تفاعلات التأكسد والاختزال (الإرجاع)

تفاعلات التأكسد والاختزال (الإرجاع)
(1)
النوع الخامس : تفاعلات التأكسد والاختزال أو الأكسدة والإرجاع
تمهيد : بدأ مفهوم الأكسدة تاريخياً عندما أطلقه العلماء على اتحاد الأوكسجين بالعناصر الأخرى ، فمثلاً في التفاعل :

تأكسد الكبريت ، ولكن المفهوم سرعان ما اتسع وتطور ليشمل تفاعلات لا يشارك فيها الأوكسجين وربط به مفهوم آخرمترافق معه دائماً هو مفهوم الاختزال .

مفهوم الأكسدة والاختزال (1) : تطور هذا المفهوم وتعدل ، شأنه في ذلك شأن المفاهيم والحقائق العلمية الأخرى التي تخضع للتبدلات والتغيرات ، فبعد اكتشاف مكونات الذرة ، وتحديد مفهوم الذرية (وقد درستها سابقاً) لم تعد تفاعلات الأكسدة والاختزال ترتبط بإضافة الأوكسجين أو نزعه ، بل أصبحت تشير إلى أي تفاعل يحدث فيه تبادل الكتروني بين بعض المواد المتفاعلة مما يؤدي إلى تغير في ذرياتها وظهورها بثوب جديد في النواتج . ولتوضيح ذلك ، لندرس تفاعل اتحاد الصوديوم والكلور لتكوين ملح الطعام :

ولو طلبنا منك أن تحدد نوع هذا التفاعل ، لقلت بلا تردد (وقولك صحيح) إنه تفاعل اتحاد مباشر ، ولكن دعنا ننظر إلى الموضوع من زاويةٍ أخرى . ففي هذا التفاعل تمنح كل ذرة من ذرات الصوديوم إلكتروناً لكل ذرة من ذرات الكلور ، وهكذا تتغير ذرية الصوديوم فبعد أن كانت تساوي صفر عندما كان الصوديوم لوحده Na(s)i وقبل أن يدخل في تفاعل مع الكلور ، أصبحت ذريته +1 في أثناء وبعد دخوله التفاعل أي أنه أصبح أيون Na+1 . إن ذرة الصوديوم ازدادت عددياً من المواد المتفاعلة إلى النواتج وهذا واضح من أن +1 أكبر من صفر . وهذا ما اتفق العلماء على تسميته تأكسداً .
أما ذرة الكلور فبعد أن أخذت الالكترون من ذرية الصوديوم تحولت إلى أيون الكلوريد السالب Cl-1 ، لقد نقصت ذرية الكلور عددياً من المواد المتفاعلة إلى النواتج وهذا واضح من أن -1 أصغر من صفر ، وهذا ما اتفق العلماء على تسميته اختزالاً (إرجاعاً) .
لاحظ أن كل ذرة صوديوم تمنح الكتروناً تجد من يأخذه منها حالاً وهو ذرة الكلور ، وليس هنالك أية الكترونات تضيع أثناء هذه العملية المتواقتة ، فكلما تأكسدت ذرة صوديوم اختزلت مقابلها ذرة كلور ، وهكذا فالأكسدة والاختزال عمليتان مترافقتان ولا يمكن أن تحدث إحداهما دون حدوث الأخرى.
لقد تحدثنا أعلاه عن مفهوم الذرية (وقد أفردنا فصلاً خاصاً في هذه الأساسيات) فهو أساس في تفاعلات الأكسدة والاختزال ، ومفهوم الذرية يرتبط بكسب وخسارة الالكترونات وبالروابط ، فما هي النقطة المرجعية في تحديد ذرية العنصر ؟ إن النقطة المرجعية هي ذرة واحدة من العنصر ، فذرية الصوديوم +1 لأن ذرة واحدة منه تمنح الكتروناً واحداً وذرية الكلور -1 لأن ذرة واحدة منه تقبل الكتروناً واحداً . نُذكرك أيضاً بوجود مصطلحٍ آخر مرادفٍ لمصطلح الذرية وهو رقم الأكسدة (أو عدد التأكسد) وعلى الرغم من وجود اختلافاتٍ بين مفهوم الذرية ومفهوم عدد التأكسد إلا أننا نستخدمهما كمترادفين فلا تستغرب إذا وجدتنا نستخدم الواحد منهما بدلاً عن الآخر .

