|
الأكسدة والاختـزال
|
|
||||
مقدمة:
تمثل تفاعلات الأكسدة والاختزال نوعاً مهماً من العمليات الكيميائية التي تحدث في حياتنا اليومية، فالطعام الذي نأكله يتأكسد في أجسامنا ليمدنا بالطاقة اللازمة للحركة والعمل، والسيارة والطائرة تتحركان بالطاقة الناتجة عن أكسدة الوقود، وكذلك نحصل على التيار الكهربائي من البطاريات بعمليات الأكسدة والاختزال والحديد يصدأ نتيجة تعرضه لعملية أكسدة.
|
|
تفاعلات الأكسدة والاختزال oxidation - reduction reactions:
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
وتعرف بالشكل التالي:
والتعريف الأحدث:
|
|
ملاحظة:
|
|
عدد التأكسد:
قواعد حساب أعداد التأكسد:
|
|
3 - المجموع الجبري لأعداد التأكسد للذرات المكونة للجزيء المتعادل يساوي صفراً.
4 - المجموع الجبري لأعداد التأكسد للذرات المكونة للأيون يساوي شحنة الأيون مقداراً وإشارة.
ملاحظة: من الممكن أن يكون لبعض العناصر أكثر من عدد أكسدة. |
| نصفا التفاعل في معادلات الاكسدة والاختزال: سبق أن عرفنا انه لا تحدث عملية الأكسدة إلا بمرافقة عملية الاختزال, أي انهما عمليتان متزامنتان, ومن ثم فمن الناحية النظرية ولأغراض التبسيط فإنه يمكننا ان نقسيم كل تفاعل من هذا النوع إلى قسمين (اصطلح على تسمية كل منهما: نصف تفاعل), حيث يمثل كل واحد منهما إحدى العمليتين الحادثتين في التفاعل الكلي. ولتوضيح ذلك دعنا نعود ثانيةً إلى التفاعل (5-3):
(5-3)
ولنحدد الآن أعداد أكسدة الذرات والأيونات المشمولة في التفاعل لمعرفة المادة التي تتأكسد والمادة التي تُختزل:
إن علينا هنا أن نقسم هذا التفاعل إلى نصفين يمثلان العمليتين اللتين حدئتا فيما (الأكسدة والاختزال) وذلك بربط كل مادة وناتج التغير الذي حدث لها (أكسدة أو اختزال) ووضعها في نصف تفاعل, وبتأمل التفاعل نجد أن عنصر الخارصين يتأكسد إلى أيوناته الثنائية, ويمكن كتابة المادة وناتج أكسدتها في نصف تفاعل كما يلي:
(5-3 أ)
ولكن هذا التفاعل لا يعكس التغير في الإلكترونات التي تفقدها ذرة الخارصين للتحول إلى أيونات, ولذا لا بد من إعادة كتابته على الصورة التالية:
(5-3 ب)
ونلحظ هنا ان الشحنات الكهربائية في طرفي التفاعل متوازنة.
(5-3 ج)
ونلحظ أيضاً هنا أن المعادلة لا تظهر التغير الفعلي في الإلكترونات التي تكتسبها أيونات النحاس الثنائية ولذا فإن المعادلة يجب أن تُعدَّل إلى الصورة التالية:
(5-3 د)
نسمي المعادلة (5-3 ب): نصف تفاعل الأكسدة, والمعادلة (5-3 د): نصف تفاعل الاختزال. |
والجدول يوضح أعداد التأكسد لبعض العناصر في مركباتها.
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
أمثلة:
وللكروم في الجزيء k2cr2o7
:
|
|
في حالة الجزيء
عدد التأكسد للأكسجين= -2
= |
|
|
تطبيق:
|
ملاحظة: ادخل أعداداً فقط.
