آثار دبیر شیمی منطقه خزل
 

مفهوم اکسیداسیون (اکسایش) و

احیا (کاهش) چیست؟


در قدیم اصطلاح اکسیداسیون (اکسایش) برای واکنشهایی بکار برده می‌شد، که در آنها جسمی با اکسیژن ترکیب می‌گردید، مانند:
به همین ترتیب، اصطلاح احیا (کاهش) به واکنشهایی اطلاق می‌گردید که در آنها اکسیژن از جسمی جدا می‌شد، مانند:
امروزه، اصطلاح اکسایش-‌کاهش در معنای بسیار وسیعتری بکار می‌رود، بطوریکه، کلیه واکنشهایی که در آنها، الکترون از یک واکنش دهنده به واکنش دهنده دیگر منتقل می‌شود، واکنشهای اکسایش-کاهش نامیده می‌شوند. مانند:
در این مثال به عنوان یکی از واکنش دهنده‌ها به واکنش دهنده دیگر یعنی یونهای (آبی) الکترون می‌دهد. به این ترتیب:
• اکسایش یعنی آنکه یک اتم یا مولکول یا یون ضمن واکنش، الکترون از دست بدهد.
• کاهش یعنی آنکه یک اتم یا مولکول یا یون ضمن واکنش، الکترون دریافت کند.
باید توجه داشت هر اکسایشی با کاهشی همراه است. در هر واکنش اکسایش-کاهش، نیم واکنش اکسایش و نیم واکنش کاهش بطور همزمان صورت می‌گیرند. برای بررسی این موضوع واکنش زیر را در نظر می‌گیریم:
در این واکنش، یونهای در نیم واکنش اکسایش شرکت می‌کنند و اکسید می‌شوند:
همزمان با نیم واکنش اکسایش بالا، نیم واکنش کاهش زیر نیز انجام می‌شود:
در این نیم واکنش، مولکول الکترون دریافت کرده، کاهش می‌یابد و به یونهای تبدیل می‌شود. ضرایب (میزان مناسب) هر نیم واکنش اکسایش و هر نیم واکنش کاهش همزمان آن، بایستی طوری باشند که تعداد الکترونهای حاصل از نیم واکنش اکسایش با تعداد الکترونهای بکار رفته در نیم واکنش کاهش برابر باشند.
از طرف دیگر، واکنش
هم یک واکنش اکسایش-کاهش است اما در آن انتقال الکترون از یک واکنش دهنده، به واکنش دهنده دیگر بطور کامل صورت نگرفته است. در مولکول، دانسیته ابر الکترونی حاصل از زوج الکترون پیوندی، بر روی کلر بیشتر است تا بر روی ئیدروژن. دلیل آن این است که اتم کلر از اتم ئیدروژن الکترونگاتیوتر است. در واقع اتم در مولکول، به اندازه 0.17بار الکتریکی یک الکترون، الکتریسیته مثبت دارد. در مقابل اتم در این مولکول به همان اندازه بار منفی داراست:
در واکنش بالا، انتقال الکترون بطور جزئی صورت گرفته است. ئیدروژن که بطور نسبی الکترون از دست داده، اکسید شده است و کلر که بطور نسبی الکترون دریافت داشته، کاهش یافته است.


مفهوم هر یک از اصطلاحات زیر

چیست؟


الف. اکسایش و کاهش-----ب. عامل اکسنده و عامل کاهنده-----ج. نیم واکنش
الف. اکسایش، نیم واکنشی است که در آن عدد اکسایش یا حالت اکسایش اتمی در یک عنصر افزایش می‌‌یابد. مانند:
img/daneshnameh_up/1/14/mch0044a.jpg
کاهش، نیم واکنشی است که در آن عدد اکسایش اتمی در یک عنصر کاهش می‌یابد، مانند:

