شارح الدرس: تفاعلات الأكسدة والاختزال الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحدِّد تفاعلات الأكسدة والاختزال، ونكتب المعادلات الأيونية لوصْف انتقال الإلكترونات بين العوامل المؤكسِدة والمختزِلة.

تفاعل الأكسدة والاختزال اتحادُ تفاعُلَيِ الأكسدة والاختزال.

تعريف: تفاعل الأكسدة والاختزال

تفاعل الأكسدة والاختزال تفاعلٌ كيميائيٌّ يتضمَّن انتقال الإلكترونات بين الأنواع الكيميائية.

يتضمَّن الاختزال اكتساب إلكترونات، وتتضمَّن الأكسدة فقد الإلكترونات. وفي تفاعل الأكسدة والاختزال، تنتقل الإلكترونات من نوع إلى آخَر. يتأكسد نوعٌ ويفقد إلكترونات، وهذه الإلكترونات يَكتسِبها نوعٌ آخَر؛ وهو النوع المُختزَل.

تعريف: الاختزال

الاختزال أيُّ تفاعلٍ كيميائي يَكتسِب فيه النوعُ الكيميائي إلكترونات.

تعريف: الأكسدة

الأكسدة أيُّ تفاعلٍ كيميائي يفقد فيه النوعُ الكيميائي إلكترونات.

كلمة «الأكسدة» مُشتقَّة من كلمة «الأكسجين»، ولكن لا تتضمَّن جميع تفاعلات الأكسدة وجود الأكسجين. كان أنطوان لافوزييه أوَّل مَن اكتشف التفاعلات المُستهلِكة للأكسجين، التي وَصَفَها بتفاعلات «الأكسدة». وفيما بعدُ، أدرك الكيميائيون أن استهلاك الأكسجين لتكوين الأكسيد يتضمَّن فقد إلكترونات؛ ومن ثَمَّ تَوَسَّع مصطلح «الأكسدة» ليشمل أيَّ تفاعل يتضمَّن فقد إلكترونات.

أحد الأمثلة على تفاعل الأكسدة الذي يتضمَّن وجود الأكسجين هو تكوين أكسيد الكالسيوم، الذي يُعرَف أيضًا بالجير الحي، من خلال تعريض فلز الكالسيوم للأكسجين: 2Ca()+O()2CaO()sgs2

يَنتُج أكسيد الكالسيوم، وهو مركَّب أيوني يتكوَّن من أيون Ca2+، وأيون O2.

أثناء هذا التفاعل، يتحوَّل الكالسيوم الصُّلب المتعادِل إلى أيون شحنته 2+، وهو ما يعني أنه فقد إلكترونات لتصبح شحنته موجبة أكثر. ومن ناحية أخرى، تصبح كلُّ ذرة أكسجين في غاز الأكسجين أيونًا شحنته 2، وهو ما يعني أن كلَّ ذرة اكتسبت إلكترونين لتصبح شحنتها سالبة أكثر. وبما أن الكالسيوم يفقد إلكترونات، فإنه يتأكسَد، وبما أن الأكسجين يَكتسِب إلكترونات، فهو يُختزَل.

إذا تناولنا ذلك من منظور اكتساب أو فقد الأكسجين، فيُمكننا أن نلاحِظ أن ذرة الكالسيوم تَكتسِب ذرة أكسجين لتكوين أكسيد الكالسيوم؛ ومن ثَمَّ فإنها تتأكسَد. ترتبط ذرتا الأكسجين كلٌّ منهما بالأخرى في البداية، ولكن بعد ذلك تفقد كلٌّ منهما ذرة الأكسجين الأخرى لترتبط بذرة الكالسيوم، ومن ثَمَّ فإنها تُختزَل.

عندما يدخل الأكسجين في تفاعل الأكسدة والاختزال، غالبًا ما يكون هو العنصر الذي يُختزَل، في حين تتأكسَد الذرة التي تَكتسِب الأكسجين. ولكنْ نظرًا لأن تفاعلات الأكسدة والاختزال لا يتضمَّن جميعها وجود الأكسجين، فلا يُمكننا الاعتماد على هذا التعريف فحسب.

