半反応式

ポイント

酸化剤・還元剤と、それらが反応後に変化する物質を覚えます。それをもとに、半反応式を書きます。

半反応式は、両辺の電荷と原子数をそろえると完成します。

半反応式

前の項目で酸化剤と還元剤について学びました。何が酸化剤・還元剤で、反応後にどのような物質に変化するのかを覚えました。

次に学ぶのは、半反応式です。

半反応式とは、酸化剤が相手を酸化させるためにする反応や、還元剤が相手を還元させるためにする反応を表した式です。

酸化と還元は表裏一体の関係です。酸化された物質があるなら、それに対応して還元された物質が存在しています。

しかし酸化還元反応をすぐに書くのは難しいので、酸化還元反応の化学反応式を組み立てる準備として、ひとまず酸化の反応と還元の反応を別々に書きます。

これらの式は酸化還元の半分なので、半反応式といいます。

半反応式の目標は、反応前後の左辺と右辺で、電荷をつり合わせることと、各原子の数を等しくすることです。

半反応式の書き方

半反応式は、酸化剤(還元剤)と、それがどう変化するかを覚えていると書けます。書き方の手順は、

① 酸化剤(還元剤)を左辺に、変化した物質を右辺に書く。

② 酸化数の変化の分だけ、電子 e を移動させる。

③ 両辺の電荷をつり合わせるため、水素イオン H+ を加える。

④ 各原子の数を等しくするため、水 H2O を加える。

です。

例1.希硝酸

では、希硝酸 HNO3 が酸化剤としてはたらき、NO が発生する半反応式を書きましょう。

① 酸化剤 HNO3 は左辺、変化して生成する NO が右辺です。

HNO3 → NO

② HNO3 の窒素原子 N の酸化数は +5 です。NO の窒素原子 N の酸化数は +2 なので、酸化数は 3 減少しました。

酸化数が 3 減少したということは、電子を 3 個受け取り、還元されたということです。そこで左辺に電子を 3 個加えます。

HNO3 + 3 e → NO

③ 左辺の電荷の和は -3 で、右辺の電荷の和は 0 (中性)です。両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に H+ を 3 個加えます。

