أكسدة واختزال

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

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

حيث أن التفاعل الأيوني هو:

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

حيث أن 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 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» عندما يكون كل 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 أن تقوم بوظيفتها من جديد وتمدنا بالتيار الكهربائي.

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 كل ذرة أكسجين إثنين من الإلكترونات.

• مجموع هذان التفاعلين يسمى «تفاعل أكسدة-اختزال» ويكتب كالآتي:

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

تفاعل أكسدة-اختزال: يؤكسد الأكسجين المعدن ، ويُختزل هو ذاته.

نجد أن الأكسجين يميل إلى اكتساب إلكترونين ليصل إلى غلاف إلكتروني تكافؤي كامل يحتوي على 8 إلكترونات (قاعدة الثمانيات). وأما الفلز فيمكنه عن طريق إعطاء إلكترونين للتخلص من غلاف غير كامل ويصل بذلك إلى التركيب الإلكتروني التالي الأكثر استقرارا.

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

تفاعل الفرن العالي

فرن عالي.

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 سريعا ويتحول إلى ثاني أكسيد الكربون عند انخفاض وجود أكسجين في الفرن. .[2]

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

إمداد الفرن بالحرارة بإحراق الفحم.

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

فينتج غاز أول أكسيد الكربون وهو مادة مختزلة جيدة. توازن بودوار

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

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

تفاعل الثرميت

المقالة الرئيسة: تفاعل الثرميت

تفاعل الثرميت للحام قضبان السكك الحديدية

لتحضير عدد من معادن من أكاسيدها يمكن استخدام الألمونيوم كمادة اختزال ، وذلك عندما يكون المعدن أشد خمولا (نبيل أكثر) من الألمونيوم. في تلك العملية يستخدم الألمونيوم في صورة مسحوق والطريقة 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.

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

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:[3]

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

إضافة النتريت إلى مايوجلوبين ينتج ميتمايوجلوبين و نتروزيل.

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

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 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 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 هو التفاعل الأساسي في النبات الذي ينتج الجلوكوز ، ومنه بتفاعلات أخرى يُنتج السكروز والنشا وغيرها.

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.

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

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

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 العلم الذي يدرس 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 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.

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

• بوابة الفيزياء
• بوابة الكيمياء
• بوابة كيمياء تحليلية
• بوابة كيمياء فيزيائية