اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش نام کلی واکنش‌های شیمیایی است که مایه تغییر عدد اکسایش اتم‌ها می‌شوند. این فرآیند می‌تواند دربرگیرنده واکنش‌های ساده‌ای همچون اکسایش کربن و تبدیل آن به کربن دی‌اکسید و کاهش کربن و تبدیل آن به متان و یا واکنش‌های پیچیده‌ای چون اکسایش قند در بدن انسان طی واکنش‌های چند مرحله‌ای باشد. با کمی اغماض علمی می‌توان این فرآیند را انتقال یک یا چند الکترون از یک اتم، مولکول یا یون به یک اتم، ملکول یا یون دیگر دانست. در هر واکنش اکسایش و کاهش اتم یا مولکولی الکترون از دست می‌دهد (اکسایش) و اتم یا مولکولی دیگر الکترون جذب می‌کند (کاهش) می یابد. در چنین واکنشی مولکول دهنده اتم اکسیده شده و ملکول گیرنده کاهیده می‌شود. در واقع تعریف ابتدایی اکسایش واکنش یک ماده با اکسیژن و ترکیب شدن با آن بوده است، اما با کشف الکترون اصطلاح اکسایش دقیق‌تر تعریف شد و کلیه واکنش‌هایی که طی آن ماده‌ای الکترون از دست می‌دهد اکسایش نامیده شدند. اتم‌اکسیِژن می‌تواند در چنین واکنشی شرکت داشته یا نداشته باشد.

در اثر اُکسایــِش عدد اکسایش معمولی یک اتم یا اتم‌های یک مولکول در پی حذف الکترون‌ها افزایش می یابد. برای نمونه آهن (II) می‌تواند به آهن (III) اکسید شود.

-Fe2+ → Fe3+ + e

عامل اکسنده و عامل کاهنده

اکسایش و کاهش به تنهایی انجام پذیر نیستند. چون یک ماده نمی‌تواند کاهیده شود مگر آن که هم‌زمان ماده ای دیگر ، اکسیده گردد، ماده کاهیده شده ، عامل اکسایش است و بنابراین عامل اکسنده نامیده می‌شود و ماده‌ای که خود اکسید می‌شود، عامل کاهنده می‌نامیم. همچنین در هر واکنش ، مجموع افزایش اعداد اکسایش برخی عناصر ، باید برابر مجموع کاهش شماره اکسایش عناصر دیگر باشد. برای نمونه در واکنش گوگرد و اکسیژن ، افزایش شماره اکسایش گوگرد ، ۴ است. کاهش شماره اکسایش ، ۲ است، چون دو اتم در معادله شرکت دارد، کاهش همه ، ۴ است.

روش عدد اکسایش

در روش عدد اکسایش برای موازنه کردن واکنش های اکسایش ـ کاهش ، سه مرحله وجود دارد . معادله ی واکنش نیتریک اسید و هیدروژن سولفید را برای نمایش این روش به کار می گیریم . معادله ی واکنش موازنه نشده به قرار زیر است :

1.         عدد اکسایش اتم ها را برای شناسایی اتم هایی که دست خوش اکسایش ـ کاهش می شوند ، تعیین می کنیم . که به این ترتیب نیتروژن کاهیده شده ( از 5+ به 2+ ، کاهشی برابر 3 ) و گوگرد اکسیده شده ( از 2- به صفر ، افزایشی برابر 2 ) است .

2.         ضرایب به گونه ای اضافه می شوند که کاهش کل و افزایش کل در عدد اکسایش برابر شود . افزایشی برابر با 2 و کاهشی برابر با 3 داریم که در معادله ی موازنه نشده آمده است . کوچکترین حاصلضرب مشترک 3 و 2 عدد 6 است . در نتیجه 2HNO3 و 2NO ( برای کاهش کل 6 ) و 3H2S و 3S ( برای افزایش کل 6 ) به کار می گیریم :

توجه داریم که اکنون هشت اتم هیدروژن در سمت چپ معادله داریم . با قرار دادن 4H2O در سمت راست ، می توان به همان تعداد اتم H رسید :

روش یون ـ الکترون

1.         معادله را به دو معادله ی جزیی تقسیم می کنیم . اتم هایی را که عدد اکسایش خود را در هر یک از معادله های جزیی تغییر می دهند ، موازنه می کنیم .

2.         اتم های O و H را در هر یک از معادله های جزیی موازنه می کنیم .

•          برای واکنشهایی که در محلول اسیدی انجام می شوند :

الف) برای اتم O مورد نیاز ، یک H2O به آن طرف معادله ی جزئی که کمبود O دارد ، اضافه می کنیم .

ب) و H را هم با افزودن H + ، موازنه می کنیم .

•          برای واکنش هایی که در محلول بازی انجام می شوند :

الف) برای هر اتم O مورد نیاز ، یک H2O به آن طرف معادله ی جزئی که کمبود O دارد اضافه می کنیم .

ب) به ازای هر اتم H مورد نیاز ، یک H2O به ان طرف معادله ی جزئی که کمبود H دارد اضافه می کنیم و یک OH − نیز در سمت مقابل قرار می دهیم .

1.         به هر یک از معادله های جزئی الکترون اضافه می کنیم تا بار خالص در سمت چپ معادله با بار خالص در سمت راست معادله برابر شود .

