酸化と還元

酸化還元反応は、物質間での電子の移動反応である。今、つぎの反応を例に挙げる。
A(e-donor) + B(e-recepter) = A⁺ + B^–　　(1)
反応(1)は、式(2)と(3)に分解できる。
A = A⁺ + e^–　　(2)
B + e^– = B^–　　(3)
ところで、物質Xの自由エネルギーG_Xは、次式で示される。
G_X = μ_X
μ_X = μ°_X + RT ln a_X
（μ_X：化学ポテンシャル、a_X：活量）
式(1)の反応の自由エネルギー変化ΔGは、
ΔG = G_right – G_left
= G_A⁺ + G_B⁺ – G_A -G_B
= ΔG°+ RTln K
K = a_A⁺·a_B^–/(a_A·a_B)
今、化学反応はΔGが減少する方向へ進行するので、反応式(1)において、
① G_left ＞ G_rightならば右方向へ反応が進行する。
② G_left ＜ G_rightならば左方向へ反応が進行する。
しかしながら、G_leftに外部エネルギーG_outが加わり、G_left + G_out ＞ G_rightとなれば、右方向へ反応が進行することとなる。

光合成の一つとして、炭酸CO₂と水H₂Oが（太陽）光エネルギーを受けて炭水化物CH₂Oを生成する反応がある。この反応は複雑な生物学的反応で構成されているが、簡略化するとつぎのように示される。この反応では、CO₂のC(+4)がCH₂OではC(±0)となり、Cは還元されている。
CO₂ + H₂O + hν(光エネルギー) = CH₂O + O₂
C(+4 in CO₂) + 4e^– = C(±0 in CH₂O)
2O(-2 in CO₂) = 2O(±0 in O₂) + 4e^–
酸素呼吸は、上記反応が右から左へ進行する反応で、Cは酸化されている。この反応で発生するエネルギーは化学エネルギー物質（ATPなど）へ変換され、細胞内での様々な反応を進行させるエネルギー源G_outとなっている。

金属元素の多くは、自然界では酸化物・硫化物として存在し、金属材料は様々な方法（製錬）によって酸化や還元されて生産される。
ところが、金属材料は、酸素が存在する環境では酸化物の状態が安定である。酸素との直接反応は常温ではなかなか進行しないが、水分が付着するか中性の水中では、金属は酸化されて、さび（腐食）が発生する。図１にそのメカニズムを示す。鉄片を水中に浸すと、その表面の環境条件は均一ではなく、ある点（灰色の○：正極）と離れたある点（薄赤の○：負極）の間で濃淡電池が形成され、負極ではFeが2e^–を放出してFe²⁺となる。正極では、O₂/2がFe片内を移動してきた2e-を受け取り、O^2-（酸素イオン：鉄表面でFe-O^2--Fe）が生成し、直ちにO^2-はH₂Oと反応して2OH^–へ変化する。
負極で生じたFe²⁺は酸性溶液では溶出・溶解するが、中性では不溶性の水酸化鉄（Ⅱ）Fe(OH)₂となり、負極点に留まる。この一部はさらに酸化されて、FeO(OH)で示される赤さびとなる。
このように、酸素が電子が受容体となり、金属材料は腐食が進行し、金属部分が減少して構造物の破損の原因となる。電解質が共存すると腐食が促進され、淡水よりも海水で腐食速度は速くなる。

水には様々な溶質や微細な固形物質が含まれており、用水・排水の処理において、これらの物質を分離・除去する際に、酸化還元プロセスは重要な手法の一つであるとともに、生物学的プロセスにおいても重要な制御因子となる。

例えば、Feは溶鉱炉の中で、磁鉄鉱F₃O₄や赤鉄鉱F₂O₃にコークスCと石灰CaCO₃を加えて熱風を送り、高温で還元して、銑鉄（Cを4%程度含む）を得る。銑鉄は転炉で酸素を吹き込み、不純物やCを除いて鋼（C：0.02～2%）とする。
Cuは、主に黄銅鉱CuFeS₂を原料とし、コークスと石灰を溶鉱炉で加熱し、Fe₂O₃とCu₂Sに分解し、融解したCu₂Sを転炉で酸素を吹き込み、粗銅Cuを得る。この粗銅を陽極（溶解）、純銅を陰極（析出）にして電気分解し、肥大化した陰極を取り出してCu材料としている。