مثال ١: تحديد إذا ما كان المركَّب يتأكسَد أو يُختزَل أثناء التفاعل

سُخِّنتْ قطعة من أكسيد المغنيسيوم مع الهيدروجين للحصول على المغنيسيوم. هل يتأكسد أكسيد المغنيسيوم أو يُختزَل؟

الحل

يطلب هذا السؤال تحديد إذا ما كان أكسيد المغنيسيوم يتأكسَد أو يُختزَل عند تسخينه مع الهيدروجين. بعبارة أخرى، هل يفقد أيون المغنيسيوم الموجود في أكسيد المغنيسيوم إلكترونات أو يَكتسِبها لتكوين المغنيسيوم الصُّلب؟

يُمكننا كتابة معادلة كيميائية لتفاعل أكسيد المغنيسيوم مع الهيدروجين: MgO+HMg+HO22

أكسيد المغنيسيوم مركَّب أيوني يتكوَّن من أيون Mg2+، وأيون O2. ويُعَدُّ الناتِج، وهو عنصر المغنيسيوم الصُّلب، ذرةً متعادِلة.

يُمكننا ملاحَظة أن الشحنة الموجودة على ذرة الأكسجين في كلٍّ من MgO وHO2 تظلُّ 2.

تتغيَّر الشحنة الموجودة على ذرة المغنيسيوم من 2+ في MgO إلى 0 في Mg. ولكي تتغيَّر الشحنة من 2+ إلى 0، لا بدَّ أن يَكتسِب المغنيسيوم إلكترونين أثناء التفاعل.

يتضمَّن الاختزال اكتساب إلكترونات؛ ومن ثَمَّ فإن المغنيسيوم يُختزَل.

كان بإمكاننا أيضًا أن نستخدم تعريف الاختزال بوصْفه فقْدَ الأكسجين لنتوصَّل إلى أن المغنيسيوم يُختزَل.

لمعرفة المزيد عن الأكسدة والاختزال في غياب الأكسجين، دعونا ننظر إلى التفاعل بين كلوريد الزنك والمغنيسيوم: ZnCl()+Mg()MgCl()+Zn()22aqsaqs

في هذا التفاعل، يُغمَر شريط من فلز المغنيسيوم في محلول كلوريد الزنك. ويُشير تكوُّن طبقة داكنة اللون على شريط المغنيسيوم بالإضافة إلى تكوُّن فقاعات إلى حدوث تفاعل. والآن لننظر إلى المعادلة الأيونية لهذا التفاعل: Zn()+2Cl()+Mg()Mg()+2Cl()+Zn()2+2+aqaqsaqaqs

في المحلول المائي، يُوجَد الزنك في صورة أيون شحنته 2+. ولكن ناتِج التفاعل هو الزنك الصُّلب، وشحنته 0. ولكي يتغيَّر من أيون شحنته 2+ إلى ذرة متعادِلة، لا بدَّ أن يَكتسِب إلكترونين أثناء التفاعل. وبما أن الزنك يَكتسِب إلكترونات، فإنه يُختزَل.

والعكس صحيح بالنسبة إلى المغنيسيوم. يُوجَد المغنيسيوم باعتباره متفاعلًا في صورته الصُّلبة العنصرية بشحنة مقدارها 0. إلا أن ناتِج التفاعل محلول مائي يحتوي على أيونات المغنيسيوم بشحنة 2+. ولكي تتغيَّر الشحنة من 0 إلى 2+، يتطلَّب الأمر فقْدَ إلكترونين. وبما أن المغنيسيوم يفقد إلكترونات، فإنه يتأكسد.

تظلُّ أيونات الكلوريد كما هي دون تغيير من بداية التفاعل حتى نهايته. يُطلَق على الأيونات التي لا تتغيَّر أثناء التفاعل: الأيونات المتفرِّجة. وبما أن شحنتها لا تتغيَّر، فإنها لا تتأكسَد ولا تُختزَل. تتضمَّن المعادلة الأيونية الكامِلة السابقة أيونات متفرِّجة، ولكن يُمكننا أيضًا كتابة المعادلة الأيونية الكليّة لهذا التفاعل؛ حيث تُحذَف الأيونات المتفرِّجة: Zn()+Mg()Mg()+Zn()2+2+aqsaqs

لمُساعَدتنا على التمييز بين الأكسدة والاختزال، يُمكننا استخدام عبارة للتذكُّر. وهي عبارة «خسارة وفوز»، فحرف السين مُشترَك بين «أكسدة وخسارة»، وهي عملية تُفقَد فيها الإلكترونات؛ وحرف الزاي مُشترَك بين «اختزال وفوز»، وهي عملية تُكتسَب فيها الإلكترونات.

