نیم واکنش اکسایش و کاهش، دو واکنش شیمیایی هستند که واکنش اکسایش و کاهش را به وجود می‌آورند. در نیم واکنش اکسایش شاهد از دست رفتن الکترون و در نیم واکنش کاهش شاهد به دست آوردن الکترون هستیم. آشنایی با نیم واکنش اکسایش و کاهش از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است زیر در شیمی تجزیه به‌وفور به آن‌ها برمی‌خوریم. بنابراین دانشجویان باید توانایی تشخیص آن را داشته باشند و نحوه انجام آن را درک کنند.

در این مطلب از مجله فرادرس ابتدا با بررسی تعدادی مثال با نیم واکنش اکسایش و کاهش آشنا می‌شویم و تغییرات حاصل در ترکیبات را طی آن‌ها مرور می‌کنیم. سپس تعریفی از عدد اکسایش به دست می‌دهیم و نحوه به دست آوردن عدد اکسایش ترکیبات متفاوت را فرا می‌گیریم. در ادامه از مفهوم عدد اکسایش برای تشخیص نیم واکنش اکسایش و کاهش بهره می‌بریم. یکی از مهم‌ترین مواردی که باید حین مطالعه نیم واکنش اکسایش و کاهش در نظر داشته باشیم، موازنه بودن آن از نظر جرم و بار است. در این مطلب به آموزش موازنه آن‌ها می‌پردازیم و آن را مرحله به مرحله با مثال پیش می‌بریم. در نهایت برای عمق بخشیدن به درک خود تعدادی مثال و تمرین خواهیم داشت.

نیم واکنش اکسایش و کاهش چیست؟

«واکنش اکسایش و کاهش» (Oxidation Reduction Reaction) واکنشی است که شامل انتقال الکترون بین گونه‌های شیمیایی مختلف می‌شود. این گونه‌های دخیل در واکنش می‌توانند به‌صورت اتم، یون و مولکول حضور داشته باشند.

در محیط پیرامون ما و در زندگی روزمره شاهد انجام بسیاری از واکنش‌های اکسایش و کاهش هستیم که در فهرست زیر به برخی از آن‌ها اشاره کرده‌ایم.

$$ {CH_4}(g) + {2O_2}(g) rightarrow {CO_2}(g) +{2H_2O}(g) $$

$$ {2Cu}(s) +{O_2}(g) rightarrow {2CuO}(s) $$

$$ {6CO_2}(g) + {6H_2O}(l) rightarrow {C_6H_{12}O_6}(s) + {6O_2}(g) $$

همان‌طور که در واکنش‌های بالا مشاهده می‌کنید، برخی از گونه‌ها در واکنش شیمیایی اکسید می‌شوند و الکترون از دست می‌دهند. در نقطه مقابل برخی از گونه‌ها کاهش می‌یابند و در این مسیر الکترون به دست می‌آورند. برای مثال به واکنش زیر توجه کنید.

$$ {Zn (s) + 2H^{+} (aq) → Zn^{2+}(aq) + H_2(g)} nonumber $$

در این وکنش اتم روی اکسایش می‌یابد و به یون $$Zn^{2+}$$ تبدیل می‌شود. از آنجا که در این روند الکترون از دست می‌رود به آن «نیم واکنش اکسایش» (Oxidation Half Reaction) می‌گوییم و می‌توان آن را به‌صورت زیر نشان داد.

$$ {Zn → Zn^{2+} + 2e^{−}} nonumber $$

نکته‌ای که در مورد نیم واکنش‌ها وجود دارد این است که باید در موازنه آن‌ها هم جرم، هم بار الکتریکی را در نظر داشت. همان‌طور که مشاهده می‌کنید در واکنش بالا، تعداد اتم‌های روی در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر و ۱ عدد است. همچنین بار خالص در هر سمت نیز برابر با صفر است، بنابراین می‌توان این نیم واکنش را موازنه شده دانست.

از طرفی هیدروژن در این واکنش کاهش پیدا می‌کند و الکترون به دست می‌آورد و آن را با نام «نیم واکنش کاهش» (Reduction Half Reaction) می‌شناسیم. این واکنش را در زیر مشاهده می‌کنید.

$$ {2H^{+} + 2e^{−} → H_2} nonumber $$

در این نیم واکنش نیز موازنه بار و جرم برقرار است. از نیم واکنش اکسایش و کاهش می‌توان به واکنش اصلی رسید. در نیم واکنش اکسایش دو الکترون در سمت چپ و در نیم واکنش کاهش دو الکترون در سمت راست قرار دارد و می‌توان آن‌ها را با یکدیگر حذف کرد.

در صورتی که دو نیم واکنش اکسایش و کاهش مربوط به یک واکنش دارای تعداد برابر الکترون نباشند، باید آن‌ها را با ضرب در اعداد مناسب با یکدیگر یکسان کرد تا قابلیت حذف از دو طرف واکنش را داشته باشند. از آنجا که موازنه واکنش‌های اکسایش و کاهش دشوار و پیچیده است، برای راحتی و افزایش دقت، آن را به دو نیم واکنش اکسایش و کاهش تقسیم می‌کنیم و هر کدام را جداگانه از نظر بار و جرم موازنه می‌کنیم و سپس به یکدیگر اضافه می‌شوند.

در یک واکنش اکسایش و کاهش دو جزء وجود دارند که باید با آن‌ها آشنایی داشته باشیم تا بتوانیم در مواجه با این نوع واکنش‌ها آن‌ها را تشخیص دهیم. یون یا مولکولی که طی واکنش الکترون می‌پذیرد، «اکسیدکننده» (Oxidizing Agent) است. این جزء با دریافت الکترون از گونه‌های دیگر آن‌ها را اکسید می‌کند و خود احیا می‌شود.

