تفاعلات الأكسدة والاختزال

تفاعل التأكسد

ماذا يحدث لعدد الأكسدة في تفاعلات الأكسدة؟

يعرف تفاعل الأكسدة أو التأكسد Oxidation بأنه التفاعل الذي يحدث فيه فقدان في الإلكترونات من قبل الجزيئات أو الذرات أو الأيونات، بحيث تزداد قيمة عدد الأكسدة لها، وهنالك تعريفان آخران للأكسدة، أحدها مرتبط بإضافة الأكسجين إلى التفاعل، والآخر بحذف الهيدروجين من المادة المتفاعلة.^[١]

يعرف تفاعل الأكسدة بأنه التفاعل الذي يتم فيه فقدان الإلكترونات من قبل الجزيئات أو الذرات أو الأيونات.

تفاعل الاختزال

ماذا يحدث لعدد الأكسدة في تفاعلات الاختزال؟

يعرف تفاعل الاختزال Reduction بأنه التفاعل الذي يتم فيه اكتساب الإلكترونات من قبل المواد الكيميائية، بحيث تزداد قيمة عدد الأكسدة لها^[٢]، كما أن له تعريفان آخران كانا شائعان قديمًا، إذ كانت تعرف تفاعلات الاختزال بأنها التفاعلات التي يتم فيها فقد الأكسجين، أو أنها التفاعلات التي يتم فيها اكتساب الهيدروجين.^[٣]

يعرف تفاعل الاختزال بأنه التفاعل الذي يتم فيه اكتساب الإلكترونات من قبل الجزيئات أو الذرات أو الأيونات.

أنواع تفاعلات الأكسدة والاختزال

ما هي العوامل المؤكسدة والعوامل المختزلة؟

تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال مع بعضها البعض، إذ لا يمكن حدوث أحدهما دون الآخر، وتتغير قيمة أعداد الأكسدة للمواد المتفاعلة والناتجة المشاركة في التفاعل، وتحتاج هذه التفاعلات إلى عامل مؤكسد وعامل مختزل، بحيث يقوم العامل المؤكسد بأكسدة المواد المتفاعلة الأخرى عن طريق اكتسابه للإلكترونات، بينما يتم تعريف العامل المختزل يتأكسد والعكس صحيح، وهنالك عدة أنواع لتفاعلات الأكسدة والاختزال وهي كالآتي:^[٤]

تفاعلات الاتحاد

تعرف تفاعلات الاتحاد Combination Reactions بأنها تفاعلات الأكسدة والاختزال التي يتم فيها دمج مادتين متفاعلتين مع بعضهما البعض لإنتاج مادة ثالثة جديدة، بحيث يجب أن تكون المادتين المتفاعلتين على شكل ذرات، ويعد هذا النوع من التفاعلات معاكسًا لتفاعلات الإحلال، وتكون الصيغة العامة لتفاعلات الاتحاد:^[٥]

A + B → AB

ومن الأمثلة على تفاعلات الاتحاد؛ تفاعل ذرة من الكربون الصلب مع جزيء أكسجين لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون:^[٥]

C + O2 → CO2

تعد تفاعلات الاحتراق نوعًا فرعيًا من تفاعلات الاتحاد، بحيث يكون جزيء الأكسجين دائمًا أحد المواد المتفاعلة في هذا النوع من التفاعلات.^[٥]

تفاعلات الانحلال

تعرف تفاعلات الانحلال  Decomposition Reactions بأنها التفاعلات المعاكسة لتفاعلات الاتحاد، بحيث تكون تفاعلات الانحلال هي المسؤولة عن تفكك المركب الكيميائي إلى عناصره الذرية، وتكون الصيغة العامة لهذه التفاعلات كما يأتي:^[٦]

AB → A + B

من الأمثلة على تفاعلات الانحلال؛ اختزال الماء إلى غازي الأكسجين والهيدروجين:^[٦]

