في الكيمياء هناك ما يعرف بتفاعلات الأكسدة والاختزال أو تفاعلات التأكسد والاختزال (الأكسدة)، وهو عبارة عن نوع من التفاعل الكيميائي الذي يعتمد بشكل رئيسي على نقل الإلكترونات بين مادتين، وتفاعل الأكسدة والاختزال هو أي تفاعل كيميائي يتغير فيه عدد الأكسدة لجزيء أو ذرة أو أيون إما باكتساب أو فقدان إلكترون، كما وأن هذا النوع من التفاعلات شائع وحيوي لبعض الوظائف الأساسية للحياة بما في ذلك عملية التمثيل الضوئي وعملية التنفس وعمليات الاحتراق والتآكل أو الصدأ.
مقدمة عامة عن الأكسدة والاختزال
قبل البدء بالتحدث عن تفاعلات التأكسد والاختزال لا بد لنا من التطرق لبعض القواعد المهمة من أجل تعيين حالات الأكسدة أو عدد التأكسد، حيث تتوافق حالة الأكسدة (OS) لعنصر ما مع عدد الإلكترونات لهذا العنصر (-e) التي تفقدها الذرة أو تكتسبها أو يبدو أنها تستخدمها عندما تقوم بالانضمام إلى ذرات أخرى في المركبات، ولتحديد حالة أكسدة الذرة هناك سبعة إرشادات يجب اتباعها:
- حالة الأكسدة للذرة الفردية تساوي صفر.
- حالة الأكسدة الكلية لجميع الذرات في النوع المتعادل تساوي صفر وفي الأيون تساوي مقدار شحنة الأيونات.
- تحتوي معادن المجموعة الأولى على حالة أكسدة قدرها +1 والمجموعة الثانية حالة أكسدة تبلغ +2.
- حالة أكسدة الفلور هي -1 في جميع المركبات.
- يحتوي الهيدروجين بشكل عام على حالة أكسدة +1 في المركبات، إلا في بعض الحالات التي ترتبط فيها مع الفلزات تصبح شحنته -1.
- للأكسجين عمومًا حالة أكسدة -2 في المركبات، إلا في بعض المركبات التي تتكون من فوق الأكاسيد.
- في مركبات المعادن الثنائية تحتوي عناصر المجموعة 17 على حالة أكسدة -1 وعناصر المجموعة 16 من -2 والمجموعة 15 عنصرًا -3.
مثلا لو أردنا تحديد أعداد التأكسد للعناصر في المعادلات التالية تكون الإجابات كما يلي:
Fe (s) + O2 (g)⟶Fe2O3 (g)
إن كلا من العناصر Fe و O2 عبارة عن عناصر منفردة لذلك كل منهم لديه حالة أكسدة قدرها صفر وفقًا للقاعدة رقم 1، والناتج يمتلك حالة أكسدة كلية تساوي صفر أيضا لأنه متعادل، ووفقًا للقاعدة رقم 6 O لديها حالة أكسدة -2 مما يعني أن Fe لديه حالة أكسدة +3.
Fe2+(aq)
هنا تتوافق حالة أكسدة أيونات الحديد مع شحنتها نظرًا لكونها نوعًا واحدًا من العناصر لذلك حالة الأكسدة هي +2.
Ag (s)+H2S⟶Ag2S (g)+H2 (g)
يمتلك عنصر الفضة Ag حالة أكسدة مقدارها صفر، الهيدروجين لديه حالة أكسدة مقدارها +1 وفقًا للقاعدة رقم 5 و H2 لديه حالة أكسدة صفر، وعنصر الكبريت S لديه حالة أكسدة -2 وفقًا للقاعدة رقم 7، وبالتالي فإن Ag في مركب Ag2S يمتلك حالة أكسدة +1.
بشكل عام فإنه تتأكسد الذرة إذا زاد عدد التأكسد لها، وتسمى بالعامل المختزل (reducing agent)، وتختزل الذرة إذا انخفض عدد التأكسد لها وتسمى بالعامل المؤكسد (oxidizing agent)، وهناك ملاحظة هامة تفيد أن العوامل المؤكسدة والمختزلة يمكن أن تكون نفس العنصر أو نفس المركب.
تفاعلات الأكسدة والاختزال
- تتكون تفاعلات الأكسدة والاختزال من جزأين، وهما نصف تفاعل تأكسد ونصف تفاعل مختزل، وهذين التفاعلين دائما يحدثان مع بعضها البعض ولا يحدث أحدهما دون حدوث الأخر، إذ يكتسب النصف المختزل إلكترونات ويقل عدد الأكسدة له، بينما يفقد النصف المؤكسد الإلكترونات ويزداد عدد الأكسدة له.
- تشمل الطرق البسيطة لتذكر ذلك تذكر ما يلي: (oxidation is loss) واختصارها OIL و (reduction is gain) واختصارها RIG، والتي تعني “الأكسدة خسارة” و “الاختزال هو الربح”، لا يوجد تغيير صافي أو نهائي في عدد الإلكترونات في تفاعلات الأكسدة والاختزال.
- يطلق على المادتين اللتين تتبادلان الإلكترونات في تفاعلات التأكسد والاختزال أسماء خاصة بها وهي كالتالي: يطلق على الأيون أو الجزيء الذي يقبل الإلكترونات اسم العامل المؤكسد أي أنه بقبول الإلكترونات فإنه يؤكسد الأنواع الأخرى، كما يطلق الأيون أو الجزيء الذي يتبرع بالإلكترونات اسم العامل المختزل أي أنه بإعطاء الإلكترونات فإنه يختزل من الأنواع الأخرى.
- من الأمثلة الجيدة على تفاعل الأكسدة والاختزال هو تفاعل الثرمايت، حيث تفقد (أو تتخلى) ذرات الحديد في أكسيد الحديديك ذرات الأكسجين O إلى ذرات الألمنيوم Al، مما ينتج عنه مركب أكسيد الألمنيوم Al2O3 كما في المعادلة التالية:
Fe2O3 (s)+2Al (s)→Al2O3 (s)+2Fe (l)
- وهناك العديد من التفاعلات التي يحدث فيها تأكسد واختزال مثل: تفاعلات ردود الفعل المركبة وتفاعلات التحلل وتفاعلات الاستبدال المفردة وتفاعلات الاستبدال المزدوجة وتفاعلات الاحتراق وتفاعلات عدم التناسب، يعني كل ما سبق يعد من التطبيقات على تفاعلات التأكسد والاختزال.
