الأكسدة و الاختزال

تعدّ تفاعلات "التأكسد والإختزال" من أهم التفاعلات الكيميائية في حياتنا اليومية، وهي تحدث في معظم الأماكن من حولنا والبيئة المحيطة بنا، فالطعام الذي نأكله يتأكسد في أجسامنا ليمدّنا بالطاقة اللازمة للحركة والعمل، والسيارة والطائرة تتحركان بالطاقة الناتجة عن أكسدة الوقود، وكذلك نحصل على التيار الكهربائي من البطاريات بعمليات الأكسدة والإختزال والحديد يصدأ نتيجة تعرضه لعملية أكسدة، كما أن استخلاص الفلزات مثل الحديد والألومنيوم تتم بإختزال خاماتها.

*مفهوم التأكسد والاختزال وما الفرق بينهما:

تجري التفاعلات الكيميائية عن طريق نقل الالكترونات، فعملية نقل الالكترونات هذه تسمى "تفاعلات الأكسدة و الاختزال"، وقد لاحظ العلماء أنه فى كل عملية أكسدة وذلك وفقاً للمفهوم القديم السائد حول الاكسدة والاختزال، فإنه يحدث تغير فى الكترونيات بعض المواد أثناء التفاعل وكذلك نفس الأمر بالنسبة لعملية الاختزال وعند دراسة هذه التفاعلات وجد أن المادة التي تتأكسد فإنها تفقد بعضاً من الكتروناتها بينما تكتسب تلك التي يحدث لها عملية اختزال بعضاً من الكتروناتها، ومن هنا نعرف :

التأكسد: هو كل تفاعل كيميائي يتم فيه فقد إلكترون أو أكثر، و بحيث تصبح المادة المتفاعلة المتأينة ذات شحنة موجبة .

الإختزال: هو كل تفاعل كيميائي يتم فيه كسب الكترون أو أكثر، وبحيث تصبح المادة المتفاعلة المتأينة ذات شحنة سالبة .

و حيث أنه لا يمكن أن توجد الإلكترونات بصورة منفردة، فإن ما تفقده مادة من الالكترونات فى تفاعل ما لابد ان يكتسب من قبل مادة أخرى فى التفاعل نفسه، وهذا يعني وجود "تلازم" بين عمليتي الأكسدة و الإختزال، فلا يمكن أبداً أن تحدث أحداهما إلا بحدوث الأخرى .

وإن أي عنصر في الطبيعة له "عدد ذري"  و هو عدد الالكترونات حول النواة كما له "عدد كتلي" و هو  (عدد البروتونات + النيوترونات في النواة) ،حيث أن عملية "الأكسدة و الاختزال" تؤثر على العدد الذري للمادة المتفاعلة و ليس العدد الكتلي.

ونستخلص الفرق بين التأكسد والاختزال على أن  :

التأكسد: هو عملية فقد المادة للإلكترونات خلال التفاعل الكيميائي.

الإختزال: هو عملية اكتساب المادة للإلكترونات خلال التفاعل الكيميائي.

وكان لا بد من الإشارة عند تعرفينا لعمليات التأكسد والإختزال الى تعريفات:

·        "العامل المؤكسد" : وهو المادة التي حدث لها "اختزال" أي اكتسبت إلكترونات وحدث نقصان في عدد التأكسد .

·        "العامل المختزل" : وهو المادة التي حدث لها "تأكسد" أي فقدت إلكترونات وحدث زيادة في عدد التأكسد.

*أشهر أنواع تفاعلات التأكسد والإختزال :

يصعب تصنيف العدد الكبير من تفاعلات "التأكسد والإختزال"، فالطعام الذي نأكله يتأكسد في أجسامنا ليمدّنا بالطاقة، ومحركات المركبات والآليات تتحرك بالطاقة الناتجة عن أكسدة الوقود، ونحصل على التيار الكهربائي من البطاريات، والحديد يصدأ نتيجة تعرضه لعملية أكسدة، كما أن استخلاص الفلزات يتم بإختزال خاماتها...

