元々、酸化反応は物質が酸素と結合し酸化物を形成する反応、還元反応は酸化物が酸素を失う反応と定義されていました。後に紹介する水素および電子による酸化還元反応の定義は、元々の考え方を拡張したものになっています。実例として、酸化銅と水素の化学反応式を使って整理していきましょう。

反応前後で、水素分子が元々酸化銅と結びついていた酸素と反応して水が生成していることがおわかりでしょうか？水素分子視点でこの反応を見ると、水素分子が酸素原子と結合しているので、水素分子は酸化されたことになります。

一方で酸化銅に着目すると、反応前の段階では酸化銅だったのが、反応後は銅単独で存在している形になっていますね。同様に考えると、酸化銅から酸素が取り除かれた形になるので、酸化銅は還元されたことになります。

例からもわかるように、酸化反応と還元反応は同時に起こることから、合わせて酸化還元反応と呼ばれているのです。

酸素ではなく、水素のやりとりによって酸化反応および還元反応を定義することもできます。結論を先に述べると、水素を失う反応を酸化反応、水素を得る反応を還元反応とする方法です。なぜ酸化還元反応に水素が関係してくるのか、メタンと酸素が結びつく反応、つまりメタンガスの燃焼を例に考えてみましょう。

炭素原子に注目すると、反応前後で酸素と化合して二酸化炭素となるので、炭素原子は酸化したと言えます。

ここで重要なポイントとなるのは、炭素原子は酸化するときに、酸素と結合すると同時に水素原子を失っていることです。反応によっては酸化の際に元の原子が水素を失うことがあるため、水素を失う反応も酸化反応と定義したんですね。

失われた水素は自然に消滅することはないので、別の原子が水素を得ることになります。そこで、酸化反応と逆の反応として、水素を得る反応を還元反応として合わせて定義が可能です。このように考えると、水については酸素が水素を得たと見なせるので、還元反応も同時に起こっていることになります。

水素によって酸化還元反応を定義すると、酸素が関わっていない反応でも水素の変化を手ががりに反応を考えることができますね。

原子は原子核を中心に、一定の個数ごとに電子が殻を作って覆っているという構造です。

原子は外側の殻に電子が全て入っている状態が安定した状態となります。一番外側の電子を最外殻電子とよび、物質が結びつく（化合する）現象の一部は最外殻電子の数を満タンにするために起こるんです。

実は水素原子や酸素原子といった原子が2個くっついて分子を作る理由も、結合により最外殻電子が安定した数になるためなんですね。

酸素原子は自身が持っている6個の最外殻電子のうち、2個をほかの酸素原子と共有して分子を作ります。酸素原子の最外殻はL殻なので、電子を最大数の8個維持できるように共有するかたちを取るんです。このような結合形態を共有結合と呼びます。

原子と電子の関係がおさらいできたところで、酸化還元反応と電子の動きにどのような関係があるのか具体的に見ていきましょう。

銅の最外殻電子数は2個であり、酸素原子の6個と合わせてピッタリ安定する8個になるんです。このため、酸素原子が銅の電子を吸収する形で、銅は酸素と結びつき酸化します。

銅の立場からみると、酸化したときに電子を2個失っていることがわかるでしょうか？このように物質が電子を失う、放出する反応を酸化反応と新しく定義したんです。

また、酸素原子は銅から電子を2個受け取った形になります。酸化反応に合わせて、このように物質が電子を受け取る反応は還元反応として定義されました。

放出された電子は自然消滅することなく、他の原子に取り込まれるので、やはり酸化反応と還元反応は同時に起こるものと言えます。

酸化数の考え方を探るために、もう一度銅の酸化反応を例に見ていきましょう。

画像の式は、銅原子ひとつにつき電子を2個放出する酸化反応、酸素原子ひとつにつき電子を2個受け取る還元反応を示したものです。このようにどちらかの反応だけ抜き出した式を半反応式と呼びます。

