酸化剤と還元剤

反応式から酸化剤（相手を酸化し自身は還元される物質）と還元剤を判定でき、代表的な酸化剤（ $KMnO_{4}$ 、 $K_{2} Cr_{2} O_{7}$ 、濃硝酸など）・還元剤（ $H_{2} S$ 、 $FeSO_{4}$ 、 $KI$ など）の変化と色の変化を選べる

前提

酸化数と酸化・還元の判定（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

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酸化数と酸化・還元の判定（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

説明

酸化還元反応で、相手の物質を酸化するはたらきをもつ物質を酸化剤、相手の物質を還元するはたらきをもつ物質を還元剤という。この技能を身につけると、反応式を見て酸化数の変化からどの物質が酸化剤・還元剤としてはたらいているかを判定でき、さらに KMnO $_{4}$ や K $_{2}$ Cr $_{2}$ O $_{7}$ 、FeSO $_{4}$ 、KI などの代表的な物質が反応後に何に変わり、色がどう変わるかを選べるようになる。滴定や気体の発生、色の変化を伴う実験の理解に使う。

なぜそうしてよいのか

酸化と還元は必ず同時に起こる。ある原子が電子を失って酸化数が増える（酸化される）とき、その電子は別の原子が受け取り、そちらの酸化数が減る（還元される）。このとき、電子を奪って相手を酸化した物質は、自分は電子を受け取って還元されている。だから「酸化剤 = 相手を酸化し、自身は還元される物質 = 反応で酸化数が減る原子を含む物質」となる。逆に「還元剤 = 相手を還元し、自身は酸化される物質 = 酸化数が増える原子を含む物質」である。名前（〜剤）は相手に対するはたらき、酸化数の変化は自分に起こったこと、と区別して覚えるとよい。

代表的な酸化剤は、酸化数の大きい原子を含み電子を受け取りやすい物質である。たとえば KMnO $_{4}$ の Mn は $+ 7$ 、K $_{2}$ Cr $_{2}$ O $_{7}$ の Cr は $+ 6$ 、HNO $_{3}$ の N は $+ 5$ で、これらは反応で電子を受け取って酸化数の小さい形（Mn $^{2 +}$ の $+ 2$ 、Cr $^{3 +}$ の $+ 3$ 、NO $_{2}$ の $+ 4$ など）に変わる。代表的な還元剤は、酸化数の小さい原子を含み電子を出しやすい物質である。H $_{2}$ S の S（ $- 2$ ）は S（0）に、Fe $^{2 +}$ （ $+ 2$ ）は Fe $^{3 +}$ （ $+ 3$ ）に、I $^{-}$ （ $- 1$ ）は I $_{2}$ （0）に変わる。これらの変化の多くは色の変化を伴うので、色で反応の進み具合を見分けられる。

なお、H $_{2}$ O $_{2}$ や SO $_{2}$ のように、中の原子の酸化数が中間の値（H $_{2}$ O $_{2}$ の O は $- 1$ 、SO $_{2}$ の S は $+ 4$ ）の物質は、相手によって酸化剤にも還元剤にもなる。どちらとしてはたらいたかは、その反応での酸化数の増減で判定する。

手順

反応式の各物質について、変化する原子の酸化数を反応前後で求める（単体は 0、化合物中の H は $+ 1$ 、O は $- 2$ 、総和は電荷）。
酸化数が減った原子を含む物質を酸化剤（自身は還元された）、酸化数が増えた原子を含む物質を還元剤（自身は酸化された）と判定する。
代表的な酸化剤の変化と色を当てはめる：MnO $_{4}^{-}$ （赤紫色）→ Mn $^{2 +}$ （ほぼ無色）（硫酸酸性）、Cr $_{2}$ O $_{7}^{2 -}$ （赤橙色）→ Cr $^{3 +}$ （緑色）（硫酸酸性）、濃硝酸 → NO $_{2}$ （赤褐色の気体）、希硝酸 → NO（無色の気体）、熱濃硫酸 → SO $_{2}$ 、H $_{2}$ O $_{2}$ → H $_{2}$ O、Cl $_{2}$ → Cl $^{-}$ 。
代表的な還元剤の変化と色を当てはめる：H $_{2}$ S → S（水溶液が白濁）、Fe $^{2 +}$ （淡緑色）→ Fe $^{3 +}$ （黄褐色）、I $^{-}$ （無色）→ I $_{2}$ （水溶液は褐色、デンプンがあると青紫色）、SO $_{2}$ → SO $_{4}^{2 -}$ 、(COOH) $_{2}$ → CO $_{2}$ 。

