موازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال بطريقة نصف التفاعل

ما هي طريقة نصف التفاعل؟

طريقة نصف التفاعل هي طريقة لوزن تفاعلات الأكسدة والاختزال في الوسط الحمضي أو القاعدي. وتستخدم هذه الطريقة بشكل شائع في حل مسائل الأكسدة والاختزال، وذلك بسبب وضوح خطواتها وسهولة تطبيقها.

تتضمن هذه الطريقة تحويل المعادلة الكاملة إلى معادلات نصفية، حيث يتم تحديد التفاعلات المستقلة في كل من الأكسدة والاختزال. ويتم وزن المعادلات النصفية باستخدام تقنية المضاعفات والتحويلات الأخرى. وأخيرًا، يتم جمع هذه المعادلات النصفية مرة أخرى للحصول على المعادلة الموزونة الكاملة للتفاعل.

تتضمن تقنية المضاعفة تعديل المعادلات النصفية بضربها في معاملات مناسبة لضمان تساوي عدد الإلكترونات المنقولة في كل نصف تفاعل، مما يُسهم في تحقيق التوازن الإلكتروني الكلي للتفاعل.

ويمكن استخدام تقنيات أخرى مثل إضافة الماء أو أيونات الهيدروجين لوزن ذرات الأكسجين. 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.  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

• خطوات موازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال النصفية في محلول حمضي:
  1. تقسيم التفاعل إلى نصفين (أكسدة واختزال).
  2. وزن العناصر ما عدا الهيدروجين والأكسجين.
  3. وزن ذرات الأكسجين بإضافة H₂O.
  4. وزن ذرات الهيدروجين بإضافة H⁺.
  5. وزن الشحنات بإضافة إلكترونات.
  6. جمع نصفي التفاعل وتبسيطه.
• خطوات موازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال النصفية في محلول (وسط) قاعدي:
  1. تقسيم التفاعل إلى نصفي تفاعل.
  2. وزن العناصر غير الهيدروجين والأكسجين.
  3. وزن ذرات الأكسجين وذلك بإضافة H₂O.
  4. وزن ذرات الهيدروجين بإضافة أيونات H⁺.
  5. إضافة أيونات OH^- على الجانبين لتحييد أي H⁺.
  6. دمج H⁺ و OH^- لتكوين H₂O.
  7. تبسيط التفاعلات النصفية بإلغاء H₂O الزائدة.
  8. وزن الشحنات بإضافة إلكترونات.
  9. 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. ولفهم موازنة هذه التفاعلات، سنشرح الخطوات السابقة باستخدام أمثلة تطبيقية بأساليب مختلفة في الوسط المتعادل والحمضي والقاعدي.

مسائل 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:

$$\require{mhchem}\ce{Al + Ni^2+ -> Al^3+ + Ni}$$

الخطوات 1:

1. تحديد التفاعلات الأكسدة والاختزال:
   • نصف الألومنيوم (الأكسدة): $$\require{mhchem}\ce{Al -> Al^3+}$$
   • نصف النيكل (الاختزال): $$\require{mhchem}\ce{Ni^2+ -> Ni}$$


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


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.

   • ضرب نصف الأكسدة في 2: $$\require{mhchem}\ce{2(Al -> Al^3+ + 3e-)}$$
   • ضرب نصف الاختزال في 3: $$\require{mhchem}\ce{3(Ni^2+ + 2e- -> Ni)}$$
4. المعادلة الموزونة النهائية بين الألومنيوم والنيكل:

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

   $$ \require{mhchem}\require{cancel}\ce{2Al -> 2Al^3+ + \cancel{6e-} \\ 3Ni^2+ + \cancel{6e-} -> Ni} $$

   ---

   $$\require{mhchem}\ce{2Al + 3Ni^2+ -> 2Al^3+ + Ni}$$

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

$$\require{mhchem}\ce{Cr2O7^2- + SO3^2- -> Cr^3+ + SO4^2-}$$

الخطوات 2:

