الأحياء للثانوية العامة الدرس الأول الدعامة في النبات المنهج الجديد

 تفاعلات الأكسدة و الاختزال

الأكسدة- و الاختزال- تفاعلات- الاكسدة- التأكسد- تفاعل- تفاعلات الأكسدة و الاختزال- الأكسدة و الاختزال- تفاعلات الأكسدة- تفاعل الأكسدة- تفاعل الأكسدة و الاختزال- تعريف الأكسدة- تعريف تفاعلات الأكسدة و الاختزال- أنواع تفاعلات الأكسدة- 

الكل يتساءل عن ما هى 

- المصادر الرئيسية للطاقة على كوكبنا (كوكب الأرض)، سواء أكانت هذه المصادر طبيعية أو مصادر بيولوجية أو حتى من أصل صناعي  - ما التفاعلات التي تسمح باستخراج الطاقة من الجزيئات كما هو الحال فى استخراج الطاقة من جزيئات ATP“. - ما المسؤول عن التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي اللذان يحدثان داخل الخلايا الحية فى الميتوكندريا و البلاستيدات الخضراء على الترتيب. - ما السبب وراء تكون المعادن وتجمعها وتغير ألوان الصخور.

الجواب بلا شك سيكون تفاعلات الأكسدة والاختزال والتي تعتبر واحدة من أهم التفاعلات في حياتنا.

تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال إما من خلال عملية بسيطة، مثل حرق الكربون في الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون (CO₂) ، أو عملية أكثر تعقيدًا مثل أكسدة الجلوكوز (C₆H₁₂O₆) في جسم الإنسان من خلال سلسلة من عمليات نقل الإلكترون و التى تحدث داخل الميتوكندريا.

تعريف تفاعلات الأكسدة والاختزال

تفاعلات الأكسدة والاختزال هي نوع من التفاعلات الكيميائية التي تشمل نقل الإلكترونات بين نوعين. وهي أي

 تفاعل كيميائي يتغير فيه رقم تأكسد الجزيء أو الذرة أو الأيون باكتساب إلكترون (Gain of electron) أو فقدان

 إلكترون (Lose of electron). فتفاعلات الأكسدة والاختزال شائعة وحيوية لبعض الوظائف الأساسية للحياة، بما

 في ذلك البناء الضوئي، والتنفس الخلوي، والاحتراق، والتآكل أو الصدأ. 

شرح كيفية حدوث معادلات الأكسدة والاختزال

يسمى الأيون أو الجزيء الذي يقبل أو يكتسب الإلكترونات بالعامل المؤكسد. عن طريق قبول الإلكترونات، فإنه يسبب أكسدة أنواع أخرى. على الجانب الأخر ، فإن الأنواع التي تفقد أو تعطى الإلكترونات تسمى العامل المختزل. عندما يحدث التفاعل، فإنه يقلل من الأنواع الأخرى. بمعنى آخر، ما هو مؤكسد هو العامل المختزل وما ينقص هو العامل المؤكسد.

 الأكسدة: فقدان الإلكترونات لعامل مؤكسد (يخضع للاختزال) لإنتاج حالة أكسدة أعلى. بينما الاختزال: اكتساب الإلكترونات من عامل الاختزال (الذي يخضع للأكسدة) لإعطاء حالة أكسدة أكثر أو أقل.

بعض القواعد الهامة لتحديد رقم التأكسد في تفاعلات الأكسدة والاختزال:

– رقم التأكسد للذرة في شكلها العنصري  مثال: O2 يساوي صفر.

– رقم التأكسد في حالة أيون أحادي الذرة يساوي شحنة الأيون.

– مجموع قيم أرقام تأكسد الذرات في الجزيء أو وحدة صيغة المركب تساوي صفرًا (يساوي شحنة الأيون إذا كان أيون متعدد الذرات أى أنه يتكون من عدد من الذرات)

كيفية وزن معادلات الأكسدة والاختزال

عند القيام بعملية وزن تفاعلات الأكسدة والاختزال أو ما يطلق عليها البعض بعملية الموازنة، تأكد أن عدد الإلكترونات التي فقدها عامل الاختزال يساوي عدد الإلكترونات المكتسبة بواسطة العامل المؤكسد.

