شارح الدرس: الأكسدة والاختزال العلوم • الصف الثالث الإعدادي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحدِّد تفاعلات الأكسدة والاختزال ونحلِّلها.

الأكسدة والاختزال هما عمليتان كيميائيتان يمكن اعتبارهما متعاكستين. ويمكن تفسير كلتيهما بطرق مختلفة.

أحد أبسط الأمثلة على ذلك احتراقُ الكربون. فعندما يحترق الفحم، وهو أحد أشكال الكربون، يتأكسد الكربون ليُنتج ثاني أكسيد الكربون. توضح المعادلة الآتية أكسدة الكربون:

وبناءً على ذلك، يمكننا وصْف الأكسدة ببساطة بأنها عملية إضافة الأكسجين.

والتفاعل المقابل هو فقْد الأكسجين أو إزالته. يمكن وصْف هذه العملية بالاختزال.

عندما يُمرَّر تيارٌ من غاز الهيدروجين على عينة ساخنة من أكسيد النحاس، يُزيل الهيدروجينُ الأكسجينَ من أكسيد النحاس ليُنتج فلزَّ النحاس.

يمكن التعبير عن هذا التفاعل بالمعادلة الكيميائية الآتية:

بما أن أكسيد النحاس فَقَد الأكسجين، يمكننا وصْف هذا التفاعل بالاختزال.

لكن الهيدروجين اكتسب أكسجينًا، لذا، يمكننا أيضًا وصْف هذا التفاعل بالأكسدة.

في هذا التفاعل، اختُزِل أكسيد النحاس وتأكسَد غاز الهيدروجين.

يمكننا أيضًا وصْف كل مادة اشتركت في التفاعل السابق باستخدام المصطلحين «العامل المؤكسِد» و«العامل المُختزِل».

ففي تفاعُل أكسيد النحاس مع الهيدروجين، يمكننا اعتبار أكسيد النحاس عاملًا مؤكسِدًا؛ لأنه يؤكسِد غاز الهيدروجين.

ويمكننا اعتبار الهيدروجين عاملًا مُختزِلًا؛ لأنه يختزل أكسيد النحاس إلى فلزِّ النحاس.

من المخطط السابق، يمكننا ملاحظة أن العامل المؤكسِد يُختَزل والعامل المختزِل يتأكسد.

يمكننا أيضًا تفسير الأكسدة والاختزال من حيث اكتساب الهيدروجين أو فقْده.

في مخطط التفاعل الأتي، يمكننا ملاحظة أن غاز الأمونيا يفقد الهيدروجين ويصبح مؤكسَدًا، بينما يكتسب البرومُ الهيدروجينَ ويصبح مُختزَلًا.

يمكننا أيضًا تعريف الأكسدة على أنها عملية فقْد الهيدروجين، والاختزال بأنه عملية اكتساب الهيدروجين.

والآن دعونا نعزِّز فَهْمَنا من خلال بعض التعريفات.

كما رأينا، تحدُث تفاعلات الأكسدة والاختزال معًا. وفي التفاعلات، يمكننا تحديد العامل المؤكسِد والعامل المُختزِل.

ناقشْنا حتى الآن الأكسدة باعتبارها عمليةَ إضافة الأكسجين أو فقْد الهيدروجين. ولكن من الممكن أيضًا تعريف الأكسدة والاختزال من حيث اكتساب الإلكترونات أو فقْدها.

ووصْف الأكسدة والاختزال من حيث اكتساب الإلكترونات أو فقْدها يَسمح لنا بتفسير التفاعلات التي لا تتضمن الأكسجين أو الهيدروجين.

انظر تفاعُل الاتحاد البسيط الآتي حيث يتفاعل فلز الصوديوم مع الكلور:

التوزيع الإلكتروني لفلز الصوديوم هو ٢، ٨، ١، بينما التوزيع الإلكتروني لغاز الكلور هو ٢، ٨، ٧.

أثناء التفاعل الكيميائي، تتكون أيونات الصوديوم والكلوريد.

تَمنح ذرة الصوديوم إلكترونًا لذرة الكلور ليتكوَّن أيون صوديوم موجب توزيعه الإلكتروني ٢، ٨.

وتستقبل ذرة الكلور إلكترونًا لتتحول إلى أيون كلوريد توزيعه الإلكتروني ٢، ٨، ٨.

فَقَدَت ذرة الصوديوم إلكترونًا، بينما اكتسبَت ذرة الكلور إلكترونًا. ويمكننا تعريف الأكسدة والاختزال وفقًا لذلك.

الأكسدة هي عملية فقْد الإلكترونات.

وفي التفاعل الكيميائي السابق، تفقد ذرات الصوديوم إلكترونات وتصبح مؤكسَدة، وتؤدي ذرات الكلور دور العامل المؤكسِد.

على النقيض من ذلك، تكتسب ذرات الكلور إلكترونات وتصبح مختزَلة، وتؤدي ذرات الصوديوم دور العامل المختزِل.

