براكسيلابس المدونة العربية لمعامل العلوم الإفتراضية براكسيلابس
يختص علم الكيمياء بدراسة التأثيرات والتفاعلات بين العناصر والذرات والإلكترونات والجزيئات والعديد من الجسيمات الأخرى.
يناقش هذا المقال تفاعلين من أشهر التفاعلات التي تحدث على نطاق واسع في الكيمياء، وفي حياتنا اليومية، ألا وهما: عمليتي الأكسدة والاختزال، وتفاعلاتهما.
سنتناول معًا طبيعة هذين التفاعلين، وتعريفهما، والفرق بين جهد الأكسدة وإمكانية الاختزال، والفرق بين عوامل الأكسدة وعوامل الاختزال، بالإضافة إلى ذكر العديد من أمثلة الأكسدة والاختزال لجعل فهمنا أكثر وضوحًا… هيا بنا!
الأكسدة وتعريفها التاريخي
إذا كنت من محبي المنظفات التي تحتوي على الأكسجين، أو كنت ممتنًا لقوة التعقيم الخاصة بمنتجات بيروكسيد الهيدروجين، فيجب عليك أن تشكر “الأكسدة”. من ناحية أخرى، يمكنك إلقاء اللوم على الأكسدة أيضًا، إذا سبق لك التعامل مع سيارة صدئة أو فاكهة بنية اللون.
الأكسدة هي عملية يمكن أن تبدأ بشكل عفوي أو مصطنع، وهي مفيدة في بعض الأحيان ومدمرة للغاية في حالات أخرى.
المثال الكلاسيكي للغاية للأكسدة هو تفاعل الحديد مع الأكسجين لتكوين أكسيد الحديد، أو تلك المادة الحمراء الشهيرة والتي تميل إلى البرتقالي أحيانًا: الصدأ.
في هذا المثال، يتأكسد الحديد بواسطة الأكسجين ليصبح صدًأ، ويُمكننا تتبع التفاعل الكيميائي عن طريق المعادلة التالية:
عُرِفت عملية الأكسدة قديمًا على أنها العملية التي تحدث عند إضافة الأكسجين أو أي عنصر كهروسلبي آخر إلى المركب. نشأ هذا الفهم نتيجة لأن الأكسجين (O2) كان أول عامل مؤكسد معروف.
لاحقًا، تم توسيع تعريف الأكسدة ليشمل أنواعًا أخرى من التفاعلات الكيميائية التي لا تحتوي بالضرورة على الأكسجين.
تعريف الأكسدة
في الوقت الحاضر، لا يُنظر إلى مصطلح الأكسدة على أنه متعلق بالأكسجين فقط، ولكن يُنظر إليه على أنه عملية كاملة لا يجب أن تقتصر فقط على وجود الأكسجين. ولكن بدلاً من ذلك، يتم تعريف الأكسدة على أنها:
“فقدان الإلكترونات أثناء تفاعل جزيء، أو ذرة، أو أيون.”
ليست كل العناصر لها نفس الميل لفقد أو اكتساب الإلكترونات. تتأكسد بعض العناصر بسهولة، مثل المعادن، بما في ذلك المغنيسيوم والحديد والصوديوم. في حين أن اللافلزات مثل: الكلور والنيتروجين والأكسجين، لا تتأكسد بسهولة، وهي أكثر ترددًا في فقد إلكتروناتها.
قد تشتمل تفاعلات الأكسدة على عدة أشكال، على النحو التالي:
- إضافة الأكسجين
معادلة توضح أكسدة الكربون - إضافة عنصر كهروسالب
معادلة أكسدة الحديد باستخدام الكبريت - إزالة عنصر كهرو موجب
معادلة توضح أكسدة اليوديد - إزالة الهيدروجين
معادلة توضح أكسدة الكبريتيد
تعريف آخر يهمنا هو تعريف العامل المؤكسد، ألا وهو:
“المادة التي تقبل أو تكتسب أو تستقبل إلكترونًا من عامل مختزل.”
أو باختصار أكثر:
“هو أي مادة تؤكسد مادة أخرى”.
العوامل المؤكسدة في الأمثلة الأربعة المذكورة سابقًا هي: O2, S, Br2, H2O2.
آلية الأكسدة
تحدث عملية الأكسدة على عدة مراحل، وينتج عنها تغيير في خواص الذرة أو المركب الذي يتأكسد. فعلى سبيل المثال، عند تعرض الحديد للأكسدة، يتحول إلى مسحوق هش محمر اللون ويفقد صلابته، بالإضافة إلى أنه يفقد طبيعته الهيكلية القوية. تحدث هذه العملية نتيجة لتعرضه إلى فقدان الإلكترونات.
