تفاعلات التأكسد والاختزال

• تفاعلات التأكسد والإختزال :
• تعد تفاعلات التأكسد والإختزال من التفاعلات المهمة في حياتنا فلها العديد من الإستخدامات مثل :

أ) تستخدم في إستخلاص الفلزات من خاماتها .

   ب) تستخدم في البطاريات كبطارية السيارة وبطارية الهاتف المحمول والساعات وغيرها.

   جـ) يستفاد منها في إنتاج الطاقة داخل أجسام الكائنات الحية.

• مفهوم التأكسد والإختزال قديمًا :

 مفهوم التأكسد قديمًا : هو ارتباط العناصر مع الأكسجين وتكوين أكاسيد العناصر

 مفهوم الإختزال قديمًا: هو نزع الأكسجين من خامات أكاسيد بعض الفلزات .

  مثال(1) : 

  تفاعل الحديد (Fe) مع أكسجين الهواء(O₂)  لتكوين أكسيد الحديد  كما في المعادلة الأتية :

$\mathbf{4}{\mathbf{Fe}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{3}{\mathbf{O}}_{{\mathbf{2}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{g}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }\mathbf{2}{\mathbf{Fe}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{{\mathbf{3}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}$

             

نلاحظ أن الأكسجين قد إرتبط مع الحديد وكون أكسيد الحديد بالتالي فإن الحديد قد تأكسد

مثال (2) :

تفاعل أكسيد النحاس( OCu) مع غاز الهيدروجين ( H₂) كما في المعادلة الأتية :

${{\mathbf{CuO}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{ }{\mathbf{H}}_{{\mathbf{2}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{g}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{l}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }{\mathbf{Cu}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$   

نلاحظ أن أكسيد النحاس(CuO)  قد نزع منه الأكسجين وبالتالي فإنه قد حدث  إختزال

مثال (3) :

تفاعل أكسيد الألمنيوم (Al₂O₃) مع الكربون (C)  كما في المعادلة التالية الأتية :

         $\mathbf{2}{\mathbf{Al}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{{\mathbf{3}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{S}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{3}{\mathbf{C}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{S}\mathbf{\right)}\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{3}{\mathbf{CO}}_{{\mathbf{2}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{g}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{4}{\mathbf{Al}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$

             نلاحظ أن الكربون (C) إرتبط مع الأكسجين وبالتالي فإن الكربون قد تأكسد 

              نلاحظ أن أكسيد الألمنيوم (Al₂O₃) قد نزع منه الأكسجين وبالتالي فإنه قد حدث إختزال.

 

• المفهوم القديم لا ينطبق على الكثير من التفاعلات غير المتضمنة لتفاعل عنصر مع الأكسجين أو نزعه من خامتها

                    مثال على هذه التفاعلات :     

                                 ${\mathbf{Zn}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }{\mathbf{CuCl}}_{{\mathbf{2}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{\mathbf{ZnCl}}_{{\mathbf{2}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}\mathbf{ }}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{ }{\mathbf{Cu}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$

                 

• لذلك ظهر مفهومًا أخر أكثر شمولية للتأكسد والإختزال .

---

 

• مفهوم التأكسد والإختزال حديثًا :

               مفهوم التأكسد : هو عملية فقدان المادة للإلكترونات أثناء التفاعل .

                  مفهوم الإختزال : هو عملية كسب المادة للإلكترونات أثناء التفاعل .

• تفقد بعض الذرات الإلكترونات خلال تفاعلات التأكسد والإختزال وتكسبها الأخرى

         لكن : كيف يمكننا أن نحدد المادة التي تفقد أو المادة التي تكسب الإلكترونات ؟؟

                    لذلك يجب أن نتذكر بعض المعلومات الهامة :

                 تذكر : 

                                                  في الجدول الدوري

              الفلزات : تميل لفقد الإلكترونات وتحمل الشحنة الموجبة عند تفاعلها مع غيرها

              اللافلزات : تميل لكسب الإلكترونات وتحمل الشحنة السالبة عند تفاعلها مع غيرها

                                             لذلك فإن :

    عناصر المجموعة الأولى مثل  (K, Na, Li) ----< عندما تفقد الكترونًا واحدًا أثناء تفاعلها تحمل شحنة +1

    عناصر المجموعة الثانية مثل (Mg, Ca) ---< عندما تفقد الكترونين أثناء تفاعلها تحمل شحنة +2

    عناصر المجموعة الثالثة مثل  (Al) ---< عندما تفقد 3 الكترونات أثناء تفاعلها تحمل الشحنة +3

    عناصر المجموعة الخامسة مثل (N) ---> عندما تكسب 3 الكترونات خلال تفاعلها تحمل الشحنة -3

