電気化学

酸化数（酸化状態とも呼ばれる）は、自由元素と比較して、ある原子が何個の電子を失ったかまたは得たかを示す値です。以下の単純なルールを使って求めます：

• 単体（未結合の元素）の酸化数は $0$ です。
• 単イオンの酸化数はその電荷と等しい（つまり $\text{Mg}^{2+}$ は $+2$ です）。
• Group 1 は常に $+1$、Group 2 は常に $+2$ です。
• water は $+1$ （ただし金属水化物内では $-1$）。
• oxygen は $-2$ （ただしペルキシド内では $-1$）。
• フッ素は常に $-1$ です。
• 中性化合物内の酸化数の総和は $0$ となり、イオン内の酸化数の総和は電荷と等しくなります。

ローマ数字は元素の酸化数の大きさを示し、例えば鉄(II)は $+2$ 、マンガン(VII)は $\text{KMnO}_4$ において $+7$ を意味します。

** worked example.** スルホ酸イオン $\text{SO}_4^{2-}$ 中の硫黄の酸化数を見つけます。

各酸素は $-2$ なので、4つの酸素で $4 \times (-2) = -8$ となります。イオンでは数が電荷に等しくなるため、ここでは $-2$ です。硫黄が $x$ ならば:

** worked example.** ニトレートイオン $\text{NO}_3^-$ 中の窒素の酸化数を見つけます。

酸化還元反応とは、電子が一方の種から他方へ移動する反応です。

• 酸化とは電子の喪失です。酸化数は上がります。
• 還元とは電子の獲得です。酸化数は下がります。

useful memory aid は OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain です。

酸化と還元の両方が必ず同時に起こるのは、ある種が喪失した電子を別の種が得るからです。この 電子移動 が私たちがこれを酸化還元反応と呼ぶ理由です。

酸化数の変化は酸化還元方程式を釣り合わせるのに役立ちます:

1. 酸化数が上がる元素（酸化されるもの）と、数が下がるものを見つけます。
2. 喪失されたすべての電子どこかで得られるため、合計の上昇値は合計の下降値と等しくなります。
3. 上昇と下降が一致するように2つの種の比率を選び、方程式の残りを釣り合わせます。

** worked example.** 酸性中でのパーマンガン酸(II)と鉄(II)の反応を釣り合わせます: $\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$。

マンガンは $+7$ から $+2$ に下がる（下降幅 $5$）、鉄は $+2$ から $+3$ に上がる（上昇幅 $1$）。合計の下降と上昇を等しくするために、$5$ 個の鉄イオンに対して $1$ 個のマンガネートイオンをとる。次に酸素を水 ($4\,\text{H}_2\text{O}$) で、水素を $\text{H}^+$ ($8\,\text{H}^+$) でバランスさせる：

自己酸化還元反応とは、同じ元素が同時に酸化も還元も受ける特別な酸化還元反応です。例えば、塩素が冷水と反応すると、一部の塩素原子は還元され（$\text{Cl}^-$ へ）、他の一部は酸化されます（$\text{ClO}^-$ へ）。

• 酸化剤は他の種から電子を取り除きます。その過程で自身は還元されます。
• 還元剤は他の種に電子を与えます。その過程で自身は酸化されます。

したがって、いかなる酸化還元反応においても、酸化剤は他の種の酸化を引き起こし、還元剤は還元を引き起こします。

• 酸化数のルールを順に適用します: O は $-2$ ですが、パ過酸化物($-1$)を除きます；H は $+1$ ですが、金属水素化物($-1$)を除きます。
• 酸化還元方程式では酸化数の合計増加値は合計減少値と等しくなります——これを使って比率を固定し、次で$\text{H}_2\text{O}$ でO、$\text{H}^+$ でHを釣り合わせます。
• 酸化剤は自身は還元されます；酸化・還元されるものと、それぞれの剤の名前を両方示さないと満点にはなりません。
• 自己酸化還元反応とは同じ元素が酸化も還元も受けること——両方の酸化数の変化を示してください。