酸化還元

ナトリウムはフッ素に外殻電子を1つ与え、両者が結合してフッ化ナトリウムを形成します。ナトリウム原子は酸化され、フッ素は還元されます。
粉末状の過マンガン酸カリウム（強力な酸化剤）にグリセロール（弱い還元剤）を数滴加えると、自然発火を伴う激しい酸化還元反応が始まります。
ナトリウムと塩素の還元酸化反応の例（OIL RIGニーモニック使用） [ 1 ]

酸化還元（/ ˈ r ɛ d ɒ k s / RED -oks、 / ˈ r iː d ɒ k s / REE -doks、還元酸化[ 2 ]または酸化還元[ 3 ]： 150 ）は、反応物の酸化状態が変化する化学反応の一種です。[ 4 ]酸化は電子の損失または酸化状態の増加であり、還元は電子の獲得または酸化状態の減少です。化学反応では、酸化プロセスと還元プロセスが同時に発生します。

酸化還元反応には 2 つのクラスがあります。

  • 電子移動– 酸化される原子、イオン、または分子から還元される原子、イオン、または分子へ、通常は1つの電子のみが移動します。このタイプの酸化還元反応は、しばしば酸化還元対と電極電位という観点から議論されます。
  • 原子移動 – 原子が一つの基質から別の基質へ移動する現象。例えば、鉄の錆びでは、鉄が酸化物に変化するにつれて鉄原子の酸化状態が増加し、同時に鉄から放出された電子を受け取るにつれて酸素の酸化状態は減少する。酸化反応は一般的に酸化物の形成と関連付けられるが、他の化学種も同様の機能を果たすことがある。[ 5 ]水素化では、 C=Cのような結合は水素原子の移動 によって還元される。

用語

「レドックス」は「還元」と「酸化」を組み合わせた造語です。この用語は、1928年にレオノール・ミカエリスとルイス・B・フレクスナーによって発表された論文で初めて使用されました。[ 6 ] [ 7 ]

酸化は物質が電子を失うプロセスです。還元は物質が電子を得るプロセスです。

酸化と還元のプロセスは同時に起こり、独立して起こることはできません。[ 5 ]酸化還元プロセスでは、還元剤は酸化剤に電子を移動させます。したがって、反応では、還元剤または還元剤は電子を失って酸化され、酸化剤または酸化剤は電子を獲得して還元されます。特定の反応に関与する酸化剤と還元剤のペアは、酸化還元対と呼ばれます。酸化還元対とは、還元種とそれに対応する酸化形態のことです[ 8 ]例えば、Fe2歳以上/鉄3歳以上酸化単独と還元単独はそれぞれ半反応と呼ばれます。なぜなら、2つの半反応が常に一緒に起こって全体の反応を形成するからです。[ 5 ]

電気化学反応では、酸化プロセスと還元プロセスは同時に発生しますが、空間的に分離されています。

酸化剤

酸化はもともと酸素と反応して酸化物を形成することを意味していました。後に、この用語は酸素の反応と同様の化学反応を起こす物質を含むように拡張されました。最終的には、電子の喪失または化学種の酸化状態の増加を伴うすべてのプロセスを含むように意味が一般化されました。[ 9 ]：A49 他の物質を酸化する（電子を失わせる）能力を持つ物質は、酸化性または酸化性があると言われ、酸化剤、酸化剤、または酸化剤と呼ばれます。酸化剤は他の物質から電子を奪い、それによって自身も還元されます。[ 9 ]：A50 酸化剤は電子を「受け入れる」ため、電子受容体とも呼ばれます。酸化剤は通常、高い酸化状態にある元素を持つ化学物質です[ 3 ]：159 （例：N2お4、MnO− 4、CrO3、Cr2お2−7​、OsO4）、あるいは他の物質を酸化することによって余分な電子を獲得することができる非常に電気陰性度の大きい元素（例えば、 O 2、F 2、Cl 2、Br 2、I 2）である。[ 3 ]：909

酸化剤は酸化剤ですが、この用語は主に酸素源、特に爆発の文脈で使用されます。硝酸は強力な酸化剤です。[ 10 ]