HNO3 + 3 H+ + 3 e → NO

④ 左辺と右辺の原子の数を比べると、左辺の方が水素原子 H が 4 個、酸素原子 O が 2 個多いことがわかります。

両辺の各原子の数を等しくするため、右辺に H2O を 2 個加えます。

HNO3 + 3 H+ + 3 e → NO + 2 H2O

これで希硝酸 HNO3 の半反応式が完成しました。

例2.塩素

塩素 Cl2 が酸化剤としてはたらき、塩化物イオン Cl が生成する半反応式を書きましょう。

① 酸化剤の塩素 Cl2 は左辺に、発生する Cl は右辺に書きます。

Cl2 → 2 Cl

左辺に塩素原子が 2 個あるので、原子の数がつり合うように、はじめから右辺の塩化物イオンも 2 個にしておきます。

② 左辺の Cl の酸化数は 0 で、右辺の Cl の酸化数は -1 です。

Cl 1 個あたり、酸化数が 1 減少しているので、電子を 1 個受け取って還元されています。Cl が 2 個あるので、左辺に電子を 2 個加えます。

Cl2 + 2 e → 2 Cl

③ 左辺の電荷の和は -2 で、右辺の電荷の和は -2 です。つり合っているので、H+ は加えません。

④ 左辺と右辺で原子の数は等しくなっています。そこでこのまま、半反応式が完成しました。

Cl2 + 2 e → 2 Cl

例3.硫化水素

硫化水素 H2S が還元剤としてはたらき、S が発生する半反応式を書きましょう。

① 還元剤 H2S は左辺、変化して生成する S が右辺です。

H2S → S

② H2S の硫黄原子 S の酸化数は -2 です。右辺の硫黄の単体 S の酸化数は 0 なので、酸化数は 2 増加しました。

酸化数が 2 増加したということは、電子を 2 個失い、酸化されたということです。電子が 2 個放出されたので、右辺に電子を 2 個書きます。

H2S → S + 2 e

③ 左辺の電荷の和は 0 で、右辺の電荷の和は -2 です。両辺の電荷をつり合わせるため、右辺に H+ を 2 個加えます。

H2S → S + 2 H+ + 2 e

④ 左辺と右辺の各原子の数を比べると、すでに等しいです。そこで、硫化水素 H2S の半反応式が完成しました。

H2S → S + 2 H+ + 2 e

例4.過マンガン酸カリウム

過マンガン酸カリウム KMnO4 が酸化剤としてはたらき、Mn2+ が生成する半反応式を書きましょう。

① 酸化剤の過マンガン酸カリウム KMnO4 は左辺に、発生する Mn2+ は右辺に書きます。K は反応に関与しないので省略します。

MnO4 → Mn2+

② 左辺の Mn の酸化数は +7 で、右辺の Mn の酸化数は +2 です。

酸化数が 5 減少しているので、電子を 5 個受け取って還元されています。左辺に電子を 5 個加えます。

MnO4 + 5 e → Mn2+

③ 左辺の電荷の和は -6 で、右辺の電荷の和は +2 です。両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に H+ を 8 個加えます。

MnO4 + 8 H+ + 5 e → Mn2+

④ 左辺と右辺の原子の数を比べると、左辺の方が水素原子 H が 8 個、酸素原子 O が 4 個多いことがわかります。

両辺の各原子の数を等しくするため、右辺に H2O を 4 個加えます。

MnO4 + 8 H+ + 5 e → Mn2+ + 4 H2O

これで過マンガン酸カリウム KMnO4 の半反応式が完成しました。

例5.過酸化水素(還元剤)

過酸化水素 H2O2 が還元剤としてはたらき、O2 が発生する半反応式を書きましょう。

① 還元剤 H2O2 は左辺、変化して生成する O2 が右辺です。

H2O2 → O2

② H2O2 の酸素原子 O の酸化数は -1 です。右辺の酸素 O の酸化数は 0 なので、酸化数は 1 増加しました。

酸化数が 1 増加したということは、電子を 1 個失い、酸化されたということです。

過酸化水素 H2O2 には酸素原子 O が 2 個あります。電子が 2 個放出されたので、右辺に電子を 2 個書きます。

H2O2 → O2 + 2 e

③ 左辺の電荷の和は 0 で、右辺の電荷の和は -2 です。両辺の電荷をつり合わせるため、右辺に H+ を 2 個加えます。

H2O2 → O2 + 2 H+ + 2 e

④ 左辺と右辺の各原子の数を比べると、すでに等しいです。そこで、過酸化水素 H2O2 (還元剤)の半反応式が完成しました。

H2O2 → O2 + 2 H+ + 2 e

半反応式の書き方(その2)

