酸化還元ゲーム — 電子の受け渡しを図と式で練習

酸化還元 — 酸化剤・還元剤の見分け方

初めての方へ：酸化剤なのに還元されるのはなぜ？記号から読む → ゲームで実践 → 別の反応で理解チェック。

短い答え: 電子を渡す物質は酸化され、相手を還元する「還元剤」。電子を受け取る物質は還元され、相手を酸化する「酸化剤」。自分の変化と、相手にする働きを分けて考えよう。

最初は、電荷の変化だけ見よう

高校化学の復習から、大学の電気化学への入口。Znは亜鉛、Cuは銅。Zn²⁺の上付きの2+は、プラス2の電荷を持つイオンを表す。前に付く2Znとは意味が違う。金属のZnは電荷0、電子e⁻はマイナス1として数える。

図の二つの列は、別々の物質の反応前→反応後。「0→+2」は、マイナスの電子を2個失った変化。電子が増えたという意味ではない。答えを一つ選び「確かめる」で、電子の行き先と理由を確認する。

初めてならステージ1から。「考え方・ヒント」は最初から読める。5問の練習は時間制限なしが標準。答えと理由は自分で進むまで残る。時間付きの挑戦は任意で、一問90秒以上。三択はタップで選ぶ。図にキーボードのフォーカスを移すと、矢印で選び、Enter / Spaceで確定できる。

電子を失う酸化、受け取る還元

亜鉛と銅イオンの反応を二つに分ける。電子を含めて書いた各物質の変化が「半反応式」。電子が右側にあれば渡し、左側にあれば受け取っている。

\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+}+2e^-}

亜鉛は電子を2個渡すので酸化される。自分が電子を渡すことで相手を還元するため、還元剤と呼ぶ。

\mathrm{Cu^{2+}+2e^- \rightarrow Cu}

銅イオンは電子を2個受け取るので還元される。相手から電子を受け取り相手を酸化するため、酸化剤と呼ぶ。「酸化剤だから自分が酸化される」と覚えると逆になる。

\mathrm{Zn+Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+}+Cu}

二つの半反応式を足すと、渡した電子と受け取った電子が消える。全体の式の左辺も右辺も電荷の合計は+2。原子と電荷の両方が保たれる。酸素が登場しないこの反応も、酸化還元反応に含まれる。

例題: 電子の数が違うとき

Al → Al³⁺ は電子を3個渡し、Cu²⁺ → Cu は2個受け取る。最も小さい整数の係数で、電子を同じ数にするには？

解答: 3と2の最小公倍数は6

アルミニウムを2個分、銅イオンを3個分にすれば、3×2 = 2×3 = 6個。反応式は 2Al + 3Cu²⁺ → 2Al³⁺ + 3Cu。左辺・右辺とも電荷の合計は+6。AlとCuの個数も両側で一致する。

この教材の「反応式1組」は、最も小さい整数の係数で書いた式を、粒子の個数として読んだ単位。溶液中に電子6個がたまるという意味ではない。

自由実験: 反応の割合とmolをつなぐ

molは粒子の数をまとめて表す単位。自由実験では、最初に反応式の係数と同じ数のmolを用意し、できた物質は0 molから始める。亜鉛と銅イオンなら、それぞれ1.00 mol。アルミニウムと銅イオンなら2.00 molと3.00 mol。

＋−で反応の割合を5%ずつ変え、「条件を変える」で反応の組み合わせとスライダーを選ぶ。Shift＋矢印は25%ずつ。「初期条件」で亜鉛・銅イオンの0%に戻る。色の棒は各物質ができた割合、下の数値は残った物質とできた物質の量。橙は金属からできたイオン、青緑はイオンからできた金属を表す。

アルミニウムの反応を50%まで進めると、Alは1.00 mol残り、Al³⁺が1.00 molできる。Cu²⁺は1.50 mol残り、Cuが1.50 molできる。渡した電子も受け取った電子も3.00 mol。反応の割合を戻して、同じ比例関係になるか確かめよう。

図は受け渡しの模式図。電子の量は「ここまでにやり取りした量」で、容器に残っている電子の量ではない。割合は自分で選ぶ条件で、反応の速さや経過時間ではない。

類題: 別の金属でも説明できる？

Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag では、還元剤は何か？電子を何個やり取りするか、半反応式を使って説明しよう。

答えと理由

還元剤はCu。Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ で電子を2個渡す。Ag⁺ + e⁻ → Ag は電子を1個受け取るので2個分必要。全体では電子を2個やり取りする。Ag⁺は還元される側であり、酸化剤。

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu で、反応の割合が25%なら、できたFe²⁺と受け渡した電子はそれぞれ何molか？初期量はFeとCu²⁺が各1.00 mol。

答えと理由

Fe²⁺は0.25 mol。Feは1個につき電子を2個渡すので、電子は0.25×2 = 0.50 mol。電子の量を、反応した金属の量とそのまま同じにしない。

このモデルが扱う範囲

与えられた金属と単原子イオンの反応について、原子・電荷・電子の収支を扱う。単原子イオンでは酸化数とイオンの電荷が一致する。一般の分子中の酸化数は形式的な数で、原子が実際に持つ電荷そのものとは限らない。

この教材から、任意の物質の組み合わせが実際に反応するかは判断できない。濃度や電極電位、溶液のpH、反応速度、副反応、アルミニウム表面の酸化皮膜などは計算しない。鉄の生成物をFe²⁺と指定した問題を扱う。実験器具の操作手順を示す教材ではない。

星や正解数は練習の記録。学習効果は、別の条件で電子の行き先と式の理由を説明できるか、人の試用で確かめる必要がある。

参考資料

OpenStax『Chemistry 2e』17.1 Review of Redox Chemistry — 酸化還元、酸化数、半反応式。
同 17.2 Galvanic Cells — 亜鉛と銅イオンの電子の受け渡し。

問題・図・説明はドパリカで制作。計算は原子と電荷の保存で検証する。

資料の確認日・更新日: 2026-10-13 ・誤りのご報告はお問い合わせへ

つながる教材

中和滴定では酸と塩基の反応する量をそろえる。酸化還元では電子の数をそろえる。何をそろえる問題なのか、図と式で比べてみよう。