يسمى تحول مادة إلى أخرى مع تكوين مركبات جديدة تفاعل كيميائي. إن فهم هذه العملية له أهمية كبيرة في حياة الناس ، لأنه بمساعدتها يمكنك الحصول على كمية هائلة من المواد الضرورية والمفيدة الموجودة في الطبيعة بكميات صغيرة أو غير موجودة على الإطلاق في شكلها الطبيعي. من بين أهم الأنواع تفاعلات الأكسدة والاختزال (اختصار OVR أو الأكسدة والاختزال). تتميز بتغير في حالات أكسدة الذرات أو الأيونات.
العمليات التي تحدث أثناء التفاعل
أثناء التفاعل ، تحدث عمليتان - الأكسدة والاختزال. يتميز الأول منهم بالتبرع بالإلكترونات عن طريق تقليل العوامل (المتبرعين) مع زيادة حالة الأكسدة الخاصة بهم ، والثاني عن طريق إضافة الإلكترونات بواسطة عوامل مؤكسدة (مستقبلات) مع انخفاض في حالة الأكسدة. أكثر عوامل الاختزال شيوعًا هي المعادن والمركبات غير المعدنية في أدنى حالة أكسدة (كبريتيد الهيدروجين ، الأمونيا). عاديالعوامل المؤكسدة هي الهالوجينات والنيتروجين والأكسجين وكذلك المواد التي تحتوي على عنصر في أعلى حالة أكسدة (حمض النيتريك أو الكبريتيك). الذرات والأيونات والجزيئات يمكنها التبرع أو اكتساب الإلكترونات.
قبل عام 1777 ، تم الافتراض بأن الأكسدة تؤدي إلى فقدان مادة غير مرئية قابلة للاحتراق تسمى phlogiston. ومع ذلك ، أقنعت نظرية الاحتراق التي أنشأها A. Lavoisier العلماء أن الأكسدة تحدث عند التفاعل مع الأكسجين ، ويحدث الاختزال تحت تأثير الهيدروجين. فقط بعد فترة أصبح من الواضح أنه ليس فقط الهيدروجين والأكسجين يمكن أن يؤثر على تفاعلات الأكسدة والاختزال.
أكسدة
يمكن أن تحدث عملية الأكسدة في المراحل السائلة والغازية ، وكذلك على سطح المواد الصلبة. يتم لعب دور خاص من خلال الأكسدة الكهروكيميائية التي تحدث في المحاليل أو تذوب عند القطب الموجب (قطب كهربائي متصل بالقطب الموجب لمصدر الطاقة). على سبيل المثال ، عندما يتم صهر الفلوريدات عن طريق التحليل الكهربائي (تحلل مادة ما إلى عناصرها المكونة على الأقطاب الكهربائية) ، يتم الحصول على أقوى عامل مؤكسد غير عضوي ، الفلور.
مثال كلاسيكي آخر للأكسدة هو الاحتراق في الهواء والأكسجين النقي. مواد مختلفة قادرة على هذه العملية: المعادن وغير المعدنية والمركبات العضوية وغير العضوية. من الأهمية العملية احتراق الوقود ، وهو خليط معقد من الهيدروكربونات بكميات قليلة من الأكسجين والكبريت والنيتروجين وعناصر أخرى.
مؤكسد كلاسيكي -الأكسجين
مادة بسيطة أو مركب كيميائي تلتصق فيه الذرات بالإلكترونات يسمى عامل مؤكسد. ومن الأمثلة التقليدية على هذه المادة الأكسجين ، الذي يتحول إلى أكاسيد بعد التفاعل. ولكن أيضًا عامل مؤكسد في تفاعلات الأكسدة والاختزال هو الأوزون ، والذي يتم تقليله إلى مواد عضوية (على سبيل المثال ، الكيتونات والألدهيدات) ، البيروكسيدات ، هيبوكلوريت ، الكلورات ، أحماض النيتريك والكبريتيك ، أكسيد المنغنيز والبرمنجنات. من السهل ملاحظة أن كل هذه المواد تحتوي على أكسجين.