酸化性化学物質の 国際ピクトグラム

還元剤

他の物質を還元する（電子を受け取る）能力を持つ物質は、還元性または還元性があると言われ、還元剤、還元体、または還元剤と呼ばれます。還元剤は他の物質に電子を渡し、それによって自身も酸化されます。[ 3 ] : 159 還元剤は電子を供与するため、電子供与体とも呼ばれます。電子供与体は電子受容体と電荷移動錯体を形成することもできます。「還元」という言葉は、もともと金属酸化物などの金属鉱石を加熱して金属を抽出する際に生じる重量減少を指していました。言い換えれば、鉱石は金属に「還元」されたのです。[ 11 ]アントワーヌ・ラボアジエは、この重量減少は酸素がガスとして失われることによるものであることを実証しました。その後、科学者たちは、この過程で金属原子が電子を受け取ることに気づきました。「還元」の意味は、電子の受け取りを伴うすべてのプロセスを含むように一般化されました。[ 11 ]還元当量とは、酸化還元反応において1電子相当量を伝達する化学種を指します。この用語は生化学でよく用いられます。[ 12 ]還元当量は、電子の場合もあれば、水素化物イオンとしての水素原子の場合もあります。[ 13 ]

化学における還元剤は非常に多様です。リチウム、ナトリウム、マグネシウム、鉄、亜鉛、アルミニウムなどの電気陽性の元素金属は優れた還元剤です。これらの金属は比較的容易に電子を供与します。[ 14 ]

NaBH 4やLiAlH 4などの水素化物移動試薬は、原子移動によって還元します。つまり、水素化物またはH −の当量を移動させます。これらの試薬は、カルボニル化合物をアルコールに還元する際に広く使用されています。[ 15 ] [ 16 ]関連する還元法として、水素原子源として水素ガス（H 2 ） を使用する方法があります。 [ 3 ] : 288

電子化と脱電子化

電気化学者 ジョン・ボックリスは、電極で起こる還元反応と酸化反応をそれぞれ説明するために、「電子化」と「脱電子化」という言葉を提唱した。[ 17 ]これらの言葉は、プロトン化と脱プロトン化に類似している。[ 18 ] IUPACは、「電子化」 [ 19 ]と「脱電子化」という用語を承認している。 [ 20 ]

速度、メカニズム、エネルギー

酸化還元反応は、錆の形成のようにゆっくりと進行することもあれば、燃料の燃焼のように急速に進行することもあります。電子移動反応は一般的に速く、混合時間内に起こります。[ 21 ]

原子移動反応の機構は、多種多様な原子が移動可能であるため、非常に多様です。また、このような反応は非常に複雑で、多くの段階を経ることもあります。電子移動反応の機構は、内圏電子移動[ 22 ]と外圏電子移動[ 23 ]という2つの異なる経路によって起こります。

水中の結合エネルギーとイオン化エネルギーを分析することで、酸化還元反応の熱力学的側面を計算することができる。 [ 24 ]

標準電極電位（還元電位）

各半反応は標準電極電位（Eoセル）は、陰極反応が半反応であり、陽極が水素が酸化される標準水素電極である電気化学セルの標準条件下での平衡時の電位差または電圧に等しい：[ 25 ]

1 ⁄ 2 H 2 → H + + e −

各半反応の電極電位は還元電位（Eo赤）、あるいは半反応が陰極で起こる場合の電位。還元電位は、酸化剤が還元される傾向の尺度である。定義により、 H + + e − → 1 ⁄ 2 H 2の場合にはその値はゼロであり、H +よりも強い酸化剤の場合は正（例えば、F 2の場合は+2.866 V）、H +よりも弱い酸化剤の場合は負（例えば、Zn 2+の場合は-0.763V ）となる。[ 9 ]：873

細胞内で起こる酸化還元反応の場合、電位差は次のようになります。

Eoセル=東oカソード−東o陽極

ただし、陽極での反応の電位は酸化電位として表されることもあります。

E牛​= − Eo赤

酸化電位は還元剤の酸化されやすさの尺度であり、電極における物理的な電位を表すものではありません。この表記法を用いると、セル電圧の式はプラス記号を用いて表されます。

Eoセル=東o赤(陰極)+ Eo酸化（陽極）

酸化還元反応の例

酸化還元反応の図

水素とフッ素の反応では、水素が酸化され、フッ素が還元されます。

H 2 + F 2 → 2 HF

この自発的な反応は、2つのHF結合が1つのHH結合と1つのFF結合よりもはるかに強いため、大量のエネルギー（水素2gあたり542 kJ）を放出します。[ 26 ]この反応は2つの半反応として分析できます。酸化反応は水素を陽子に変換します。

H 2 → 2 H + + 2 e −

還元反応によりフッ素はフッ化物アニオンに変換されます。

F 2 + 2 e − → 2 F −

半反応は電子が打ち消されるように結合されます。

H2→ 2 H + + 2 e −
F2+ 2 e −→ 2 F −
H 2 + F 2→ 2 H + + 2 F −

陽子とフッ化物は非酸化還元反応で 結合してフッ化水素を形成します。

2 H + + 2 F − → 2 HF

全体的な反応は次のとおりです。

H 2 + F 2 → 2 HF

金属の変位

酸化還元反応は、写真のガルバニ電池のような電気化学セルの背後にある力です。この電池は、ZnSO 4溶液中の亜鉛電極と、 CuSO 4溶液中の銅電極をワイヤーと多孔質ディスクで接続して作られています。