ここでポイントになるのは、電子はマイナスに帯電していることです。プラスにもマイナスにも帯電していない銅原子が、マイナスの電子を2個放出するので、全体でみるとプラス側に2だけ優位となります。Cuの右上の+2とはこのことを表した記述です。

同様に、酸素原子はマイナスの電子を2個受け取るので、全体ではマイナス側に2だけ優位となります。Oの右上の-2は同じくこのことを表した記述です。これらCuおよびOの右上の数字が、この反応におけるそれぞれの酸化数であり、反応前後で酸化数が増加した物質は酸化された、酸化数が減少した物質は還元されたということになります。

ただ、毎回電子の動きを式を立てて考えるのは正直面倒で困難です。そこで、簡単な酸化数の計算の仕方を解説していきます。

先ほどの説明でCuおよびOに+2、-2がついた表記が出てきましたが、もしかしたら化学が好きな人は既に気づいているかもしれません。

実は半反応式で書かれていた過程は、原子がイオン化する過程と同様の流れであり、カリウムイオンといった単原子イオンの酸化数はその価数と一致するのが特徴です。

また複数の元素からなる化合物については、1価の陽イオンとなる水素原子などの酸化数を+1、2価の陰イオンとなる酸素原子などの酸化数を-2とおきます。なお、化合物が帯電していなければ、化合物全体の酸化数のトータルは0となることに注意してください。そのほか、水素分子などの単独の原子からできている物質は、電子の受け渡しをしていないため酸化数は0です。

これらのポイントをまとめると以下のようになります。実際の問題では、ポイントを駆使して各原子の酸化数を求め、酸化数が増加したか減少したかを調べる流れになりますね。

最も身近な酸化還元反応はなんといっても物体の燃焼と言えるでしょう。酸素がなければ火が消えてしまうことから、燃焼には酸素が必須となります。燃焼とは、実は燃えている部分から熱を受け取って物質と酸素が結合する現象であり、酸化還元反応なんです。

紙や木といった身の回りの可燃物は有機物、つまり炭素原子や水素原子から構成されています。このような構造の物質が酸素と結合するとどうなるでしょうか。

有機物が燃焼すると、それぞれ炭素と酸素から二酸化炭素が、水素と酸素から水が生成されます。木などを燃やした時にたまに見られる白い煙は、酸化により生成した水が蒸発したものです。

光沢を放っていた10円玉が、時間が経つにつれて輝きを失っていくのは誰もが見たことあると思います。それは、10円玉の原料である銅が、空気中の酸素と長い時間をかけて酸化してしまった姿なんです。

黒ずんだ10円玉をピカピカにするためにお酢で磨く実験について知っている方もいるかと思います。実はお酢含む酸は水素イオンを豊富に含んでいるため、酸化銅の酸素と結合し、酸化銅を元の銅の状態に戻すことが可能です。これは、水素イオンの働きにより、酸化銅が還元されたといえます。

これは、実は鉱石の精錬技術にも応用されている反応なのです。自然界に存在している鉄鉱石や銅鉱石は、長年空気に晒されているので既に酸化してしまっています。そこで、炭素と鉱石を混ぜて加熱することで、還元反応を促進する方法が、精錬の中心的な手法になっているんです。

生物は呼吸をしなければ生きていくことができません。

呼吸により取り込まれた酸素は、体内の栄養（有機物）と結びつきエネルギーを発生させます。このようなエネルギーを得る酸化還元反応は、生存活動の要となる反応で、私たちが代謝と呼んでいるものです。

生物はエネルギー代謝の際に副産物を生成します。特に生態系の中でも分解者と呼ばれるもののうち、酸素を利用する好気性微生物の副産物は、環境維持に大きな役割をもつ物質です。

好気性微生物は代謝のときに、有機物に含まれる炭素や窒素と酸素を使用して、二酸化炭素や二酸化窒素など生態系が再利用可能な物質を再生産します。

ちなみに、呼吸に酸素を使用しない嫌気性微生物は代謝のときに水素を使うので、メタンやアンモニア、硫化水素などを生産してしまうんです。この嫌気性微生物の生成物が、汚れたドブ川が臭う原因とされています。