本質的な違いはありませんが、半反応式には別の書き方もあります。

① 酸化剤(還元剤)を左辺に、変化した物質を右辺に書く。

② 両辺の酸素原子 O の数を等しくするため、水 H2O を加える。

③ 両辺の水素原子 H の数を等しくするため、水素イオン H+ を加える。

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、電子 e を加える。

以下の例は練習のために、その2の書き方で行います。

例6.酸素

酸素 O2 が酸化剤としてはたらき、H2O が発生する半反応式を書きましょう。

① 酸化剤の O2 は左辺、変化して生成する H2O が右辺です。

O2 → H2O

② 両辺の酸素原子 O の数を等しくするため、右辺に H2O を加えます。

O2 → H2O + H2O

つまり O2 → 2 H2O

③ 両辺の水素原子 H の数を等しくするため、左辺に H+ を 4 個加えます。

O2 + 4 H+ → 2 H2O

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に電子 e を 4 個加えます。

O2 + 4 H+ + 4 e → 2 H2O

これで酸素の半反応式は完成しました。

例7.ナトリウム

ナトリウム Na が還元剤としてはたらき、Na+ が発生する半反応式を書きましょう。

① 還元剤のナトリウム Na は左辺、変化して生成する Na+ が右辺です。

Na → Na+

② 両辺の酸素原子 O の数を比べますが、すでに等しいです。

Na → Na+

③ 両辺の水素原子 H の数を比べますが、すでに等しいです。

Na → Na+

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、右辺に電子 e を 1 個加えます。

Na → Na+ + e

これでナトリウムの半反応式は完成しました。

例8.オゾン

オゾン O3 が酸化剤としてはたらき、O2 と H2O が発生する半反応式を書きましょう。

① 酸化剤のオゾン O3 は左辺、変化して生成する O2 と H2O が右辺です。

O3 → O2 + H2O

② 両辺の酸素原子 O の数を比べますが、すでに等しいです。

O3 → O2 + H2O

③ 両辺の水素原子 H の数を等しくするため、左辺に H+ を 2 個加えます。

O3 + 2 H+ → O2 + H2O

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に電子 e を 2 個加えます。

O3 + 2 H+ + 2 e → O2 + H2O

これでオゾンの半反応式は完成しました。

例9.ヨウ化物イオン

ヨウ化物イオン I が還元剤としてはたらき、I2 が発生する半反応式を書きましょう。

(還元剤としてヨウ化カリウム KI が使われることがありますが、K は反応に関与しないので I として考えます。)

① 還元剤のヨウ化物イオン I は左辺、変化して生成する I2 が右辺です。ヨウ素 I2 のヨウ素原子は 2 個なので、原子の数を合わせるため、左辺のヨウ化物イオンは 2 個とします。

2 I → I2

② 両辺の酸素原子 O の数を比べますが、すでに等しいです。

2 I → I2

③ 両辺の水素原子 H の数を比べますが、すでに等しいです。

2 I → I2

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、右辺に電子 e を 2 個加えます。

2 I → I2 + 2 e

これでヨウ化物イオンの半反応式は完成しました。

例10.水素

水素 H2 が還元剤としてはたらき、H+ が発生する半反応式を書きましょう。

① 還元剤の水素 H2 は左辺、変化して生成する H+ が右辺です。水素 H2 の水素原子は 2 個なので、原子の数を合わせるため、右辺の水素イオンは 2 個とします。

H2 → 2 H+

② 両辺の酸素原子 O の数を比べますが、すでに等しいです。

H2 → 2 H+

③ 両辺の水素原子 H の数を比べますが、すでに等しいです。

H2 → 2 H+

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、右辺に電子 e を 2 個加えます。

H2 → 2 H+ + 2 e

これで水素の半反応式は完成しました。

問題演習

確認テスト1

次の酸化剤・還元剤の半反応式を書いてみましょう。

  1. 鉄(Ⅱ)イオン Fe2+
  2. 濃硝酸 HNO3
  3. スズ(Ⅱ)イオン Sn2+
  4. 熱濃硫酸 H2SO4
  5. シュウ酸 (COOH)2
  6. 酸化マンガン(Ⅳ) MnO2
  7. 二クロム酸カリウム K2Cr2O7
  8. 過酸化水素 H2O2 (酸化剤として)
  9. 二酸化硫黄 SO2 (酸化剤として)
  10. 二酸化硫黄 SO2 (還元剤として)
正解を見る

1.~5.は半反応式の書き方に従って、6.~10.は半反応式の書き方(その2)に従って解説します。

1.

鉄(Ⅱ)イオン Fe2+ が還元剤としてはたらき、Fe3+ が発生する半反応式を書きましょう。

① 還元剤 Fe2+ は左辺、変化して生成する Fe3+ が右辺です。

Fe2+ → Fe3+

② Fe2+ の鉄原子 Fe の酸化数は +2 です。右辺の鉄原子 Fe の酸化数は +3 なので、酸化数は 1 増加しました。

酸化数が 1 増加したということは、電子を 1 個失い、酸化されたということです。電子が 1 個放出されたので、右辺に電子を 1 個書きます。

Fe2+ → Fe3+ + e

③ 左辺の電荷の和は +2 で、右辺の電荷の和は +2 です。そのままで電荷はつり合っています。

Fe2+ → Fe3+ + e

④ 左辺と右辺の各原子の数を比べると、すでに等しいです。そこで、鉄(Ⅱ)イオン Fe2+ の半反応式が完成しました。

Fe2+ → Fe3+ + e

2.

