الأكسدة و الإختزال (الاكسدة و الاختزال) Oxidation and reduction
الأكسدة و الاختزال Oxidation and reduction : تعد تفاعلات الأكسدة و الإختزال أحد اهم التفاعلات الكيميائية التي تتم لغرض انتاج الطاقة و تتضمن احتراق الوقود و انتاج الكهرباء عن طريق البطاريات و من الأنواع الاخرى لتفاعلات الأكسدة و الأختزال استخلاص المعادن من موادها الخام و كذلك التفاعلات التي الكيميائية التي تحصل عند الاقطاب . و يمكن تعريف تفاعلات الأكسدة و الإختزال بأنها التفاعلات التي تحدث أو تتم بسبب انتقال الإلكترونات بين المواد المتفاعلة ، فمثلا عند احتراق شريط المغنيسيوم في الهواء لينتج أكسيد المغنيسيوم :
2Mg + O2 → 2MgO
نجد بأن التفاعل حدث نتيجة لإنتقال الإلكترونات ، إذ فقدت ذرة مغنيسيوم إلكترونين لتصبح أيونا موجبا ثنائي الشحنة ، و في الوقت نفسه تكتسب ذرة الاكسجين هذين الإلكترونين لتصبح أيونا سالبا ثنائي الشحنة . و في الماضي استخدم مفهوم التأكسد و الإختزال في الأصل للتفاعلات التي يتم فيها اتحاد المادة مع الأكسجين أو نزعه منها :
2Zn + O2 → 2ZnO
CuO + H2 → Cu + H2O
إلا ان المفهوم الحديث للتأكسد و الإختزال أعم و اشمل ، فهناك تفاعلات كثيرة لا تحتوي على الأكسجين و مع ذلك تعد من تفاعلات التأكسد و الإختزال :
2Na + Cl2 → 2NaCl
Mg + Cl2 → MgCl2
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
ومن خلال التفاعلات السابقة نلاحظ انها جميها تشترك في عملية انتقال الإلكترونات بين المواد المتفاعلة و هذا الانتقال واضح تماما عند تكون المركبات الأيونية ، و تسمى عملية فقد الإلكترونات في التفاعل الكيميائي بعملية التأكسد ، بينما تسمى عملية اكتساب الإلكترونات بعملية الإختزال .
فقد تم استخدام مصطلح التأكسد لوصف تفاعل مادة معینة مع الأكسجین، وتم استخدام مصطلح الإختزال لوصف عملیة نزع ذرات الأكسجین من المادة كما في عملیة (استخلاص الفلزات من خاماتها)، و لكن مع مرور الوقت تم تطویر المفهوم السابق، حیث اصبحت تفاعلات التأكسد والإختزال لا تتضمن الأكسجین كشرط أساسي، حتى تم التوصل الى المفهوم الجدید لتفاعلات التأكسد والأختزال وهي التفاعلات التي تنتقل فيها الإلكترونات من أحد المواد المتفاعلة إلى المادة الأخرى الداخلة معها في التفاعل الكيميائي.
فالتأكسد: هي عملیة فقد المادة للالكترونات خلال التفاعل الكیمیائي.
أما الإختزال: فهي عملیة كسب المادة للالكترونات خلال التفاعل الكیمیائي،
و يجب التنويه هنا إلى أن عملیتي التأكسد والاختزال مترافقتان، حیث لا یمكن حدوث أي عملیة دون حدوث العملیة الأخرى .
فلو أخذنا التفاعل التالي :
Zn + Cu+2 → Zn+2 + Cu
نلاحظ أن أيون النحاس قد أكتسب إلكترونين أي حدثت عملية أختزال ، و في نفس الوقت فقد الخارصين إلكترونين أي حدثت عملية أكسدة ، و بصيغة أخرى، إذا قسمنا التفاعل السابق إلى معادلتين منفصلتين :
Zn → Zn+2 + 2e− …………………………. ( 1 )
Cu+2 + 2e− → Cu ………………………… ( 2 )
نلاحظ أن المعادلة رقم 1 تمثل عملية التأكسد ، و هي أيضا تمثل نصف التفاعل الكيميائي ، و تعرف باسم معادلة نصف تفاعل التأكسد. أما المعادلة رقم 2 تمثل عملية الإختزال ، و هي أيضا تمثل نصف التفاعل الكيميائي ، و تعرف باسم معادلة نصف تفاعل الإختزال. و على ما سبق يمكن الاستنتاج إلى أن تفاعل الأكسدة و الإختزال يمكن تقسيمه إلى معادلتي نصف تفاعل أحدها يمثل تفاعل التأكسد و الآخر يمثل تفاعل الإختزال.