(كل عدد -ما عدا (0) الصفر -مع إشارته).
|
| عرفت أن عملية الأكسدة يتم فيها فقد الإلكترونات، وعملية الاختزال يتم فيها اكتساب الإلكترونات فماذا يحدث لعدد التأكسد؟ لاحظ المعادلة التالية: ![]() تجد أن أكسيد الحديد iii حدثت له عملية اختزال، صاحبها نقص في عدد تأكسد الحديد من (+3 إلى صفر)، كما أن أول أكسيد الكربون حدثت له عملية أكسدة، وصاحب ذلك زيادة في عدد تأكسد الكربون من (+2 إلى +4). |
الخلاصة:
|
![]() ![]()
|
مما سبق يمكننا التوصل إلى أن:
وفيما يلي أمثلة لبعض العوامل المؤكسدة الشهيرة ، وبعض العوامل المختزلة الشهيرة . |
أولاً: العوامل المؤكسدة: oxidising agents
|
ثانياً: العوامل المختزلة reducing agents:
|
| وزن معادلات الأكسدة والاختزال: شروط المعادلة الكيميائية الموزونة هي: 1 - أن تتفق والحقائق العلمية. |
أولاً: وزن معادلات الأكسدة والاختزال في الوسط الحمضي:
مثال (1):
زن المعادلة الأيونية التالية التي تمثل تفاعل ثاني كرومات البوتاسيوم مع محلول كبريتات الحديد ii، علماً بأن التفاعل يتم في الوسط الحمضي:
cr2
+ fe2+ -> cr3+ + fe3+ |
|
الخطوات
|
| ثانياً: وزن معادلات الأكسدة والاختزال في الوسط القاعدي: مثال (2): زن المعادلة الأيونية التالية التي تمثل تفاعل الخارصين مع نيترات الصوديوم، علماً بأن التفاعل يحدث في الوسط القاعدي:
|
|
الخطوات
|
| مثال (3): زن المعادلة الأيونية التالية التي تمثل تفاعل محلول برمنجنات البوتاسيوم مع محلول كبريتات الحديد ii علماً بأن التفاعل يحدث في الوسط القاعدي:
أ - زن المعادلة السابقة وكأنها تحدث في الوسط الحمضي.
|
| ب - تستكمل الخطوات الباقية للوزن في الوسط القاعدي وهي: 1 - يضاف إلى كل طرف من المعادلة السابقة عدد من أنيونات الهيدروكسيد، لمعادلة كاتيونات الهيدروجين:
2 - تجمع كاتيونات الهيدروجين وأنيونات الهيدروكسيد في الطرف الأيسر لتكوين الماء:
3 - تحذف جزيئات الماء الزائدة من الطرف الأيمن، وما يعادلها في الطرف الأيسر، لتصبح المعادلة في صورتها النهائية:
|
|
تطبيقات عمليات الأكسدة والاختزال:
معظم التفاعلات الكيميائية التي لها تطبيقات هامة في الحياة تعتمد على تفاعلات الأكسدة والاختزال، مثل الحصول على الفلزات من خاماتها لاستخداماتها الصناعية المختلفة، وصناعة البطاريات التي تعطينا التيار الكهربائي، ووقود الصواريخ، ومساحيق قصر الألوان وغيرها.
|
ومن العوامل المؤكسدة الشهيرة برمنجنات البوتاسيوم التي تستخدم لقتل الميكروبات (مادة مطهرة) وكلورات البوتاسيوم التي تستخدم في صناعة المفرقعات.
أما فوق أكسيد الهيدروجين فيستخدم محلوله المخفف مطهراً للفم (غرغرة)، والمركز في بعض صبغات الشعر، إلا أنه يجب الحرص عند استخدامه في صبغات الشعر، لأنه يؤدي إلى تقصف الشعر، وتقرحات في جلد الرأس.