H2O → H2 + O2

لا يمكن التعميم بقول إن جميع تفاعلات الانحلال هي تفاعلات أكسدة واختزال، ولكن إذا كانت كذلك فيجب أن يكون واحد أو أكثر من المواد الناتجة على شكل ذرات.^[٥]

تفاعلات الإحلال البسيط

تعرف تفاعلات الإحلال البسيط Single Replacement Reactions بأنها التفاعلات التي يتم فيها استبدال عنصر بآخر في المواد المتفاعلة، بحيث يظهر تغير في ترتيب العناصر في المواد الناتجة، ومن الجدير بالذكر أن هذه التفاعلات تحدث وفق سلسلة النشاط الكيميائي، بحيث إن العناصر الأنشط كيميائيًا تستبدل العناصر الأقل نشاطًا في مركباتها^[٧]، تكون الصيغة العامة لهذه التفاعلات كما يأتي:^[٤]

A + BC → AB + C

ومن الأمثلة على تفاعلات الإحلال البسيط؛ تفاعل ذرتين من الصوديوم الصلب مع جزيئين من الماء لينتج جزيئين من هيدروكسيد الصوديوم وجزيء من غاز الهيدروجين:^[٥]

2Na + 2H2O → 2NaOH +H2

تشمل تفاعلات الأكسدة والاختزال؛ تفاعلات الاتحاد التي تعنى بدمج المواد المتفاعلة، تفاعلات الانحلال التي تعنى بتفكك المواد الكيميائية، وتفاعلات الإحلال البسيط التي يتم فيها استبدال عنصر بآخر في المواد المتفاعلة.

وزن معادلات الأكسدة والاختزال

كيف تتم موازنة التفاعلات في المحاليل القاعدية؟

يجب أن تكون معادلات تفاعلات الأكسدة والاختزال متوازنة من حيث الشحنة والكتلة، كما ويصعب موازنة المعادلات عن طريق النظر وحده، ولذلك يمكن الاستعانة بأحد الطرق الآتية في الموازنة:^[٨]

طريقة نصف التفاعل

تعتمد طريقة نصف التفاعل Half Equation على فصل تفاعل الأكسدة والاختزال الكلي إلى نصفين، بحيث يعبر أحدهما عن نصف تفاعل الأكسدة، في حين يعبر الآخر عن نصف تفاعل الاختزال، ويتم ذلك عن طريق إضافة الإلكترونات أو جزيئات الماء أو أيونات الهيدروجين أو أيونات الهيدروكسيد حسب الوسط الذي يوجد فيه التفاعل^[٩]، وفيما يأتي خطوات طريقة نصف التفاعل لموازنة التفاعلات:

طريقة نصف التفاعل في المحاليل المائية

يمكن موازنة تفاعل الكوبالت والنيكل في المحاليل المائية عن طريق الخطوات الآتية:^[٨]

(+Co(3+) + Ni → Co(2+) + Ni(2

• كتابة أنصاف التفاعل مع أعداد الأكسدة التي تعبر عن الشحنات.

نصف تفاعل الأكسدة: (+2)Ni → Ni

نصف تفاعل الاختزال: (+Co(3+) → Co(2

• إضافة عدد الإلكترونات المناسب الذي يوازن شحنة التفاعل، بحيث يتم إضافتها في المواد الناتجة في نصف تفاعل الأكسدة، وكمواد متفاعلة في نصف تفاعل الاختزال.

نصف تفاعل الأكسدة: (-)Ni → Ni(2+) + 2e

نصف تفاعل الاختزال: (+Co(3+) + e(-) → Co(2

• موازنة أعداد الإلكترونات والذرات في أنصاف التفاعل حتى يتساوى عدد الإلكترونات في نصفي التفاعل، بحيث يتم ضرب نصف تفاعل الاختزال في هذه الحالة بالعدد 2.

