عامل الاختزال

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

في الكيمياء ، العامل المختزل (المعروف أيضًا باسم المختزل أو المخفض أو مانح الإلكترون ) هو نوع كيميائي "يتبرع" بإلكترون إلى مستقبل الإلكترون (يسمى العامل المؤكسد أو المؤكسد أو المؤكسد أو مستقبل الإلكترون ).

تشمل أمثلة المواد التي تعتبر عوامل اختزال شائعة الهيدروجين وأول أكسيد الكربون والمعادن القلوية وحمض الفورميك [ 1 ] وحمض الأكساليك [ 2 ] ومركبات الكبريتيت .

في حالتها قبل التفاعل، تمتلك المواد المختزلة إلكترونات إضافية (أي أنها مختزلة ذاتيًا)، بينما تفتقر المواد المؤكسدة إلى الإلكترونات (أي أنها مؤكسدة ذاتيًا). ويُعبّر عن ذلك عادةً بحالات الأكسدة. تصف حالة الأكسدة درجة فقدان المادة للإلكترونات، فكلما زادت حالة الأكسدة قلّ عدد الإلكترونات التي تمتلكها. لذا، قبل التفاعل، تكون المادة المختزلة عادةً في إحدى أدنى حالات الأكسدة الممكنة؛ وتزداد حالة أكسدتها أثناء التفاعل، بينما تنخفض حالة أكسدتها. وبالتالي، في تفاعل الأكسدة والاختزال ، تُسمى المادة التي تزداد حالة أكسدتها، والتي "تفقد/ تمنح إلكترونات"، والتي "تتأكسد"، والتي "تُختزل"، بالمادة المختزلة ، بينما تُسمى المادة التي تنخفض حالة أكسدتها، والتي "تكتسب/ تستقبل إلكترونات"، والتي "تُختزل"، والتي "تتأكسد" ، بالمادة المؤكسدة .

على سبيل المثال، لننظر إلى التفاعل الكلي للتنفس الخلوي الهوائي :

C 6 H 12 O 6 (ق) + 6O 2 (ز) → 6CO 2 (ز) + 6H 2 O (ل)

يُختزل الأكسجين (O₂)، لذا فهو العامل المؤكسد . ويتأكسد الجلوكوز ( C₆H₁₂O₆ ) ، لذا فهو العامل المختزل .

صفات

ضع في اعتبارك التفاعل التالي:

2 [Fe( CN ) 6 ] 4− + Cl2 → 2[Fe(CN)6]3−+ 2Cl −

العامل المختزل في هذا التفاعل هو فيروسيانيد ( [Fe(CN) 6 ] 4− ). يتبرع هذا الفيروسيانيد بإلكترون، فيتأكسد إلى فيريسيانيد ( [Fe(CN) 6 ] 3− ). في الوقت نفسه، يستقبل عامل الأكسدة الكلور ( Cl) هذا الإلكترون.2 ) ، والذي يُختزل إلىكلوريد(Cl−).

تفقد العوامل المختزلة القوية الإلكترونات بسهولة (أو تمنحها). تميل الذرة ذات نصف القطر الذري الكبير نسبيًا إلى أن تكون عاملًا مختزلًا أفضل. في هذه الأنواع، تكون المسافة من النواة إلى إلكترونات التكافؤ طويلة جدًا بحيث لا تنجذب هذه الإلكترونات بقوة. تميل هذه العناصر إلى أن تكون عوامل مختزلة قوية. تتكون العوامل المختزلة الجيدة عادةً من ذرات ذات كهرسلبية منخفضة ، وهي قدرة الذرة أو الجزيء على جذب إلكترونات الرابطة، كما أن الأنواع ذات طاقات التأين المنخفضة نسبيًا تُعد عوامل مختزلة جيدة أيضًا.

