تفاعلات أكسدة-اختزال أوالأكسدة-الإرجاع هي تفاعلات كيميائية يحدث فيها تغير في عدد أكسدة ذرات المواد المتفاعلة نتيجة انتنطق الإلكترونات فيما بينها.

• الأكسدة هي عملية فقدان للإلكترونات من قبل الذرات أوالجزيئات أوالأيونات ينتج عنها زيادة في الشحنة الموجبة أونقصان في الشحنة السالبة.
• الاختزال هي عملية اكتساب للإلكترونات من قبل الذرات أوالجزيئات أوالأيونات ينتج عنها نقصان في الشحنة الموجبة أوزيادة في الشحنة السالبة.

وبتعريف أدق يمكن وصف عملية الأكسدة بالنسبة لعنصر ما (أولجزيء يحوي عنصر تُجرى عليه هذه العملية) بأنها زيادة في عدد أكسدة هذا العنصر، في حين حتى الاختزال (أوالإرجاع) هوالنقصان في عدد الأكسدة.

مثال

وكمثال على هذه التفاعلات، التفاعل بين الحديد وكبريتات النحاس الثنائي:

${\displaystyle \mathrm {Fe +\mathrm {CuSO _{4 \longrightarrow \mathrm {FeSO _{4 +\mathrm {Cu$

حيث حتى التفاعل الأيوني هو:

${\displaystyle \mathrm {Fe +\mathrm {Cu ^{2+ \longrightarrow \mathrm {Fe ^{2+ +\mathrm {Cu$

حيث حتى الحديد يتأكسد (عدد أكسدة الحديد ازداد من 0 إلى +2) :

${\displaystyle \mathrm {Fe \longrightarrow \mathrm {Fe ^{2+ +2{e ^{-$

والنحاس يختزل (عدد أكسدة النحاس تناقص من +2 إلى 0) :

${\displaystyle \mathrm {Cu ^{2+ +2{e ^{- \longrightarrow \mathrm {Cu$

بطارية السيارة

بطارية السيارة هي مثال قريب لتفاعلات أكسدة-اختزال. تتكون بطارية الرصاص في أبسط صورها من لوح رصاص ولوح من أكسيد الرصاص، يوجد اللوحان في محلول حامض الكبريتيك تعمل البطارية باختزال لوح أكسيد الرصاص وفي نفس الوقت يتأكسد لوح الرصاص. تستمر البطارية بالعمل بهذا الشكل حتى " تفرغ" عندماقد يكون جميع الرصاص قد تأكسد وكل أكسيد الرصاص قد اختزل. عندئذ تلزم إعادة شحن البطارية. ونقوم بذلك بتوصيل قطبي البطارية بمصدر كهربائي خارجي ، أي إمدادها بطاقة من الخارج. تعمل تلك الطاقة الكهربائية على عكس التفاعل الذي تم عند تفريغ البطارية، فيتأكسد لوح الرصاص إلى أكسيد الرصاص كما كان في الأصل، ويـُختزل لوح أكسيد الرصاص ليصبح رصاصا نقيا كما كان عند شراء البطارية. بعد شحن البطارية يمكن للبطارية حتى تقوم بوظيفتها من حديث وتمدنا بالتيار الكهربائي.

أكسدة فلز

عندما تتفاعل ذرة فلز (معدن) مع ذرة أكسجين يمكن وصف هذا التفاعل بمعادلات التفاعل الآتية:

${\displaystyle \mathrm {M\longrightarrow M^{2+ +2e^{-$

التأكسد: يعطي الفلز M اثنين من الإلكترونات.

${\displaystyle \mathrm {O_{2 +4e^{- \longrightarrow 2\ O^{2-$

الاختزال: تكتسب جميع ذرة أكسجين إثنين من الإلكترونات.

• مجموع هذان التفاعلين يسمى "تفاعل أكسدة-اختزال" ويخط كالآتي:

${\displaystyle \mathrm {2\ M+O_{2 \longrightarrow 2\ M^{2+ +2\ O^{2-$

تفاعل أكسدة-اختزال: يؤكسد الأكسجين المعدن ، ويُختزل هوذاته.

نجد حتى الأكسجين يميل إلى اكتساب إلكترونين ليصل إلى غلاف إلكتروني تكافؤي تام يحتوي علىثمانية إلكترونات (قاعدة الثمانيات). وأما الفلز فيمكنه عن طريق إعطاء إلكترونين للتخلص من غلاف غير تام ويصل بذلك إلى الهجريب الإلكتروني التالي الأكثر استقرارا.

