محمد آخمتوف

ملاحظات المحاضرة
بواسطة كيمياء عامة

استمرار. للبداية ، انظر№ 8, 12, 13, 20, 23, 25-26, 40/2004

الفصل 5
الأكسدة والاختزال
تفاعلات

5.1 تحديد درجة الأكسدة

تفاعلات الأكسدة والاختزال هي تفاعلات تتضمن انتقال الإلكترونات من ذرة إلى أخرى. يتم الحكم على انتقال الإلكترونات من خلال التغيرات في حالات الأكسدة للذرات. إذا تغيرت حالة أكسدة الذرة ، فإن بيئتها الإلكترونية تتغير أيضًا. هناك طريقتان لتحديد حالات أكسدة الذرات: أولاً– بالصيغة الإجمالية , ثانية– وفقًا للصيغة الهيكلية .
عند تحديد حالات أكسدة الذرات بالطريقة الأولى ، يتم استخدام القاعدة: مجموع حالات الأكسدة لجميع الذرات التي تشكل الجسيم يساوي شحنة الجسيم . بالنسبة للجزيء ، هذا المجموع يساوي صفرًا ، وبالنسبة للأيون ، شحنته.
كتوضيح ، دعونا نحدد حالة أكسدة الذرات في ثيوسلفات الصوديوم Na 2 S 2 O 3 بالطريقة الأولى. من بين العناصر التي تشكل الجسيمات ، يعتبر الأكسجين هو الأكثر كهرسلبية - فهو يقبل الإلكترونات. نظرًا لوجود الأكسجين في المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة السادسة ، فإنه يفتقر إلى إلكترونين لإكمال طبقة الإلكترون. لذلك ، ستقبل ذرة الأكسجين إلكترونين وتكتسب حالة الأكسدة -2. أكثر الذرات حساسية للكهرباء هي الصوديوم ، والتي تحتوي على إلكترون واحد فقط في المستوى الإلكتروني الخارجي (سوف يعطيها الصوديوم بعيدًا). هذه الاعتبارات ، مع مراعاة صيغة ثيوسلفات الصوديوم ، تسمح لنا بوضع المعادلة:

2 (+1) + 2X + 3 (–2) = 0,

سيعطي المحلول قيمة حالة أكسدة ذرة الكبريت (+2).
من الممكن تحديد حالات أكسدة الذرات في الأيونات المعقدة. لنأخذ الأنيون كمثال. في ذلك ، تقبل ذرة الأكسجين الأكثر كهربيًا إلكترونين ولها حالة أكسدة -2. يتم تحديد حالة أكسدة ذرة الكروم من المعادلة:

2X + 7 (–2) = –2

ويساوي +6.
الطريقة الثانية لإيجاد حالات أكسدة الذرات - وفقًا للصيغة البنائية - تعتمد على التعريف: حالة الأكسدة – هذه هي شحنة العدد الصحيح الشرطي التي ستكون على الذرة إذا أصبحت جميع روابطها التساهمية القطبية أيونية.تصور الصيغة البنائية لثيوسلفات الصوديوم

تحديد حالات أكسدة ذراته.
ذرات الصوديوم الموصولة بواسطة روابط مفردة إلى المزيد من ذرات الأكسجين الكهربية ستعطيها بشكل طبيعي إلكتروناتها الخارجية ، كل منها يكتسب حالة أكسدة +1. ذرات الأكسجين التي تحتوي على رابطين لكل منهما ذرات أكثر إيجابية للكهرباء ستقبل بشكل مشروط إلكترونين لكل منهما وستكون لها حالة أكسدة تبلغ -2. يمكن أن نرى من الصيغة البنائية أن المركب يحتوي على ذرتين من الكبريت في بيئات مختلفة. ترتبط إحدى ذرات S فقط برابطة مزدوجة مع ذرة S الأخرى ، وحالة الأكسدة الخاصة بها هي صفر. تحتوي ذرة الكبريت الثانية على أربع روابط مع ثلاث ذرات أكسجين كهربية أخرى ، وبالتالي لديها حالة أكسدة تبلغ +4.
متوسط ​​حالة أكسدة ذرات الكبريت ، كما في تحديدها بالطريقة الأولى ، هو +2 ((+ 4 + 0) / 2).
لا تحتوي ذرة الأكسجين دائمًا على حالة أكسدة تساوي -2. على سبيل المثال ، في توليفة مع ذرات الفلور ، لديها حالة أكسدة إيجابية. في البيروكسيدات ، تكون حالة الأكسدة لكل ذرة أكسجين ، في الأكسيدات الفائقة تكون فقط ، وفي الأوزون تكون كذلك. أيضًا ، عند ذرة الكبريت ، يمكن أن تكون حالة الأكسدة مساوية لـ -1 ، على سبيل المثال ، في ثاني كبريتيد. في بعض الأكاسيد ، على سبيل المثال ، Fe 3 O 4 و Pb 3 O 4 ، يتم تحديد حالات أكسدة الذرات بناءً على حقيقة أن هذه الأكاسيد مختلطة: Fe 2 O 3 FeO و PbO 2 2PbO ، على التوالي.

