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酸化と還元



ここでは酸化と還元についてご紹介します。

酸化

酸化

空気中で銅板を燃やすと、銅板の表面は黒色の物質に変化します。これは銅と空気中の酸素が化合して、酸化銅という化合物ができるからです。これを化学反応式で表すと、

2Cu + O2 → 2CuO となります。

同じように鉄を燃やすと、鉄の表面は黒色に変化し、酸化鉄ができます。このように物質が酸素と化合する化学変化を「酸化」と言い、これによってできる化合物を「酸化物」と言います。マグネシウムや鉄が酸素と化合する時、多くの熱や光が出ます。物質が激しく酸化することを「燃焼(ねんしょう)」と言います。

木炭を石灰水の入った集気ビンの中で燃焼させると、気体ができ、石灰水を白くにごらせます。これは木炭にふくまれている炭素が燃焼して、二酸化炭素と言う酸化物ができたためです。

炭素 + 酸素 → 二酸化炭素

C + O2 → CO2 となります。

燃焼は、マグネシウムや鉄、炭素、水素の無機物だけでなく、エタノールや砂糖、デンプンなど有機物でも起こります。

燃焼以外でも酸化は起きます。ピカピカの10円硬貨は、何年も使っているとしだいに黒ずんできます。これは10円硬貨の銅と空気中の酸素がおだやかに酸化して、ゆっくりと酸化銅ができるためです。また、鉄くぎも時間が経つにつれて、銀色の光沢からだんだん赤茶色にさびてきます。これは空気中の酸素と化合して、ゆっくりと酸化鉄ができるからです。

還元

還元

鉄や銅など多くの金属は、鉱山からほり出した鉱石から取り出されます。鉄鉱石や銅鉱石には酸化物が多くふくまれ、酸素を取り除いて鉄や銅などの単体の金属ができます。

鉄鉱石から鉄を取り出す時、製鉄所では鉄鉱石とコークス(炭素)を混ぜ合わせて加熱します。酸化鉄と炭素の混合物を加熱すると、酸素が炭素と結びついて二酸化炭素が発生し、鉄だけが残ります。こうして鉄鉱石から鉄だけを取り出すことができます。このように酸化物から酸素を取り除くことを「還元(かんげん)」と言います。還元が起きる時は、酸化も同時に起こっています。酸化鉄の還元の場合は、炭素を加えて酸化させ、二酸化炭素を発生させることで、鉄を取り出すことができます。これを化学変化式で表すと、

酸化鉄 + 炭素 → 鉄 + 二酸化炭素

2FeO + C → 2Fe + CO2 となります。

発熱と吸熱

発熱と吸熱

エタノールを燃焼させると熱が発生します。ガスや灯油を燃焼させると熱が発生し、私たちはこれを調理や暖房に利用しています。鉄をおだやかに酸化させると酸化鉄ができますが、このとき、反応前に比べて物質の温度は高くなっています。また、水酸化バリウムと塩化アンモニウムを反応させると、アンモニアが発生しますが、この時、反応前に比べて物質の温度は低くなっています。化学変化で熱が発生する反応を「発熱反応(はつねつはんのう)」と言い、反対にまわりから熱を吸収する反応を「吸熱反応(きゅうねつはんのう)」と言います。発熱反応を応用したものに化学カイロがあります。