موازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال بطريقة نصف التفاعل

ما هي طريقة نصف التفاعل؟

طريقة نصف التفاعل هي طريقة لوزن معادلات الأكسدة والاختزال في الوسط الحمضي أو القاعدي. تتضمن هذه الطريقة تحويل المعادلة الكاملة إلى مجموعة من المعادلات النصفية، حيث يتم تحديد التفاعلات الأكسدة والاختزال المستقلة في كل منها. ثم يتم توازن هذه المعادلات النصفية باستخدام تقنية المضاعفات والتحويلات الأخرى. وأخيرًا، يتم جمع هذه المعادلات النصفية مرة أخرى للحصول على المعادلة الكاملة للتفاعل.

تقنية المضاعفات والتحويلات الأخرى تشمل استخدام الأرقام والأحرف لتحويل المعادلات النصفية بحيث تتوافق مع عدد الإلكترونات التي يتم نقلها في التفاعل. ويمكن استخدام تقنيات أخرى مثل إضافة الماء أو أيونات الهيدروجين لوزن المعادلات. وهذه التقنيات تساعد على تحديد عدد الإلكترونات المشاركة في التفاعل وتحديد الأنواع المختلفة من الذرات والأيونات التي تشارك في التفاعل.

ما هما عمليتا الأكسدة والاختزال؟

الأكسدة والاختزال هي نوع من أنواع التفاعلات الكيميائية، وهما عمليتان كيميائيتان أساسيتان تتضمنان نقل الإلكترونات بين الأنواع المتفاعلة.

تشير الأكسدة إلى العملية التي تفقد فيها المادة الإلكترونات، مما يؤدي إلى زيادة في حالة الأكسدة.  وبعبارة أخرى، فإنها تنطوي على إضافة الأكسجين، أو إزالة الهيدروجين، أو فقدان الإلكترونات من ذرة أو أيون أو جزيء.  أثناء الأكسدة، يكتسب العامل المؤكسد إلكترونات ويتم اختزاله في حد ذاته.

ومن ناحية أخرى، فإن الاختزال هو العملية التي تكتسب فيها المادة إلكترونات، مما يؤدي إلى انخفاض حالة الأكسدة.  وهي تنطوي على إضافة الهيدروجين، أو إزالة الأكسجين، أو اكتساب الإلكترونات بواسطة ذرة أو أيون أو جزيء.  أثناء الاختزال، يفقد عامل الاختزال الإلكترونات ويتأكسد هو نفسه.

من المهم ملاحظة أن الأكسدة والاختزال يحدثان معًا دائمًا ويشار إليهما بتفاعلات الأكسدة والاختزال.  في تفاعل الأكسدة والاختزال، يخضع أحد الأنواع للأكسدة بينما يخضع الآخر للاختزال، ويتيح نقل الإلكترونات بينهما الحفاظ على الشحنة.

خطوات وزن المعادلة بطريقة نصف التفاعل

1. خطوات موازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال النصفية في محلول حمضي:
   - تقسيم التفاعل إلى نصفين (أكسدة واختزال).
   - وزن العناصر ما عدا الهيدروجين والأكسجين.
   - وزن ذرات الأكسجين بإضافة H2O.
   - وزن ذرات الهيدروجين بإضافة H+.
   - وزن الشحنات بإضافة إلكترونات.
   - جمع نصفي التفاعل وتبسيطه.
   
   
2. خطوات موازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال النصفية في محلول قاعدي:
   - تقسيم التفاعل إلى نصفي تفاعل.
   - وزن العناصر غير الهيدروجين والأكسجين.
   - وزن ذرات الأكسجين وذلك بإضافة H2O.
   - وزن ذرات الهيدروجين بإضافة أيونات H+.
   - إضافة أيونات OH- على الجانبين لتحييد أي H+.
   - دمج H+ و OH- لتكوين H2O.
   - تبسيط التفاعلات النصفية بإلغاء H2O الزائدة.
   - وزن الشحنات بإضافة إلكترونات.
   - جمع التفاعلات النصفية وتبسيطها.

باستخدام هذه الطريقة، يمكنك موازنة عدد الإلكترونات في التفاعل والحفاظ على التوازن الكيميائي بين المتفاعلات والنواتج.

تعتبر تفاعلات الأكسدة والاختزال من أهم التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الطبيعة وفي المختبر. ولضمان صحة وتوازن هذه التفاعلات، يجب موازنة عدد الإلكترونات في المعادلات النصفية الكيميائية المشاركة فيها. في هذه المقالة، سنشرح خطوات موازنة عدد الإلكترونات باستخدام عدة أمثلة توضيحية محلولة بأساليب مختلفة في الوسط المتعادل والحمضي والقاعدي.

