تفاعلات الأكسدة والاختزال

تفاعلات الأكسدة والاختزال

تفاعلات الأكسدة والاختزال (Redox Reactions) هي نوع من التفاعلات الكيميائية التي تشمل نقل الإلكترونات بين المواد. هذه التفاعلات مهمة جدًا في العديد من العمليات الكيميائية والبيولوجية والصناعية.

تشمل هذه التفاعلات تغييرات في حالة الأكسدة( عدد التأكسد)  للمواد المتفاعلة، حيث تكتسب مادة ما إلكترونات (تختزل) وتفقد مادة أخرى إلكترونات (تتأكسد).

تعريف الأكسدة:

الأكسدة هي عملية كيميائية تفقد فيها مادة الإلكترونات إلى مادة أخرى. يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى تكوين نوع كيميائي جديد ، مثل أكسيد أو ملح ، وعادة ما يكون مصحوبًا بتغيير في اللون أو الرائحة أو خصائص أخرى للمادة.

تعتبر الأكسدة جزءًا مهمًا من العديد من التفاعلات الكيميائية ، وغالبًا ما تشارك في تكوين مركبات جديدة أو إطلاق الطاقة.

تحدث الأكسدة عندما تفقد الذرة إلكترونًا واحدًا أو أكثر أثناء تفاعل كيميائي ، مما يعني أن عدد تأكسدها يزداد.

وذلك لأن الذرة تفقد الشحنة السالبة للإلكترون ، والتي تشبه اكتسابها شحنة موجبة ، مما يزيد من عدد التأكسد .

2I ^– (aq) → I ₂ (s)

Zn (s) → Zn ²⁺ (aq)

الصدأ هو المثال الكلاسيكي للأكسدة. معدن الحديد يخضع للأكسدة لتكوين أكسيد الحديد البني (III).

تشمل الأمثلة الأخرى لتفاعلات الأكسدة معدن الزنك الذي يحل محل النحاس في محلول ، مع أكسدة الزنك إلى أيون الزنك (II).

Zn + CuCl ₂ → ZnCl ₂ + Cu

 وحرق أي شيء في الأكسجين ، مثل السكر أو الماغنيسيوم ، هو تفاعل أكسدة.

تعريف الاختزال :

يحدث الاختزال عندما تكتسب الذرة إلكترونًا واحدًا أو أكثر أثناء تفاعل كيميائي . هذا يعني أن عدد التأكسد الخاص به يتناقص.

 هذا لأن الإلكترون له شحنة سالبة ، وبالتالي عندما تكتسب الذرة إلكترونًا ، فإنها تكتسب شحنة سالبة ، مما يقلل من عدد التأكسد.

العامل المؤكسد هو النوع الذي يخضع للاختزال. قد يكون الأمر محيرًا بعض الشيء في البداية ، لكن تذكر دائمًا أن العامل المؤكسد يتسبب في تأكسد نوع آخر.

Cu²⁺ (aq) → Cu (s)

F₂ (g) → 2F^– (g)

مفاهيم مهمة:

• الأكسدة: نوع من التفاعلات الكيميائية حيث يتم فقدان إلكترون واحد أو أكثر.
• عدد التأكسد : رقم مخصص للذرة يصف درجة أكسدتها، أي عدد الإلكترونات التي اكتسبتها أو فقدتها.
• الاختزال: نوع من التفاعلات الكيميائية حيث يتم اكتساب إلكترون واحد أو أكثر.
• تفاعل الأكسدة والاختزال : تفاعل كيميائي يحدث فيه الأكسدة والاختزال في وقت واحد

مكونات تفاعلات الأكسدة والاختزال

1. العامل المؤكسد (Oxidizing Agent): هو المادة التي تكتسب إلكترونات وبالتالي تختزل.
2. العامل المختزل (Reducing Agent): هو المادة التي تفقد إلكترونات وبالتالي تتأكسد.
3. نصف التفاعل الأكسدة (Oxidation Half-Reaction): هو الجزء من التفاعل الذي يشمل فقدان الإلكترونات.
4. نصف التفاعل الاختزال (Reduction Half-Reaction): هو الجزء من التفاعل الذي يشمل اكتساب الإلكترونات.