مؤكسدات شائعة أخرى
ومع ذلك ، فإن تفاعل الأكسدة والاختزال ليس فقط عملية تنطوي على الأكسجين. بدلاً من ذلك ، يمكن أن تعمل الهالوجينات والكروم وحتى الكاتيونات المعدنية وأيون الهيدروجين (إذا تحولت إلى مادة بسيطة نتيجة التفاعل) كعامل مؤكسد.
يعتمد عدد الإلكترونات التي سيتم قبولها بشكل كبير على تركيز العامل المؤكسد ، وكذلك على نشاط المعدن الذي يتفاعل معه. على سبيل المثال ، في تفاعل حمض النيتريك المركز مع معدن (زنك) ، يمكن قبول 3 إلكترونات ، وفي تفاعل نفس المواد ، بشرط أن يكون الحمض في صورة مخففة للغاية ، بالفعل 8 إلكترونات.
أقوى المؤكسدات
تختلف جميع العوامل المؤكسدة في قوة خصائصها. لذلك ، فإن أيون الهيدروجين لديه قدرة أكسدة منخفضة ، بينما الكلور الذري ، المتشكل في أكوا ريجيا (خليط من أحماض النيتريك والهيدروكلوريك بنسبة 1: 3) ، يمكن أن يؤكسد حتى الذهب والبلاتين.
حمض السيلينيك المركز له خصائص مماثلة. هذا يجعلها فريدة من نوعها بين الأحماض العضوية الأخرى. عند تخفيفه ، لا يمكنه التفاعل مع الذهب ، لكنه لا يزال أقوى من حامض الكبريتيك ، ويمكنه حتى أكسدة الأحماض الأخرى ، مثل حمض الهيدروكلوريك.
مثال آخر على عامل مؤكسد قوي هو برمنجنات البوتاسيوم. يتفاعل بنجاح مع المركبات العضوية وهو قادر على كسر روابط الكربون القوية. أكسيد النحاس ، أوزونيد السيزيوم ، وأكسيد السيزيوم الفائق ، وكذلك ثنائي فلوريد الزينون ، ورباعي فلوريد الزينون ، وسداسي فلوريد الزينون لها نشاط عالٍ أيضًا. ترجع قدرتها على التأكسد إلى الجهد الكهربائي العالي عند التفاعل في محلول مائي مخفف.
ومع ذلك ، هناك مواد تكون فيها هذه الإمكانات أعلى. من بين الجزيئات غير العضوية ، يعتبر الفلور أقوى عامل مؤكسد ، لكنه غير قادر على العمل على غاز الزينون الخامل بدون حرارة وضغط إضافيين. ولكن يتم التعامل مع هذا بنجاح عن طريق سداسي فلوريد البلاتين ، ثنائي فلورو ثنائي أكسيد الكربون ، ثنائي فلوريد الكريبتون ، ثنائي فلوريد الفضة ، أملاح الفضة ثنائية التكافؤ وبعض المواد الأخرى. لقدرتها الفريدة على تفاعلات الأكسدة والاختزال ، تم تصنيفها على أنها مؤكسدات قوية جدًا.
استرداد
في الأصل ، كان مصطلح "التعافي" مرادفًا لإزالة الأكسدة ، أي الحرمان من مادة الأكسجين. ومع ذلك ، بمرور الوقت ، اكتسبت الكلمة معنى جديدًا ، فهي تعني استخراج المعادن من المركبات المحتوية عليها ، وكذلك أي تحولات كيميائية فيهايتم استبدال الجزء الكهربي من مادة بعنصر موجب الشحنة ، مثل الهيدروجين.
يعتمد تعقيد العملية إلى حد كبير على التقارب الكيميائي للعناصر في المركب. كلما كان ذلك أضعف ، كان التفاعل أسهل. عادة ، يكون التقارب أضعف في المركبات الماصة للحرارة (يتم امتصاص الحرارة أثناء تكوينها). شفاءهم بسيط للغاية. وخير مثال على ذلك المتفجرات
من أجل تفاعل يتضمن مركبات طاردة للحرارة (تتشكل مع إطلاق الحرارة) ، يجب تطبيق مصدر قوي للطاقة ، مثل التيار الكهربائي.
