半反応

化学において、半反応（または半電池反応）とは、酸化還元反応の酸化反応または還元反応のいずれかの成分を指します。半反応は、酸化還元反応に関与する個々の物質の酸化状態の変化を考慮することによって得られます。半反応の概念は、ガルバニ電池の2つの電極のうちの1つで起こる電気化学セル内の現象を説明するためによく用いられます。^[¹^]^[²^]

金属めっきと金属剥離の場合、酸化される金属（陽極と呼ばれる）と還元される金属（陰極と呼ばれる）の両方を表すために、同じ半反応式を書くことができる。

半反応は、酸化還元反応のバランスをとる方法としてよく用いられます。酸性条件下での酸化還元反応では、原子と酸化数をバランスさせた後、半反応中の水素イオンのバランスをとるためにH ⁺イオンを加える必要があります。塩基性条件下での酸化還元反応では、原子と酸化数をバランスさせた後、酸性溶液として扱い、半反応中のH ⁺イオンのバランスをとるためにOH-イオンを加える必要があります（これによりH2O^が_生成されます）。

例：亜鉛と銅のガルバニ電池

隣の画像に示されているガルバニ電池は、硫酸亜鉛（ZnSO4）溶液に浸された亜鉛（Zn）片と_、硫酸銅（II）（CuSO4）溶液_に浸された銅（Cu）片で構成されています。

全体的な反応は次のとおりです。

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

亜鉛陽極では酸化反応が起こり、金属は電子を失います。これは、以下の酸化半反応式（電子は生成物側）で表されます。

Zn(s) → Zn ²⁺ + 2 e ⁻

銅陰極では還元反応が起こり、電子が受け取られます。これは、以下の還元半反応式（電子は反応物側）で表されます。

Cu ²⁺ + 2 e ⁻ → Cu(s)

例：マグネシウムの酸化

塩基性酸化物の合成を示す実験。マグネシウムリボンにバーナーで点火する。マグネシウムは燃焼し、強い光を発しながら酸化マグネシウム（MgO）を生成する。

マグネシウムリボン（Mg）の燃焼を例に考えてみましょう。マグネシウムが燃焼すると、空気中の酸素（ O₂ ）と結合して_、次の式に従って酸化マグネシウム（MgO）が生成されます。

2 Mg(s) + O ₂ (g) → 2 MgO(s)

酸化マグネシウムはMg²⁺^イオンとO²⁻イオンを含むイオン化合物ですが^、 Mg(s)とO₂ (g)は電荷を持たない元素です。電荷を持たないMg(s)_は反応物側から生成物側へ移動する際に+2の電荷を獲得し、電荷を持たないO₂ (g)_は -2の電荷を獲得します。これは、Mg(s)がMg²⁺^になるときに2個の電子を失うためです。左辺には2個のMgがあるため、以下の酸化半反応に従って合計4個の電子が失われます。

2 Mg(s) → 2 Mg ²⁺ + 4 e ⁻

一方、O₂_は還元され、その酸化状態は0から-2に変化します。したがって、 O₂_が4個の電子を獲得する還元半反応は次のように表すことができます。

O ₂ (g) + 4 e ⁻ → 2 O ²⁻

全体の反応は、両方の半反応の合計です。

2 Mg(s) + O ₂ (g) + 4 e ⁻ → 2 Mg ²⁺ + 2 O ²⁻ + 4 e ⁻

化学反応、特に酸化還元反応が起こる際、反応の過程で電子が出現したり消滅したりする様子を肉眼で見ることはできません。代わりに、観察者は反応物と最終生成物を見ます。そのため、式の両辺に現れる電子は相殺されます。相殺後、式は次のように書き直されます。

2 Mg(s) + O ₂ (g) → 2 Mg ²⁺ + 2 O ²⁻

生成物側には、正イオン（Mg ²⁺）と負イオン（O ²⁻ ）の2つのイオンが存在し、これらは反対の電荷（静電引力）によってすぐに結合して酸化マグネシウム（MgO）化合物を形成します。任意の酸化還元反応には、酸化半反応と還元半反応の2つの半反応があります。これら2つの半反応の合計が酸化還元反応です。