ولكننا سنعمل في هذا البحث عن توضيح "أربعة أنواع رئيسية" صُنّفت على "أساس الطريقة التي يتم فيها التفاعل" وسنذكر بعض الأمثلة العمليّة عليها، منها :

1)الإتحاد المباشر:

وهي التفاعلات التي تتحد فيها مادتان لإنتاج مادة واحدة وتتم هذه التفاعلات بين (العناصر) أو بين (العناصر والمركبات)، فجميع التفاعلات التي تتحد فيها (الفلزات واللافلزات) أو (اللافلزات مع بعضها البعض)، هي تفاعلات تأكسد وإختزال، مثل تفاعل إتحاد الغيمة البنفسجية، اذ يتفاعل الألمونيوم مع اليود بوجود قطرة ماء لإنتاجAII3  وكمية من الطاقة تكفي لتبخر اليود على شكل غيمة بنفسجية اللون .

2)التحلل بالحرارة :

وهي التفاعلات التي تتحلل فيها مادة بـ "التسخين" إلى مادتين أو أكثر أبسط تركيباً، ويصاحب هذه العمليّة إنتقال الإلكترونات بين الذرات المكوّنة للمركب المتحلل مثل :

(تحلل الأكاسيد / تحلل أملاح الكلورات / تحلل املاح النترات) .

3)الإحلال البسيط :

وهي التفاعلات التي يحل فيها عنصر محل عنصر آخر في مركب لإنتاج مركب جديد ويسمى هذا التفاعل "الاحلال البسيط أو المنفرد" لتمييزه عن تفاعلات الإحلال المزدوج، والتي يتم فيه تبادل أيونات فقط دون حدوث عملية تأكسد واختزال، مثل :(تفاعل بعض الفلزات النشيطة مع الحوامض لانتاج غاز الهيدورجين).

4)الإحتراق :

وهي التي يتفاعل فيها الأكسجين بسرعة مع المركبات القابلة للتأكسد لإنتاج مواد جديدة أبسط وتكون مصحوبة بلهب بسبب الإنتاج السريع للطاقة، وهذه التفاعلات هي التي تحدث حرق (مشتقات البترول)  للحصول على الطاقة، مثل: (إحتراق البنتان بوجود  كمية كافية من الإكسجين لإنتاج الطاقة) .

وسنتطرق الى بعض الأمثلة على "تفاعلات التأكسد والاختزال" والتي تعدّ مؤشرا عملياً وحيوياً تدلل على مثل هذه الأنواع من التفاعلات :

·        صدأ الحديد :

تصدأ قطعة من الحديد عندما تتعرض الى الرطوبة، ويتأكسد الحديد (يتفاعل مع الأكسجين) مكونا أكسيداً للحديد، ولذلك يلجأ لحماية الحديد من الصدأ الى عمليت مختلفة مثل الطلاء والغلفنة وغيرها.

·        عمليات الإحتراق:

يعدّ إحتراق الطعام داخل اجسام الكائنات الحية لانتاج الطاقة مثال على عملية التأكسد والإختزال، وأيضاً تعد عمليات احتراق الوقود بشكل عام، مثالاً على "التأكسد والإختزال" .

·        استخلاص الفلزات من خاماتها :

تقوم عمليات إستخلاص بعض الفلزّات من خاماتها على (نزع الأكسجين من هذه الخامات)، فمثلاً يتم نزع الأكسجين من الحديد في خام الهيماتيت بواسطة الكربون داخل ما يعرف بالفرن اللافح .

·        تكوّن خامات الفلزّات:

تعد تكون خامات الفلزات من الأمثلة على تفاعلات التأكسد والاختزال فمعظم خامات الفلزّات في الطبيّعة توجد على شكل أكاسيد .

*وسنستعرض بشكل مفصل أكثر الأمثلة على تفاعلات التأكسد والاختزال وأهميتها في حياتنا فيما يلي ..