ونعهد في حياتنا اليومية تأكسد الحديد وينشأ صدأ الحديد. ولصيانة الحديد من الصدأ نعتمد على تفاعلات أكسدة-اختزال.

تفاعلات تستخدم في الصناعات

يستخدم حرق الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي في محطات القوى لإنتاج الطاقة الكهربائية. كذلك تستخدم كثيرا من التفاعلات في التعدين وهي أمثلة تقليدية تبين أهمية تفاعلات أكسدة-اختزال في المجال الصناعي.

تفاعل الفرن العالي

في عملية الفرن العالي يُختزل الحديد بواسطة الفحم الحجري. وينتج خلال هذا التفاعل تفاعلي جانبي ينتج عنه أول أكسيد الكربون وهومادة مُختزلة جيدة. ولا يتفاعل أول أكسيد الكربون سريعا ويتحول إلى ثاني أكسيد الكربون عند انخفاض وجود أكسجين في الفرن. .

${\displaystyle \mathrm {1)\ C+O_{2 \longrightarrow CO_{2$

إمداد الفرن بالحرارة بإحراق الفحم.

${\displaystyle \mathrm {2)\ CO_{2 +C\rightleftharpoons 2\ CO$

فينتج غاز أول أكسيد الكربون وهومادة مختزلة جيدة. توازن بودوار

${\displaystyle \mathrm {3)\ Fe_{2 O_{3 +3\ CO\longrightarrow 3\ CO_{2 +2\ Fe$

في المستوى الثالثة : يُختزل أكسيد الحديد بواسطة أول أكسيد الكربون وينتج الحديد النقي .

تفاعل الثرميت

لتحضير عدد من معادن من أكاسيدها يمكن استعمال الألمونيوم كمادة اختزال ، وذلك عندماقد يكون المعدن أشد خمولا (نبيل أكثر) من الألمونيوم. في تلك العملية يستخدم الألمونيوم في صورة مسحوق والكيفية تسمى "طريقة الألمونيوم الحرارية".

يخلط أكسيد الحديد مع مسحوق الألمونيوم - وهذا الفاعل يسمى تفاعل الثرميت - ويُشعل فيُختزل أكسيد الحديد وينتج الحديد المنصهر الذي ينصب من بوتقة المخلوط. تستخدم تلك الطريقة للحام قضبان السكك الحديدية ، كما تستخدم في القنابل الحارقة.

${\displaystyle \mathrm {2\ Al+\ Fe_{2 O_{3 \longrightarrow Al_{2 O_{3 +2\ Fe$

في المواد الغذائية

لتحضير السمن الصناعي تستخدم عملية هدرجة محفزة تُجرى على زيوت نباتية.

${\displaystyle \mathrm {R{- CH{= CH{- R+H_{2 \longrightarrow R{- CH_{2 {- CH_{2 {- R$

هدرجة حمض دهني غير مشبع بواسطة إضافة الهيدروجين.

كذلك تستخدم بعض الأملاح مثل نترات الصوديوم ونترات البوتاسيوم للحفاط على اللحم بتغطيته بتلك الأملاح في عملية تسمى بالإنجليزية curing. يمنع النتريت تكاثر الميكروبات كما يتفاعل مع مايوجلوبين اللحم ويعطيه لونا أحمرا زاهيا Nitrosylmyoglobin ، هذه التفاعلات هي أيضا تفاعلات أكسدة-اختزال:

${\displaystyle \mathrm {Mb+NO_{2 ^{- \longrightarrow MMb^{+ +NO$

إضافة النتريت إلى مايوجلوبين ينتج ميتمايوجلوبين ونتروزيل.

وتضاف إلى المواد الغذائية الدهنية موادا مضادة للتأكسد لمنع أكسدتها وفسادها ، وتتأكسد مضادات التأكسد بدلا عنها.

تنفس الخلايا والتمثيل الضوئي

في عملية تنفس الخلايا والتمثيل الغذائي يتحول سكر جلوكوز بالأكسدة إلى ثاني أكسيد الكربون ويُختزل الأكسجين ويتحول إلى ماء. يمكن كتابة معادلة هذا التفاعل الكلية كالآتي:

${\displaystyle \mathrm {C_{6 H_{12 O_{6 +6\ O_{2 \longrightarrow 6\ CO_{2 +6\ H_{2 O$

حيث يتفاعل جزيئ جلوكوز معستة جزيئات أكسجين وينتجستة جزيئات ثاني أكسيد الكربون وستة جزيئات ماء.

