酸化還元

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、分子から還元される原子、イオン、分子へは、通常 1 つの電子のみが流れます。このタイプの酸化還元反応は、酸化還元対と電極電位の観点からよく説明されます。
• 原子移動 – 原子は一つの基質から別の基質へ移動します。例えば、鉄が錆びる場合、鉄が酸化物に変わ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します。酸化反応は一般的に酸化物の形成に関連付けられますが、他の化学種も同じ機能を果たすことができます。^[5]水素化では、 C = Cのような結合は水素原子の移動 によって還元されます。

「レドックス」は「REDuction」と「OXidation」を組み合わせた造語である。「レドックス」という用語は1928年に初めて使用された。^[6]

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獲得するプロセスです。

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ない。^[5]酸化還元プロセスでは、還元剤が酸化剤に電子を渡す。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る。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る。酸化還元対は、還元種とそれに対応する酸化形態であり、^[7]例えば、Fe^2歳以上
/鉄^3歳以上
酸化のみ、還元のみはそれぞれ半反応と呼ばれます。これは、2つの半反応が常に一緒に起こり、全体の反応を形成するためです。^[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、この意味は、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一般化されました。 ^{[8] : 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であると言われ、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取り除き、それによってそれ自体が還元されます。^{[8] : 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、高い酸化状態の元素を持つ化学物質です^{[3] : 159}（例：N
₂お
₄、MnO⁻
₄、CrO
₃、Cr
₂お²⁻⁷
₂₋₇、OsO
₄）、あるいは他の物質を酸化することで余分な電子を獲得できる電気陰性度の高い元素（O ₂、F ₂、Cl ₂、Br ₂、I ₂^{など）である。 [3] ：909}

酸化剤は酸化剤ですが、この用語は主に爆発の文脈で酸素源を指すために使われます。硝酸は強力な酸化剤です。^[9]

他の物質を還元する（電子を得る）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。還元剤は電子を他の物質に渡し、したがってそれ自体が酸化されます。^{[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重量が減少することを指していました。言い換えると、鉱石は金属に「還元」されました。^[10]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ためであると実証しました。後に科学者は、この過程で金属原子が電子を得ることを認識しました。その後、還元の意味は、電子の獲得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。^{[10]還元当量とは、酸化還元反応で}電子1個相当を移動する化学種を指します。この用語は生化学でよく使われる。^[11]還元当量は電子または水素化物イオンとしての水素原子である。 [ ^12]

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。^[13]

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。^{[14] [15]} 関連する還元法では、水素原子の供給源として水素ガス (H ₂ ) を使用します。^{[3] : 288}

電気化学者 ジョン・ボックリスは、電極で起こる還元と酸化の過程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。^{[16]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。^[17]これらは世界中の化学者に広く採用されていないが^[要出典]、IUPACは電子化^[18]と脱電子化という用語を認めている。 ^[19]

酸化還元反応は、錆の形成のようにゆっくりと起こることもあれば、燃料の燃焼のように急速に起こることもあります。電子移動反応は一般に速く、混合時間内に起こります。^[20]

原子移動反応のメカニズムは、多くの種類の原子が移動できるため、非常に多様です。このような反応は非常に複雑で、多くのステップを経ることもあります。電子移動反応のメカニズムは、内圏電子移動^[21]と外圏電子移動^{[22]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ます。 ^[23]

各半反応には標準電極電位（E^o
_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：^[24]

1 ⁄ 2 H ₂ → H ⁺ + e ⁻

各半反応の電極電位は還元電位（E^o
_赤）、または半反応が陰極で起こるときの電位。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。^{[8] : 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。

え^o
_セル=え^o
_カソード–え^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。

え^牛
_​= – E^o
_赤

酸化電位は還元剤が酸化される傾向の尺度であり、電極における物理的電位を表すものではありません。この表記法では、セル電圧方程式はプラス記号で表されます。

え^o
_セル=え^o
_赤(陰極)+ E^o
_ox(陽極)

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

この自発的な反応では、HF 結合が FF 結合よりもはるかに強いため、水素 2 g あたり 542 kJ が放出されます。この反応は 2 つの半反応として分析できます。酸化反応により、水素が陽子に変換されます。

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。

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

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の原子に置き換えられます。たとえば、亜鉛金属を硫酸銅(II)溶液に入れると銅が沈殿します。

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から銅(II)イオンを置換し、自由銅金属を放出します。この反応は自発的で、亜鉛 65 g あたり 213 kJ を放出します。

この反応のイオン式は次のとおりです。

亜鉛 + 銅²⁺ → 亜鉛²⁺ + 銅

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

• 酸の存在下での硝酸塩の窒素への還元（脱窒）：

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

• 内燃機関などで炭化水素が燃焼すると、水、二酸化炭素、一酸化炭素などの部分的に酸化された形態、および熱エネルギーが生成されます。炭素を含む物質が完全に酸化されると二酸化炭素が生成されます。
• 有機化学において、酸素による炭化水素の段階的な酸化により、水が生成され、その後、アルコール、アルデヒドまたはケトン、カルボン酸、そして過酸化物が順に生成されます。

• 腐食という用語は、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、つまり鉄酸化物の形成は、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形成されます。一般的な錆は、多くの場合、次の化学反応で形成される酸化鉄(III)を指します。