| وزن معادلات الأكسدة والاختزال بطريقة نصف التفاعل (طريقة الأيون - إِلكترون): تمر عملية الوزن باستخدام هذه الطريقة بعدة خطوات تتضمن قسم التفاعل إلى نصفين (نصف الأكسدة ونصف الاختزال) ثم الوصول بعد ذلك إلى التفاعل الموزون. ولفهم ذلك سنعرض للخطوات التي تساعدنا على وزن المعادلات ضمن شرح عملية وزن المعادلة التالية على افتراض أنها تتم في الوسط الحامضي:
(5-6)
|
| الخلايا الكهروكيميائية عرفنا ان بعض التفاعلات الكيميائية يصحبها إنتقال في الإلكترونات وهي تفاعلات الأكسدة والاختزال, ومن المعلوم أن التيار الكهربائي ما هو إلا سيل من الإلكترونات يتحرك بانتظام, ومن هنا توصل الكيميائيون إلى أن هناك علاقة بين هذا النوع من التفاعلات والتيار الكهربائي. ومن خلال التجريب والمشاهدة والبحث توصل العلماء إلى أن تفاعلات الأكسدة والاختزال منها ما يتولد عن حدوثه تيار كهربائي, ومنها تفاعلات آخرى لا تتم إلا عند إمدادها بالتيار الكهربائي. |
| الجهد القياسي للخلية (القوة المحركة الكهربائية) e°cell: من خلال النشاط (5-3) لاحظنا أن مؤشر الفولتميتر يعطي دلالة على حدوث تيار كهربائي, وفرق الجهد بين قطبي الخلية التي أنتجته يُعطى بالقراءة المسجلة عليه, أي أن لكل خلية جلفانية فرق جهد نتج بسبب حدوث التفاعل في الخلية. إن فرق الجهد هذا يعتمد على نوع مادة كل قطبي الخلية حيث تختلف قابلية مواد الأقطاب لعملية التأكسد أو الاختزال, سميت هذه القابلية بـ: جهد القطب, واتفق على أن يكون هذا المقياس محدداً لقابلية مادة القطب لعملية الاختزال. وحين يقاس جهد القطب عند ظروف معيارية (لمحاليل تركيزها 1 مولار, وغازات ضغطها 1 ضغط جوي, ودرجة حرارة مقدارها 25° م) فإن الجهد يسمى حينئذٍ: جهداً قياسياً ويرمز له بالرمز e°. |
| العوامل المؤثرة على جهد الخلية: من خلال التجرية وجد الكيميائيون أن جهد الخلية يعتمد على عدد من العوامل تتغير قيمته بتغير أي منها, وهذه العوامل أهمها: أ- نوع مادة قطبي الخلية: من خلال مراجعتنا لجهود الأقطاب المختلفة نجد اختلافاً بين قيمها, وحيث يتم حساب جهة الخلية من قيم جهود أقطابها فاننا نتوقع أن يتاثر جهد الخلية بنوع مادة كل من القطبين المكونين لها. فعند توحيد كافة الظروف (ولتكن الظروف قياسية) فإن خلية شكلت بقطبين أحدهما النحاس والآخر الخارصين ستنتج تياراً فرق جهده = 1,1 فولت, بينما لو شكلت خلية آخرى عند الظروف نفسها باستخدام قطبين أحدهما النحاس والآخر الفضة ستنتج تياراً فرق جهده = 0,46 فولت. ب- تراكيز المحاليل: أعد النظر إلى أي معادلة تمثل خليةً ما, خذ المثال العام التالية:
عندما تكون الخلية جلفانية فإن التفاعل يتم بصورة تلقائية (أي كما هو مكتوب) وينتج عنه تيار كهربائي له فرق جهد قدره e (أي قيمة كانت), وعليه يمكن إعادة كتابة المعادلة لسابقة على النحو التالي:
أي أن جهد الخلية يمكن أن يتعامل معه كما لو كان مادة ناتجة, وبتطبيق مبدأ لوشائليه فإننا يمكننا القول بأن زيادة تركيز مادة متفاعلة من شأن أن يزيد سرعة التفاعل الأملامي مما يعني زيادة في نواتج التفاعل, ومن ثم يزيد الجهد الناتج عن تلك الخلية. |
ورقة عمل الأكسدة والاختزال |
|