همچنین یون یا مولکولی که طی واکنش الکترون بدهد، «احیاکننده» یا «کاهنده» (Reducing Agent) است. این جزء با اهدای الکترون به گونه‌های دیگر آن‌ها را می‌کاهد و خود اکسایش می‌یابد.

تغییر در اکسیژن و هیدروژن

نیم واکنش اکسایش و کاهش می‌تواند باعث تغییر در ترکیب مواد نیز شود. زمانی که طی واکنشی به مولکول اکسیژن افزوده می‌شود، آن مولکول اکسید شده است و عکس این نیز صادق است. یعنی در صورتی که در واکنشی مولکولی اکسیژن از دست بدهد، کاهش یافته است. برای مثال مولکول استالدهید با فرمول شیمیایی $$CH_3COOH$$ یک اتم اکسیژن دریافت می‌کند و تبدیل به استیک اسید می‌شود. این نیم واکنش اکسایش را می‌توان به‌صورت زیر نمایش داد.

$$ {2CH_3CHO + O_2 rightarrow 2CH_3COOH} nonumber $$

عنصر دیگری که تغییرات آن باعث انجام نیم واکنش اکسایش و کاهش می‌شود، هیدروژن است. به‌صورتی که اگر مولکولی، هیدروژن دریافت کند کاهش پیدا کرده است و به عکس، در صورت از دست دادن هیدروژن دستخوش نیم واکنش اکسایش می‌شود.

برای مثال در تبدیل استالدهید به اتانول، هیدروژن به واکنش‌دهنده افزوده می‌شود و آن را کاهش می‌دهد. واکنش این کاهش را می‌توان به‌صورت زیر نمایش داد.

$${CH_3CHO + H_2 → CH_3CH_2OH} nonumber $$

به‌ طور خلاصه این موارد را در جدول زیر نشان داده‌ایم.

مثال نیم واکنش اکسایش و کاهش

در این بخش می‌خواهیم مثالی ساده از نیم واکنش اکسایش و کاهش را مورد بررسی قرار دهیم.

مثال اول

در واکنش اکسایش و کاهش زیر یون نقره و فلز آلومینیوم در سمت چپ و فلز نقره و یون آلومینیوم در سمت راست قرار دارند. در این واکنش اکسید شونده و اکسید کننده و احیاشوند و احیاکننده را بیابید.

$$ {Ag^{+} + Al → Ag + Al^{3+}} nonumber $$

پاسخ

این واکنش اکسایش و کاهش از نظر بار موازنه نشده است زیرا در سمت راست آن ۳ بار مثبت و در سمت چپ ۱ بار مثبت وجود دارد. برای موازنه کردن آن ابتدا آن را به دو نیم واکنش اکسایش و کاهش تقسیم می‌کنیم.

• نیم واکنش اکسایش

آلومینیوم در این واکنش الکترون از دست می‌دهد، بنابراین نیم واکنش اکسایش است.

$$ {Al rightarrow Al^{3+} } nonumber $$

در هر مورد موازنه بار و جرم را انجام می‌دهیم و سپس واکنش‌ها را به یکدیگر اضافه می‌کنیم. از آنجا که در سمت راست واکنش ۳ بار مثبت حضور دارد، ۳ الکترون را به آن اضافه می‌کنیم تا بار خالص آن صفر شود.

$$ {Al rightarrow Al^{3+} +3e^-} nonumber $$

• نیم واکنش کاهش

حال به سراغ نیم واکنش کاهش می‌رویم که در آن الکترون دریافت می‌شود.

$${Ag^{+} rightarrow Ag} nonumber$$

در این واکنش توازن جرم برقرار است، تنها باید به سمت چپ واکنش ۱ الکترون اضافه کنیم تا از نظر بار نیز موازنه شود.

$${Ag^{+} + e^{−} rightarrow Ag} nonumber$$

می‌دانیم که تعداد الکترون‌های منتقل شده در یک نیم واکنش اکسایش و کاهش مربوط به یک واکنش باشد با یکدیگر برابر باشد، به همین دلیل واکنش کاهشی را در عدد ۳ ضرب می‌کنیم که این را در زیر مشاهده می‌کنید.

$$3[{Ag^{+} + e^{−} → Ag} ]nonumber$$

$$3{Ag^{+} +3 e^{−} → 3Ag} nonumber$$

سپس این نیم واکنش را به نیم واکنش اکسایش اضافه می‌کنیم که نتیجه مانند زیر خواهد بود.

$$3{Ag^{+} +3 e^{−}+Al → 3Ag}+Al^{3+}+3e^- nonumber$$

همان‌طور که مشاهده می‌کنید ۳ الکترون در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر هستند، بنابراین آن‌ها را حذف می‌کنیم و واکنش اکسایش کاهش نهایی به دست می‌آید.

$$3{Ag^{+} +Al → 3Ag}+Al^{3+} nonumber$$

در این واکنش اکسایش و کاهش، فلز آلومینیوم اکسید می‌شود و یون نقره را کاهش می‌دهد. همچنین یون نقره کاهش پیدا می‌کند و باعث اکسایش فلز آلومینیوم می‌شود.

مثال دوم

در زیر سه نیم واکنش اکسایش و کاهش را مشاهده می‌کنید. در هر مورد نوع واکنش را مشخص کنید.

