موازنة معادلات أكسدة-اختزال

الكيمياء الكهربائية هي العلم المتضمن في التحويل البيني للتفاعلات الكهربائية والكيميائية. تسمى هذه التفاعلات الأكسدة الاختزالية ، أو تفاعلات الأكسدة والاختزال. يتم تحديد هذه التفاعلات المهمة من خلال التغيرات في حالات الأكسدة لعنصر واحد أو أكثر من العناصر المتفاعلة وتتضمن مجموعة فرعية من التفاعلات التي تنطوي على نقل الإلكترونات بين الأنواع المتفاعلة. تطورت الكيمياء الكهربائية كمجال لإعطاء رؤى كافية حول المبادئ الأساسية لكيمياء الأكسدة والاختزال والتقنيات المتعددة التي تتراوح من العمليات المعدنية على نطاق صناعي إلى البطاريات القوية والقابلة لإعادة الشحن للمركبات الكهربائية. نظرًا لأن التفاعلات التي تنطوي على نقل الإلكترونات ضرورية لدراسة الكيمياء الكهربية ، تتضمن مراجعة موجزة لكيمياء الأكسدة والاختزال ما يلي.

أرقام الأكسدة

بحكم التعريف ، يتضمن تفاعل الأكسدة والاختزال تغييرًا إما في رقم الأكسدة أو حالة الأكسدة لمتفاعل واحد أو أكثر. رقم الأكسدة لعنصر ما هو تقييم لكيفية اختلاف البيئة الإلكترونية لذراته مقارنة بذرات العنصر النقي. وفقًا لهذا التعريف ، تحمل الذرة في عنصر عدد أكسدة صفر. بالنسبة للذرة ، فإن عدد الأكسدة يساوي شحنة الذرة في المركب إذا كان المركب أيونيًا. وبالتالي ، فإن مجموع أعداد الأكسدة لجميع الذرات في الجزيء يساوي شحنة الجزيء.

المركبات الأيونية

المركبات الأيونية البسيطة هي أبسط الأمثلة على هذه الشكلية لأن العناصر لها أعداد أكسدة مساوية لشحناتها الأيونية. يتكون كلوريد الصوديوم ، NaCl ، من كاتيونات Na ⁺ وأنيونات Cl ^{& # 8722؛} ، مع أرقام أكسدة للصوديوم والكلور هي +1 و & # 8722 ؛ 1 ، على التوالى. فلوريد الكالسيوم ، CaF ₂ ، يتكون من Ca ²⁺ الكاتيونات و F ^{& # 8722؛} الأنيونات ، مع عدد أكسدة الكالسيوم والفلور ، +2 ، و & # 8722 ؛ 1.

المركبات التساهمية

تعتبر المركبات التساهمية أكثر صعوبة في استخدام الشكليات. الماء عبارة عن مركب تساهمي يتكون من ذرتين من H مرتبطة بذرة O عبر روابط تساهمية قطبية O & # 8722 ؛ H. تنجذب الإلكترونات المشتركة التي تصنع رابطة O & # 8722 ؛ H بقوة أكبر إلى ذرة O الكهربية. لذلك يكتسب الأكسجين شحنة سالبة جزئية ، مقارنة بذرة O في عنصر الأكسجين. نتيجة لذلك ، تُظهر ذرات H في جزيء الماء شحنة موجبة جزئية مقارنة بذرات الهيدروجين في غاز الهيدروجين. مجموع الشحنات الجزئية السالبة والموجبة لكل جزيء ماء يساوي صفرًا ، مما يجعل جزيء الماء متعادلًا.

إذا كان استقطاب الإلكترونات المشتركة داخل روابط الماء O & # 8722 ؛ H كاملة & # 8212 ؛ ستكون النتيجة النقل الكامل للإلكترونات من H إلى O ، وسيكون الماء مركبًا أيونيًا يتكون من O ₂ ^{& # 8722؛} الأنيونات و H ⁺ الكاتيونات. وهكذا ، فإن أعداد أكسدة الأكسجين والهيدروجين في الماء هي & # 8722 ؛ 2 و +1 ، على التوالي. يؤدي تطبيق هذا المنطق نفسه على رابع كلوريد الكربون ، CCl ₄ ، إلى إنتاج عدد أكسدة +4 للكربون و & # 8722 ؛ 1 للكلور. في أيون النترات ، NO ₃ ^{& # 8722؛} ، يكون رقم الأكسدة للنيتروجين هو +5 ورقم الأكسجين للأكسجين هو & # 8722 ؛ 2 ، فيجمع يساوي & # 8722 ؛ 1 شحنة على الجزيء:

موازنة معادلات الأكسدة والاختزال

تصف المعادلة غير المتوازنة الموضحة أدناه تحلل كلوريد الصوديوم:

يطابق هذا التفاعل معيار تفاعل الأكسدة والاختزال ، حيث ينخفض عدد أكسدة Na من +1 إلى 0 (من خلال الخضوع لـ تقليل ) ويزيد ذلك بالنسبة لـ Cl من & # 8722 ؛ 1 إلى 0 (من خلال الخضوع لـ الأكسدة ). يمكن موازنة حالة المعادلة بسهولة عن طريق إضافة معامل القياس المتكافئ 2 لكل من NaCl و Na:

تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث في المحاليل المائية بشكل شائع في الكيمياء الكهربية ، ويشتمل العديد منها على الماء أو أيوناته ، H ⁺ ( aq ) و OH ^{& # 8722 ؛} ( aq ) ، إما كمواد متفاعلة أو منتجات.

في هذه الحالات ، يمكن أن تكون المعادلات التي تمثل تفاعلات الأكسدة والاختزال صعبة للغاية لتحقيق التوازن عن طريق الفحص فقط ، كما أن استخدام نهج منظم يعرف باسم طريقة نصف التفاعل مفيد. يتضمن هذا النهج الخطوات التالية:

1. قسِّم المعادلة إلى مكوناتها المؤكسدة الهيكلية وتفاعلات أنصاف الاختزال.
2. وازن كل نصف رد فعل لجميع العناصر باستثناء O و H.
3. وازن كل نصف تفاعل لذرات O بإضافة جزيئات الماء حسب الحاجة في المعادلة.
4. وازن كل نصف تفاعل لذرات H بإضافة البروتونات كما هو مطلوب للمعادلة.
5. أخيرًا ، قم بموازنة الشحنات على العناصر بإضافة الإلكترونات حسب الحاجة.
6. اضرب نصف التفاعلات بأي عدد صحيح لازم لمعادلة عدد الإلكترونات المفقودة في تفاعل نصف الأكسدة مع عدد الإلكترونات المكتسبة في تفاعل نصف الاختزال.
7. أضف كلًا من أنصاف التفاعلات وتبسيطها أكثر من خلال حذف الأنواع الشائعة على جانبي المعادلة.
8. إذا حدث التفاعل في وسط قلوي ، أضف OH ^{& # 8722؛} أيونات المعادلة التي تم الحصول عليها في الخطوة 7 لتحييد البروتونات (مضافة بأعداد متساوية إلى كلا طرفي المعادلة) وتبسيطها.
9. افحص المعادلة للتأكد من أن الشحنات على الذرات متوازنة.

هذا النص مقتبس من  Openstax, Chemistry 2e, Chapter 17: Introduction, and Openstax, Chemistry 2e, Section17.2: Review of Redox Chemistry.