5.2 كتابة المعادلات
تفاعلات الأكسدة والاختزال

يتم اختيار المعاملات في معادلات تفاعلات الأكسدة والاختزال من خلال تجميع الميزان الإلكتروني. لا تضمن طريقة الاختيار ، التي يتم تقليلها إلى حساب عدد الذرات في الجزأين الأيمن والأيسر من المعادلة ، التحديد الصحيح للمعاملات. وهكذا ، في المعادلات الثلاثة أدناه لأكسدة ثلاثي إيثيل أمين بحمض النيتريك ، توجد أعداد متساوية من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين على الجانبين الأيسر والأيمن ، ولكن يتم تحقيق واحدة منها فقط:

4 (C 2 H 5) 3N + 36HNO 3 \ u003d 24CO 2 + 48H 2 O + 6NO 2 + 17N 2 ،

2 (C 2 H 5) 3N + 78HNO 3 \ u003d 12CO 2 + 54H 2 O + 78NO 2 + N 2 ،

(C 2 H 5) 3 N + 11HNO 3 \ u003d 6CO 2 + 13H 2 O + 4NO 2 + 4N 2.

تتضمن نظرية عملية الأكسدة والاختزال نقل الإلكترونات من ذرات عامل الاختزال إلى ذرات العامل المؤكسد. وفقًا لقانون حفظ المادة ، فإن إجمالي عدد الإلكترونات التي تبرع بها عامل الاختزال يساوي إجمالي عدد الإلكترونات التي يتلقاها العامل المؤكسد. ترشد هذه الفكرة البسيطة إلى صياغة معادلات تفاعلات الأكسدة والاختزال. المهمة هي تحديد معاملات التناسب التي يتحقق فيها التوازن الإلكتروني.
دعونا نحلل مثالاً على أكسدة جزيء إيثيل بنزين مع برمنجنات البوتاسيوم في وسط حمضي عند تسخينه. نكتب معادلة التفاعل ونشير إلى حالات الأكسدة لتلك الذرات التي غيرتها ، وسوف نحدد حالات الأكسدة في جزيئات إيثيل بنزين وحمض البنزويك باستخدام الصيغ الهيكلية المناسبة:

ستغير ذرة الكربون المرتبطة مباشرة بحلقة البنزين حالة الأكسدة من -2 إلى +3 (تبرع بـ 5 إلكترونات). ستغير ذرة الكربون في مجموعة الميثيل حالة الأكسدة من -3 إلى +4 في ثاني أكسيد الكربون (تبرع بـ 7 إلكترونات). في المجموع ، سوف يتبرع جزيء إيثيل بنزين بـ 12 إلكترونًا. ستغير ذرة المنغنيز حالة الأكسدة من +7 إلى +2 (تقبل 5 إلكترونات). في هذه الحالة ، لدينا المعادلة:

12X = 5ذ,

التي تكون الحلول ذات العدد الصحيح الموجب الأدنى X = 5, في = 12.
يجب أن يتم اختيار المعاملات في المعادلات عن طريق تفاعل عدم التناسب بواسطة طريقة التوازن الإلكتروني على جانبهم الأيمن. كمثال ، دعنا نحلل عدم تناسب ملح برتوليت (بدون محفز):

من التغييرات في حالات أكسدة الذرات أثناء التفاعل ، يتبع ذلك أنه تلقى 6 إلكترونات ، ويُزعم أنه أعطى إلكترونين.
ثم

(KCl) \ u003d 3 (KClO 4).

لذلك ، من الضروري وضع معامل 3 أمام فوق كلورات البوتاسيوم KClO 4:

4KClO 3 \ u003d KCl + 3KClO 4.

5.3 التحليل الكهربائي

يسمى تحلل الإلكتروليت (في المحلول أو الذوبان) عند مرور تيار كهربائي عبره التحليل الكهربائي .
تتلخص أدوات عملية التحليل الكهربائي في حقيقة أن قطبين كهربائيين متصلين بمصدر تيار يتم إنزالهما في وعاء به محلول إلكتروليت أو مصهور (الشكل 5.1).

يسمى القطب السالب الشحنة الكاثود (تنجذب الكاتيونات إليها) ، وإلكترود موجب الشحنة - الأنود (يجذب الأنيونات). الدائرة الكهربائية مغلقة بسبب عمليات الأكسدة والاختزال التي تحدث على الأقطاب الكهربائية. في القطب السالب ، يتم تقليل الكاتيونات ، وفي الأنود ، تتأكسد الأنيونات.
لنبدأ النظر في العملية بأبسط حالة - التحليل الكهربائي الذائب.في التحليل الكهربائي للذوبان في الكاثوديتم اختزال الكاتيونات المعدنية إلى معدن نقي ، و في الأنودتتأكسد الأنيونات البسيطة إلى مادة بسيطة ، على سبيل المثال:

2Cl - - 2 ه\ u003d Cl 2 ،

ق 2 - - 2 ه= S.

