فيديو الدرس: تفاعلات الأكسدة والاختزال الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نحدد تفاعلات الأكسدة والاختزال، ونكتب المعادلات الأيونية لوصف انتقال الإلكترونات بين العوامل المؤكسدة والمختزلة. وسوف نلقي نظرة على تفاعلات الأكسدة والاختزال للذرات والأيونات البسيطة فقط، ولن نتناول المركبات التساهمية أو الأيونات المتعددة الذرات. هذه ذرة هيدروجين. تحتوي ذرة الهيدروجين عادة على بروتون واحد ولا توجد نيوترونات في نواتها، وتحتوي على إلكترون واحد في السحابة الإلكترونية حولها. ويمكننا استخدام مخطط الغلاف الإلكتروني الذي يوجد به إلكترون واحد في الغلاف الإلكتروني الأول ليساعدنا على تتبع الإلكترونات. يمكن أن تكتسب ذرة الهيدروجين إلكترونًا واحدًا وتصبح أيون هيدريد. لا تزال تحتوي على عدد البروتونات نفسه، لكنها اكتسبت إلكترونًا إضافيًّا.

وكذلك، من الممكن أن تفقد ذرة الهيدروجين إلكترونًا وتصبح أيون هيدروجين. من المفيد تبسيط هذا المخطط بكتابة ‪H+‬‏ بدلًا من ذلك. عندما تكتسب الذرات أو الأيونات إلكترونات أو تفقدها، فإنها تغير سلوكها الكيميائي، لذا من المهم جدًّا تتبعها. وإحدى الطرق التي يمكننا من خلالها القيام بذلك هي الحديث عن الاختزال والأكسدة. الاختزال هو عملية اكتساب الإلكترونات. يمكن أن يكون إلكترونًا واحدًا أو إلكترونين أو أي عدد. لذا نقول إن ذرة الهيدروجين تختزل لتكوين أيون هيدريد عندما تكتسب إلكترونًا واحدًا. وتسمى العملية العكسية الأكسدة. والأكسدة هي عملية فقد الإلكترونات. على سبيل المثال، نقول إن ذرة الهيدروجين تتأكسد لتكوين أيون هيدروجين عندما تكتسب إلكترونًا واحدًا.

لا يتضح مباشرة من الكلمتين ما يعنيه كلا المصطلحين. لذلك توجد عبارة للتذكر قد تكون مفيدة. يمكننا استخدام العبارة «خسارة وفوز». ويمكنك أيضًا تكوين أي عبارة أخرى. لا يهم العبارة التي تختارها ما دامت ستساعدك على التمييز بين المصطلحين. في عبارة «خسارة وفوز» حرف السين مشترك في كلمتي أكسدة وخسارة، وهي عملية تفقد فيها الإلكترونات، وحرف الزاي مشترك في كلمتي اختزال وفوز، وهي عملية تكتسب فيها الإلكترونات. ربط الكلمات باستخدام مثل هذه الحيل البسيطة يكون مفيدًا دائمًا؛ إذ يضمن لك تذكر أن فقد الإلكترونات أو خسارتها أكسدة، واكتساب الإلكترونات أو الفوز بها اختزال. يعد تعريفا الاختزال والأكسدة مفيدين بالنسبة إلى الذرات والأيونات أحادية الذرة، حيث يمكننا رؤية الشحنات. بالنسبة إلى الأيونات المتعددة الذرات والمركبات التساهمية، علينا استخدام أعداد التأكسد بدلًا من ذلك، لكن هذا خارج نطاق هذا الفيديو.