أهمية تفاعلات التأكسد والإختزال في حياتنا :

تمثّل تفاعلات "الأكسدة والإختزال" نوعاً مهماً من العمليات الكيميائية التي تحدث في حياتنا اليومية، ونظراً لأهمية عمليتي الأكسدة والاختزال في حياتنا، سنعرض بعض التطبيقات العمليّة لتفاعلات التأكسد والاختزال منها :

1)بطارية السيارة :

بطارية السيارة هي مثال قريب لتفاعلات (أكسدة-اختزال)، وتتكون بطارية الرصاص في أبسط صورها من لوح رصاص ولوح من أكسيد الرصاص، ويوجد اللوحان في محلول حامض الكبريتيك وتعمل البطارية باختزال لوح أكسيد الرصاص وفي نفس الوقت يتأكسد لوح الرصاص.

وتستمر البطارية بالعمل بهذا الشكل حتي "تنفد" عندما يكون كل الرصاص قد تأكسد وكل أكسيد الرصاص قد إختزل، عندئذ تلزم إعادة شحن البطارية.

ونقوم بذلك بتوصيل قطبي البطارية بمصدر كهربائي خارجي ،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 نقياً وبعد شحن البطارية يمكن للبطارية أن تقوم بوظيفتها من جديد وتقوم بتزويدنا بالتيار الكهربائي.

 2)أكسدة الفلزات :

عندما تتفاعل ذرة فلز (معدن) مع ذرة أكسجين ، نجد أن الأكسجين يميل إلى اكتساب إلكترونين ليصل إلى غلاف إلكتروني تكافؤي كامل يحتوي على 8 إلكترونات ،وأما الفلز فيمكنه عن طريق إعطاء إلكترونين للتخلص من غلاف غير كامل ويصل بذلك إلى التركيب الإلكتروني التالي الأكثر إستقراراً.

وفي حياتنا اليومية يشتهر (تأكسد الحديد) أو ما يعرف (بصدأ الحديد) ولتعريف "الصدأ" :

هوعملية تحول الفلز الى الحالة المستقرة ، التي يتواجد بها في الطبيعة (الخام)، ويتضمن الصدأ أكسدة الفلز حيث يفقد الأخير خصائصه البنائية، وجاذبية لمعانه في تفاعل تلقائي، ويمكن القول إن معظم الفلزات المستعملة في اعمال البناء والديكور قابلة للتأكسد بواسطة الأكسجين المتواجد في الهواء.

وتختلف الفلزات في سرعة تأكسدها , وفي المواد الناتجة بفعل هذا التأكسد ففي بعض الحالات مثل الألمنيوم ينتج طبقة رقيقة من أكسيد الفلز تعمل على حماية الطبقة الداخلية من الاستمرار بالتأكسد .

أما الحديد فإنه يكوّن طبقة من اكسيده لدى تعرضه للهواء الرطب , الا انها سرعان ما تتساقط , مما يعرض الطبقة الداخلية الى الأكسدة ثانيةً , وهكذا .

 ولحماية الحديد من "الاكسدة" نلجأ الى عدّة عمليات منها: طلاء الحديد بأحد العناصر الأكثر منه نشاطاً ومقاومة للتآكل , فمثلاً يتفاعل الخارصين مع الهواء الجوي وثاني أكسيد الكربون مكوناً طبقة رقيقة من كربونات الخارصين القاعدية Zn 2 (OH) 2 CO 3، مما يمنع التماس بين الحديد والهواء الجوي, وتعمل هذه الطبقة على حماية الخارصين نفسه ايضاً .

3)الصناعات والتعدين :

يستخدم حرق وقود أحفوري مثل (الفحم والنفط والغاز الطبيعي) في محطات القوى لإنتاج الطاقة الكهربائية، وكذلك تستخدم كثيراً من التفاعلات في التعدين مثل (تفاعل الفرن العالي)، اذ انه في عملية الفرن العالي يُختزل الحديد بواسطة الفحم الحجري.

وينتج خلال هذا التفاعل تفاعلي جانبي ينتج عنه أول أكسيد الكربون وهو مادة مُختزلة جيدة، ولا يتفاعل أول أكسيد الكربون سريعاً ويتحول إلى ثاني أكسيد الكربون عند انخفاض وجود الاكسجين في الفرن، وبإمداد الفرن بالحرارة بإحراق الفحم، ينتج غاز أول أكسيد الكربون وهو مادة مختزلة جيدة، وأخيراً يُختزل أكسيد الحديد بواسطة أول أكسيد الكربون وينتج الحديد النقي .