إن معرفة مثل هذه العبارة قد يُساعِدنا على تذكُّر الفرق بين الأكسدة والاختزال في حال نسيان ذلك.

عندما يَكتسِب أيون أو ذرة إلكترونات، تصبح شحنته سالبة أكثر. وعندما تصبح ذرة متعادِلة أيونًا سالبًا، فإنها تَكتسِب إلكترونات وتُختزَل. بالإضافة إلى ذلك، عندما تقلُّ شحنة أيون موجب، على سبيل المثال، من 2+ إلى 1+، أو من 1+ إلى 0، فإنه يَكتسِب إلكترونات ويُختزَل.

عندما يَفقِد أيون أو ذرة إلكترونات، تصبح شحنته موجبة أكثر. وعندما تصبح ذرة متعادِلة أيونًا موجبًا، فإنها تفقد إلكترونات وتتأكسَد. علاوة على ذلك، عندما تزيد شحنة أيون سالب، على سبيل المثال، من 2 إلى 1، أو 0، فإنه يَفقِد إلكترونات ويتأكسَد.

مثال ٢: تحديد تفاعل الاختزال في معادلة كيميائية

انظر المعادلة الموضَّحة:

  1. ما السهم الذي يُشير إلى الاختزال؟
  2. ما السهم الذي يُشير إلى فَقْد الإلكترونات؟
  3. ما السهم الذي يُشير إلى اكتساب الإلكترونات؟

الحل

الجزء الأول

الاختزال عملية تَكتسِب فيها المادة إلكترونات. وعندما تَكتسِب المادة إلكترونات، تقلُّ شحنتها أو تصبح سالبة أكثر.

للإجابة عن هذا السؤال، علينا تحديد شحنات المتفاعلات والنواتِج. قد تُساعِدنا كتابة هذه المعلومات في جدول على توضيح ذلك أكثر. تذكَّر أن شحنة الذرة المتعادِلة أو الجزيء تساوي صفرًا.

السهمالنوعشحنة المتفاعِلشحنة الناتِجالتغيُّر في الشحنة
أالكلور011
بالبروم10+1

من المعادلة الكيميائية والجدول السابق، يُمكننا ملاحَظة أنه بالنسبة إلى السهم ب، تتغيَّر شحنة البروم من 1 إلى 0 أثناء التفاعل. وهذا التغيُّر زيادة في الشحنة نتيجة فقْد إلكترونات. وفقْد الإلكترونات يعني أن البروم قد تأكسَد.

من ناحية أخرى، يوضِّح الجدول أن السهم أ يُشير إلى أن الكلور يتغيَّر من جزيء متعادِل إلى أيون سالب. فشحنته تتغيَّر من 0 إلى 1. وهذا التغيُّر انخفاضٌ في الشحنة نتيجة اكتساب إلكترونات. واكتساب الإلكترونات يعني أن الكلور قد اختُزِل.

إذن السهم الذي يمثِّل الاختزال؛ حيث تُكتَسَب الإلكترونات وتقلُّ الشحنة، هو السهم أ.

الجزء الثاني

إذا فَقَدَ عنصر أو ذرة إلكترونات سالبة الشحنة، فإنه يتأكسَد وتصبح شحنته موجبة أكثر، أو تزيد شحنته.

يوضِّح السهم أ أن شحنة الكلور تقلُّ من 0 إلى 1. وهذا يعني اكتساب إلكترونات؛ إذن السهم أ إجابة غير صحيحة.

يوضِّح السهم ب زيادة شحنة البروم من 1 إلى 0. وزيادة الشحنة تَنتُج عن فقْد الإلكترونات؛ ومن ثَمَّ السهم ب هو الإجابة الصحيحة.

الجزء الثالث

عندما يَكتسِب أيون أو ذرة إلكترونات سالبة الشحنة، تقلُّ شحنته.

يوضِّح السهم ب زيادة شحنة البروم من 1 إلى 0. وزيادة الشحنة تَنتُج عن فقْد الإلكترونات؛ ومن ثَمَّ السهم ب إجابة غير صحيحة.

يوضِّح السهم أ انخفاض شحنة الكلور من 0 إلى 1. وهذا يعني اكتساب الإلكترونات؛ وبذلك يكون السهم أ هو الإجابة الصحيحة.