في مثال آخر، يمكننا ملاحظة أن فلز المغنيسيوم الأكثر نشاطًا يحل محل النحاس الموجود في كبريتات النحاس:

لتعزيز فهْمنا لحركة الإلكترونات، يمكننا استخدام المعادلات النصفية للتركيز على الأجزاء المهمة من التفاعل الكيميائي.

في المثال الذي يتضمن تفاعل المغنيسيوم مع كبريتات النحاس، تفقد ذرات المغنيسيوم إلكترونات وتصبح مؤكسَدة. يمكننا توضيح ذلك باستخدام المعادلة النصفية الآتية:

توضح هذه المعادلة النصفية عدد الإلكترونات المشتركة في التفاعل. وبما أن المغنيسيوم يمكنه تكوين أيونات ، فإنه يفقد إلكترونين.

لننظر الآن إلى أيونات النحاس فقط التي تمثِّل جزءًا من مركَّب كبريتات النحاس الأيوني. يمكننا ملاحظة أن هذه الأيونات توجد في البداية في صورة أيونات شحنتها .

وأثناء التفاعل الكيميائي، تَكتسب أيونات النحاس إلكترونين، فتصبح مختزَلة. يمكننا التعبير عن ذلك بالمعادلة النصفية الآتية:

لاحظ كيف يتساوى عدد الإلكترونات في المعادلتين النصفيتين.

يمكننا دمج هاتين المعادلتين النصفيتين لنحصل على معادلة أيونية كُلية لهذا التفاعل الكيميائي:

وأخيرًا، بما أنه يمكننا تعريف الأكسدة والاختزال بدلالة الإلكترونات، يمكننا تعريف العوامل المؤكسِدة والمختزِلة بدلالة الإلكترونات أيضًا.

مثال ٣: وصْف العامل المؤكسِد بأكثر من طريقة

أيُّ العبارات الآتية يمكن استخدامها لوصف العامل المؤكسِد؟

1. ١، ٢، ٥
2. ١، ٣، ٤
3. ٢، ٥
4. ٢، ٣، ٤
5. ١، ٥

الحل

يمكن تعريف الأكسدة والاختزال بأكثر من طريقة. على سبيل المثال، يمكننا تعريفهما من حيث اكتساب أو فقْد الأكسجين أو الهيدروجين أو الإلكترونات.

وبالمثل، يمكن تعريف العوامل المؤكسِدة والمُختزِلة بالطريقة نفسها.

يؤكسد العامل المؤكسِد مادة كيميائية أخرى تفقد بدورها إلكترونات أثناء هذه العملية. ويَكتسب العامل المؤكسِد هذه الإلكترونات، ما يعني أن العبارة ٢ جزء من الإجابة الصحيحة.

ويمكن وصْف الأكسدة أيضًا بأنها زيادة في نسبة الأكسجين في المادة، وهو ما يتطلب وجود عامل مؤكسِد ليَمنح الأكسجين. لذا يمكننا اعتبار العبارة ٣، أيْ مَنْح الأكسجين، صحيحةً أيضًا.

وأخيرًا، يمكن تعريف الأكسدة بأنها عملية فقْد الهيدروجين. وبالنسبة إلى العامل المؤكسِد، يعني ذلك إزالة الهيدروجين من نوع كيميائي آخر. ومن ثم، فالعبارة ٤ صحيحة أيضًا.

وبذلك نكون قد توصلنا إلى أن العبارات ٢، و٣، و٤ تصف العامل المؤكسِد. ومن ثم، فالإجابة الصحيحة هي د.

الأكسدة والاختزال عمليتان متزامنتان (أيْ تَحدثان في الوقت نفسه). فلا يمكن لمادة أن تتأكسد دون أن تُختزَل مادة أخرى.

دعونا نتناول تفاعلًا واحدًا أخيرًا.

يتفاعل كلوريد الحديد الثلاثي مع غاز الهيدروجين ليُكوِّن كلوريد الحديد الثنائي وحمض الهيدروكلوريك:

دعونا نركز فقط على ما يحدُث للحديد أثناء هذا التفاعل.

في المتفاعل، ، يوجد الحديد في صورة أيون ، بينما في الناتج، ، يوجد الحديد في صورة أيون . فاكتسب أيون الحديد إلكترونًا ليصبح أيون الحديد ، ما يعني أنه اختُزِل.

وقد اكتسب الأيون هذا الإلكترون من ذرة هيدروجين، ما يجعلها العامل المُختزِل. وبوصفها العامل المُختزِل، تفقد ذرة الهيدروجين إلكترونًا وتتأكسد لتصبح أيون هيدروجين. ومن ثم، يكوِّن أيون الهيدروجين هذا جزءًا من الناتج، وهو حمض الهيدروكلوريك.

وتظل أيونات الكلوريد كما هي دون تغيير طوال التفاعل؛ فلا تتأكسد أو تُختَزل.

يمكننا كتابة معادلتَي الأكسدة والاختزال النصفيتين لهذا التفاعل.

فيما يخص اختزال ، نكتب:

وفيما يخص الأكسدة، نكتب:

يمكننا التعبير عن هذا التفاعل بمعادلة أيونية، دون ايونات الكلوريد: