酸化数

酸化数

物質が変化するとき、酸化や還元の反応がわかりやすいように、酸化数という値を考えます。

酸化数は、いくつかのルールから簡単に求められます。その酸化数の変化を見ることで、酸化還元反応を知ることができます。

酸化数のルール

酸化は物質が電子を失うこと、還元は物質が電子を受け取ることです。つまり酸化と還元の反応は電子の受け渡しのことなので、原子がもつ電子の数の変化から、酸化数を考えます。

まず、単体の原子は電気的に中性なので、酸化数はゼロとします。（①）

化合物中の水素原子 H の酸化数は +1 、酸素原子 O の酸化数は －2 とします。（②）

次に、化合物全体の酸化数もゼロとします。（③）

原子が酸化されて電子を失うと、陽イオンとなります。そこで電子を失った数である陽イオンの価数を、プラスの酸化数とします。

逆に還元されて電子を受け取ると、陰イオンになります。そこで陰イオンの価数を、マイナスの酸化数とします。（④）

多原子イオンでは、各原子の酸化数の総和と、多原子イオンの電荷が等しいとします。（⑤）

そのほか、いくつかの重要な原子の酸化数を覚えましょう。（⑥）

それでは、具体的にルールを確認しましょう。

①　単体の原子は酸化数 0

単体の原子は電気的に中性なので、電子を受け取ったり失ったりした状態ではありません。そこで酸化数はゼロとします。

例えば、単体である水素分子 H₂ を構成する水素原子 H の酸化数は 0 です。

同様に、窒素分子 N₂ のなかの窒素原子 N の酸化数は 0 、酸素分子 O₂ のなかの酸素原子 O の酸化数は 0 、金属の単体であるマグネシウム Mg のマグネシウム原子 Mg の酸化数は 0 、鉄 Fe の鉄原子 Fe の酸化数は 0 など、すべてゼロです。

②　化合物中の水素原子 H の酸化数は +1 で、酸素原子 O の酸化数は －2

化合物を構成している水素原子 H の酸化数は +1 とします。また、化合物を構成している酸素原子 O の酸化数は －2 とします。

例えば水分子 H₂O ならば、H の酸化数は +1 、O の酸化数は －2 です。

他の化合物でも同じなので、硝酸 HNO₃ のなかの水素原子 H の酸化数は +1 、酸素原子 O の酸化数は －2 です。

二酸化硫黄 SO₂ のなかの酸素原子 O の酸化数は －2 です。

アンモニア NH₃ のなかの水素原子 H の酸化数は +1 です。

③　化合物全体の酸化数は 0

化合物を構成しているすべての原子の酸化数を加えたとき、その総和はゼロとします。

例えば、水分子 H₂O 全体の酸化数は 0 です。

それでは、各原子の酸化数の総和を確認します。

水素原子の酸化数は +1 で、分子中に水素原子は 2 個あります。酸素原子の酸化数は －2 なので、これらの総和は

(+1) × 2　+　(－2)　=　0

となり、ルールどおりに水分子 H₂O 全体で酸化数はゼロでした。

②と③のルールを使えば、化合物中の原子の酸化数を計算できます。

硝酸 HNO₃ のなかの窒素原子 N の酸化数を求めます。

HNO₃ 全体では酸化数の総和は 0 です。酸化数 +1 の水素原子が 1 個、酸化数 －2 の酸素原子が 3 個含まれているので、窒素原子の酸化数を N とすると、

