酸化剤にも還元剤にもなる物質

過酸化水素と二酸化硫黄が、反応の相手（ $KMnO_{4}$ ・ $KI$ ・ $H_{2} S$ など）によって酸化剤・還元剤のどちらにはたらくかを、酸化数の変化（ $H_{2} O_{2}$ の O は $- 1$ 、 $SO_{2}$ の S は $+ 4$ ）から判定できる

前提

酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

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酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

説明

過酸化水素 H $_{2}$ O $_{2}$ と二酸化硫黄 SO $_{2}$ は、反応する相手によって酸化剤としてはたらくことも、還元剤としてはたらくこともある物質である。この技能では、相手が KMnO $_{4}$ のような強い酸化剤か、KI や H $_{2}$ S のような還元剤かを見て、H $_{2}$ O $_{2}$ ・SO $_{2}$ がどちらとしてはたらくかを酸化数の変化から判定し、そのとき何に変わるかを選べるようになる。

なぜそうしてよいのか

ある原子が酸化剤になれるのは、酸化数が減る（電子を受け取る）余地があるときであり、還元剤になれるのは、酸化数が増える（電子を失う）余地があるときである。O 原子は化合物中でふつう $- 2$ 、単体 O $_{2}$ では 0 をとる。H $_{2}$ O $_{2}$ の O の酸化数は、H が $+ 1$ で総和が 0 なので $2 \times (+ 1) + 2 x = 0$ より $x = - 1$ で、ちょうど $- 2$ と 0 の中間にある。だから O は $- 1 \to - 2$ （H $_{2}$ O になる）と減ることも、 $- 1 \to 0$ （O $_{2}$ になる）と増えることもできる。

同じように、S 原子は H $_{2}$ S の $- 2$ 、単体 S の 0、SO $_{4}^{2 -}$ （硫酸）の $+ 6$ などをとる。SO $_{2}$ の S は $x + 2 \times (- 2) = 0$ より $+ 4$ で、これも中間の値である。だから S は $+ 4 \to 0$ （S になる）と減ることも、 $+ 4 \to + 6$ （SO $_{4}^{2 -}$ になる）と増えることもできる。

どちらになるかは相手で決まる。KMnO $_{4}$ のように電子を強く奪う相手と反応すると、H $_{2}$ O $_{2}$ や SO $_{2}$ は電子を奪われる側、つまり還元剤になる。KI や H $_{2}$ S のように電子を出しやすい相手と反応すると、H $_{2}$ O $_{2}$ や SO $_{2}$ は電子を受け取る側、つまり酸化剤になる。最後は、反応式で酸化数が増えたか減ったかを確かめれば確実に判定できる。

手順

H $_{2}$ O $_{2}$ の O は $- 1$ 、SO $_{2}$ の S は $+ 4$ で、どちらも増減の両方ができる中間の酸化数であることを確かめる。
反応の相手を見る。相手が KMnO $_{4}$ 、K $_{2}$ Cr $_{2}$ O $_{7}$ のような強い酸化剤なら H $_{2}$ O $_{2}$ ・SO $_{2}$ は還元剤、相手が KI、H $_{2}$ S のような還元剤なら H $_{2}$ O $_{2}$ ・SO $_{2}$ は酸化剤になると見当をつける。
H $_{2}$ O $_{2}$ の変化を当てはめる。酸化剤のとき $H_{2} O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-} \to 2 H_{2} O$ （O: $- 1 \to - 2$ ）、還元剤のとき $H_{2} O_{2} \to O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-}$ （O: $- 1 \to 0$ 、O $_{2}$ が発生）。
SO $_{2}$ の変化を当てはめる。酸化剤のとき $S O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-} \to S + 2 H_{2} O$ （S: $+ 4 \to 0$ 、S が析出して白濁）、還元剤のとき $S O_{2} + 2 H_{2} O \to S O_{4}^{2 -} + 4 H^{+} + 2 e^{-}$ （S: $+ 4 \to + 6$ ）。
反応式が与えられていれば、生成物での酸化数を求め、減っていれば酸化剤、増えていれば還元剤と最終的に判定する。