الذرية :
عدد الروابط التي تعملها ذرة واحدة من العنصر حينما تدخل في اتحادٍ كيميائي مع ذرةٍ أخرى .
نستخدم مصطلح الذرية عادةً مع المركبات التساهمية (ذات الروابط المشتركة) التي يكون طرفاها أو أطرافها من اللافلزات مثل الماء وحمض الكبريتيك H2SO4 .

تدريب (1) : جدْ بنفسك ذرية كلٍ من الهيدروجين والأكسجين في الماء .
تدريب (2) : جدْ أيضاً ذرية كل من الهيدروجين والكربون في الميثان .

رقم الأكسدة (عدد التأكسد) : هو الشحنة التي يبدو وكأن الذرة تحملها حينما تعد الالكترونات حسب قواعد متفقٌ عليها (وسنبحث هذه القواعد بالتفصيل بعد قليل) .

يُستخدم مصطلح رقم الأكسدة في حالة المركبات الأيونية التي تجمع بين فلزٍ ولا فلز أو بين فلزٍ ومجموعةٍ سالبة مثلNaCl ، CaS ، KNO3 Mg i(OH)2 .
تفاعلات التأكسد والاختزال (الإرجاع)
(2)

قواعد متفق عليها في حساب الذرية وأرقام التأكسد
لأجل أن تفهم بسهولة تفاعلات التأكسد والاختزال ، عليك دراسة القواعد التالية التي اتفق عليها عُلماء الكيمياء واعتبروها من المسلمات ، وهي قواعد تخص مفهوم رقم التأكسد أو بمصطلحٍ آخر الذرية . لا تحاول استظهار هذه القواعد بسرعة ومرةً واحدة (إذا أمكنك فعل ذلك فلا بأس) وستجد أنك ستعرفها بمرور الزمن ، ونتيجةً لاستمرارك في تطبيقها والتعامل معها أثناء دراسة الموضوعات الكيميائية ، وبشكلٍ خاص الموضوعات المتعلقة بالتأكسد والاختزال .

تعتبر القواعد التالية هامة جداً لأجل أن تفهم تفاعلات التأكسد والاختزال :
أ‌) ذرية (رقم تأكسد) العنصر المنفرد النقي = صفر ، مثلاً ذرية O2 , Al , Cl2 , Na .. وأي عنصر آخر قبل دخوله التفاعل = صفر
ب‌) صيغة المركب متعادلة أي أن مجموع الشحنات الموجبة والسالبة = صفر ، مثلا NaCl متعادل فأيون الصوديوم Na+1 يتعادل مع أيون الكلوريد Cl-1 . أمثلة CO2 ، KBr ، Al2O3 ، وأي مركب آخر مجموع شحناته = صفر .
ج) ذرية الأوكسجين في مركباته = -2 وهذه الذرية متوافقة مع المجموعة السادسة التي ينتمي إليها ويتزعمها .
مثال : في مركب BaO ذرية الأكسجين -2 إذن ذرية الباريوم +2 وذلك لأن الصيغة BaO متعادلة حسب القاعدة السابقة (ب) .
د) ذرية الهيدروجين في مركباته +1 .
مثال : ما ذرية الكبريت H2S ؟ لا شك أنك عرفتها لوحدك ، إنها (-2) وقد تمكنت من حسابها اعتماداً على هذه القاعدة وقاعدة (ب) .
هـ) ذرية عناصر المجموعة الأولى ثابتة في كل مركباتها وهي +1 .
ما ذرية الفلور في مركب KF ؟ إنها = --------- لأن ذرية البوتاسويم +1 .
و) ذرية عناصر المجموعة الثانية ثابتة في كل مركباتها وهي +2 .ومثلها ذرية الخارصين في كل مركباته فهي (+2) أيضاً .
مثال : ما ذرية اليود في مركب CaI2 ؟ إنها = -2 ÷ 2 = -1 ، فسّر كيف حسبنا ذرية اليود ؟
ز) ذرية عناصر المجموعة الثالثة ثابتة وهي +3 وأشهرها الألومنيوم .
مثال : ما ذرية الكلور في مركب AlCl3 ؟
ح) تكون اللافلزات أيونات سالبة حينما تتحد مع الفلزات (تذكر أن الفلزات تكون أيونات موجبة دائماً) .
مثال : في مركب ZnBr2 الأيون الموجب هو أيون الخارصين (Zn+2) والأيون السالب هو أيون البروميد (Br-1) .
ط) تكون اللافلزات روابط مشتركة (تساهمية) حينما تتحد مع بعضها البعض ، مثلاً في H2O هنالك رابطتان تساهميتان ، إذن ذرية الأكسجين (2) لأن ذرة الأكسجين الواحدة تعمل رابطتين ، وذرية الهيدروجين (1) لأن ذرة الهيدروجين الواحدة تعمل رابطة واحدة .
ما ذرية الهيدروجين في مركب CH4 إذا علمت أن الربط فيه يتم حسب الشكل التالي :
ي) تدريب عام على قواعد ومسلمات رقم التأكسد والذرية .
احسب ذرية العنصر الذي تحته خط فيما يلي :
1. Cu 2. CaO 3. NH3 4. KCl
5. MgI2 6. Al2 S3 7. CO 8. C2H2
(3)
مفهوم الأكسدة والاختزال (2) : ادرس التفاعل التالي وهو نوعٌ من التبادل البسيط (كما درست عنه في النوع الثالث من التفاعلات في هذه الورقة) . وادرس العبارات التالية الخاصة به وأجب عما فيها من أسئلة .



