この教材で学ぶこと
到達目標
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酸素 O₂ の性質と製法を説明できる
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酸素の検出方法を説明できる
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オゾン O₃ の性質と酸化作用を説明できる
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過酸化水素 H₂O₂ の分解反応を説明できる
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H₂O₂が酸化剤にも還元剤にもなることを説明できる
前提知識
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気体の製法
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酸化還元
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マンガンとクロム
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塩素・塩化水素・塩化物
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環境問題の基礎
1
酸素とは
酸素 O₂ は、空気中に約21%含まれる無色・無臭の気体です。
酸素は多くの物質の燃焼を助ける性質があります。
ただし、酸素自身が燃えるわけではありません。
生物の呼吸にも必要であり、化学では酸化反応と深く関係します。
高校化学では、酸素の製法、検出、燃焼との関係、酸化剤としての性質が重要です。
酸素の基本情報
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項目
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内容
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化学式
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O₂
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名称
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酸素
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色・におい
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無色・無臭
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空気中の割合
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約21%
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重要な性質
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燃焼を助ける
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検出
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火のついた線香を激しく燃えさせる
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確認ポイント
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酸素の化学式がO₂であることを答えられる
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酸素が燃焼を助ける気体であることを説明できる
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酸素自身が燃えるわけではないことを理解している
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2
酸素の実験室的製法
酸素は、過酸化水素水 H₂O₂ を分解することで発生させることができます。
このとき、二酸化マンガン MnO₂ を触媒として用いることが多いです。
MnO₂は反応の前後で消費されず、反応を速める役割をします。
酸素は水に溶けにくいため、水上置換で集めることができます。
酸素の製法では、H₂O₂の分解反応とMnO₂の触媒としての役割が重要です。
過酸化水素の分解
2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
二酸化マンガンMnO₂を触媒として用いると、酸素が発生します。
酸素の発生と捕集
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項目
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内容
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原料
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過酸化水素水 H₂O₂
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触媒
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二酸化マンガン MnO₂
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発生する気体
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酸素 O₂
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水への溶解
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溶けにくい
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捕集方法
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水上置換
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検出方法
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火のついた線香を入れる
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例題：過酸化水素水から酸素を発生させるときに触媒として使う物質は何か。
答え：二酸化マンガン MnO₂
MnO₂はH₂O₂の分解を速め、酸素を発生させます。
確認ポイント
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酸素の実験室的製法の反応式を書ける
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MnO₂が触媒であることを説明できる
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酸素を水上置換で集められる理由を説明できる
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3
酸素の検出
酸素は、燃焼を助ける性質によって検出できます。
酸素を集めた試験管に、火のついた線香を入れると、線香が激しく燃えます。
これは酸素が燃焼を助けるためです。
水素のように爆発音を出して燃えるわけではありません。
気体の検出では、酸素・水素・二酸化炭素・アンモニアなどを区別して覚えることが大切です。
代表的な気体の検出
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気体
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検出方法
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結果
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O₂
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火のついた線香を入れる
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激しく燃える
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H₂
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火を近づける
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ポンという音を立てて燃える
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CO₂
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石灰水に通す
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白くにごる
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NH₃
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湿った赤色リトマス紙
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青色になる
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Cl₂
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湿った色紙
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漂白される
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例題：酸素を検出する方法を答えよ。
答え：火のついた線香を入れると、激しく燃えることを確認する。
酸素は燃焼を助ける性質があるため、線香の火が強くなります。
確認ポイント
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酸素の検出方法を説明できる
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酸素と水素の検出方法を区別できる
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酸素と二酸化炭素の検出方法を区別できる
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4
オゾンとは
オゾン O₃ は、酸素原子3個からなる物質です。
酸素 O₂ とオゾン O₃ は、同じ酸素元素からできていますが、分子の形が違うため性質も異なります。
このように、同じ元素からできているが構造や性質が異なる単体を同素体といいます。
オゾンは淡青色で特有のにおいをもつ気体です。
非常に強い酸化作用をもち、殺菌や漂白、環境問題で重要です。
酸素とオゾンの比較
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物質
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化学式