نصف تفاعل الأكسدة: (-)Ni → Ni(2+) + 2e

نصف تفاعل الاختزال: (+2Co(3+) + 2e(-) → 2Co(2

• جمع النصفين في معادلة واحدة، بحيث تكون المواد المتفاعلة في جهة والمواد الناتجة في الجهة الأخرى، كما يتم حذف الإلكترونات من الجهتين.

(+Ni + 2Co(3+) → Ni(2+) + 2Co(2

طريقة نصف التفاعل في وسط قاعدي

يمكن موازنة تفاعل أيونات أكسيد المنغنيز مع أيونات اليود في التفاعل الآتي عن طريق الخطوات الآتية:^[٩]

MnO4(1-) + I(-) → Mn(2+) + I2

• كتابة أنصاف التفاعلات:

نصف تفاعل الأكسدة: I(-) → I2

نصف تفاعل الاختزال: (+MnO4(1-) → Mn(2

• موازنة الذرات ما عدا الأكسجين والهيدروجين:

نصف تفاعل الأكسدة: 2I(-) → I2

نصف تفاعل الاختزال: (+MnO4(1-) → Mn(2

• موازنة الأكسجين والهيدروجين من خلال إضافة جزيئات الماء ثم أيونات الهيدروجين:

نصف تفاعل الأكسدة: 2I(-) → I2

نصف تفاعل الاختزال: MnO4(1-) + 8H(+) → Mn(2+) + 4H2O

• جمع الشحنات في كل نصف ومن ثم إضافة الإلكترونات لموازنة الشحنات:

نصف تفاعل الأكسدة: (-)2I(-) → I2 + 2e

نصف تفاعل الاختزال: MnO4(1-) + 8H(+) + 5e(-) → Mn(2+) + 4H2O

• ضرب عدد الإلكترون برقم مناسب لتتساوى أعداد الإلكترونات في النصفين:

نصف تفاعل الأكسدة يضرب بـ5: (-)10I(-) → 5I2 + 10e

نصف تفاعل الاختزال يضرب بـ2: 2MnO4(1-) + 16H(+) + 10e(-) → 2Mn(2+) + 8H2O

• جمع نصفي التفاعل معًا وحذف الإلكترونات:

2MnO4(1-) + 16H(+) + 10I(-) → 2Mn(2+) + 8H2O + 5I2

• إضافة عدد مناسب من أيونات الهيدروكسيد لموازنة أيونات الهيدروجين على طرفي المعادلة:

(-)2MnO4(1-) + 16H(+) + 10I(-) + 16OH(-) → 2Mn(2+) + 8H2O + 5I2 + 16OH

• معادلة جزيئات الماء الناتجة عن التفاعل من خلال تحويل أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد إلى ماء وطرح أعداد جزيئات الماء من أحد أطراف المعادلة، بحيث يبقى في جزء واحد فقط:

(-)2MnO4(1-) + 10I(-) + 8H2O → 2Mn(2+) + 5I2 + 16OH

طريقة نصف التفاعل في وسط حمضي

يمكن موازنة تفاعل النحاس الصلب مع أيونات النترات في التفاعل الآتي عن طريق الخطوات الآتية:^[٨]

Cu + NO3(-) → Cu(2+) + NO2

• كتابة أنصاف التفاعلات:

نصف تفاعل الأكسدة: (+Cu → Cu(2

نصف تفاعل الاختزال: NO3(1-) → NO2

• موازنة الذرات، حيث يتم موازنة الأكسجين والماء من خلال إضافة جزيئات الماء ثم أيونات الهيدروجين.