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

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

   • موازنة ذرات الأكسجين في نصف الكرومات: $$\require{mhchem}\ce{Cr2O7^2- -> 2Cr^3+ + 7H2O}$$
   • موازنة عدد ذرات الأكسجين في طرف ثلاثي أكسيد الكبريت: $$\require{mhchem}\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2-}$$
4. موازنة الهيدروجين:

   بعد أن أضفنا جزيئات الماء لموازنة الأكسجين، أصبحت هناك ذرات هيدروجين تحتاج إلى الموازنة. أضف عدد كافي من أيونات \(\ce{H+}\) لموازنة \(\ce{H}\).

   • إضافة أيونات الهيدروجين إلى نصف الكرومات:

     $$\require{mhchem}\ce{Cr2O7^2- + 14H+ -> 2Cr^3+ + 7H2O}$$

   • إضافة أيونات الهيدروجين إلى ثلاثي أكسيد الكبريت: $$\require{mhchem}\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H+}$$
5. موازنة عدد الإلكترونات في كل نصف معادلة:

   نضيف إلكترونات إلى الجانب الذي يحتاج لمزيد من الشحنة السالبة.

   • عدد الإلكترونات في جانب الكرومات:

     $$\require{mhchem}\ce{Cr2O7^2- + 14H+ + 6e- -> 2Cr^3+ + 7H2O}$$

   • عدد الإلكترونات في نصف ثلاثي أكسيد الكبريت:

     $$\require{mhchem}\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H+ + 2e-}$$

6. موازنة الإلكترونات المنقولة:

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

   • الإلكترونات المنقولة في نصف الكرومات:

     $$\require{mhchem}\ce{1(Cr2O7^2- + 14H+ + 6e- -> 2Cr^3+ + 7H2O)}$$

   • الإلكترونات المنقولة في نصف ثلاثي أكسيد الكبريت:

     $$\require{mhchem}\ce{3(SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H+ + 2e-)}$$

7. المعادلة الموازنة النهائية بين الكرومات وثلاثي أكسيد الكبريت:

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

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

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:

$$\require{mhchem}\ce{Zn + BrO3- -> Zn^2+ + Br-}$$

الخطوات 3:

1. تحديد التفاعلات الأكسدة والاختزال:
   • نصف الزنك (Zn) يحصل فيه الأكسدة: $$\require{mhchem}\ce{Zn -> Zn^2+}$$
   • نصف البرومات (BrO^3-) يحصل فيه الاختزال: $$\require{mhchem}\ce{BrO3- -> Br-}$$
2. موازنة عدد ذرات الأكسجين في نصفي الزنك والبرومات:

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

   • موازنة الأكسجين في نصف الزنك: $$\require{mhchem}\ce{Zn -> Zn^2+}$$ . لا يحتاج موازنة لأنه لا يحتوي على أكسجين.
   • موازنة الأكسجين في طرف البرومات: $$\require{mhchem}\ce{BrO3- -> Br- + 3H2O}$$
3. موازنة الهيدروجين نصفي الزنك والبرومات:

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

   • موازنة نصف الهيدروجين لنصف الزنك: $$\require{mhchem}\ce{Zn -> Zn^2+}$$ . لا يحتاج موازنة.
   • موازنة الهيدروجين لنصف البرومات: $$\require{mhchem}\ce{BrO3- + 6H+ -> Br- + 3H2O}$$
4. موازنة عدد الإلكترونات في نصفي الزنك والبرومات:
   • موازنة عدد الإلكترونات في نصف الزنك (الأكسدة): $$\require{mhchem}\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}$$
   • موازنة الإلكترونات في نصف البرومات (الاختزال):

     $$\require{mhchem}\ce{6e- + BrO3- + 6H+ -> Br- + 3H2O}$$

5. موازنة الإلكترونات المنقولة في نصفي الزنك والبرومات:

   بما أن \(\ce{6e-}\) من مضاعفات \(\ce{2e-}\)، يمكننا ترك نصف الاختزال كما هو وضرب نصف الأكسدة في 3 لموازنة الإلكترونات في كلا النصفين.