لكن هناك شيئًا غريبًا بعض الشيء. من أين أتت هاتان الكلمتان؟ لا يبدو منطقيًّا أن يتضمن الاختزال إضافة شيء ما. حسنًا، يرجع الأمر كله إلى حقيقة أن كلمة «أكسدة» كانت أكثر تحديدًا. فقد كانت تعني التفاعل مع الأكسجين. فعندما يتفاعل المغنيسيوم مع الأكسجين، يتكون أكسيد المغنيسيوم، ومن ثم يصبح لدينا مغنيسيوم مؤكسد. وإذا وجدنا المادة الكيميائية الصحيحة، فقد نتمكن من إزالة الأكسجين وتكوين المغنيسيوم مرة أخرى. وفي الماضي، كنا نطلق على هذه العملية اسم الاختزال، بمعنى إزالة الأكسجين من أكسيد أو بيروكسيد.

لنلق نظرة فاحصة الآن على المغنيسيوم في صورته النقية وفي أكسيد المغنيسيوم. ذرات المغنيسيوم النقي لها شحنة كلية تساوي صفرًا؛ إذ إنها متعادلة. لكن أكسيد المغنيسيوم مركب أيوني. لدينا أيونات المغنيسيوم اثنان موجب بدلًا من ذرات المغنيسيوم. إذن، عند أكسدة المغنيسيوم، فإننا نأخذ إلكترونات من ذرات المغنيسيوم. وعندما نختزل أكسيد المغنيسيوم، فإننا نعيدها مرة أخرى. إذن، فإن التفاعل مع الأكسجين يماثل بالضبط ما وصفناه من قبل، إذ إن الأكسدة هي العملية التي تتم بواسطتها إزالة الإلكترونات. وينطبق الأمر نفسه على الاختزال. عندما نزيل الأكسجين من أكسيد المغنيسيوم، يكون التأثير النهائي في المغنيسيوم هو أنه يكتسب إلكترونات. ومن هنا تأتي كلمة اختزال، أي إزالة الأكسجين أو تقليل كمية الأكسجين.

يؤدي هذا إلى حيلة بارعة. عندما نرى مادة تتفاعل مع الأكسجين لتكوين أحد الأكاسيد، يكون هذا التفاعل تفاعل أكسدة وتزال إلكترونات. وإذا رأينا أحد الأكاسيد يفقد الأكسجين، يكون هذا تفاعل اختزال وتضاف إلكترونات. يجب أن نكون حريصين على تذكر أنه في أثناء فقد الإلكترونات أو اكتسابها فإننا لا نبحث عن الأكسجين نفسه. ولكننا نبحث عنه من حيث ارتباطه أو مغادرته لمادة ما. إذن، في هذه الحالة، سوف نبحث فقط عن الإلكترونات التي تضاف أو تزال من المغنيسيوم أو أيونات المغنيسيوم.

توجد سمة مميزة في الكيمياء يمكننا الاعتماد عليها. نادرًا ما تضاف الإلكترونات إلى ذرة أو أيون أو تغادرهما تلقائيًّا. ويرجع السبب في انتقالها عادة إلى وجود مواد كيميائية متفاعلة أخرى حولها. على سبيل المثال، لنتخيل أن لدينا ترتيبًا مستقرًّا من جزيئات الهيدروجين وكتلة من الليثيوم. وعند اقتراب الذرات من بعضها بشدة، سوف تنتقل الإلكترونات وتكون هيدريد الليثيوم، الذي يتكون من أيونات الليثيوم وأيونات الهيدريد. وفي مرحلة ما أثناء التفاعل، يقفز الإلكترون الخارجي لكل ذرة من ذرات الليثيوم إلى ذرة هيدروجين. وبذلك تختزل ذرات الهيدروجين؛ نتيجة لاكتسابها إلكترونات. وتتأكسد ذرات الليثيوم بسبب فقدها إلكترونات.

عندما يختزل أحد الأنواع بالتزامن مع تأكسد نوع آخر، يسمى هذا تفاعل أكسدة واختزال. ونظرًا إلى أن الإلكترونات بوجه عام لا تنتقل من تلقاء نفسها، يمكننا أن نكون متأكدين تمامًا من أننا إذا رأينا أحد الأنواع يختزل، فسيكون هناك نوع آخر يتأكسد في التفاعل نفسه. لدينا الآن الأساسيات التي نحتاج إليها لوصف تفاعلات الأكسدة والاختزال. لدينا هنا تفاعل النحاس مع نيترات الفضة، مكونًا نيترات النحاس والفضة. نبدأ بالنحاس في صورته النقية، إذ ترتبط ذرات النحاس معًا بروابط فلزية. ولدينا محلول يحتوي على أيونات الفضة وأيونات النيترات، ‪Ag+‬‏ و‪NO3−‬‏.