نصف تفاعل الأكسدة: (+Cu → Cu(2

نصف تفاعل الاختزال: NO3(1-) + 2H(+) → NO2 + H2O

• جمع الشحنات في كل نصف ومن ثم إضافة الإلكترونات لموازنة الشحنات:

نصف تفاعل الأكسدة: (-)Cu → Cu(2+) + 2e

نصف تفاعل الاختزال: NO3(1-) + 2H(+) + e(-) → NO2 + H2O

• ضرب عدد الإلكترون برقم مناسب لتتساوى أعداد الإلكترونات في النصفين:

نصف تفاعل الأكسدة لا يضرب: (-)Cu → Cu(2+) + 2e

نصف تفاعل الاختزال يضرب بـ2: 2NO3(1-) + 4H(+) + 2e(-) → 2NO2 + 2H2O

• جمع نصفي التفاعل معًا وحذف الإلكترونات:

Cu + 2NO3(1-) + 4H(+) → Cu(2+) + 2NO2 + 2H2O

طريقة أعداد الأكسدة

تعتمد هذه الطريقة على تتبع أعداد الأكسدة لكل ذرة في التفاعل، وفيما يأتي خطوات هذه الطريقة لموازنة تفاعل أكسيد الحديد (III) مع أول أكسيد الكربون لإنتاج الحديد النقي وثاني أكسيد الكربون:^[١٠]

Fe2O3 + CO → Fe + CO2

• تحديد أعداد الأكسدة لجميع الذرات في التفاعل:

(-2)Fe2(3+) O3(2-) + C(2+) O (2-) → Fe(0) + C(4+) O2

• تحديد الذرة التي تم أكسدتها (زاد عدد الأكسدة)، والذرة التي تم اختزالها (قل عدد الأكسدة):

الكربون تأكسد بحيث زاد عدد الأكسدة من +2 إلى +4، الفرق يساوي 2.

الحديد اختزل بحيث قل عدد الأكسدة من +3 إلى 0، الفرق يساوي 3.

• مساواة أعداد الأكسدة للذرات التي تم اختزالها وأكسدتها، بحيث يجب ضرب ذرات الكربون بالعدد 3 ليصبح هنالك 3 ذرات كربون في كل شق من التفاعل، بينما يتم ضرب ذرات الحديد النقي Fe فقط بالعدد 2، وذلك لوجود ذرتين من الحديد في شق المواد المتفاعلة منذ البداية.

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

يمكن موازنة التفاعلات الكيميائية عن طريق نصف التفاعل في المحاليل المائية والقاعدية والحمضية أو عن طريق أعداد الأكسدة.

أمثلة على تفاعلات الأكسدة والاختزال

كيف ينتج صدأ الحديد؟

تدخل تفاعلات الأكسدة والاختزال في العديد من مجالات الحياة وفيما يأتي بعض الأمثلة على هذه التفاعلات:^[١]

• تفاعل الحديد الصلب مع غاز الأكسجين مكونًا أكسد الحديد المعروف بالصدأ:

2Fe + O2 → Fe2O3

• تفاعل المغنيسيوم الصلب مع غاز الأكسجين مكونًا أكسيد المغنيسيوم الصلب:

2Mg + O2 → 2MgO

• تفاعل الإيثانول منتجًا الإيثانال:

CH3CH2OH → CH3CHO

• تفاعل سلك من النحاس الصلب مع أيونات الفضة في التفاعلات الإلكتروكيميائية تنتج أيونات نحاس وفضة صلبة:

Cu + 2Ag(+) → Cu(2+) + 2Ag

تفاعلات الأكسدة والاختزال في الحياة اليومية

ما هو دور الأكسدة والاختزال في عملية التمثيل الضوئي؟

تتضمن تفاعلات الأكسدة والاختزال عمليات كثيرة جدًا وتدخل في تطبيقات واسعة ومختلفة، ومن هذه العمليات ما يحصل في الحياة اليومية من ظواهر وتفاعلات وعمليات حيوية، ومن أهمها ما يأتي:^[١١]

التمثيل الضوئي في النباتات

حيث أن في هذه العملية التي تحدث في الأوراق الخضراء للنباتات يتحد ثاني أكسيد الكربون والماء تحت تأثير الضوء لتكوين الأكسجين الجزيئي والجلوكوز حيث أن الجلوكوز يُستخدم كوقود لعمليات الأيض، وفي الخطوة الأولى يتم استخدام الطاقة الضوئية لتحرير ذرات الهيدروجين وتقليلها وإنشاء غاز الأكسجين وهذه الذرات تُقلل من الكربون في ثاني أكسيد الكربون، ويُمكن التعبير عن ذلك تقريبًا كما يأتي: ثاني أكسيد الكربون + ماء + طاقة ضوئية → كربوهيدرات + أكسجين + ماء.

