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酸化とは原子やイオンが電子を失う過程、還元とは電子を得る過程です。電子は消えたり新しく生まれたりせず、一方から他方へ移動するだけなので、酸化と還元は必ず同時に起こります。ある物質が電子を放出すれば、別の物質が必ずその電子を受け取るため、この2つを合わせて酸化還元反応と呼びます。
酸化数とは、実際には電子を完全にやり取りしない共有結合でも、電子を完全に授受したと仮定したときの仮想的な電荷のことです。単体の状態は0、イオンはそのイオンの電荷と同じ、といったルールで決まります。反応の前後である原子の酸化数が増えていれば酸化、減っていれば還元されたと判断できます。
鉄が空気中の酸素や水分と出会うと、鉄原子は電子を失って酸化され鉄イオンになり、酸素は電子を得て還元されて酸化鉄(さび)ができます。これは鉄の酸化数が0からプラスの値へ増加する典型的な酸化還元反応で、湿った環境でさびが早く進むのも水分が電子移動を助けるためです。
電池(化学電池)は、異なる2種類の金属(または物質)の間で自発的に起こる酸化還元反応を利用し、一方の電極で失われた電子を導線を通じてもう一方の電極へ流すことで電流を発生させる装置です。導線を通る電子の移動こそが電気なので、酸化還元反応が止まる(反応物を使い切る)と電池も放電し切ります。
他の物質を酸化させながら自分自身は還元される物質を酸化剤、逆に他の物質を還元させながら自分は酸化される物質を還元剤と呼びます。漂白剤や消毒剤に使われる物質は多くが強い酸化剤で、細菌や色素分子を酸化して分解する仕組みで働きます。
木材や燃料が燃える燃焼反応は、燃料中の炭素や水素が酸素と結びつきながら電子を渡し、酸素が電子を受け取る典型的な酸化還元反応です。多くの熱と光を素早く放出しながら起こる酸化還元反応という点で、燃焼は鉄がさびるのと同じ原理がはるかに激しく起こっている場合と見ることができます。
複雑な酸化還元反応を理解しやすくするため、酸化が起こる部分と還元が起こる部分を分けて書いた式を半反応式と呼びます。2つの半反応式を電子の数が合うように足し合わせると全体の酸化還元反応式が完成し、電池のように2つの反応が物理的に離れた場所(電極)で起こる場合を説明するのに特に役立ちます。
鉄がさびること、木が燃えること、電池が電気を作ること、これらはすべて電子がある物質から別の物質へ移動する酸化還元反応です。酸化数という概念まで理解すると、一見異なって見えるこれらの現象が実は同じ原理で説明できることがわかります。
どちらかが先に起こるのではなく、同時に起こります。ある物質が電子を失う瞬間(酸化)、その電子は必ず別の物質に渡されてその物質が電子を得る(還元)ため、酸化と還元は常にペアで同時に起こります。
いいえ。かつては酸素と結びつく反応だけを酸化と呼んでいましたが、現在では電子を失うすべての反応を酸化と定義しています。例えば酸素が全く関与しなくても、金属が電子を失ってイオンになる反応も酸化に分類されます。