التأكسد والاختزال

من الصاروخ إلى الخلية: ما الذي تتناوله هذه الوحدة؟

هل تساءلت يومًا عن القوّة الهائلة الكامنة خلف انطلاق صاروخ إلى الفضاء؟ تنتج هذه القوة من تفاعلات التأكسد والاختزال. فما المقصود بتفاعلات التأكسد والاختزال؟ وما التطبيقات العملية المرتبطة بها؟

• تعدُّ تفاعلات التأكسد والاختزال شائعة في الطبيعة، ومهمَّة في الصناعة.
• وتتضمَّن انتقال الإلكترونات من المادة التي تتأكسد إلى المادة التي تُختزل، وما يُصاحبها من إنتاج طاقة كهربائية أو استهلاكها.
• الدرس الأول: التأكسد والاختزال. تفاعلا التأكسد والاختزال متلازمان؛ تُحدَّدُ المادّةُ التي تأكسدت والمادّةُ التي اختُزلت عن طريق التغيُّر في أعداد التأكسد.
• ويمكن موازنة معادلات التأكسد والاختزال بطريقة نصف التفاعل.
• الدرس الثاني: الخلايا الجلفانيّة. تتحوَّل الطاقة الكيميائيّة إلى طاقة كهربائيّة في الخليّة الجلفانيّة عن طريق تفاعل تأكسد واختزال تلقائي الحدوث.
• الدرس الثالث: خلايا التحليل الكهربائي. تُستخدم الطاقة الكهربائية لإحداث تفاعل تأكسد واختزال غير تلقائي في خلايا التحليل الكهربائي.

• يُلاحَظ هل حدث تفاعل؟ وما الدليل على حدوثه؟ وهل تختلف الفلزّات في نشاطها في التفاعل مع الحمض؟
• التحليل والاستنتاج: أُحدّدُ الفلزّات التي تفاعلت مع حمض الهيدروكلوريك ⁦HCl⁩، وأُرتّبُ الفلزّات حسب نشاطها في تفاعلها مع الحمض.
• وأكتبُ معادلات كيميائية موزونة للفلزّات التي تفاعلت مع الحمض.
• وأُحدّدُ التغيُّر الذي طرأ على شحنة كل فلزّ في التفاعلات السابقة. ما نوع التفاعل؟

• أُوضّح مفاهيم التأكسد والاختزال، وعدد التأكسد، والعامل المؤكسد، والعامل المختزل، والتأكسد والاختزال الذاتي.
• أُحدّد عدد التأكسد لذرّات العناصر في الموادّ المختلفة.
• أُوازن معادلات التأكسد والاختزال بطريقة نصف التفاعل.

التأكسد والاختزال: من الأكسجين إلى الإلكترونات

• وتعدُّ تفاعلات التأكسد والاختزال من التفاعلات الكيميائيّة المهمّة:
• تحدث في بعض العمليّات الحيويّة، مثل البناء الضوئيّ والتنفس وتحرير الطاقة من الغذاء.
• 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.

• استخدم الكيميائيّون القدامى مصطلح التأكسد لوصف تفاعل المادّة مع الأكسجين، ومصطلح الاختزال لوصف نزع الأكسجين من المادّة، كما يوضّح التفاعل الآتي:
• $2\text{Fe}_2\text{O}_3{}_{\text{(s)}} + 3\text{C}{}_{\text{(s)}} \rightarrow 3\text{C}\text{O}_2{}_{\text{(g)}} + 4\text{Fe}{}_{\text{(s)}}$
• فالتأكسد حدث للكربون لأنه ارتبط بالأكسجين، أمّا الاختزال فقد حدث عند نزع الأكسجين من أُكسيد الحديد ⁦III⁩.

• ومع مرور الوقت، تطوّر مفهوم التأكسد والاختزال ليشمل تفاعلاتٍ أخرى لا تتضمّن التفاعل مع الأكسجين، فعُرِّف كما يأتي:

وماذا عن المادة التي تكسب الإلكترونات بدلًا من أن تفقدها؟

• وتُعَدُّ عمليتا التأكسد والاختزال متلازمتين؛ تحدث إحداهما مع حدوث الأخرى.