| لكل من المعادلات أدناه : أ - قم بوزن المعادلة مع تحديد التغير في عدد الإلكترونات. ب - قم بتحديد ما يلي: 1- الذرة التي تأكسدت. 2- الذرة التي اختزلت. 3- العامل المؤكسِد. 4- العامل المختزِل. 5- نصف تفاعل الأكسدة. 6- نصف تفاعل الاختزال. |
|
| 1 | mg + hcl -> mgcl2 + h2 |
| 2 | fe + v2o3 -> fe2o3 + vo |
| 3 | kmno4 + kno2 + h2so4 -> mnso4 + h2o + kno3 + k2so4 |
| 4 | k2cr2o7 + sncl2 + hcl -> crcl3 + sncl4 + kcl + h2o |
| 5 | kmno4 + nacl + h2so4 -> cl2 + k2so4 + mnso4 + h2o + na2so4 |
| 6 | k2cr2o7 + h2o + s -> so2 + koh + cr2o3 |
| 7 | kclo3 + c12h22o11 -> kcl + h2o + co2 |
| 8 | h2c2o4 + k2mno4 -> co2 + k2o + mn2o3 + h2o |
| 9 | mn(no3) 2 + nabio3 + hno3 -> hmno4 + bi(no3) 3 + nano3 + h2o |
| 10 | h2c2o4 + kmno4 -> co2 + k2o + mn2o3 + h2o |
| الأجابة |
أ- إجابات ورقة عمل الأكسدة والاختزال |
|
| 1 | 0 -1 +2 -1 +1 0 |
| mg + 2hcl -> mgcl2 + h2 | |
| 2 | 2+ 2- 3+ 2- 3+ 2- 0 |
| 2fe + 3v2o3 -> fe2o3 + 6vo | |
| 3 | 1+7+2- 1+3+2- 1+6+2- 2+6+2- 1+2- 1+5+2- 1+6+2- |
| 2kmno4+5kno2 + 3h2so4 -> 2mnso4+3h2o +5kno3 + k2so4 | |
| 4 | 1+6+2- 2+1- 1+1- 3+1- 4+1- 1+1- 1+2- |
| k2cr2o7 + 3sncl2 + 14hcl -> 2crcl3 + 3sncl4 + 2kcl + 7h2o | |
| 5 | 1+7+2- 1+1- 1+6+2- 0 1+6+2- 2+6+2- 1+2- 1+6+2- |
| 2kmno4+10nacl+8h2so4 -> 5cl2+k2so4+2mnso4+8h2o+5na 2so4 | |
| 6 | 1+6+2- 1+2- 0 4+2- 1+2-1+ 3+2- |
| 2k2cr2o7 + 2h2o + 3s -> 3so2 + 4koh + 2cr2o3 | |
| 7 | 1+5+2- 0+1+2- 1+1- 1+2- 4+2- |
| 8kclo3 + c12h22o11 -> 8kcl + 11h2o + 12co2 | |
| 8 | 1+3+2- 1+6+2- 4+2- 1+2- 3+2- 1+2- |
| 3h2c2o4 + 2k2mno4 -> 6co2 + 2k2o + mn2o3 + 3h2o | |
| 9 | 2+5+2- 1+5+2- 1+5+2- 1+7+2- 3+5+2- 1+5+2- 1+2- |
| 2mn(no3)2+5nabio3+16hno3 -> 2hmno4+5bi(no3)3+5nano3+7h 2o | |
| 10 | 1+3+2- +1+7 -2 4+2- 1+2- 3+2- 1+2- |
| 4h2c2o4 + 2kmno4 -> 8co2 + k2o + mn2o3 + 4h2o | |
ب- إجابات ورقة عمل الأكسدة والاختزال |
||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| الذرة التي تأكسدت | الذرة التي اختزلت | العامل المؤكسِد | العامل المختزِل |
نصف تفاعل |
||
| الأكسدة | الاختزال | |||||
| 1 | mg | h | hcl | mg | mg0-2e- => mg+2 | h+1+1e- => h0 |
| 2 | fe | v | v2o3 | fe | fe0-3e- => fe+3 | v+3+1e- => v+2 |
| 3 | n | mn | kmno4 | kno2 | n+3-2e- => n+5 | mn+7+5e- => mn+2 |
| 4 | sn | cr | k2cr2o7 | sncl2 | sn+2-2e- => sn+4 | cr+6+3e- => cr+3 |
| 5 | cl | mn | kmno4 | nacl | cl-1-1e- => cl0 | mn+7+5e- => mn+2 |
| 6 | s | cr | k2cr2o7 | s | s0-4e- => s-4 | cr+6+3e- => cr+3 |
| 7 | c | cl | kclo3 | c12h22o11 | c0-4e- => c+4 | cl+5+6e- => cl-1 |
| 8 | c | mn | k2mno4 | h2c2o4 | c+3-1e- => c+4 | mn+6+3e- => mn+3 |
| 9 | mn | bi | nabio3 | mn(no3) 2 | mn+2-5e- => mn+7 | bi+5+2e- => bi+3 |
| 10 | c | mn | kmno4 | h2c2o4 | c+3-1e- => c+4 | mn+7+4e-=> mn+3 |
| 1 - تفاعلات الأكسدة والاختزال يتم فيها فقد أو كتساب إلكترونات وتغير في عدد التأكسد.