   • الإلكترونات المنقولة في نصف الزنك: $$\require{mhchem}\ce{3(Zn -> Zn^2+ + 2e-)}$$
   • الإلكترونات المنقولة في نصف البرومات:

     $$\require{mhchem}\ce{1(6e- + BrO3- + 6H+ -> Br- + 3H2O)}$$

6. المعادلة الموزونة النهائية بين الزنك والبرومات:

   الآن نقوم بجمع المعادلتين آنياً مع اختصار الإلكترونات، كما يلي:

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

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

$$\require{mhchem}\ce{Zn + MnO4^- -> Zn(OH)4^2- + MnO2}$$

الخطوات:

### تحديد التفاعلات الأكسدة والاختزال:

• نصف الخارصين (الأكسدة): $$\require{mhchem}\ce{Zn -> Zn(OH)4^2-}$$
• نصف البرمنجنات (الاختزال): $$\require{mhchem}\ce{MnO4^- -> MnO2}$$

### موازنة الذرات ما عدا الأكسجين والهيدروجين:

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

### موازنة ذرات الأكسجين في نصفي الخارصين والبرمنجنات:

نقوم بإضافة عدد كافٍ من جزيئات الماء لموازنة الأكسجين:

• موازنة الأكسجين في نصف الخارصين: $$\require{mhchem}\ce{Zn + 4H2O -> Zn(OH)4^2-}$$
• موازنة الأكسجين في نصف البرمنجنات: $$\require{mhchem}\ce{MnO4^- -> MnO2 + 2H2O}$$

### موازنة ذرات الهيدروجين في نصفي الخارصين والبرمنجنات:

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

• موازنة ذرات الهيدروجين في نصف الخارصين: $$\require{mhchem}\ce{Zn + 4H2O -> Zn(OH)4^2- + 4H+}$$
• موازنة الهيدروجين في نصف البرمنجنات: $$\require{mhchem}\ce{MnO4^- + 4H+ -> MnO2 + 2H2O}$$

### إضافة أيونات الهيدروكسيل إلى التفاعل بين الخارصين والبرمنجنات:

لأن الوسط قاعدي [راجع الخطوات ↑]، نقوم بمعادلة أيونات \(\ce{H+}\) بإضافة \(\ce{OH-}\):

• إضافة أيونات الهيدروكسيل لنصف الخارصين:

  $$\require{mhchem}\ce{Zn + 4H2O + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 4H+ + 4OH-}$$

• إضافة أيونات الهيدروكسيل لنصف البرمنجنات:

  $$\require{mhchem}\ce{MnO4^- + 4H+ + 4OH- -> MnO2 + 2H2O + 4OH-}$$

### الجمع بين \(\ce{OH-}\) و \(\ce{H+}\) لتكوين الماء:

نقوم بتكوين جزيئات الماء:

• تكوين الماء في نصف الخارصين:

  $$\require{mhchem}\ce{Zn + 4H2O + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 4H2O}$$

• تكوين الماء في نصف البرمنجنات:

  $$\require{mhchem}\ce{MnO4^- + 4H2O -> MnO2 + 2H2O + 4OH-}$$

### موازنة الإلكترونات:

• موازنة الإلكترونات في طرف الخارصين: $$\require{mhchem}\ce{Zn + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 2e-}$$
• موازنة الإلكترونات في ناحية البرمنجنات:

  $$\require{mhchem}\ce{MnO4^- + 2H2O + 3e- -> MnO2 + 4OH-}$$

### موازنة الإلكترونات المنقولة:

ضرب نصف التفاعل للحصول على 6 إلكترونات في كل نصف:

• الإلكترونات المنقولة في في جانب الخارصين: $$\require{mhchem}\ce{3(Zn + 4OH- -> Zn(OH)4^2- + 2e-)}$$
• الإلكترونات المنقولة في جانب البرمنجنات:

  $$\require{mhchem}\ce{2(MnO4^- + 2H2O + 3e- -> MnO2 + 4OH-)}$$

### المعادلة النهائية:

بالتبسيط، تصبح المعادلة النهائية:

$$\require{mhchem}\ce{3Zn + 4OH- + 2MnO4^- + 4H2O -> 3Zn(OH)4^2- + 2MnO2}$$

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:

معادلة تفاعل البرمنجنات والكبريتات غير الموزونة هي:

$$\require{mhchem}\ce{MnO4^- (aq) + SO3^{2-} (aq) -> MnO2^{4-} (aq) + SO4^{2-} (aq)}$$

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

• طرف الأكسدة: $$\require{mhchem}\ce{MnO4^- (aq) -> MnO2^{4-} (aq)}$$
• طرف الاختزال: $$\require{mhchem}\ce{SO3^{2-} (aq) -> SO4^{2-} (aq)}$$

الآن، قم بموازنة كل معادلة نصفية بدءًا بجميع الذرات باستثناء H و O. ثم موازنة ذرات O وذلك بإضافة \(\ce{H2O}\) إلى جانب التفاعل الذي يفتقر إلى O، وموازنة H بإضافة \(\ce{H+}\) إلى الجانب الذي يفتقر إلى H:

$$\require{mhchem}\ce{MnO4^- (aq) -> MnO2^{4-} (aq)}$$ $$\require{mhchem}\ce{SO3^{2-} (aq) + H2O (l) -> SO4^{2-} (aq) + 2H^+ (aq)}$$

بعد ذلك، أضف الإلكترونات إلى الجانب الذي يحتوي على كمية أقل من الشحنة السالبة (الأكثر إيجابية) لموازنة الشحنات على كلا الطرفين:

• نصف التفاعل المؤكسد: $$\require{mhchem}\ce{MnO4^- (aq) + 1e^- -> MnO2^{4-} (aq)}$$
• نصف التفاعل المختزل:

  $$\require{mhchem}\ce{SO3^{2-} (aq) + H2O (l) -> SO4^{2-} (aq) + 2H^+ (aq) + 2e^-}$$

قم بضرب كل معادلة نصفية بحيث يكون عدد الإلكترونات في كل منهما متساويًا. في هذه الحالة، سيحتاج نصف التفاعل المؤكسد إلى ضربه في 2:

• $$\require{mhchem}\ce{2MnO4^- (aq) + 2e^- -> 2MnO2^{4-} (aq)}$$
• $$\require{mhchem}\ce{SO3^{2-} (aq) + H2O (l) -> SO4^{2-} (aq) + 2H^+ (aq) + 2e^-}$$

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

$$\require{mhchem}\require{cancel}\ce{2MnO4^- (aq) + \cancel{2e^-} -> 2MnO2^{4-} (aq)}$$ $$\require{mhchem}\require{cancel}\ce{SO3^{2-} (aq) + H2O (l) -> SO4^{2-} (aq) + 2H^+ (aq) + \cancel{2e^-}}$$ __________________ $$\require{mhchem}\ce{2MnO4^- (aq) + SO3^{2-} (aq) + H2O (l) -> 2MnO2^{4-} (aq) + SO4^{2-} (aq) + 2H^+ (aq)}$$

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

$$\require{mhchem}\ce{2MnO4^- (aq) + SO3^{2-} (aq) + 2OH^- (aq) -> 2MnO2^{4-} (aq) + SO4^{2-} (aq) + H2O (l)}$$

خاتمة:

تُعد طريقة نصف التفاعل، أو ما يُعرف بـ "المعادلات النصفية"، وسيلة فعّالة لموازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال. تعتمد هذه الطريقة على اتباع خطوات تفصيلية واضحة لضمان موازنة عدد الإلكترونات والذرات في نصفي التفاعل الكيميائي، هذا يسهل على الطلاب فهم حل مسائل الأكسدة والاختزال.