عندما نضيف النحاس إلى محلول نيترات الفضة، يحدث تفاعل رائع. تتكون بلورات الفضة على سطح النحاس، ويبدأ المحلول في التحول إلى اللون الأزرق. وبما أن النحاس يمكن أن يكون أيونات ذات شحنات مختلفة، علينا استخدام الترميز اللاتيني ‪II‬‏، ويعني الرقم اثنين، للإشارة إلى أننا نتعامل مع أيونات النحاس اثنين موجب. فقدت ذرات النحاس التي بدأنا بها الإلكترونات، مكونة أيونات النحاس اثنين موجب. وفي الوقت نفسه، اكتسبت أيونات الفضة الموجبة من المحلول إلكترونات، مكونة ذرات الفضة. فقدت ذرات النحاس إلكترونات، فتأكسدت، أما ذرات الفضة فاكتسبت إلكترونات واختزلت. وبناء عليه، يمكننا معرفة النوع الذي اختزل والنوع الذي تأكسد. ولكن قد يكون من المفيد أيضًا أن نتحدث عن الأنواع التي تسبب الاختزال أو الأكسدة.

لهذا الهدف، قد يكون من المفيد أن نكتب المعادلة الأيونية الصافية. يمكننا البدء بكتابة المعادلة الأيونية الكاملة، حيث فصلنا الأملاح إلى كاتيوناتها وأنيوناتها. لا تشارك أنيونات النيترات في التفاعل. ويمكننا أن نلاحظ أنها ظلت كما هي دون تغيير في طرفي المتفاعلات والنواتج في المعادلة. وإذا أزلنا الأيونات المتفرجة وحصلنا على المعادلة الأيونية الصافية، فسيكون من الأسهل معرفة من أين تتحرك الإلكترونات وإلى أين تنتقل. كل ذرة نحاس في التفاعل تمنح إلكترونين، إلكترونًا لكل أيون من أيوني الفضة الموجبين. وإحدى طرق التعبير عن ذلك هي قول إن ‪Ag+‬‏ يختزل بالنحاس. وهذا لأن النحاس هو الذي يفقد الإلكترونات التي تكتسبها أيونات ‪Ag+‬‏.

لكن في الوقت نفسه، بما أن أيونات الفضة موجب هي التي تكتسب الإلكترونات من النحاس، يمكننا القول إن النحاس يتأكسد بفعل أيون الفضة موجب. يمكننا النظر إلى ذلك بطريقة أخرى ونقول إن النحاس هو العامل المختزل، أي مكون التفاعل المسئول عن اختزال نوع آخر. وبالمثل، يمكننا القول إن أيون الفضة الموجب هو العامل المؤكسد؛ لأن وجوده يتسبب في تأكسد نوع آخر. العامل المختزل هو مادة تختزل مادة أخرى أثناء تفاعل الأكسدة والاختزال. ونتيجة لهذا التفاعل، يتأكسد العامل المختزل، أما العامل المؤكسد فهو مادة تؤكسد مادة أخرى أثناء تفاعل الأكسدة والاختزال. ولأن العامل المؤكسد يؤكسد شيئًا آخر، فإنه يختزل نتيجة لذلك.

إذن في هذا المثال، سيتأكسد النحاس، وستختزل أيونات الفضة الموجبة. سيكون النحاس العامل المختزل، وستكون الفضة الموجبة العامل المؤكسد. وستكون أيونات النحاس اثنان الموجبة هي ناتج الأكسدة، وذرات الفضة هي ناتج الاختزال. والآن بعد أن تناولنا آليات الاختزال والأكسدة وتفاعلات الأكسدة والاختزال، لنتدرب على ذلك.