نصف التفاعل: من يفقد الإلكترونات ومن يكسبها؟

• كلٌّ من الكالسيوم والكلور في المواد المتفاعلة مُتعادِل الشحنة.
• مركّب ⁦CaCl₂⁩ الناتج أيونيّ، تكوّن من اتّحاد أيون الكالسيوم الموجب ⁦Ca²⁺⁩ وأيوني الكلوريد السالبين ⁦2Cl⁻⁩.
• تكوّن أيون الكالسيوم نتيجة تأكسد ذرّة الكالسيوم بفقد إلكترونين.
• واختُزلت ذرّتا الكلور في جزيء ⁦Cl₂⁩، إذ تكسب كلُّ ذرّة منه إلكترونًا واحدًا.

• نصف تفاعل التأكسد:
• $\text{Ca} \rightarrow \text{Ca}^{2+} + 2e^-$
• نصف تفاعل الاختزال:
• $\text{Cl}_2 + 2e^- \rightarrow 2\text{Cl}^-$
• عدد الإلكترونات المفقودة خلال عمليّة التأكسد يساوي عدد الإلكترونات المكتسبة خلال عمليّة الاختزال.

أُحدّدُ الذرّات التي تأكسدت أو اختُزلت في التفاعلات الآتية:

$2\text{K}{}_{\text{(s)}} + \text{Br}_2{}_{\text{(l)}} \rightarrow 2\text{K}\text{Br}{}_{\text{(s)}}$ $\text{C}{}_{\text{(s)}} + \text{O}_2{}_{\text{(g)}} \rightarrow \text{C}\text{O}_2{}_{\text{(g)}}$

أكتبُ نصفَ تفاعل التأكسد ونصفَ تفاعل الاختزال للتفاعل الآتي:

عدد التأكسد: كيف نتتبّع الإلكترونات في الروابط التساهمية؟

• لا تقتصر تفاعلات التأكسد والاختزال على تكوين مركّبات أيونيّة فقط.
• بل تتضمّن أيضًا تكوين مركّبات جزيئيّة ترتبط ذرّاتُ عناصرها بروابط تساهميّة؛ إذ لا تحدث فيها عمليّة فقدٍ وكسبٍ للإلكترونات بشكل كُلّي.

• الرابطة بين ذرّتي الهيدروجين رابطةٌ تساهميّة غير قطبيّة، وكذلك الرابطة بين ذرّتي الكلور.
• أمّا في كلوريد الهيدروجين فالرابطة بين ذرّتي الكلور والهيدروجين رابطةٌ تساهميّة قطبيّة.
• السالبيّة الكهربائيّة للكلور أعلى من الهيدروجين؛ فيكون زوجُ الإلكترونات الرابطة مُزاحًا باتجاه ذرّة الكلور دون أن يحدث له انتقال كُلّي.
• فتظهر على ذرّة الهيدروجين شحنة جزئيّة موجبة، ويظهر على ذرّة الكلور شحنة جزئيّة سالبة، كما يوضّح الشكل (2).

• وبناءً على ذلك وضع العلماء مفهومًا جديدًا يشمل التفاعلاتِ التي لا يحدث فيها انتقالٌ كُلّي للإلكترونات بين الذرّات، يمكن من خلاله تفسيرُ تفاعلات التأكسد والاختزال جميعها، وهو عدد التأكسد:

• وبناءً عليه؛ يكون عدد تأكسد الهيدروجين ⁦(+1)⁩ في جزيء ⁦HCl⁩، وعدد تأكسد الكلور (-1).