1- إن ذرية الخارصين Zn(s) في طرف المعادلة الأيسر (طرف المواد المتفاعلة) هو ـــــــــ .
2- إن ذرية الخارصين في مركب ZnCl2 في طرف المعادلة الأيمن (طرف المواد الناتجة) هي +2 .
3- ما مقدار التغير في رقم أكسدة (ذرية) الخارصين ، بين طرفي المعادلة ، ـــــــــــ .
4- إذن ازداد رقم أكسدة (ذرية) الخارصين أي أنه ــــــــ .
5- ما دام الخارصين قد تأكسد (أي أنه أعطى الكترونات) فابحث عن العنصر الذي اختزل (أخذ الكترونات) إنه عنصر ـــــــــــ .
6- إن ذرية الهيدروجين في HCl (مادة متفاعلة) = +1 ، أما في الناتج (H2.g.) فهي = ـــــــ .
7- اخْتُزِل في هذا التفاعل عنصر الهيدروجين لأن ذريته نقصت من +1 إلى ـــــــ .
8- في هذا التفاعل تأكسد عنصر ـــــ واختزل عنصر ـــــــ .
9- التأكسد أو الأكسدة هو زيادة في ذرية العنصر والاختزال (الإرجاع) هو نقص في ــــ ــــ .
10- إذا تأكسدت مادة ما في تفاعل معين فهناك مادة أخرى تكون قد ـــــــ في نفس التفاعل أي أن العمليتين مترافقتان .
11- المادة التي تتأكسد تعطي الإلكترونات وتزداد ذريتها ، أما المادة التي تختزل فهي تكسب ــــــ وتنقص ذريتها .
12 - باختصار الزيادة في ذرية العنصر هو أكسدة والنقص في مقدارها (الذرية) يعني الاختزال .
13- املأ الفراغات في الجدول التالي معتمداً على ما درسته وعلى المثالين المحلولين .
التفسير العملية المادة الناتجة المادة المتفاعلة
زادت الذرية من -1 إلى صفر . أكسدة Cl-1 ع Cl2
نقصت ذرية الكربون من -1 إلى -3 . اختزال C-1 ع C-3
Fe+2 ع Fe+3
Mn+4 ع Mn+2
Mgصفر ع Mg+2
ClO2-1 ع ClO3-1
BrO4-1 ع BrO2-1