عوامل الاختزال القياسية
عامل الاختزال الأقدم والأكثر شيوعًا هو الفحم. يمتزج مع أكاسيد الخام ، عند تسخينه ، يتم إطلاق الأكسجين من الخليط الذي يتحد مع الكربون. والنتيجة مسحوق أو حبيبات أو سبيكة معدنية
عامل اختزال شائع آخر هو الهيدروجين. يمكن استخدامه أيضًا في تعدين المعادن. للقيام بذلك ، يتم انسداد الأكاسيد في أنبوب يتم من خلاله تمرير تيار من الهيدروجين. في الأساس ، يتم تطبيق هذه الطريقة على النحاس أو الرصاص أو القصدير أو النيكل أو الكوبالت. يمكنك دهنه على الحديد لكن التخفيض سيكون غير مكتمل ويتكون الماء. لوحظت نفس المشكلة عند محاولة معالجة أكاسيد الزنك بالهيدروجين ، وتتفاقم بسبب تقلب المعدن. لا يتم تقليل البوتاسيوم وبعض العناصر الأخرى بواسطة الهيدروجين على الإطلاق.
ملامح التفاعلات في الكيمياء العضوية
قيد التقدميقبل جسيم الاختزال الإلكترونات وبالتالي يقلل من عدد أكسدة إحدى ذراته. ومع ذلك ، فمن الملائم تحديد جوهر التفاعل عن طريق تغيير حالة الأكسدة بمشاركة مركبات غير عضوية ، بينما يصعب حساب عدد الأكسدة في الكيمياء العضوية ، وغالبًا ما يكون لها قيمة كسرية.
للتنقل في تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تتضمن مواد عضوية ، عليك أن تتذكر القاعدة التالية: يحدث الاختزال عندما يتخلى المركب عن ذرات الأكسجين ويكتسب ذرات الهيدروجين ، والعكس بالعكس ، تتميز الأكسدة بإضافة الأكسجين.
عملية الاختزال ذات أهمية عملية كبيرة للكيمياء العضوية. هو الذي يقوم على أساس الهدرجة التحفيزية المستخدمة للأغراض المختبرية أو الصناعية ، وعلى وجه الخصوص ، تنقية المواد والأنظمة من شوائب الهيدروكربون والأكسجين.
يمكن أن يستمر التفاعل عند درجات حرارة وضغوط منخفضة (تصل إلى 100 درجة مئوية و1-4 أجواء ، على التوالي) ، وفي درجات حرارة عالية (تصل إلى 400 درجة وعدة مئات من الغلاف الجوي). يتطلب إنتاج المواد العضوية أدوات معقدة لتوفير الظروف المناسبة.
تستخدم معادن مجموعة البلاتين النشطة أو النيكل غير الثمين والنحاس والموليبدينوم والكوبالت كمحفزات. الخيار الأخير أكثر اقتصادا. يحدث الاستعادة بسبب الامتصاص المتزامن للطبقة السفلية والهيدروجين مع تسهيل التفاعل بينهما.
تواصل ردود فعل التخفيضوداخل جسم الإنسان. في بعض الحالات ، يمكن أن تكون مفيدة بل وحيوية ، وفي حالات أخرى يمكن أن تؤدي إلى عواقب سلبية خطيرة. على سبيل المثال ، يتم تحويل المركبات المحتوية على النيتروجين في الجسم إلى أمينات أولية ، والتي ، من بين وظائف مفيدة أخرى ، تشكل مواد بروتينية هي مادة بناء الأنسجة. في الوقت نفسه ، تنتج الأطعمة المصبوغة بالأنيلين مركبات سامة.
أنواع التفاعلات
أي نوع من تفاعلات الأكسدة والاختزال ، يصبح من الواضح إذا نظرت إلى وجود تغييرات في حالات الأكسدة. لكن ضمن هذا النوع من التحول الكيميائي ، هناك اختلافات.
لذلك ، إذا شاركت جزيئات من مواد مختلفة في التفاعل ، أحدها يحتوي على ذرة مؤكسدة ، والآخر عامل اختزال ، يعتبر التفاعل بين الجزيئات. في هذه الحالة ، يمكن أن تكون معادلة تفاعل الأكسدة والاختزال كما يلي:
Fe + 2HCl=FeCl2+ H2.
