還元剤

化学において、還元剤（還元剤、還元剤、または電子供与体とも呼ばれる）は、電子の受容体（酸化剤、酸化剤、酸化剤、または電子受容体と呼ばれる）に電子を「供与する」化学種です。

一般的な還元剤となる物質の例としては、水素、アルカリ金属、ギ酸^[1]、シュウ酸^[2]、亜硫酸化合物などがあげられる。

反応前の状態では、還元剤は余分な電子を持ち（つまり、それ自体が還元されている）、酸化剤は電子を欠いています（つまり、それ自体が酸化されている）。これは通常、酸化状態という観点から表現されます。物質の酸化状態は、電子の損失の度合いを表し、酸化状態が高いほど、電子の数は少なくなります。したがって、反応前の初期段階では、還元剤は通常、可能な限り低い酸化状態の 1 つにあります。反応中、還元剤の酸化状態は増加し、酸化剤の酸化状態は減少します。したがって、酸化還元反応では、酸化状態が増加し、「電子を失う/与える」、「酸化される」、「還元する」物質は還元剤または還元剤と呼ばれ、酸化状態が減少し、「電子を得る/受け取る」、「還元される」、「酸化する」物質は酸化剤または酸化剤と呼ばれます。

たとえば、好気性細胞呼吸の全体的な反応を考えてみましょう。

C ₆ H ₁₂ O ₆ (s) + 6O ₂ (g) → 6CO ₂ (g) + 6H ₂ O(l)

酸素( O ₂ )は還元されるため、酸化剤となります。グルコース( C 6 _H 12 _O 6 ₎は酸化されるため、還元剤となります。

特徴

次の反応を考えてみましょう。

2 [Fe( CN ) ₆ ] ⁴⁻ + Cl
₂→ 2 [Fe(CN) ₆ ] ³⁻ + 2 Cl⁻

この反応の還元剤はフェロシアン化物（[Fe(CN) ₆ ] ⁴⁻）である。これは電子を供与し、フェリシアン化物（[Fe(CN) ₆ ] ³⁻）に酸化される。同時に、その電子は酸化剤の塩素（Cl
₂）となり、塩化物（Cl⁻
）。

強力な還元剤は電子を失いやすい（または電子を供与しやすい）。原子半径が比較的大きい原子は、還元剤として優れている傾向がある。このような種では、原子核から価電子までの距離が長いため、これらの電子は強く引きつけられない。これらの元素は強力な還元剤となる傾向がある。優れた還元剤は、原子または分子が結合電子を引きつける能力である電気陰性度の低い原子で構成される傾向があり、イオン化エネルギーが比較的小さい種も優れた還元剤として役立つ。^[要出典]

物質の還元能力の尺度は、その還元電位として知られています。^[3]下の表は、いくつかの還元電位を示しています。これは、符号を反転することで酸化電位に変換できます。還元剤は、還元電位の順位付けによって、強さの順に順位付けできます。還元剤は、酸化剤に電子を供与し（つまり、「還元」し）、酸化剤は還元剤によって「還元される」と言われます。還元剤は、還元電位が負に高いほど強く、還元電位が正に高いほど弱くなります。還元電位が正になるほど、種の電子に対する親和性と還元される（つまり、電子を受け取る）傾向が高くなります。次の表は、示された還元剤の 25 °C での還元電位を示しています。たとえば、ナトリウム（Na）、クロム（Cr）、銅（Cu ⁺）、塩化物（Cl ⁻）のうち、最も強い還元剤は Na で、最も弱いのは Cl ⁻です。言い換えると、このリストの中で Na ^{+ が}最も弱い酸化剤で、Cl が最も強い酸化剤です。^[要出典]

一般的な還元剤には、カリウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム、マグネシウムなどの金属、および水素化物H−イオンを含む化合物（NaH、LiH、^[5]LiAlH ₄、CaH _2）が含まれます^。

いくつかの元素や化合物は、還元剤にも酸化剤にもなり得ます。水素ガスは、非金属と反応する場合は還元剤となり、金属と反応する場合は酸化剤となります。

2 Li _(s) + H _{2 (g)} → 2 LiH _(s)^[a]

水素（還元電位は 0.0）は、還元剤のリチウム（還元電位は -3.04）から電子を受け取るため、酸化剤として作用し、その結果、Li が酸化され、水素が還元されます。

