酸化数と酸化還元反応式

1酸化数とは

水 H₂O や二酸化炭素 CO₂ のような共有結合分子が関わる反応では、電子のやりとりが一見わかりにくくなります。そこで、物質中の各原子が「どのくらい電子を失った（または受け取った）状態か」を数値で表すのが酸化数です。

酸化数は、共有電子対の電子を電気陰性度の大きい原子に完全に移動したと仮定して割り当てた後、その原子が持つ電子数と単体のときの電子数の差として決まります。

酸化数の決め方（7つのルール）

1. 単体中の原子の酸化数は 0
   例：Na は 0、O₂ 中の O は 0、Cu は 0
2. 単原子イオンの酸化数はイオンの電荷に等しい
   例：Na⁺ は +1、Cu²⁺ は +2、Cl⁻ は −1、O²⁻ は −2
3. 化合物中の水素原子の酸化数は +1
   （例外：金属との水素化物 NaH, CaH₂ では −1）
4. 化合物中の酸素原子の酸化数は −2
   （例外：過酸化物 H₂O₂, Na₂O₂ では −1）
5. 電荷をもたない化合物では、各原子の酸化数の総和は 0
   例：CO₂ → (+4) + (−2)×2 = 0
6. 多原子イオンでは、各原子の酸化数の総和はイオンの電荷に等しい
   例：SO₄²⁻ → S の酸化数 +(−2)×4 = −2 → S は +6
7. アルカリ金属は +1、アルカリ土類金属は +2（化合物中）

2酸化数の変化で酸化還元を判定する

酸化数の変化と酸化・還元の関係は次のようにまとめられます。

例：MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

この反応（酸化マンガン(IV)と濃塩酸から塩素を発生させる実験室的製法）で、各原子の酸化数を確認します。

原子	反応前の酸化数	反応後の酸化数	変化	判定
Mn（MnO2 中）	+4	+2（MnCl2 中）	−2 減少	還元された
Cl（HCl 中）	−1	0（Cl2 中）	+1 増加	酸化された
H（HCl, H2O 中）	+1	+1	変化なし	変化なし
O（MnO2, H2O 中）	−2	−2	変化なし	変化なし

この反応では MnO₂ が酸化剤として HCl を酸化し、HCl（の Cl）が還元剤として MnO₂ を還元しています。Mn の酸化数が +4 → +2 に減少（2減少）、Cl の酸化数が −1 → 0 に増加（1増加 × 2個分 = 2増加）となり、増加量と減少量の総和が一致していることが確認できます。

3酸化剤と還元剤

酸化剤とは、相手の物質を酸化する（電子を奪う）物質のことです。酸化剤自身は電子を受け取り、還元されます（酸化数が減少します）。

還元剤とは、相手の物質を還元する（電子を与える）物質のことです。還元剤自身は電子を失い、酸化されます（酸化数が増加します）。

主な酸化剤・還元剤の半反応式

半反応式とは、酸化剤または還元剤単独の変化を電子 e⁻ を用いて表した反応式です。酸化剤の半反応式では左辺に e⁻、還元剤の半反応式では右辺に e⁻ があります。