واکنش اول

$$ N_2 rightarrow NH_3 $$

پاسخ

این نیم واکنش از نوع کاهشی است زیرا در آن به واکنش‌دهنده، هیدروژن افزوده می‌شود.

واکنش دوم

$$ CH_3CH_2OHCH_3 rightarrow CH_3COCH_3 $$

پاسخ

در این مورد واکنش‌دهنده هیدروژن از دست داده است، بنابراین می‌توان آن را نیم واکنش اکسایش دانست.

واکنش سوم

$$ HCHO → HCOOH $$

پاسخ

با توجه به واکنش بالا متوجه می‌شویم که به آن اکسیژن اضافه شده و نیم واکنش از نوع اکسایشی است.

عدد اکسایش چیست؟

در برخی موارد، مانند واکنش اکسید شدن آهن، تشخیص نوع واکنش ساده است اما گاهی نمی‌توان به سادگی در مورد آن اظهار نظر کرد. در این مورد که به ویژه شامل ترکیبات غیرفلزی می‌شود، از روش دیگری استفاده می‌کنیم که در آن می‌توان تعداد الکترون‌های قبل و بعد از واکنش را محاسبه کرد.

«عدد اکسایش» (Oxidation Number) مقدار بار یک اتم است با این فرض که تمامی پیوندهای شیمیایی آن به‌‌صورت یونی برقرار شود. از عدد اکسایش با عنوان «حالت اکسایش» (Oxidation State) نیز یاد می‌شود. برای به دست آوردن عدد اکسایش می‌توان از مجموعه قوانین زیر استفاده کرد.

• عدد اکسایش اتم یا عنصر به‌صورت آزاد برابر با ۰ است. برای مثال عدد اکسایش کلر به فرم $$Cl_2$$، هیدروژن در $$H_2$$ و گوگرد در $$S_8$$ برابر با ۰ است.
• در صورتی که یونی تک‌ اتمی باشد، عدد اکسایش برابر با بار آن است. برای مثال عدد اکسایش $$Cu^{2+} $$ برابر با ۲+ و عدد اکسایش $$Br^-$$ برابر با ۱- است.
• فلزهای قلیایی (گروه اول جدول تناوبی) در همراهی با عنصرهای دیگر همیشه دارای عدد اکسایش ۱+ هستند. در چنین شرایطی عدد اکسایش فلزهای قلیایی خاکی (گروه دوم جدول تناوبی) برابر با ۲+ است.
• فلوئور در هر ترکیبی که حضور داشته باشد، عدد اکسایش آن برابر با ۱- است.
• عدد اکسایش هالوژن‌های دیگر (کلر، برم و ید) در ترکیبات حاوی آن‌ها برابر با ۱- است. در صورتی این هالوژن‌ها با اکسیژن و فلوئور همراه باشند، این عدد اکسایش صدق نمی‌کند. برای مثال عدد اکسایش کلر در یون $$C;O_4^-$$ برابر با ۷+ است زیرا اکسیژن دارای عدد اکسایش ۲- و بار کلی نیز برابر با ۱- است.
• عدد اکسایش هیدورژن در اکثر ترکیبات برابر با ۱+ است. بیشترین موارد استثنا زمانی است که هیدروژن در همراهی با یک فلز باشد، مثلا به‌صورت $$NaH$$ و $$LiAlH_4$$. در چنین ترکیباتی عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱- است.
• عدد اکسایش اکسیژن در اکثر ترکیبات برابر با ۲- است. مهم‌ترین استثنا در این مورد پروکسیدها هستند که شامل $$O_2^{2-}$$ می‌شوند. اکسیژن در پروکسیدها دارای عدد اکسایش ۱- است. $$H_2O_2$$ و $$Na_2O_2$$ مثال‌هایی از پروکسیدها هستند.
• مجموع اعداد اکسایش برای اتم‌های یک ترکیب خنثی برابر با ۰ است. در صورتی که ترکیب یونی چند اتمی باشد، مجموع اعداد اکسایش اتم‌ها برابر با بار آن یون است. برای مثال یون چند اتمی $$NO_3^-$$ را در نظر بگیرید. هر یک از اتم‌های اکسیژن دارای عدد اکسایش برابر با ۲- است که که در ۳ ضرب می‌شود زیرا در ترکیب ۳ عدد اکسیژن وجود دارد. بنابراین عدد اکسایش کل اکسیژن‌ها برابر با ۶- است. از طرفی بار کل یون برابر با ۱- است و عدد اکسایش نیتروژن باید برابر با ۵+ باشد.

با استفاده از این قوانین می‌توان در مورد عدد اکسایش ترکیبات درگیر در واکنش اظهار نظر کرد و نیم واکنش اکسایش و کاهش را تشخیص داد. در ادامه می‌خواهیم چند مثال از محاسبه عدد اکسایش را مورد بررسی قرار دهیم.

مثال از محاسبه عدد اکسایش

عدد اکسایش هر یک از اتم‌ها را در ترکیب $$SF_6$$ و $$H_3PO_4$$ و $$IO_3^-$$ بیابید.

مولکول $$SF_6$$

می‌دانیم که عدد اکسایش اتم فلوئور در ترکیبات حاوی آن برابر با ۱- است و در این ترکیب ۶ اتم $$F$$ وجود دارد. از آنجا که این مولکول از نظر بار الکتریکی خنثی است، عدد اکسایش $$S$$ باید برابر با ۶+ باشد.

