車の心臓部で活躍！酸化還元反応の仕組み
車を知りたい
先生、酸化還元って自動車と何か関係があるんですか？
自動車研究家
いい質問だね！ 実は、自動車の排ガス浄化に酸化還元反応が大きく関わっているんだ。例えば、排ガスに含まれる有害な一酸化炭素は、酸化還元反応によって無害な二酸化炭素に変えられるんだよ。
車を知りたい
そうなんですね！でも、酸化還元反応でどうやって一酸化炭素が二酸化炭素になるんですか？
自動車研究家
自動車の排気ガス浄化装置には『三元触媒』というものが付いていて、そこで酸化還元反応が起こるんだ。簡単に言うと、三元触媒は一酸化炭素と酸素をくっつけて二酸化炭素に変える働きをするんだよ。
酸化還元とは。
自動車用語でよく聞く「酸化還元」について説明します。物質が酸素と結合したり、原子価がプラス方向に変化することを「酸化」と言います。逆に、物質から酸素が奪われたり、原子価がマイナス方向に変化することを「還元」と言います。酸化と還元は、まるでシーソーのように、必ず同時に起こります。片方が酸化されると、もう片方は還元されてバランスを保つのです。
例えば、鉄と二酸化マンガンを混ぜると、鉄は酸化されて酸化鉄になり、二酸化マンガンは還元されて酸化マンガンになります。その後、酸化マンガンは空気中の酸素と結合して酸化され、再び二酸化マンガンに戻ります。
自動車の排ガス対策技術である三元触媒では、この酸化還元反応が利用されています。ハイドロカーボンや一酸化炭素は酸化されて二酸化炭素と水になり、有害な窒素酸化物は酸素を奪われて還元され、無害な窒素になります。
酸化還元反応とは？
「酸化」と「還元」は、物質が酸素と結びついたり、逆に酸素を手放したりする化学反応を指す言葉として、中学の理科の授業で習った方も多いのではないでしょうか。
しかし、酸化還元反応は酸素のやり取りだけに限りません。 実は私たちの身の回りで起こっている現象の多く、例えば物が燃える時や鉄が錆びる時なども、酸化還元反応が関わっています。
この章では、酸化還元反応の基本的な仕組みについて解説するとともに、私たちの生活に欠かせない車との深い関わりについて詳しく見ていきましょう。
車のエンジン内の酸化還元
– 車のエンジン内の酸化還元
車のエンジンは、ガソリンを燃焼させることで得られるエネルギーを動力に変えて車を走らせています。実は、この燃焼過程こそが酸化還元反応の典型的な例なのです。
エンジン内部では、ガソリンが空気中の酸素と反応し、激しい燃焼を起こします。この時、ガソリンに含まれる炭素（C）は酸素（O）と結合し、二酸化炭素（CO2）を生成します。これが酸化反応です。一方、酸素は炭素と結合することで酸化物となるため、これは還元反応に当たります。
このように、車のエンジン内では酸化還元反応が連続的に起こることで、車が動くために必要なエネルギーが生み出されているのです。
排ガス浄化の主役 三元触媒
自動車の排気ガスには、有害な物質が多く含まれています。その中でも、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)、炭化水素(HC)は、大気汚染や健康被害の原因となるため、特に厳しい規制がかけられています。これらの有害物質を浄化する上で重要な役割を担うのが、三元触媒です。
三元触媒は、自動車の排気システム内に設置され、排気ガスが通過する際に酸化還元反応を促進する役割を担います。具体的には、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属を非常に微細な粒子にしてセラミック製のハニカム構造に担持させた構造をしています。このハニカム構造は表面積を最大化し、排気ガスと触媒の接触面積を増やすことで、効率的に反応を進めることができます。
三元触媒内部では、一酸化炭素(CO)は酸化されて二酸化炭素(CO2)に、炭化水素(HC)は酸化されて水(H2O)と二酸化炭素(CO2)に変化します。また、窒素酸化物(NOx)は還元反応によって窒素(N2)と酸素(O2)に分解されます。これらの反応は、同時に進行することで互いに促進し合い、効率的に排気ガスを浄化することができます。
このように、三元触媒は、酸化還元反応を利用することで、有害な排気ガスを無害な物質に変え、クリーンな空気を作るために重要な役割を担っています。日々進化を続ける自動車技術の中で、環境保護への意識の高まりとともに、三元触媒の技術革新も続いています。
酸化還元反応が環境を守る
車の排気ガスには、有害な物質が含まれています。一酸化炭素や窒素酸化物などがその代表例ですが、これらを大気中に放出してしまうと、大気汚染や酸性雨の原因となってしまいます。そこで活躍するのが、酸化還元反応を利用した触媒装置です。触媒装置内では、排気ガス中の有害物質が酸化還元反応によって無害な物質へと変化します。例えば、一酸化炭素は酸化されて二酸化炭素に、窒素酸化物は還元されて窒素と酸素に分解されます。このように、酸化還元反応は、車を動かすだけでなく、地球環境を守る上でも重要な役割を担っているのです。
未来の車と酸化還元
電気自動車や燃料電池車など、未来の車は環境への負荷を低減するための技術革新が進んでいます。これらの車にも、酸化還元反応は深く関わっています。例えば、電気自動車の心臓部であるリチウムイオン電池は、リチウムイオンの酸化還元反応を利用して充放電を行い、車を走らせています。また、水素と酸素から電気を作る燃料電池車では、その電気が生まれる過程で酸化還元反応が重要な役割を担っています。このように、酸化還元反応は、未来の車の発展においても欠かせない技術と言えるでしょう。