يستخدم المتخصصين طريقتين:

• طريقة رقم الأكسدة

• قم بتعيين أرقام الأكسدة لجميع العناصر في التفاعل.
• من التغييرات في أرقام التأكسد، حدد الأنواع المؤكسدة و المختزلة.
• احسب عدد الإلكترونات المفقودة في الأكسدة والتي اكتسبت في الاختزال من التغييرات في أرقام الاكسدة.
• اضرب أحد هذين الرقمين أو كلاهما في العامل أو العدد المناسب الذي يجعل الإلكترونات المفقودة تساوي الإلكترونات المكتسبة ، واستخدام العوامل كمعاملات موازنة.
• أكمل الموازنة عن طريق الفحص ، مضيفًا حالات المواد.

طريقة نصف التفاعل

1. قسّم  التفاعل إلى نصفين من التفاعلات، كل منهما يحتوي على الأشكال المؤكسدة والمختصرة لأحد عناصر التفاعل.
2. قم بموازنة الذرات والشحنات في كل نصف تفاعل.
3. الذرات متوازنة بالترتيب التالي : ذرات غير الاكسجين والهيدروجين، ثم الاكسجين والهيدروجين.
4. تتم موازنة الشحنة بإضافة الإلكترونات.
5. إلى اليسار في تفاعلات نصف الاختزال ، و إلى اليمين في تفاعلات نصف الأكسدة.
6. إذا لزم الأمر، اضرب أحد نصفي التفاعل أو كلاهما في عدد صحيح؛ لجعل عدد الالكترونات المكتسبة يساوي عدد الالكترونات المفقودة.
7. أضف نصف التفاعلات المتوازنة، وقم بتضمين حالات المادة في المعادلة.
8. تأكد من أن الذرات والشحنات متوازنة.

مثال على تفاعلات الأكسدة والاختزال

شرح وزن معادلات الاكسدة والاختزال:

في التفاعل بين الهيدروجين والفلور ، يتأكسد الهيدروجين ويتم تقليل الفلور:

H₂ + F₂ → 2 HF

يكون هذا التفاعل تلقائيًا ويطلق 542 كيلو جول لكل 2 جم من الهيدروجين لأن رابطة H-F أقوى بكثير من رابطة F-F الضعيفة والعالية الطاقة. يمكننا كتابة التفاعل الكلى هذا على هيئة أنصاف تفاعلات كالاتي:

تفاعل الأكسدة

-H₂ → 2 H + 2 e

تفاعل الاختزال

-F₂ + 2 e- → 2 F

العناصر في الشكل الجزيئي لها دائمًا حالة الأكسدة لها تكون صفرية. في أول نصف تفاعل، يتأكسد الهيدروجين من حالة أكسدة صفر إلى حالة أكسدة +1. وفي نصف التفاعل الثاني، يتم تقليل الفلور من حالة أكسدة صفر إلى حالة أكسدة −1 لاحظ هنا وزن المعادلة فى كلتا الحالتين.

عند إضافة التفاعلات معًا، يتم إلغاء الإلكترونات وتتحد الأيونات لتكوين فلوريد الهيدروجين:

 2H + 2F− → 2HF

فيصبح التفاعل الكلي:

H₂ + F₂ → 2 HF

أنواع تفاعلات الأكسدة والاختزال

يمكننا تصنيف أنواع تفاعلات الأكسدة والاختزال وفقًا للعمليات المتضمنة في التفاعل ووصف ما يحدث لمكوناتها المختلفة إلى:

تفاعلات الانحلال Decomposition

تفاعلات الانحلال يحدث بها تكسر المركب الكيميائي إلى العناصر المكونة له.

