ماهي الاكسدة والاختزال

يعود مفهوم التفاعل الكيميائي إلى ما يقرب من 250 عامًا، حيث ظهر هذا المفهوم من خلال التجارب التي كانت تستخدم لتصنيف المواد والعناصر والمركبات. وتوضح النظريات المختلفة في علم الكيمياء كيفية حدوث هذه العمليات الكيميائية، وتطور مفهوم التفاعل الكيميائي كان له دورًا أساسيًا في نشأة علم الكيمياء كما نعرفه اليوم .

ماهو التفاعل الكيميائي

هناك الكثير من التفاعلات الكيميائية التي تحدث من حولنا، حيث أن التفاعل الكيميائي هو عملية تؤدي إلى تحول أو تغيير في مادة ما أو عدة مواد معا، مما يؤدي إلى تكون مادة جديدة مختلفة. ويطلق على المواد التي يحدث لها التحول أو التغيير اسم المواد المتفاعلة، أما المادة الجديدة التي تنتج عن التفاعل فيسمى المركب أو العنصر الكيميائي. ويتم التفاعل الكيميائي عن طريق إعادة ترتيب مكونات المواد المتفاعلة من الذرات للحصول على المركب الجديد .

اساسيات التفاعلات الكيميائية

التفاعلات الكيميائية جزء لا يتجزأ من حياتنا، من حرق الوقود وصهر الحديد وصناعة الزجاج والفخار وتخمير البيرة والجبن. كلها أمثلة عديدة على أنشطة تشمل تفاعلات كيميائية معروفة ومستخدمة منذ آلاف السنين. توجد التفاعلات الكيميائية في العمليات المعقدة في باطن الأرض وما يحدث في الغلاف الجوي والمحيطات. إنها مجموعة واسعة من العمليات التفاعلية التي تحدث في جميع الأنظمة الحية .

يجب التمييز بين التفاعلات الكيميائية والتغيرات الفيزيائية ، وتشمل التغيرات الفيزيائية تغيرات الحالة ، مثل ذوبان الجليد إلى ماء والمياه التي تتبخر إلى البخار ، ففي حالة حدوث تغيير مادي سوف تتغير الخصائص الفيزيائية للمادة ، ولكن تبقى هويتها الكيميائية كما هي بغض النظر عن حالتها الفيزيائية .

الماء (H2O) هو مركب يتألف من جزيئتي هيدروجين وجزيء واحد من الأكسجين، ويكون الثلج والسائل والبخار نفس المركب. ولكن عند تفاعل الصوديوم (Na)، سيتم إعادة توزيع الذرات لتشكيل مركبات جديدة مثل الهيدروجين الجزيئي (H2) وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، وهذا يظهر أن التفاعل الكيميائي حدث وأن الصوديوم تحول إلى شكل جديد مختلف عن حالته الأصلية .

يمكن أن يتضمن التفاعل ذرات أو أيونات أو مركبات أو جزيئات، وعلينا أن نتذكر أن التفاعل الكيميائي يحدث بغض النظر عن المواد المشاركة طالما يحدث تغير كيميائي. على سبيل المثال، إذا تم وضع غاز الهيدروجين النقي (H2) وغاز الأكسجين النقي في نفس الغرفة، فإنهما يمكن أن يتفاعلان لتكوين الماء (H2O). ومع ذلك، يمكن أن تنتج تلك الغازات خلال تفاعل كيميائي عنيف انفجارا ضخما (تحرر حرارة) .

عادة ما تحدث ردود الفعل الفردية كجزء من سلسلة أكبر من ردود الفعل، وعندما ينتج المصنع سكريات، قد يحدث ما يصل إلى اثنتي عشرة تفاعلا كيميائيا، وفي النهاية يتم إنشاء الجلوكوز (C6H12O6) من هذه الجزيئات .

انواع التفاعلات الكيميائية

تفاعلات الاتحاد المباشر

– تعني عملية الاتحاد المباشر بين عنصرين لإنتاج مركب آخر، ومن أمثلة ذلك اتحاد الكربون مع الأكسجين لتكوين غاز ثاني أكسيد الكربون، واتحاد الكلور والكالسيوم لتكوين كلوريد الكالسيوم، واتحاد الأكسجين والهيدروجين لتكوين الماء .

تفاعلات الانحلال

تتحلل المركبات إلى عناصر أبسط منها في هذه التفاعلات، وهي عكس التفاعلات السابقة. على سبيل المثال، يتحلل أكسيد الزئبق إلى عنصري الأكسجين والزئبق، وكذلك يتحلل كلورات البوتاسيوم إلى عنصري كلوريد البوتاسيوم والأكسجين .