مولکول $$H_3PO_4$$

از قوانین بالا می‌دانیم که عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ و عدد اکسایش اکسیژن نیز برابر با ۲- است. بنابراین با توجه به تعداد آن‌ها، مجموع عدد اکسایش این دو اتم را به دست می‌آوریم.

$$ 3(+1) + 4(-2)=+3-8=-5 $$

از آنجا که این مولکول فاقد بار خالص است، عدد اکسایش فسفر باید برابر با ۵+ باشد.

مولکول $$IO_3^-$$

عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است، بنابراین مجموع عدد اکسایش برای ۳ اتم اکسیژن برابر با ۶- خواهد بود. از آنجا که بار الکتریکی این مولکول برابر با ۱- است، عدد اکسایش ید باید به‌صورت زیر برابر با ۵+ باشد.

$$ IO_3^-: 3(-2)times1(+5)=-1 $$

تشخیص نیم واکنش اکسایش و کاهش با عدد اکسایش

در این بخش می‌خواهیم بدانیم چطور می‌توان به کمک عدد اکسایش اتم‌های ترکیبات در دو طرف واکنش به اکسایش یا کاهش بودن واکنش پی برد.

این مورد را روی مثال زیر بررسی می‌کنیم که واکنشی بین آهن و اکسیژن است.

$$ {4Fe}(s) + 3O_2(g) rightarrow{2Fe_2O_3}(s) $$

در این واکنش، عدد اکسایش آهن و اکسیژن در سمت چپ برابر با ۰ است و در سمت راست، عدد اکسایش آهن برابر با ۳+ و عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است. می‌دانیم که آن در این واکنش اکسید می‌شود. توجه داشته باشید که عدد اکسایش آن از ۰ به ۳+ تغییر پیدا کرده است. همچنین عدد اکسایش اکسیژن از ۰ به ۲- رسیده است. از این نکته می‌توان این‌طور جمع‌بندی کرد که در نیم واکنش اکسایش، عدد اکسایش افزایش پیدا می‌کند و عکس آن نیز صادق است. یعنی اتمی که دستخوش کاهش می‌شود، کاهش عدد اکسایش را تجربه می‌کند.

بنابراین یکی از مهم‌ترین کاربردهای عدد اکسایش این است که می‌توان به کمک آن به نیم واکنش اکسایش و کاهش پی برد. در ادامه می‌خواهیم تعدادی مثال از این مورد را بررسی کنیم.

مثال از تشخیص نیم واکنش اکسایش و کاهش با عدد اکسایش

واکنش زیر را در نظر بگیرید.

$$ 4NH_3(g)+5O_2(g)rightarrow 4NO(g)+6H_2O(g) $$

آیا این واکنش از نوع اکسایش و کاهش است؟ در صورت مثبت بودن پاسخ، اتم‌هایی که اکسید می‌شوند و کاهش می‌یابند را مشخص کنید.

پاسخ

برای پاسخ به این سوال، ابتدا عدد اکسایش هر یک از اتم‌ها را در دو سمت واکنش محاسبه می‌کنیم. در صورتی که عدد اکسایش اتمی کاهش پیدا کنید، دستخوش واکنش کاهش شده است. همچنین در واکنش اکسایش، عدد اکسایش اتم افزایش خواهد یافت.

مولکول $$NH_3$$:

می‌دانیم که عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ است و سه عدد هیدروژن در این مولکول حضور دارد، بنابراین مجموع اعداد اکسایش آن برابر با ۳+ خواهد بود. از آنجا که این مولکول خنثی است، عدد اکسایش نیتروژن باید برابر با ۳- باشد.

مولکول $$O_2$$:

در این مولکول تنها اتم اکسیژن حضور دارد و عدد اکسایش آن برابر با ۰ است.

مولکول $$NO$$:

عدد اکسایش اکسیژن در بیشتر مولکول‌ها برابر با ۲- است، بنابراین برای رعایت خنثی بودن مولکول، عدد اکسایش نیتروژن باید برابر با ۲+ باشد.

مولکول $$H_2O$$:

اعداد اکسایش آب را می‌توان به سادگی به دست آورد زیرا تنها شامل دو عنصر هیدروژن و اکسیژن است. عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- و عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ است. از آنجا که دو عدد هیدروژن در ساختار وجود دارد، مجموع آن‌ها برابر با ۰ و صحیح است.

حال عدد اکسایش اتم‌ها را در دو سمت واکنش داریم. مشاهده می‌کنید که عدد اکسایش نیتروژن و اکسیژن در دو سمت واکنش با یکدیگر متفاوت است، بنابراین می‌توان با اطمینان گفت که این واکنش از نوع اکسایش و کاهش است.

عدد اکسایش نیتروژن از ۳+ به ۲+ تغییر کرده است. کاهش عدد اکسایش به میزان یک واحد به این معناست که نیتروژن یک عدد الکترون از دست داده و در طول واکنش اکسایش یافته است. همچنین عدد اکسایش اکسیژن از ۰ به ۲- رسیده که به این معناست که یک الکترون از دست داده و کاهش یافته است.

موازنه نیم‌ واکنش اکسایش و کاهش

به‌طور کلی برای موازنه واکنش شیمیایی از نوع اکسایش و کاهش باید آن را به دو نیم واکنش تقسیم کنیم که یکی نشان‌دهنده اکسایش و دیگری کاهش است. سپس هر کدام از این نیم واکنش‌ها را از دو منظر موازنه می‌کنیم. اولی موازنه جرم است، به این معنی که تعداد اتم‌های هر عنصر باید در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر باشد. بعد از این مرحله سراغ موازنه بار می‌رویم.

