酸化数と酸化・還元の判定

酸化数の決め方（単体は 0、化合物中の H は $+ 1$ 、O は $- 2$ 、総和は電荷）を使って原子の酸化数を求め、酸化数が増えた原子は酸化された、減った原子は還元されたと判定できる

前提

酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

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酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

説明

酸化数は、ある原子が化合物やイオンの中で「電子をどれだけ失った状態か（＋）、受け取った状態か（－）」を表す数です。この技能では、簡単な決まりから各原子の酸化数を求め、反応の前後で酸化数が増えた原子は酸化された、減った原子は還元されたと判定できるようになります。酸素や水素のやりとりが見えにくい反応や、分子どうしの反応でも、酸化・還元を機械的に判定できるのが利点です。

なぜそうしてよいのか

電子の見方では、電子を失うと酸化、受け取ると還元でした。しかし、 $H_{2} O$ のような分子では電子を完全に受け渡しているわけではなく、共有している電子がどちらかの原子に偏っているだけです。そこで、「偏りの大きい側の原子が電子を全部もらったとみなしたら、各原子は何個分の電子を失った（＋）・受け取った（－）ことになるか」を数にしたものが酸化数です。

この考え方から、次の決まりが出てきます。
- 単体の原子は、同じ原子どうしで電子が偏らないので 0（例: $H_{2}$ 、 $O_{2}$ 、Cu）
- 単原子イオンは、実際に失った・受け取った電子の数そのものなので、イオンの電荷と同じ（例: $N a^{+}$ は $+ 1$ 、 $C l^{-}$ は $- 1$ ）
- 化合物中の H はふつう $+ 1$ 、O はふつう $- 2$
- 化合物中の酸化数の総和は 0、多原子イオンでは総和がイオンの電荷に等しい（失った電子と受け取った電子の差し引きが全体の電荷になるため）

酸化数が増えたということは、その原子が電子を失う向きに変化したということなので「酸化された」、減ったなら電子を受け取る向きに変化したので「還元された」と判定できます。電子のやりとりは必ず相手がいるので、ある原子の酸化数が増えれば、同じ反応の中で別の原子の酸化数が必ず減っています。

手順

反応式の各物質について、単体なら 0、単原子イオンならその電荷を酸化数とする
化合物・多原子イオンでは、H を $+ 1$ 、O を $- 2$ とおき、求めたい原子の酸化数を $x$ とする
酸化数の総和が 0（多原子イオンならその電荷）になるように式を立てて $x$ を求める（例: $S O_{4}^{2 -}$ なら $x + 4 \times (- 2) = - 2$ より $x = + 6$ ）
同じ元素の原子について、反応前と反応後の酸化数を比べる
酸化数が増えた原子は酸化された、減った原子は還元された、変わらない原子は酸化も還元もされていないと判定する

例題

酸化マンガン(IV) に濃塩酸を加えて加熱すると、次の反応が起こる。
$Mn O_{2} + 4 HCl \to MnC l_{2} + C l_{2} + 2 H_{2} O$
この反応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。ただし、 $MnC l_{2}$ は $M n^{2 +}$ と $C l^{-}$ からできている。

ア　Mn 原子の酸化数は $+ 4$ から $+ 2$ に減少したので、 $Mn O_{2}$ は酸化された。
イ　この反応の前後で、O 原子の酸化数は変化していない。
ウ　HCl の中の Cl 原子の酸化数は $+ 1$ である。
エ　反応した HCl の Cl 原子は、すべて酸化数が増加した。

例題の解答

手順 1: $C l_{2}$ は単体なので Cl は 0。 $MnC l_{2}$ 中の $M n^{2 +}$ は $+ 2$ 、 $C l^{-}$ は $- 1$ 。

手順 2・3:
- $Mn O_{2}$ : Mn を $x$ とすると $x + 2 \times (- 2) = 0$ より $x = + 4$
- HCl: H は $+ 1$ なので、Cl を $y$ とすると $(+ 1) + y = 0$ より $y = - 1$
- $H_{2} O$ : H は $+ 1$ 、O は $- 2$

手順 4・5:
- Mn: $+ 4 \to + 2$ （減少）なので、 $Mn O_{2}$ は還元された
- Cl: 4 個のうち 2 個は $- 1 \to 0$ （増加、 $C l_{2}$ になった分）で酸化された。残り 2 個は $MnC l_{2}$ の中で $- 1$ のまま
- O: $Mn O_{2}$ 中でも $H_{2} O$ 中でも $- 2$ で変化なし
- H: $+ 1$ のまま変化なし

各選択肢を確かめる。
- ア: 酸化数が減少したので「還元された」が正しい。誤り。
- イ: O は $- 2$ のままで変化していない。正しい。
- ウ: HCl 中の Cl は $- 1$ 。誤り。
- エ: 4 個のうち 2 個は $MnC l_{2}$ 中で $- 1$ のまま。誤り。

よって正しいのはイ。

答え:

イ

よくある誤り

酸化数が減ったのに「酸化された」としてしまう誤り。正しくは酸化数が増えたら酸化、減ったら還元。例: $Mn O_{2} \to M n^{2 +}$ では Mn が $+ 4 \to + 2$ と減ったので還元された
化合物の酸化数の総和を、原子の個数をかけずに計算してしまう誤り（例: $Mn O_{2}$ で $x + (- 2) = 0$ として $x = + 2$ とする）。正しくは O が 2 個なので $x + 2 \times (- 2) = 0$ より $x = + 4$
多原子イオンの酸化数の総和を 0 としてしまう誤り。正しくは総和はイオンの電荷に等しい。例: $S O_{4}^{2 -}$ の S は $x + 4 \times (- 2) = - 2$ より $x = + 6$ （総和を 0 とすると $+ 8$ になってしまう）
単体の原子の酸化数を、化合物中と同じ値にしてしまう誤り（例: $O_{2}$ の O を $- 2$ 、 $H_{2}$ の H を $+ 1$ とする）。正しくは単体の原子の酸化数はすべて 0

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）
硫化水素と二酸化硫黄は、次のように反応して硫黄の単体を生じる。
$2 H_{2} S + S O_{2} \to 3 S + 2 H_{2} O$
この反応について述べた次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エから 1 つ選べ。
「 $S O_{2}$ 中の $S$ 原子の酸化数は（ a ）である。反応後、この $S$ 原子は単体の $S$ になるので、 $S O_{2}$ 中の $S$ 原子は（ b ）された。」
a b
ア $+ 2$ 酸化
イ $+ 2$ 還元
ウ $+ 4$ 還元
エ $+ 4$ 酸化
- ア
- イ
- ウ
- エ

	a	b
ア	$+ 2$	酸化
イ	$+ 2$	還元
ウ	$+ 4$	還元
エ	$+ 4$	酸化

この技能を使う問題

	a	b
ア	受け取って	酸化
イ	受け取って	還元
ウ	失って	酸化
エ	失って	還元

	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

電子を含むイオン反応式（半反応式）（高校化学酸化還元と電池・電気分解）
酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
不定比化合物と点欠陥（大学化学固体化学と結晶学）