عدد التأكسد
یعتمد تعریف عدد التأكسد على نوع المركب، فیما إذا كان مركبا ً أیونیا ً أم مركبا ً جزیئیا ً ، حیث یتم تعریف عدد التأكسد في المركبات الأیونیة على أنه الشحنة الفعلیة لأیون الذرة. أما في المركبات الجزیئیة فهو الشحنة التي ستكتسبها الذرة فیما لو أعطیت إلكترونات الرابطة كلیا ً للذرة الأعلى كهروسالبية.
و لحساب عدد التأكسد يجب الإلتزام بالقواعد التالية:
1- عدد التأكسد لأي عنصر منفرد يساوي صفرا ما لم يكن أيونا : فمثلا عدد التأكسد للصوديوم Na و للنحاس Cu و المغنيسيوم Mg يساوي صفرا.
2 – عدد التأكسد لذرات الجزیئات ثنائیة الذرات أو عدیدة الذرات المتشابھة ومتعادلة الشحنة یساوي صفرا. فمثلا عدد التاكسد لجزيء الهيدروجين H2 و لجزيء الكلور Cl2 و لجزيء الاكسجين O2 يساوي صفرا .
3 – عدد تأكسد الأیون البسیط ، أي الأیون المكون من ذرة واحدة، یساوي شحنة الأیون . فمثلا عدد التأكسد لأيون الصوديوم +Na يساوي +1 ، و عدد التأكسد لأيون الكلور −Cl يساوي -1 و عدد التأكسد لأيون الألومنيوم Al+3 يساوي +3 و عدد الـتأكسد لايون الأكسجين O−2 يساوي -2 .
و عليه فإن عدد تأكسد أیونات العناصر القلویة (عناصر المجموعة الأولى في الجدول الدوري) یساوي +١ داخل مركباتها ، مثل K ،Na ،Li ، و عدد تأكسد أیونات القلویات الترابیة (المجموعة الثانیة في الجدول الدوري يساوي+٢ داخل مركباتها مثل : Ca ،Mg ،Ba ،Be .
4 – عدد تأكسد الهيدروجين یساوي +١ في جمیع مركباته باستثناء هيدريدات الفلزات، حیث یكون عدد تأكسده یساوي (-١) .
فمثلا عدد الـتأكسد للهيدروجين في كل من H2O ، NH3 ، CH4 ، H2SO4 ، HNO3 یساوي +١ ، أما عدد التأكسد للهيدروجين في كل من NaH ، LiH ، KH یساوي -١ .
5 – عدد تأكسد الأكسجین في مركباته یساوي -٢ عدا مركبات فوق الأكسید یساوي -١ كما یكون عدد موجبا ً مع عنصر الفلور F . فمثلا : عدد تأكسد الأكسجین في كل من H2O ،MgO ،HNO3 ،CH3OH یساوي – ٢ . أما عدد تأكسد الأكسجین في كل من H2O2 ،Na2O2 ،K2O2 ،Li2O2 ،MgO2 یساوي -١. وعدد تأكسد الأكسجین في F2O یساوي +٢ .
٦ – عدد تأكسد الهالوجينات (عناصر المجموعة السابعة من الجدول الدوري) یساوي -١ في المركبات الثنائیة مع الفلزات، أما عنصر الفلور فإن عدد تأكسده یساوي – ١ في جمیع مركباته.
فمثلا : عدد تأكسد Cl في NaCl يساوي −1 ، و عدد تأكسد I في MgI2 يساوي − ١، و عدد تأكسد Br في AlBr3 يساوي -1 .
7 – مجموع أعداد التأكسد لجمیع الذرات في المركب المتعادل ( أي المركب كمجمل) یساوي صفر.فمثلا : مجموع أعداد التأكسد في كل من المركبات التالیة یساوي صفرا : Al2O3 ،CaSO4 ،H2SO4 ،H3PO4 ،CH4 . NH3 ،H2O
8 – مجموع أعداد التأكسد لجمیع الذرات في الأیون متعدد الذرات یساوي شحنة الأیون. فمثلا مجموع أعداد التأكسد في −2 CrO4 يساوي -2 . و مجموع أعداد التأكسد في − HSO3 يساوي -1.
٩- عدد تأكسد المجموعة الأیونیة یساوي شحنة الأیون مقدارا ً وإشارة، والمجموعة الأیونیة هي أیون مكون من أكثر من عنصر واحد، والجدول التالي یبین أهم المجموعات الأیونیة وصیغة وعدد تأكسد كل منها .
|
عدد التأكسد للمجموعة |
المجموعة الأيونيو | الصيغة الكيميائية |
|
-1 |
الهيدروكسيد |
OH− |
| -1 | النترات |
NO3− |
|
-2 |
الكربونات |
CO3 −2 |
| -2 | الكبریتات |
SO4 −2 |
|
-3 |
الفوسفات |
PO4 −3 |
|
+1 |
الأمونیوم |
NH4 + |
|
-2 |
الدایكرومات |
Cr2O7 −2 |
|
-1 |
البيرمنجنات |
MnO4− |
| -1 | السيانو |
CN− |
علاقة التأكسد والاختزال بعدد التأكسد
من خلال دراستنا لعدد التأكسد، فإنه یمكن بسهولة تحدید الذرة التي تأكسدت والذرة التي اختزلت في التفاعل الكیمیائي، حیث یمكن التوصل إلى مفهوم بسیط یساعد في تحدید عملیتي التأكسد والاختزال ، حيث يمكن تعريف التأكسد بأنه الزیادة في عدد التأكسد ، و الاختزال النقصان في عدد التأكسد .