موازنه بار زمانی انجام می‌شود که بار خالص در هر دو طرف واکنش با یکدیگر یکسان باشد. موازنه بار از این جهت اهمیت دارد که در یک واکنش اکسایش و کاهش باید تعداد الکترون‌های منتقل شده در نیم واکنش اکسایش و نیم واکنش کاهش با یکدیگر برابر باشد. در نهایت نیز این دو واکنش موازنه شده را به یکدیگر اضافه می‌کنیم و واکنش موازنه شده اکسایش و کاهش به دست می‌آید.

موازنه نیم واکنش اکسایش و کاهش در محیط اسیدی و بازی

بسیاری از واکنش‌های اکسایش و کاهش در محیط اسیدی یا بازی انجام می‌شوند. در هنگام موازنه نیم واکنش اکسایش و کاهش در این حالت، ممکن است موازنه جرم برقرار نباشد. برای موازنه جرم در نیم واکنش اکسایش و کاهش در محیط اسیدی می‌توان به واکنش مولکول $$H_2O$$ و $$H^+$$ افزود. همچنین برای موازنه نیم واکنش اکسایش و کاهش در محیط بازی می‌توان از مولکول $$H_2O$$ و $$OH^-$$ کمک گرفت. در ادامه نمونه‌ای از واکنش اکسایش و کاهش را مشاهده می‌کنید که در محیط اسیدی صورت می‌گیرد و نحوه موازنه جرم و بار را در آن توضیح خواهیم داد.

مثال از موازنه نیم واکنش اکسایش و کاهش

در این بخش می‌خواهیم نحوه موازنه نیم واکنش اکسایش و کاهش را با بررسی یک مثال و مرحله به مرحله مورد بررسی قرار دهیم. واکنش مورد نظر ما در این مورد بین فلز مس و یون نیترات در محلول اسیدی رخ می‌دهد که آن را در زیر مشاهده می‌کنید.

$$ mathrm{Cu}(s)+mathrm{NO}_3^{-}(a q) rightarrow mathrm{Cu}^{2+}(a q)+mathrm{NO}_2(g) $$

از آن‌جایی که این واکنش در محیط اسیدی انجام می‌شود، می‌توان از یون $$H^+$$ و $$H_2O$$ برای موازنه معادلات آن بهره گرفت.

مرحله اول

در ابتدا واکنش داده شده را به دو نیم واکنش اکسایش و کاهش تقسیم می‌کنیم. در این مرحله موازنه بودن واکنش‌‌ها اهمیتی ندارد.

• نیم واکنش اکسایش

$$ mathrm{Cu}(s) rightarrow mathrm{Cu}^{2+}(a q) $$

• نیم واکنش کاهش

$$ mathrm{NO}_3^{-}(a q) rightarrowmathrm{NO}_2(g) $$

مرحله دوم

نیم واکنش اکسایش از نظر جرم موازنه است و تنها باید آن را از نظر بار موازنه کنیم. این کار را می‌توان با افزودن دو الکترون به سمت راست واکنش انجام داد. در این صورت بار خالص در هر دو طرف نیم واکنش برابر با صفر خواهد بود که می‌توانید آن را در زیر مشاهده کنید.

$$ mathrm{Cu}(s) rightarrow mathrm{Cu}^{2+}(a q)+2e^- $$

اما موازنه نیم واکنش کاهش به سادگی نیم واکنش اکسایش نیست زیرا در آن نه موازنه جرم، نه موازنه بار برقرار نیست. همان‌طور که در زیر مشاهده می‌کنید تعداد اتم‌های نیتروژن در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر است اما تعداد اتم‌های اکسیژن در سمت راست دو عدد و در سمت چپ ۳ عدد است. برای موازنه جرم یک مولکول آب را که دارای یک اکسیژن است به سمت راست واکنش وارد می‌کنیم. نتیجه به‌صورت زیر خواهد بود.

$$ mathrm{NO}_3^{-}(a q) rightarrowmathrm{NO}_2(g)+H_2O(l) $$

اکنون تعداد اتم‌های اکسیژن در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر است اما باید تعداد اتم‌های هیدروژن را موازنه کنیم. برای این کار می‌توانیم در سمت چپ واکنش یون $$H^+$$ را وارد کنیم زیرا واکنش اسیدی است. در این مرحله واکنش کاهش به‌صورت زیر خواهد بود.

$$ mathrm{NO}_3^{-}(a q)+ 2H^+ (aq) rightarrowmathrm{NO}_2(g)+H_2O(l) $$

در این مرحله تعداد اتم‌های تمامی عنصرها در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر است و سراغ موازنه بار آن می‌رویم. بار خالص در سمت راست واکنش برابر با صفر و در سمت چپ دارای یک بار مثبت است، به همین دلیل به آن یک الکترون مانند زیر اضافه می‌کنیم.

$$ mathrm{NO}_3^{-}(a q)+ 2H^+ (aq)+e^- rightarrowmathrm{NO}_2(g)+H_2O(l) $$

مرحله سوم

در این مرحله باید تعداد الکترون‌های انتقالی در دو نیم واکنش اکسایش و کاهش را با یکدیگر برابر کنیم. از آنجا که در نیم واکنش اکسایش ۲ الکترون از دست می‌رود و در نیم واکنش کاهش ۱ الکترون دریافت می‌شود، باید نیم واکنش کاهش را در عدد ۲ ضرب کنیم تا تعداد الکترون‌های منتقل شده در دو نیم واکنش با یکدیگر یکسان باشد. نتیجه را می‌توان به‌صورت زیر نمایش داد.