4 Fe + 3 O ₂ → 2 Fe ₂ O ₃

• 酸の存在下での過酸化水素による鉄(II)から鉄(III)への酸化：

Fe ²⁺ → Fe ³⁺ + e ⁻

H ₂ O ₂ + 2e ⁻ → 2OH ⁻

ここで、全体的な方程式は、還元方程式を酸化方程式の 2 倍に追加して、電子が打ち消されるようにします。

2 Fe ²⁺ + H ₂ O ₂ + 2 H ⁺ → 2 Fe ³⁺ + 2 H ₂ O

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。たとえば、硫黄の酸化状態が +2 のチオ硫酸イオンは、酸の存在下で反応して元素硫黄 (酸化状態 0) と二酸化硫黄(酸化状態 +4)を形成します。

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。^{[8] : 176}

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、金属表面の腐食を制御するために使用される技術です。 簡単な方法は、保護された金属を、より腐食しやすい「犠牲陽極」に接続して陽極として機能させることです。 すると、保護された金属の代わりに犠牲金属が腐食します。 陰極防食の一般的な用途は亜鉛メッキ鋼で、鋼部品に犠牲亜鉛コーティングを施すことで錆から保護します。^{[引用が必要]}

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

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サポート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。電気メッキのプロセスでは、クロムメッキの 自動車部品、銀メッキの 食器、亜鉛メッキ、金メッキの ジュエリーなど、酸化還元反応を利用して物体を薄い層の材料でコーティングします。^[要出典]

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が始まる前に、鉄が環境から同化される必要があります。 ^[25]

たとえば、細胞呼吸はグルコース（C ₆ H ₁₂ O ₆）をCO ₂に酸化し、酸素を水に還元する反応です。細胞呼吸の式をまとめると次のようになります。

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 への還元と逆反応 (NADH から NAD ⁺への酸化) にも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、酸化還元反応を利用して貯蔵および放出されることが多い。光合成では、二酸化炭素が糖に還元され、水が分子状酸素に酸化される。逆反応である呼吸では、糖が酸化されて二酸化炭素と水が生成される。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 に還元するのに使用され、これが次に}プロトン勾配の生成に寄与し、アデノシン三リン酸(ATP)の合成を促進し、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。

フリーラジカル反応は、恒常性維持と微生物の殺菌の一環として起こる酸化還元反応です。これらの反応では、電子が分子から分離し、ほぼ瞬時に再結合します。フリーラジカルは酸化還元分子の一部であり、酸化還元分子または抗酸化物質に再結合しない場合は人体に有害になる可能性があります。

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使用されます。酸化還元状態は、いくつかの代謝物セット (例: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、代謝物の相互変換はこれらの比率に依存します。酸化還元メカニズムは、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、酸化還元調節には酸化還元タンパク質とその遺伝子が同じ場所に存在する必要があります。

多種多様な芳香族化合物が酵素的に還元されて、親化合物より電子を 1 つ多く含むフリーラジカルを形成します。一般に、電子供与体は、多種多様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 フリーラジカルは、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、無益なサイクルまたは酸化還元サイクルとして説明されています。

鉱物は一般に金属の酸化誘導体である。鉄は磁鉄鉱（Fe ₃ O _{4 ）として採掘される。チタンは二酸化物として採掘され、通常は}ルチル（TiO ₂ ）の形で採掘される。これらの酸化物は、対応する金属を得るために還元される必要があり、多くの場合、還元剤としてこれらの酸化物を炭素または一酸化炭素とともに加熱することによって達成される。高炉は、鉄酸化物とコークス（炭素の一種）を組み合わせて溶融鉄を生成する反応炉である。溶融鉄を生成する主な化学反応は次の通りである：^[26]

Fe ₂ O ₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO ₂

電子移動反応は土壌の無数のプロセスと特性の中心であり、Eh（標準水素電極に対する白金電極電位（電圧））またはpe（電子活性の-logとしてのpH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制御する主要な変数です。浸水土壌と水田稲作に応用された初期の理論的研究は、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。^[27]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形成、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にまで拡張されました。^{[28] [29]}

酸化還元反応に関係する重要な用語は混乱を招く可能性があります。^{[30] [31]}たとえば、酸化された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、還元された試薬は電子を獲得し、酸化剤と呼ばれます。^[32]これらの記憶術は、学生が用語を暗記するためによく使用されます。^[33]

• 「石油掘削装置」—酸化は電子の損失であり、還元は電子の獲得である[ 30 ^{] [31] [32] [33]}
• 「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す[ 30 ^{] [31] [32] [33]}
• 「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。^[32]
• 「RED CAT」と「AN OX」、または「AnOx RedCat」（「an ox-red cat」）—還元は陰極で起こり、陽極は酸化用です。
• 「RED CAT は AN OX が失うものを得る」 – カソードでの還元は、アノードでの酸化が失うもの (電子) を得る
• 「パニック」 – 正極は陽極、負極は陰極です。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。燃料電池などのこれらのガルバニ電池またはボルタ電池は、内部の酸化還元反応から電気を生成します。ここでは、正極が陰極で、負極が陽極です。

• シューリング、J.シュルツ、HD;フィッシャー、WR。ベッチャー、J.ウィスコンシン州ダイニスフェルト編。 （1999年）。レドックス: 基礎、プロセス、および応用。ハイデルベルク: Springer-Verlag。 p. 246. hdl :10013/epic.31694.d001。ISBN 978-3-540-66528-1。
• Tratnyek, Paul G.; Grundl, Timothy J.; Haderlein, Stefan B. 編 (2011).水生酸化還元化学. ACS シンポジウムシリーズ. Vol. 1071. doi :10.1021/bk-2011-1071. ISBN 978-0-8412-2652-4。