وأيضاً في تفاعل الثرميت للحام قضبان السكك الحديدية، ولتحضير عدد من معادن من أكاسيدها يمكن استخدام الألمونيوم كمادة اختزال ، وذلك عندما يكون المعدن أشد خمولاً من الألمونيوم.

في تلك العملية يستخدم الألمونيوم في صورة مسحوق والطريقة تسمى "طريقة الألمونيوم الحرارية"، ويخلط أكسيد الحديد مع مسحوق الألمونيوم - وهذا الفاعل يسمى "تفاعل الثرميت" ويُشعل فيُختزل أكسيد الحيد وينتج الحديد المنصهر الذي يستخدم في لحام قضبان السكك الحديدية ، وكما تستخدم في القنابل الحارقة أيضاً.

4)المواد الغذائية :

وكأمثلة لتفاعلات (أكسدة-اختزال) يتم تحضير "الزيوت الصناعية"، وتستخدم عملية هدرجة محفزة تُجرى على زيوت نباتية، هدرجة حمض دهني غير مشبع بواسطة إضافة الهيدروجين، وكذلك تستخدم بعض الأملاح مثل نترات الصوديوم ونترات البوتاسيوم للحفاط على اللحم بتغطيته بتلك الأملاح  فيمنع "النتريت" تكاثر الجراثيم .

وأيضاً تضاف إلى المواد الغذائية الدهنية مواداً "مضادة للتأكسد" لمنع أكسدتها وفسادها ، وتتأكسد مضادات التأكسد بدلاً عنها.

5)تنفس الخلايا والتمثيل الضوئي:

في عملية "تنفس الخلايا والتمثيل الغذائي" يتحول سكر جلوكوز بالأكسدة إلى ثاني أكسيد الكربون ويُختزل الأكسجين ويتحول إلى ماء، حيث يتفاعل جزيء جلوكوز مع 6 جزيئات أكسجين وينتج 6 جزيئات ثاني أكسيد الكربون و 6 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 بالطاقة  ويتحولان إلى جلوكوز ويتحرر الأكسجين، وهذا هو التفاعل الأساسي في النبات الذي ينتج الجلوكوز .

6)كيمياء كهربية:

"الكيمياء الكهربية" تمثل أحد أهم فروع الكيمياء الفيزيائية التي تهتم بدراسة التفاعلات الكيميائية والتفاعلات الكهربية، فعندما ينتج عن تفاعل "أكسدة-اختزال" يولد تيار كهربائي، ويسمى مثل ذلك التفاعل "تفاعل كهروكيميائي".

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

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

وعندما نصنع تفاعل (أكسدة-اختزال) من الخارج عن طريق توصيل تيار كهربائي به ، نسمي هذه العملية

بـ "تحليل كهربائي"، أما عندما ينشأ تيار كهربائي عن تفاعل (أكسدة-اختزال) فنسمي ذلك بـ "خلية جلفانية".

7)إستخلاص الفلزات:

وتستخلص الفلزات من خاماتها بعدّة طرق منها :

1)    الاختزال الكيميائي : يتم اختزال العنصر بواسطة عامل مختزل مثل الصوديوم أو المغنيسيوم أو الألمنيوم أو الكربون , ويفضل عادة استخدام الكربون, بسبب قلة تكلفته ووفرته وسهولة الحصول عليه, وذلك بعد تحويل خامة العنصر الأصلية الى أكسيده , بتسخينها في الهواء الى درجة حرارة عالية .

2)    التحليل الكهربائي : وهي عملية سريان تيار كهربائي في محلول او مصهور مادة أيونية مما يؤدي الى حدوث تفاعلات التأكسد والاختزال على الاقطاب ويجب توفر مصدر فرق جهد، تستخدم خلايا التحليل الكهربائي في استخلاص بعض العناصر من خاماتها المصهورة , ومن هذه العناصر : الليثيوم والصوديوم والمغنيسيوم والألمنيوم .

