この 章 で 学ぶ こと
第 7 章 で は 電子 の やり取り に 注目 した 化学反応 = 酸化還元反応 を 学び ます。 中学 で は 「酸素 と 結びつく / 酸素 を 失う」 で 酸化・還元 を 区別 し ました が、 高校 で は 電子 で 統一的 に 定義 し ます。
- 酸化 = 電子 を 失う、 還元 = 電子 を 受け取る こと を 説明 できる
- 酸化数 の 数え方 を 知り、 反応 で 増減 を 判定 できる
- 酸化剤 と 還元剤 を 区別 し、 半反応式 を 書ける
- イオン化傾向 の 順序 を おぼえ、 金属 の 反応性 を 説明 できる
- 電池 (ボルタ・ダニエル・鉛蓄電池・燃料電池) の 反応 を 書ける
- 電気分解 の しくみ を 理解 し、 陰極・陽極 で 起 こ る 反応 を 書ける
1. 酸化 と 還元 の 定義
3 つ の 立場
酸化・還元 は 同 じ 反応 を 別 の 角度 か ら 見 る もの で、 高校 で は 次 の 3 つ の 立場 を 区別 し ます。
| 立場 | 酸化 | 還元 |
|---|
| 酸素 | 酸素 と 結 び つ く | 酸素 を 失 う |
| 水素 | 水素 を 失 う | 水素 と 結 び つ く |
| 電子 (高校 の 中心) | 電子 を 失 う | 電子 を 受 け 取 る |
例: 2 Cu + O₂ → 2 CuO で は、 Cu は 電子 を 失 い (酸化)、 O は 電子 を 受 け 取 る (還元)。
同時 に 起 こ る
電子 は 突然消 え た り 生 ま れ た り し ない の で、 酸化 と 還元 は 必 ず 同時 に 起 こ り ます。 こ の 反応 を 酸化還元反応 と よ び ます。
ポイント: 「燃焼」 「金属 の さび」 「呼吸」 「電池 の 放電」 「写真 の 現像」 — こ れ ら は す べ て 酸化還元反応 で す。
2. 酸化数
酸化数 と は
「ど の 原子 が ど れ だ け 酸化 さ れ た か」 を 数値 で 表 す ため に 酸化数 を 使 い ます。 酸化数 が 大き く な れ ば 酸化、 小 さ く な れ ば 還元 で す。
酸化数 の 決 め 方 (ルール)
| ルール | 例 |
|---|
| 単体 の 原子 = 0 | H₂, O₂, Na, Cl₂ → 0 |
| 単原子 イオン = イオン の 価数 | Na⁺ = +1, Cl⁻ = -1, Mg²⁺ = +2 |
| 化合物中 の H = +1 (例外: 金属水素化物 で -1) | H₂O 中 の H = +1, NaH 中 の H = -1 |
| 化合物中 の O = -2 (例外: 過酸化物 で -1, OF₂ で +2) | H₂O 中 の O = -2, H₂O₂ 中 の O = -1 |
| 化合物全体 の 酸化数 の 和 = 0 | H₂SO₄ 全体 = 0 |
| 多原子 イオン 全体 の 酸化数 の 和 = イオン の 価数 | SO₄²⁻ 全体 = -2 |
計算例
H₂SO₄ 中 の S の 酸化数 を x と お く と、
(+1) × 2 + x + (-2) × 4 = 0 → x = +6
| 物質 | 注目原子 | 酸化数 |
|---|
| HNO₃ | N | +5 |
| HNO₂ | N | +3 |
| KMnO₄ | Mn | +7 |
| K₂Cr₂O₇ | Cr | +6 |
| Fe₂O₃ | Fe | +3 |
| FeO | Fe | +2 |
覚え方: 「O は -2、 H は +1」 を 出発点 に 全体 で 帳尻 を 合 わ せ る。 これ で ほ ぼ す べ て の 酸化数 が 出 せ る。
3. 酸化剤 と 還元剤
定義
| 区分 | はたらき | 反応後 の 自分 |
|---|
| **[[酸化剤 | さんかざい]]** | 相手 を 酸化 する (= 自分 が 電子 を 受 け 取 る) |
| **[[還元剤 | かんげんざい]]** | 相手 を 還元 する (= 自分 が 電子 を 与 え る) |
よく 出 る 酸化剤・還元剤
| 種類 | 代表例 | 反応 で 何 に な る か |
|---|
| 強い 酸化剤 | KMnO₄ (酸性中) | Mn²⁺ (Mn の 酸化数 +7 → +2) |
| 強い 酸化剤 | K₂Cr₂O₇ (酸性中) | Cr³⁺ (+6 → +3) |
| 酸化剤 | H₂O₂ (酸性中) | H₂O (O の 酸化数 -1 → -2) |
| 酸化剤 | 濃 HNO₃, 希 HNO₃, 熱濃 H₂SO₄ | NO₂, NO, SO₂ |
| 強い 還元剤 | Na, K, Ca な ど 活性金属 | Na⁺, K⁺, Ca²⁺ |
| 還元剤 | H₂S | S |
| 還元剤 | SO₂ (相手 が 強 け れ ば 還元剤、 弱 け れ ば 酸化剤) | S, または S²⁻ |
半反応式
酸化剤・還元剤 が 受 け 取 る (与 え る) 電子 の 数 を 含 め て 書 い た 式 を 半反応式 と い い ます。
例: 過マンガン酸 イオン (酸性中)
MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻ → Mn²⁺ + 4 H₂O
