酸化還元反応

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酸化還元反応（さんかかんげんはんのう）とは化学反応のうち、反応に関与する原子間で酸素あるいは電子の授受がある反応のことである。英語表記の Reduction / Oxidation から、レドックス (Redox) というかばん語も一般的に使われている。

酸化還元反応では酸化プロセスと還元プロセスとは必ず並行して進行するのであるが、利用する人の視点により酸化反応か還元反応のいずれかで呼称されるのが普通である。酸化還元反応式のうち酸化反応あるいは還元反応だけを式化したものを半反応式と呼ぶ。

[編集] 酸素が関与する酸化還元反応

もともと酸化あるいは還元は金属と酸素との化学反応を示す呼称である。金属銅は空気中の酸素と徐々に反応し、表面は褐色の酸化銅(II) (CuO) に変化する。酸化銅(II)は高温で炭素と反応させると酸素が奪われて元の金属銅に変化する。前者を酸化といい後者を還元とよぶ。この時、銅を中心に反応を見ているわけであるから、銅を酸化する物、すなわち酸素は酸化剤であり、還元する炭素が還元剤になる。一方で酸素分子の立場から見ると、酸素分子は銅に酸素原子を奪われて最後には水になっており、金属銅が還元剤として働いている。また、電子反応論に立つと、金属銅は電子を二個失って、酸素（原子）は金属銅から電子を二個受け取ってオクテット則を満たし安定化している。このことから、次に述べるように、酸素が関与しないものを酸化還元反応とする考え方が出てくる。

[編集] 酸素が関与しない酸化還元反応

酸素が関与しない反応で、イオン化傾向にしたがって金属が析出する反応がある。

Cu²⁺ + Zn → Cu + Zn²⁺

これも酸化還元反応で、金属亜鉛は電子を失って亜鉛イオンとなり、銅イオンは電子を貰って金属銅になっている。したがって、酸素の授受のない反応にも酸化還元反応を拡大すると、その本質は電子の授受にあるという事ができる。他にも、酸素も金属も関与しない反応で電子の授受を伴う反応が存在し、それら全てを含めて酸化還元反応という概念で理解されている。

[編集] 酸化数

この様に酸化還元反応では、失う側の電子の数と受け取る側の電子の数は一致するので、化学当量の式で表すことができる。このとき、各元素に酸化数 (oxidation number) という概念を導入すると、当量関係の把握が容易になる。つまり、酸化還元反応の前後で反応系全体の酸化数の総和は変化しないので、各段階でどの様に電子が授受されるかを追跡しなくても、最初の状態と最後の状態で酸化数の変化を見れば、どの原子が酸化されて、どの原子が還元されたかが一目瞭然となる。それゆえ酸化数は酸化状態 (oxidation state) とも呼ばれる。

酸化数は次のルールにしたがって、決定される。

単体中の原子の酸化数は 0 とする。

（例　Cu, O₂, H₂）
単原子からなるイオンは、そのイオン原子の酸化数はイオンの電荷の数と等しいとみなす。

（例　Cu²⁺ ⇒ +2）
化合物中の酸素原子の酸化数は −2 とする。例外として過酸化物の酸素は −1 の酸化数を持つ。
化合物中の水素原子の酸化数は +1 とする。例外として金属水素化物の水素は −1 の酸化数を持つ。
電荷を持たない化合物については、それを構成する各原子の酸化数の総和は 0 になる。

（例　CuO ⇒ Cu (+2) + O (−2) = 0）
複数の原子で構成されるイオン（例硫酸イオン）は、それを構成する各原子の酸化数の総和はイオンの価数と一致する。

（例　SO₄²⁻ ⇒ S (+6) + 4 × O (−2) = −2）
特例を除き、原子の酸化数は 2 ずつ変化する。

（例　（Sの酸化数） SO₄²⁻ (+6) ⇔ SO₃²⁻ (+4) ⇔ S₂O₃²⁻ (+2) ⇔ S₈ (0) ⇔ S²⁻ (−2)

なお、量子化学的解釈は酸化数を参照のこと。　

[編集] 酸化還元電位

酸化還元反応において、電子が授受される方向は酸化力の強弱にしたがっている。そしてそれは相対的なものであって、酸化剤自身は酸化後、還元された状態になるが、それに対してより強い酸化剤を作用させると酸化されてしまう。金属イオンの場合は、前述の反応のようにイオン化傾向の順で酸化力（むしろ還元性というべきか？）の序列が定性的に知られている。一方、金属とイオンの場合、酸化還元反応系を旨く隔離すると電池を形成する。このとき条件をそろえると電池の起電力は酸化力の尺度となる。

以上の原理を元に導入された酸化還元の強度の尺度が酸化還元電位である。レドックス電位とも呼ばれる。

もう一度電池について見てみると、正極と負極でそれぞれ酸化還元反応が起こっている。それぞれの極で生じている反応を半電池と呼ぶ。半電池と半電池の間に発生するのが電池の起電力であるから、実際の酸化還元電位も基準となる半電池に対して、調べたい酸化還元反応の半電池を比較し、その起電力をもって酸化還元電位の値（標準電極電位）としている。単純な酸化還元反応系において、半電池反応の電極電位は標準電極電位と化学種の活量とから計算式で導くことができる。この式をネルンストの式と呼ぶ。この考えに基づき、各反応の酸化還元電位は標準水素電極 (SHE) を基準に測定あるいは計算上定義されている。