濃硝酸 HNO3 が酸化剤としてはたらき、NO2 が発生する半反応式を書きましょう。

① 酸化剤 HNO3 は左辺、変化して生成する NO2 が右辺です。

HNO3 → NO2

② HNO3 の窒素原子 N の酸化数は +5 です。NO2 の窒素原子 N の酸化数は +4 なので、酸化数は 1 減少しました。

酸化数が 1 減少したということは、電子を 1 個受け取り、還元されたということです。そこで左辺に電子を 1 個加えます。

HNO3 + e → NO2

③ 左辺の電荷の和は -1 で、右辺の電荷の和は 0 (中性)です。両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に H+ を 1 個加えます。

HNO3 + H+ + e → NO2

④ 左辺と右辺の原子の数を比べると、左辺の方が水素原子 H が 2 個、酸素原子 O が 1 個多いことがわかります。

両辺の各原子の数を等しくするため、右辺に H2O を 1 個加えます。

HNO3 + H+ + e → NO2 + H2O

これで濃硝酸 HNO3 の半反応式が完成しました。

3.

スズ(Ⅱ)イオン Sn2+ が還元剤としてはたらき、Sn4+ が発生する半反応式を書きましょう。

① 還元剤 Sn2+ は左辺、変化して生成する Sn4+ が右辺です。

Sn2+ → Sn4+

② Sn2+ のスズ原子 Sn の酸化数は +2 です。右辺のスズ原子 Sn の酸化数は +4 なので、酸化数は 2 増加しました。

酸化数が 2 増加したということは、電子を 2 個失い、酸化されたということです。電子が 2 個放出されたので、右辺に電子を 2 個書きます。

Sn2+ → Sn4+ + 2 e

③ 左辺の電荷の和は +2 で、右辺の電荷の和は +2 です。そのままで電荷はつり合っています。

Sn2+ → Sn4+ + 2 e

④ 左辺と右辺の各原子の数を比べると、すでに等しいです。そこで、スズ(Ⅱ)イオン Sn2+ の半反応式が完成しました。

Sn2+ → Sn4+ + 2 e

4.

熱濃硫酸 H2SO4 が酸化剤としてはたらき、SO2 が発生する半反応式を書きましょう。

① 酸化剤 H2SO4 は左辺、変化して生成する SO2 が右辺です。

H2SO4 → SO2

② H2SO4 の硫黄原子 S の酸化数は +6 です。SO2 の硫黄原子 S の酸化数は +4 なので、酸化数は 2 減少しました。

酸化数が 2 減少したということは、電子を 2 個受け取り、還元されたということです。そこで左辺に電子を 2 個加えます。

H2SO4 + 2 e → SO2

③ 左辺の電荷の和は -2 で、右辺の電荷の和は 0 (中性)です。両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に H+ を 2 個加えます。

H2SO4 + 2 H+ + 2 e → SO2

④ 左辺と右辺の原子の数を比べると、左辺の方が水素原子 H が 4 個、酸素原子 O が 2 個多いことがわかります。

両辺の各原子の数を等しくするため、右辺に H2O を 2 個加えます。

H2SO4 + 2 H+ + 2 e → SO2 + 2 H2O

これで熱濃硫酸 H2SO4 の半反応式が完成しました。

5.

シュウ酸 (COOH)2 が還元剤としてはたらき、CO2 が発生する半反応式を書きましょう。

(シュウ酸は H2C2O4 と書いてもよいです。)

① 還元剤 (COOH)2 は左辺、変化して生成する CO2 が右辺です。

このとき、左辺のシュウ酸には炭素原子が 2 個含まれているので、右辺も炭素原子が 2 個になるように、CO2 を 2 個にしておきます。

(COOH)2 → 2 CO2

② (COOH)2 の炭素原子 C の酸化数は +3 です。右辺の炭素原子 C の酸化数は +4 なので、酸化数は 1 増加しました。

酸化数が 1 増加したということは、電子を 1 個失い、酸化されたということです。

シュウ酸 (COOH)2 には炭素原子 C が 2 個あります。電子が 2 個放出されたので、右辺に電子を 2 個書きます。

(COOH)2 → 2 CO2 + 2 e

③ 左辺の電荷の和は 0 で、右辺の電荷の和は -2 です。両辺の電荷をつり合わせるため、右辺に H+ を 2 個加えます。

(COOH)2 → 2 CO2 + 2 H+ + 2 e

④ 左辺と右辺の各原子の数を比べると、すでに等しいです。そこで、シュウ酸 (COOH)2 の半反応式が完成しました。

(COOH)2 → 2 CO2 + 2 H+ + 2 e

6.