img/daneshnameh_up/6/62/mch0044b.jpg


تذکر مهم


الف.در واکنشهای شیمیایی، هر اکسایشی با کاهش متناظری همراه است. علاوه بر آن، بایستی تعداد الکترونهای آزاد شده در نیم واکنش اکسایش با تعداد الکترونهای به‌کار رفته در نیم واکنش کاهش متناظر با آن، مساوی باشد.
‌ب. عامل اکسنده (یا اکسید کننده) به آن ماده‌ای گفته می‌شود که الکترون دریافت می‌کند و از این راه عدد اکسایش اتمی در آن کاهش می‌یابد. می‌دانید که ماده‌ای که الکترون دریافت می‌کند و یا اتمی که عدد اکسایشش کاسته می‌شود، احیا می‌شود. یعنی:
• «هر عامل اکسنده، خود احیا شونده است».
عامل کاهنده ماده‌ای است که الکترون از خود آزاد می‌کند. عاملی که از خود الکترون آزاد می‌کند، اکسید می‌شود، یعنی:
• «هر عامل کاهنده یا احیا کننده، خود اکسید شونده است».
برای مثال در واکنش
یون اکسید کننده است و خود احیا می‌شود و یون کاهنده است و خود اکسید می‌شود.
‌ج. هر اکسایش یا کاهشی یک نیم واکنش است. برای مثال، هر یک از اکسایشها یا کاهشهای زیر یک نیم واکنش تلقی می‌شوند:
نیم واکنش کاهش یا احیا:
نیم واکنش کاهش یا احیا:
نیم واکنش کاهش یا احیا:
-
نیم واکنش اکسایش:
نیم واکنش اکسایش:
نیم واکنش اکسایش:
هرگاه یک نیم واکنش کاهش با نیم واکنش اکسایش متناظرش، طبق ضرایب مناسبی جمع شود، یک واکنش اکسایش-کاهش بدست می‌آید.


مثال 1


نيم واکنش اکسايش:
نيم واکنش کاهش:
واكنش اكسايش-كاهش:
در اين مثال گاز کلر اکسيد کننده است و با دريافت الکترون از يون به حالت محلول احيا شده، به يون تبديل مي‌شود. در مقابل، يون احيا کننده يا کاهنده است و با از دست دادن الکترون اکسيد شده و بهتبديل مي‌شود. انجام اين اکسايش و کاهش به دليل تمايل زياد اتم کلر براي دريافت الکترون نسبت به اتم است. در واقع اتم براي دريافت الکترون و تبديل به از اتم بسيار قويتر است.


مثال 2


نيم واکنش کاهش:
نيم واکنش اکسايش:
واکنش اکسايش-کاهش:
در نيم واكنش كاهش بالا، پنج الكترون به‌كار مي‌رود، اما در نيم واكنش اكسايش
فقط يک الکترون آزاد مي‌شود. از اين رو طرفين نيم واکنش اکسايش را در عدد 5 ضرب کرده‌ايم تا در آن، 5 الکترون به کار رفته در نيم واکنش کاهش تأمين شود. اين مطلب اساس کلي موازنه واکنشهاي اکسايش-کاهش است. يعني:
در هر واکنش اکسايش-کاهش بايستي تعداد الکترونهاي بکار رفته در نيم واکنش کاهش با تعداد الکترونهاي بدست آمده از نيم واکنش اکسايش مساوي باشد.
موازنه معادلات واکنشهاي اکسايش-کاهش، معمولاً مشکلتر از واکنشهايي است که در آنها عمل اکسايش-کاهش انجام نمي‌شود. معمولاً دو روش براي موازنه واکنشهاي اکسايش-کاهش به کار برده مي‌شود: روش يون- الکترون و روش عدد اکسايش. هر يک از دو روش را مي‌توان بکار برد، در اينجا هر دو روش را بررسي خواهيم کرد. در مثالهاي زير حالت فيزيکي مواد واکنش دهنده و محصولات مشخص نخواهد شد و نيز نماد را به جاي يا به‌کار خواهيم گرفت.