انظر المعادلة الموضحة. يتفاعل ‪Cl2‬‏ المائي زائد ‪2Br−‬‏ المائي لتكوين ‪Br2‬‏ المائي زائد ‪2Cl−‬‏ المائي. (أ) ما السهم الذي يشير إلى الاختزال؟ (ب) ما السهم الذي يشير إلى فقد الإلكترونات؟ (ج) ما السهم الذي يشير إلى اكتساب الإلكترونات؟

يشير السهم في الأسئلة الثلاثة إلى السهمين (أ) أو (ب). في المعادلة، يمكننا أن نرى جزيء الكلور ‪Cl2‬‏ يتفاعل مع أيون البروميد ‪Br−‬‏، مكونًا البروم ‪Br2‬‏ الذي يذوب بسهولة في الماء منتجًا لونًا برتقاليًّا مميزًا، وأيونات الكلوريد ‪Cl−‬‏. لتسهيل الأمر، يمكنك فصل العمليتين الفرديتين. إذن، تشير العملية (أ) إلى تحول ‪Cl2‬‏ إلى اثنين ‪Cl−‬‏، وتشير العملية (ب) إلى تحول اثنين ‪Br−‬‏ إلى ‪Br2‬‏. ونتجاهل هنا رموز الحالة.

في العملية (أ) نري تحول جزيء الكلور المكون من ذرتي كلور إلى أيوني كلوريد شحنة كل منهما واحد سالب. ومن ثم، تعكس هذه العملية إضافة إلكترونين، إلكترونًا لكل ذرة من ذرتي الكلور. وبالنسبة إلى العملية (ب)، لدينا أيونا بروميد شحنة كل منهما واحد سالب، يتحولان إلى ذرات بروم متعادلة في جزيء البروم. ومن ثم، فإن العملية (ب) تمثل عملية إزالة إلكترونين.

يشير السؤال (أ) إلى الاختزال. الاختزال هو عملية اكتساب الإلكترونات. ويسهل تذكر ذلك إذا استخدمنا عبارة «خسارة وفوز». وتعني أن الأكسدة هي خسارة إلكترونات، والاختزال هو الفوز بإلكترونات. إذن إجابة الجزء (أ) هي السهم (أ). في السهم (أ)، يتحول الكلور إلى كلوريد عن طريق إضافة الإلكترونات. وهو ما يعد اختزالًا.

يطلب منا الجزء (ب) الإشارة إلى السهم الذي يتضمن فقد الإلكترونات. وهو السهم (ب). لأن في العملية (ب)، لدينا أيونان من البروميد يتحولان إلى بروم من خلال فقد إلكترونين. وأخيرًا، إجابة الجزء (ج) هي السهم (أ). في التفاعل (أ)، يكتسب الكلور إلكترونات لتكوين الكلوريد.

بعد ذلك، لنلق نظرة على سؤال يتضمن معادلات أيونية.

أي العبارات الآتية غير صواب عن المعادلة الأيونية الآتية؟ يتفاعل الزنك الصلب ‪Zn‬‏ مع ‪2Ag+‬‏ المائي لتكوين ‪Zn2+‬‏ المائي زائد ‪2Ag‬‏ الصلب. (أ) تحول ذرات الزنك إلى أيونات الزنك يعد عملية أكسدة. (ب) تحول أيونات الفضة إلى ذرات الفضة يعد عملية اختزال. (ج) يتصرف الزنك باعتباره عاملًا مختزلًا. (د) تكتسب أيونات الفضة إلكترونات. (هـ) تحول ذرات الزنك إلى أيونات الزنك يعد عملية اختزال.