ويحدث العكس خلال عملية التمثيل الضوئي حيث تجري في المادة الخضراء للنبات تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء في وجود الضوء الذي يمدهما ب طاقة - ويتحولان إلى جلوكوز ويتحرر أكسجين. معادلة التفاعل الكيميائي كالآتي:

${\displaystyle \mathrm {6\;CO_{2 +12\;H_{2 O\longrightarrow \;C_{6 H_{12 O_{6 +6\;O_{2 +6\;H_{2 O$

ذلك هوالتفاعل الأساسي في النبات الذي ينتج الجلوكوز ، ومنه بتفاعلات أخرى يُنتج السكروز والنشا وغيرها.

تخمير الكحول

تعمل خلايا الخميرة على تخمير محلول سكري وتنتج كحول وثاني أكسيد الكربون :

${\displaystyle \mathrm {C_{6 H_{12 O_{6 \,+\,2\;ADP\,+\,2\;P_{i \;\longrightarrow \;2\;C_{2 H_{5 OH\,+\,2\;CO_{2 \,+\,2\;ATP$

تستخدم تلك الطريقة في الصناعة على مستوى كبير بغرض إنتاج الطاقة.

تحضير الميثان

يوجد نوع من البكتريا يسمى أركابكتريا يمكنها تحضير الميثان من غاز ثاني أكسيد الكربون عن طريق انتزاع الأكسجين:

${\displaystyle \mathrm {CO_{2 +4\ H_{2 \longrightarrow CH_{4 +2\ H_{2 O$

كيمياء كهربية

الكيمياء الكهربية كأحد فروع الكيمياء الفيزيائية تهتم بدراسة التفاعلات الكيميائية والتفاعلات الكهربية. فعندما ينتج عن تفاعل أكسدة-اختزال تولد تيار كهربائي فيسمى مثل ذلك التفاعل تفاعل كهروكيميائي.

وتتم العمليات الكهروكيميائية في الكيمياء الكهربية على أسطح فاصلة بين طورين للمادة. وبناء على ذلك فإن الكيمياء الكهربية هي الفهم الذي يفهم العمليات التي تتم بين موصل للإلكترونات (مهبط كمادة في الحالة الصلبة) وبين موصل للأيونات (كهرل).

وتلعب هنا معادلة نرنست دورا أساسيا ، وهي تصف اعتماد جهد القطب على هجريز الكهرل. ويمكن تحليل الكهرل بواسطة تحليل تفاعل أكسدة-اختزال للحصول على هجريز الأيونات في المحلول. ومن الوجهة النظرية فتصف نظرية ماركوس دخول إلكترونات من الخارج في محلول.

الخلية الجلفانية والمركم والكهرل

عندما نُسيير تفاعل أكسدة-اختزال من الخارج عن طريق توصيل جهد كهربائي به ، عندئذ نسمي العملية عملية تحليل كهربائي. أما عندما ينشأ جهد كهربائي عن تفاعل أكسدة-اختزال فنسمي ذلك خلية جلفانية. توصف جهود تفاعل أكسدة-اختزال بواسطة قائمة الجهود القياسية ] . ونعهد من تلك القائمة "شدة" مادة مؤكسدة أومادة اختزال.

تجري تفاعلات الأكسدة والاختزال الكهركيميائية في خلية جلفانية:

• أثناء عملية التحليل الكهربائي وعملية شحن مركم نقوم بإمداد النظام بطاقة كهربائية من الخارج،
• عند تشغيل بطارية أوعند اكتساب تيار كهربائي من خلية وقود نحصل على طاقة كهربائية. وعندما يتم التفاعل كعملية عكوسية بحيثقد يكون التيار الكهربي مساويا للصفر (I = 0) نحصل بذلك على طاقة جيبس الحرة للتفاعل.

انظر أيضاً

• جهد اختزال
• جهد تحلل
• كيمياء كهربية
• تحليل كهربائي
• اختزال
• أكسدة
• مؤكسد
• تفاعل عكوس
• بطارية الرصاص
• تفكك كيميائي
• قائمة الجهود القياسية
• عامل مكافئ
• تفاعل تناسب مشهجر
• مبدأ مانح-مستقبل

المراجع

• Schüring, J., Schulz, H. D., Fischer, W. R., Böttcher, J., Duijnisveld, W. H. (editors)(1999). Redox: Fundamentals, Processes and Applications, Springer-Verlag, Heidelberg, 246 pp. ISBN 978-3-540-66528-1 (pdf 3,6 MB)