روش تغيير عدد اکسايش براي موازنه

 واکنشهاي اکسايش-کاهش


اگر قواعد مربوط به تخصيص اعداد اکسايش به اتمها را از نظر بگذرانيم، به آساني در مي‌يابيم كه عدد اکسايش هر اتم در يک ترکيب با بار الکتريکي واقعي يا نسبي آن اتم در آن ترکيب برابر است. از طرفي در جريان يک واکنش اکسايش-کاهش، اعداد اکسايش برخي از واکنش دهنده‌ها يا تمامي آنها تغيير مي‌کند. اين تغيير به معناي کسب يا از دست دادن الکترون بطور کامل يا به طور نسبي است. چون در هر واکنش شيميايي، همانطور که قانون بقاي جرم رعايت مي‌شود، قانون بقاي بار الکتريکي هم رعايت مي‌شود پس بايستي تعداد الکترونهايي که يک واکنش دهنده از دست مي‌دهد، با تعداد الکترونهايي که واکنش دهنده ديگر دريافت مي‌کند، مساوي باشد (در اينجا فرض بر آن است که دو واکنش دهنده دخالت دارند).
شرط ياد شده، با بهره‌گيري از اعداد اکسايش، به صورت زير بيان مي‌شود:
• «در هر واکنش اکسايش-کاهش مجموع جبري تغيير اعداد اکسايش برابر صفر است».
پيش از بکارگيري قاعده بالا در موازنه واکنشهاي اکسايش-کاهش، لازم است چند نکته را تذکر دهيم.
الف. عدد اکسايش اتمي که در جريان واکنش اکسايش-کاهش الکترون دريافت مي‌کند، (احيا مي‌شود) کاهش مي‌يابد، پس تغيير آن در واکنش منفي است. تغيير عدد اکسايش هر اتم را مساوي تفاضل عدد اکسايش آن پس از شرکت در واکنش از عدد اکسايش آن پيش از شرکت در واکنش در نظر مي‌گيريم.
‌ب. عدد اکسايش اتمي که در جريان واکنش اکسايش-کاهش الکترون از دست مي‌دهد، (اکسيد مي‌شود) افزايش مي‌يابد، پس تغيير آن در واکنش مثبت است.
‌ج. ضرايب اتمهاي احيا شده و اکسيد شده را طوري انتخاب مي‌کنيم که مجموع جبري تغيير اعداد اکسايش اين اتمها مساوي صفر شود.


مثال 1

img/daneshnameh_up/5/5c/mch0044c.jpg

تغيير عدد اکسايش يک اتم در واکنش بالا 3+ است. تغيير عدد اکسايش يک اتم اکسيژن در واکنش بالا 2- است. مجموع جبري اين تغيير، زماني صفر خواهد شد که دو اتم و سه اتم را در واکنش شرکت دهيم.
چون هر مولکول اکسيژن دو اتم اکسيژن در بر دارد، پس براي تأمين سه اتم اکسيژن 5/1 مولکول اکسيژن لازم است.



مثال 2

img/daneshnameh_up/b/b8/mch0044d.jpg

در اين واکنش فقط عدد اکسايش اتمهاي و تغيير کرده است (اين مطلب را با توجه به قواعد مربوط به تعيين اعداد اکسايش امتحان کنيد). مجموع تغيير اعداد اکسايش در اين واکنش موقعي صفر خواهد شد که سه و هشت در واکنش شرکت کنند.*}

پس:


