酸化と還元: 基本的な化学反応を理解する

酸化還元反応は最も一般的な化学反応の 1 つです。このタイプの反応では、2 つ以上の物質の酸化状態が変化します。レドックス反応としても知られる酸化還元反応には、実際には同時に起こる 2 つの別々のプロセスが含まれます。これらのプロセスにより、1 つまたは複数の電子が放出され、受け取られるため、関与する物質の酸化状態が変化します。化学者はこれら 2 つのプロセスを酸化と還元と呼びます。酸化状態が変化する物質を酸化または還元といいます。酸化と還元を詳しく見て、これらの基本的な化学反応についてさらに学んでみましょう。

原子の 酸化状態は、 すべての結合がイオンである場合、つまり電子の授受が関与している場合に原子が持つであろう仮想の電荷を表します。多くの化学入門教科書では、原子の酸化状態を決定する規則に章全体が費やされています。ほとんどの原子は、結合の仕方に応じて複数の異なる酸化状態をとることができます。それらの酸化状態は、中性、正、負のいずれかになります。遊離状態の元素は、単一原子として浮遊しているか、二原子分子または多原子分子として浮遊しており、一般にゼロに等しい中性の酸化状態を持っています。荷電イオンは、その電荷に応じた正または負の酸化状態を持ちます。他の種類の原子に結合した原子も、通常、正または負の酸化状態を持ちます。

酸化反応と還元反応の説明に入る前に、まず化学反応がどのように起こるかを見てみましょう。化学反応では、1 つまたは複数の物質の原子またはイオン間の結合が壊れ、新しい物質が形成されます。反応物として知られる壊れた物質は、生成物と呼ばれる新しい物質を形成します。

私たちは化学反応を化学方程式として文字で表します。化学反応における反応物は方程式の左側に位置します。商品は右側へ進みます。中央の矢印は右向きで、反応が起こる方向を示しています。この矢印は「収量」と読み上げられ、左側の反応物質間の反応により右側の生成物が生成されることを示しています。場合によっては、反応が両方向に進行して生成物と反応物の平衡に向かう可能性がある場合、右向きの 1 つの矢印の代わりに、両方向を向く二重矢印が使用されます。

前述したように、酸化還元反応では酸化と還元が同時に起こります。方程式の左側の反応物は酸化または還元されて右側の生成物になります。反応を一度に 1 つずつ分けて考えると、このプロセスを理解しやすくなるかもしれません。

酸化反応は電子の正味の損失を表します。したがって、反応物は 1 つ以上の電子を失い、生成物の酸化状態はより高くなります。このプロセスを実証する最も簡単な反応の 1 つは、 水素 酸化反応です。この反応では、自由状態の水素ガスが酸化されて、正に帯電した水素イオンと自由電子が形成されます。その後、他のイオンが水溶液中のそれらの自由電子を拾うことができます。反応は次のとおりです。

H ₂ (気体) → 2H ⁺ (水溶液) + 2 e ⁻

H ₂ 分子内の水素原子の酸化状態はそれぞれゼロです。電子を失って形成される 2 つの水素イオンは、それぞれ +1 の酸化状態を持ちます。この単純な方程式では、水素はより高い酸化状態に移行し、ゼロから +1 に変化します。酸化していました。

一方、方程式の反応物側の水素原子が失った浮遊電子は、それぞれ -1 の電荷を持っています。これらの電子を方程式の一部として表示すると、正味電荷のバランスがとれます。これは、同時に還元を受ける 2 番目のタイプの原子を含む完全な酸化還元反応では通常必要ありません。

上記の反応が逆転すると、水素イオンと溶液中の浮遊電子から新しい水素ガス分子が生成される可能性があります。水素イオンは反応物として方程式の左側にあり、水素ガスは生成物として右側にあるため、新しい反応は還元反応を表します。以下のこの反応を参照してください。

2H ⁺ (水溶液) + 2 e ⁻ → H ₂ (ガス)

この還元反応では、左側の各水素イオンの酸化状態は +1 に等しくなります。しかし、遊離型の水素は二原子気体分子として中性であるため、左側の水素原子の酸化状態はゼロに等しくなります。今度は、水素が電子を獲得し、より低い酸化状態に移行しました。削減されました。

現実の酸化状態の変化を伴う反応では、通常、酸化反応と還元反応の両方を組み合わせる必要があります。 1 つの原子が 1 つ以上の電子を手放すか、酸化を受けると、別の原子がそれらの電子を受け取り、還元を受けます。水が水素と酸素に分解される際に何が起こるかを見てみましょう。この反応は自然界では頻繁に起こります。方程式は次のとおりです。

2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂

水素と酸素は両方とも、自然界で気体として自由に浮遊するときに二原子分子を​​形成します。自然な形の H ₂ と O ₂ では、それらの酸化状態はゼロです。したがって、この式の積はそれぞれ、酸化状態がゼロになります。

方程式の反応物側では、H ₂ O が水素原子と酸素原子を結合して中性の化合物を形成します。ただし、この化合物の各水素の酸化状態は +1 に等しく、酸素の酸化状態は -2 に等しくなります。上の方程式を 2 つの別々の半反応として書き換えて、発生する個別の酸化反応と還元反応を示すことができます。

