تطبيقات التأكسد والاختزال

أهمية التأكسد والاختزال :

مصدر طاقة للكائنات الحية ( تأكسد واختزال الطعام ) ، ومصدرللطاقة الكهربائية (بطارية السيارة،المصباح الكاشف).

تطبيقات عملية على التأكسد والاختزال :

1.    صدأ الحديد عند تعرضه لجو رطب ، ويتم حمايته بالطلاء أو الغلفنة .

2.    وجود خامات فلزات في الطبيعة على شكل أكاسيد .

أولاً : مفهوم التأكسد والإختزال :

بداية تم تعريف التأكسد بأنه تفاعل المادة مع الأكسجين :

2Fe ₂O₃                                           3O₂    +  4Fe     

أما الاختزال فهوعملية نزع الأكسجين من مركب كما في استخلاص الفلزات الحرة من خاماتها مثل استخلاص النحاس                                                 CuO   +     H₂                    Cu  +  H₂O

كذلك استخلاص الحديد ،  حيث يتم نزع الأكسجين من الحديد من خام الهيماتيت ( Fe₂O₃) باستخدام الكربون ( C ) داخل الفرن اللافح كما في المعادلة الآتية : 

2Fe ₂O₃  +  3C                    4Fe   +  3CO₂

 أما حديثاً فالتأكسد هو عملية فقد المادة للالكترونات خلال تفاعل كيميائي ، أما الاختزال فهو عملية اكتساب المادة

    للالكترونات خلال تفاعل كيميائي ، وعمليتي التأكسد والاختزال مترافقتين .

ثانيا : عدد التأكسد :

عدد التأكسد للذرة (على شكل ايون) هو الشحنة الفعلية لأيون الذرة ،أما في المركبات الجزئية فلا يحدث انتقال كامل للالكترونات بل يتم المشاركة بها لذلك يعرف عدد التأكسد بأنه الشحنة التي ستكتسبها الذرة فيما لو أعطيت الكترونات

الرابطة كليا للذرة الأعلى كهرسلبية فيكون عدد تأكسد الذرة الأعلى كهرسلبية سالبا والأقل كهرسلبية موجباً :

H₂   +   Cl₂                      2HCl                                             

وهنا تحمل ذرة (  H) شحنة جزئية موجبة (δ+ ) وذرة( Cl) شحنة جزئية سالبة ( - δ ) لان كهرسلبة ( Cl) أعلى منها للهيدروجين H (HCl   مادة جزيئية ) .  

قواعد أعداد التأكسد :

تعبر أعداد التأكسد عن عدد الإلكترونات التي يتم فقدها أو اكتسابها أو المشاركة بها ، وقد يكون عدد التأكسد موجباً أو سالباً أو صفراً ، ولحساب عدد التأكسد قواعد عامة وهي :   

1.يكون عدد تأكسد العنصر الحر(المنفرد) يساوي صفرا ( ذرات منفردة أو جزيئات ثنائيه الذرات أو متعددة الذرات ) :

Na _(s) ,  Al _(s)  ,  B_(s)  ,Cu _(s) , H_2(g)  ,  F₂ , Cl_2(g) , O_{2(g) ,} P₄  , S₈

2. عدد تأكسد الأيون البسيط ( المكون من ذرة واحدة) يساوي شحنة ذلك الايون : 

Na⁺              = +1            ،        O^-2  =  -2             ،           Al⁺³  =  +3

3. عدد تأكسد عناصر المجموعة الأولى ( القلوية : A I ) يكون مساوياً (+1 ) مثل :  K⁺ , Na⁺ , Li⁺    

4.عدد تأكسد عناصر المجموعة الثانية (القلوية A  II  ) يكون مساوياً (+2) مثل :          Ba⁺², Ca⁺² , Mg⁺² ,  Be⁺² 5. عدد تأكسد عناصر المجموعة الثالثة ( A  III) يكون مساوياً ( +3) مثل :    ……   Al⁺³  ,  B⁺³                            

6. عدد تأكسد عناصر المجموعة السابعة ( الهالوجينات VIIA ) مثل ( I ^- ,  Br ^- ,  Cl ^- ) يكون مساوياً (-1) مع

الفلزات فقط مثل :NaCl  , KI ,  AlBr₃ MgI₂ , ،  ماعدا الفلور (F^-  ) يكون دائما (-1) في جميع المركبات. 

