酸化さんか還元かんげん と 電池でんち

この 章しょう で 学まなぶ こと

第だい 7 章しょう で は 電子でんし の やり取とり に 注目ちゅうもく した 化学かがく反応はんのう = 酸化還元反応さんかかんげんはんのう を 学まなび ます。 中学ちゅうがく で は 「酸素さんそ と 結むすびつく / 酸素さんそ を 失うしなう」 で 酸化さんか・還元かんげん を 区別くべつ し ました が、 高校こうこう で は 電子でんし で 統一とういつ的てき に 定義ていぎ し ます。

• 酸化さんか = 電子でんし を 失うしなう、 還元かんげん = 電子でんし を 受うけ取とる こと を 説明せつめい できる
• 酸化数さんかすう の 数かぞえ方かた を 知しり、 反応はんのう で 増減ぞうげん を 判定はんてい できる
• 酸化剤さんかざい と 還元剤かんげんざい を 区別くべつ し、 半反応式はんはんのうしき を 書かける
• イオン化傾向いおんかけいこう の 順序じゅんじょ を おぼえ、 金属きんぞく の 反応はんのう性せい を 説明せつめい できる
• 電池でんち (ボルタ・ダニエル・鉛なまり蓄電池ちくでんち・燃料ねんりょう電池でんち) の 反応はんのう を 書かける
• 電気分解でんきぶんかい の しくみ を 理解りかい し、 陰極いんきょく・陽極ようきょく で 起おこし こ る 反応はんのう を 書かける

1. 酸化さんか と 還元かんげん の 定義ていぎ

3 つ の 立場たちば

酸化さんか・還元かんげん は 同どう じ 反応はんのう を 別べつ の 角度かくど か ら 見み る もの で、 高校こうこう で は 次つぎ の 3 つ の 立場たちば を 区別くべつ し ます。

立場たちば	酸化さんか	還元かんげん
酸素さんそ	酸素さんそ と 結むすぶ び つ く	酸素さんそ を 失しつ う
水素すいそ	水素すいそ を 失しつ う	水素すいそ と 結むすぶ び つ く
電子でんし (高校こうこう の 中心ちゅうしん)	電子でんし を 失しつ う	電子でんし を 受 け 取と る

例れい: 2 Cu + O₂ → 2 CuO で は、 Cu は 電子でんし を 失しつ い (酸化さんか)、 O は 電子でんし を 受 け 取と る (還元かんげん)。

同時どうじ に 起おこし こ る

電子でんし は 突然とつぜん消しょう え た り 生なま ま れ た り し ない の で、 酸化さんか と 還元かんげん は 必 ず 同時どうじ に 起おこし こ り ます。 こ の 反応はんのう を 酸化還元反応さんかかんげんはんのう と よ び ます。

ポイント: 「燃焼ねんしょう」 「金属きんぞく の さび」 「呼吸こきゅう」 「電池でんち の 放電ほうでん」 「写真しゃしん の 現像げんぞう」 — こ れ ら は す べ て 酸化さんか還元かんげん反応はんのう で す。

2. 酸化さんか数すう

酸化さんか数すう と は

「ど の 原子げんし が ど れ だ け 酸化さんか さ れ た か」 を 数値すうち で 表ひょう す ため に 酸化数さんかすう を 使し い ます。 酸化さんか数すう が 大おおき く な れ ば 酸化さんか、 小しょう さ く な れ ば 還元かんげん で す。

酸化さんか数すう の 決けつ め 方かた (ルール)