+1　+　N　+　(－2) × 3　=　0

と表されます。

N = +5　なので、窒素原子 N の酸化数は +5 です。

二酸化硫黄 SO₂ の硫黄原子 S の酸化数を求めます。

SO₂ 全体では酸化数の総和は 0 です。酸化数 －2 の酸素原子が 2 個含まれているので、硫黄原子の酸化数を S とすると、

S　+　(－2) × 2　=　0

と表されます。

S = +4　なので、硫黄原子 S の酸化数は +4 です。

アンモニア NH₃ のなかの窒素原子 N の酸化数を求めます。

NH₃ 全体では酸化数の総和は 0 です。酸化数 +1 の水素原子が 3 個含まれているので、窒素原子の酸化数を N とすると、

N　+　(+1) × 3　=　0

と表されます。

N = －3　なので、窒素原子 N の酸化数は －3 です。

④　単原子のイオンの酸化数は、イオンの価数と等しい

原子が酸化されて電子を失うと、陽イオンとなります。そこで電子を失った数である陽イオンの価数を、プラスの酸化数とします。

例えばナトリウムイオン Na⁺ は、1 個の電子を失って 1 価の陽イオンになっているので、この Na の酸化数は +1 です。

同様にマグネシウムイオン Mg²⁺ は 2 価の陽イオンなので、この Mg の酸化数は +2 です。

還元されて電子を受け取ると、陰イオンになります。そこで陰イオンの価数を、マイナスの酸化数とします。

例えば、塩化物イオン Cl^－ は 1 個の電子を受け取って 1 価の陰イオンになっているので、この Cl の酸化数は －1 です。

同様に硫化物イオン S^2－ は 2 価の陰イオンなので、この S の酸化数は －2 です。

⑤　多原子イオンでは、酸化数の総和とイオンの電荷が等しい

多原子イオンでは、イオンを構成する各原子の酸化数の総和が、イオンの電荷と等しくなります。

例えばアンモニウムイオン NH₄⁺ では、イオンの電荷が +1 なので、各原子の酸化数の総和は +1 となります。

このとき水素原子 H の酸化数は +1 ですから、残った窒素原子 N の酸化数 N は次のように計算できます。

N　+　(+1) × 4　=　+1

これを解くと N = －3 なので、N の酸化数は －3 です。

硫酸イオン SO₄^2－ では、イオンの電荷が －2 なので、各原子の酸化数の総和は －2 となります。

このとき酸素原子 O の酸化数は －2 ですから、残った硫黄原子 S の酸化数 S は次のように計算できます。

S　+　(－2) × 4　=　－2

これを解くと S = +6 なので、S の酸化数は +6 です。

⑥　重要な原子の酸化数

①～⑤のルールで酸化数はほぼ計算できますが、その他によく使う重要な原子の酸化数を覚えましょう。

ルールの例外でありながら、よく使われる化合物に過酸化水素 H₂O₂ があります。H₂O₂ の酸素原子 O の酸化数は、－1 です。－2 ではありません。

また一般に、アルカリ金属の原子の酸化数は +1 、アルカリ土類金属（2 族元素）の原子の酸化数は +2 となります。

化合物中に含まれる場合、ナトリウム Na やカリウム K の酸化数は +1 、カルシウム Ca の酸化数は +2 と考えるとよいでしょう。

酸化数の変化と酸化還元反応

物質の酸化数の変化から、化学反応の前後で酸化や還元が起こったことがわかります。

化学反応のあとで物質の酸化数が増加した場合、その物質は電子が失われているので、酸化されています。

逆に物質の酸化数が減少した場合、その物質は電子を受け取っているので、還元されています。

酸化銅(Ⅱ) CuO を高温で水素 H₂ と反応させると、銅 Cu と水 H₂O が生成します。

CuO　+　H₂　→　Cu　+　H₂O

ここで Cu 原子に注目すると、反応前の CuO では酸化数は +2 でした。反応後は単体の Cu となり、酸化数は 0 です。

酸化数の変化は +2 から 0 へと減少しているので、Cu は還元されたことがわかります。

一方 H 原子に注目すると、反応前は単体 H₂ で酸化数は 0 です。反応後は H₂O となり、酸化数は +1 となっています。

酸化数は 0 から +1 へと増加しているので、H は酸化されたことがわかります。

硫化水素 H₂S の水溶液に酸素 O₂ を吹き込むと、硫黄 S と水 H₂O が生成します。

2 H₂S　+　O₂　→　2 S　+　2H₂O

ここで S 原子に注目すると、反応前の H₂S では酸化数は －2 でした。反応後は単体の S となり、酸化数は 0 です。

酸化数の変化は －2 から 0 へと増加しているので、S は酸化されたことがわかります。

一方 O 原子に注目すると、反応前は単体 O₂ で酸化数は 0 です。反応後は H₂O となり、酸化数は －2 となっています。

酸化数は 0 から －2 へと減少しているので、O は還元されたことがわかります。

問題演習

確認テスト1

次の化合物について、赤太字の原子の酸化数を考えましょう。

1. N₂
2. H₂O
3. NH₃
4. SO₄^2－
5. HNO₃
6. H₂O₂
7. MnO₄^－
8. KMnO₄
9. K₂Cr₂O₇

確認テスト2

次の化学反応式で、Cu 原子と C 原子の酸化数の変化を調べ、物質の酸化還元反応を考えましょう。

2 CuO　+　C　→　2 Cu　+　CO₂

実践問題1（2019追第2問問6）

下線を付した原子の酸化数を比べたとき、酸化数が最も大きいものを、次の①～④のうちから一つ選べ。

①　HClO₄　　　　②　H₃PO₄　　　　③　KNO₃　　　　④　Na₂SO₄

（2019年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問6　より引用）

実践問題2（2016追第2問問6）

下線を付した原子の酸化数を比べたとき、酸化数が最も大きいものを、次の①～⑥のうちから一つ選べ。

①　SO₂　　　　②　H₂S　　　　③　NO₂

④　HNO₃　　　　⑤　N₂　　　　⑥　NH₃

（2016年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問6　より引用）

実践問題3（2015追第2問問4）

次のイオン（ア～ウ）を、下線で示した原子の酸化数が大きい順に並べたものはどれか。最も適当なものを、下の①～⑥のうちから一つ選べ。

ア　NO₃^－　　　　イ　CO₃^2－　　　　ウ　MnO₄^－

①　ア ＞ イ ＞ ウ　　　　②　ア ＞ ウ ＞ イ　　　　③　イ ＞ ア ＞ ウ

④　イ ＞ ウ ＞ ア　　　　⑤　ウ ＞ ア ＞ イ　　　　⑥　ウ ＞ イ ＞ ア

（2015年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問4　より引用）

実践問題4（2015本第2問問6）

反応の前後で、下線を付した原子の酸化数が 3 減少した化学反応を、次の①～④のうちから一つ選べ。

（2015年度センター試験　本試験　化学基礎　第2問問6　より引用）

実践問題5（2018本第2問問6）

次の反応ア～オのうち酸化還元反応はどれか。正しく選択しているものを、下の①～⑥のうちから一つ選べ。

①　ア、ウ　　　　　　②　イ、エ　　　　　　　③　イ、オ

④　ア、ウ、エ　　　　⑤　ア、ウ、オ　　　　　⑥　イ、エ、オ

（2018年度センター試験　本試験　化学基礎　第2問問6　より引用）