أمثلة محلولة

تفاعل الألومنيوم مع النيكل في وسط متعادل: نفترض أن لدينا تفاعلًا يحدث بين الألومنيوم والنيكل في الوسط المتعادل. نكتب المعادلة غير المتوازنة كما يلي:

\[\ce{Al + Ni^2+ -> Al^3+ + Ni}\]

الخطوات 1:

1. تحديد التفاعلات الأكسدة والاختزال:
   • تفاعل الأكسدة: \(\ce{Al -> Al^3+}\)
   • تفاعل الاختزال: \(\ce{Ni^2+ -> Ni}\)


2. موازنة عدد الإلكترونات في كل نصف معادلة:
   • تفاعل الأكسدة: \(\ce{Al -> Al^3+ + 3e-}\)
   • تفاعل الاختزال: \(\ce{Ni^2+ + 2e- -> Ni}\)


3. التحقق من عدد الإلكترونات والشحنة:

   نلاحظ وجود 3e- في ناحية الأكسدة، في حين يوجد 2e- في طرف الاختزال. لذلك نقوم بضرب نصفي التفاعل بأعداد مناسبة، لنحصل على عدد إلكترونات متساوية في النصفين. عند ضرب نصف الأكسدة في 2 ونصف الاختزال في 3 سنحصل في كل نصف على 6e- (6 إلكترونات) حرة.

   • تفاعل الأكسدة: \[\ce{2(Al → Al^3+ + 3e-)}\]
   • تفاعل الاختزال: \[\ce{3(Ni^2+ + 2e- → Ni)}\]
4. المعادلة الموزونة النهائية:

   نقوم الآن باختصار 6e- من النصفين (لأن أحدهما قبل السهم والآخر بعده). ثم نجمع المعادلتين النصفيتين للحصول على المعادلة النهائية الموزونة(بدون 6e-) كالتالي:

   \[\ce{2Al → 2Al^3+ + $\require{cancel} \cancel{6e-}$ \\ 3Ni^2+ + $\cancel{6e-}$ → Ni}\] _____________________________ \[\ce{2Al + 3Ni^2+ → 2Al^3+ + Ni}\]

تفاعل الكرومات وثلاثي أكسيد الكبريت: نفترض أن التفاعل غير الموزون هو:

\[\ce{Cr2O7^2- + SO3^2- -> Cr^3+ + SO4^2-}\]

الخطوات 2:

1. تحديد التفاعلات الأكسدة والاختزال:
   • تفاعل الأكسدة: \(\ce{Cr2O7^2- -> Cr^3+}\)
   • تفاعل الاختزال: \(\ce{SO3^2- -> SO4^2-}\)
2. موازنة عدد الذرات في كل نصف ما عدا الهيدروجين والأكسجين.
   • نصف الأكسدة: \(\ce{Cr2O7^2- -> 2Cr^3+}\)
   • نصف الاختزال: \(\ce{SO3^2- -> SO4^2-}\)
3. موازنة الأكسجين

   نضيف عدد كافي من جزيئات \(\ce{H2O}\) لموازنة عدد ذرات \(\ce{O}\).

   • نصف الأكسدة: \[\ce{Cr2O7^2- -> 2Cr^3+ + 7H2O}\]
   • نصف الاختزال: \(\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2-}\)
4. موازنة الهيدروجين

   أضف عدد كافي من أيونات \(\ce{H+}\) لموازنة \(\ce{H}\).

   قم بتمرير المعادلة أفقيا (يمينا ويسارا) إذا كنت تستخدم شاشة صغيرة.

   • نصف الأكسدة: \[\ce{Cr2O7^2- + 14H+ -> 2Cr^3+ + 7H2O}\]
   • نصف الاختزال: \[\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H+}\]


5. موازنة عدد الإلكترونات في كل نصف معادلة:

   نضيف إلكترونات إلى الجانب الذي يحتاج لمزيد من الشحنة السالبة.

   • تفاعل الأكسدة: \[\ce{Cr2O7^2- + 14H+ + 6e- -> 2Cr^3+ + 7H2O}\]
   • تفاعل الاختزال: \[\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H+ + 2e-}\]
6. موازنة الإلكترونات المنقولة:

   نضرب في كل نصف عدد مناسب من مضاعفات عدد الإلكترونات لمساواة عدد الإلكترونات الحرة في النصفين.