موازنه کامل ضرايب معادله يک

واکنش اکسايش-کاهش چگونه

صورت مي‌گيرد؟


براي موازنه کامل ضرايب معادله يک واکنش اکسايش-کاهش بايستي مراحل زير را به ترتيب پيمود.
1. مواد واکنش دهنده و مواد حاصل را به دقت مشخص کرد.
2. معادله موازنه نشده‌اي را براي واکنش با شرکت مواد واکنش دهنده و مواد حاصل ترتيب داد.
3. اتمهايي که اعداد اکسايش آنها تغيير کرده است را معلوم ساخت و تغيير عدد اکسايش هر کدام را حساب کرد.
4. براي هر يک از مواد واکنش دهنده، طوري ضريب مناسبي را در نظر گرفت که مجموع تغيير اعداد اکسايش اتمها در واکنش مساوي صفر شود.
5. براساس ضرايب تعيين شده در بند 4، واکنش را در مجموع موازنه کرد.
6. در محيطهاي آبي با قرار دادن يونهاي يا به تعداد لازم، در يکي از طرفين واکنش، مي‌توان به امر موازنه واکنش کمک کرد.
7. در اغلب موارد براي موازنه اتمهاي ئيدروژن و اکسيژن، مي‌توان مولکولهاي را به تعداد لازم به يکي از طرفين واکنش افزود.


مثال 1

ضرايب معادله واکنش اسيد نيتريک غليظ با يُد را موازنه کنيد.
حل. مواد واکنش دهنده در اين واکنش اسيد نيتريک غليظ و يُد و مواد حاصل اصلي شامل اسيد يُديک و دي اکسيد نيتروژن است. پس معادله موازنه نشده واکنش به صورت زير خواهد بود.
img/daneshnameh_up/c/cc/mch0044e.jpg
با شرکت يک اتم يا و پنج در واکنش، مجموع جبري تغيير اعداد اکسايش مساوي صفر خواهد شد.
معادله شيميايي بالا از لحاظ تغيير اعداد اکسايش موازنه است، اما از لحاظ جرم موازنه نيست. براي موازنه اتمهاي و، به اندازه لازم از به طرف دوم واکنش مي‌افزائيم:
و يا:



تذکر

در واکنشهايي که ترکيبات اکسيژندار و ئيدروژندار شرکت دارد، تشکيل در آنها بسيار محتمل است.

مثال2

از واکنش اسيد سولفوريک غليظ و گرم با فلز مس، سولفات مسو گاز حاصل مي‌شود. ضرايب معادله واکنش مذکور را به روش تغيير اعداد اکسايش موازنه کنيد.
حل.
img/daneshnameh_up/7/73/mch0044f.jpg
در اين واکنش با شرکت يک و تبديل آن به و شرکت يک از و تبديل آن به ، واکنش از نظر تغيير اعداد اکسايش موازنه است. يعني براي آن، مجموع جبري تغيير اعداداکسايش مساوي صفر خواهد شد.
پس معادله شيميايي بالا، از لحاظ تغيير اعداد اکسايش موازنه است. ولي همانطور که آشکار است، اين معادله از نظر جرم موازنه نيست. براي برقراري موازنه جرمي، بايستي ضريب را برابر 2 در نظر گرفت و از آنجا ضريب نيز برابر 2 خواهد شد:



تذکر


بنا به قانون بقاي جرم که در موازنه واکنشهاي شيميايي معمولي رعايت مي‌شود، بايستي عده اتمها يا اتم گرمهاي هر عنصر در دو طرف معادله شيميايي مورد نظر مساوي باشد (اين اتمها خواه به صورت آزاد و خواه به صورت ترکيب در واکنش شرکت داشته باشند).


مثال3


از واکنش گاز کلر با سود (به صورت محلول غليظ و گرم) کلريد سديم و کلرات سديم بدست مي‌آيد. ضرايب معادله شيميايي واکنش را از راه تغيير عدد اکسايش موازنه کنيد.
حل.
img/daneshnameh_up/c/c9/mch0044g.jpg
براي آنکه معادله اين واکنش از نظر تغيير اعداد اکسايش موازنه شود، بايستي به ازاء تشکيل هر پنج
+ نوشته شده در  شنبه سوم اردیبهشت 1390ساعت 11:57  توسط دبیر شیمی منطقه خزل  |