في هذا التفاعل، لدينا الزنك في صورته الصلبة يتفاعل مع أيونات الفضة في محلول. والنواتج لدينا هي أيونات الزنك الموجودة في المحلول والفضة الصلبة. وتتمثل مهمتنا في فحص العبارات وإيجاد العبارة الخاطئة. العبارة الأولى هي أن تحول ذرات الزنك إلى أيونات الزنك يعد عملية أكسدة. يمكننا استخدام عبارة «خسارة وفوز» للتمييز بين الأكسدة والاختزال. تعني كلمة خسارة أن فقد الإلكترونات يعد عملية أكسدة، وتعني كلمة فوز أن اكتساب الإلكترونات يعد عملية اختزال. من المعادلة، نلاحظ تحول الزنك إلى زنك اثنين موجب. ويعود ذلك إلى إزالة إلكترونين.

يمكننا أيضًا أن نرى تحول أيونات الفضة الموجبة إلى ذرات فضة. وتتضمن هذه العملية تحديدًا إضافة إلكترونين. ويمكننا أن نلاحظ أن ذرات الزنك في هذه الحالة تتحول إلى أيونات زنك وتفقد إلكترونات. هذه العبارة صحيحة. ومن ثم، لا يمكن أن تكون الإجابة الصحيحة. بعد ذلك، لدينا العبارة التي تنص على أن تحول أيونات الفضة إلى ذرات فضة يعد عملية اختزال. يمكننا أن نلاحظ من المعادلة أن أيونات الفضة تكتسب إلكترونات مكونة ذرات الفضة. وبناء عليه، يعد هذا اختزالًا وهذه العبارة صحيحة، ومن ثم فهي ليست الإجابة الصحيحة.

تتطلب العبارة الثالثة مزيدًا من التحليل مقارنة بالعبارات السابقة. يتصرف الزنك باعتباره عاملًا مختزلًا. ما هو العامل المختزل؟ يختزل العامل المختزل شيئًا آخر من خلال منحه إلكترونات. يمكننا أن نلاحظ من المعادلة أن كل ذرة من ذرات الزنك تمنح إلكترونين، إلكترونًا لكل أيون من أيوني الفضة الموجبين. وبما أن الزنك يمنح إلكترونات، فإنه يتصرف باعتباره عاملًا مختزلًا. إذن هذه العبارة صحيحة أيضًا. وبما أننا ذكرنا بالفعل أن أيونات الفضة هي التي تستقبل الإلكترونات، فإننا نعلم أن عبارة «تكتسب أيونات الفضة إلكترونات» عبارة صحيحة، ومن ثم فهي ليست الإجابة الصحيحة.

تشير العبارة الأخيرة إلى أن تحول ذرات الزنك إلى أيونات زنك يعد عملية اختزال. لكننا نعلم أنه في هذه العملية، تفقد ذرات الزنك إلكترونات بدلًا من اكتسابها. إذن هذه ليست عملية اختزال. إنها عملية أكسدة. إذن من بين العبارات الخمس المعطاة عن المعادلة الأيونية، تعد عبارة «تحول ذرات الزنك إلى أيونات الزنك يعد عملية اختزال» العبارة الوحيدة الخاطئة.

وأخيرًا، دعونا نختتم الدرس بذكر النقاط الرئيسية. الاختزال عملية تكتسب فيها المادة إلكترونات، أما الأكسدة فعكس ذلك؛ فهي العملية التي تفقد فيها المادة إلكترونات. في المستويات الأعلى، قد ننتقل من عد الإلكترونات إلى النظر إلى ما نسميه أعداد التأكسد. تفاعل الأكسدة والاختزال نوع من التفاعل تتأكسد فيه إحدى المواد وتختزل مادة أخرى في نفس الوقت. العامل المختزل هو المادة الموجودة في تفاعل الأكسدة والاختزال التي تتسبب في اختزال شيء آخر. ونتيجة لذلك، يتأكسد العامل المختزل، أما العامل المؤكسد فهو المادة الموجودة في تفاعل الأكسدة والاختزال التي تتسبب في تأكسد شيء آخر ويختزل العامل المؤكسد نتيجة لذلك.