     عناصر المجموعة السادسة مثل (O) ---> عندما تكسب الكترونين أثناء تفاعلها تحمل الشحنة -2

     عناصر المحموعة السابعة مثل (F, Cl, Br, I) ---< عندما تكسب الكترون واحدًا أثناء تفاعلها تحمل الشحنة -1

                               هناك بعض الأيونات متعدد الذرات وتحمل شحنة مثل :

                                      مجموعة الكبريتات (SO₄^-2)

                                      مجموعة النترات (NO₃^-)

                                     مجموعة الهيدروكسيد (^-OH)

     مثال(4) :

يتفاعل المغنيسيوم (Mg) مع أكسجين الهواء (O₂) لتكوين أكسيد المغنيسيوم (MgO) وفق المعادلة الكيميائية الموزونة الأتية :

                      ${\mathbf{2}{\mathbf{Mg}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }{\mathbf{O}}_{{\mathbf{2}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{g}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{2}{\mathbf{MgO}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$

                                              

إذا علمت أن العدد الذري للمغنيسيوم (12) وأن العدد الذري للأكسجين (8) فأجب عن الأسئلة التالية :

1) ما عدد الإلكترونات في المدار الأخير في كل من الذرتين :

2) أي من الذرتين تفقد الإلكترونات وأي منهما تكسبها :

3) ما عدد الإلكترونات المفقودة والمكتسبة :

الحل : .

1) تذكر أن : العدد الذري = عدد البروتونات = عدد الإلكترونات في الذرة المتعادلة

وأننا نحصل على عدد الكترونات المدار الأخير من التوزيع الإلكتروني لكل من الذرتين :

Mg_12: 2, 8, 2                                     O₈: 2, 6

 إذًا :

 عدد الكترونات المدار الأخير للمغنيسيوم هو 2

 عدد الكترونات المدار الأخير للأكسجين هو 6

2) تذكر : أن الذرة تكون مستقرة إذا كان مدارها الأخير ممتلئ بالإلكترونات (مثل العناصر النبيلة التي يكون في مدارها الأخير

        8 الكترونات ما عدا الهيليوم )

   لذلك :

 فإن المغنيسيوم بحاجة لفقد الإلكترونين من مداره الأخير لتصبح شحنته +2 بالتالي هو قدحدث له  تأكسد لأنه فقد الإلكترونات

أما الأكسجين فهو بحاجة لكسب الإلكترونين في مدراه الأخير لتصبح شحنته -2 بالتالي هو قد حدث له إختزال لانه أكستب الإلكترونات

3) عدد الإلكترونات المفقودة والمكتسبة في كلتا الذرتين هو 2

للتوضيح :

بطريقة أخرى :

 بما أن المغنيسيوم هو من عناصر المجموعة الثانية وتصبح شحنته بعد التفاعل +2 إذا هو قد تأكسد (لأنه فقد الإلكترونات ) 

 وبما أن الأكسجين هو من عناصر المجموعة السادسة وتصبح شحنته بعد التفاعل -2 إذا هو قد إختزل (لأنه أكتسب  اإلكترونات )  

                                                

ملاحظات :

• التأكسد والإختزال متلازمان  (أي أنه لا يمكن أن  يحدث تأكسد دون حدوث إختزال )

                 (حيث تفقد مادة الكترونات وتكسبها الأخرى )

• في تفاعل التأكسد والإختزال فإن عدد الإلكترونات المفقودة يساوي عدد الإلكترونات المكتسبة

 

• معادلة تفاعل التأكسد والإختزال :

1) تقسم معادلة تفاعل التأكسد والإختزال لنصفين  :

أ) نصف تفاعل تأكسد ( فقد الإلكترونات ) : تكتب فيه الإلكترونات على يمين السهم  أي مع النواتج

ب) نصف تفاعل إختزال (كسب الإلكترونات ) : تكتب فيه الإلكترونات على يسار السهم  أي مع المتفاعلات

2) يرمز للإلكترونات بالرمز e^-

3) عند كتابة معادلة التفاعل الكلي تحذف الإلكترونات التي أكتسبت والي فقدت

 

مثال(5) :

يتفاعل الخارصين (Zn) مع محلول كبريتات النحاس (CuSO₄) وفق المعادلة الموزونة الأتية  :

${{\mathbf{Zn}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }{\mathbf{CuCl}}_{{\mathbf{2}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{{\mathbf{ZnCl}}_{\mathbf{2}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }{\mathbf{Cu}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$

          

1) أي منها تأكسد وأي منها يكون قد إختزل  :

2) اكتب نصف تفاعل التأكسد ونصف تفاعل الإختزال : ثم أكتب معادلة التفاعل الكلي

3) ما هو عدد الإلكترونات المفقودة والمكتسبة خلال عملية التأكسد والإختزال :

