ملخص التأكسد والاختزال، الكيمياء

أتأمّلُ الصورة

• يُستخدَم الهيدرازين $\ce{N2H4}$ وقودًا للصواريخ؛ إذ يتفاعل مع غاز رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين $\ce{N2O4}$ بمجرد التلامس دون الحاجة إلى شرارة، ويعمل رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين على أكسدة الهيدرازين، فينتج غاز النيتروجين $\ce{N2}$ وبخار الماء $\ce{H2O}$ وكمية هائلة من الطاقة؛ فتتمدّد الغازات بسرعة.
• ما يؤدّي إلى دفع الصاروخ وانطلاقه من منصّة الإطلاق، بفضل تفاعلات التأكسد والاختزال.

مفهوم التأكسد والاختزال

• التأكسد: فَقْدُ المادة للإلكترونات خلال التفاعل الكيميائي
• الاختزال: كسبُ المادة للإلكترونات خلال التفاعل الكيميائي
• تفاعل تأكسد واختزال: التفاعلُ الذي تحدث فيه عمليتا التأكسد والاختزال معًا
• نصف التفاعل: فقدَ الإلكترونات خلال عمليّة التأكسد، أو اكتسابها خلال عمليّة الاختزال
• تحدث في بعض العمليّات الحيويّة، مثل البناء الضوئيّ والتنفس وتحرير الطاقة من الغذاء اللازم لأداء الكائن الحيّ أنشطته المختلفة.
• تحصل وسائل النقل على الطاقة اللازمة لتسييرها بحرق الوقود عن طريق تفاعلات تأكسد واختزال أيضًا.
• ينتج صدأ الحديد عن تفاعلات تأكسد واختزال تحدث عند تعرّض الحديد للهواء الجوّي الرطب.
• $\ce{2Fe2O3(s) + 3C(s) -> 3CO2(g) + 4Fe(s)}$
• كلًّا من الكالسيوم والكلور في الموادّ المتفاعلة مُتعادِلا الشحنة.
• مركّبَ كلوريد الكالسيوم الناتج $\ce{CaCl2}$ مركّبٌ أيونيّ تكوّن من اتّحاد أيون الكالسيوم الموجب $\ce{Ca^2+}$ وأيوني الكلوريد السالبين $\ce{2Cl-}$.
• تكوّن أيون الكالسيوم نتيجة تأكسد ذرّة الكالسيوم بفقد إلكترونين واختزال ذرّتي الكلور في جزيء الكلور $\ce{Cl2}$، بحيث تكسب كلُّ ذرّة منه إلكترونًا واحدًا.

عدد التأكسد

• عدد التأكسد: الشحنة الفعليّة لأيون الذرّة في المركّبات الأيونيّة، أمّا في المركّبات الجزيئيّة (التساهميّة) فهو الشحنة التي يُفترَض أن تكتسبها الذرّة المكوِّنة للرابطة التساهميّة مع ذرّة أخرى في ما لو انتقلت إلكتروناتُ الرابطة كُلّيًّا إلى الذرّة التي لها أعلى سالبيّة كهربائيّة

التغيُّر في أعداد التأكسد

• $\overset{+1}{2Ag^{+}}_{(aq)} + \overset{0}{Cu}_{(s)} \rightarrow \overset{+2}{Cu^{2+}}_{(aq)} + \overset{0}{2Ag}_{(s)}$
• يدلُّ النقص في عدد التأكسد على حدوث عمليّة اختزال.
• تدلُّ الزيادة في عدد التأكسد على حدوث عمليّة تأكسد.

العوامل المؤكسدة والعوامل المُختزلة

• العامل المؤكسد: المادّةُ التي تُؤكسد مادّةً أخرى في التفاعل الكيميائي؛ فيكتسب إلكترونات من المادة التي يُؤكسدها، وتحدث له عمليّة اختزال
• العامل المختزل: المادّةُ التي تَختزل مادّةً أخرى في التفاعل الكيميائي؛ إذ يفقد إلكترونات تكسبها المادّةُ التي يَختزلُها، وتحدث له عمليّة تأكسد

الربط مع الحياة

• $\ce{3Ag2S + 2Al -> 6Ag + 3S^{2-} + 2Al^{3+}}$

التأكسد والاختزال الذاتي

• تفاعل تأكسد واختزال ذاتي: تفاعل تسلك فيه المادة نفسُها عاملًا مؤكسدًا وعاملًا مُختزلًا في التفاعل نفسه
• $\overset{+1\,-1}{2H_2O_2}_{(aq)} \rightarrow \overset{+1\,-2}{2H_2O}_{(l)} + \overset{0}{O_2}_{(g)}$
• فقد اختُزل وقلَّ عدد تأكسده من (-1 في $\ce{H2O2}$ إلى -2 في $\ce{H2O}$)، فيكون $\ce{H2O2}$ عاملًا مؤكسدًا.
• كما تأكسد وزاد عدد تأكسده من (-1 في $\ce{H2O2}$ إلى 0 في $\ce{O2}$)، فيكون $\ce{H2O2}$ عاملًا مُختزلًا.

موازنة معادلات التأكسد والاختزال

• قانون حفظ الكتلة؛ ممّا يعني أنَّ أنواع ذرّات العناصر المكوِّنة للمواد المتفاعلة وأعدادها مماثلةٌ لها في المواد الناتجة.
• قانون حفظ الشحنة؛ أي أنَّ مجموع شحنات المواد المتفاعلة مساوٍ لمجموعها في المواد الناتجة، ويتحقق ذلك عندما يكون عددُ الإلكترونات المكتسبة في أثناء تفاعل الاختزال مساويًا لعدد الإلكترونات المفقودة خلال تفاعل التأكسد.
• عدد ذرّات المغنيسيوم والهيدروجين متساوٍ على طرفي المعادلة.
• مجموع شحنات المواد المتفاعلة يساوي مجموعَها للمواد الناتجة، ويساوي ⁦(+2)⁩.

موازنة معادلات التأكسد والاختزال بطريقة نصف التفاعل

• تجزئة المعادلة إلى نصفي تفاعل؛ نصف تفاعل تأكسد ونصف تفاعل اختزال.
• موازنة كل نصف تفاعل منفردًا من حيث أعدادُ الذرّات والشحنات.
• مساواة عدد الإلكترونات المفقودة والمكتسبة لنصفي التفاعل.
• جمع نصفي التفاعل للحصول على المعادلة الموزونة.

موازنة معادلات التأكسد والاختزال بطريقة نصف التفاعل في وسط قاعدي

• يُضاف عددٌ من أيونات الهيدروكسيد $\ce{OH-}$ مساوٍ لعدد أيونات الهيدروجين $\ce{H+}$ في المعادلة الموزونة في الوسط الحمضي إلى طرفي المعادلة؛ حيث تتعادل أيوناتُ الهيدروجين $\ce{H+}$ مع أيونات الهيدروكسيد $\ce{OH-}$ مكوِّنةً عددًا…