このタイプの反応では、化合物または溶液中の金属原子が別の金属原子に置換されます。例えば、亜鉛金属を硫酸銅(II)溶液に入れると銅が析出します。

Zn(s) + CuSO 4 (aq) → ZnSO 4 (aq) + Cu(s)

上記の反応では、亜鉛金属が硫酸銅溶液中の銅(II)イオンを置換し、遊離銅を放出します。この反応は自発的に起こり、亜鉛65gあたり213kJのエネルギーを放出します。

この反応のイオン式は次のとおりです。

Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu

2つの半反応として、亜鉛が酸化されることがわかります。

亜鉛 → 亜鉛2+ + 2 e −

そして銅は減少します。

Cu 2+ + 2 e − → Cu

その他の例

2 いいえ−3+ 10 e − + 12 H + → N 2 + 6 H 2 O

腐食と錆

鉄(III)酸化物や錆などの酸化物は、水和鉄(III)酸化物Fe 2 O 3 · n H 2 Oと鉄(III)酸化物水酸化物(FeO(OH)、Fe(OH) 3で構成され、酸素が他の元素と結合すると形成されます。
黄鉄鉱キューブ内の鉄の錆
  • 腐食とは、酸素などの酸化剤との反応による金属の電気化学的酸化を指します。錆び、すなわち鉄酸化物の形成は、電気化学的腐食のよく知られた例です。これは、鉄金属の酸化の結果として発生します。一般的な錆は、以下の化学反応で生成される酸化鉄(III)を指すことが多いです。
4 Fe + 3 O 2 → 2 Fe 2 O 3
Fe 2+ → Fe 3+ + e −
H 2 O 2 + 2 e − → 2 OH −
ここで、全体的な方程式は、電子が打ち消されるように、還元方程式を酸化方程式の 2 倍に追加することを含みます。
2 Fe 2+ + H 2 O 2 + 2 H + → 2 Fe 3+ + 2 H 2 O

不均衡

不均化反応とは、単一の物質が酸化と還元の両方を受ける反応です。例えば、チオ硫酸イオンと酸化数+2の硫黄は、酸の存在下で反応し、元素硫黄（酸化数0）と二酸化硫黄（酸化数+4）を生成します。

S 2 O2−3+ 2 H + → S + SO 2 + H 2 O

つまり、一方の硫黄原子は+2から0に還元され、もう一方の硫黄原子は+2から+4に酸化される。[ 9 ]：176

産業における酸化還元反応

陰極防食は、金属表面を電気化学セルの陰極にすることで、その腐食を抑制する技術です。簡単な方法としては、保護対象の金属を、より腐食しやすい「犠牲陽極」に接続し、陽極として機能させます。すると、保護対象の金属の代わりに犠牲金属が腐食します。

酸化は、洗浄製品の製造やアンモニアを酸化して硝酸を生成するなど、さまざまな産業で使用されています。

酸化還元反応は電気化学セルの基礎であり、電気エネルギーを生成したり、電気合成を補助したりすることができます。金属鉱石には、酸化物や硫化物などの酸化状態の金属が含まれていることが多く、還元剤の存在下で高温で精錬することで純粋な金属が抽出されます。電気めっきプロセスでは、酸化還元反応を利用して物体を薄い層でコーティングします。例えば、クロムめっきの自動車部品、銀めっきの食器、亜鉛めっき、金めっきの宝飾品などがその例です。

生物学における酸化還元反応

酵素による褐変は、ほとんどの果物や野菜で起こる酸化還元反応の一例です。
アスコルビン酸（ビタミンCの還元型）
デヒドロアスコルビン酸（ビタミンCの酸化型）

多くの重要な生物学的プロセスには酸化還元反応が関与しています。これらのプロセスのいくつかは、開始前に環境から鉄を同化する必要があります。 [ 27 ]

例えば、好気性細胞呼吸は、基質（この場合はグルコース（C 6 H 12 O 6 ））の酸化と酸素の水への還元です。好気呼吸の式をまとめると、以下のようになります。

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + エネルギー

細胞呼吸のプロセスは、 NAD +からNADHへの還元と、その逆反応（NADHからNAD +への酸化）に大きく依存しています。光合成と細胞呼吸は相補的ですが、光合成は細胞呼吸における酸化還元反応の逆ではありません。

