يتناول هذا الدرس تطور مفهوم التأكسد والاختزال من الارتباط بالأكسجين إلى انتقال الإلكترونات، وقواعد حساب أعداد التأكسد، وصولاً إلى مهارة موازنة المعادلات بطريقة نصف التفاعل في الأوساط المختلفة.
آخر تحديث:
تعد تفاعلات التأكسد والاختزال أساس الكيمياء الكهربائية، وهي محرك العمليات الحيوية كالتنفس والبناء الضوئي. قديماً، اقتصر المفهوم على الاتحاد بالأكسجين أو نزعه، أما اليوم فهو يشمل كافة التفاعلات التي تتضمن انتقالاً للإلكترونات.
تفاعل التأكسد والاختزال: التفاعل الذي تحدث فيه عمليتا التأكسد والاختزال معاً بشكل متلازم، حيث عدد الإلكترونات المفقودة يساوي عدد الإلكترونات المكتسبة.
لتسهيل دراسة هذه التفاعلات، نقسم التفاعل الكلي إلى نصفي تفاعل:
عند كتابة أنصاف التفاعلات، تأكد دائماً من حذف الأيونات المتفرجة (التي لا يتغير عدد تأكسدها) للتركيز على الذرات التي حدث لها التغير الفعلي.
لحساب عدد التأكسد، نعتمد على قواعد ثابتة ترتبط بموقع العنصر في الجدول الدوري وسالبيته الكهربائية. الجدول التالي يلخص القواعد الأساسية:
| القاعدة | الوصف | مثال | عدد التأكسد |
|---|---|---|---|
| 1 | العنصر الحر (ذرات أو جزيئات) | 0 | |
| 2 | أيون أحادي الذرة |
مجموع أعداد التأكسد: مجموع أعداد التأكسد لجميع الذرات في المركب المتعادل يساوي صفراً، بينما يساوي شحنة الأيون في الأيونات متعددة الذرات.
شحنة الأيون |
| 3 | عناصر المجموعة الأولى (IA) | في | +1 |
|---|---|---|---|
| 4 | الهيدروجين (غالباً) | +1 | |
| 5 | الهيدروجين في هيدريدات الفلز | -1 | |
| 6 | الأكسجين (غالباً) | -2 | |
| 7 | الأكسجين في فوق الأكاسيد | -1 | |
| 8 | الفلور دائماً | -1 |
يخطئ الكثيرون في اعتبار عدد تأكسد الأكسجين دائماً -2؛ تذكر أنه يكون +2 عند ارتباطه بالفلور () لأن الفلور أعلى سالبية كهربائية.
في كل تفاعل تأكسد واختزال، توجد مادة تسبب التأكسد (عامل مؤكسد) وأخرى تسبب الاختزال (عامل مختزل). العلاقة بينهما عكسية من حيث المسمى والعملية.
يمكن تشبيه العامل المختزل بـ 'المتبرع' بالإلكترونات، بينما العامل المؤكسد هو 'المستقبل' أو 'الطامع' بها.
أما في التأكسد والاختزال الذاتي، فإن ذرات من العنصر نفسه في المادة نفسها تعاني تأكسداً واختزالاً في الوقت ذاته، كما في تفاعل تحلل فوق أكسيد الهيدروجين .
التأكسد والاختزال — يتناول هذا الدرس تطور مفهوم التأكسد والاختزال من الارتباط بالأكسجين إلى انتقال الإلكترونات، وقواعد حساب أعداد التأكسد، وصولاً إلى مهارة موازنة المعادلات بطريقة نصف التفاعل في الأوساط المختلفة.
تذكير: في الامتحان: اكتب القانون ثم عوّض بالأرقام مع الوحدات.
الهدف: ترتيب الفلزات () حسب نشاطها الكيميائي وتحديد التغير في شحناتها.
دراسة عملية لنشاط الفلزات بناءً على تفاعلات التأكسد والاختزال.
الخطوات:
الاستنتاج: الفلزات التي تتفاعل يزداد عدد تأكسدها (تتأكسد)، بينما تختزل أيونات الهيدروجين في الحمض لتتصاعد كغاز . النحاس لا يتفاعل مع الحمض المخفف.
تعتمد هذه الطريقة على مبدأ أن المادة لا تفنى ولا تستحدث (حفظ الكتلة) وأن الشحنات يجب أن تكون متوازنة (حفظ الشحنة).
عند الموازنة في وسط قاعدي، اتبع خطوات الوسط الحمضي كاملة، ثم أضف أيونات للطرفين بعدد أيونات الموجودة، وحول كل () إلى جزيء ماء .
الموازنة في وسط حمضي
تدريب مهم: بعد هذا القسم، راجع الأمثلة المحلولة.
فرع من فروع الكيمياء يدرس تفاعلات التأكسد والاختزال وما يصاحبها من إنتاج طاقة كهربائية أو استهلاكها.
تفاعلات تتضمن انتقال الإلكترونات من المادة التي تتأكسد إلى المادة التي تُختزل، وتعد شائعة في الطبيعة ومهمة في الصناعة.
خلية تتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عن طريق تفاعل تأكسد واختزال تلقائي الحدوث.