2.         در صورت لزوم یکی یا هر دو معادله ی جزئی را در عددی ضرب می کنیم تا تعداد الکترون های گرفته شده درمعادله جزئی دیگر برابر شود .

3.         معادله های جزئی را با هم جمع می زنیم ، همچنین عبارت های مشترک در دو طرف معادله نهایی را جذف می کنیم .

مثال

واکنش زیر را که در محلول اسیدی انجام می شود را موازنه می کنیم :

•          معادله را به دو معادله ی جزئی تقسیم می کنیم و اتم های را در هر کدام موازنه می کنیم :

•          اولین معادله ی جزئی را می توان با افزودن 4H2O به سمت راست و 8H + به سمت چپ ، موازنه کرد . در معادله ی جزئی دوم باید 10H2O به سمت چپ اضافه شود تا تعداد اکسیژن موازنه شود و همچنین با اضافه کردن 8H + به سمت راست ، تعداد هیدروژن هم موازنه می شود :

•          حال بار الکتریکی خالص را در طرفین موازنه می کنیم :

•          اولین معادله را در 8 و دومی را در 5 ضرب می کنیم :

•          حالا معادله ها را با هم جمع می زنیم و عبارت های مشترک را در دو طرف ، حذف می کنیم :

اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش فرایندهایی هستند که در بعضی واکنشهای شیمیایی رخ می‌دهند: وقتی که اکسیژن به ماده ای اضافه می‌شود، وقتی که ماده ای هیدروژن از دست می‌دهد و وقتی که ماده ای الکترون از دست می‌دهد.

کاهش ، عکس اکسایش است. این فرایند در سه حالت رخ می‌دهد: وقتی که ماده ای اکسیژن از دست می‌دهد، وقتی که ماده ای هیدروژن بدست می‌آورد و وقتی که مادهای الکترون بدست می آورد.

به عنوان مثال وقتی که منیزیم در هوا سوزانده می‌شود، این فلز با به دست آوردن اکسیژن و اکسیده شدن تبدیل به خاکستر می‌شود. این خاکستر اکسید منیزیم است.

قوانین تعیین اعداد اکسایش

این قوانین باید ساده و روشن باشند و در صورت امکان نتایج مستدلی از نظر شیمیایی ارائه داده و ابهامی‌ نداشته باشند. این قواعد را که عموما پذیرفته شده‌اند، باید به همان ترتیبی که ارائه شده است، بکار برد. اعمال این قوانین برای تعیین اعداد اکسایش ترکیبات معدنی محکی از اظهارات فوق است.عدد اکسایش یونهای تک اتمی‌ ، همانند بار آن یونها است.

عدد اکسایش اتم‌های یک ترکیب کووالانسی را می‌‌توان با نسبت دادن الکترونهای هر پیوند به اتم الکترونگاتیوتر درگیر در پیوند بدست آورد. در مورد اتم‌های همانند که بین آنها یک پیوند غیرقطبی وجود دارد و الکترونهای پیوند به تساوی بین این اتمها تقسیم شده‌اند، عدد اکسایش صفر است.

شماره   قاعده/کاربرد      __عدد اکسایش           

1          جمع اعداد اکسایش همه اتمهای موجود در گونه‌ها برابر با بار کلی گونه مربوطه است.            _         

2          برای اتمها در شکل عنصری         0         

3          برای عناصرگروه I          1+       

            برای عناصرگروه II         2+       

            برای عناصرگروه III (به‌غیر از B )            3+ برای M+3 و 1+ برای M+1 

            برای عناصرگروه IV (به‌غیر از C و Si )    4+ برای M+4 و 2+ برای M+2

4          برای هیدروژن

1+ در ترکیب با غیرفلزات و 1- در ترکیب با فلزات

5          برای فلوئور

1- در همه ترکیبات       

            برای Cl , Br , I           1- مگر در ترکیب با اکسیژن       

6          برای اکسیژن

2- مگر در ترکیب با F ، 1- در پروکسیدها (O-22) ، 2/1- در سوپروکسیدها (O-2) ،3/1- در اوزونیدها (O-3)

در مواجهه با مولکول آلی و مثالهایی از جمله زنجیری شدن ، آب‌زدایی ، اکسایش و شروع با  این قواعد را تشریح می‌کنند. آنچه باعث نگرانی می‌شود، عبارت است از:

زنجیری شدن، به عنوان یک واکنش اکسایش ـ کاهش ظاهر می‌‌شود.

عدد اکسایش اتم های کربن در هیدروکربنها 5 واحد اختلاف دارد، از 4- در  تا صفر در 

عدد اکسایش اتم کربن ، هنگامی ‌که از  به  می‌‌رویم، 8 واحد تغییر می‌‌کند.

عدد اکسایش اتم کربن موجود در متانول 2- ، در همه انواع الکلهای نوع اول 1- ، در الکل نوع دوم 0 ، و در الکل نوع سوم 1+ است.

آب‌دهی و آب‌زدایی هیدروکربنها مفهوم یکسانی از واکنش‌های اکسایش ـ کاهش هستند، همانند تشکیل الکل یا هالید.

عدد اکسایش هیدروژن در پیوند با اکسیژن و با اتم کربن یکسان است.