فمثلا في التفاعل التالي :
MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O
لمعرفة الذرات التي حدث لها أكسدة و اختزال ، نقوم بحساب أعداد التأكسد للذرات في كل من المواد المتفاعلة و المواد الناتجة.
-2 +1 0 -1 +2 -1 +1 -2 +4
MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O
من خلال دراستنا للمعادلة السابقة نلاحظ أن :
– الذرات التي لم یتغیر عدد تأكسدها، أي ذرات لم یحدث لها عملیة تأكسد أو اختزال هي الأكسجين O و الهيدروجين H.
– الذرات التي زاد عدد تأكسدها هي ذرات حدث لها عملیة تأكسد، و هي الكلور Cl .
– الذرات التي نقص عدد تأكسدها هي ذرات حدث لها عملیة اختزال و هي المنغنيز Mn .
العوامل المؤكسدة والعوامل المختزلة
في تفاعلات التأكسد والاختزال، فإن هناك مادة تتأكسد وأخرى تُختزل، وتسمى المادة التي تأكسدت باسم العامل المختزِل لأنها سببت اختزالا ً للمادة الأخرى، وكذلك تسمى المادة التي تُختزل باسم العامل المؤكسِد لأنها سببت تأكسدا ً للمادة الأخرى، وبالتالي فإنه یمكن تعریف كل من العامل المؤكسِد والعامل المختزِل كما یلي:
– العامل المؤكسِد: المادة التي تكتسب الالكترونات في تفاعل التأكسد والاختزال (المادة التي یحدث لها اختزال.
– العامل المختزِل: المادة التي تفقد الالكترونات في تفاعل التأكسد والاختزال (المادة التي یحدث لها تأكسد).
و یجب الإنتباه هنا إلى أن التأكسد والاختزال یحدث لذرة واحدة في المركب أو الأیون متعدد الذرات، إلا أن كامل المركب أو الایون یعد العامل المؤكسِد أو العامل المختزِل ولیس الذرة فقط. فهناك بعض المواد التي تسلك كعوامل مؤكسِدة في تفاعلات وكعوامل مختزِلة في تفاعلات أخرى، ومن أشهر تلك المواد الهيدروجين H2 . كما أن هناك بعض المواد التي تسلك كعوامل مؤكسِدة أو كعوامل مختزِلة في معظم تفاعلاتها، وتعرف هذه المواد بأنها عوامل مؤكسِدة أو عوامل مختزِلة، ویبین الجدول التالي أشهر العوامل المؤكسِدة والمختزِلة القویة.
|
عوامل مختزلة |
عوامل مؤكسدة |
|
الفلزات النشطة، مثل: Li ،Na ،Mg ،Al ،Zn |
جزیئات العناصر ذات الكهروسالبية العالية O3 ،F2 ،O2 ،Cl2 |
| بعض هيدريدات الفلزات وأشباه
الفلزات، مثل: LiAlH4 ،NaBH4 |
المركبات والایونات متعددة الذرات والمحتویة على ذرات ذات أعداد تأكسد عالیة، مثل: HClO4 , HNO3 ,Cr2O7 −2 , CrO4 −2 , MnO4 − |
بوسترات (لوحات) كيميائية بدقة عالية (أكثر من 25 لوحة) من تصميم الأستاذ أكرم أمير العلي
تطبيقات كيميائية من تصميم الأستاذ أكرم امير العلي متوفر للجوالات التي تعمل بنظام أندرويد android على سوق جوجل بلاي google play
1 – تطبيق ملصقات الجدول الدوري باللغة العربية : بطاقات تحتوي على معلومات شاملة و مختصرة في نفس الوقت كل عنصر على حدة (اللغة العربية).
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.akramir2
2 – تطبيق ملصقات كيميائية: ملصقات بتصميم جميل جدا للكواشف و الأدلة و الزجاجيات المستخدمة في المختبر و كذلك ملصقات و بطاقات لخزانات حفظ المواد و الأدوات الزجاجية .
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.akramir
3 – إذا كنت تواجه صعوبة في تحضير المحاليل الكيميائية الأكثر شيوعا في مختبرات الكيمياء و الاحياء، فهذا التطبيق سوف يساعدك كثيرا في تحضير المحاليل :
