酸化還元反応に関する計算問題は、酸化数を求めたり酸化還元反応式を作成したりできることが前提となる。これらの基本事項は 化学反応の原理:酸化還元反応 へ。

redox-titration

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0.20\,mol/L\,の硫酸鉄(I\hspace{-.1em}I)水溶液15\,mL\,と過不足なく反応する0.10\,mol/L\,の硫酸酸性の \\[.2zh] \hspace{.5zw}二クロム酸カリウム水溶液は何mLか. \\ 酸化剤が受け取る\ce{e-}の物質量\,[mol]} = \textcolor{cyan}{還元剤が放出する\ce{e-}の物質量\,[mol] }\mathstrut }}} \\\\  特に,\ $\textcolor{magenta}{c\,(\text{mol/L})のa価の酸化剤V(\text{L})}と\textcolor{cyan}{c’\,(\text{mol/L})のb価の還元剤V'(\text{L})}が反応したとき$ \  [解法1] (\textcolor{blue}{酸化剤と還元剤の価数を利用}) \\[.5zh]   二クロム酸カリウム水溶液の体積を$V$\,[mL]とする. \\[.2zh]   二クロム酸カリウムは\textcolor{magenta}{6価の酸化剤},\ 硫酸鉄(I\hspace{-.1em}I)は\textcolor{cyan}{1価の還元剤}である  [解法2] (\textcolor{blue}{酸化還元反応式の係数を利用}) \\[.5zh]   $\textcolor{magenta}{\ce{1}}\ce{K2Cr2O7} + \textcolor{cyan}{\ce{6}}\ce{FeSO4 + 7H2SO4 Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O + K2SO4}$ \\[.5zh] \bm{還元剤が放出した電子\ce{e-}\,を酸化剤が受け取る反応}が酸化還元反応である. \\[.2zh] よって,\ 過不足なく反応するとき,\ 上に示したような等式が成立する. \\[.2zh] また,\ 酸化剤と還元剤の価数という概念を導入すると,\ acV=bc’V’\ という等式が成立する. \\[.2zh] この等式は中和反応の量的関係と同様に扱えるので便利である. \\[1zh] ここで,\ \bm{酸化剤の価数}とは,\ \bm{1\,\text{\textbf{mol}}\,の酸化剤が何\text{\textbf{mol}}\,の\ce{e-}\,を受け取るか}を示すものである. \\[.2zh] 同様に,\ \bm{還元剤の価数}とは,\ \bm{1\,\text{\textbf{mol}}\,の還元剤が何\text{\textbf{mol}}\,の\ce{e-}\,を放出するか}を示すものである. \\[.2zh] 例として,\ 二クロム酸カリウム(酸化剤)と硫酸鉄(\text{I\hspace{-.1em}I})(還元剤)の価数を考える. \\[.2zh]  酸化剤  \ce{Cr2O7^2-}\,(\bm{赤橙色}) + \ce{14H+ + 6e- } \ce{2Cr^3+}\,(\bm{暗緑色}) + \ce{7H2O} \\[.2zh]  還元剤  \ce{Fe^2+ Fe^3+ + e-} \\[.2zh] 半反応式より,\ 1\,\text{mol}\,の\ce{Cr2O7^2-}\,が6\,\text{mol}\,の\ce{e-}\,を受け取ることがわかる. \\[.2zh] これは,\ \bm{二クロム酸カリウムは6価の酸化剤}であることを意味している. \\[.2zh] 同様に,\ 1\,\text{mol}\,の\ce{Fe^2+}\,が1\,\text{mol}\,の\ce{e-}\,を放出することがわかる. \\[.2zh] これは,\ \bm{硫酸鉄(\text{I\hspace{-.1em}I})は1価の還元剤}であることを意味している. \\[.2zh] 半反応式を見ると一瞬で判断できるが,\ 価数の判断に必ず半反応式を作る必要があるわけではない. \\[.2zh] 元々,\ \bm{半反応式における\ce{e-}\,の係数は反応前後の酸化数の変化に等しい.} \\[.2zh] 例えば,\ \ce{Cr2O7^2-}\ →\ \ce{2Cr^3+}\ において\,\ce{Cr}\,の酸化数は\ +6\ →\,+3\ である. \\[.2zh] 1個の\ce{Cr}\,原子の酸化数の変化が-3なので,\ 1個の\ce{Cr}\,原子は\ce{e-}\,を3個受け取っているはずである. \\[.2zh] \ce{Cr2O7^2-}\,は\ce{Cr}\,原子を2個含むから6個の\ce{e-}\,を受け取るはずで,\ 結局6価であると判断できる. \\[.2zh] このように,\ 反応前後の物質さえわかっていれば,\ \bm{酸化数の変化から価数を判断できる.} \\[.2zh] なお,\ 酸化還元反応における反応前後の物質は丸暗記しておく必要があるのであった. \\[1zh] さて,\ 酸化還元反応の量的関係を考える場合,\ 大きく2通りの方法がある. \\[.2zh] 1つは価数を考慮して中和反応と同様にacV=bc’V’\ を立式する方法である. \\[.2zh] 反応式が全く与えられていない場合はこの方法が手っ取り早く簡潔である. \\[.2zh] 問題によっては酸化還元反応式が与えられている場合がある. \\[.2zh] この場合,\ \bm{(反応式の係数の比)=(物質量の比)}\ と考えて立式するとよい.\ 最終的に式は一致する.