على سبيل المثال:

 2H₂O → 2 H₂ + O₂

 0 + 0  → 0=(2-)+(1+)(2) 

في هذه المعادلة يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين، وكلاهما متعادل. على غرار المثال السابق، تمتلك H2O حالة أكسدة كلية قدرها 0 ، حيث تأخذ كل هيدروجين H حالة +1 و كل اكسجين O -2؛ وبالتالي، يؤكسد التحلل الأكسجين من -2 إلى 0 ويختزل الهيدروجين من +1 إلى 0.

تفاعلات الاحلال Displacement

تفاعلات الاحلال والمعروفة أيضًا باسم تفاعلات الاستبدال ، تتضمن “استبدال” العناصرو تحدث على شكل تفاعلات استبدال بسيطة ومزدوجة.

• تفاعل الاحلال البسيط و التى يتم فيها استبدال عنصرًا في المواد المتفاعلة بعنصر آخر في نواتج التفاعل و الذى يكون غالبا أنشط منه من الناحية الكيميائية.

على سبيل المثال:

Cl₂ + 2 NaBr → 2 NaCl + Br₂

في هذه المعادلة، يتم اختزال الكلور Cl ويستبدل البروم Br ، بينما يتأكسد  البروم.

• تفاعل الاحلال المزدوج مشابه لتفاعل الاحلال البسيط، ولكنه يتضمن “استبدال” عنصرين في المواد المتفاعلة بعنصرين في النواتج.

على سبيل المثال:

Fe₂O₃ + 6 HCl → 2 FeCl₃ + 3 H₂O

 تفاعلات الاحتراق Combustion

تشتمل تفاعلات الاحتراق دائمًا على وجود الأكسجين والوقود العضوي.

مثال :تفاعل احتراق الميثان

هذا مثال على تفاعل الاحتراق ، عملية الأكسدة والاختزال. يتفاعل الميثان مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون واثنين من جزيئات الماء.

تفاعلات عدم تناسب Disproportionation

في بعض تفاعلات الأكسدة والاختزال، يمكن للمواد نفسها أن تتأكسد وتختزل. تُعرف هذه باسم تفاعلات عدم التناسب. أحد الأمثلة على هذه العملية هو تفاعل بيروكسيد الهيدروجين H2O2 عندما يُسكب على الجرح. في البداية ، قد يبدو هذا وكأنه تفاعل احلال بسيط ، لأن بيروكسيد الهيدروجين يتحلل لإنتاج الأكسجين والماء:

2 H₂O₂  (aq.) → 2 H₂O (l) + O₂ (g)

يكمن مفتاح هذا التفاعل في حالات أكسدة الأكسجين. لاحظ أن الأكسجين موجود في المادة المتفاعلة وأيضًا ناتجي التفاعل. في H₂O₂ الأكسجين له حالة أكسدة -1. في H₂O تكون حالة الأكسدة -2، وقد تم اختزالها. ومع ذلك ، في O₂ تكون حالة الأكسدة الخاصة به هي 0  وقد تم تأكسدها. تم تأكسد الأكسجين وتقليله في التفاعل  مما يجعل هذا تفاعلًا غير متناسب.

تطبيقات تفاعلات الأكسدة والاختزال

الأكسدة والاختزال في الكيمياء الكهربية

البطارية عبارة عن جهاز يحول الطاقة الكيميائية المختزنة فى المواد الكيميائية إلى طاقة كهربائية باستخدام تفاعلات الأكسدة والاختزال.

نظام يولد تيارًا كهربائيًا باستخدام التفاعل بين معدن الزنك و أيونات النحاس (II) . في تفاعل الأكسدة والاختزال هذا، ذرات الزنك غير المشحونة تتأكسد إلى أيونات الزنك، ويتم تقليل أيونات النحاس (II) إلى ذرات نحاسية غير مشحونة.

Zn (s) + Cu2 + (aq.) → Zn2 + (aq.) + Cu (s)

الأكسدة:

-Zn (s) → Zn2 (aq.) + 2e

   الاختزال:

Cu2 (aq.) + 2e‒ → Cu (s)

 يظهر الجزء الأخير كيف يحدث هذا التفاعل عند إضافة معدن الزنك إلى محلول من كبريتات النحاس (II) عندما يصطدم أيون النحاس  Cu2 + بمعدن الزنك، يتم نقل 2 إلكترونات من ذرة الزنك مباشرة إلى أيون النحاس(II).