ルール	例れい
単体たんたい の 原子げんし = 0	H₂, O₂, Na, Cl₂ → 0
単たん原子げんし イオン = イオン の 価あたい数すう	Na⁺ = +1, Cl⁻ = -1, Mg²⁺ = +2
化合かごう物ぶつ中ちゅう の H = +1 (例外れいがい: 金属きんぞく水素すいそ化物ばけもの で -1)	H₂O 中なか の H = +1, NaH 中なか の H = -1
化合かごう物ぶつ中ちゅう の O = -2 (例外れいがい: 過か酸化さんか物ぶつ で -1, OF₂ で +2)	H₂O 中なか の O = -2, H₂O₂ 中なか の O = -1
化合かごう物ぶつ全体ぜんたい の 酸化さんか数すう の 和わ = 0	H₂SO₄ 全体ぜんたい = 0
多た原子げんし イオン 全体ぜんたい の 酸化さんか数すう の 和わ = イオン の 価あたい数すう	SO₄²⁻ 全体ぜんたい = -2

計算けいさん例れい

H₂SO₄ 中なか の S の 酸化さんか数すう を x と お く と、

(+1) × 2 + x + (-2) × 4 = 0 → x = +6

物質ぶっしつ	注目ちゅうもく原子げんし	酸化さんか数すう
HNO₃	N	+5
HNO₂	N	+3
KMnO₄	Mn	+7
K₂Cr₂O₇	Cr	+6
Fe₂O₃	Fe	+3
FeO	Fe	+2

覚おぼえ方かた: 「O は -2、 H は +1」 を 出発しゅっぱつ点てん に 全体ぜんたい で 帳尻ちょうじり を 合ごう わ せ る。 これ で ほ ぼ す べ て の 酸化さんか数すう が 出で せ る。

3. 酸化さんか剤ざい と 還元かんげん剤ざい

定義ていぎ

区分くぶん	はたらき	反応はんのう後ご の 自分じぶん
**[[酸化剤	さんかざい]]**	相手あいて を 酸化さんか する (= 自分じぶん が 電子でんし を 受 け 取と る)
**[[還元剤	かんげんざい]]**	相手あいて を 還元かんげん する (= 自分じぶん が 電子でんし を 与あずか え る)

よく 出で る 酸化さんか剤ざい・還元かんげん剤ざい

種類しゅるい	代表だいひょう例れい	反応はんのう で 何なに に な る か
強つよい 酸化さんか剤ざい	KMnO₄ (酸性さんせい中ちゅう)	Mn²⁺ (Mn の 酸化さんか数すう +7 → +2)
強つよい 酸化さんか剤ざい	K₂Cr₂O₇ (酸性さんせい中ちゅう)	Cr³⁺ (+6 → +3)
酸化さんか剤ざい	H₂O₂ (酸性さんせい中ちゅう)	H₂O (O の 酸化さんか数すう -1 → -2)
酸化さんか剤ざい	濃こ HNO₃, 希まれ HNO₃, 熱ねつ濃こ H₂SO₄	NO₂, NO, SO₂
強つよい 還元かんげん剤ざい	Na, K, Ca な ど 活性かっせい金属きんぞく	Na⁺, K⁺, Ca²⁺
還元かんげん剤ざい	H₂S	S
還元かんげん剤ざい	SO₂ (相手あいて が 強つよ け れ ば 還元かんげん剤ざい、 弱じゃく け れ ば 酸化さんか剤ざい)	S, または S²⁻

半はん反応はんのう式しき

酸化さんか剤ざい・還元かんげん剤ざい が 受 け 取と る (与あずか え る) 電子でんし の 数かず を 含 め て 書しょ い た 式しき を 半反応式はんはんのうしき と い い ます。

例れい: 過かマンガン酸さん イオン (酸性さんせい中ちゅう)

MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻ → Mn²⁺ + 4 H₂O

例れい: 過酸化水素かさんかすいそ (還元かんげん剤ざい と し て)

H₂O₂ → O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻

書かき方かた の 順じゅん: ① 反応はんのう前後ぜんご の 物質ぶっしつ を 書しょ く ② O を H₂O で 合あわせる ③ H を H⁺ で 合あわせる ④ 電荷でんか を e⁻ で 合あわせる。