例: 過酸化水素 (還元剤 と し て)
H₂O₂ → O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻
書き方 の 順: ① 反応前後 の 物質 を 書 く ② O を H₂O で 合わせる ③ H を H⁺ で 合わせる ④ 電荷 を e⁻ で 合わせる。
4. イオン化傾向 と 金属 の 反応
イオン化列
水溶液中 で 金属 が 陽 イオン に な り や す い 順 (= 電子 を 失 い や す い 順) を イオン化傾向 と い い ます。
K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au
覚え方: 「貸 そ う か な ま あ あ て に す な ひ ど す ぎ る 借金」 (K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au)
イオン化列 で 何 が わ か る か
| 反応 | 反応 する 金属 |
|---|
| 常温 の 水 と 反応 | K, Ca, Na |
| 熱水 と 反応 | Mg |
| 高温 の 水蒸気 と 反応 | Al, Zn, Fe |
| 希酸 (HCl, 希 H₂SO₄) と 反応 し H₂ を 出す | H より 左 (K 〜 Pb) |
| 濃硝酸・熱濃硫酸 に 反応 | Cu, Hg, Ag (Pt, Au は 反応 し ない) |
| 王水 (濃 HCl + 濃 HNO₃ = 3:1) に 反応 | Pt, Au |
鉄 の さび
鉄 Fe が 水 と 酸素 で さび る の は 酸化反応 で す。 これ を 防 ぐ ため に トタン (Fe を Zn で めっき) や ブリキ (Fe を Sn で めっき) が 使 わ れ ます。
| 種類 | めっき 金属 | キズ が つ い た と き |
|---|
| トタン | Zn (Fe より イオン化 し やす い) | Zn が 先 に 溶 け、 Fe を 守 る |
| ブリキ | Sn (Fe より イオン化 しにく い) | キズ か ら Fe が 急速 に さ び る |
5. 電池 (化学電池)
**[[ダニエル電池|ダニエルでんち]]** — Zn 板 (負極) と Cu 板 (正極) を ZnSO₄ と CuSO₄ 水溶液 に 浸 し、 塩橋 で つな ぐ。 [[酸化還元|さんかかんげん]]反応 で 電流 が 流れる 化学電池 の 代表。
電池 の しくみ
イオン化傾向 の ちがう 2 種類 の 金属 を 電解液 に 入 れ る と、 電子 が 外部回路 を 通 っ て 流 れ ます。 これ を 電池 (化学電池) と い い ます。
| 用語 | 定義 |
|---|
| **[[負極 | ふきょく]]** |
| **[[正極 | せいきょく]]** |
| **[[起電力 | きでんりょく]]** |
ボルタ電池
最初 の 化学電池。 Zn 板 と Cu 板 を 希 H₂SO₄ に つ け た もの。
- 負極 (Zn): Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
- 正極 (Cu): 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂
起電力 は 約 1.1 V だ が、 Cu 板表面 に H₂ が 付着 し て すぐ に 起電力 が 落 ち る (分極)。
ダニエル電池
ボルタ の 弱点 を 改良。 Zn 板 を ZnSO₄ 水溶液 に、 Cu 板 を CuSO₄ 水溶液 に つ け、 素焼き 板 (または 塩橋) で 仕切 る。
- 負極 (Zn): Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
- 正極 (Cu): Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
起電力約 1.1 V、 安定 し て 取 り 出 せ る。
鉛蓄電池 (二次電池 = 充電可)
自動車 の バッテリー。 希硫酸 に Pb 板 と PbO₂ 板 を 入 れ た もの。
**自動車用[[鉛蓄電池|なまりちくでんち]]** — エンジン 始動 や 電装品 の 電源 に 使 う。 セル 1 個 で 約 2.0 V、 6 セル を 直列接続 し て 12 V を 取 り 出 す。 充電 で き る [[二次電池|にじでんち]] の 代表 で、 100 年以上使 わ れ て いる。
- 負極 (Pb): Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2 e⁻
- 正極 (PbO₂): PbO₂ + 4 H⁺ + SO₄²⁻ + 2 e⁻ → PbSO₄ + 2 H₂O
- 全体: Pb + PbO₂ + 2 H₂SO₄ → 2 PbSO₄ + 2 H₂O
放電 で H₂SO₄ が 減 る ため、 電解液 の 密度 を 計 れ ば 残量 が 分 か る。
燃料電池 (リン酸形)
水素 を 燃料 に、 酸素 と 反応 さ せ て 電気 を 取 り 出 す。 排出物 は 水 だ け の クリーン な 電池。
