oxidoreduction-reaction

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酸化数の決め方単体中の原子}} 0}}とする.  \rei\ \ \ce{H2}の\ce{H}, \ce{Al}原子などは全て0. 単原子イオン}} イオンの価数}}に等しい.  \rei\ \ \ce{Na+}($+\,1$),\ \ \ce{S^2-}($-\,2$) 化合物中の原子}}}H} $\bm{:+\,1}$},\ \ \textcolor{magenta}{\ce{O} $\bm{:-\,2}$}}とし, \textbf{\textcolor{red}{合計が0}}となるよう定める. \\ H2SO4}の\ce{S}の酸化数 $(\textcolor{cyan}{+\,1})\times2+x+(\textcolor{magenta}{-\,2})\times4=\textcolor{red}{0} 水素化合物の\ce{H}の酸化数は$-\,1$} \ \rei\ \ \ce{NaH}の\ce{H}の酸化数は$-\,1$ \\ \multirow{2}*{\textbf{\textcolor[named]{ForestGreen}{多原子イオン}}}H} $\bm{:+\,1}$},\ \ \textcolor{magenta}{\ce{O} $\bm{:-\,2}$}}とし, \textbf{\textcolor{red}{合計がイオンの価数}}となるよう定める. \\ NH4+}の\ce{N}の酸化数  \textbf{\textcolor{blue}{酸化還元反応} \textcolor{magenta}{電子\ce{e-}の授受}が起こる反応.\ 酸化と還元は必ず同時に起こる.} \\\\\\ 減少した 増加した \\ \hline 酸化剤} 電子を奪い,\ 相手を酸化}する.\ 自身は還元される. \\ \textcolor{blue}{還元剤} {電子を与え,\ 相手を還元}する.\ 自身は酸化される. 酸化剤 反応前後の物質(酸化数)} 過マンガン酸イオン(酸性) 過マンガン酸イオン(中性・塩基性) 二クロム酸イオン 濃硝酸 希硝酸 熱濃硫酸 塩素 過酸化水素 二酸化硫黄 酸素 オゾン H2}\underline{\ce{O}}+\ce{O2}}\ 反応前後の物質(酸化数) 水素 \underline{\ce{H}}\ce{_2}\ (\textcolor{orange}{0}) H}}\ce{^+}}\ (\textcolor{orange}{+1}) \\ \hline 硫化水素 \ce{H2}\underline{\ce{S}}\ (\textcolor{orange}{-2}) \ce{S}}}\ (\textcolor{orange}{0}) \\ \hline 過酸化水素 \ce{H2}{O}}\ce{_2}\ (\textcolor{orange}{-1}) {\ce{O}}\ce{_2}}\ (\textcolor{orange}{0}) \\ \hline 二酸化硫黄S}}\ce{O2}\ (\textcolor{orange}{+4})e{S}}\ce{O4^2-}}\ (\textcolor{orange}{+6}) \\ \hline シュウ酸C}}\ce{OOH)2}\ (\textcolor{orange}{+3}) {\ce{2}\underline{\ce{C}}\ce{O2}}\ (\textcolor{orange}{+4}) \\ \hline ヨウ化物イオンI}}^-\ (\textcolor{orange}{-1})I}}_2}\ (\textcolor{orange}{0}) \\ \hline 鉄(\mathRM{I\hspace{-.1em}I})イオンFe}}\ce{^2+}\ (\textcolor{orange}{+2})\textcolor{cyan}{\underline{\ce{Fe}}\ce{^3+}}\ (\textcolor{orange}{+3}) \\ \hline スズ(\mathRM{I\hspace{-.1em}I})イオンSn}}\ce{^2+}\ (\textcolor{orange}{+2}) \textcolor{cyan}{\underline{\ce{Sn}}\ce{^4+}}\ (\textcolor{orange}{+4}) \\ \hline チオ硫酸イオン S}}\ce{_2O3^2-}\ (\textcolor{orange}{+2}) \textcolor{cyan}{\underline{\ce{S}}\ce{_4O6^2-}}\ (\textcolor{orange}{特殊}) \\ \hline 酸化剤と還元剤は,\ \bm{反応前後の物質を丸暗記}しておく必要がある. \\[.2zh] この知識を元に,\ 以下に示す手順で酸化還元反応式を作成することになる. \\[.2zh] 言い換えると,\ 反応前後の物質さえ暗記しておけば,\ 酸化還元反応式は作ることができる. \\[1zh] %酸化剤は,\ 負の電荷をもつ電子を相手から奪い取ることで,\ 自身の酸化数は小さくなる(還元される). \\[.2zh] %還元剤は,\ 負の電荷をもつ電子が奪われることで,\ 自身の酸化数は大きくなる(酸化される). \\[.2zh] \bm{\ce{H2O2}\ は原則酸化剤だが,\ 強力な酸化力を持つ\ce{MnO4-}\ や\ce{Cr2O7^2-}が相手の場合は還元剤となる.