半反応

化学において、半反応（または半電池反応）は、酸化還元反応の酸化または還元反応要素のいずれかです。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。多くの場合、半反応の概念は、ガルバニ電池などの電気化学セルで発生する現象を説明するために使用されます。半反応は、酸化を受ける金属（アノードと呼ばれる）と還元を受ける金属（カソードと呼ばれる）の両方を説明するために記述できます。

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使用されます。酸性条件での酸化還元反応では、原子と酸化数のバランスをとった後、半反応の水素イオンのバランスをとるためにH ⁺イオンを追加する必要があります。塩基性条件での酸化還元反応では、原子と酸化数のバランスをとった後、まず酸性溶液として扱い、次にOH ⁻イオンを追加して半反応のH ⁺イオンのバランスをとります(これによりH ₂ Oが生成されます)。

隣の画像に示すガルバニ電池を考えてみましょう。これは、硫酸亜鉛( ZnSO ₄ )溶液に浸した亜鉛(Zn) 片と、硫酸銅 (II) ( CuSO ₄ )溶液に浸した銅(Cu)片で構成されています。全体的な反応は次のようになります。

${\displaystyle {\ce {Zn_{(s)}{}+ CuSO4_{(aq)}-> ZnSO4_{(aq)}{}+ Cu_{(s)}}}$

Zn アノードでは、酸化が起こります (金属が電子を失います)。これは、次の酸化半反応式で表されます (電子は生成物側にあることに注意してください)。

${\displaystyle {\ce {Zn_{(s)}-> Zn^2+ + 2e-}}}$

Cu カソードでは還元が起こります (電子が受け入れられます)。これは次の還元半反応式で表されます (電子が反応物側にあることに注意してください)。

${\displaystyle {\ce {Cu^2+ + 2e- -> Cu_{(s)}}}}$

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 ( O ₂ ) と結合して、次の式に従って酸化マグネシウム (MgO) が形成されます。

${\displaystyle {\ce {2Mg_{(s)}{}+ O2_{(g)} -> 2MgO_{(s)}}}}$

酸化マグネシウムは、Mg ²⁺イオンとO ²⁻イオンを含むイオン化合物ですが、Mg _(s)とO _2(g)は電荷を持たない元素です。電荷がゼロのMg _(s)は、反応物側から生成物側に行くにつれて +2 の電荷を獲得し、電荷がゼロのO _{2(g) は}-2 の電荷を獲得します。これは、 Mg _(s)がMg ²⁺になる と、2 つの電子を失うためです。左側に 2 つの Mg があるため、次の酸化半反応に従って、合計 4 つの電子が失われます。

${\displaystyle {\ce {2Mg_{(s)}-> 2Mg^2+ + 4e-}}}$

一方、O _{2 は}還元され、その酸化状態は 0 から -2 になります。したがって、O2 が 4 つの電子を獲得すると、還元半反応は次のようになります。

${\displaystyle {\ce {O2_{(g)}{}+ 4e- -> 2O^2-}}}$

全体の反応は両方の半反応の合計です。

${\displaystyle {\ce {2Mg_{(s)}{}+ O2_{(g)}{}+ 4e- -> 2Mg^2+ + 2O^2- + 4e-}}}$

化学反応、特に酸化還元反応が起こるとき、反応の過程で現れたり消えたりする電子は見えません。見えるのは反応物（出発物質）と最終生成物です。このため、式の両辺に現れる電子はキャンセルされます。キャンセル後、式は次のように書き直されます。

${\displaystyle {\ce {2Mg_{(s)}{}+ O2_{(g)}-> 2Mg^2+ + 2O^2-}}}$

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、それらは反対の電荷（静電引力）によりすぐに結合して化合物酸化マグネシウム（MgO）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。

以下の反応を考えてみましょう。

${\displaystyle {\ce {Cl2 + 2Fe^2+ -> 2Cl- + 2Fe^3+}}}$

関係する 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。つまり、実質的に 2 つの半反応が起こっていることになります。これらの変化は、各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。

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\ce {Fe^2+ -> Fe^3+ + e-}}\\&{\ce {Cl2 + 2e- -> 2Cl-}}\end{aligned}}}$

2 つの半反応が与えられれば、適切な電極電位の知識があれば、同じ方法で完全な (元の) 反応に到達することが可能です。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ための鍵となります。たとえば、上記の反応では、これがFe が酸化され、Cl が還元される酸化還元反応であることが示されます。Fe から Cl への電子の移動に注意してください。分解は、化学式のバランスを簡素化する方法でもあります。化学者は、一度に 1 つの式の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2Fe ²⁺ → 2Fe ³⁺ + 2e ⁻になります。
• Cl ₂ + 2e ⁻ → 2Cl ⁻に加えられる
• そして最終的にCl ₂ + 2Fe ²⁺ → 2Cl ⁻ + 2Fe ^{3+となる。}

酸化還元反応には酸性または塩基性の電解質が存在する可能性があるため、塩基性または酸性のどちらかの条件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になります。この電解質により、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ります。これは、原子と電荷の両方のバランスが取れるまで、反応のどちらかの側に H ₂ O、OH ⁻、e ⁻、および/またはH ^{+ を追加することで行われます。}

以下の半反応を考えてみましょう。

${\displaystyle {\ce {PbO2 -> PbO}}}$

反応が水中で起こると仮定すれば、 OH ⁻、H ₂ O、e ^{− は基本条件下で電荷と原子をバランスさせるために使用できます。}

${\displaystyle {\ce {2e- + H2O + PbO2 -> PbO + 2OH-}}}$

もう一度、以下の半反応を考えてみましょう。

${\displaystyle {\ce {PbO2 -> PbO}}}$

反応が水中で起こると仮定すれば、酸性条件下で電荷と原子をバランスさせるために H ⁺、 H ₂ O、およびe ^{− を使用できます。}

${\displaystyle {\ce {2e- + 2H+ + PbO2 -> PbO + H2O}}}$

両側とも電荷と原子がバランスしていることに注意してください。

多くの場合、酸性条件と塩基性条件ではH ⁺とOH ^{− の}両方が存在しますが、その結果生じる 2 つのイオンの反応により水H ₂ Oが生成されます(下図を参照)。

${\displaystyle {\ce {H+ + OH- -> H2O}}}$

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