酸化と還元

酸化・燃焼・還元の用語を答えられ、酸化銅と炭素の反応やマグネシウムと二酸化炭素の反応で、どの物質が酸化・還元されたか、どちらが酸素と結びつきやすいかを判定できる

前提

分解と化合（化学変化の種類）（中学理科化学分野の用語と知識）

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
実験器具の使い方と安全（中学理科化学分野の用語と知識）
気体の発生方法・性質・集め方（中学理科化学分野の用語と知識）
分解と化合（化学変化の種類）（中学理科化学分野の用語と知識）

説明

物質が酸素と結びつく化学変化（酸化）と、酸化物から酸素が取り除かれる化学変化（還元）を見分けられるようになります。酸化銅と炭素を加熱する実験や、マグネシウムを二酸化炭素の中で燃やす実験で、どの物質が酸化され、どの物質が還元されたかを答えられます。また、その結果から、2 つの物質のうちどちらが酸素と結びつきやすいかを判定できます。製鉄（鉄鉱石から鉄を取り出す）や金属のさびなど、身のまわりの現象を説明するときにも使います。

なぜそうしてよいのか

物質が酸素と化合することを酸化といい、酸化によってできた物質を酸化物といいます。銅を加熱すると黒色の酸化銅ができる（ $2 Cu + O_{2} \to 2 CuO$ ）のは、熱や光をあまり出さずに進むおだやかな酸化です。一方、マグネシウムが白い光を出して燃え、酸化マグネシウムができる（ $2 Mg + O_{2} \to 2 MgO$ ）ように、物質が熱や光を出しながら激しく酸化されることを燃焼といいます。

これとは逆に、酸化物から酸素を取り除く化学変化を還元といいます。酸素は勝手に消えることはないので、酸化物から酸素がはなれるときには、その酸素を受け取る相手が必要です。黒色の酸化銅に炭素の粉を混ぜて加熱すると、炭素が酸化銅の酸素をうばって二酸化炭素になり（石灰水が白くにごる）、酸化銅は酸素を失って赤色の銅になります（ $2 CuO + C \to 2 Cu + C O_{2}$ ）。このとき、酸化銅は還元され、炭素は酸化されています。つまり、還元が起こるときは、必ず同時に酸化も起こっています。

酸素をうばう側は、うばわれる側より酸素と結びつきやすい物質です。上の反応では、炭素が銅から酸素をうばったので、炭素は銅より酸素と結びつきやすいといえます。同じように、火のついたマグネシウムを二酸化炭素の入った集気びんに入れると燃え続け、白色の酸化マグネシウムと黒色の炭素ができます（ $2 Mg + C O_{2} \to 2 MgO + C$ ）。ここではマグネシウムが二酸化炭素から酸素をうばっているので、マグネシウムが酸化され、二酸化炭素が還元されており、マグネシウムは炭素より酸素と結びつきやすいとわかります。

手順

反応の前と後の物質を書き出し、化学反応式で表す（例： $2 CuO + C \to 2 Cu + C O_{2}$ ）
酸素を受け取った物質を探す。それが「酸化された物質」（例：炭素 $C \to C O_{2}$ ）。熱や光を出して激しく酸化されるときは燃焼という
酸素を失った酸化物を探す。それが「還元された物質」（例：酸化銅 $CuO \to Cu$ ）
酸素をうばった物質のほうが、酸素をうばわれた物質（酸化物になっていた物質）より酸素と結びつきやすいと判定する（例：炭素＞銅）

例題

黒色の酸化銅の粉末と炭素の粉末をよく混ぜて試験管に入れて加熱したところ、発生した気体によって石灰水が白くにごり、試験管には赤色の物質が残った。この実験で、酸化銅に起こった化学変化のように、酸化物から酸素が取り除かれる化学変化を何というか。