} \\[.2zh] \bm{\ce{SO2}\ は原則還元剤だが,\ 強力な還元力を持つ\ce{H2S}が相手の場合は酸化剤となる.} \end{array}}\right]$}} \\\\\\\\  例として,\ 最も代表的で厄介な酸化還元反応式を作成する. \\[.5zh] \centerline{<\textbf{\textcolor{blue}{過マンガン酸カリウムの硫酸酸性溶液と過酸化水素水の酸化還元反応式}}>} \\[1zh]  $[1]$\ \ \textbf{\textcolor{blue}{半反応式の作成}}\ (電子\ce{e-}を含む反応式) \\[.5zh] 反応前後の物質}を書く(\textcolor[named]{ForestGreen}{要暗記}).} MnO4^- Mn^2+} (酸化剤) \\ \hline 2.\ \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{H2O}}で\textcolor{magenta}{\ce{O}の数を合わせる.}} MnO4^- Mn^2+} + \textcolor{red}{\ce{4H2O}} \\ \hline 3.\ \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{H+}}で\textcolor{magenta}{\ce{H}の数を合わせる.}} MnO4^-} + \textcolor{red}{\ce{8H+}} Mn^2+ + 4H2O} \\ \hline 4.\ \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{e-}}で\textcolor{magenta}{総電荷を合わせる.}} MnO4^- + 8H+} + \textcolor{red}{\ce{5e-}} \ce Mn^2+ + 4H2O}反応前後の物質}を書く(\textcolor[named]{ForestGreen}{要暗記}).} \ce{H2O2 O2} (還元剤) \\ \hline 2.\ \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{H2O}}で\textcolor{magenta}{\ce{O}の数を合わせる.}} \ce{H2O2 O2} \\ \hline 3.\ \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{H+}}で\textcolor{magenta}{\ce{H}の数を合わせる.}} H2O2 O2} + \textcolor{red}{\ce{2H+}} \\ \hline 4.\ \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{e-}}で\textcolor{magenta}{総電荷を合わせる.}} \ce{H2O2 O2 + 2H+} + \textcolor{red}{\ce{2e-}} \\ イオン反応式の作成} 酸化剤の半反応式と還元剤の半反応式から\textcolor{red}{電子を消去}する.} \\[.5zh]  {\renewcommand\arraystretch{1.2}$\begin{array}{crclc} \ce{2MnO4^- + 16H+} + \textcolor{red}{\teisei{\ce{10e-}}}ce{2Mn^2+ + 8H2O}酸化剤の式\times2}) \\ +) \ce{5H2O2}ce{5O2  \ \ + 10H+} + \textcolor{red}{\teisei{\ce{10e-}}} 還元剤の式\times5}) \\ \hline \ce{2MnO4^- + 5H2O2 + 6H+} \ce{2Mn^2+ + 8H2O + 5O2} イオンが余らないように, \textcolor{cyan}{反応に関係しないイオンを加える.}} \\[.5zh] \phantom{ [1]}\ \ イオンが余らないように,\ \textcolor{red}{両辺に\ce{K+}と\ce{SO4^2-}を加える}と \\[.2zh] \centerline{\textbf{\ce{2}\textcolor{red}{\ce{K}}\ce{MnO4 + 5H2O2 + 3H2}\textcolor{red}{\ce{SO4}} \ce{-> 2Mn}\textcolor{red}{\ce{SO4}} + \ce{8H2O + 5O2} + \textcolor{red}{\ce{K2SO4}}}} \\\\\\ \centerline{{\small $\left[\textcolor{brown}{\begin{array}{l} \ce{KMnO4}\ の\ce{H2SO4}\ 水溶液と\ce{H2O2}\ の酸化還元反応式を作成する. \\[.2zh] 