تفاعلات الإحلال البسيط

يعني تفاعل الإحلال البسيط استبدال واحد من العناصر في المركب بعنصر آخر، مما يؤدي إلى تكوين مركب جديد وعنصر، ومن أمثلة هذا التفاعل تفاعل الزنك مع كبريتات النحاسوز الذي ينتج عنه مركب كبريتات الزنك وعنصر النحاس، وكذلك تفاعل الزنك مع حمض الكبريتيك الذي ينتج عنه كبريتات الزنك وغاز الهيدروجين .

الاحتراق

يحدث تفاعل الاحتراق عندما يتم دمج مركب مع الأكسجين لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون، وهذه التفاعلات لها معدل تفاعل سريع وتنتج كميات كبيرة من الطاقة على شكل حرارة .

الإزاحة

تحدث تفاعلات الإزاحة عندما يأخذ مركب واحد أو أكثر من مركب آخر، ويمكن أن تحدث هذه الإزاحة بشكل واحد حيث يتم إخراج مادة واحدة فقط، أو بشكل مزدوج حيث يتم تبديل مادتين .

تفاعل كيميائي ضوئي

يتضمن هذا النوع من التفاعل استخدام الضوء وفوتوناته، وربما يكون التمثيل الضوئي أحد أفضل التفاعلات الكيميائية الضوئية المعروفة .

تفاعلات الاكسدة والاختزال

سيكون حديثنا اليوم أكثر تركيزا عن تفاعلات الأكسدة والاختزال وكيف تتم ، حيث تسمى تفاعلات أكسدة – اختزال (Redox reaction ) أو ( oxidation-reduction reaction ) ، وهي عبارة عن تفاعلات كيميائية يقوم فيها أحد الإلكترونات في جزيء أو مركب ما ( أو أكثر من إلكترون ) بالانتقال إلى جزيء أو مركب آخر ، فالأكسدة هي أن تفقد الذرة أو يفقد الجزيء بعض الإلكترونات مما يؤدي لزيادة الشحنة الموجبة أو نقص الشحنة السالبة ، والاختزال هو اكتساب هذه الإلكترونات التي فقدها الجزيء مما يؤدي لنقص لشحنة الموجبة أو زيادة الشحنة السالبة ، وبالتالي يمكننا أن نصف الأكسدة لعنصر ما بزيادة عدد أكسدته ، فيكون الاختزال هو النقص في عدد أكسدته ، ويمكن تعريف الأكسدة بشكل آخر بأنها أحد العمليات الكيميائي التي تؤدي لزيادة معدلات الأكسجين في المادة أو إنقاص معدلات الهيدروجين ، بينما الاختزال هو أحد العمليات الكيميائية التي تؤدي لتناقص معدلات الأكسجين وتزايد معدلات الهيدروجين .

تعريف العامل المختزل

يُعرف العامل المختزل بأنه المادة التي تقوم إما بنزع الأكسجين أو إضفاء الهيدروجين خلال التفاعل الكيميائي، بينما العامل المؤكسد هو المادة التي تقوم بإعطاء الأكسجين أو بنزع الهيدروجين خلال التفاعل الكيميائي .

امثلة الأكسدة والاختزال من الحياة اليومية

يحدث الكثير من تفاعلات الأكسدة والاختزال الواقعية في البيئة من حولنا، ومن أمثلتها ما يلي: –

التمثيل الضوئي في النباتات :حيث يتحد ثاني أكسيد الكربون والماء تحت تأثير الضوء لتكوين الأكسجين والجلوكوز، ويتم استخدام الجلوكوز في عملية التمثيل الضوئي لتغذية التفاعلات الأيضية للنباتات .

التنفس : خلال عملية التنفس، تحدث العديد من عمليات الأكسدة والاختزال، وخلال هذه العملية يتم تأكسد الماء لتكوين الأكسجين، ويتم اختزال ثاني أكسيد الكربون .

الاحتراق : يعد الاحتراق أحد الأمثلة الرئيسية لتفاعلات الأكسدة والاختزال في الواقع، حيث يشمل حرق المواد العضوية والهيدروكربونات في الوقود الأحفوري مثالا هاما لتفاعلات الأكسدة والاختزال، حيث يتفاعل الأكسجين في الغلاف الجوي مع الكربون والهيدروجين الموجود في المركب المحترق، ويتم اختزال الأكسجين في الغلاف الجوي في حين يحدث التأكسد للمركب المحترق .

التآكل : عملية التآكل التي تحدث للمعادن تعتبر مثالا آخر لتفاعلات الأكسدة والاختزال في الحياة اليومية، فعندما يلامس الماء الحديد، على سبيل المثال، يقوم الأكسجين الموجود في الماء بأكسدة الحديد، مما يؤدي لإنتاج أيونات الهيدروجين الحرة، والتي تتحد بدورها مع الأكسجين لإنتاج الماء، ويتكرر هذا الدوران مرارا وتكرارا .