التنفس

حيث يسمح التنفس الخلوي للكائنات بتحرير الطاقة المخزنة في الروابط الكيميائية للجلوكوز، أي أننا نحصل على الطاقة من الطعام، وتكون المعادلة كما يأتي:

C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP

حيث إن ATP هو أدينوسين ثُلاثي الفوسفات، وهو مركب بسيط لتوفير الطاقة حيث أنه يقود مختلف عمليات التمثيل الغذائي.

الاحتراق

قد يعتقد البعض أن الاحتراق عملية فيزيائية أكثر من كونها عملية كيميائية،إلا أن احتراق الهيدروكربونات في الوقود الأحفوري وكذلك حرق المواد العضوية في الخشب تمثل نوعًا من تفاعلات الأكسدة والاختزال، حيث يحترق الكربون الموجود في المركب مع ذرات الأكسجين في الهواء وارتباط ذرات الأكسجين مع الهيدروجين في المركب، لذلك يتأكسد المركب الذي يتم حرقه وينبعث منه ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء كمنتجات للاحتراق.

التآكل

حيث أنه عند ملامسة الماء لأنبوب حديدي على سبيل المثال فإن بعض الأكسجين الموجود في الماء يؤدي إلى أكسدة الحديد مما ينتج عنه أيونات هيدروجين، وتتحد هذه الأيونات مع الأكسجين الموجود في الهواء المحيط لتكوين الماء، وتبدأ هذه العملية من جديد عند أكسدة الحديد مما يؤدي إلى زيادة كمية الحديد المتأكسد أي الذي يحمل المزيد والمزيد من الشحنة الموجبة، ومع التفاعلات التي تحدث والأكسدة ينتج لدينا المادة ذات اللون البني المعروفة باسم الصدأ.

تدخل تفاعلات الأكسدة والاختزال في العديد من المجالات الحياتية، كالتمثيل الضوئي والتنفس والاحتراق والتآكل.

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "Oxidation Definition and Example in Chemistry", thoughtco, Retrieved 2020-11-14. Edited.
2. ↑ "Reduction Definition in Chemistry", thoughtco, Retrieved 2020-11-14. Edited.
3. ↑ "Oxidation and Reduction Reaction", byjus, Retrieved 2020-11-14. Edited.
4. ^ ^{أ ب} "Oxidation-Reduction Reactions", libretexts, Retrieved 2020-11-14. Edited.
5. ^ ^{أ ب ت ث ج} "Types of Redox Reactions", toppr, Retrieved 2020-11-14. Edited.
6. ^ ^{أ ب} "Oxidation-Reduction Reactions", lumenlearning, Retrieved 2020-11-14. Edited.
7. ↑ "Single replacement reactions", khanacademy, Retrieved 2020-11-14. Edited.
8. ^ ^{أ ب ت} "Balancing redox equations", khanacademy, Retrieved 2020-11-14. Edited.
9. ^ ^{أ ب} "Oxidation- Reduction (Redox) Reactions ", sanjac, Retrieved 2020-11-14. Edited.
10. ↑ "22.9 Balancing Redox Reactions: Oxidation Number Change Method", ck12, Retrieved 2020-11-14. Edited.
11. ↑ "How Are Oxidation-Reduction Reactions Used in Everyday Life?", sciencing.com, Retrieved 11-07-2019. Edited.