物質	半反応式	酸化数の変化
■ 主な酸化剤
過マンガン酸カリウム KMnO4 （酸性溶液中）	MnO4− + 8H+ + 5e− → Mn2+ + 4H2O	Mn: +7 → +2
過マンガン酸カリウム KMnO4 （中性・塩基性溶液中）	MnO4− + 2H2O + 3e− → MnO2 + 4OH−	Mn: +7 → +4
二クロム酸カリウム K2Cr2O7 （酸性溶液中）	Cr2O72− + 14H+ + 6e− → 2Cr3+ + 7H2O	Cr: +6 → +3
酸化マンガン(IV) MnO2	MnO2 + 4H+ + 2e− → Mn2+ + 2H2O	Mn: +4 → +2
濃硝酸 HNO3	HNO3 + H+ + e− → NO2 + H2O	N: +5 → +4
希硝酸 HNO3	HNO3 + 3H+ + 3e− → NO + 2H2O	N: +5 → +2
熱濃硫酸 H2SO4	H2SO4 + 2H+ + 2e− → SO2 + 2H2O	S: +6 → +4
ハロゲン単体（例 Cl2）	Cl2 + 2e− → 2Cl−	Cl: 0 → −1
過酸化水素 H2O2（酸化剤として）	H2O2 + 2H+ + 2e− → 2H2O	O: −1 → −2
■ 主な還元剤
硫化水素 H2S	H2S → S + 2H+ + 2e−	S: −2 → 0
シュウ酸 (COOH)2	(COOH)2 → 2CO2 + 2H+ + 2e−	C: +3 → +4
ヨウ化カリウム KI（I−）	2I− → I2 + 2e−	I: −1 → 0
塩化スズ(II) SnCl2（Sn2+）	Sn2+ → Sn4+ + 2e−	Sn: +2 → +4
硫酸鉄(II) FeSO4（Fe2+）	Fe2+ → Fe3+ + e−	Fe: +2 → +3
過酸化水素 H2O2（還元剤として）	H2O2 → O2 + 2H+ + 2e−	O: −1 → 0
二酸化硫黄 SO2（還元剤として）	SO2 + 2H2O → SO42− + 4H+ + 2e−	S: +4 → +6

4酸化還元反応式の作り方

酸化剤と還元剤の半反応式を組み合わせることで、酸化還元反応の全体の化学反応式を作ることができます。

基本的な考え方は「酸化剤が受け取る電子の数 ＝ 還元剤が失う電子の数」という関係を利用して、電子 e⁻ を消去することです。

手順

例題：過マンガン酸カリウムとシュウ酸の反応

硫酸酸性の水溶液中で、過マンガン酸カリウム KMnO₄ とシュウ酸 (COOH)₂ を反応させたときの化学反応式を作ります。

【手順1】半反応式を書く

【手順2】電子の数を揃える

① では 5e⁻ を受け取り、② では 2e⁻ を失います。最小公倍数 10 に揃えるため、① を 2 倍、② を 5 倍にします。

【手順3】足し合わせて e⁻ を消去（イオン反応式）

【手順4】化学反応式にする

反応に関与していないイオン（K⁺ と SO₄²⁻）を補うと：

5この章を俯瞰する

酸化数と酸化還元反応式の知識は、化学の多くの分野と連動しています。以下のつながりを意識して学習すると理解が深まります。

• 6-1「酸化と還元」：酸素・水素・電子の授受による酸化還元の定義を学んだ。酸化数はそれを任意の反応に拡張するための道具です。
• 6-3「金属のイオン化傾向」：金属が酸化（溶解）されやすいかどうかの序列。イオン化傾向が大きい金属ほど還元剤として強くはたらきます。
• 6-4「電池と電気分解」：電池では自発的な酸化還元反応が電流を生む。半反応式は電池の極反応の式そのものです。
• 6-5「酸化還元滴定」：酸化剤が受け取る e⁻ の物質量 ＝ 還元剤が失う e⁻ の物質量という関係を定量計算に使います。
• 無機化学（第12〜15章）：HNO₃、H₂SO₄、KMnO₄ などの強酸化剤が金属や非金属と反応する際、この節の半反応式が直接使えます。

6まとめ

• 酸化数は「原子が電子をどれだけ失った（または得た）状態か」を示す数値。単体は 0、単原子イオンはイオンの電荷、化合物中の H は +1・O は −2 が基本ルール
• 反応の前後で酸化数が増加した原子を含む物質 → 酸化された、酸化数が減少した原子を含む物質 → 還元された
• 酸化数の増加量の総和 ＝ 減少量の総和（電子の授受の数は一致）
• 酸化剤：相手を酸化し、自身は還元される（酸化数が減少）
• 還元剤：相手を還元し、自身は酸化される（酸化数が増加）
• H₂O₂、SO₂ は相手の強弱によって酸化剤・還元剤のどちらにもなれる
• 酸化還元反応式は、半反応式を「電子の数が等しくなるよう整数倍して足し合わせる」ことで作る

7確認テスト

8入試問題演習

基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。

A 基礎レベル

B 標準レベル

C 発展レベル