2 - عملية الأكسدة يتم فيها فقد الإلكترونات وزيادة عدد التأكسد، بينما عملية الاختزال يتم فيها اكتساب 3 - عدد التأكسد هو مقدار الشحنة الكهربائية الموجبة أو السالبة التي تبدو على ذرة في مركب سواء كان 4 - عمليتا الأكسدة والاختزال عمليتان متلازمتان. 5 - العامل المؤكسد هو المادة التي تكتسب إلكتروناً أو أكثر، وينقص فيها عدد التأكسد. |
| 6 - العامل المختزل هو المادة التي تكتسب إلكتروناً أو أكثر، وينقص فيها عدد التأكسد.
7 - المجموع الجبري لأعداد التأكسد للذرات المكونة للجزيء = صفراً. 8 - المجموع الجبري لأعداد التأكسد للذرات المكونة للأيون = الشحنة بإشارتها. 9 - المعادلة الكيميائية موزونة كتلياً وكهربائياً. 10 - يتم وزن معادلات الأكسدة والاختزال بعدة طرق، منها طريقة المعادلات النصفية، سواء في الوسط 11 - لتفاعلات الأكسدة والاختزال تطبيقات هامة في الحياة، مثل الحصول على الفلزات وعمل البطاريات. |
ضع بعض المصطلحات العلمية التالية في الفراغات المناسبة:
|
عامل مختزل
|
عامل مؤكسد
|
عدد التأكسد
|
إختزال
|
أكسدة
|
أكسدة واختزال
|
1- تفاعلات كيميائية يصحبها تغير في التركيب الالكتروني للذرات (أو بعضها) المشتركة في التفاعل الكيميائي.
(
)
2- عملية كيميائية ينتج عنها فقد للالكترونات, وزيادة في عدد التأكسد.
(
)
3- عملية كيميائية ينتج عنها اكتساب للالكترونات ونقص في عدد التأكسد.
(
)
![]() ![]()
|
ضع بعض المصطلحات العلمية التالية في الفراغات المناسبة:
|
عامل مختزل
|
عامل مؤكسد
|
عدد التأكسد
|
إختزال
|
أكسدة
|
أكسدة وإختزال
|
4- عدد يمثل الشحنة الكهربائية (موجبة أو سالبة) التي تبدو على ذرة في مركب سواء كان أيونيا أو تساهميا.
(
)
5- النوع الذي يحتوي على عنصر (أو عناصر) يستطيع فقد الالكترونات ويزداد عدد التأكسد له (أو لها) أثناء
التفاعل الكيميائي.(
)
6- النوع الذي يحتوي عنصرا (أو عناصر) يستطيع اكتساب الالكترونات ويقل عدد التأكسد له (أو لها) أثناء
التفاعل الكيميائي.(
)
![]() ![]()
|
ضع كلمة
|
صح
|
بين القوسين المقابلين للجملة الصحيحة, وكلمة
|
خطأ
|
بين القوسين المقابلين للجملة الخطأ في كل من الجمل التالية:
1- عدد التأكسد للهيدروجين في هيدريد الكالسيوم CaH2 يساوي +1 ( يعتبر الفوسفور عاملاً مختزلاً.