   • نصف الأكسدة: \[\ce{1(Cr2O7^2- + 14H+ + 6e- -> 2Cr^+3 + 7H2O)}\]
   • نصف الاختزال: \[\ce{3(SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H+ + 2e-)}\]


7. المعادلة الموازنة النهائية:

   الآن، نكتب المعادلتين معا، ثم اختصار الإلكترونات الحرة وجزيئات الماء وأيونات الهيدروجين بطريقة آنية:

   \[\ce{$\require{cancel}$ Cr2O7^2- + $\cancel{^8\ce{14H+}}$ + \cancel{6e^{-}} -> 2Cr^+3 + $\cancel{^4\ce{7H2O}}$ \\ 3SO3^2- + $\cancel{\ce{3H2O}}$ -> 3SO4^2- + $\cancel{\ce{6H+}}$ + \cancel{6e^{-}}}\] _____________________________ \[\ce{Cr2O7^2- + 3SO3^2- + 8H+ -> 2Cr^3+ + 3SO4^2- + 4H2O}\]

تفاعل Zn و BrO3- في الوسط الحمضي: نفترض أن لدينا تفاعلًا بين \(\ce{Zn}\) و \(\ce{BrO3-}\) في الوسط الحمضي. نكتب المعادلة غير المتوازنة كما يلي:

\[\ce{Zn + BrO3- -> Zn^2+ + Br-}\]

الخطوات 3:

1. تحديد التفاعلات الأكسدة والاختزال:
   • تفاعل الأكسدة: \(\ce{Zn -> Zn^2+}\)
   • تفاعل الاختزال: \(\ce{BrO3- -> Br-}\)
2.  موازنة عدد ذرات الأكسجين

   نقوم بإضافة عدد كافي من جزيئات الماء \(\ce{(H2O)}\) وذلك لموازنة ذرات الأكسجين \(\ce{(O)}\).

   • نصف الأكسدة: \(\ce{Zn -> Zn^2+}\). لا يحتاج موازنة لأنه لا يحتوي على أكسجين.
   • نصف الاختزال: \[\ce{BrO3- -> Br- + 3H2O}\]
3. موازنة الهيدروجين

   نضيف عدد كافي من أيونات \(\ce{H+}\) لموازنة عدد ذرات الهيدروجين \(\ce{(H)}\)

   • نصف الأكسدة: \(\ce{Zn -> Zn^2+}\). لا يحتاج موازنة.
   • نصف الاختزال: \[\ce{BrO3- + 6H+ -> Br- + 3H2O}\]


4. موازنة عدد الإلكترونات في كل نصف معادلة:
   • تفاعل الأكسدة: \[\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}\]
   • تفاعل الاختزال: \[\ce{6e- + BrO3- + 6H+ -> Br- + 3H2O}\]
5. موازنة الإلكترونات المنقولة في نصفي التفاعل

   ما دام أن 6e- من مضاعفات عدد 2e- يمكنني تركه كما هو وذلك بضرب نصف الاختزال في 1. وضرب نصف الأكسدة في 3 لأحصل على 6، لكي تكون الإلكترونات موزونة في نصفي التفاعل.

   • نصف الأكسدة: \[\ce{3(Zn -> Zn^2+ + 2e-)}\]
   • نصف الاختزال: \[\ce{1(6e- + BrO3- + 6H+ -> Br- + 3H2O)}\]
6. المعادلة الموزونة النهائية:

   الآن نقوم بجمع المعادلتين آنيا معا، ما يؤدي إلى ذهاب 6e- من نصفي التفاعل كما يلي:

   \[\ce{$\require{cancel}$ 3Zn -> 3Zn^2+ + \cancel{6e^{-}}\\ \cancel{6e^{-}} + BrO3- + 6H+ -> Br- + 3H2O}\] _____________________________ \[\ce{3Zn + BrO3- + 6H+ -> 3Zn^2+ + Br- + 3H2O}\]

تفاعل الخارصين والبرمنجنات في الوسط القاعدي: نفترض أن لدينا تفاعلًا بين الزنك والبرمنجنات في الوسط القاعدي. نكتب المعادلة غير الموزونة كما يلي:

\[\ce{Zn + MnO4^- -> + Zn(OH)4^2- + MnO2}\]

الخطوات 4:

تحديد التفاعلات الأكسدة والاختزال:

• تفاعل الأكسدة: \(\ce{Zn -> Zn(OH)4^2-}\)
• تفاعل الاختزال: \(\ce{MnO4^- -> MnO2}\)

موازنة الذرات ما عدا الأكسجين والهيدروجين

لحسن الحظ، جميع الذرات الأخرى موزونة في نصفي التفاعل. لذلك ننتقل إلى الخطوة التالية.

