4.11
في تفاعلات الأكسدة والاختزال، يحدث انتقال الإلكترونات بين الأنواع التي تتفاعل. يتم وصف نقل الإلكترون بعدد افتراضي يسمى رقم الأكسدة (أو حالة الأكسدة).…
تفاعلات الأكسدة والاختزال بين المعادن واللافلزات،ينطوي،عادةًعلى نقل كامل للإلكترونات،لتكوين مركبات أيونية ومن ثم يسهل التعرف عليها. ومع ذلك،فإنّتفاعلات الأكسدة والاختزال التي تتضمن فقط اللافلزات مع نقل جزئي للإلكترونات،ليس من السهل التعرف عليها. تتميز تفاعلات الأكسدة والاختزال بالتغيير في حالات الأكسدة للذرات،والتي تشير إلى حركة الإلكترون بين الذرات.
حالة الأكسدة،أو عدد الأكسدة،لذرة في مركب هو الشحنة المقدر لهذا المركب اكتسابها،في كل رابطة نووية غير متجانسه،في حالةالانتقال الكامل للإلكترونات المشتركة إلى الذرة الأعلى سالبية كهربية. يتم تقسيم الروابط النووية المتجانسة بالتساوي. على سبيل المثال،في كلوريد الهيدروجين الغازي،الكلور أكثر سالبية كهربية.
إذا تم نقل إلكترون الهيدروجين بالكامل إلى الكلور،يحصل الكلور على شحنة واحد-ناقص،المقابلة لحالة الأكسدة واحد-ناقص،و يحصل الهيدروجين على شحنة واحد-زائد،كاستجابة إلى حالة الأكسدة واحد-زائد. يمكن تعيين حالات الأكسدة للذرات،في شكل عنصري،وفي معظم الأيونات والمركبات،باستخدام قواعد محددة. يتم اتباع القواعد الثلاثة الأولى دائمًا.
يتم تطبيق القواعد المتبقية واحدة تلو الأخرى،حتى يتم استيفاء القواعد الثلاثة الأولى. سيتم الآن تطبيق هذه القواعد لتحديد ماإذا كانت تفاعلات تكوين ثاني أكسيد الكبريت و كربونات الكالسيوم،هي تفاعلات الأكسدة والاختزال. وفقًا للقاعدة رقم 1،العناصر الموجودة في الحالة الحرة،لديها عدد أكسدة صفر،لذلك يتم تعيين رقم الأكسدة لعنصري الكبريت والأكسجين،على حد سواء،بالرقم صفر.
وفقا للقاعدة رقم 3،فإنّمجموع أرقام الأكسدة في مركب محايد تساوي صفر،لذا فإن أعداد أكسدة الكبريت والأكسجين في SO_2 يجب أن يكون مجموعها صفر وفقًا للقاعدة رقم 6،رقم أكسدة أي أكسجين هو سالب 2 في SO_2. لمجموع ذرتين من الأكسجين يساوي سالب أربعة. لذلك،فإن رقم أكسدة الكبريت يساوي زائد أربعة.
يزيد رقم أكسدة الكبريت من صفر إلى زائد أربعة،لذلك يتأكسد،بينما ينخفض رقم اكسدة الأكسجين من صفر إلى ناقص اثنين،لذلك يتم اختزاله. وبالتالي،هذا هو تفاعل الأكسدة والاختزال. في حالة كربونات الكالسيوم،رقم أكسدة الأكسجين هو ناقص اثنين في الثلاثة مركبات،وللكالسيوم زائد اثنين في أكسيد الكالسيوم وكربونات الكالسيوم.
وفقًا للقاعدة 3،يجب أن يكون الكربون زائد أربعة،في ثاني أكسيد الكربون وكربونات الكالسيوم. لأنه لا يوجد تغيير في رقم الأكسدة للذرات أثناء التفاعل،لا يعتبر هذا تفاعل الأكسدة والاختزال.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is an oxidation number and how does it relate to electron transfer?
An oxidation number is a hypothetical charge assigned to an atom in a compound that represents the effective charge if shared electrons in heteronuclear bonds were completely transferred to the more electronegative atom. Oxidation numbers track electron movement in oxidation reduction reactions electron transfer reactions, helping identify which atoms are oxidized or reduced during chemical reactions.
Q2: How do you assign oxidation numbers to elements in their free state?
According to the first rule for assigning oxidation numbers, all free elements have an oxidation number of zero, regardless of whether they are monoatomic, diatomic, or polyatomic. This applies to elemental forms like O₂, S₈, or individual atoms before they form compounds.
Q3: What are the key differences between oxidation numbers in ionic and covalent compounds?
In ionic compounds, oxidation numbers are assigned based on the number of electrons transferred between reacting species. In covalent compounds, electrons are shared rather than transferred, so oxidation numbers are assigned hypothetically by assuming complete transfer to the more electronegative atom. Both allow identification of redox reactions.
Q4: Why is oxygen typically assigned an oxidation number of −2?
Oxygen has an oxidation number of −2 in most compounds because it is highly electronegative and typically gains two electrons when bonding. The exception is in peroxides, where oxygen has an oxidation number of −1 due to the O-O bond structure.
Q5: How can you determine if a reaction is a redox reaction using oxidation numbers?
A reaction is a redox reaction if the oxidation numbers of atoms change during the reaction. If oxidation numbers remain unchanged, it is not a redox reaction. For example, in the formation of SO₂, sulfur's oxidation number increases from zero to +4 while oxygen decreases from zero to −2, indicating electron transfer and confirming it as a redox reaction.
Q6: What is the relationship between oxidation numbers and the charge of polyatomic ions?
For polyatomic ions, the sum of oxidation numbers equals the charge on the ion. For neutral compounds, the sum of oxidation numbers equals zero. This rule helps determine unknown oxidation numbers when other atoms' oxidation states are known in complex compounds.
Q7: How does electronegativity influence the assignment of oxidation numbers in covalent bonds?
In covalent bonds, the more electronegative atom is assigned the electrons in the bond when calculating oxidation numbers. For example, in hydrogen chloride, chlorine is more electronegative, so it receives hydrogen's electron, giving chlorine an oxidation number of −1 and hydrogen +1, even though the bond is covalent.