

それでは実際にこの流れを確かめていきます。

①酸化剤と還元剤の半反応式を作る

先ほど酸化剤MnO₄^–と還元剤(COOH)₂の半反応式を作ったので、
この2つの酸化還元反応式を作っていきましょう。

まずは酸化剤と還元剤の半反応式を用意します。

②電子の数を合わせて辺々を足す

次にこれらの式を1つのイオン反応式にしていきます。

はじめに説明した通り酸化還元反応は、
電子の受け渡しをしてWin-Winになる反応
でしたね。

つまり酸化剤が受けとる電子の数と、
還元剤が捨てる電子の数が一致していなければいけません。

今回は2つのKMnO₄に対して、
5つの(COOH)₂を反応させれば電子がぴったりです。

ということでまずはKMnO₄の式の全体を2倍、
(COOH)₂の式の全体を5倍にします。

これを足し合わせれば、

これで目的のイオン反応式が手に入りました。

③省略していたイオンを元に戻す

最後に酸化還元反応式を完成させましょう。

これまで何気なくMnO₄^–としてきましたが、
実際には過マンガン酸カリウムKMnO₄を酸化剤としています。

さらに今回は硫酸酸性条件だから、
H⁺も実は硫酸H₂SO₄から提供されたものです。

以上を考慮して酸化還元反応式を完成させていきましょう。

左辺の2MnO₄^–を2KMnO₄に、
6H⁺を3H₂SO₄に加える分、
右辺にも2K⁺と3SO₄^2-を加えます。

これによって酸化還元反応式の完成です。

少し大変でしたが、
これだけ複雑な式を自分の力で作れるのは面白いですね。

練習問題

頭で理解するだけでなく、
実際に手を動かしてみるのも大切です。

いくつか問題を用意して置くので、ぜひ試してみてください。

問題

解答・解説

（1）反応後の物質を書くと、Cu → Cu²⁺
酸化数が0→+2に増えているので、
Cu → Cu²⁺ + 2e^–
この時点で式が成り立っているのでこれで完成。

（2）反応後の物質を書くと、H₂O₂ → O₂
H₂O₂内の2つの酸素原子について、
酸化数がそれぞれ-1→0に減っているから、
H₂O₂ → O₂ + 2e^–
酸性条件なので、電荷が一致するようにH⁺で調節すると、
H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e^–
この時点で式が成り立っているのでこれで完成。

（3）反応後の物質を書くと、Cr₂O₇^2- → 2Cr³⁺
Cr₂O₇^2-内の2つのクロム原子について、
酸化数がそれぞれ+6→+3に減っているので、
Cr₂O₇^2- + 6e^– → 2Cr³⁺
酸性条件なので、電荷が一致するようにH⁺で調節すると、
Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^– → 2Cr³⁺
最後に水で原子数を調節して、
Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^– → 2Cr³⁺ + 7H₂O

（4）反応後の物質を書くと、SO₄^2- → SO₂
酸化数が+6→+4に減っているので、
SO₄^2-2e^– → SO₂
酸性条件なので、電荷が一致するようにH⁺で調節すると、
SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^– → SO₂
最後に水で原子数を調節して、
SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^– → SO₂ + 2H₂O

（5）反応後の物質を書くと、H₂O₂ → 2OH^–
（中性・塩基性条件に注意！）
酸化数が-1→-2に減っているので、
H₂O₂ + 2e^– → 2OH^–
もしくは(2)の両辺にOH^–を足すことでも作れます。

（6）反応後の物質を書くと、MnO₄^– → MnO₂
（中性・塩基性条件に注意！）
酸化数が+7→+4に減っているので、
MnO₄^– + 3e^– → MnO₂
中性・塩基性条件なので、電荷が一致するようにOH^–で調節すると、
MnO₄^– + 3e^– → MnO₂ + 4OH^–
最後に水で原子数を調節して、
MnO₄^– + 2H₂O + 3e^– → MnO₂ + 4OH^–

（1）二クロム酸カリウムは1人で6つの電子が欲しい。
過酸化水素は1人で2つの電子をあげられる。
つまり、K₂Cr₂O₇ + 3H₂O₂を考えればいい。
前半の問題の(2)(3)を使えば、
Cr₂O₇^2- + 3H₂O₂ + 8H⁺ → 2Cr₂³⁺ + 3O₂ + 7H₂O
硫酸酸性下より、左辺の8H⁺は4H₂SO₄を指していることに注意すると、
K₂Cr₂O₇ + 3H₂O₂ + 4H₂SO₄ → 2Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 3O₂ + 7H₂O

（2）熱濃硫酸は1人で2つの電子が欲しい。
銅は1人で2つの電子をあげられる。
つまり、Cu + H₂SO₄を考えればいい。
前半の問題の(1)(4)を使えば、
Cu + H₂SO₄ + 2H⁺ → CuSO₄ + 2H₂O + SO₂
硫酸酸性下より、左辺の2H⁺はH₂SO₄を指していることに注意すると、
Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + 2H₂O + SO₂

（3）まずヨウ素イオンの半反応式は2I^–→I₂+2e^–
過マンガン酸カリウムは1人で3つの電子が欲しい。
ヨウ化カリウムは2人で2つの電子をあげられる。
つまり、\( \mathrm{ 2KMnO_{4} + 6KI }\)を考えればいい。
前半の問題の(6)を使えば、
2KMnO₄ + 6KI + 4H₂O → 2MnO₂ + 3I₂ + 8KOH

まとめ

今回は酸化還元反応の仕組みと、
酸化還元反応式の作り方を説明しました。

酸化剤が電子を欲しがるからこそ、
還元剤が電子を捨てたがるからこそ、
酸化還元反応が起こるということが理解できたと思います。

また半反応式や酸化還元反応式は、
以下の流れで作ることができましたね。

あとは多少の演習をすれば、
酸化還元反応のどんな問題が出されても
詰まらずに解けるでしょう。

ぜひ酸化還元反応の問題を解くときには、
いつもこの記事を思い出してみてください。