موازنة ذرات الأكسجين \(\ce{O}\)

نقوم بإضافة عدد كافي من جزيئات الماء \(\ce{H2O}\) لموازنة الأكسجين.

• نصف الأكسدة: \[\ce{Zn + 4H2O -> Zn(OH)4^2-}\]
• نصف الاختزال: \[\ce{MnO4^- -> MnO2 + 2H2O}\]

موازنة الهيدروجين \(\ce{H}\)

نقوم بإضافة أيونات \(\ce{H+}\) لموازنة الهيدروجين.

• نصف الأكسدة: \[\ce{Zn + 4H2O -> Zn(OH)4^2- + 4H+}\]
• نصف الاختزال: \[\ce{MnO4^- + 4H+ -> MnO2 + 2H2O}\]

إضافة أيونات الهيدروكسيل \(\ce{OH-}\)

نقوم بمعادلة أيونات الهيدروجين \(\ce{H+}\) وذلك بإضافة أيونات الهيدروكسيل لكل نصف تفاعل يحتوي عليها.

• نصف الأكسدة: \[\ce{Zn + 4H2O + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 4H+ + 4OH-}\]
• نصف الاختزال: \[\ce{MnO4^- + 4H+ + 4OH- -> MnO2 + 2H2O + 4OH-}\]

الجمع بين أيونات \(\ce{OH-}\) وأيونات \(\ce{H+}\) لتكوين جزيئات \(\ce{H2O}\)

نقوم بجمع أيونات الهيدروكسيل والهيدروجين الموجودة بعد السهم (→) أو قبله في كل نصف تفاعل لتكوين الماء. \[\ce{Zn + 4H2O + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 4H2O}\\ \ce{MnO4^- + 4H2O -> MnO2 + 2H2O + 4OH-}\]

طرح جزيئات الماء من بعضها: في هذه الخطوة نقوم بطرح جزيئات الماء من بعضها في كل طرف (بعد السهم وقبله). أي تبسيطها وإلغاء الزائدة منها. بالنظر إلى الخطوة أعلاه نجد أن نصف الأكسدة يحتوي على \(\ce{4H2O}\) في كل طرف وهذا يلغي بعضهما البعض. وفي نصف الاختزال نجد \(\ce{4H2O}\) في الطرف الأيسر و \(\ce{2H2O}\) في الطرف الأيمن؛ وعند طرح 2 من 4 يتبقى 2، أي يتبقى \(\ce{2H2O}\) في الطرف الأيسر كما يلي: \[\ce{Zn + 4OH- -> Zn(OH)4^2-}\\ \ce{MnO4^- + 2H2O -> MnO2 + 4OH-}\]

موازنة عدد الإلكترونات في كل نصف معادلة: نحن لدينا نصفي تفاعل، وفي كل نصف تفاعل لدينا معادلة مكونة من طرفين؛ حيث نقوم بموازنة إلكتروناتهما. ننظر إلى الشحنة في الطرفين، إذا كانت متساوية عند الطرفين نتركها كما هي. وإذا هي غير موزونة نقوم بإضافة إلكترونات في الطرف الأيمن بالنسبة للأكسدة والطرف الأيسر بالنسبة للاختزال لموازنة الشحنة كما يلي: \[\ce{Zn + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 2e-}\\ \ce{MnO4^- + 2H2O + 3e- -> MnO2 + 4OH-}\]

موازنة الإلكترونات الحرة المنقولة: نقوم باختيار أعداد مناسبة لضربها في نصفي الأكسدة والاختزال للحصول على العدد نفسه من الإلكترونات الحرة في نصفي التفاعل. يمكن نختار 3 و 2 للحصول على 6e- في كل نصف كالتالي: \[\ce{3(Zn + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 2e-)}\\ \ce{2(MnO4^- + 2H2O + 3e- -> MnO2 + 4OH-)}\]

المعادلة الموزونة النهائية: في الخطوة الأخيرة نقوم بكتابة ناتج العملية الحسابية (الضرب) أعلاه، ونقوم بتبسيط المعادلة، وذلك بحذف الإلكترونات الحرة؛ لأنها متساوية في نصفي التفاعل ويؤدي إلى إلغاء بعضها البعض عند جمع المعادلتين. كما نقوم بتبسيط أي جزيئات متشابهة في النصفين وذلك بطرح الأصغر من الأكبر، لنحصل على الشكل التالي:

\[\require{cancel} \ce{3Zn + $\cancel{^4\ce{12OH^{-}}}$ -> 3Zn(OH)4^2- + \cancel{6e^{-}} \\ 2MnO4^- + 4H2O + \cancel{6e^{-}} -> 2MnO2 + $\cancel{\ce{8OH^{-}}}$}\] _____________________________ \[\ce{3Zn + 4OH- + 2MnO4^- + 4H2O -> 3Zn(OH)4^2- + 2MnO2}\]

تأكد من وزن المعادلة النهائية بشكل جيد، وإذا وجدت أن ذرة ما أو شحنة غير موزونة فراجع الخطوات السابقة.