يسمح لنا ترتيب مكونات التفاعل بأن نستخدمه لانتاج الطاقة الكهربية. إعداد الخلية بهذا الشكل يحافظ على نصفي التفاعل منفصلين، مما يتسبب في مرور الإلكترونات المنبعثة في نصف تفاعل الأكسدة من خلال سلك يربط بين نصفي الجهاز. الاسم الصحيح ل إعداد من هذا النوع هو خلية فولتية. بالمعنى الدقيق للكلمة، البطارية عبارة عن سلسلة من الخلايا الفولتية انضموا بطريقة تجعلهم يعملون معًا.

تطبيقات الأكسدة والاختزال في حياتنا

• يعتمد إنتاج بعض المواد الكيميائية المهمة على التحليل الكهربائي والذي يعتمد بدوره على تفاعلات الأكسدة والاختزال. حيث يتم إنتاج العديد من المواد الكيميائية مثل الصودا الكاوية والكلور و غيرها من المواد الكيميائية باستخدام تفاعلات الأكسدة والاختزال.

• استخدام تفاعلات الأكسدة والاختزال في تعقيم المياه ومواد التبييض.

• حماية أسطح العديد من المعادن من التآكل من خلال ربطها بأقطاب، والتي تتعرض للتآكل بدلاً من المعادن. مثل جلفنة الفولاذ.

• يتضمن الإنتاج الصناعي لمنتجات التنظيف عملية الأكسدة.

• إنتاج حمض النيتريك، وهو أحد مكونات العديد من الأسمدة ، من تفاعل أكسدة الأمونيا.

• الطلاء الكهربائي هوعملية تستخدم فيها تفاعلات الأكسدة والاختزال لتطبيق طبقة رقيقة من مادة على جسم ما. يستخدم الطلاء الكهربائي في إنتاج المجوهرات المطلية بالذهب.

• يتم فصل العديد من المعادن عن خاماتها بمساعدة تفاعلات الأكسدة والاختزال. أحد الأمثلة على ذلك هو صهر الكبريتيدات المعدنية في وجود عوامل الاختزال.

• المصدر الرئيسي للأكسدة هو الأكسجين وبالتالي تفاعل الأكسدة والاختزال أو تفاعلات الأكسدة والاختزال هي المسؤولة عن تلف الطعام.

• الاحتراق هو نوع من تفاعل الأكسدة والاختزال ، وبالتالي فهو تفاعل أكسدة واختزال. الانفجار هو شكل سريع من أشكال الاحتراق ، وبالتالي يمكن التعامل مع الانفجار على أنه تفاعل أكسدة واختزال. حتى مكوك الفضاء يستخدم تفاعلات الأكسدة والاختزال.

الأكسدة والاختزال في علم الأحياء

التنفس الخلوي والذي يتضمن العديد من التفاعلات التي تنتقل فيها الإلكترونات من جزيء إلى آخر (تفاعلات الأكسدة والاختزال) بهدف الحصول على الطاقة من جزئ الجلوكوز و هذه التفاعلات هى المصدر الاساسى للطاقة داخل أجسامنا. و هذه الطاقة تنطلقق على هيئة جزيئات من ATP. تبدأ هذه العملية بانشطار الجلوكوز ثم دورة كربس ثم سلسلة نقل الالكترون

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ———— 6 CO₂ + 6H₂O + Energy

في التنفس الخلوي، تتحرك الإلكترونات من الجلوكوز تدريجيًا عبر سلسلة نقل الإلكترون نحو الأكسجين، وتنتقل إلى حالات طاقة أقل وأقل وتطلق الطاقة في كل خطوة. الهدف من التنفس الخلوي هو التقاط هذه الطاقة في شكل ATP.

***********************

***********************