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Electrochemistry · ⁨電気化学⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 化学⁩ · Topic 6 · ⁨トピック 6⁩

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6:34

電気化学と酸化還元

2つの鉄片があります。一つはフェンスの上で静かに錆びています。もう一つはバッテリーの中にあり、スマートフォンを通じて電子を押し出しています。これらは完全に…に見えます。

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

6.1

Oxidation number · ⁨酸化数⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. calculate oxidation numbers of elements in compounds and ions
  2. use changes in oxidation numbers to help balance chemical equations
  3. explain and use the terms redox, oxidation, reduction and disproportionation in terms of electron transfer and changes in oxidation number
  4. explain and use the terms oxidising agent and reducing agent
  5. use a Roman numeral to indicate the magnitude of the oxidation number of an element
日本語
  1. 化合物およびイオン中の元素の酸化数を計算する
  2. 酸化数の変化を利用して化学方程式の係数を合わせるのを助ける
  3. 電子移動および酸化数の変化の観点から、酸化還元反応(redox)、酸化、還元、自己酸化還元(disproportionation) という用語を説明して使用する
  4. 酸化剤および還元剤という用語を説明して使用する
  5. 元素の酸化数の大きさを示すためにローマ数字を使用する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

The oxidation number 氧化数 (also called the oxidation state) shows how many electrons 电子 an atom has lost or gained compared with the free element. You work it out using simple rules:

  • an uncombined element has an oxidation number of $0$.
  • a simple ion has an oxidation number equal to its charge (so $\text{Mg}^{2+}$ is $+2$).
  • Group 1 is always $+1$, Group 2 is always $+2$.
  • hydrogen is $+1$ (but $-1$ in metal hydrides).
  • oxygen is $-2$ (but $-1$ in peroxides).
  • fluorine is always $-1$.
  • the oxidation numbers in a neutral compound add up to $0$; in an ion they add up to the charge.

A Roman numeral shows the size of the oxidation number of an element, for example iron(II) means $+2$ and manganese(VII) in $\text{KMnO}_4$ means $+7$.

Worked example. Find the oxidation number of sulfur in the sulfate ion, $\text{SO}_4^{2-}$.

Each oxygen is $-2$, so the four oxygens give $4 \times (-2) = -8$. In an ion the numbers add up to the charge, here $-2$. If sulfur is $x$:

$$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$

Worked example. Find the oxidation number of nitrogen in the nitrate ion, $\text{NO}_3^-$.

$$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$
日本語

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。

KMnO4中のマンガンの酸化数を計算:カリウムは+1、4つの酸素は-8、合計がゼロであるため、マンガンは+7でなければならない
酸化数の割り当て:既知の原子(K = +1, O = 各−2)を固定し、「合計がゼロになる」を使って未知のもの(Mn = +7)を見つけます

** 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:

$$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$

** 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。

$$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 酸化数
electron/ɪˈlektrɒn/ 電子
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 酸化反応
6.1

Redox in terms of electrons · ⁨電子に関する酸化還元反応⁩

English

A redox 氧化还原 reaction is one where electrons move from one species to another.

  • oxidation 氧化 is the loss of electrons. The oxidation number goes up.
  • reduction 还原 is the gain of electrons. The oxidation number goes down.

A useful memory aid is OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain.

Oxidation and reduction always happen together, because the electrons lost by one species are gained by another. This electron transfer 电子转移 is why we call it a redox reaction.

日本語
複数のAA形乾電池
電池は回路内を電子を動かすために酸化還元反応を使います。

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。

亜鉛が電子2つを失ってZn2+となり、銅イオンがそれを受け取って銅になる様子。電子移動を示す矢印付き
酸化還元反応とは電子移動です: 還元剤は電子を喪失(酸化され、数上昇)、酸化剤は電子を得る(還元され、数下降)
Explore · ⁨探索⁩

Redox is electron transfer · ⁨酸化還元反応とは電子の移動である⁩

Step through it: the metal loses (is oxidised) and the non-metal gains (is reduced) — oxidation number rises for one, falls for the other. · ⁨手順を追って考える:金属は電子を失う(酸化される)、非金属は電子を得る(還元される)—oneの酸化数は上昇し、もう一方のそれは低下する。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
redox/rɪˈdɒks/ 酸化還元
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 還元
electron transfer/ɪˈlektrɒn ˈtrænsfɜː/ 電子の移動
6.1

Using oxidation numbers to balance equations · ⁨酸化数を用いた化学方程式の釣り合い⁩

English

Changes in oxidation number help you balance a redox equation:

  1. find the element whose oxidation number rises (it is oxidised) and the one whose number falls (it is reduced).
  2. the total rise must equal the total fall, because every electron lost is gained somewhere.
  3. choose the ratio of the two species so the rise and fall match, then balance the rest of the equation.

Worked example. Balance the reaction of manganate(VII) with iron(II) in acid: $\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$.

Manganese falls from $+7$ to $+2$ (a fall of $5$); iron rises from $+2$ to $+3$ (a rise of $1$). To make the total fall equal the total rise, take $5$ iron ions for every $1$ manganate ion. Then balance oxygen with water ($4\,\text{H}_2\text{O}$) and hydrogen with $\text{H}^+$ ($8\,\text{H}^+$):

$$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$
日本語

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。
鉄が +2 から +3 に1つずつ上昇し、マンガンが +7 から +2 に5つずつ下降するため、5個の鉄が1個のパーマングネートで釣り合う様子
酸化還元方程式の釣り合い: 酸化数の合計上昇値は合計下降値と等しくなり、これが比率を決定します

** 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:

$$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$
6.1

Disproportionation · ⁨自己酸化還元反応⁩

English

Disproportionation 歧化 is a special redox reaction in which the same element is both oxidised and reduced at the same time. For example, when chlorine reacts with cold water, some chlorine atoms are reduced (to $\text{Cl}^-$) and others are oxidised (to $\text{ClO}^-$).

日本語

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)。

酸化数の線に示された塩素が 0 から ClO- では +1 まで上がり、Cl- では -1 まで下がる様子
自己酸化還元反応: 塩素($0$)は同時にClO$^-$ ($+1$) へ酸化され、Cl$^-$ ($-1$) へ還元されます
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/ 歧化反応
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 酸化剤
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 還元剤
6.1

Oxidising and reducing agents · ⁨酸化剤と還元剤⁩

English
  • an oxidising agent 氧化剂 takes electrons away from another species. In doing so, it is itself reduced.
  • a reducing agent 还原剂 gives electrons to another species. In doing so, it is itself oxidised.

So in any redox reaction, the oxidising agent causes the oxidation of the other species, while the reducing agent causes the reduction.

日本語
鉄の表面の錆
錆びつきは酸素による鉄の酸化です。
  • 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。

6.1

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Apply the oxidation-number rules in order: O is $-2$ except in peroxides ($-1$); H is $+1$ except in metal hydrides ($-1$).
  • In a redox equation the total increase equals the total decrease in oxidation number — use this to fix the ratio, then balance O with $\text{H}_2\text{O}$ and H with $\text{H}^+$.
  • An oxidising agent is itself reduced; name both what is oxidised/reduced and the agent for full marks.
  • Disproportionation is the same element both oxidised and reduced — show both oxidation-number changes.
日本語
  • 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。

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