خلايا تُستخدم فيها الطاقة الكهربائية لإحداث تفاعل تأكسد واختزال غير تلقائي.
المقياس الذي يُستخدم لتحديد المادة التي تأكسدت والمادة التي اختُزلت من خلال التغير في قيمها.
طريقة تُستخدم لموازنة معادلات التأكسد والاختزال.
القيم التي يعتمد عليها فرق الجهد الناتج في الخلية الجلفانية للأقطاب المكونة لها.
عرّف التأكسد والاختزال وتفاعل التأكسد والاختزال وفق المفهوم الحديث، وفسّر لماذا العمليتان متلازمتان.
التأكسد هو فقد المادة للإلكترونات خلال التفاعل الكيميائي، ويرافقه عادة زيادة في عدد التأكسد. والاختزال هو كسب المادة للإلكترونات خلال التفاعل الكيميائي، ويرافقه عادة نقصان في عدد التأكسد. تفاعل التأكسد والاختزال هو تفاعل تحدث فيه عمليتا التأكسد والاختزال معا. العمليتان متلازمتان لأن الإلكترونات التي تفقدها مادة لا تختفي؛ بل تكتسبها مادة أخرى، لذلك يساوي عدد الإلكترونات المفقودة عدد الإلكترونات المكتسبة.
تتفاعل بعض الفلزات مع حمض المخفف فينتج غاز الهيدروجين. اكتب ما تتوقع ملاحظته، ثم فسّر تغير شحنة الفلز في تفاعل عام .
الدليل العملي على حدوث التفاعل هو تصاعد غاز بدرجات مختلفة حسب نشاط الفلز، وقد لا يتفاعل النحاس بوضوح مقارنة بالمغنيسيوم أو الخارصين أو الألمنيوم. في التفاعل العام ينتقل الفلز من عدد تأكسد 0 في الحالة الحرة إلى في ؛ لذلك يتأكسد لأنه فقد إلكترونات. أما الهيدروجين في الحمض فينتقل من إلى 0 في ؛ لذلك يختزل. إذن التفاعل تأكسد واختزال.
يتفاعل الكالسيوم مع الكلور حسب . اكتب نصفي تفاعل التأكسد والاختزال، وحدد المادة التي تأكسدت والمادة التي اختزلت.
الكالسيوم يفقد إلكترونين فيتأكسد: . والكلور يكتسب إلكترونين فيختزل: . إذن هو الذي تأكسد، و هو الذي اختزل.
في التفاعل ، اكتب المعادلة الأيونية، وحدد ما تأكسد وما اختزل، واكتب نصفي التفاعل.
المعادلة الأيونية: . الحديد يتأكسد لأنه ينتقل من 0 إلى ويفقد إلكترونين: . وأيون النحاس يختزل لأنه ينتقل من إلى 0 ويكسب إلكترونين: . لذلك عامل مختزل لأنه تأكسد، و عامل مؤكسد لأنه اختزل.
عرّف عدد التأكسد، ثم اذكر خمس قواعد أساسية لحساب أعداد التأكسد.
عدد التأكسد هو الشحنة الفعلية لأيون الذرة في المركبات الأيونية، أو الشحنة المفترضة التي تكتسبها الذرة في المركبات التساهمية لو انتقلت إلكترونات الرابطة كليا إلى الذرة الأعلى سالبية كهربائية. من القواعد: عدد تأكسد العنصر الحر يساوي 0، وعدد تأكسد الأيون أحادي الذرة يساوي شحنته، وعناصر المجموعة IA تساوي +1 وIIA تساوي +2 والألمنيوم +3، والهيدروجين غالبا +1 إلا في هيدريدات الفلزات فيكون -1، والأكسجين غالبا -2 إلا في فوق الأكاسيد -1 ومع الفلور يكون موجبا، والفلور دائما -1، ومجموع أعداد التأكسد في المركب المتعادل يساوي 0 وفي الأيون متعدد الذرات يساوي شحنة الأيون.
بطاقات مهمة
تفاعل كيميائي يحدث فيه فقد إلكترونات من مادة وكسب إلكترونات من مادة أخرى في الوقت نفسه.
فقد الإلكترونات، ويظهر غالبا على صورة زيادة في عدد التأكسد.
كسب الإلكترونات، ويظهر غالبا على صورة نقصان في عدد التأكسد.
لأن الإلكترونات التي تفقدها مادة تكتسبها مادة أخرى، لذلك يتساوى عدد الإلكترونات المفقودة والمكتسبة.
تصاعد غاز الهيدروجين بدرجات مختلفة حسب نشاط الفلز؛ فالفلز يتأكسد والهيدروجين في الحمض يختزل.
؛ الكالسيوم فقد إلكترونين فتأكسد.
؛ الكلور اكتسب إلكترونين فاختزل.
شحنة افتراضية تعطى للذرة في المركب أو الأيون وفق قواعد محددة لتتبع انتقال الإلكترونات.
عدد تأكسد أي عنصر حر يساوي صفرا، مثل و و.
عدد تأكسد الأيون أحادي الذرة يساوي شحنته، مثل و.
نصائح للمراجعة