4. イオン化いおんか傾向けいこう と 金属きんぞく の 反応はんのう

イオン化いおんか列れつ

水溶液すいようえき中ちゅう で 金属きんぞく が 陽ひ イオン に な り や す い 順じゅん (= 電子でんし を 失しつ い や す い 順じゅん) を イオン化傾向いおんかけいこう と い い ます。

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

覚おぼえ方かた: 「貸かし そ う か な ま あ あ て に す な ひ ど す ぎ る 借金しゃっきん」 (K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au)

イオン化いおんか列れつ で 何なに が わ か る か

反応はんのう	反応はんのう する 金属きんぞく
常温じょうおん の 水みず と 反応はんのう	K, Ca, Na
熱ねつ水すい と 反応はんのう	Mg
高温こうおん の 水蒸気すいじょうき と 反応はんのう	Al, Zn, Fe
希まれ酸さん (HCl, 希まれ H₂SO₄) と 反応はんのう し H₂ を 出だす	H より 左ひだり (K 〜 Pb)
濃こ硝酸しょうさん・熱ねつ濃こ硫酸りゅうさん に 反応はんのう	Cu, Hg, Ag (Pt, Au は 反応はんのう し ない)
王水おうすい (濃こ HCl + 濃こ HNO₃ = 3:1) に 反応はんのう	Pt, Au

鉄てつ の さび

鉄てつ Fe が 水みず と 酸素さんそ で さび る の は 酸化さんか反応はんのう で す。 これ を 防ぼう 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 使し わ れ ます。

種類しゅるい	めっき 金属きんぞく	キズ が つ い た と き
トタン	Zn (Fe より イオン化いおんか し やす い)	Zn が 先さき に 溶 け、 Fe を 守まもり る
ブリキ	Sn (Fe より イオン化いおんか しにく い)	キズ か ら Fe が 急速きゅうそく に さ び る

5. 電池でんち (化学かがく電池でんち)

電池でんち の しくみ

イオン化いおんか傾向けいこう の ちがう 2 種類しゅるい の 金属きんぞく を 電解でんかい液えき に 入いり れ る と、 電子でんし が 外部がいぶ回路かいろ を 通つう っ て 流ながれ れ ます。 これ を 電池でんち (化学かがく電池でんち) と い い ます。

用語ようご	定義ていぎ
**[[負極	ふきょく]]**
**[[正極	せいきょく]]**
**[[起電力	きでんりょく]]**

ボルタ電池でんち

最初さいしょ の 化学かがく電池でんち。 Zn 板いた と Cu 板いた を 希まれ H₂SO₄ に つ け た もの。

• 負ふ極きょく (Zn): Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
• 正せい極きょく (Cu): 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂

起電きでん力りょく は 約やく 1.1 V だ が、 Cu 板いた表面ひょうめん に H₂ が 付着ふちゃく し て すぐ に 起電きでん力りょく が 落 ち る (分極ぶんきょく)。

ダニエル電池でんち

ボルタ の 弱点じゃくてん を 改良かいりょう。 Zn 板いた を ZnSO₄ 水溶液すいようえき に、 Cu 板いた を CuSO₄ 水溶液すいようえき に つ け、 素焼き 板すやき いた (または 塩しお橋きょう) で 仕切しきり る。

• 負ふ極きょく (Zn): Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻
• 正せい極きょく (Cu): Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu

起電きでん力りょく約やく 1.1 V、 安定あんてい し て 取と り 出で せ る。

鉛なまり蓄電池ちくでんち (二に次じ電池でんち = 充電じゅうでん可か)

自動車じどうしゃ の バッテリー。 希硫酸まれりゅうさん に Pb 板いた と PbO₂ 板いた を 入いり れ た もの。

• 負ふ極きょく (Pb): Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2 e⁻
• 正せい極きょく (PbO₂): PbO₂ + 4 H⁺ + SO₄²⁻ + 2 e⁻ → PbSO₄ + 2 H₂O
• 全体ぜんたい: Pb + PbO₂ + 2 H₂SO₄ → 2 PbSO₄ + 2 H₂O