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分類
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性質
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酸素
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O₂
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酸素の単体
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無色・無臭。燃焼を助ける
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オゾン
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O₃
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酸素の同素体
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淡青色。強い酸化作用をもつ
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確認ポイント
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オゾンの化学式がO₃であることを答えられる
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酸素とオゾンが同素体であることを説明できる
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オゾンが強い酸化作用をもつことを理解している
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5
オゾンの酸化作用
オゾン O₃ は、酸素 O₂ よりも強い酸化作用をもちます。
オゾンは相手を酸化し、自分自身は酸素 O₂ になることが多いです。
この強い酸化作用により、オゾンは殺菌や脱臭、漂白に利用されることがあります。
一方で、高濃度のオゾンは人体に有害です。
オゾンはよい面と悪い面の両方をもつ物質として整理しましょう。
オゾンがヨウ化物イオンを酸化する反応
O₃ + 2I⁻ + H₂O → O₂ + I₂ + 2OH⁻
オゾンがI⁻をI₂に酸化します。オゾン自身はO₂になります。
オゾンの酸化作用
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項目
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内容
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酸化剤
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O₃
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還元されてできる物質
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O₂
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酸化される例
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I⁻ → I₂
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利用
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殺菌、脱臭、漂白
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注意点
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高濃度では有害
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例題：オゾンが強い酸化作用を示すとき、オゾン自身は何になりやすいか。
答え：酸素 O₂
オゾンは相手を酸化し、自分自身はO₂になることが多いです。
確認ポイント
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オゾンが酸化剤として働くことを説明できる
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オゾンがI⁻をI₂に酸化することを理解している
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オゾンの利用と危険性を説明できる
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6
オゾン層と環境問題
オゾンは、地球の上空にあるオゾン層としても重要です。
オゾン層は太陽からの有害な紫外線を吸収し、地上の生物を守っています。
一方、地表付近のオゾンは光化学スモッグの原因物質の一つとして問題になります。
つまり、上空のオゾンは生物を守る役割をもちますが、地表付近のオゾンは大気汚染物質として扱われることがあります。
場所によってオゾンの意味が変わる点に注意しましょう。
オゾンの場所による違い
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場所
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役割・影響
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成層圏
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オゾン層として紫外線を吸収する
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地表付近
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光化学スモッグに関係し、有害な大気汚染物質になることがある
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注意：オゾンは常によい物質、常に悪い物質というわけではありません。
注意：成層圏のオゾンは紫外線から守る役割、地表付近のオゾンは大気汚染としての側面があります。
確認ポイント
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オゾン層が紫外線を吸収することを説明できる
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地表付近のオゾンが光化学スモッグに関係することを説明できる
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オゾンの役割が場所によって異なることを理解している
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7
過酸化水素 H₂O₂
過酸化水素 H₂O₂ は、酸素を多く含む化合物です。
水溶液は過酸化水素水と呼ばれます。
過酸化水素は分解して水と酸素を生じます。
この分解反応は二酸化マンガン MnO₂ によって速く進みます。
過酸化水素は、漂白剤、消毒、酸化還元反応などで重要です。
過酸化水素の分解
2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
酸素が発生します。MnO₂を触媒として使うことがあります。
過酸化水素の基本情報
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項目
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内容
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化学式
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H₂O₂
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名称
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過酸化水素
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水溶液
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過酸化水素水
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分解生成物
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H₂OとO₂
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触媒
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MnO₂
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用途
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漂白、消毒、酸化還元反応
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確認ポイント
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過酸化水素の化学式がH₂O₂であることを答えられる
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過酸化水素の分解反応式を書ける
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H₂O₂の分解で酸素が発生することを説明できる
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8
過酸化水素の酸化剤としての働き
過酸化水素 H₂O₂ は、酸化剤として働くことがあります。
酸化剤として働くとき、H₂O₂は相手を酸化し、自分自身は水 H₂O になります。
たとえば、ヨウ化物イオン I⁻ をヨウ素 I₂ に酸化する反応があります。
酸性条件では、H₂O₂が電子を受け取る半反応式で表すことができます。
H₂O₂が酸化剤として働く場合、自分は還元されることを意識しましょう。
酸性条件でH₂O₂が酸化剤として働く半反応式
H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O
H₂O₂が電子を受け取り、水になります。つまりH₂O₂は酸化剤です。
ヨウ化物イオンの酸化
H₂O₂ + 2I⁻ + 2H⁺ → I₂ + 2H₂O
H₂O₂がI⁻をI₂に酸化します。
H₂O₂が酸化剤として働くとき
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H₂O₂の役割
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H₂O₂自身の変化
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相手の変化
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酸化剤
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H₂O₂ → H₂O
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相手を酸化する
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例
