酸化・還元の定義

酸素の授受・水素の授受・電子の授受の 3 つの見方で、反応の中で酸化された物質と還元された物質を判定でき、酸化と還元が同時に起こることを説明する選択肢の正誤を判断できる

前提

酸化と還元（中学理科化学分野の用語と知識）
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）

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酸化と還元（中学理科化学分野の用語と知識）
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）

説明

中学では、物質が酸素と結びつくことを酸化、酸素を失うことを還元と学びました。高校ではこれを広げて、酸素のやりとり・水素のやりとり・電子のやりとりという 3 つの見方で酸化と還元を考えます。この技能では、反応の中で酸化された物質と還元された物質を判定し、「酸化と還元は必ず同時に起こる」ことに関する選択肢の正誤を判断できるようになります。酸素が登場しない反応でも、酸化・還元を見分けられるようになるのがポイントです。

なぜそうしてよいのか

3 つの見方は次のように整理できます。

	酸化された	還元された
酸素	酸素を受け取った	酸素を失った
水素	水素を失った	水素を受け取った
電子	電子を失った	電子を受け取った

酸素と水素で向きが逆になっているのは、ふつう物質が酸素と結びつくと電子が酸素の側に引き寄せられ、水素と結びつくと水素から電子が寄ってくるからです。つまり、酸素や水素のやりとりの奥では電子がやりとりされていて、電子の見方がもっとも広く使える定義になります。たとえば $2 Na + C l_{2} \to 2 NaCl$ には酸素も水素も出てきませんが、生じた NaCl は $N a^{+}$ と $C l^{-}$ からできているので、Na は電子を失い（酸化され）、 $C l_{2}$ は電子を受け取った（還元された）とわかります。

また、物質が勝手に酸素や電子を失うことはありません。だれかが失った酸素・水素・電子は、反応の中の別のだれかが受け取ります。そのため、一方が酸化されれば、必ずもう一方が還元されます。酸化と還元は 1 つの反応の表と裏であり、まとめて「酸化還元反応」と呼びます。

手順

反応式の左辺と右辺を見比べ、どの物質が何を受け取り、何を失ったかを調べる
酸素のやりとりがあれば、酸素を受け取った物質を「酸化された」、失った物質を「還元された」とする
水素のやりとりがあれば、水素を失った物質を「酸化された」、受け取った物質を「還元された」とする（酸素のときと向きが逆）
酸素も水素も出てこない反応では、生成物のイオンを見て電子のやりとりを考え、電子を失った物質を「酸化された」、受け取った物質を「還元された」とする
酸化された物質があれば、必ず還元された物質もあることを確かめる

例題

ナトリウムを塩素の中で反応させると、塩化ナトリウムが生じる。
$2 Na + C l_{2} \to 2 NaCl$
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、塩化ナトリウムはナトリウムイオン $N a^{+}$ と塩化物イオン $C l^{-}$ からできている。

ア　ナトリウムは電子を受け取ったので、還元された。
イ　塩素は電子を受け取ったので、還元された。
ウ　この反応には酸素が関わっていないので、酸化還元反応ではない。
エ　ナトリウムは酸化されたが、この反応で還元された物質はない。

例題の解答

手順 1: 左辺の Na と $C l_{2}$ が、右辺では $N a^{+}$ と $C l^{-}$ になっている。

手順 2・3: 酸素も水素も出てこないので、この 2 つの見方は使えない。

手順 4: Na 原子は電子を 1 個失って $N a^{+}$ になったので、Na は酸化された。Cl 原子は電子を 1 個受け取って $C l^{-}$ になったので、 $C l_{2}$ は還元された。

手順 5: Na が失った電子を $C l_{2}$ が受け取っており、酸化と還元が同時に起こっている。

各選択肢を確かめる。
- ア: Na は電子を失ったので酸化された。誤り。
- イ: 塩素は電子を受け取ったので還元された。正しい。
- ウ: 電子のやりとりがあるので、酸素がなくても酸化還元反応である。誤り。
- エ: Na が酸化されたとき、同時に $C l_{2}$ が還元されている。誤り。

よって正しいのはイ。

答え:

イ

よくある誤り

水素のやりとりを酸素と同じ向きで判定してしまう誤り。正しくは水素を失った物質が酸化され、受け取った物質が還元される。例: $H_{2} S + C l_{2} \to S + 2 HCl$ では、水素を失った $H_{2} S$ が酸化され、水素を受け取った $C l_{2}$ が還元された
電子を受け取ると酸化されたと考えてしまう誤り。正しくは電子を失うと酸化、受け取ると還元。例: $Na \to N a^{+} + e^{-}$ は酸化、 $C l_{2} + 2 e^{-} \to 2 C l^{-}$ は還元
酸素が出てこない反応は酸化還元反応ではないとしてしまう誤り。正しくは電子のやりとりがあれば酸化還元反応である。例: $2 Na + C l_{2} \to 2 NaCl$ 、 $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$
片方だけが酸化される（または還元される）反応があると考えてしまう誤り。正しくは、失われた酸素・水素・電子は必ず別の物質が受け取るので、酸化と還元は同時に起こる。例: $CuO + H_{2} \to Cu + H_{2} O$ では $H_{2}$ が酸化され、同時に CuO が還元されている

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）
酸化と還元の定義について述べた文として正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。
- ア　物質が酸素を受け取る変化を酸化という。
- イ　物質が水素を受け取る変化を酸化という。
- ウ　原子が電子を失う変化を酸化という。
- エ　原子が電子を受け取る変化を酸化という。
- オ　物質が水素を失う変化を還元という。
- カ　反応 $CuO + H_{2} \to Cu + H_{2} O$ では、 $H_{2}$ は酸化されている。

この技能を使う問題

難易度 2（教科書の章末問題レベル）
酸化・還元は、酸素や水素のやりとりだけでなく、電子のやりとりや酸化数の変化によっても定義される。加熱したナトリウムを塩素の中に入れると、次の反応が起こって塩化ナトリウムが生じる。
$2Na + C l_{2} ⟶ 2NaCl$
この反応について述べた次の文章中の空欄 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〜エのうちから 1 つ選べ。
この反応には酸素も水素もかかわっていないが、ナトリウム原子は電子を（ a ）ナトリウムイオン $N a^{+}$ になり、ナトリウム原子の酸化数は $0$ から $+ 1$ に変化する。したがって、ナトリウムは（ b ）されたといえる。
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	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

この技能の次に学べること

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））
金属のイオン化傾向と水・酸との反応（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
アルコールとエーテル（高校化学有機化合物（知識））