) 
2- عدد التأكسد للأكسجين في المركب OF2 يساوي +2 (
) 
3- عدد التأكسد للنيتروجين في أيون الأمونيوم +NH4 يساوي -3 (
) 
4- أعدد التأكسد (كأعداد التكافؤ) لا تأخذ الا القيم الصحيحة الموجبة, ولا تأخذ قيمة الصفر أو القيم السالبة.
(
) 
5- في التفاعل
2P + 3Cl2 -> 2PCl3
(
)
![]() ![]()
|
|
|
|
|
ضع نوع التغير :
|
أكسدة
|
أو
|
اختزال
|
في كل مما يلي:
أ- تحول MnO2 إلى MnO4- .

ب- تحول -ClO إلىClO3- .

ج- تحول N2O4 إلى N2O.

![]() ![]()
|
المركب الذي يكون فيه عدد التأكسد للمنجنيز يساوي (+4) هو:
mn2o3 |
k2mno4 |
mno2 |
kmno4 |
عدد التأكسد لليورانيوم في المركب uo2(no3)2 يساوي:
-2 |
+2 |
+6 |
+4 |
المركب الذي يكون فيه عدد التأكسد للكربون يساوي صفراً, هو:
co2 |
c6h12o6 |
h2c2o4 |
c2h4 |
إحدى التفاعلات التالية تمثل تفاعل اكسدة واختزال وهي:
| caco3 + 2hcl --> cacl2 + h2o + co2 | |
| cuo + h2so4 -> cuso4 + h2o | |
| cr2o72- + s2- -> cr3+ + s | |
| nacl + agno3 -> agcl + nano3 |
التفاعل الذي لا يمثل تفاعل اكسدة واختزال:
| zn + 2hcl -> zncl2 + h2 | |
| mg + cuso4 -> mgso4 + cu | |
| naoh + hno3 -> nano3 + h2o | |
| p4 + 6h2o + 10hclo -> 4h3po4 + 10hcl |
إحدى التغيرات التالية تعتبر مثالاً على عملية التأكسد وهي:
| cr2o72- -> cro42- | |
| mno42- --> mno4- | |
| mn2o7 --> mno4- | |
| fe(cn)63- --> fe(cn)64- |
إحدى التفاعلات التالية يعمل فيها فوق أكسيد الهيدروجين h2o2 عاملاً مختزلاً وهي:
| 4h2o2 + pbs -> pbso4 + 4h2o | |
| h2o2 + so2 --> h2so4 | |
| h2o2 + 2h+ + 2i- -> i2 + 2h2o | |
| h2o2 + 2h+ + mno2 --> mn2+ + 2h2o + o2 |
في معادلة التفاعل التالية وهي موزونة:
| 2mno + 5pbo2 + 10hno3 --> 2hmno4 + 5pb(no3)2 + 4h2o |
العامل المختزل هو:
hno3 |
pbo2 |
mno |
في التفاعل التالي:
| 2kmno4 + kclo2 + h2o -> 2mno2 + kclo4 + 2koh |
العامل المؤكسد هو:
kmno4 |
h2o |
kclo2 |
koh |
التغير الكلي في عدد تأكسد الزرنيخ في التفاعل التالي الذي تمثله المعادلة غير الموزونة:
| as4o6 + cl2 + h2o -> h3aso4 + hcl |
2 |
-2 |
8 |
-8 |
المعادلة الجزئية التالية تمثل تفاعل حمض الستريك في وسط قلوي, عدد الالكترونات التي تفقدها صيغة واحدة من هذا الحمض في التغير التالي يساوي:
| C6H8O7 --> CO3-2 |
18 |
12 |
3 |
6 |
|