4.10
האטמוספירה של כדור הארץ מכילה כ-20% חמצן מולקולרי, O2, גז תגובתי כימית הממלא תפקיד חיוני בחילוף החומרים של אורגניזמים אירוביים ובתה…
תהליכים מסוימים החיוניים לחיים, כולל פוטוסינתזה, בערה וקורוזיה, נכנסים לקטגוריה של תגובות הנקראות חמצון-חיזור או תגובות חמזור. תגובות חמזור מורכבות משני תהליכים מקבילים:חמצון וחיזור. המונח חמצון משמעו עלייה במספר החמצון, שתואמת להפסד אלקטרונים, בעוד המשמעות של חיזור היא הפחתה של דרגת החמצןן, שתואמת לתוספת אלקטרונים.
כדי לזכור את תפקיד האלקטרונים, השתמשו בקיצור חזה חז"ת, שמשמעו:חמצון זה הפסד חיזור זה תוספת"חמזון וחיזור הם תהליכים משלימים. בתגובת חמזור בין שני מגיבים, מגיב אחד מאבד אלקטרונים ומתחמצן, בעוד לשני נוספים אלקטרונים והוא עובר חיזור. קחו לדוגמה תגובת חמצון-חיזור בין אשלגן, מתכת אלקלית, לכלור שהוא אל מתכת.
האטום הניטרלי באשלגן מאבד אלקטרון והופך ליון אשלגן. האשלגן מתחמצן והמטען שלו גדל מאפס באטום הניטרלי לאחד בקטיון. לאטום הניטרלי של הכלור נוסף אלקטרון והוא הופך ליון כלורי.
הכלור חוזר והמטען שלו יורד מאפס באטום הניטרלי למינוס אחד באניון. מכיוון שהאשלגן תורם אלקטרון, הוא המגיב המחזר, או המחומצן. כיוון שהכלור מקבל את האלקטרון, הוא המגיב המחוזר, או מחמצן.
תהליך החמזור מוביל ליצירת אשלגן כלורי. באופן כללי בתהליך חמזור בין מתכות אלקליות או מתכות אדמה אלקליות ואל מתכות, המתכת מתחמצנת, והאל מתכת עוברת חיזור ונוצרת תרכובת יונית על ידי העברת אלקטרון שלם. תהליך כזה מתרחש לעיתים קרובות בתגובות בין מתכות אחרות או מתכות למחצה לאל מתכות, אך לא תמיד.
דוגמה נוספת לתהליך חמזור היא יצירת גז מימן כלורי. כאן שני המגיבים, מימן וכלור, הם אל מתכות ואין העברה שלמה של אלקטרונים. במקום זאת, המימן חולק אלקטרון עם הכלור בהעברה חלקית או פורמלית.
כך ביצירת מימן כלורי, מימן מתחמצן ונוסף לו מטען חיובי חלקי, בעוד כלור עובר חיזור ומקבל מטען שלילי חלקי. מכיוון שמתרחשים גם חמצון וגם חיזור, זהו תהליך חמזור. באופן כללי, תהליכי חמזור בין אל מתכות כוללות העברת אלקטרון חלקית בין היסודות ליצירת תרכובת קוולנטית.
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.