تفاعل البرمنجنات والكبريتات في محلول مائي قلوي: لوزن معادلة تفاعل برمنجنات البوتاسيوم وكبريتات الصوديوم نتبع الخطوات التالية:

الخطوات 5:

المعادلة الإلكترونية غير الموزونة هي:\[\ce{MnO4^- (aq) + SO3^{2-} (aq) -> MnO2^{4-} (aq) + SO4^{2-} (aq)}\]

أولاً، نحدد الجزيئات المؤكسدة والمختزلة ونكتب معادلة نصفية غير موزونة لكل منهما.

طرف الأكسدة: \[\ce{MnO_4^- (aq) -> MnO_2^-4 (aq)}\]
طرف الاختزال: \[\ce{SO3^{2-} (aq) -> SO4^{2-} (aq)}\]    

الآن، قم بموازنة كل معادلة نصفية بدءا بجميع الذرات باستثناء H و O. ثم موازنة ذرات O وذلك بإضافة H₂O إلى جانب التفاعل الذي يفتقر إلى O. ثم موازنة لـ H عن طريق إضافة H⁺ إلى الجانب الذي يفتقر إلى H.\[\ce{MnO4^- (aq) -> MnO2^{4-} (aq)}\\ \ce{SO3^{2-} (aq) + H2O (l) -> SO4^{2-} (aq) + 2H^+ (aq)}\]

بعد ذلك، أضف الإلكترونات إلى الجانب الذي يحتوي على كمية أقل من الشحنة السالبة (الأكثر إيجابية) لموازنة الشحنات على كلا الطرفين.\[\ce{MnO4^- (aq) + 1e^- -> MnO2^{4-} (aq)}\\ \ce{SO3^{2-} (aq) + H2O (l) -> SO4^{2-} (aq) + 2H^+ (aq) + 2e^-}\]

بعد ذلك، قم بضرب كل معادلة نصفية بحيث يكون عدد الإلكترونات في كل منها متساويًا. سيحتاج النصف المؤكسد إلى ضرب 2.\[\ce{2MnO4^- (aq) + 2e^- -> 2MnO2^{4-} (aq)}\\ \ce{SO3^{2-} (aq) + H2O (l) -> SO4^{2-} (aq) + 2H^+ (aq) + 2e^-}\]

أخيرًا، أضف المعادلتين النصفيتين معًا، وألغِ أي جزيئات تظهر على كلا الطرفين.

$$\require{cancel} \ce{2MnO4^{2-}}(aq) + \cancel{2e^-} \rightarrow 2\ce{MnO4^{3-}}(aq)\\ \require{cancel} \ce{SO3^{2-}}(aq) + \ce{H2O(l)} \rightarrow \ce{SO4^{2-}}(aq) + \ce{2H^+} + \cancel{2e^-}$$ _____________________________ $$ 2\ce{MnO4^{2-}}(aq) + \ce{SO3^{2-}}(aq) + \ce{H2O(l)} \rightarrow 2\ce{MnO4^{3-}}(aq) + \ce{SO4^{2-}}(aq) + \ce{2H^+}$$

إذا حدث التفاعل في محلول قلوي، فالخطوة التالية هي إضافة OH^- إلى كلا الجانبين لتحييد أيونات H⁺. وهذا ينتج 2 جزيئات ماء على الجانب الأيمن. تلغي جزيئة ماء واحدة من كل جانب، مما يترك الماء فقط على الجانب الأيمن.

\[\ce{2MnO_4^- (aq) + SO_3^{2-} (aq) + 2OH^- (aq) -> 2MnO_2^-4 (aq) + SO_4^{2-} (aq) + H_2O (l)}\]

خاتمة:

استخدام طريقة نصف التفاعل أو "المعادلات النصفية" في تفاعلات الأكسدة والاختزال أمر حاسم لتحقيق توازن التفاعل الكيميائي. يمكن استخدام الخطوات المذكورة لموازنة عدد الإلكترونات وعدد الذرات في أي تفاعل كيميائي ينطوي على تفاعلات الأكسدة والاختزال.