لنتخيل هذه العملية بشكل أوضح، نلاحظ الرسم البياني التالي الذي يوضح ما يحدث لذرة الحديد عند تأكسدها. يبدأ الحديد في حمل شحنة بمجرد أن يتأكسد. أما عن هذه الشحنة، فهي:
- ليست شحنة واحدة فقط، بل ثلاث،
- وهي شحنات موجبة، حيث تم فقد ثلاث إلكترونات في المقابل.
يُشار إلى هذا كيميائيًا بعلامة (3+) المرفوعة كأس على يمين رمز الحديد (Fe). يتأكسد عنصر الحديد بسهولة، أي أن حماية الحديد من الأكسجين والرطوبة لهو أمر مهم ومفضل دائمًا. وإلى الأبد، سيستمر الحديد في فقد إلكتروناته طالما كان الأكسجين متوفرًا.
ابدا تجربتك المعمليه عبر الانترنت الان!
أمثلة على تفاعلات الأكسدة
تعتبر العديد من التفاعلات أمثلة رائعة لنذكرها عند ذكر عملية الأكسدة، مثل:
- التفاعل بين الهيدروجين والفلور لإنتاج حمض الهيدروفلوريك، والذي يعطى بواسطة:
معادلة توضح التفاعل بين الهيدروجين والفلور يمكن فهم هذا التفاعل بشكل أفضل إذا قمنا بكتابته مقسمًا إلى جزئين، كالتالي:
نلاحظ أيضًا أن هذا التفاعل لا يحتوي على أي ذرات أكسجين في أي جزء من أجزائه.
- التفاعل بين النحاس والفضة باعتباره مثالاً رائعًا على التفاعلات الكهروكيميائية، ممثلًا كالتالي:
معادلة التفاعل بين النحاس والفضة في هذا التفاعل، يتم وضع سلك من النحاس في محلول أيونات الفضة، فتنتقل الإلكترونات من معدن النحاس إلى أيونات الفضة. ونتيجة لذلك، يتأكسد النحاس عن طريق إطلاق أيوناته في المحلول، وتتراكم الفضة على السلك النحاسي.
- التفاعل بين المغنيسيوم والأكسجين لإنتاج أكسيد المغنيسيوم، هو أحد أمثلة تفاعلات الأكسدة، حيث يكون الأكسجين واضحًا في المعادلة. وهذا يُوضح في المعادلة التالية:
معادلة توضح كيفية تكوين أكسيد المعنيسيوم
تعريف الاختزال
تُعرف العملية المضادة لعملية الأكسدة باسم عملية الاختزال، ومن المنطقي تعريفها على أنها عملية اكتساب الإلكترونات. أما عن تعريف الاختزال، فهو:
“عملية اكتساب الإلكترونات أثناء تفاعل جزيء، أو ذرة، أو أيون.”
أما تاريخيًا، فقد عُرِف الاختزال كما لو كان عملية يتم فيها إضافة الهيدروجين أو أي عنصر كهرو موجب.
آلية الاختزال
لا تختلف آلية الاختزال عن آلية الأكسدة كثيرًا. فهنا، وبدلاً من فقدان الإلكترونات كما هو الحال مع الأكسدة، تكتسب العناصر إلكترونات، ويقال أن المركب أصبح مُختزلًا. كما تحدث العديد من التغييرات في خصائص الذرة أو المركب الذي يتم اختزاله.
أمثلة على تفاعلات الاختزال
تشمل تفاعلات الاختزال عدة أشكال، على النحو التالي:
- إضافة الهيدروجين
معادلة توضح اختزال النيتروجين - إضافة عنصر كهروموجب
معادلة توضح اختزال الأكسجين الزئبقي - إزالة الأكسجين
معادلة توضح اختزال أكسيد الزنك - إزالة عنصر كهروسالب
معادلة توضح اختزال كلوريد الحديديك
وكما قمنا بتعريف عامل الأكسدة، لابد وأن نُعرف عامل الاختزال أيضًا، كالتالي:
“هو مادة تعطي أو تفقد أو تتبرع بإلكترون من عامل مؤكسد.”
أو لنكون أكثر اختصارًا:
“هو أي مادة تقوم بأكسدة مادة أخرى”.
أما عوامل الاختزال في الأمثلة السابقة، فهي: H2, HgCl2, C.
الأكسدة والاختزال هما عمليتان متزامنتان تحدثان معًا، وتؤديان إلى تفاعل مشهور جدًا، يُعرف باسم تفاعل الأكسدة والاختزال (redox reaction). من خلال هذا التفاعل، تكتسب الذرات – أو المركبات – الإلكترونات وتفقدها في نفس الوقت.
إنشئ حسابك المجاني على براكسيلابس الآن، وجرب تفاعلات الأكسدة والاختزال بنفسك!