ثماني قواعد تحسب بها أي عدد تأكسد

• لمعرفة أعداد التأكسد لذرّات العناصر والتغيُّرات التي تحصل لها في تفاعلات التأكسد والاختزال؛ وُضعت مجموعة من القواعد لحسابها، كما في الجدول (1):

كيف نحسب عدد تأكسد ذرّة في مركّب أو أيون؟

• أكتب الصيغة الكيميائيّة للمركّب أو الأيون، ثمَّ أُحدّدُ بناءً على القواعد في الجدول أعدادَ تأكسد ذرّات العناصر المعلومة.
• ثمَّ أُطبّقُ القاعدة رقم 7، أو القاعدة رقم 8 إذا كانت الصيغة تمثّل أيونًا.

• للكبريت في مركّباته السابقة أعداد تأكسد (⁦+4⁩، +6، -2) بالترتيب؛ فقد يكون لذرّات العنصر الواحد أكثر من عدد تأكسد في مركّباته أو أيوناته المختلفة.

أُحدّدُ عدد التأكسد لذرّة العنصر الذي تحته خطّ في كلٍّ منَ المركّبات أو الأيونات الآتية:

$H_3\underline{I}O_6^{2-}$، $H\underline{Cl}O_4$، $\underline{Fe}Cl_3$، $Al\underline{H}_3$، $\underline{P}O_4^{3-}$، $\underline{Cr}(OH)_3$، $\underline{P}_4$

كيف تدلّنا أعداد التأكسد على من تأكسد ومن اختُزل؟

• يُستفاد من حساب أعداد التأكسد في معرفة ذرّات أو أيونات العناصر التي تأكسدت أو اختُزلت في تفاعلات التأكسد والاختزال.

• لمعرفة الذرّات أو الأيونات التي تأكسدت أو اختُزلت تُحسَب أعداد التأكسد ويلاحَظ التغيُّر فيها:

• نقصان عدد تأكسد أيون الفضة ⁦Ag⁺⁩ من ⁦(+1 ← 0)⁩، وزيادة عدد تأكسد ذرّة النحاس ⁦Cu⁩ من ⁦(0 ← +2)⁩.
• ومعامل المادة في المعادلة الموزونة لا يؤثر في حساب عدد التأكسد.
• يدلُّ النقص في عدد التأكسد على حدوث عمليّة اختزال.
• وتدلُّ الزيادة في عدد التأكسد على حدوث عمليّة تأكسد.
• أي أنَّ أيونات الفضّة ⁦Ag⁺⁩ في التفاعل قد اختُزلت، أمّا ذرّات النحاس ⁦Cu⁩ فقد تأكسدت، ويمكن توضيح ذلك باستخدام أنصاف التفاعلات:
• نصف تفاعل التأكسد (زيادة في عدد التأكسد):
• $\text{Cu}{}_{\text{(s)}} \rightarrow \text{Cu}^{2+}{}_{\text{(aq)}} + 2e^-$
• نصف تفاعل الاختزال (نقصان في عدد التأكسد):
• $2\text{Ag}^+{}_{\text{(aq)}} + 2e^- \rightarrow 2\text{Ag}{}_{\text{(s)}}$

أُحدّدُ الذرّات التي تأكسدت والذرّات التي اختُزلت اعتمادًا على التغيُّر في أعداد التأكسد في التفاعلات الآتية:

1. $\text{C}\text{H}_4{}_{\text{(g)}} + 2\text{O}_2{}_{\text{(g)}} \rightarrow \text{C}\text{O}_2{}_{\text{(g)}} + 2\text{H}_2\text{O}{}_{\text{(g)}}$ 2. $\text{Si}\text{Cl}_4{}_{\text{(l)}} + 2\text{Mg}{}_{\text{(s)}}$ $\rightarrow 2\text{Mg}\text{Cl}_2{}_{\text{(s)}} + \text{Si}{}_{\text{(s)}}$

من يؤكسد ومن يختزل: العاملان في كل تفاعل

• ومن الأمثلة على العوامل المؤكسدة: KMnO₄، K₂Cr₂O₇، F₂.