يُعرف مقياس قدرة المادة على الاختزال بجهد الاختزال . [ 3 ] يوضح الجدول أدناه بعض جهود الاختزال، والتي يمكن تحويلها إلى جهود أكسدة بعكس الإشارة. يمكن ترتيب عوامل الاختزال تصاعديًا حسب قوتها من خلال ترتيب جهود اختزالها. تتبرع عوامل الاختزال بالإلكترونات (أي تختزل) عوامل الأكسدة ، والتي يُقال إنها "تُختزل بواسطة" عامل الاختزال. يكون عامل الاختزال أقوى عندما يكون جهد اختزاله سالبًا، وأضعف عندما يكون جهد اختزاله موجبًا. كلما كان جهد الاختزال موجبًا، زادت ألفة المادة للإلكترونات وميلها للاختزال (أي لاستقبال الإلكترونات). يوضح الجدول التالي جهود اختزال عامل الاختزال المشار إليه عند 25  درجة مئوية. على سبيل المثال، من بين الصوديوم (Na) والكروم (Cr) والنحاس الأحادي (Cu⁺ ) والكلوريد ( Cl⁻ ) ، يُعد الصوديوم (Na) أقوى عامل اختزال، بينما يُعد الكلوريد (Cl⁻ ) أضعفها. وبعبارة أخرى، فإن Na + هو أضعف عامل مؤكسد في هذه القائمة بينما Cl هو الأقوى.

جهود الاختزال لتفاعلات مختلفة [ 4 ] v
عامل مؤكسدعامل الاختزالجهد الاختزال (فولت)
Li + + e −⇌لي-3.04
Na + + e −نا-2.71
Mg 2+ + 2 e −المغنيسيوم-2.38
Al 3+ + 3 e −ال-1.66
2 H₂O ( سائل) + 2 e⁻H₂ ( g) + 2 OH⁻-0.83
Cr 3+ + 3 e −Cr-0.74
Fe 2+ + 2 e −Fe-0.44
2 H + + 2 e −H 20.00
Sn 4+ + 2 e −Sn 2++0.15
Cu 2+ + e −Cu ++0.16
Ag + + e −الزراعة+0.80
Br 2 + 2 e −2 Br −+1.07
Cl 2 + 2 e −2 Cl −+1.36
MnO − 4 + 8 H + + 5 e −Mn 2+ + 4 H 2 O+1.49
F 2 + 2 e −2 F −+2.87

تشمل عوامل الاختزال الشائعة المعادن البوتاسيوم والكالسيوم والباريوم والصوديوم والمغنيسيوم ، وكذلك المركبات التي تحتوي على أيون الهيدريد H − ، وهي NaH و LiH و LiAlH 4 و CaH 2 .

يمكن لبعض العناصر والمركبات أن تكون عوامل مختزلة أو مؤكسدة في آن واحد . غاز الهيدروجين عامل مختزل عند تفاعله مع اللافلزات، وعامل مؤكسد عند تفاعله مع الفلزات.

2 Li (s) + H 2 (g) → 2 LiH (s) [ a ]

يعمل الهيدروجين (الذي يبلغ جهد اختزاله 0.0) كعامل مؤكسد لأنه يستقبل تبرعًا بالإلكترونات من عامل الاختزال الليثيوم (الذي يبلغ جهد اختزاله -3.04)، مما يؤدي إلى أكسدة الليثيوم واختزال الهيدروجين.

H 2(g) + F 2(g) → 2 HF (g) [ b ]

يعمل الهيدروجين كعامل مختزل لأنه يتبرع بإلكتروناته إلى الفلور ، مما يسمح باختزال الفلور.

أهمية

العوامل المختزلة والعوامل المؤكسدة هي المسؤولة عن التآكل ، وهو "تدهور المعادن نتيجة للنشاط الكهروكيميائي". [ 3 ] يتطلب التآكل وجود مصعد ومهبط . المصعد هو عنصر يفقد الإلكترونات (عامل مختزل)، وبالتالي تحدث الأكسدة دائمًا عنده، والمهبط هو عنصر يكتسب الإلكترونات (عامل مؤكسد)، وبالتالي يحدث الاختزال دائمًا عنده. يحدث التآكل عند وجود فرق في جهد الأكسدة. وعند وجود هذا الفرق، يبدأ معدن المصعد بالتدهور، شريطة وجود اتصال كهربائي ووجود محلول إلكتروليتي .

