酸化・還元の基礎

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2018/03/11 更新

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  1. 概要: 酸化・還元の定義
    • 酸素のやりとりから見た酸化・還元
    • 電子のやりとりから見た酸化・還元
    • 酸化数の変化から見た酸化・還元

  2. 酸化・還元反応の具体例
    • 代謝における酸化・還元反応
    • ラジカル反応

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概要: 酸化・還元の定義

このページの内容は、生化学の格言 の一つである「酸素を受け取ったら酸化、水素・電子を受け取ったら還元」という言葉で表現される。


酸素のやりとりから見た酸化・還元

まずは、最もわかりやすい酸化・還元反応から始めよう。高校レベルから大学初級まで使えるわかりやすい参考書、絵とき化学反応の見方・考え方 (Amazon) に基づいている。古い本ではあるが、今でも役に立つ。

酸素 oxygen が絡んでくる場合は、酸化・還元を直感的に理解しやすい。つまり

  • ある物質が酸素を受け取ったら、酸化されたことになる。
  • ある物質が酸素を手放したら、還元されたことになる。

銅の酸化という実例で考えてみる (2)。


2Cu + O2 → 2CuO

この反応は、銅の粉を加熱すると黒色の酸化銅ができる実験として、直接観察することができる。

酸化銅に水素ガスを加えて加熱すると、金属銅に戻るのが観察できる。これは、銅の還元反応 である。


2CuO + H2 → 2Cu + H2O

以上が酸素のやりとりから見た酸化・還元である。この例から、もう一つ重要な事項を確認しておこう。

上の例では、銅を中心として酸化・還元を考えた。銅の還元反応は、水素を中心とした視点で考えると、水素が酸素を受け取る「水素の酸化反応」としてみることができる。この例のように、酸化反応が起こっている場合には、視点をずらすと還元反応も同時に進行している


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電子のやりとりから見た酸化・還元

次に、酸化・還元の概念を拡張することを考える。このメリットは、酸素が関わらない反応についても酸化・還元という観点から考えられるようになること である。

すなわち、酸素が関わらないだけで、同じメカニズム (電子の授受) で進行している反応がある。上の酸化・還元の定義では、このような反応は別の反応になってしまうが、定義を拡張することで「同じメカニズム」の反応を「同じ名前」で呼ぶことができるようになるわけである。

酸素原子および酸素分子は、以下のような電子配置をもっている。


酸素原子の最外殻電子数は 6 個であり、電子を 2 個受け取ると安定な形になる。故に 2 個の最外殻電子をもつ金属 (Cu など) と結合しやすい。


2Cu + O2 → 2CuO

CuO では、銅は Cu2+ として 2 個の電子を失った (酸素に渡した) 状態、酸素は O2- として 2 個の電子を受けとった状態になっている。

この反応において、

  • Cu は酸化された = Cu は電子を失った
  • O は還元された = O は電子を受け取った

が成り立っている。

これを一般化すると、電子を放出すると酸化されたことになり、電子を受け取ると還元されたことになる と言える。

さらに、次の例で酸素が反応に含まれない場合を考える。


2NaI + Cl2 → 2NaCl + I2

酸素が電子を 2 個受け取りやすいのに対し、ヨウ素 I および塩素 Cl は、いずれも電子を 1 個受け取りやすい元素である。また、Na は電子を 1 個失いやすい。

この反応式では、

  • Na は反応の前後で変化せず。Na+ の状態になっている。
  • ヨウ素は I- から I に変化している。つまり電子を手放している。酸化された ことになる。
  • 塩素は Cl から Cl- に変化している。つまり電子を受け取っている。還元された ことになる。

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References

  1. Amazon link: 藤谷ほか、1989a. 絵とき化学反応の見方・考え方. オーム社.