例題

次の反応で、酸化剤としてはたらいている物質を、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
$S O_{2} + 2 H_{2} S \to 3S + 2 H_{2} O$
ア　SO $_{2}$ 　　イ　H $_{2}$ S　　ウ　S　　エ　H $_{2}$ O

例題の解答

手順 1：S 原子の酸化数を調べる。SO $_{2}$ の S は、O が $- 2$ で総和が 0 なので $x + 2 \times (- 2) = 0$ より $+ 4$ 。H $_{2}$ S の S は、H が $+ 1$ なので $2 \times (+ 1) + y = 0$ より $- 2$ 。生成物の S は単体なので 0。H は $+ 1$ 、O は $- 2$ のまま変化しない。

手順 2：SO $_{2}$ の S は $+ 4 \to 0$ と酸化数が減ったので、SO $_{2}$ は還元された物質、つまり相手（H $_{2}$ S）を酸化した酸化剤である。H $_{2}$ S の S は $- 2 \to 0$ と増えたので、H $_{2}$ S は還元剤である。S と H $_{2}$ O は生成物であり、反応物としてはたらく酸化剤ではない。

よって答えはアである。

答え:

ア

よくある誤り

酸化剤は「酸化される物質」としてしまう誤り。正しくは、酸化剤は相手を酸化し、自身は還元される（酸化数が減る）物質である。例えば $S O_{2} + 2 H_{2} S \to 3S + 2 H_{2} O$ では S が $+ 4 \to 0$ と減る SO $_{2}$ が酸化剤である。
硫酸酸性の KMnO $_{4}$ は MnO $_{2}$ （黒褐色）になる、としてしまう誤り。正しくは、硫酸酸性では $Mn O_{4}^{-} + 8 H^{+} + 5 e^{-} \to M n^{2 +} + 4 H_{2} O$ のようにほぼ無色の Mn $^{2 +}$ になり、赤紫色が消える（MnO $_{2}$ になるのは中性・塩基性のとき）。
H $_{2}$ O $_{2}$ や SO $_{2}$ はいつも酸化剤（または、いつも還元剤）としてしまう誤り。正しくは相手によってどちらにもなる。H $_{2}$ O $_{2}$ は $H_{2} O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-} \to 2 H_{2} O$ では酸化剤、KMnO $_{4}$ と反応して $H_{2} O_{2} \to O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-}$ となるときは還元剤である。
濃硝酸も希硝酸も同じ気体を出す、としてしまう誤り。正しくは、濃硝酸は $HN O_{3} + H^{+} + e^{-} \to N O_{2} + H_{2} O$ で赤褐色の NO $_{2}$ を、希硝酸は $HN O_{3} + 3 H^{+} + 3 e^{-} \to NO + 2 H_{2} O$ で無色の NO を生じる。

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）
ヨウ化カリウム水溶液に塩素を通じると、次の反応が起こり、ヨウ素が生じて水溶液が褐色になる。
$C l_{2} + 2 KI \to 2 KCl + I_{2}$
この反応について述べた文として正しいものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　 $C l_{2}$ は、反応で電子を失っている。
- イ　 $C l_{2}$ は、酸化剤としてはたらいている。
- ウ　 $KI$ は、酸化剤としてはたらいている。
- エ　 $KI$ 中の $I$ 原子の酸化数は、反応で減少している。

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

酸化剤にも還元剤にもなる物質（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
酸化力のある酸と不動態（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
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