例題

硫酸酸性の過マンガン酸カリウム KMnO $_{4}$ 水溶液に過酸化水素水を加えると、赤紫色が消えて気体が発生した。このときの過酸化水素について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　酸化剤としてはたらき、O の酸化数は $- 1$ から $- 2$ に減少する。
イ　還元剤としてはたらき、O の酸化数は $- 1$ から 0 に増加して酸素が発生する。
ウ　酸化剤としてはたらき、O の酸化数は $- 1$ から 0 に増加して酸素が発生する。
エ　還元剤としてはたらき、水素が発生する。

例題の解答

手順 1：H $_{2}$ O $_{2}$ の O の酸化数は $- 1$ で、増えることも減ることもできる。

手順 2：相手の KMnO $_{4}$ は強い酸化剤（赤紫色の MnO $_{4}^{-}$ が Mn $^{2 +}$ になって色が消える）なので、H $_{2}$ O $_{2}$ は電子を奪われる還元剤としてはたらく。

手順 3：還元剤としての H $_{2}$ O $_{2}$ は $H_{2} O_{2} \to O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-}$ と変化し、発生する気体は O $_{2}$ である。

手順 5：O の酸化数は $- 1$ （H $_{2}$ O $_{2}$ ）から 0（O $_{2}$ ）へ増加しているので、H $_{2}$ O $_{2}$ は酸化された、つまり還元剤である。アとウは「酸化剤」が誤り（ウは酸化数が増えるのに酸化剤としている点でも矛盾）、エは発生する気体が誤り。

よって答えはイである。

答え:

イ

よくある誤り

H $_{2}$ O $_{2}$ は「酸素を出す」ので常に酸化剤だ、としてしまう誤り。正しくは、O $_{2}$ が発生するのは $H_{2} O_{2} \to O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-}$ で O が $- 1 \to 0$ と酸化されるとき、つまり H $_{2}$ O $_{2}$ が還元剤としてはたらくときである。酸化剤のときは $H_{2} O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-} \to 2 H_{2} O$ で水になる。
H $_{2}$ O $_{2}$ の O の酸化数を、ほかの化合物と同じように $- 2$ としてしまう誤り。正しくは、H が $+ 1$ で総和が 0 なので $2 \times (+ 1) + 2 x = 0$ より $x = - 1$ である。 $- 2$ とすると、酸化剤として H $_{2}$ O になるときの変化が見えなくなる。
SO $_{2}$ と H $_{2}$ S の反応で SO $_{2}$ を還元剤としてしまう誤り。正しくは、 $S O_{2} + 2 H_{2} S \to 3S + 2 H_{2} O$ で SO $_{2}$ の S は $+ 4 \to 0$ と減るので、SO $_{2}$ は酸化剤である（H $_{2}$ S の S が $- 2 \to 0$ と増え、H $_{2}$ S が還元剤）。
SO $_{2}$ が KMnO $_{4}$ と反応するときも S が析出する、としてしまう誤り。正しくは、強い酸化剤が相手のとき SO $_{2}$ は還元剤となり、 $S O_{2} + 2 H_{2} O \to S O_{4}^{2 -} + 4 H^{+} + 2 e^{-}$ で S は $+ 4 \to + 6$ と増えて硫酸イオンになる。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
過酸化水素 $H_{2} O_{2}$ と二酸化硫黄 $S O_{2}$ は、反応の相手によって酸化剤としても還元剤としてもはたらく。これらの反応について述べた文として正しいものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　過酸化水素が硫酸酸性の過マンガン酸カリウム水溶液と反応するとき、過酸化水素は酸化剤としてはたらく。
- イ　二酸化硫黄が硫化水素と反応するとき、二酸化硫黄中の S 原子の酸化数は $+ 4$ から $+ 6$ に増加する。
- ウ　過酸化水素が硫酸酸性のヨウ化カリウム水溶液と反応するとき、過酸化水素中の O 原子の酸化数は $- 1$ から $- 2$ に減少する。
- エ　二酸化硫黄が硫酸酸性の過マンガン酸カリウム水溶液と反応するとき、二酸化硫黄は酸化剤としてはたらく。

この技能を使う問題

	a	b
ア	酸化剤	$- 2$ から $0$ に
イ	酸化剤	$- 1$ から $- 2$ に
ウ	還元剤	$- 1$ から $0$ に
エ	還元剤	$- 2$ から $0$ に
オ	酸化剤	$- 1$ から $0$ に
カ	還元剤	$- 1$ から $- 2$ に

この技能の次に学べること

酸素・硫黄とその化合物（高校化学無機物質（知識））