例題の解答

手順 1：反応を化学反応式で表すと、 $2 CuO + C \to 2 Cu + C O_{2}$ である（石灰水を白くにごらせた気体は二酸化炭素、赤色の物質は銅）。
手順 2：炭素は酸素を受け取って二酸化炭素になったので、炭素は酸化された。
手順 3：酸化銅は酸素を失って銅になったので、酸化銅は還元された。
よって、酸化物から酸素が取り除かれる化学変化は「還元」である。（なお手順 4 より、炭素は銅より酸素と結びつきやすいこともわかる。）

答え:

還元

よくある誤り

酸化銅と炭素の反応で、炭素が還元されたとしてしまう誤り。正しくは、 $2 CuO + C \to 2 Cu + C O_{2}$ で炭素は酸素を受け取ったので酸化され、酸素を失った酸化銅が還元された。
還元だけが起こり、酸化は起こっていないと考えてしまう誤り。正しくは、酸化物からはなれた酸素は必ず別の物質と結びつくので、還元と酸化は同時に起こる（ $2 Mg + C O_{2} \to 2 MgO + C$ では、二酸化炭素の還元とマグネシウムの酸化が同時に起こる）。
マグネシウムが二酸化炭素の中で燃える実験から、炭素のほうがマグネシウムより酸素と結びつきやすいとしてしまう誤り。正しくは、マグネシウムが二酸化炭素から酸素をうばっているので、マグネシウムのほうが炭素より酸素と結びつきやすい。
酸化と燃焼を同じものだとしてしまう誤り。正しくは、燃焼は酸化のうち熱や光を激しく出すものだけを指し、銅を加熱してできる酸化銅（ $2 Cu + O_{2} \to 2 CuO$ ）や鉄がさびる変化のように、炎を上げずに進むおだやかな酸化もある。

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）
黒色の酸化銅の粉末と炭素の粉末をよく混ぜて試験管に入れて加熱したところ、試験管の中に赤色の物質（銅）が残り、発生した気体を石灰水に通すと石灰水が白くにごった。
この化学変化について説明した次の文の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下の表のア〜エから 1 つ選べ。
「酸化銅は炭素によって酸素をうばわれたので（ a ）された。一方、炭素は酸化銅からうばった酸素と結びついて二酸化炭素になったので（ b ）された。」
a b
ア酸化酸化
イ酸化還元
ウ還元酸化
エ還元還元

	a	b
ア	酸化	酸化
イ	酸化	還元
ウ	還元	酸化
エ	還元	還元

この技能を使う問題

難易度 4（公立高校入試の難問・私立高校入試レベル）

黒色の酸化銅を使って、次の実験 1、2 を行った。どちらの実験でも、試験管から出る気体はガラス管を通して石灰水に通した。加熱をやめる前にガラス管を石灰水からとり出し、加熱をやめたあとはすぐにゴム管をピンチコックで閉じ、試験管が冷えてから中の物質をとり出して調べた。

実験 1　酸化銅だけを試験管に入れて、ガスバーナーで十分に加熱した。

実験 2　酸化銅と炭素の粉末をよく混ぜ合わせたものを試験管に入れて、実験 1 と同じように十分に加熱した。

結果は次の表のようになった。

	石灰水のようす	加熱後に試験管に残った物質のようす
実験 1	変化しなかった	黒色のままだった
実験 2	白くにごった	赤色の物質ができた。この物質を薬さじでこするとかがやき、電気を通した

この実験の結果からわかることについて述べた文として最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。

ア　実験 2 で石灰水が白くにごったのは、酸化銅が加熱によって分解し、酸化銅にふくまれていた酸素が気体となって出てきたからである。
イ　実験 2 では、炭素は酸素をうばわれて二酸化炭素になり、酸化銅は酸素と結びついて銅になった。
ウ　実験 2 では、酸化銅は炭素によって酸素をうばわれて銅になり、同時に炭素は酸化されて二酸化炭素になった。
エ　実験 2 で加熱後に試験管に残った物質の質量が加熱前より小さくなったのは、化学変化によって銅原子の数が減ったからである。
オ　実験 2 でできた赤色の物質は、銅原子が 2 個結びついた分子が集まってできており、その化学式は $C u_{2}$ と表される。

この技能の次に学べること

酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））