$$2[ mathrm{NO}_3^{-}(a q)+ 2H^+ (aq)+e^- rightarrowmathrm{NO}_2(g)+H_2O(l) ]$$

$$ mathrm2{NO}_3^{-}(a q)+ 4H^+ (aq)+2e^- rightarrowmathrm2{NO}_2(g)+2H_2O(l) $$

مرحله چهارم

در مرحله نهایی باید دو نیم واکنش اکسایش و کاهش موازنه شده را به‌صورت زیر به یکدیگر اضافه کنیم. توجه داشته باشید که ۲ الکترون در دو طرف این دو واکنش قرار دارد و با یکدیگر حذف می‌شوند.

$$ mathrm{Cu}(s)+mathrm2{NO}_3^{-}(a q)+4H^+(aq) rightarrow mathrm{Cu}^{2+}(a q)+mathrm2{NO}_2(g)+2H_2O(l) $$

همان‌طور که مشاهده می‌کنید در این واکنش اکسایش و کاهش تعداد اتم‌های هر عنصر در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر است. (۱ عدد مس، ۲ عدد نیتروژن و ۴ عدد هیدروژن) همچنین بار خالص هر دو طرف نیز برابر با ۲+ است. بنابراین این واکنش از نظر بار و جرم به درستی موازنه شده است.

نیم واکنش اکسایش و کاهش فرآیند هال

از «فرآیند هال» (Hall Process) برای به دست آوردن آلومینیوم خالص از باکسیت استفاده می‌شود. واکنش این فرآیند از نوع اکسایش و کاهش است که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.

در کاتد این فرآیند، یون آلویمینوم تبدیل به آلومینیوم مذاب می‌شود. این واکنش از نوع کاهش است زیرا در آن یون آلومینیوم الکترون دریافت می‌کند. نیم‌ واکنش اکسایش در کاتد را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد.

$$ Al^{3+} +3e^- rightarrow Al(l)$$

در آند این واکنش گرافیت تبدیل به کربن دی‌اکسید می‌شود. این نیم واکنش اکسایش است زیرا در آن الکترون از دست می‌رود. نحوه انجام واکنش اکسایش را در زیر مشاهده می‌کنید.

$$ C(s)+2O^{2-}rightarrow CO_2(g)+4e^-$$

برای نوشتن واکنش اکسایش و کاهش باید تعداد الکترون‌های انتقالی در هر دو نیم واکنش با یکدیگر برابر باشد، بنابراین واکنش اول را در عدد ۴ و دومی را در عدد ۳ ضرب می‌کنیم.

$$4 Al^{3+} +12e^- rightarrow 4Al(l)$$

$$ 3C(s)+6O^{2-}rightarrow 3 CO_2(g)+12e^-$$

سپس با جمع بستن این دو نیم واکنش اکسایش و کاهش و حذف گونه‌های مشابه، واکنش فرآیند هال به دست می‌آید.

$$ 4Al^{3+}+3C(s)+6O^{2-}rightarrow 3 CO_2(g)+4Al(l)$$

مثال و حل تمرین

حال که با انواع نیم واکنش اکسایش و کاهش آشنا شدیم و نحوه شناسایی و موازنه آن‌ها را فرا گرفتیم، می‌خواهیم در این بخش به سراغ تعدادی مثال به همراه پاسخ تشریحی و تمرین چند‌گزینه‌ای برویم و آموخته‌های خود را محک بزنیم.

مثال

در این بخش می‌خواهیم به بررسی تعدادی مثال از مفهوم نیم واکنش اکسایش و کاهش بپردازیم و در هر مورد پاسخ تشریحی آن را نیز آورده‌ایم.

مثال اول

پیش از این به بررسی موازنه نیم واکنش اکسایش و کاهشی پرداختیم که در محیط اسیدی صورت می‌گرفت. در این مثال نیم واکنش اکسایش و کاهش را با فرض اینکه محیط آن بازی است، از نظر بار و جرم موازنه کنید.

$$ {MnO_4^-}(aq) + {I^-}(aq) rightarrow {MnO_2}(s) + {I_2}(aq) $$

پاسخ

از آن‌جایی که این واکنش در محیط بازی انجام می‌شود، می‌توانیم از یون $$OH^-$$ و $$H_2O$$ برای موازنه معادلات آن استفاده کنیم. مراحل این کار را در زیر مشاهده می‌کنید.

مرحله اول

در ابتدا واکنش داده شده را به دو نیم واکنش اکسایش و کاهش تقسیم می‌کنیم. در این مرحله موازنه بودن واکنش‌‌ها در پیشبرد مسیر مهم نیست.

• نیم واکنش اکسایش

$$ {I^-}(aq) rightarrow {I_2}(aq) $$

• نیم واکنش کاهش

$$ {MnO_4^-}(aq) rightarrow {MnO_2}(s) $$

مرحله دوم

نیم واکنش اکسایش را باید هم از نظر جرم، هم بار موازنه کنیم. از آنجا که تعداد اتم‌های ید در سمت راست ۲ عدد و در سمت چپ ۱ عدد است، سمت چپ را در عدد ۲ ضرب می‌کنیم و نیم واکنش زیر به دست می‌آيد.

$$ 2{I^-}(aq) rightarrow {I_2}(aq) $$

سپس به موازنه بار آن می‌پردازیم. در واکنش بالا بار منفی در سمت راست ۰ و در سمت چپ برابر با ۲ است، بنابراین می‌توان با افزودن دو الکترون به سمت چپ واکنش، توازن را برقرار کرد که می‌توانید آن را در زیر مشاهده کنید.

