4.10
يحتوي الغلاف الجوي للأرض على حوالي 20% من الأكسجين الجزيئي، الأكسجين O2، وهو غاز تفاعلي كيميائي يلعب دوراً أساسياً في استقلاب…
بعض العمليات المهمة في الحياة بما في ذلك التمثيل الضوئي والاحتراق والتآكل،تقع في فئة التفاعلات التي تسمى الأكسدة-الاختزال،أو تفاعلات ريدوكس. تتكون تفاعلات الأكسدة والاختزال من عمليتين متزامنتين:الأكسدة والاختزال. مصطلح الأكسدة يعني زيادة في عدد الأكسدة،والذي يتوافق مع فقدان الإلكترونات،بينما يعني الاختزال انخفاض في عدد الأكسدة،وهو ما يتوافق مع اكتساب الإلكترونات.
لتذكر دور الإلكترونات،استخدم الاختصار OIL RIG،والتي تعني:الأكسدة فقد،الاختزال اكتساب"الأكسدة والاختزال عمليات متكاملتان. في تفاعل الأكسدة والاختزال بين متفاعلين،احد المتفاعلين يفقد الإلكترونات ويتأكسد،بينما يكتسب المتفاعل الآخر إلكترونات ويختزل. ضع في اعتبارك تفاعل الأكسدة والاختزال بين البوتاسيوم و هو معدن قلوي والكلور،اللافلزي.
تفقد ذرة البوتاسيوم المحايدة إلكترونًا لتصبح أيون البوتاسيوم. يتأكسد البوتاسيوم وشحنته تزيد من صفر في الذرة المحايدة إلى واحد زائد في الكاتيون. تكتسب ذرة الكلور المحايدة إلكترونًا لتصبح أيون كلوريد.
يتم اختزال الكلور وتنخفض شحنته من الصفر في الذرة المحايدة إلى واحد ناقص في الأنيون. بما أن البوتاسيوم يتبرع بإلكترون،يعد هو العامل المختزل أو المختزل. في حين يقبل الكلور الإلكترون،لذلك فهو عامل مؤكسد،أو مؤكسد.
تؤدي عملية الأكسدة والاختزال إلى تكوين كلوريد البوتاسيوم. بشكل عام،في تفاعلات الأكسدة والاختزال بين القلويات أو معادن الأرض القلوية واللافلزات تتأكسد المعادن،بينمااللافلزات يتم اختزالها لتكون مركب أيوني من خلال النقل الكامل للإلكترون. هذا صحيح غالبًا للتفاعلات بين المعادن الأخرى،أو أشباه فلزات واللا فلزات أيضًا،ولكن ليس دائمًا.
مثال آخر على عملية الأكسدة والاختزال،هو تكوين غاز كلوريد الهيدروجين. هنا،كلا المتفاعلين الهيدروجين والكلور لا فلزات،لذلك لا يوجد نقل كامل للإلكترونات. بدلاًمن ذلك،يشترك الهيدروجين في الإلكترون مع الكلور في نقل إلكتروني جزئي أو رسمي.
وهكذا،في تكوين كلوريد الهيدروجين،يتأكسد الهيدروجين ويكتسب شحنة موجبة جزئية،بينما الكلور يتم اختزاله ويكتسب شحنة سالبة جزئية. نظراًلحدوث كلاًمن عمليات الأكسدة والاختزال،يعتبر هذا هو تفاعل الأكسدة والاختزال. بشكل عام،تفاعلات الأكسدة والاختزال بين اللافلزات تتضمن النقل الجزئي للإلكترون بين العناصر لتشكيل مركب تساهمي.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the difference between oxidation and reduction in redox reactions?
Oxidation is an increase in oxidation number corresponding to electron loss, while reduction is a decrease in oxidation number corresponding to electron gain. These complementary processes occur simultaneously in redox reactions. The acronym OIL RIG helps remember this: oxidation is losing, reduction is gaining electrons.
Q2: What are reducing and oxidizing agents in a redox reaction?
A reducing agent is the species that is oxidized and loses electrons, while an oxidizing agent is the species that is reduced and gains electrons. In the reaction between potassium and chlorine, potassium acts as the reducing agent by donating an electron, and chlorine acts as the oxidizing agent by accepting it.
Q3: How do redox reactions between metals and nonmetals differ from those between two nonmetals?
Redox reactions between alkali or alkaline earth metals and nonmetals involve complete electron transfer, forming ionic compounds. In contrast, redox reactions between two nonmetals involve partial electron transfer, forming covalent compounds. For example, hydrogen and chlorine share electrons partially to form hydrogen chloride gas.
Q4: Why is oxidation number important in identifying redox reactions?
Oxidation number clarifies which species are oxidized and reduced, even in reactions not involving explicit electron transfer. This property permits an unambiguous definition of redox reactions across different types of chemical processes, including those forming covalent compounds where electron transfer is partial rather than complete.
Q5: What happens to the charge of a reducing agent during a redox reaction?
The charge of a reducing agent becomes more positive during a redox reaction because it loses electrons. For instance, when potassium loses an electron, its charge increases from zero in the neutral atom to one-plus in the potassium cation, making it the reducing agent in the reaction with chlorine.
Q6: How can you identify which reactant is oxidized and which is reduced?
Track the change in oxidation number for each reactant. The reactant whose oxidation number increases is oxidized and loses electrons; the reactant whose oxidation number decreases is reduced and gains electrons. Using half-reactions helps visualize the fate of each reactant separately in the overall redox process.
Q7: Why are redox reactions important in biological and environmental processes?
Redox reactions are vital to life processes including photosynthesis and cellular respiration, and to environmental processes like corrosion. Molecular oxygen in Earth's atmosphere plays an essential role in the metabolism of aerobic organisms and participates in many redox reactions that shape the world.