  الحل :

1) نكتب المعادلة على شكل أيونات

${{\mathbf{Zn}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{+}{\mathbf{(}{\mathbf{Cu}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}\mathbf{ }}\mathbf{+}\mathbf{ }{\mathbf{SO}}_{\mathbf{4}}^{\mathbf{-}\mathbf{2}\mathbf{ }}\mathbf{)}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{\mathbf{(}\mathbf{ }{\mathbf{Zn}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}\mathbf{+}{\mathbf{SO}}_{\mathbf{4}}^{\mathbf{-}\mathbf{2}\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{)}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}\mathbf{ }\mathbf{ }}\mathbf{+}{\mathbf{Cu}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$

  نلاحظ أن ذرات الخارصين (Zn) قد تأكسدت لأنها قد تحولت إلى أيونات الخارصين الموجبة (Zn⁺²)

   نلاحظ أن أيونات النحاس الموجبة (Cu⁺²) قد أختزلت وتحولت إلى ذرات النحاس المتعادلة (Cu)

2)  (نصف تفاعل التأكسد) :     ${\mathbf{Zn}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}\mathbf{\to }\mathbf{ }{{\mathbf{Zn}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{2}{\mathbf{e}}^{\mathbf{-}}$

    (نصف تفاعل الإختزال) :    ${{\mathbf{Cu}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{2}{\mathbf{e}}^{\mathbf{-}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{\mathbf{Cu}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$

معادلة التفاعل الكلي نقوم بجمع معادلتي التأكسد والإختزال ولا نكتب الإلكترونات لأن الإلكترونات المفقودة من الذرة التي

تأكسدت قد أكتسبتها الذرة التي أختزلت وايضَا أيونات الكبريتات ( SO₄^-2) لأنه لم يحدث لها أي تغيير وبقيت شحنتها كما هي

أي أنه لم يتأكسد أو يختزل وبذلك فإنه يمكن حذفه من المعادلة .

(معادلة التفاعل الكلي ) :     ${{\mathbf{Zn}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }{{\mathbf{Cu}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{{\mathbf{Zn}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }{\mathbf{Cu}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$

سؤال :

تأمل كلًأ من المعادلتين الأتيتين، ثم أجب عن الأسئلة التي تليهما :

$$\begin{gathered} {{\mathbf{Ca}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }{\mathbf{Ni}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{Ca}{\mathbf{ }}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}{\mathbf{Ni}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}} \\ {{\mathbf{Al}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{Fe}{\mathbf{\left(}{\mathbf{NO}}_{\mathbf{3}}\mathbf{\right)}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }\mathbf{Al}{\mathbf{\left(}{\mathbf{NO}}_{\mathbf{3}}\mathbf{\right)}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{+}{\mathbf{Fe}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}} \end{gathered}$$

        

1) حدد الذرات التي تأكسدت والتي اختزلت في كلتا المعادلتين

2) أكتب معادلة نصف تفاعل  التأكسد ومعادلة نصف تفاعل الإختزال في كل من المعادلتين

3) ما عدد الإلكترونات المفقودة وعدد الإلكترونات المكتسبة في كل من المعادلتين

الحل:

1)  الذرات التي تأكسدت : المعادلة الأولى (Ca)                        المعادلة الثانية (Al)

     الذرات التي أختزلت : المعادلة الأولى (أيونات Ni⁺²)          المعادلة الثانية (أيونات Fe⁺³)

2)    نصف تفاعل التأكسد في المعادلة الأولى :                                       نصف تفاعل التأكسد للمعادلة الثانية :

${{\mathbf{Ca}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{{\mathbf{Ca}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{2}{\mathbf{e}}^{\mathbf{-}}$                                  ${{\mathbf{Al}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{{\mathbf{Al}}^{\mathbf{+}\mathbf{3}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{3}{\mathbf{e}}^{\mathbf{-}}$                                        

      نصف تفاعل الإختزال في المعادلة الأولى  :                                      نصف تفاعل الإختزال في المعادلة الثانية:

${{{\mathbf{Ni}}^{\mathbf{+}\mathbf{2}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{2}{\mathbf{e}}^{\mathbf{-}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{\mathbf{Ni}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$                                                                ${{{\mathbf{Fe}}^{\mathbf{+}\mathbf{3}}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{aq}\mathbf{\right)}}}_{\mathbf{ }}\mathbf{+}\mathbf{ }\mathbf{3}{\mathbf{e}}^{\mathbf{-}}\mathbf{ }\mathbf{\to }\mathbf{ }{\mathbf{Fe}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}$

3) عدد الإلكترونات المفقودة  أوالمكتسبة :   في المعادلة الأولى = 2        في المعادلة الثانية = 3