酸化マンガン(Ⅳ) MnO2 が酸化剤としてはたらき、Mn2+ が発生する半反応式を書きましょう。

① 酸化マンガン(Ⅳ) MnO2 は左辺、変化して生成する Mn2+ が右辺です。

MnO2 → Mn2+

② 両辺の酸素原子 O の数を等しくするため、右辺に H2O を 2 個加えます。

MnO2 → Mn2+ + 2 H2O

③ 両辺の水素原子 H の数を等しくするため、左辺に H+ を 4 個加えます。

MnO2 + 4 H+ → Mn2+ + 2 H2O

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に電子 e を 2 個加えます。

MnO2 + 4 H+ + 2 e → Mn2+ + 2 H2O

これで酸化マンガン(Ⅳ) MnO2 の半反応式は完成しました。

7.

二クロム酸カリウム K2Cr2O7 が酸化剤としてはたらき、Cr3+ が発生する半反応式を書きましょう。

① 二クロム酸カリウム K2Cr2O7 は左辺、変化して生成する Cr3+ が右辺です。

左辺の二クロム酸カリウム K2Cr2O7 にはクロム原子が 2 個あるので、クロム原子の数がつり合うように右辺の Cr3+ は 2 個にしておきます。

K は反応に関与しないので省略して、Cr2O72- だけ書きます。

Cr2O72- → 2 Cr3+

② 両辺の酸素原子 O の数を等しくするため、右辺に H2O を 7 個加えます。

Cr2O72- → 2 Cr3+ + 7 H2O

③ 両辺の水素原子 H の数を等しくするため、左辺に H+ を 14 個加えます。

Cr2O72- + 14 H+ → 2 Cr3+ + 7 H2O

④ 左辺の電荷の和は +12 で、右辺の電荷の和は +6 です。両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に電子 e を 6 個加えます。

Cr2O72- + 14 H+ + 6 e → 2 Cr3+ + 7 H2O

これで二クロム酸カリウム K2Cr2O7 の半反応式は完成しました。

8.

過酸化水素 H2O2 が酸化剤としてはたらき、H2O が発生する半反応式を書きましょう。

① 過酸化水素 H2O2 は左辺、変化して生成する H2O が右辺です。

H2O2 → H2O

② 両辺の酸素原子 O の数を等しくするため、右辺に H2O を 1 個加えます。

H2O2 → 2 H2O

③ 両辺の水素原子 H の数を等しくするため、左辺に H+ を 2 個加えます。

H2O2 + 2 H+ → 2 H2O

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に電子 e を 2 個加えます。

H2O2 + 2 H+ + 2 e → 2 H2O

これで過酸化水素 H2O2 (酸化剤)の半反応式は完成しました。

9.

二酸化硫黄 SO2 が酸化剤としてはたらき、S が発生する半反応式を書きましょう。

① 過酸化水素 SO2 は左辺、変化して生成する S が右辺です。

SO2 → S

② 両辺の酸素原子 O の数を等しくするため、右辺に H2O を 2 個加えます。

SO2 → S + 2 H2O

③ 両辺の水素原子 H の数を等しくするため、左辺に H+ を 4 個加えます。

SO2 + 4 H+ → S + 2 H2O

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、左辺に電子 e を 4 個加えます。

SO2 + 4 H+ + 4 e → S + 2 H2O

これで二酸化硫黄 SO2 (酸化剤)の半反応式は完成しました。

10.

二酸化硫黄 SO2 が還元剤としてはたらき、SO42- が発生する半反応式を書きましょう。

① 還元剤の二酸化硫黄 SO2 は左辺、変化して生成する SO42- が右辺です。

SO2 → SO42-

② 両辺の酸素原子 O の数を等しくするため、左辺に H2O を 2 個加えます。

SO2 + 2 H2O → SO42-

③ 両辺の水素原子 H の数を等しくするため、右辺に H+ を 4 個加えます。

SO2 + 2 H2O → SO42- + 4 H+

④ 両辺の電荷をつり合わせるため、右辺に電子 e を 2 個加えます。

SO2 + 2 H2O → SO42- + 4 H+ + 2 e

これで二酸化硫黄 SO2 (還元剤)の半反応式は完成しました。

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