• ومن الأمثلة على العوامل المختزلة: LiAlH₄، NaBH₄.
• وكلُّ تفاعل تأكسد يحتاج إلى عامل مؤكسد ليحدث، وكل تفاعل اختزال يحتاج إلى عامل مختزل ليحدث.
• أي أن كل تفاعل تأكسد واختزال يحتوي على عامل مؤكسد وعامل مختزل.
• ويوضّح الشكل (3) عمليتَي التأكسد والاختزال، والأمثلة الآتية توضّح كيفيّة تحديد العامل المؤكسد والعامل المختزل.

هل يحتاج حدوث التحوُّلات الآتية إلى عامل مؤكسد أم عامل مُختزل؟ أُفسِّرُ إجابتي.

أ) $\text{I}_2 \rightarrow 2\text{I}^-$ ب) $\text{Sn}^{2+} \rightarrow \text{Sn}^{4+}$ جـ) $\text{Mn}^{2+} \rightarrow \text{Mn}\text{O}_2$

أُحدّدُ العاملَين المؤكسد والمُختزل في التفاعل الآتي:

حين تؤكسد المادة نفسها وتختزل نفسها

• تتضمَّنُ تفاعلات التأكسد والاختزال وجودَ عامل مؤكسد وعامل مُختزل، ولكن وُجد في بعض التفاعلات أنَّ المادة نفسَها تسلك عاملًا مؤكسدًا وعاملًا مُختزلًا في التفاعل نفسه.

• أُحدّدُ أعداد التأكسد لجميع الذرّات في التفاعل كالآتي:

• عدم تغيُّر عدد تأكسد الهيدروجين؛ أمّا الأكسجين:
• اختُزل وقلَّ عدد تأكسده من (-1 في ⁦H₂O₂⁩ إلى -2 في ⁦H₂O⁩)، فيكون ⁦H₂O₂⁩ عاملًا مؤكسدًا.
• وتأكسد وزاد عدد تأكسده من (-1 في ⁦H₂O₂⁩ إلى 0 في ⁦O₂⁩)، فيكون ⁦H₂O₂⁩ عاملًا مُختزلًا.
• ولأنَّ التأكسد والاختزال حدثا للعنصر نفسه وهو الأكسجين في ⁦H₂O₂⁩؛ فالتفاعلُ يمثِّلُ تأكسدًا واختزالًا ذاتيًّا.

أُحدّدُ المعادلات التي تمثِّل تفاعلَ تأكسد واختزال ذاتي:

أ) $2\text{Cl}\text{O}_3^-{}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{Cl}\text{O}_4^-{}_{\text{(aq)}} + \text{Cl}\text{O}_2^-{}_{\text{(aq)}}$ ب) $\text{H}_2\text{S}\text{O}_4{}_{\text{(aq)}} + \text{Mg}{}_{\text{(s)}} \rightarrow \text{Mg}^{2+}{}_{\text{(aq)}} + \text{S}\text{O}_4^{2-}{}_{\text{(aq)}} + \text{H}_2{}_{\text{(g)}}$ جـ) $2\text{Cu}\text{Cl}{}_{\text{(aq)}} \rightarrow \text{Cu}\text{Cl}_2{}_{\text{(aq)}} + \text{Cu}{}_{\text{(s)}}$

ماذا تحقق المعادلة الموزونة؟

• تحقق معادلة التأكسد والاختزال الموزونة قانون حفظ الكتلة؛ ممّا يعني أنَّ أنواع ذرّات العناصر المكوِّنة للمواد المتفاعلة وأعدادها مماثلةٌ لها في المواد الناتجة.
• وتحقق 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.
• ومجموع شحنات المواد المتفاعلة يساوي مجموعَها للمواد الناتجة، ويساوي ⁦(+2)⁩.
• وعليه؛ يكون عدد الإلكترونات التي فقدتها ذرّة المغنيسيوم يساوي عدد الإلكترونات التي اكتسبها أيونا الهيدروجين، وتساوي (2).
• ولمّا كانت موازنة معادلات التأكسد والاختزال جميعها بطريقة المحاولة والخطأ غير ممكنة؛ فقد طوَّرَ العلماء طرائقَ أخرى لموازنتها، منها طريقة نصف التفاعل.