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H₂O₂が電子を受け取る
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I⁻ → I₂
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確認ポイント
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H₂O₂が酸化剤として働くことを説明できる
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H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O を理解している
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H₂O₂がI⁻をI₂に酸化することを説明できる
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9
過酸化水素の還元剤としての働き
過酸化水素 H₂O₂ は、条件によっては還元剤として働くこともあります。
還元剤として働くとき、H₂O₂は相手を還元し、自分自身は酸素 O₂ になります。
たとえば、酸性条件で過マンガン酸イオン MnO₄⁻ を Mn²⁺ に還元するとき、H₂O₂は還元剤として働きます。
この反応では、H₂O₂からO₂が発生することがあります。
H₂O₂は酸化剤にも還元剤にもなる物質として、酸化還元で非常に重要です。
酸性条件でH₂O₂が還元剤として働く半反応式
H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻
H₂O₂が電子を出し、酸素になります。つまりH₂O₂は還元剤です。
過マンガン酸イオンとの反応のイメージ
2MnO₄⁻ + 5H₂O₂ + 6H⁺ → 2Mn²⁺ + 5O₂ + 8H₂O
H₂O₂が還元剤として働き、MnO₄⁻をMn²⁺に還元します。
H₂O₂が還元剤として働くとき
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H₂O₂の役割
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H₂O₂自身の変化
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相手の変化
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還元剤
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H₂O₂ → O₂
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相手を還元する
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例
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H₂O₂が電子を出す
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MnO₄⁻ → Mn²⁺
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例題：H₂O₂が還元剤として働くとき、H₂O₂自身は何になるか。
答え：酸素 O₂
H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ のように、H₂O₂は酸化されてO₂になります。
確認ポイント
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H₂O₂が還元剤として働くことを説明できる
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H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ を理解している
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H₂O₂がMnO₄⁻をMn²⁺に還元することを説明できる
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10
H₂O₂は酸化剤にも還元剤にもなる
過酸化水素 H₂O₂ の最重要ポイントは、酸化剤にも還元剤にもなることです。
相手が還元剤なら、H₂O₂は酸化剤として働き、自分はH₂Oになります。
相手が強い酸化剤なら、H₂O₂は還元剤として働き、自分はO₂になります。
酸化還元の問題では、H₂O₂が何に変化しているかを見ると、酸化剤か還元剤か判断しやすくなります。
H₂O₂ → H₂O なら酸化剤、H₂O₂ → O₂ なら還元剤、と整理しましょう。
H₂O₂の役割の見分け方
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H₂O₂の変化
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H₂O₂の役割
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意味
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H₂O₂ → H₂O
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酸化剤
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H₂O₂が還元されている
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H₂O₂ → O₂
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還元剤
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H₂O₂が酸化されている
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例題：H₂O₂がH₂Oになるとき、H₂O₂は酸化剤か還元剤か。
答え：酸化剤
H₂O₂自身は還元されてH₂Oになるため、相手を酸化する酸化剤です。
例題：H₂O₂がO₂になるとき、H₂O₂は酸化剤か還元剤か。
答え：還元剤
H₂O₂自身は酸化されてO₂になるため、相手を還元する還元剤です。
確認ポイント
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H₂O₂が酸化剤にも還元剤にもなることを説明できる
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H₂O₂ → H₂Oなら酸化剤と判断できる
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H₂O₂ → O₂なら還元剤と判断できる
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11
過酸化水素の利用と注意点
過酸化水素水は、漂白や消毒に利用されることがあります。
H₂O₂は分解して酸素を発生するため、泡が出ることがあります。
また、酸化作用を利用して色素を変化させることもできます。
一方で、高濃度の過酸化水素は強い酸化作用をもち、皮膚や目に触れると危険です。
実験では濃度や扱い方に注意し、保護具を着用する必要があります。
過酸化水素の利用
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利用
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関係する性質
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漂白
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酸化作用
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消毒
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酸化作用、分解による酸素発生
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酸素の発生実験
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H₂O₂の分解
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酸化還元反応
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酸化剤・還元剤として働く
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注意：高濃度の過酸化水素水は危険です。
注意：H₂O₂は便利な物質ですが、酸化作用があるため扱いに注意しましょう。
確認ポイント
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過酸化水素水の利用例を説明できる
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H₂O₂の分解で酸素が発生することを説明できる
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高濃度のH₂O₂の危険性を理解している
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12
テストでの出題パターン
酸素・オゾン・過酸化水素では、酸素の製法と検出、オゾンの同素体と酸化作用、H₂O₂の分解と酸化還元がよく出題されます。
酸素はH₂O₂の分解で発生し、MnO₂が触媒として使われます。
オゾンはO₃で、酸素O₂の同素体であり、強い酸化作用をもちます。
過酸化水素は、2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ の分解反応が基本です。
さらに、H₂O₂は酸化剤にも還元剤にもなるため、H₂O₂がH₂Oになるのか、O₂になるのかを見て判断しましょう。
例題：酸素の実験室的製法の反応式を書け。
答え：2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
過酸化水素水を二酸化マンガン触媒で分解すると酸素が発生します。
例題：酸素の検出方法を答えよ。
答え：火のついた線香を入れると激しく燃える。
酸素は燃焼を助ける性質があります。
例題：オゾンの化学式を答えよ。
答え：O₃
オゾンは酸素原子3個からなる酸素の同素体です。
例題：H₂O₂が酸化剤として働くとき、H₂O₂自身は何になるか。
答え：H₂O
H₂O₂は電子を受け取り、H₂Oに還元されます。
例題：H₂O₂が還元剤として働くとき、H₂O₂自身は何になるか。
答え：O₂
H₂O₂は電子を出し、O₂に酸化されます。
確認ポイント
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酸素の製法と検出方法を説明できる
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酸素とオゾンが同素体であることを説明できる
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オゾンの酸化作用を説明できる
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H₂O₂の分解反応を書ける
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H₂O₂が酸化剤にも還元剤にもなることを説明できる
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