4.11: 酸化数

酸化還元反応では、反応種間で電子の移動が発生します。 電子の移動は、酸化数（または酸化状態）と呼ばれる仮説上の数値で表されます。 これは、一連のルールを用いて割り当てられた原子または元素の有効な電荷を表します。

酸化数（酸化状態）

イオン化合物の場合、反応種間で伝達される電子の数に基づいて酸化数が割り当てられます。 たとえば、塩化カルシウム (CaCl₂) の形成では、カルシウムは 2 つの価電子を失い、 2 つの塩素原子はそれぞれ 1 つずつ電子を得ます。 CaCl₂ では、カルシウムの酸化状態は +2 で、各塩素の酸化状態は -1 です。  

共有結合化合物の場合、電子は得たり失ったりはせず、原子間で共有されます。 電子の引力が大きい原子は、共有されたペアをより強く引きつけます。 共有結合化合物を含む反応は、酸化数の概念を適用して電子の動きを追跡することで酸化還元として識別されます。 酸化状態は酸化還元反応で酸化されたり還元されたりする種の特定を容易にします。  

酸化数の割り当て規則

酸化数は、正、負、またはゼロです。 これらは、次のルールに基づいて割り当てられます。

1. すべての自由な元素は、酸化数がゼロです。元素には単原子、二原子、多原子があります。  
2. 化合物では、1A族の元素（すべてのアルカリ金属）の酸化数は +1 、2A族 の元素（すべてのアルカリ土類金属）の酸化数は +2 です。  
3. ハロゲンは通常− 1 の酸化数ですが、酸素を有する化合物では、正の酸化状態を持ちます。  
   フッ素は最も負の電荷を有する元素です。 すべての化合物に− 1 の酸化状態があります。
4. 単原子イオンの場合、酸化数はイオンの電荷と同じです。  
5. 酸素は、酸化番号が− 1 である過酸化物を除き、常に− 2 の酸化数を持ちます。
6. 水素の酸化状態は、非金属では +1 、金属では -1です 。
7. 中性化合物の酸化数の合計はゼロですが、多原子イオンの場合はイオンの電荷と等しくなります。

このテキストは 、 Openstax, Chemistry 2e, Section 4.2: 化学反応の分類に基づいています。

金属と非金属の間の 酸化還元反応は 通常 電子が完全に移動して イオン性化合物を形成するため 識別が容易です しかし 部分的に電子が移動する 非金属のみが関与する 酸化還元反応は 識別が容易ではありません 酸化還元反応の特徴は 原子の酸化状態が 変化することであり これは原子間の 電子の移動を示しています 化合物中の原子の 酸化状態（酸化数）とは 各異核結合の共有電子が 完全に電子陰性の 原子に移動した場合の 電荷のことです 単核結合は等しく 分割されています 例えば 気体の塩化水素では 塩素の方が電子陰性です 水素の電子が 完全に塩素に移ると 塩素はマイナス1の 酸化状態に対応して マイナス1の電荷を持ち 水素はプラス1の 酸化状態に対応して プラス1の電荷を 持つことになります 酸化状態 特定の規則を使って 元素の形をした原子や ほとんどのイオンや化合物原子に 割り当てることができます 最初の3つの規則は 常に守られます 残りのルールは 最初の3つのルールが 満たされるまで 1つずつ適用されます 次に これらの規則を適用して 二酸化硫黄と 炭酸カルシウムの生成反応が 酸化還元反応かどうかを 特定します 規則番号1によれば 自由状態の元素には 酸化番号0があるので 元素の硫黄と酸素には 酸化番号0が 割り当てられています 規則番号3によれば 中性化合物中の酸化数の 和はゼロであるので SO_2中の硫黄と 酸素の酸化数の和は ゼロになる必要があります 規則番号6に従って SO_2中の各酸素の酸化数は マイナス2です 2つの酸素原子の和は マイナス4となります したがって 硫黄の酸化数は プラス4となります 硫黄の酸化数は 0からプラス4に増えるので 酸化され 酸素の酸化数は 0からマイナス2に減るので 還元されています したがって これは 酸化還元反応です 炭酸カルシウムの場合 酸素の酸化数は3つの全ての 化合物でマイナス2であり 酸化カルシウムと 炭酸カルシウムでは カルシウムが プラス2となります 規則3によれば 二酸化炭素と 炭酸カルシウムでは 炭素はプラス4で ある必要があります この反応中は原子の 酸化数の変化がないので 酸化還元反応ではありません