放電ほうでん で H₂SO₄ が 減げん る ため、 電解でんかい液えき の 密度みつど を 計けい れ ば 残ざん量りょう が 分ぶん か る。

燃料ねんりょう電池でんち (リン酸さん形がた)

水素すいそ を 燃料ねんりょう に、 酸素さんそ と 反応はんのう さ せ て 電気でんき を 取と り 出で す。 排出はいしゅつ物ぶつ は 水みず だ け の クリーン な 電池でんち。

• 負ふ極きょく (H₂): 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻
• 正せい極きょく (O₂): O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O
• 全体ぜんたい: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

電池でんち名めい	一いち次じ/二に次じ	起電きでん力りょく	用途ようと
ボルタ電池でんち	一いち次じ	約やく 1.1 V	歴史れきし的てき
ダニエル電池でんち	一いち次じ	約やく 1.1 V	教科書きょうかしょ
マンガン乾電池かんでんち	一いち次じ	約やく 1.5 V	家電かでん
アルカリ マンガン 電池でんち	一いち次じ	約やく 1.5 V	家電かでん
鉛なまり蓄電池ちくでんち	二に次じ	約やく 2.0 V	自動車じどうしゃ
リチウム イオン 電池でんち	二に次じ	約やく 3.7 V	スマホ・EV
燃料ねんりょう電池でんち	—	約やく 1.2 V	自動車じどうしゃ (FCV)・家庭かてい

6. 電気でんき分解ぶんかい

電気でんき分解ぶんかい と は

電池でんち の 反対はんたい で、 外部がいぶ か ら 電気でんき を 流ながれ し て 強制きょうせい的てき に 酸化さんか還元かんげん を 起おこし こ す 操作そうさ が 電気分解でんきぶんかい で す。 水溶液すいようえき か 融解ゆうかい塩しお に 電極でんきょく を さ し、 直流ちょくりゅう を 流ながれ し ます。

電極でんきょく	起おこし こ る 反応はんのう	名前なまえ
**[[陰極	いんきょく]]** (-)	還元かんげん (電子でんし を 受 け 取と る)
**[[陽極	ようきょく]]** (+)	酸化さんか (電子でんし を 失しつ う)

よく 出で る 例れい

電解でんかい液えき / 電極でんきょく	陰極いんきょく の 反応はんのう	陽極ようきょく の 反応はんのう
CuSO₄ aq / Cu 電極でんきょく	Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu	Cu → Cu²⁺ + 2 e⁻ (電解でんかい銅どう精錬せいれん)
NaCl aq / 炭素たんそ電極でんきょく	2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻	2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
H₂SO₄ aq / 白金はっきん電極でんきょく	2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂	2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻
融解ゆうかい NaCl / 炭素たんそ	Na⁺ + e⁻ → Na	2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻

ファラデー の 法則ほうそく

電気でんき分解ぶんかい で 析出せきしゅつ (発生はっせい) す る 物質ぶっしつ の 物質ぶっしつ量りょう は、 流ながれ れ た 電気でんき量りょう に 比例ひれい し ます。

電気でんき量りょう Q (C) = 電流でんりゅう I (A) × 時間じかん t (s) 電子でんし 1 mol の 電気でんき量りょう = 9.65 × 10⁴ C (ファラデー定数ファラデーていすう)

例れい: 1 A の 電流でんりゅう で 32 分ぶん 10 秒びょう (= 1930 秒びょう) 流ながれ す と、 流ながれ れ た 電子でんし は 1930 / 96500 = 0.020 mol。 Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu な の で Cu は 0.010 mol = 0.64 g 析出せきしゅつ。