إن كلوريد الصوديوم مركَّب أيوني يتكوَّن من أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد. وبما أن ذرات الصوديوم تَفقِد إلكترونات لتتحوَّل من ذرة متعادِلة إلى أيون شحنته 1+، فإنها تتأكسَد. وفي المقابل، تَكتسِب ذرات الكلور إلكترونات لتتحوَّل من ذرة متعادِلة إلى أيون شحنته 1؛ ومن ثَمَّ فإنها تُختزَل.

لقد عرَّفنا الأكسدة حتى الآن على أنها فقْد الإلكترونات. هناك طريقة أخرى للنظر إلى هذه العملية، وهي أن الأكسَدة تتضمَّن منْح إلكترون إلى نوعٍ كيميائي آخَر. وفي المثال السابق، يَمنَح الصوديوم إلكترونًا للكلور لتكوين رابطة أيونية. ونتيجة لذلك، يتسبَّب الصوديوم في اختزال الكلور بمَنْحه إلكترونًا إضافيًّا. ومن ثَمَّ يُمكننا أن نُطلِق على الصوديوم «عاملًا مُختزِلًا»؛ لأنه يتسبَّب في اختزال الكلور. ويتأكسَد العامِل المختزِل نفسُه بعد ذلك؛ حيث يَفقِد الإلكترونات التي يَمنَحها للنوع الآخَر.

في المقابل، يَكتسِب الكلور إلكترونًا من الصوديوم، وهو ما يجعل الصوديوم يتأكسَد. نُطلِق على الكلور «عامِلًا مؤكسِدًا». والعامِل المؤكسِد نفسُه يُختزَل؛ حيث يَكتسِب الإلكترونات التي تَمنَحها الأنواع الأخرى.

تعريف: العامِل المُختزِل

العامِل المختزِل نوعٌ كيميائي يتسبَّب في اختزال نوعٍ كيميائيٍّ آخَر بينما يتأكسَد هو.

تعريف: العامِل المؤكسِد

العامِل المؤكسِد نوعٌ كيميائيٌّ يتسبَّب في أكسدة نوعٍ كيميائيٍّ آخَر بينما يُختزَل هو.

إذا نظرنا مرَّة أخرى إلى تكوين الجير الحي، فيُمكننا تحديد العامل المؤكسِد والعامل المختزِل: 2Ca()+O()2CaO()sgs2

أكسيد الكالسيوم مركَّب أيوني يتكوَّن من أيونات Ca2+، وأيونات O2. يُوجَد الكالسيوم في صورة ذرة متعادِلة في البداية، ويتحوَّل بعد ذلك إلى أيون شحنته 2+. إن شحنة الكالسيوم تزداد؛ ومن ثَمَّ فإنه يتأكسَد.

يُوجَد الأكسجين في صورة ذرة متعادِلة في البداية، ويتحوَّل بعد ذلك إلى أيون شحنته 2. إن شحنة الأكسجين تقلُّ؛ ومن ثَمَّ فإنه يُختزَل.

أثناء التفاعل، تَمنَح ذرة الكالسيوم إلكتروناتها لذرة الأكسجين. وبما أن ذرة الأكسجين تُختزَل، فإن الكالسيوم هو العامل المختزِل. وتتأكسَد ذرة الكالسيوم نفسها بعد ذلك.

تستقبل ذرة الأكسجين الإلكترونات من ذرة الكالسيوم، وهو ما يعمل على أكسدة الكالسيوم. وهذا يجعل الأكسجين العامل المؤكسِد، الذي يُختزَل بعد ذلك.

مثال ٣: تحديد خصائص الأنواع المؤكسَدة

أيُّ الاختيارات الآتية يُعَدُّ مادة مُتفاعِلة تتأكسَد؟

  1. الكاتيونات
  2. الأنيونات
  3. المتعادِلات
  4. العامل المختزِل
  5. العامل المؤكسِد

الحل

يطلب هذا السؤال تحديد أيٌّ من الأنواع الكيميائية يتأكسَد. وبما أن التأكسُد يُشير إلى فقْد الإلكترونات، فإن المادة التي تتأكسَد ستكون قادِرة على فقْد الإلكترونات أثناء التفاعل.

نظرًا إلى أن المادة التي تتأكسَد تَمنَح الإلكترونات إلى الأنواع الأخرى لتجعلَها مُختزَلة، يُمكِننا أيضًا أن نُشِير إلى الأنواع التي تتأكسَد على أنها «عامل مُختزِل». والعامل المُختزِل نوعٌ كيميائيٌّ يتسبَّب في اختزال نوعٍ كيميائيٍّ آخَر بينما يتأكسد هو. وهذا يُطابِق الوصْف الوارد في الخيار د.

إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار د، العامل المُختزِل.

مثال ٤: تحديد إذا ما كانت المادة عاملًا مؤكسِدًا أو عاملًا مُختزِلًا من المعادلة الكيميائية

بالنظر إلى المعادلة الآتية: Ni()+PbCl()Pb()+NiCl()saqsaq22

املأ الفراغ: يُمكن وصْف النيكل بأنه .

  1. عامل مُختزِل؛ لأن أيونات الرصاص تَكتسِب إلكترونات
  2. عامل مؤكسِد؛ لأن ذرات النيكل تَكتسِب إلكترونات
  3. عامل مؤكسِد؛ لأن أيونات الرصاص تَكتسِب إلكترونات
  4. عامل مُختزِل؛ لأن ذرات النيكل تَكتسِب إلكترونات

الحل

يطلب هذا السؤال تحديد إذا ما كان النيكل عاملًا مؤكسِدًا أو عاملًا مُختزِلًا أثناء التفاعل الموضَّح، وذِكْر سبب ذلك.

في تفاعل الأكسدة والاختزال، العامل المُختزِل نوعٌ كيميائيٌّ يتسبَّب في اختزال نوعٍ كيميائيٍّ آخَر بينما يتأكسد هو. والعامل المؤكسِد نوعٌ كيميائيٌّ يتسبَّب في تأكسُد نوعٍ كيميائيٍّ آخَر بينما يُختزَل هو. إذن مفتاح حلِّ هذا السؤال هو تحديد كيف تتغيَّر شحنة النيكل أثناء التفاعل.

يُوجَد النيكل، باعتباره متفاعلًا في صورته الصُّلبة العنصرية دون أيِّ شحنة. وفي نهاية التفاعل، يُكوِّن النيكل المركَّب الأيوني كلوريد النيكل في محلول مائي. ويُوجَد في هذا المحلول أيونات الكلوريد وشحنتها 1، وأيونات النيكل وشحنتها 2+.

نلاحِظ أن شحنة النيكل زادت من 0 إلى 2+. وتُشير زيادة الشحنة إلى أن النيكل فقَدَ إلكترونات أثناء التفاعل. وبذلك فإن النيكل قد تأكسَد. وبما أن النيكل تأكسَد، فهو عامل مُختزِل على الأرجح؛ وعليه فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار أ، أو الخيار د.

للاختيار من بين هذين الخيارين، علينا تحديد إذا ما كانت أيونات الرصاص أو ذرات النيكل تَكتسِب إلكترونات أثناء التفاعل.

لقد توصَّلنا بالفعل إلى أن شحنة النيكل أصبحت موجبة أكثر، وبذلك فقَدَت الإلكترونات. وفي المقابل، يكون الرصاص في بداية التفاعل، في صورة أيون شحنته 2+ في المحلول، وبنهاية التفاعل يصبح في صورة مادة صُلبة متعادِلة شحنتها 0.

يُشير انخفاض شحنة الرصاص إلى أنه قد اختُزِل؛ وعليه فقد اكتَسَب إلكترونات.

إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار أ.

النقاط الرئيسية

  • تفاعُل الأكسدة والاختزال تفاعُلٌ يتضمَّن انتقال الإلكترونات من جزيء أو عنصر أو أيون إلى آخَر.
  • في تفاعُل الأكسدة والاختزال، تتأكسَد إحدى المواد، بينما تُختزَل المادة الأخرى.
  • تتضمَّن الأكسدة فقْد الإلكترونات. في حين يتضمَّن الاختزال اكتساب الإلكترونات. ويُمكننا تذكُّر هذين التعريفين باستخدام العبارة «خسارة وفوز».
  • يُمكننا أن نلاحِظ تغيُّر شحنة الجزيء أو الذرة أو الأيون في المتفاعِلات والنواتِج لتحديد إذا ما اكتَسَب إلكترونات أو فَقَدها.
  • النوع الذي يتسبَّب في اختزال نوعٍ آخَر يُعرَف بالعامل المُختزِل. والعامل المُختزِل نفسُه يتأكسَد.
  • النوع الذي يتسبَّب في تأكسُد نوعٍ آخَر يُعرَف بالعامل المؤكسِد. والعامل المؤكسِد نفسُه يُختزَل.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.