$$ 2{I^-}(aq) rightarrow {I_2}(aq)+2e^- $$

در مرحله بعد باید موازنه نیم واکنش کاهشی را انجام دهیم که مانند نیم واکنش اکسایشی نیاز به موازنه جرم و بار دارد. ابتدا کار را با موازنه جرم شروع می‌کنیم. تعداد اتم‌های منگنز در دو طرف با یکدیگر برابر است و تنها باید تعداد اتم‌های اکسیژن را موازنه کنیم. از آنجا که نیاز به دو اتم هیدروژن در سمت چپ واکنش داریم، ۲ مولکول آب را به‌صورت زیر به آن اضافه می‌کنیم.

$$ {MnO_4^-}(aq) rightarrow {MnO_2}(s)+2H_2O(l) $$

اکنون تعداد اتم‌های اکسیژن در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر است اما باید تعداد اتم‌های هیدروژن را موازنه کنیم. برای این کار ابتدا فرض می‌کنیم که واکنش در محیط اسیدی انجام می‌شود و یون $$H^+$$ را در سمت چپ وارد می‌کنیم. در این مرحله واکنش کاهش به‌صورت زیر خواهد بود.

$$ {MnO_4^-}(aq)+4H^+(aq) rightarrow {MnO_2}(s)+2H_2O(l) $$

سپس با توجه به بازی بودن محیط واکنش، به ازای هر یون $$H^+$$ یک یون $$OH^-$$ در دو سمت واکنش وارد می‌کنیم تا یکدیگر را خنثی کنند. واکنش به دست آمده در این مرحله را در زیر مشاهده می‌کنید.

$$ {MnO_4^-}(aq)+4H^+(aq)+4OH^-(aq) rightarrow {MnO_2}(s)+2H_2O(l) +4OH^-(aq)$$

می‌دانیم که از به هم پیوستن این دو یون، مولکول آب به وجود می‌آید، بنابراین واکنش بالا را می‌توان به‌صورت زیر نیز نمایش داد.

$$ {MnO_4^-}(aq)+4H_2O(l) rightarrow {MnO_2}(s)+2H_2O(l) +4OH^-(aq)$$

مشاهده می‌کنید که در هر دو طرف واکنش مولکول آب وجود دارد و می‌توان دو مولکول سمت چپ را با دو مولکول سمت راست خط زد که تنها دو مولکول در سمت چپ باقی می‌ماند.

$$ {MnO_4^-}(aq)+2H_2O(l) rightarrow {MnO_2}(s) +4OH^-(aq)$$

در این مرحله تعداد اتم‌های تمامی عنصرها در دو طرف واکنش با یکدیگر برابر است و سراغ موازنه بار آن می‌رویم. بار خالص در سمت راست واکنش برابر با ۴- و در سمت چپ برابر با ۱- است، به همین دلیل به آن سه عدد الکترون مانند زیر اضافه می‌کنیم.

$$ {MnO_4^-}(aq)+2H_2O(l) +3e^-rightarrow {MnO_2}(s) +4OH^-(aq)$$

مرحله سوم

در این مرحله باید تعداد الکترون‌های انتقالی در دو نیم واکنش اکسایش و کاهش را با یکدیگر برابر کنیم. از آنجا که در نیم واکنش اکسایش ۲ الکترون از دست می‌رود و در نیم واکنش کاهش ۳ الکترون دریافت می‌شود، باید نیم واکنش کاهش را در عدد ۲ و نیم واکنش اکسایش را در عدد ۳ ضرب کنیم تا تعداد الکترون‌های منتقل شده در دو نیم واکنش با یکدیگر یکسان باشد. نتیجه را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد.

$$ 3[2{I^-}(aq) rightarrow {I_2}(aq)+2e^- ]$$

$$ 6{I^-}(aq) rightarrow 3{I_2}(aq)+6e^- $$

$$ 2[{MnO_4^-}(aq)+2H_2O(l) +3e^-rightarrow {MnO_2}(s) +4OH^-(aq)]$$

$$ 2{MnO_4^-}(aq)+4H_2O(l) +6e^-rightarrow2 {MnO_2}(s) +8OH^-(aq)$$

مرحله چهارم

در مرحله نهایی باید دو نیم واکنش اکسایش و کاهش موازنه شده را به‌صورت زیر به یکدیگر اضافه کنیم. توجه داشته باشید که در هر نیم واکنش ۶ الکترون منتقل می‌شود که در دو طرف واکنش اکسایش و کاهش توسط یکدیگر حذف می‌شوند.

$$ 2{MnO_4^-}(aq)+6I^-(aq)+4H_2O(l) rightarrow2 {MnO_2}(s) +3I_2(aq)+8OH^-(aq) $$

همان‌طور که مشاهده می‌کنید در این واکنش اکسایش و کاهش تعداد اتم‌های هر عنصر در دو طرف با یکدیگر برابر است. (۲ عدد منگنز، ۱۲ عدد اکسیژن، ۶ عدد ید و ۸ عدد هیدروژن) همچنین بار خالص هر دو طرف نیز برابر با ۸- است. بنابراین می‌توان ادعا کرد که این واکنش از نظر بار و جرم موازنه است.

مثال دوم

با توجه تغییرات اجزای سازنده واکنش زیر در مورد نوع آن چه می‌توان گفت؟

$$ NO_2 rightarrow N_2 $$

پاسخ

همان‌طور که مشاهده می‌کنید در سمت چپ واکنش اکسیژن حضور دارد و در سمت راست خیر، بنابراین می‌توان گفت که واکنش‌دهنده، اکسیژن از دست داده است. در صورتی که در واکنشی اکسیژن از دست برود واکنش از نوع کاهشی است.

