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
• イオン化傾向イオンかけいこう 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・還元かんげんは同おな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びつく	酸素さんそを失うしなう
水素すいそ	水素すいそを失うしなう	水素すいそと結むすびつく
電子でんし (高校こうこうの中心ちゅうしん)	電子でんしを失うしなう	電子でんしを受うけ取とる

例れい: 2 Cu + O₂ → 2 CuO では、 Cu は電子でんしを失うしない (酸化さんか)、 O は電子でんしを受うけ取とる (還元かんげん)。

同時どうじに起おこる

電子でんしは突然とつぜん消きえたり生うまれたりしないので、 酸化さんかと還元かんげんは必かならず同時どうじに起おこります。 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」 を数値すうちで表あらわすために 酸化数さんかすう を使つかいます。 酸化さんか数すうが 大おおきくなれば酸化さんか、 小ちいさくなれば還元かんげん です。

酸化さんか数すうの決きめ方かた (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あわせる。 これでほぼすべての酸化さんか数すうが出だせる。

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うけ取とる)	還元かんげんされる
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たえる)	酸化さんかされる

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、 弱よわ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うけ取とる (与あたえる) 電子でんしの数かずを含ふくめて書かいた式しきを 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かく 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 (= 電子でんしを失うしないやすい順じゅん) を イオン化傾向イオンかけいこう 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。 これを防ふせぐために トタン (Fe を Zn でめっき) や ブリキ (Fe を Sn でめっき) が使つかわれます。

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 よりイオン化かしやすい)	Zn が先さきに溶とけ、 Fe を守まもる
ブリキ	Sn (Fe よりイオン化かしにくい)	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れると、 電子でんしが外部がいぶ回路かいろを通とおって流ながれます。 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	電子でんしが出でていく側がわ = 酸化さんかが起おこる側がわ (イオン化かしやすい金属きんぞく)
正極せいきょく	電子でんしが入はいってくる側がわ = 還元かんげんが起おこる側がわ
起電力きでんりょく	正せい極きょくと負ふ極きょくの間まの電位差でんいさ (V)

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おちる (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だせる。

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 が減へるため、 電解でんかい液えきの密度みつどを計はかれば残ざん量りょうが分わかる。

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だす。 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します。

電極でんきょく	起おこる反応はんのう	名前なまえ
陰極いんきょく (-)	還元かんげん (電子でんしを受うけ取とる)	陽ひイオンが電子でんしを受うけ取とり析出せきしゅつ
陽極ようきょく (+)	酸化さんか (電子でんしを失うしなう)	陰かげイオン (または電極でんきょく自身じしん) が電子でんしを失うしなう

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) 流ながすと、 流ながれた電子でんしは 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 = 電子でんしを失うしなう、 還元かんげん = 電子でんしを受うけ取とる (同時どうじに起おこる)
• 酸化数さんかすう で反応はんのうを整理せいり。 増ふえれば酸化さんか、 減へれば還元かんげん
• 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
• イオン化傾向イオンかけいこう 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かける
• イオン化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かける
• [ ]電気でんき分解ぶんかいで流なが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。 必かならず ドラフトどらふと内で行おこなう
• 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・水みず濡ぬれはしない
• 金属きんぞくナトリウム K, Na は水みずと激はげ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 に入はいり、 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 を組み合わせくみ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
• イオン化傾向イオンかけいこう 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