H _2(g) + F _2(g) → 2 HF _(g)^[b]

水素はフッ素に電子を供与し、フッ素を還元するため、還元剤として働きます。

重要性

還元剤と酸化剤は腐食の原因であり、腐食とは「電気化学反応の結果としての金属の劣化」です。^{[3]腐食が発生するには、}陽極と陰極が必要です。陽極は電子を失う要素（還元剤）であるため、常に陽極で酸化が発生し、陰極は電子を獲得する要素（酸化剤）であるため、常に陰極で還元が発生します。腐食は、酸化電位に差があるときに発生します。これが存在すると、電気接続があり、電解質が存在する場合、陽極金属は劣化し始めます。^[要出典]

酸化還元反応の例

歴史的に、還元とは化合物から酸素を取り除くことを指し、それが「還元」という名前につながっています。^[7]この現象の一例は、大酸化イベントで起こったもので、生物学的に生成された分子状酸素（二酸素（O ₂）、酸化剤であり電子の受容体）が初期の地球の大気に加えられました。初期の地球の大気はもともと、メタン（CH ₄）や一酸化炭素（CO ）などの還元性ガス（およびその他の電子供与体）を含む弱い還元性の大気であり、 ^[8]生成された酸素はこれらの還元剤や他の還元剤（特に海水に溶解した鉄）と反応して除去されるため、実質的には酸素は存在しませんでした。水を還元剤として使用することで、水生光合成シアノバクテリアはこの分子状酸素を廃棄物として生成しました。^[9]このO2_はまず海中に溶解した第二鉄（Fe(II) − 酸化状態が+2の鉄）を酸化して不溶性の第二鉄酸化物、例えば酸化鉄(III)（Fe(II)は酸化剤に電子を失い、Fe(III) − 酸化状態が+3の鉄になる）を形成し、それが海底に沈殿して縞状鉄鉱石を形成し、それによって酸素（と鉄）が除去された。酸素の生成速度は最終的に酸素を除去する還元物質の利用可能性を上回り、その結果地球は（現代の大気のような）豊富な酸素を含む強力な酸化大気を獲得した。 ^[10]現代の意味での電子供与はこの考えを一般化したもの

酸化鉄(III)の形成;

4Fe + 3O ₂ → 4Fe ³⁺ + 6O ²⁻ → 2Fe ₂ O ₃

上記の式では、鉄(Fe) の酸化数は反応前は 0 で、反応後は 3+ です。酸素(O) の酸化数は 0 から始まり、2- に減少しました。これらの変化は、同時に発生する 2 つの「半反応」として考えることができます。

酸化半反応: Fe ⁰ → Fe ³⁺ + 3e ⁻
還元半反応: O ₂ + 4e ⁻ → 2 O ²⁻

鉄 (Fe) は酸化数が増加したため酸化されています。鉄は酸素 (O ₂ ) に電子を与えたため還元剤です。酸素 (O ₂ ) は酸化数が減少したため還元されており、鉄 (Fe) から電子を奪ったため酸化剤です。

一般的な還元剤

非常に強力な還元剤である水素化アルミニウムリチウム（Li Al H _{4 ）}
Red-Al（NaAlH ₂ (OCH ₂ CH ₂ OCH ₃ ) ₂）、リチウムアルミニウム水素化物よりも安全で安定した代替品
適切な触媒の有無にかかわらず水素（例えばリンドラー触媒）
ナトリウムアマルガム（Na（Hg））
ナトリウム鉛合金 ( Na + Pb )
亜鉛アマルガム（Zn（Hg ））（クレメンゼン還元試薬）
ジボラン
水素化ホウ素ナトリウム( Na B H ₄ )
硫酸鉄(II)などのFe ²⁺イオンを含む鉄化合物
Sn ²⁺イオンを含む第一スズ化合物（塩化スズ(II)など）
二酸化硫黄（酸化剤として使用されることもある）、亜硫酸化合物
ジチオン酸塩、例：Na ₂S ₂O ₆
チオ硫酸塩、例：Na ₂ S ₂ O ₃（主に分析化学）^[11]
ヨウ化物、例えばヨウ化カリウム（K I）（主に分析化学）
過酸化水素（H
₂お
₂） – 主に酸化剤ですが、分析化学では還元剤として働くこともあります^[要出典]
ヒドラジン（ウォルフ・キシュナー還元）
水素化ジイソブチルアルミニウム(DIBAL-H)
シュウ酸（C
₂H
₂お
₄）
ギ酸（HCOOH）
アスコルビン酸 (C ₆ H ₈ O ₆ )
還元糖（エリスロースなど）についてはアルドースを参照
亜リン酸、次亜リン酸、亜リン酸
ジチオトレイトール（DTT） – SS結合を避けるために生化学研究室で使用される
一酸化炭素（CO）
水化学冶金プロセスにおけるシアン化物
炭素（C）
トリス-2-カルボキシエチルホスフィン塩酸塩(TCEP)

