水酸基ーＯＨが結合するのも酸化反応なのか？ | 医科学勉強帖 Medical Science Learning Notes

質問：ＣＨ４がＣＨ３ＯＨになったとき、メタンは酸化されたというか？

チャットＧＰＴの回答：

CH₄→CH₃OH の転換は メタンの酸化反応 です。その理由を酸化数の変化で見てみましょう。

電子の行き先
代表的には以下のような酸化剤（たとえば O₂）が関わります。
CH₄ + ½ O₂ → CH₃OH

このとき
- メタンの炭素から奪われた 2e⁻ は
- 酸素（O₂）の 0 価 → 2価（O²⁻）への還元に使われ、結果的に H–O 結合を作るのに寄与します。
具体的には、O₂ が ½ モルあたり 2e⁻ を受け取って H₂O の酸素状態に近い形（酸化数 –2）となり、電子を“受け取る”ことで還元されます。

――まとめると、CH₄→CH₃OH は炭素の酸化数が –4→–2 と上がる「酸化反応」であり、奪われた 2 個の電子は主に酸素系の酸化剤に渡って還元反応を引き起こします。

質問：水素の数が減っていないことについて？

チャットＧＰＴの回答：

酸化というのは必ずしも「水素が除かれる」ことを指すわけではなく、広義には「原子が電子を失う（酸化数が上がる）」反応をいいます。CH₄→CH₃OH の場合を改めて見ると：

CH₄→CH₃OH での炭素の酸化数変化
- CH₄ 中の C：酸化数 –4
- CH₃OH 中の C：酸化数 –2
  → 炭素の酸化数が –4→–2 と上がっているので、炭素は 2e⁻分失っている（＝酸化されている）
“水素除去”ではない理由
- 実際、CH₄→CH₃OH の際に炭素から水素 H が奪われているわけではありません。
- 代わりに、炭素–水素結合の電子対をより電気陰性度の高い酸素へ引き寄せられることで、炭素は電子密度を失います。
酸化数の定義と電気陰性度
- 酸化数は「結合電子をより電気陰性度の高い側が独占すると仮定して計算する数値」です。
- O（酸素）は C より電気陰性度が高いので、C–O 結合では電子対がおおむね O 側に偏り、炭素は部分的に電子を失った（酸化された）とみなされます。
まとめると
- 「水素を取られる」＝「還元剤から水素が供給される」モデルは古典的ですが、現代の化学では 「電子の移動（酸化数変化）」 を中心に考えます。
- CH₄→CH₃OH は炭素側から見ると電子を奪われているので、水素が取られていなくても十分に酸化反応です。

もし「水素が除かれる」基準で酸化を考えるときは、アルコール→アルデヒド（CH₃OH→H₂CO）やアルデヒド→カルボン酸（H₂CO→HCOOH）など、水素除去を伴う酸化反応が該当します。
しかし、酸素付加反応も立派な酸化です。

質問：半反応式で説明して。

チャットＧＰＴの回答：

思考時間: 2 ～ 3 秒

以下に酸性条件下での半反応式を示します。電子数を合わせるため、酸化側では 2e⁻、還元側も 2e⁻の反応で表記します。

CH₄ + H₂O → CH₃OH + 2H⁺ + 2e⁻

½ O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O

これらを組み合わせると、全反応として

CH₄ + ½ O₂ → CH₃OH

が得られます。

水がいきなり出てきて戸惑われたと思いますが、これは「酸化半反応」を酸性条件でバランスさせるための手順です。以下のように考えます。

原子数のバランス
- 元の反応：CH₄ → CH₃OH
- C：1 → 1 ✔
- H：4 → 4 (CH₃OH の H は 3 + OH の H 1) ✔
- O：0 → 1 ✕

→ まず O をそろえるため、左辺に H₂O を１つ置いて O を供給します。
CH₄ + H₂O → CH₃OH

すると O：1 → 1 で合います。
水素数の再バランス
- 左辺の H：4 (CH₄) + 2 (H₂O) = 6
- 右辺の H：4 (CH₃OH)
  → H が左に余っているので、余分な H₂ を H⁺ に変えて右辺に移します。

CH₄ + H₂O → CH₃OH + 2H⁺

これで H：6 → 4 + 2 = 6 でバランス。
電荷のバランス（電子の出入り）
- 左辺の総電荷：0
- 右辺の総電荷：+2 (2H⁺)
  → 電荷をそろえるために、右辺に 2e⁻ を放出（–2）させます。

CH₄ + H₂O → CH₃OH + 2H⁺ + 2e⁻

こうして「CH₄ を CH₃OH に酸化するとき」に必要な酸素を H₂O で補い、最終的に H⁺ と e⁻ を出す半反応式が完成します。
――要点は「CH₃OH 側に O があるので、それを供給するために H₂O を左辺に置く」というバランス調整の手順です。