عوامل مؤكسدة مهمة:

1- تتكون الجزيئات من عناصر سالبة الكهربية مثل: O2 و O3 و X2 ( هالوجينات).

2- المركبات التي تحتوي على عنصر في حالة أكسدة أعلى، على سبيل المثال : KMnO4 ، K2Cr2O7 ، HNO3 ، KClO3.

3- أكاسيد المعادن واللافلزات مثل : MgO, CuO , CrO3 , P4O10

4- الفلور هو أقوى عامل مؤكسد.

عوامل الاختزال المهمة

1- جميع المعادن، على سبيل المثال، Na، Zn، Fe، Al.

2- بعض اللافلزات مثل C، الهيدروجين، S، P.

3- الهيدرات الحمضية، على سبيل المثال، HCl، HBr، HI، H 2 S

4- تحتوي بعض المركبات على عنصر في حالة الأكسدة المنخفضة. مثال على ذلك، FeCl 2 وFeSO 4 وSnCl 2 وHg 2 Cl 2

5- الهيدريدات المعدنية، بما في ذلك NaH، LiH، CaH 2 ، وما إلى ذلك.

6-المركبات العضوية مثل HCOOH

7-الليثيوم هو أقوى عامل اختزال في المحلول، والسيزيوم هو أقوى عامل اختزال في غياب الماء.

المواد التي تعمل كعوامل مؤكسدة وعوامل اختزال هي H 2 O 2 و SO 2 و H 2 SO 3 و HNO 2 و NaNO 2

ملاحظات حول تفاعلات الأكسدة والاختزال:   

1-  يتم استخدام عبارة “الأكسدة” لأنه تاريخيًا ، كانت أول تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تمت ملاحظتها هي تلك التي تتضمن الأكسجين .وفي البداية كان يقتصر مفهوم “التأكسد” على أنه تفاعل المادة مع الأكسجين، ومفهوم “الإختزال” هو نزع ذرات الأكسجين من المركب.

2- تفاعلات الأكسدة والاختزال: تتضمن كليهما ، تضع تفاعلات الأكسدة والاختزال تفاعلين نصفين (اختزال واحد ، أكسدة واحدة) معًا في معادلة كاملة. لأنه لا يمكن أن توجد الإلكترونات بصورة منفردة، فإن ما تفقده مادة من الالكترونات فى تفاعل ما لابد ان يكتسب من قبل مادة أخرى فى التفاعل نفسه.

وهذا يعني أنه لابد من حدوث “تلازم” بين عمليتي الأكسدة و الإختزال، فلا يمكن أبداً أن تحدث أحداهما إلا بحدوث الأخرى .

وبالتالي ، فإن تفاعل الأكسدة والاختزال هو تفاعل كيميائي يتضمن نقل الإلكترونات بين نوعين.

CO ₂ (g) + H ₂ (g) → CO (g) + H ₂ O (g)

CH ₄ (g) + O ₂ (g) → CO ₂ (g) + H ₂ O (g)

أمثلة على تفاعلات الأكسدة والاختزال:   

مثال 1 : عندما يتفاعل معدن مع الأكسجين  لتكوين أكسيد، نقول إن المعدن يتعرض للأكسدة بينما يتعرض الأكسجين للاختزال.

يؤدي انتقال الإلكترونات من المعدن إلى الأكسجين إلى تكوين مركب جديد وإطلاق الطاقة. غالبًا ما يستخدم الكيميائيون الأكسدة لشرح سلوك المواد الكيميائية والتغيرات التي تخضع لها أثناء التفاعلات، مما يجعلها مفهومًا مهمًا في الكيمياء.

مثال 2 : عندما يتحول لون شيء ما إلى الأبيض بسبب المبيض أو بيروكسيد الهيدروجين ، نقول إن المادة مؤكسدة. يكتسب أيون هيبوكلوريت في المبيض، أو أيون بيروكسيد، الإلكترونات، وتفقد المادة التي تتحول إلى اللون الأبيض (بشكل افتراضي عامل الاختزال) الإلكترونات.