参照

腐食 – 環境との化学反応による材料の徐々に進行する破壊
電気化学 – 化学の分野
電解質 – 水中で解離して溶液中に電流を運ぶイオンを解放するイオン性固体
電子受容体 – 電子を受け取ることができる化学物質
電子供与体 – 他の物質に電子を供与できる化学物質
電気合成 – 電気化学セル内での化合物の合成
有機還元 – 有機化合物で起こる酸化還元反応
酸化剤 – 化学反応で他の物質を酸化するために使用される化合物
酸化還元 – 原子の酸化状態が変化する化学反応
還元当量 – 原子の酸化状態が変化する化学反応
無塩還元

注記

^ 半反応: 2 Li ⁰_(s) → 2 Li ⁺_(s) + 2 e ⁻ ::::: H ₂⁰_(g) + 2 e ⁻ → 2 H ⁻_(g)
^ 半反応式: H ₂⁰_(g) → 2 H ⁺_(g) + 2 e ⁻ ::::: F ₂⁰_(g) + 2 e ⁻ → 2 F ⁻_(g)

参考文献

^ Garron, Anthony; Epron, Florence (2005). 「水中の硝酸塩の触媒還元における還元剤としてのギ酸の使用」水研究. 39 (13): 3073–3081. Bibcode :2005WatRe..39.3073G. doi :10.1016/j.watres.2005.05.012. PMID 15982701.
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^ 「水、土壌、鉱石サンプル中のいくつかの無機ヒ素種の測定のためのカソーディックストリッピングボルタンメトリー手順」。

さらに読む

「化学原理：洞察の探求」、第 3 版。ピーターアトキンスとロレッタジョーンズ、p. F76

外部リンク

ウェイバックマシンの還元剤の強度をまとめた表（2011年6月11日アーカイブ）

[6] 半反応: 2 Li ⁰_(s) → 2 Li ⁺_(s) + 2 e ⁻ ::::: H ₂⁰_(g) + 2 e ⁻ → 2 H ⁻_(g)

[7] 半反応式: H ₂⁰_(g) → 2 H ⁺_(g) + 2 e ⁻ ::::: F ₂⁰_(g) + 2 e ⁻ → 2 F ⁻_(g)

[1] Garron, Anthony; Epron, Florence (2005). 「水中の硝酸塩の触媒還元における還元剤としてのギ酸の使用」水研究. 39 (13): 3073–3081. Bibcode :2005WatRe..39.3073G. doi :10.1016/j.watres.2005.05.012. PMID 15982701.

[2] 「酸化剤と還元剤」。パデュー大学。

[sfe-3] 「電極の還元および酸化電位値」www.EESemi.com . 2021年7月12日閲覧。

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[5] Aufray M, Menuel S, Fort Y, Eschbach J, Rouxel D, Vincent B (2009). 「ナノサイズニオブ酸化物およびニオブ酸リチウム粒子の新たな合成とXPS分析による特性評価」(PDF) . Journal of Nanoscience and Nanotechnology . 9 (8): 4780–4789. doi :10.1166/jnn.2009.1087. PMID 19928149. 2020-07-29にオリジナル(PDF)からアーカイブ。2019-09-24に取得。

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[13] 「水、土壌、鉱石サンプル中のいくつかの無機ヒ素種の測定のためのカソーディックストリッピングボルタンメトリー手順」。