أمثلة على تفاعلات الأكسدة والاختزال

مثال على تفاعل الاختزال والأكسدة بين الصوديوم والكلور، مع الاختصار OIL RIG [ 6 ]

تاريخيًا، كان الاختزال يشير إلى إزالة الأكسجين من المركب، ومن هنا جاءت تسميته. [ 7 ] ومن الأمثلة على هذه الظاهرة ما حدث خلال حدث الأكسدة العظيم ، حيث أُضيف الأكسجين الجزيئي المُنتَج بيولوجيًا ( ثنائي الأكسجين ( O2 ) ، وهو عامل مؤكسد ومستقبل للإلكترونات) إلى الغلاف الجوي للأرض في بداياتها ، والذي كان في الأصل غلافًا جويًا ضعيف الاختزال يحتوي على غازات مُختزِلة مثل الميثان ( CH4 ) وأول أكسيد الكربون ( CO ) (إلى جانب مانحات إلكترونات أخرى) [ 8 ] ، ويكاد يخلو من الأكسجين لأن أي أكسجين مُنتَج كان يتفاعل مع هذه العوامل المُختزِلة أو غيرها (خاصةً مع الحديد المُذاب في مياه البحر )، مما يؤدي إلى إزالتها . وباستخدام الماء كعامل مُختزِل، أنتجت البكتيريا الزرقاء المائية المُخَلِّقة للضوء هذا الأكسجين الجزيئي كمنتج ثانوي. [ ٩ ] قام الأكسجين ( O₂ ) في البداية بأكسدة الحديدوز المذاب في المحيط (Fe(II)⁻، أي الحديد في حالة الأكسدة +٢) لتكوين أكاسيد حديدية غير قابلة للذوبان، مثل أكسيد الحديد الثلاثي ( حيث فقد الحديد الثنائي إلكترونًا للمؤكسد وأصبح Fe(III)⁻، أي الحديد في حالة الأكسدة +٣)، والذي ترسب في قاع المحيط مكونًا تكوينات حديدية مخططة ، مما أدى إلى إزالة الأكسجين (والحديد). تجاوز معدل إنتاج الأكسجين في النهاية توافر المواد المختزلة التي تزيل الأكسجين، مما أدى في نهاية المطاف إلى اكتساب الأرض غلافًا جويًا مؤكسدًا بشدة يحتوي على كميات وفيرة من الأكسجين (مثل الغلاف الجوي الحديث ). [ ١٠ ] يُعد المفهوم الحديث لتبرع الإلكترونات تعميمًا لهذه الفكرة، مع الإقرار بأن مكونات أخرى يمكن أن تؤدي دورًا كيميائيًا مشابهًا للأكسجين.

تكوين أكسيد الحديد (III) ؛

4Fe + 3O 2 → 4Fe 3+ + 6O 2− → 2Fe 2 O 3

في المعادلة أعلاه، يمتلك الحديد (Fe) عدد تأكسد يساوي صفرًا قبل التفاعل، ويصبح 3+ بعده. أما الأكسجين (O)، فقد بدأ عدد تأكسده بصفر ثم انخفض إلى 2-. ويمكن اعتبار هذه التغيرات بمثابة " نصفي تفاعل " يحدثان في آن واحد.

  1. نصف تفاعل الأكسدة: Fe⁰ → Fe³⁺ + 3e⁻
  2. نصف تفاعل الاختزال: O₂ + 4e⁻ → 2 O₂⁻

تأكسد الحديد (Fe) لأن عدد تأكسده ازداد. يُعد الحديد عاملًا مُختزلًا لأنه منح إلكترونات للأكسجين (O₂ ) . في المقابل، اختُزل الأكسجين (O₂ ) لأن عدد تأكسده انخفض، وهو عامل مؤكسد لأنه انتزع إلكترونات من الحديد (Fe).