توضح المعادلة أن حالات أكسدة الحديد والهيدروجين تتغير ، بينما هما جزء من مواد مختلفة.
ولكن هناك أيضًا تفاعلات الأكسدة والاختزال داخل الجزيئية ، حيث تتأكسد ذرة واحدة في مركب كيميائي ويتم تقليل أخرى ، ويتم الحصول على مواد جديدة:
2H2O=2H2+ O2.
تحدث عملية أكثر تعقيدًا عندما يعمل نفس العنصر كمانح ومقبول للإلكترون ويشكل عدة مركبات جديدة ، والتي يتم تضمينها في حالات الأكسدة المختلفة. تسمى هذه العمليةالتفكيك أو عدم التناسب. مثال على ذلك هو التحول التالي:
4KClO3=KCl + 3KClO4.
من المعادلة أعلاه لتفاعل الأكسدة والاختزال ، يمكن ملاحظة أن ملح برتوليت ، حيث يكون الكلور في حالة الأكسدة +5 ، يتحلل إلى مكونين - كلوريد البوتاسيوم مع حالة أكسدة الكلور -1 و فوق كلورات مع عدد أكسدة +7. اتضح أن نفس العنصر زاد وخفض حالة الأكسدة في وقت واحد.
عكس عملية التفكيك هو رد فعل التكافؤ أو إعادة التوزيع. فيه ، مركبان يحتويان على نفس العنصر في حالات أكسدة مختلفة ، يتفاعلان مع بعضهما البعض لتكوين مادة جديدة برقم أكسدة واحد:
SO2+ 2H2S=3S + 2H2O.
كما ترى من الأمثلة أعلاه ، في بعض المعادلات ، تسبق المادة بالأرقام. إنها تظهر عدد الجزيئات المشاركة في العملية وتسمى معاملات القياس المتكافئ لتفاعلات الأكسدة والاختزال. لكي تكون المعادلة صحيحة ، عليك أن تعرف كيفية ترتيبها.
طريقة التوازن الإلكتروني
دائمًا ما يتم الحفاظ على التوازن في تفاعلات الأكسدة والاختزال. هذا يعني أن العامل المؤكسد يقبل بالضبط عدد الإلكترونات الذي أعطاه عامل الاختزال. لتكوين معادلة بشكل صحيح لتفاعل الأكسدة والاختزال ، تحتاج إلى اتباع هذه الخوارزمية:
- تحديد حالات أكسدة العناصر قبل وبعد التفاعل. على سبيل المثال ، فيالتفاعل بين حامض النيتريك والفوسفور في وجود الماء ينتج حمض الفوسفوريك وأكسيد النيتريك: HNO3+ P + H2O=H 3PO4+ NO. الهيدروجين في جميع المركبات له حالة أكسدة +1 ، والأكسجين -2. بالنسبة للنيتروجين ، قبل أن يبدأ التفاعل ، يكون عدد الأكسدة +5 ، وبعد ذلك +2 ، بالنسبة للفوسفور - 0 و +5 على التوالي.
- حدد العناصر التي تغير فيها رقم الأكسدة (النيتروجين والفوسفور).
- إنشاء المعادلات الإلكترونية: N+ 5+ 3e=N+ 2؛ R0- 5e=R+ 5.
- معادلة عدد الإلكترونات المستلمة عن طريق اختيار المضاعف المشترك الأصغر وحساب المضاعف (الرقمان 3 و 5 هما قواسم للعدد 15 ، على التوالي ، ومضاعف النيتروجين هو 5 ، والفوسفور 3): 5N+ 5+ (3 × 5) e=5N+ 2؛ 3P0- 15e=3P+ 5.
- أضف نصف ردود الفعل الناتجة وفقًا للأجزاء اليمنى واليسرى: 5N+ 5+ 3P0=5N + 2- الخامس عشر=3Р+ 5. إذا تم كل شيء بشكل صحيح في هذه المرحلة ، ستتقلص الإلكترونات.