مثال 3 : احتراق الهيدروكربونات فعند حرق الهيدروكربونات مثل الميثان في وجود الأكسجين ، يتأكسد الكربون والهيدروجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.

التطبيقات العملية لتفاعلات الأكسدة و الاختزال :

1- الخلايا الكهروكيميائية: مثل الخلايا الجلفانية والخلايا الإلكتروليتية، حيث تستخدم تفاعلات الأكسدة والاختزال لتوليد الكهرباء أو لإجراء عمليات تحليل كهربائي.

2- التنفس الخلوي: في الكائنات الحية، تُستخدم تفاعلات الأكسدة والاختزال في سلسلة نقل الإلكترون لإنتاج الطاقة.

3- التمثيل الضوئي: تستخدم النباتات تفاعلات الأكسدة والاختزال لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية.

4- التفاعلات الصناعية: مثل إنتاج الحديد في الفرن العالي، حيث يُختزل أكسيد الحديد بواسطة الكربون.

تطبيقات الحياة الواقعية لتفاعلات الأكسدة والاختزال

• يعتمد إنتاج بعض المواد الكيميائية المهمة أيضًا على التحليل الكهربائي الذي يعتمد بدوره على تفاعلات الأكسدة والاختزال. يتم إنتاج العديد من المواد الكيميائية مثل الصودا الكاوية والكلور وما إلى ذلك باستخدام تفاعلات الأكسدة والاختزال.
• وتستخدم أيضًا تفاعلات الأكسدة والاختزال في تطهير المياه ومواد التبييض.
• يمكن حماية أسطح العديد من المعادن من التآكل عن طريق توصيلها بأنودات التضحية التي تتعرض للتآكل بدلاً من ذلك. ومن الأمثلة الشائعة لهذه التقنية جلفنة الفولاذ.
• تتضمن عملية الإنتاج الصناعي لمنتجات التنظيف عملية الأكسدة.
• يتم إنتاج حمض النيتريك، وهو أحد مكونات العديد من الأسمدة، من خلال تفاعل أكسدة الأمونيا.
• الطلاء الكهربائي هو عملية تستخدم تفاعلات الأكسدة والاختزال لتطبيق طبقة رقيقة من مادة على جسم ما. يستخدم الطلاء الكهربائي في إنتاج المجوهرات المطلية بالذهب.
• يتم فصل العديد من المعادن عن خاماتها بمساعدة تفاعلات الأكسدة والاختزال. ومن الأمثلة على ذلك صهر كبريتيدات المعادن في وجود عوامل الاختزال.
• المصدر الرئيسي للأكسدة هو الأكسجين ، وبالتالي فإن تفاعلات الأكسدة والاختزال أو تفاعلات الأكسدة والاختزال هي المسؤولة عن تلف الأغذية.
• الاحتراق هو نوع من تفاعلات الأكسدة والاختزال، وبالتالي فهو تفاعل أكسدة واختزال. والانفجار هو شكل سريع من أشكال الاحتراق، وبالتالي يمكن التعامل مع الانفجار باعتباره تفاعل أكسدة واختزال. وحتى مكوك الفضاء يستخدم تفاعلات الأكسدة والاختزال. ويؤدي الجمع بين بيركلورات الأمونيوم والألومنيوم المطحون داخل معززات الصواريخ إلى تفاعل أكسدة واختزال.

وختاما يمكننا القول أن تفاعلات الأكسدة والاختزال هي جزء أساسي من الكيمياء ومن حياتنا اليومية، وتطبيقاتها واسعة ومتنوعة من الإنتاج الصناعي إلى العمليات الحيوية الأساسية في الكائنات الحية.

المراجع:

1- موقع https://chemistrytalk.org/redox-reactions/ أطلعت عليه بتاريخ 12/7/2024.

2- موقع https://byjus.com/jee/redox-reactions/ أطلعت عليه بتاريخ 12/7/2024.

3- موقع https://praxilabs.com/en/blog/2021/03/16/applications-of-redox-titration/ أطلعت عليه بتاريخ 12/7/2024.