عوامل الاختزال الشائعة

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ أنصاف التفاعلات : 2 Li 0 (s) → 2 Li + (s) + 2 e −  ::::: H 2 0 (g) + 2 e − → 2 H − (g)
  2. ↑ أنصاف التفاعلات : H₂O ( g) → 2H⁺ ( g) + 2e⁻ ::::: F₂O ( g) + 2e⁻ → 2F⁻ ( g ) 

مراجع

  1. ↑ غارون، أنتوني؛ إيبرون، فلورنس (2005). "استخدام حمض الفورميك كعامل مختزل في الاختزال التحفيزي للنترات في الماء". أبحاث المياه . 39 (13): 3073-3081 . Bibcode : 2005WatRe..39.3073G . doi : 10.1016/j.watres.2005.05.012 . PMID 15982701 . 
  2. ↑ "العوامل المؤكسدة والمختزلة" . جامعة بوردو.
  3. 1 2 "قيم جهد الاختزال والأكسدة للأقطاب الكهربائية" . www.EESemi.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يوليو 2021 .
  4. ↑ "جهود الأقطاب الكهربائية القياسية" . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مارس 2018 .
  5. ↑ أوفراي م، مينويل س، فورت ي، إيشباخ ج، روكسيل د، فنسنت ب (2009). "تخليق جديد لأكاسيد النيوبيوم النانوية وجزيئات نيوبات الليثيوم وتوصيفها بواسطة تحليل XPS" (ملف PDF) . مجلة علوم النانو وتكنولوجيا النانو . 9 (8): 4780-4789 . doi : 10.1166/jnn.2009.1087 . PMID 19928149. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 29 يوليو 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2019 . 
  6. ↑ "المعادن" . بايت سايز . بي بي سي. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2022-11-03.
  7. ↑ أولسون، ماينارد ف. " تفاعل الأكسدة والاختزال" . بريتانيكا . تم الاطلاع عليه في 3 مايو 2022. في كتابه "Traité élémentaire de chimie "، أوضح جليًا أن الاحتراق يتكون من اتحاد كيميائي بين الأكسجين من الغلاف الجوي والمادة القابلة للاحتراق [...]. وبحلول نهاية القرن، لاقت أفكاره قبولًا واسعًا وطُبقت بنجاح على العمليات الأكثر تعقيدًا للتنفس والتمثيل الضوئي. صُنفت التفاعلات التي يُستهلك فيها الأكسجين على أنها أكسدة، بينما سُميت تلك التي يُفقد فيها الأكسجين بالاختزال.
  8. ↑ كاستينغ، جيه إف (2014). "نمذجة الغلاف الجوي والمناخ في العصر الأركي". دراسة في الكيمياء الجيولوجية . إلسيفير. ص 157-175 . doi : 10.1016/b978-0-08-095975-7.01306-1 . ISBN  9780080983004.
  9. ↑ بويك، روجر (27 أغسطس/آب 2008). "متى تطورت عملية التمثيل الضوئي الأكسجيني؟" . المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية ب . 363 (1504): 2731-2743 . Bibcode : 2008RSPTB.363.2731B . doi : 10.1098 / rstb.2008.0041 . ISSN 0962-8436 . PMC 2606769. PMID 18468984 .   
  10. ↑ سوسا توريس، مارثا إي.؛ ساوسيدو-فاسكيز، خوان ب.؛ كرونيك، بيتر إم إتش (2015). "الفصل 1، القسم 2: ازدياد الأكسجين في الغلاف الجوي". في: كرونيك، بيتر إم إتش؛ سوسا توريس، مارثا إي. (محرران). استدامة الحياة على كوكب الأرض: الإنزيمات المعدنية تتحكم في الأكسجين والغازات الأخرى . أيونات المعادن في علوم الحياة، المجلد 15. المجلد 15. سبرينغر. الصفحات 1-12 . doi : 10.1007/978-3-319-12415-5_1 . ISBN   978-3-319-12414-8PMID 25707464​​ 
  11. ↑ "إجراء الفولتامترية الكاثودية لتحديد بعض أنواع الزرنيخ غير العضوي في عينات المياه والتربة والخامات" .

للمزيد من القراءة

  • "المبادئ الكيميائية: البحث عن الفهم"، الطبعة الثالثة. بيتر أتكينز ولوريتا جونز، صفحة F76
  • جدول يلخص قوة عوامل الاختزال في Wayback Machine (تمت أرشفته في 11 يونيو 2011)