مثال سوم

نیم واکنش اکسایش و کاهش زیر مربوط به یک واکنش هستند. ابتدا واکنش آن‌ها را بنویسید و سپس نسبت ضریب $$HS^-$$ به $$ClO_3^-$$ را در آن پیدا کنید.

$$ {HS^-}(aq) + {OH^-}(aq) rightarrow {S}(s) + {H_2O}(l) + 2,e^- $$

$$ {ClO_3^-}(aq) + {3H_2O}(l) + 6,e^- rightarrow {Cl^-}(aq) + {6OH^-}(aq) $$

پاسخ

همان‌طور که مشاهده می‌کنید در این دو نیم واکنش اکسایش و کاهش، موازنه جرم و بار رعایت شده است، بنابراین تنها باید تعداد الکترون‌های انتقالی در آن‌ها را با یکدیگر برابر کنیم. برای انجام این کار واکنش اکسایش را در عدد ۶ و و اکنش کاهش را در عدد ۲ ضرب می‌کنیم. نتیجه را در زیر آورده‌ایم.

$$6 {HS^-}(aq) + 6{OH^-}(aq) rightarrow6 {S}(s) + 6{H_2O}(l) + 12,e^- $$

$$ 2{ClO_3^-}(aq) + {6H_2O}(l) + 12,e^- rightarrow2 {Cl^-}(aq) + {12OH^-}(aq) $$

سپس این دو واکنش را با یکدیگر جمع و گونه‌های یکسان در دو طرف را حذف می‌کنیم.

$$ 2{ClO_3^-}(aq)+ 6HS^-(aq) rightarrow2 {Cl^-}(aq) + {6OH^-}(aq) +6S(s)$$

از آنجا که ضریب $$HS^-$$ برابر با ۶ و ضریب $$ClO_3^-$$ برابر با ۲ است، نسبت آن‌ها به‌صورت ۳:۱ صحیح است.

مثال چهارم

با توجه به واکنش زیر، نیم واکنش اکسایش و کاهش آن را بنویسید.

$$ {2Cr}(s) + {3Fe^{2+}}(aq) rightarrow {2Cr^{3+}}(aq) + {3Fe}(s) $$

پاسخ

می‌دانیم که در نیم واکنش اکسایش الکترون از دست می‌رود، بنابراین کروم در این واکنش اکسید شده است و می‌توان آن را به‌صورت زیر نشان داد.

$$ {Cr}(s) rightarrow {2Cr^{3+}}(aq) +3e^- $$

در این صورت یون‌ آهن کاهش یافته است زیرا الکترون دریافت کرده است که نیم واکنش آن را در زیر آورده‌ایم.

$$ {Fe^{2+}}(aq) +2e^-rightarrow {Fe}(s) $$

حل تمرین

در این بخش به بررسی تعدادی تمرین چند گزینه‌ای پیرامون نیم واکنش شیمیایی اکسایش و کاهش خواهیم پرداخت.

تمرین اول

تمرین دوم

تمرین سوم

تمرین چهارم

تمرین پنجم

تمرین ششم

تمرین هفتم

تمرین هشتم

تمرین نهم

تمرین دهم

تمرین یازدهم

تمرین دوازدهم

سوالات متداول

حال که با نیم واکنش اکسایش و کاهش آشنا شدیم و نحوه انجام آن‌ها را بررسی کردیم، می‌خواهیم در این بخش به تعدادی از مهم‌ترین و پرتکرارترین سوال‌های موجود پیرامون آن پاسخ دهیم.

اکسید کننده چیست؟

یون یا مولکولی که طی واکنش الکترون می‌پذیرد، اکسیدکننده است. این جزء با دریافت الکترون از گونه‌های دیگر آن‌ها را اکسید می‌کند و خود احیا می‌شود.

عدد اکسایش چیست؟

عدد اکسایش مقدار بار یک اتم است با این فرض که تمامی پیوندهای آن به‌‌صورت یونی برقرار شود.

به چه ترکیبی احیاکننده گفته می‌شود؟

یون یا مولکولی که طی واکنش الکترون بدهد، «احیاکننده» یا کاهنده است. این جزء با اهدای الکترون به گونه‌های دیگر آن‌ها را می‌کاهد و خود اکسایش می‌یابد.

عدد اکسایش عنصر به‌صورت آزاد و یون تک‌اتمی چند است؟

عدد اکسایش اتم یا عنصر به‌صورت آزاد برابر با ۰ و عدد اکسایش یونی تک‌ اتمی، برابر با بار آن است.

تغییر در تعداد اتم‌های هیدروژن و اکسیژن مولکول، نشانه چیست؟

در صورتی که در واکنشی مولکولی اکسیژن از دست بدهد، کاهش یافته است. همچنین از دست دادن هیدروژن نشان‌دهنده اکسایش است.

جمع‌بندی

هدف از این مطلب مجله فرادرس آشنایی با نیم واکنش اکسایش و کاهش به عنوان یکی از مهم‌ترین واکنش‌های شیمیایی بود که این کار را با ارائه چندین مثال انجام دادیم. در ادامه با مفهوم عدد اکسایش آشنا شدیم و نحوه به کارگیری آن برای تشخیص نوع واکنش را فرا گرفتیم.

سپس به موازنه نیم واکنش اکسایش و کاهش پرداختیم و مثال‌هایی را مورد بررسی قرار دادیم. در نهایت نیز با بررسی تعدادی مثال و تمرین آموخته‌های خود از این مفهوم مهم را محک زدیم.