6 CO 2 + 6 H 2 O +光エネルギー → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

生物エネルギーは、酸化還元反応によって貯蔵・放出されることが多い。光合成は、二酸化炭素を糖に還元し、水を分子状酸素に酸化する反応である。その逆反応である呼吸は、糖を酸化して二酸化炭素と水を生成する。中間段階として、還元された炭素化合物はニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD +）をNADHに還元するために利用される。NADHはその後、プロトン勾配の形成に寄与し、アデノシン三リン酸（ATP）の合成を促進する。この勾配は酸素の還元によって維持される。動物細胞では、ミトコンドリアが同様の機能を果たす。

酸化還元状態という用語は、細胞や臓器などの生物系におけるGSH/GSSG、NAD + /NADH、NADP + /NADPHのバランスを説明するためによく用いられます。酸化還元状態は、いくつかの代謝物（例えば、乳酸とピルビン酸、β-ヒドロキシ酪酸とアセト酢酸）のバランスに反映され、それらの相互変換はこれらの比率に依存します。酸化還元機構は、いくつかの細胞プロセスも制御します。ミトコンドリアと葉緑体におけるDNAの機能に関するCoRR仮説によれば、酸化還元制御には、酸化還元タンパク質とその遺伝子が共存している必要があります。

酸化還元サイクリング

様々な芳香族化合物は酵素還元され、親化合物よりも1つ多くの電子を持つフリーラジカルを生成します。一般的に、電子供与体は様々なフラボ酵素とその補酵素のいずれかです。これらのアニオンフリーラジカルが形成されると、分子状酸素をスーパーオキシドに還元し、変化していない親化合物を再生します。最終的な反応は、フラボ酵素の補酵素の酸化と分子状酸素のスーパーオキシドへの還元です。この触媒作用は、無益回路または酸化還元サイクルとして説明されています。

地質学における酸化還元反応

チェコ共和国のトリネツ製鉄所の高炉

鉱物は一般的に金属の酸化物です。 鉄は磁鉄鉱（Fe 3 O 4）や赤鉄鉱（Fe 2 O 3 ）などの鉱石として採掘されます。 チタンは二酸化物として採掘され、通常はルチル（TiO 2 ）の形で採掘されます。これらの酸化物を還元して対応する金属を得るには、多くの場合、還元剤として炭素または一酸化炭素を用いて加熱することで還元されます。高炉は、鉄酸化物とコークス（炭素の一種）を反応させて溶融鉄を生成する反応炉です。溶融鉄を生成する主な化学反応は以下のとおりです。[ 28 ]

Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2

土壌中の酸化還元反応

電子移動反応は土壌中の無数のプロセスと特性にとって中心的な役割を果たしており、Eh（標準水素電極に対する白金電極電位（電圧））またはpe（pHの−log電子活性に類似）として定量化される酸化還元電位は、pHとともに、化学反応と生物学的プロセスを制御および支配する主要な変数です。湛水土壌と水田稲作に応用された初期の理論研究は、土壌中の酸化還元と植物の根の成長の熱力学的側面に関するその後の研究に大きな影響を与えました。[ 29 ]その後の研究はこの基礎の上に構築され、重金属の酸化状態の変化、土壌生成と形態、有機化合物の分解と生成、フリーラジカル化学、湿地の描写、土壌修復、および土壌の酸化還元状態を特徴付けるためのさまざまな方法論的アプローチに関連する酸化還元反応の理解のために拡張されました。[ 30 ] [ 31 ]

記憶術

酸化還元に関する重要な用語は混乱を招く可能性があります。[ 32 ] [ 33 ]例えば、酸化される試薬は電子を失いますが、その試薬は還元剤と呼ばれます。同様に、還元される試薬は電子を得るので酸化剤と呼ばれます。[ 34 ]学生が用語を暗記するためによく使用する記憶術は次のとおりです。 [ 35 ]

  • 「石油掘削装置」 —酸化は電子の損失、還元は電子の獲得である[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]
  • 「ライオンのレオはGER [grr]と言います」—電子の損失は酸化であり、電子の獲得は還元である[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]
  • 「LEORAはGEROAと言う」—電子の損失は酸化（還元剤）と呼ばれ、電子の獲得は還元（酸化剤）と呼ばれる。[ 34 ]
  • 「RED CAT」と「AN OX」、または「AnOx RedCat」（「an ox-red cat」）—還元は陰極で起こり、陽極は酸化反応に使われる
  • 「酸化還元反応は酸化還元反応が失うもの（電子）を還元によって得る」 – 陰極での還元は陽極酸化反応が失うもの（電子）を得る
  • 「パニック」 – 正極が陽極、負極が陰極です。これは、蓄えられた電気を放出し、電気で再充電できる電解セルに適用されます。「パニック」は、酸化還元物質で再充電できるセルには適用されません。燃料電池などのガルバニ電池やボルタ電池は、内部の酸化還元反応によって電気を生成します。この場合、正極は陰極、負極は陽極です。

参照

参考文献

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