- أعد كتابة المعادلة بالكامل ، مع وضع المعاملات وفقًا للتوازن الإلكتروني لتفاعل الأكسدة والاختزال: 5HNO3+ 3P + H2 O=3H3PO4+ 5NO.
- تحقق مما إذا كان عدد العناصر قبل التفاعل وبعده يظل كما هو في كل مكان ، وإذا لزم الأمر ، أضف معاملات أمام المواد الأخرى (في هذا المثال ، لم تتساوى كمية الهيدروجين والأكسجين ، من أجل لتبدو معادلة التفاعل صحيحة ، تحتاج إلى إضافة معامل أمامهاماء): 5HNO3+ 3P + 2H2O=3H3PO4+ 5 رقم
تسمح لك هذه الطريقة البسيطة بوضع المعاملات بشكل صحيح وتجنب الالتباس.
أمثلة على ردود الفعل
مثال توضيحي لتفاعل الأكسدة والاختزال هو تفاعل المنجنيز مع حمض الكبريتيك المركز ، على النحو التالي:
Mn + 2H2SO4=MnSO4+ SO2+ 2 H2O.
يستمر تفاعل الأكسدة والاختزال مع تغير في حالات أكسدة المنغنيز والكبريت. قبل بدء العملية ، كان المنغنيز في حالة غير منضمة ولديه حالة أكسدة صفرية. ولكن عند التفاعل مع الكبريت ، وهو جزء من الحمض ، فإنه يزيد من حالة الأكسدة إلى +2 ، وبالتالي يعمل كمانح للإلكترون. على العكس من ذلك ، لعب الكبريت دور المستقبِل ، مما أدى إلى خفض حالة الأكسدة من +6 إلى +4.
ومع ذلك ، هناك أيضًا تفاعلات يعمل فيها المنجنيز كمتقبل للإلكترون. على سبيل المثال ، هذا هو تفاعل أكسيدها مع حمض الهيدروكلوريك ، وفقًا للتفاعل:
MnO2+ 4HCl=MnCl2+ Cl2+ 2 H2O.
يستمر تفاعل الأكسدة والاختزال في هذه الحالة مع انخفاض في حالة أكسدة المنغنيز من +4 إلى +2 وزيادة في حالة أكسدة الكلور من -1 إلى 0.
في السابق ، كان لأكسدة أكسيد الكبريت بأكسيد النيتروجين في وجود الماء ، والذي ينتج 75٪ من حامض الكبريتيك ، أهمية عملية كبيرة:
SO2+ NO2+ H2O=NO + H2So4.
كان يتم تنفيذ تفاعل الأكسدة والاختزال في أبراج خاصة ، وكان المنتج النهائي يسمى البرج. الآن هذه الطريقة ليست الوحيدة في إنتاج الحمض ، حيث توجد طرق حديثة أخرى ، على سبيل المثال ، الاتصال باستخدام المحفزات الصلبة. لكن الحصول على الحمض بطريقة تفاعل الأكسدة والاختزال ليس له أهمية صناعية فحسب ، بل أهمية تاريخية أيضًا ، نظرًا لأنه كان بالضبط مثل هذه العملية التي حدثت تلقائيًا في هواء لندن في ديسمبر 1952.
تسبب الإعصار المضاد بعد ذلك في طقس بارد بشكل غير عادي ، وبدأ سكان البلدة في استخدام الكثير من الفحم لتدفئة منازلهم. نظرًا لأن هذا المورد كان ذا نوعية رديئة بعد الحرب ، فقد تركزت كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت في الهواء ، والتي تفاعلت مع الرطوبة وأكسيد النيتروجين في الغلاف الجوي. ونتيجة لهذه الظاهرة ، ارتفع معدل وفيات الرضع وكبار السن ومن يعانون من أمراض الجهاز التنفسي. تم تسمية الحدث باسم Great Smog.
وبالتالي ، فإن تفاعلات الأكسدة والاختزال لها أهمية عملية كبيرة. يتيح لك فهم آليتها فهم العمليات الطبيعية بشكل أفضل وتحقيق مواد جديدة في المختبر.