8)الوقود المستخدم في الصواريخ الحاملة للمركبات الفضائية :

وتعد من ابرز العمليات على تفاعلات "التأكسد والاختزال" وتوجد عدّة انواع مختلفة من هذا الوقود نذكر منها :(غاز الهيدروجين الوقود الصلب الهيدرازين) ، ويستخدم غاز الهيدروجين كوقود في الصواريخ الحاملة للمركبات الفضائية , حيث يحترق غاز الهيدروجين بوجود كمية كافية من الأكسجين , منتجاً طاقة هائلة .

وأيضاً (خليط من بيركلورات الأمونيوم NH 4 ClO 4 ومسحوق الألمنيوم) كوقود في الصواريخ , حيث يوضع الخليط في المحركين المساعدين على جانبي الخزان الرئيسي حيث يبدأ التفاعل بشرارة كهربائية , مما تؤدي الى تأكسد الألمنيوم وإطلاق كمية هائلة من الحرارة , فتتمدد الغازات مؤدية الى اندفاع الصاروخ بقوة كبيرة ويصاحب ذلك خروج أكسيد الألمنيوم على شكل غيمة بيضاء كثيفة اسفل الصاروخ .

9)قصر الألوان :

وهي عملية يتم بها استهلاك المواد للإلكترونات المسببة للون عند تعرضها للضوء، ويستخدم محلول (هيبوكلوريت الصوديوم) كعامل مؤكسد في ازالة البقع عن الملابس , وفي تبيّض ألياف لب الخشب أثناء صناعة الورق .

ويستخدم محلول (فوق أكسيد الهيدروجين (H 2 O 2 وهو سائل لا لون له , في قصر المواد الحساسة : مثل: (الشعر والريش والحرير و القطن), ويستخدم في إزالة قتامة اللوحات الزيتية القديمة , حيث يعمل على تحويل مادة كبريتيد الرصاص السوداء الى كبريتات الرصاص البيضاء , ويمكن الحصول عليه من اضافة أكسيد الصوديوم الى الماء .

10)آلية عمل أفلام التصوير في الكاميرات:

يتم اختزال ايونات الفضة Ag + وتحويلها الى ذرات فضة عند تعرضها للضوء المرئي او أي نوع من انواع الأشعة، وتتكون افلام التصوير الحساسة من : مزيج من هاليدات الفضة (AgCl,AgBr,AgI), موزعة بشكل منتظم على شكل حبيبات في مستحلب جلاتيني مثبت على قاعدة زجاجية او بلاستيكية .

11)تفاعلات أكسدة واختزال في جسم الانسان :

أن جسم الإنسان و الكائنات الحية يحتاج للعناصر الكيميائية على صورة متأينة (أيونات)

ومن الأمثلة على ذلك :

1)     أيونات الصوديوم و البوتاسيوم مهمة لنقل السيالات العصبية .

2)     أيونات الكاسيوم مهمة في تقليص العضلات .

3)     النباتات تحصل على الأملاح الضروية على صورة أيونات .

4)     تتم تفاعلات الأكسدة و الاختزال في جسم الإنسان لتنفيذ عدد من الوظائف كما هو الحال في الدم .

5)    التفاعلات الكيميائية في جسم الانسان تحتاج إلى طاقة ، وهذه الطاقة يحصل عليها الجسم من السكريات الموجودة في الطعام ، فالجسم لا يستفيد من الجلوكوز إلى إذا احترق ، حيث أنه لا يحترق دون وجود طاقة لحرقهوكما أن التفاعلات الكيميائية تعمل على تحطيم السكريات لماء و ثاني أكسيد الكربون فتنتج لنا طاقة وهي:

تفاعلات طاردة للطاقة : أي أن التفاعلات الكيميائية تنتج طاقة حرة .

تفاعلات ماصة للطاقة : أي أن التفاعلات الكيميائية تعمل على امتصاص الطاقة الحرة.

المراجع والمصادر :

1.  د: مشيل عطا الله، د: هالة نصار، "مبادئ العلوم الطبيعية" .

2.  ديفيد جولد، الأكسدة والاختزال،"الكيمياء الجامعية"، ترجمة أمين الأيوبي .

3.  سهير نظمي عبد الرحمن ، "أساسيات في الكيمياء العامة" .