7. عدد تأكسد الهيدروجين يساوي (+1) في جميع مركباته باستثناء هيدريدات الفلزات( IA ، IIA ،IIIA )   فيكون

     عدد تأكسده يساوي (-1) مثل  , AlH₃  ,  BaH₂   , NaH :  NaBH₄ ……

8. عدد تأكسد الأكسجين  في مركباته يساوي (-2) باستثناء :

 ( أ) فوق الاكاسيد يكون عدد تأكسده (-1) مثل :  H₂O₂ ، Na₂O₂    

 (ب) مع الفلور يكون عدد تأكسده (+2) وذلك لان F أعلى كهرسلبية من O فتحمل F شحنة سالبة بينما O  يحمل

شحنة موجبة : مثل F₂O  أو  OF₂ .

9. في المركبات المتعادلة يكون مجموع أعداد التأكسد لجميع الذرات = صفر مثل :CuSO₄  ,  H₃PO₄   .

10. مجموع أعداد التأكسد لجميع الذرات في الأيون متعدد الذرات يساوي شحنة الأيون  مثل   CrO₄^-2 .

          

 مثال :   في التفاعل الآتي :            2Mg   +  O₂                   2MgO            

  يلاحظ بان أكسيد المغنيسيوم MgO   يتكون نتيجة فقد  Mg )) الإلكترونين ، فيتكون الايون الموجب( ²⁺ Mg ) ، أما

الأوكسجين فيكسب هذين الإلكترونين ، فيتكون الايون السالب ( O^{2 -}) ،ويمكن تمثيل ذلك بنصفي التفاعل :

نصف تفاعل التأكسد :  Mg                   Mg ⁺²  +  2e ^-                               ( e ^-تظهر في المواد الناتجة )

نصف تفاعل الاختزال :   O₂  +  2e ^-                   O ^{2 -}                              ( e ^-تظهر في المواد المتفاعلة )

 مثال :    ما عدد تأكسد Fe في كل من :

  ← FeO ( عدد ذرات O × عدد تأكسده ) + (عدد ذرات  Fe× عدد تأكسده )  =  صفر

( 1 × -2 + 1 × Fe ) = صفر ↔ عدد تأكسد Fe = + 2

Fe₂O₃  ←( عدد ذرات O × عدد تأكسده ) + (عدد ذرات  Fe× عدد تأكسده )  =  صفر

( 3 × -2 + 2 × Fe ) = صفر ↔ عدد تأكسد Fe = +3

مثال:   ما عدد تأكسد As في المركب :   AsO₄ ^{– 3}؟

( 4 × -2 + 1 × As ) = -3 ↔ عدد تأكسد As = + 5

مثال :   ما عدد تأكسد ما تحته خط في كل مما يأتي :

  ^-VO₃  :  ( 3 × -2 + 1 × V ) = - 1 ↔ عدد تأكسد  V= + 5

MnO₄^- : ( 4 × -2 + 1 × Mn) = - 1 ↔ عدد تأكسد Mn  = + 7

  P₂O₅   : ( 5 × -2 + 2 × P) = صفر ↔ عدد تأكسد P = + 5

  Li₄C  : ( 4 × 1 + 1 × C) = صفر ↔ عدد تأكسد C = - 4

مثال :  ما عدد تأكسد عنصر الكروم  في كل مما يأتي :

CrO₂ ^- : ( 2 × -2 + 1 × Cr ) = - 1 ↔ عدد تأكسد Cr = + 3

Cr₂O₇ ^-2 : ( 7 × -2 + 2 × Cr ) = - 2 ↔ عدد تأكسد Cr = + 6

CrO₃ : ( 3 × -2 + 1 × Cr ) =  صفر  ↔ عدد تأكسد Cr = + 6

مثال :  ما عدد تأكسد عنصر اليود في كل مما يأتي :

IO₃ ^-    : ( 3 × -2 + 1 × I ) = - 1 ↔ عدد تأكسد I = + 5

  KI    : ( 1× 1 + 1 × I ) =  صفر ↔ عدد تأكسد I = - 1

 I₂      :  عدد تأكسد I = صفر

                                                                                                               

ثالثا : علاقة  عدد التأكسد بكل من التأكسد والاختزال والعامل المؤكسد والعامل المختزل  :

التأكسد : هو فقد الكترونات ← زيادة في عدد التأكسد ←  وتسمى المادة التي تأكسدت عامل مختزل لأنها تختزل المادة الأخرى . أما الاختزال : فهو كسب الكترونات ← نقص في عدد التأكسد ←  وتسمى المادة التي اختزلت عامل مؤكسد

 لأنها تؤكسد المادة الأخرى . ويعد المركب كاملاً أو الأيون عاملاً مؤكسداً أو عاملاً مختزلاً وليس الذرة فقط  .