強力な酸化力を持つ\ce{MnO4-}が酸化剤となり,\ \ce{H2O2}が還元剤となる. \\[.2zh] それ以外のイオン\ce{K+},\ \ce{H+},\ \ce{SO4^2-}は,\ とりあえず無視する. \\[1zh] 最初の\bm{半反応式の作成}が最も厄介で,\ 酸化剤・還元剤ともに4段階を踏んで作成する. \\[.2zh] \bm{両辺の\ce{O}の数,\ \ce{H}の数,\ \ce{総電荷}を順に合わせていく}ことで,\ 半反応式が完成する. \\[.2zh] 結果,\ 電子を受け取る酸化剤は左辺に,\ 電子を与える還元剤は右辺に\ce{e-}がくる. \\[.2zh] また,\ \bm{半反応式の電子\ce{e^-}の数は,\ 両辺の酸化数の差に等しくなる.} \\[.2zh] 実際,\ \ce{MnO4-}(+7)\ →\ \ce{Mn^2+}(+2)\ における酸化数の差5が,\ \ce{5e-}と対応している. \\[1zh] 酸化剤と還元剤の半反応式を作成後,\ \bm{電子を消去してイオン反応式}を作成する. \\[.2zh] 単純に,\ 連立方程式を解くように\ce{e-}を消去すればよい. \\[1zh] \bm{直接反応に関与しないイオン\ce{K+},\ \ce{SO4^2-}を両辺に加えてイオンをなくせば,\ 酸化還元反応式}となる. \\[.2zh] まず,\ 左辺の\ce{MnO4-},\ \ce{H+}に着目して\ce{K+}と\ce{SO4^2-}を加え,\ \bm{左辺からイオンをなくす.} \\[.2zh] つまり,\ 2個の\ce{K+}と3個の\ce{SO4^2-}を左辺に加え,\ \ce{2KMnO4},\ \ce{3H2SO4}\ とする. \\[.2zh] この反応の\ce{H+}は\ce{H2SO4}\ 由来のものであるから,\ \ce{H+}に\ce{SO4^2-}を組合せたわけである. \\[.2zh] 硫酸酸性条件がなければ,\ 水に由来する\ce{H+}と考え,\ \ce{OH-}を組み合わせることになる. \\[.2zh] 次に,\ \bm{同数のイオンを右辺にも加える}必要がある. \\[.2zh] まず,\ \ce{2Mn^2+}には陰イオン\ce{SO4^2-}を2個組み合わせればよい. \\[.2zh] 後は残った2個の\ce{K+}と1個の\ce{SO4^2-}を組んで\ce{K2SO4}\ にすると,\ 酸化還元反応式が完成する.  以上が酸化還元反応の根幹だが,\ 特殊なものとして次のような反応がある. \\\\  いわゆる\textbf{\textcolor{blue}{酸化}}  \rei\ \ \ce{S + O2 SO2}  \rei\ \ \ce{CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O}\ (有機化学) \\[.5zh]  いわゆる\textbf{\textcolor{blue}{還元}}  \rei\ \ \ce{SiO2 + 2C Si + 2CO}  \rei\ \ \ce{Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2} \\[.5zh  \textbf{\textcolor{blue}{金属単体の反応(イオン化傾向)}}  \rei\ \ \ce{Zn + CuSO4 ZnSO4 + Cu} \\[.5zh]  \textbf{\textcolor{blue}{ハロゲン単体の反応}}  \rei\ \ \ce{H2 + F2 2HF}  \rei\ \ \ce{2KBr + Cl2 Br2 + 2KCl} \\[.5zh]  \textbf{\textcolor{blue}{自己酸化還元反応}}   \rei\ \ \ce{NH4NO2 [加熱] 2H2O + N2 とにかく反応前後で酸化数が変化する反応はすべて酸化還元反応である. \\[.2zh] ただし,\ すべての酸化還元反応をいちいち半反応式から作る必要があるわけではない. \\[.2zh] 以上のような特殊なものは,\ 直接的に化学反応式を作成すればよい. \\[1zh] 酸化物ができるいわゆる酸化や,\ 逆に酸化物から単体を得るいわゆる還元も酸化還元反応である. \\[.2zh] イオン化傾向\ce{Zn}\ce{Cu}に起因して起こる\ \ce{Zn + Cu^2+ Zn^2+ + Cu}\ も酸化還元反応である. \\[.2zh] ハロゲン単体の酸化力\ \ce{F2}\ce{Cl2}\ce{Br2}{I}\ce{_2}\ に起因する反応も酸化還元反応である. \\[.2zh] \bm{(酸化力が強い)=(自身は還元されやすい)}より,\ \ce{2Br- + Cl2 Br2 + Cl-}\ が起こる. \\[1zh] \bm{同一物質が酸化剤にも還元剤にもなる反応を自己酸化還元反応}という. \\[.2zh] 例は,\ \ce{NH4+}中の\ce{N}\,(-3)から\ce{NO2-}中の\ce{N}\,(+3)に\ce{3e-}が受け渡されて\ce{N2}\,(0)となるものである. \\[.2zh] 自己酸化還元反応は種類も少ないので,\ 基本的には出てくるたびに丸暗記することになる.