طريقة نصف التفاعل: أربع خطوات لموازنة أي معادلة

• تعتمد طريقة نصف التفاعل ⁦Half-Reaction method⁩ لموازنة معادلة التأكسد والاختزال على:
• 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.
• والمثال الآتي يوضِّح ذلك:

الوسط الحمضي: الماء وأيونات الهيدروجين شريكان في التفاعل

• تحدث معظم تفاعلات التأكسد والاختزال في المحاليل المائيَّة في أوساط حمضيَّة أو قاعديَّة.
• لذلك فإنَّ خطوات موازنة معادلاتها تحتاج إلى خطوات إضافيَّة بحسب طبيعة الوسط.
• عند حدوث تفاعل التأكسد والاختزال في وسط حمضي؛ فإنَّ الماء وأيونات الهيدروجين يكونان جزءًا من التفاعل؛ لذلك يُستخدمان في موازنة المعادلات.

أوازن المعادلتين الآتيتين بطريقة نصف التفاعل في الوسط الحمضي، وَأُحَدّدُ العامل المؤكسد والعامل المُختزل في كلٍّ منهما:

1. $\text{Br}\text{O}_3^-{}_{\text{(aq)}} + \text{C}_2\text{O}_4^{2-}{}_{\text{(aq)}}$ $\rightarrow \text{Br}^-{}_{\text{(aq)}} + \text{C}\text{O}_2{}_{\text{(g)}}$ 2. $\text{As}{}_{\text{(s)}} + \text{Cl}\text{O}_3^-{}_{\text{(aq)}}$ $\rightarrow \text{H}_3\text{As}\text{O}_3{}_{\text{(aq)}} + \text{H}\text{Cl}\text{O}{}_{\text{(aq)}}$

الوسط القاعدي: نوازن كما في الحمضي أولًا ثم نُعادل أيونات الهيدروجين

• تُوازَن معادلات التأكسد والاختزال في وسط قاعدي بالخطوات نفسِها المتَّبعة في موازنتها في الوسط الحمضي، ثمَّ:
• 1. يُضاف عددٌ من أيونات الهيدروكسيد ⁦OH⁻⁩ مساوٍ لعدد أيونات الهيدروجين ⁦H⁺⁩ في المعادلة الموزونة في الوسط الحمضي إلى طرفي المعادلة.
• وتتعادل أيوناتُ الهيدروجين ⁦H⁺⁩ مع أيونات الهيدروكسيد ⁦OH⁻⁩ مكوِّنةً عددًا من جزيئات الماء ⁦H₂O⁩.
• 2. تُختَصَرُ جزيئاتُ الماء في طرفي المعادلة أو تُجمع إذا كانت في الطرف نفسه، بحيث تظهر في أحد أطراف التفاعل الكلّيّ الموزونة.
• وبذلك نحصل على معادلة موزونة في الوسط القاعدي.

حين تكون هناك مادة متفاعلة واحدة فقط

• عند وجود مادة متفاعلة واحدة فقط في المعادلة أستخدمُها في كلٍّ من نصف تفاعل التأكسد ونصف تفاعل الاختزال.

أوازن المعادلتين الآتيتين بطريقة نصف التفاعل في الوسط القاعدي، وأُحَدّدُ العامل المؤكسد والعامل المُختزل في كلٍّ منهما:

1. $\text{C}\text{N}^-{}_{\text{(aq)}} + \text{As}\text{O}_4^{3-}{}_{\text{(aq)}}$ $\rightarrow \text{As}\text{O}_2^-{}_{\text{(aq)}} + \text{O}\text{C}\text{N}^-{}_{\text{(aq)}}$ 2. $\text{Ni}\text{O}_2{}_{\text{(s)}} + \text{S}_2\text{O}_3^{2-}{}_{\text{(aq)}}$ $\rightarrow \text{Ni}\text{(OH)}_2{}_{\text{(aq)}} + \text{S}\text{O}_3^{2-}{}_{\text{(aq)}}$