^{2H ++} 2e− → _H2

2O ^2- → 4 e ^– + O ₂

前半の反応では、水素は +1 の酸化状態から 0 の酸化状態に変化します。各水素は電子を 1 つ獲得します。水素が還元されます。後半の反応では、酸素は酸化状態 -2 から酸化状態 0 に変化します。各酸素は 2 つの電子を失います。酸素は酸化されます。

最終的な方程式のバランスをとるために、前半の反応の水素と電子を 2 倍にする必要があります。したがって、酸素からは正味 4 電子が失われ、水素では正味 4 電子が増加します。

2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂ という式では、水素が還元され、酸素が酸化されます。酸素は、H ₂ O からの各水素イオンに電子を与えることにより、水素を還元する働きをしました。したがって、酸素が還元剤でした。還元剤は別の物質の還元を引き起こしました。一方、還元剤は酸化された。

同様に、上の方程式の反応物側の各水素は、電子を 1 つ奪うことによって酸素を酸化する働きをしました。水素は酸化剤でした。それは水からの酸素イオンの酸化を引き起こしました。

少し混乱を感じても、心配しないでください。これは多くの化学学生にとって最初は難しい概念ですが、練習することでずっと簡単になります。 OIL RIGという言葉を覚えていれば、酸化と還元の違いは覚えているでしょう。

酸化とは電子が失われることを意味します。電子が少ないほど、酸化状態はよりプラスに偏ったものになります。

還元とは電子を獲得することを意味します。電子が増えると、物質の酸化状態がさらに負に傾きます。

現実に起こる酸化還元反応をいくつか見てみると役立つかもしれません。この種の反応は世界中で常に起こっています。もちろん、これらはすべての種類の反応を表すわけではありませんが、非常に一般的です。ここでは、おそらくすでによく知られている酸化還元反応の例をいくつか紹介します。

酸素の存在下で物質が燃える燃焼は、よく知られた酸化還元反応です。メタン CH ₄ の燃焼を見てみましょう。メタンが酸素の存在下で燃焼すると、 二酸化炭素 と水が生成されます。その反応は次のとおりです。

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O

酸素が二原子気体として自由状態で存在する場合、酸素の酸化状態はゼロに等しいことに注意してください。しかし、酸素が水素と結合して水を形成したり、炭素と結合して二酸化炭素を形成したりすると、酸化状態は -2 になります。この式では、左側の中性酸素原子がそれぞれ還元されます。電子を獲得して、右側の -2 酸化状態に達します。

2O ₂ + 8 e ^– → 4O ^2-

一方、炭素は、左側の 4 つの +1 水素イオンと結合した -4 の酸化状態から、右側の 2 つの -2 酸素イオンと結合した +4 の酸化状態になります。炭素は酸化されます。合計 8 個の電子が失われ、酸素がそれを受け取ることができます。

C ^4- → C ⁴⁺ + 8 e ^–

このバランスの取れた方程式では、炭素によって失われる電子の数は、酸素によって得られる電子の数と等しくなります。炭素は還元剤であり、酸素は酸化剤です。水素は方程式の両側で同じ +1 の酸化状態を維持します。

錆は水の存在下で鉄が酸素と結合すると発生します。このプロセスには複数の手順が必要ですが、ここでは説明しません。ただし、この重要なプロセスである鉄と水が関与する酸化還元反応は、次の簡略化された方程式で説明できます。

4Fe + 3O ₂ → 2Fe ₂ O ₃

この方程式では、鉄と酸素は両方とも方程式の左側に自由状態で存在します。反応物として、これらの元素の酸化状態は両方ともゼロに等しくなります。右側では、鉄と酸素がイオンとして結合します。この特定の化合物では、酸素の酸化状態は -2 であり、鉄の酸化状態は +3 です。バランスの取れた方程式では、両側の正味電荷がゼロになります。鉄と酸素の両方が左側から右側に酸化状態の変化を受けるため、これは酸化還元反応であることがわかります。半反応を見てください。

4Fe → 4Fe ³⁺ + 12 e ^–

3O ₂ + 12 e ^– → 6O ^2-

繰り返しになりますが、このバランスの取れた方程式では、鉄によって失われる電子の数と、酸素によって得られる電子の数が同じになります。鉄は還元剤であり、酸素は酸化剤です。

植物は、光合成として知られるプロセスを通じて、光エネルギーの存在下で二酸化炭素と水をグルコースと酸素に変換します。このプロセスのバランスの取れた化学方程式は次のとおりです。

6CO ₂ + 6H ₂ O → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

グルコースは、炭素、水素、酸素から構成される有機化合物です。グルコース中の炭素の酸化状態はゼロです。ただし、二酸化炭素では、炭素の酸化状態は +4 に等しくなります。したがって、各炭素は方程式の左側の +4 の酸化状態から右側の 0 まで変化します。各炭素は還元され、4 つの電子を獲得します。

方程式の左側では、各酸素は酸化状態が -2 のイオンとして存在します。右側の各酸素は、酸化状態がゼロの遊離状態で存在します。酸素は元素の形に戻るために電子を失うと酸化されます。

酸化還元反応がなければ、この地球上の生命は消滅してしまうでしょう。これらの反応は光合成と細胞呼吸に必要です。それらは私たちの地球にエネルギーの大部分を提供します。もちろん、酸化還元反応も金属の腐食を引き起こします。これらの反応は食べ物を腐敗させ、細胞の老化にも影響を与えます。酸化と還元を理解することは、化学や生物学を研究する人にとって不可欠です。この概要が、概念をもう少しよく理解するのに役立つことを願っています。