半反応式のバランス調整法

鉄と塩素の酸化還元反応において：

Cl ₂ + 2 Fe ²⁺ → 2 Cl ⁻ + 2 Fe ³⁺

関与する2つの元素、鉄と塩素はそれぞれ酸化状態が変化します。鉄は+2から+3に、塩素は0から-1に変化します。したがって、実質的に2つの半反応が起こります。これらの変化は、それぞれの半反応に適切な電子を挿入することで式で表すことができます。

Fe ²⁺ → Fe ³⁺ + e ⁻

Cl ₂ + 2 e ⁻ → 2 Cl ⁻

2つの半反応が与えられれば、適切な電極電位を知っていれば、同じ方法で完全な（元の）反応にたどり着くことができます。反応を半反応に分解することは、さまざまな化学プロセスを理解する上で重要です。たとえば、上記の反応では、これは酸化還元反応であり、Feが酸化され、Clが還元される（つまり、FeからClに電子が移動する）ことが示されます。分解は、化学反応式のバランスをとることを簡略化する手段でもあります。化学者は、反応式の1つの部分を原子バランスと電荷バランスをとることができます。

例えば：

Fe ²⁺ → Fe ³⁺ + e ⁻は2 Fe ²⁺ → 2 Fe ³⁺ + 2e ⁻になります
Cl ₂ + 2 e ⁻ → 2 Cl ⁻に添加される
そして最終的にCl ₂ + 2 Fe ²⁺ → 2 Cl ⁻ + 2 Fe ^{3+となる。}

塩基性および酸性条件

酸化還元反応に酸性または塩基性の電解質が関与する可能性があるため、塩基性または酸性の条件下で半反応を考慮することも可能であり、場合によっては必要となる。この電解質の存在により、原子と電荷の両方のバランスを満たすことがより困難になる場合がある。これは_、原子と電荷の両方のバランスが取れるまで、反応の両側にH₂O 、OH⁻ ^、 e⁻ ^、および/またはH⁺^{を加えることによって行われる。}

以下の半反応について：

PbO ₂ → PbO

OH ⁻、H ₂ O、およびe ^{− は、}反応が水中で行われていると仮定する限り、塩基性条件下での電荷と原子のバランスをとるために使用できます。

2 e ⁻ + H ₂ O + PbO ₂ → PbO + 2 OH ⁻

以下の半反応について：

PbO ₂ → PbO

反応が水中で行われていると仮定する限り、H ⁺、H ₂ O、およびe ^{− は酸性条件下での電荷と原子のバランスをとるために使用できます。}

2 e ⁻ + 2 H ⁺ + PbO ₂ → PbO + H ₂ O

両側とも電荷バランスが取れており、全体の電荷は中性であり、原子バランスも取れており、両側に各元素が同数存在する。

酸性条件と塩基性条件の両方において、 H ⁺とOH−^の両方が存在することが多いが、これら2つのイオンの反応によって水が生成される。

H ⁺ + OH ⁻ → H ₂ O

参考文献

↑ Bard, Allen J.; Faulkner, Larry R.; White, Henry S. (2022).電気化学的方法：基礎と応用（第3 版）. Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-1-119-33406-4。
↑レフルー、クリスティーヌ。ファブリ、ピエール。ポワニエ、ジャン＝クロード。クリスティーン・レフルー（2012）。電気化学: 基礎と例。ジョゼフ・フーリエ大学。ハイデルベルク：シュプリンガー。ISBN 978-3-662-50719-3。

[1] Bard, Allen J.; Faulkner, Larry R.; White, Henry S. (2022).電気化学的方法：基礎と応用（第3 版）. Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-1-119-33406-4。

[2] レフルー、クリスティーヌ。ファブリ、ピエール。ポワニエ、ジャン＝クロード。クリスティーン・レフルー（2012）。電気化学: 基礎と例。ジョゼフ・フーリエ大学。ハイデルベルク：シュプリンガー。ISBN 978-3-662-50719-3。

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半反応

例：亜鉛と銅のガルバニ電池

例：マグネシウムの酸化

半反応式のバランス調整法

塩基性および酸性条件

関連項目

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