7. 章しょう の まとめ

重要じゅうよう用語ようご まとめ

• 酸化さんか = 電子でんし を 失しつ う、 還元かんげん = 電子でんし を 受 け 取と る (同時どうじ に 起おこし こ る)
• 酸化数さんかすう で 反応はんのう を 整理せいり。 増まし え れ ば 酸化さんか、 減げん れ ば 還元かんげん
• 酸化剤さんかざい / 還元剤かんげんざい と 半反応式はんはんのうしき を 区別くべつ
• イオン化傾向いおんかけいこう で 金属きんぞく の 反応はんのう性せい を 比較ひかく
• 電池でんち: ボルタ・ダニエル・鉛なまり蓄電池ちくでんち・燃料ねんりょう電池でんち の しくみ
• 電気分解でんきぶんかい と ファラデー定数ファラデーていすう = 9.65 × 10⁴ C/mol

確認かくにん リスト

• [ ]酸化さんか数すう を 計算けいさん で きる
• [ ]酸化さんか剤ざい・還元かんげん剤ざい を 区別くべつ し、 半はん反応はんのう式しき を 書しょ ける
• イオン化いおんか傾向けいこう の 順序じゅんじょ を 言いえる
• ダニエル電池でんち・鉛なまり蓄電池ちくでんち・燃料ねんりょう電池でんち の 各かく極きょく の 反応はんのう式しき を 書しょ ける
• [ ]電気でんき分解ぶんかい で 流ながれ れ た 電気でんき量りょう か ら 物質ぶっしつ量りょう を 計算けいさん で きる

この 章しょう の 安全あんぜん配慮はいりょ

• 鉛なまり蓄電池ちくでんち の 希まれ硫酸りゅうさん は 強つよ い 腐食ふしょく性せい。 こ ぼ し た ら 大量たいりょう の 水みず で 流ながれ し、 中和ちゅうわ剤ざい (重曹じゅうそう) で 処理しょり す る
• 電気でんき分解ぶんかい で 発生はっせい す る 塩素えんそ Cl₂ は 有毒ゆうどく気体きたい。 必 ず ドラフト内 で 行あるき う
• 水素すいそ H₂ は 可燃かねん性せい で 爆発ばくはつ す る お そ れ。 火気かき厳禁げんきん
• リチウム イオン 電池でんち の 内部ないぶ短絡たんらく は 発火はっか の 原因げんいん。 分解ぶんかい・改造かいぞう・水みず濡 れ は しない
• 金属きんぞく ナトリウム K, Na は 水みず と 激げき しく 反応はんのう し て 発火はっか。 絶対ぜったい に 水みず に 入いり れ ない (灯油とうゆ中ちゅう で 保管ほかん)

次じ の 章しょう: 第だい 8 章しょう で は 無機化学むきかがく に 入いり り、 非金属ひきんぞく元素げんそ (水素すいそ・ハロゲン・酸素さんそ・硫黄いおう・窒素ちっそ・リン・炭素たんそ・ケイ素けいそ) と 典型てんけい金属きんぞく・遷移せんい元素げんそ の 性質せいしつ を 順じゅん に 見み て いき ます。

まとめ — 酸化還元さんかかんげん と 電池でんち を 3 行くだりで

• 酸化数さんかすう の増減ぞうげんで酸化さんか/還元かんげんを判定はんていし、 酸化剤さんかざい と 還元剤かんげんざい の 半反応式はんはんのうしき を組くみ合あわせて反応はんのう全体ぜんたいを構築こうちくする
• イオン化傾向いおんかけいこう の大おおきい金属きんぞくが 負極ふきょく となり、 ボルタ電池ボルタでんち ・ダニエル電池ダニエルでんち ・鉛蓄電池なまりちくでんち ・燃料電池ねんりょうでんち の各かく極きょく反応はんのうが体系たいけい的てきに理解りかいできる
• 電気分解でんきぶんかい では電気でんき量りょう (C) と物質ぶっしつ量りょう (mol) が ファラデー定数ファラデーていすう 9.65 × 10⁴ C/mol で結むすばれ、 工業こうぎょう的てきな金属きんぞく精錬せいれんや水酸化すいさんかナトリウム製造せいぞうに応用おうようされる