شارح الدرس: تفاعلات الأكسدة والاختزال الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

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.

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.

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:

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

أثناء هذا التفاعل، يتحوَّل الكالسيوم الصُّلب المتعادِل إلى أيون شحنته ، وهو ما يعني أنه فقد إلكترونات لتصبح شحنته موجبة أكثر. ومن ناحية أخرى، تصبح كلُّ ذرة أكسجين في غاز الأكسجين أيونًا شحنته ، 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.

لمعرفة المزيد عن الأكسدة والاختزال في غياب الأكسجين، دعونا ننظر إلى التفاعل بين كلوريد الزنك والمغنيسيوم:

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:

في المحلول المائي، يُوجَد الزنك في صورة أيون شحنته . ولكن ناتِج التفاعل هو الزنك الصُّلب، وشحنته 0. ولكي يتغيَّر من أيون شحنته 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 . ولكي تتغيَّر الشحنة من 0 إلى ، 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:

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 إلى ، أو من 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 إلى ، 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.

السهم	النوع	شحنة المتفاعِل	شحنة الناتِج	التغيُّر في الشحنة
أ	الكلور	0
ب	البروم		0

من المعادلة الكيميائية والجدول السابق، يُمكننا ملاحَظة أنه بالنسبة إلى السهم ب، تتغيَّر شحنة البروم من 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 . 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 . وهذا يعني اكتساب إلكترونات؛ إذن السهم أ إجابة غير صحيحة.

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

يوضِّح السهم أ انخفاض شحنة الكلور من 0 إلى . 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 ، فإنها تتأكسَد. وفي المقابل، تَكتسِب ذرات الكلور إلكترونات لتتحوَّل من ذرة متعادِلة إلى أيون شحنته ؛ 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.

إذا نظرنا مرَّة أخرى إلى تكوين الجير الحي، فيُمكننا تحديد العامل المؤكسِد والعامل المختزِل:

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

يُوجَد الأكسجين في صورة ذرة متعادِلة في البداية، ويتحوَّل بعد ذلك إلى أيون شحنته . 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.