- 負極 (H₂): 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻
- 正極 (O₂): O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O
- 全体: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
| 電池名 | 一次/二次 | 起電力 | 用途 |
|---|
| ボルタ電池 | 一次 | 約 1.1 V | 歴史的 |
| ダニエル電池 | 一次 | 約 1.1 V | 教科書 |
| マンガン乾電池 | 一次 | 約 1.5 V | 家電 |
| アルカリ マンガン 電池 | 一次 | 約 1.5 V | 家電 |
| 鉛蓄電池 | 二次 | 約 2.0 V | 自動車 |
| リチウム イオン 電池 | 二次 | 約 3.7 V | スマホ・EV |
| 燃料電池 | — | 約 1.2 V | 自動車 (FCV)・家庭 |
6. 電気分解
電気分解 と は
電池 の 反対 で、 外部 か ら 電気 を 流 し て 強制的 に 酸化還元 を 起 こ す 操作 が 電気分解 で す。 水溶液 か 融解塩 に 電極 を さ し、 直流 を 流 し ます。
| 電極 | 起 こ る 反応 | 名前 |
|---|
| **[[陰極 | いんきょく]]** (-) | 還元 (電子 を 受 け 取 る) |
| **[[陽極 | ようきょく]]** (+) | 酸化 (電子 を 失 う) |
よく 出 る 例
| 電解液 / 電極 | 陰極 の 反応 | 陽極 の 反応 |
|---|
| CuSO₄ aq / Cu 電極 | Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu | Cu → Cu²⁺ + 2 e⁻ (電解銅精錬) |
| NaCl aq / 炭素電極 | 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻ | 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻ |
| H₂SO₄ aq / 白金電極 | 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂ | 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ |
| 融解 NaCl / 炭素 | Na⁺ + e⁻ → Na | 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻ |
ファラデー の 法則
電気分解 で 析出 (発生) す る 物質 の 物質量 は、 流 れ た 電気量 に 比例 し ます。
電気量 Q (C) = 電流 I (A) × 時間 t (s)
電子 1 mol の 電気量 = 9.65 × 10⁴ C (ファラデー定数)
例: 1 A の 電流 で 32 分 10 秒 (= 1930 秒) 流 す と、 流 れ た 電子 は 1930 / 96500 = 0.020 mol。 Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu な の で Cu は 0.010 mol = 0.64 g 析出。
7. 章 の まとめ
重要用語 まとめ
- 酸化 = 電子 を 失 う、 還元 = 電子 を 受 け 取 る (同時 に 起 こ る)
- 酸化数 で 反応 を 整理。 増 え れ ば 酸化、 減 れ ば 還元
- 酸化剤 / 還元剤 と 半反応式 を 区別
- イオン化傾向 で 金属 の 反応性 を 比較
- 電池: ボルタ・ダニエル・鉛蓄電池・燃料電池 の しくみ
- 電気分解 と ファラデー定数 = 9.65 × 10⁴ C/mol
確認 リスト
この 章 の 安全配慮
- 鉛蓄電池 の 希硫酸 は 強 い 腐食性。 こ ぼ し た ら 大量 の 水 で 流 し、 中和剤 (重曹) で 処理 す る
- 電気分解 で 発生 す る 塩素 Cl₂ は 有毒気体。 必 ず ドラフト内 で 行 う
- 水素 H₂ は 可燃性 で 爆発 す る お そ れ。 火気厳禁
- リチウム イオン 電池 の 内部短絡 は 発火 の 原因。 分解・改造・水濡 れ は しない
- 金属 ナトリウム K, Na は 水 と 激 しく 反応 し て 発火。 絶対 に 水 に 入 れ ない (灯油中 で 保管)
次 の 章: 第 8 章 で は 無機化学 に 入 り、 非金属元素 (水素・ハロゲン・酸素・硫黄・窒素・リン・炭素・ケイ素) と 典型金属・遷移元素 の 性質 を 順 に 見 て いき ます。
まとめ — 酸化還元 と 電池 を 3 行で
- 酸化数 の増減で酸化/還元を判定し、 酸化剤 と 還元剤 の 半反応式 を組み合わせて反応全体を構築する
- イオン化傾向 の大きい金属が 負極 となり、 ボルタ電池 ・ダニエル電池 ・鉛蓄電池 ・燃料電池 の各極反応が体系的に理解できる
- 電気分解 では電気量 (C) と物質量 (mol) が ファラデー定数 9.65 × 10⁴ C/mol で結ばれ、 工業的な金属精錬や水酸化ナトリウム製造に応用される