إذا كان للأنيون بنية معقدة ، ففي هذه الحالة تحدث عملية تتطلب أقل قدر من الطاقة. إذا كان الملح مقاومًا للحرارة وكانت ذرة العنصر في الأنيون في أعلى حالة أكسدة ، فإن الأكسجين عادة ما يتأكسد إلى مادة بسيطة:

– 2ه\ u003d SO 3 + 1 / 2O 2.

إذا كانت ذرة عنصر في حالة أكسدة وسيطة ، فمن المرجح في هذه الحالة أنه لن يتأكسد الأكسجين ، ولكن ذرة عنصر آخر في الأنيون ، على سبيل المثال:

– ه= لا 2.

يعتبر التحليل الكهربائي في المحاليل أكثر تعقيدًا من حيث تحديد المنتجات. هذا يرجع إلى ظهور مكون آخر - الماء. لا يتم عادةً اختزال المعادن ذات الجهد الكهربائي القياسي من -1.67 فولت (Al) وأقل (الموجودة على يسار المنغنيز في سلسلة الفولتية المعدنية) من المحاليل المائية. في مثل هذه الأنظمة ، يتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود. هذا يرجع في المقام الأول إلى حقيقة أن هذه المعادن (بما في ذلك المغنيسيوم والألمنيوم بدون طبقة أكسيد واقية) تتفاعل مع الماء. لكن هذا لا يعني على الإطلاق أن عمليات القطب من النوع

Na + + ه= نا

لا تحدث في المحاليل المائية. تتمثل إحدى طرق الحصول على الصوديوم المعدني في التحليل الكهربائي لمحلول مائي من كلوريد الصوديوم (محلول ملحي). سر هذه العمليةيكمن في استخدام الزئبق الكاثود. يتم امتصاص ذرات الصوديوم المختزلة بواسطة طبقة الزئبق ، مما يحميها من ملامسة الماء. يتم تحقيق الفصل اللاحق إلى مكونات ملغم الصوديوم الناتج (الملغم عبارة عن سبيكة ، أحد مكوناتها هو الزئبق) عن طريق التصحيح. ثم يُعاد الزئبق المُطلق إلى دورة العمل.
يتضح أيضًا من استحالة الحصول على معادن تتفاعل مع الماء عن طريق التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للشوارد المقابلة. دع الكالسيوم ينخفض ​​أثناء التحليل الكهربائي لمحلول مائي عند الكاثود:

كاليفورنيا 2 + + 2 ه= كاليفورنيا.

المعدن ، بعد استعادته ، سوف يتفاعل مع الماء:

Ca + 2H 2 O \ u003d Ca (OH) 2 + H 2.

وبالتالي ، بدلاً من المعدن ، سيتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود.
المعادن ذات الجهد الكهربائي القياسي في النطاق من -1.05 فولت إلى 0 فولت (الموجودة في السلسلة الكهروكيميائية بين الألومنيوم والهيدروجين) يتم تقليلها من المحاليل المائية بالتوازي مع الهيدروجين. يتم تحديد نسبة المنتجات (المعدن والهيدروجين) من خلال تركيز المحلول وحموضته وبعض العوامل الأخرى (وجود أملاح أخرى ، خاصة معقدة ، في المحلول ؛ المادة التي يتكون منها القطب الكهربي). كلما زاد تركيز الملح ، زادت نسبة المعدن المنطلق. كلما زادت حمضية البيئة ، زادت احتمالية إطلاق الهيدروجين ، معادن ذات أقطاب قياسية موجبة
يتم إطلاق الجهود (الموجودة في سلسلة الفولتية للمعادن على يمين الهيدروجين) أثناء التحليل الكهربائي للحلول في المقام الأول. على سبيل المثال:

Ag + + ه= حج.

في الأنود ، أثناء التحليل الكهربائي للمحاليل المائية ، تتأكسد جميع الأنيونات البسيطة ، باستثناء الفلورايد. على سبيل المثال:

2 أنا - - 2 ه= أنا 2.

لا يمكن الحصول على الفلور عن طريق التحليل الكهربائي للمحاليل المائية ، لأن يتفاعل مع الماء:

F 2 + H 2 O \ u003d 2HF + 1 / 2O 2.

إذا كان الملح الذي يخضع للتحليل الكهربائي يحتوي على أنيون معقد تكون فيه الذرة غير المتجانسة (وليس الأكسجين) في أعلى حالة أكسدة ، فإن الأكسجين يتشكل عند الأنود ، أي يتحلل الماء:

H 2 O - 2 ه= 2 س + 1/2 س 2.

يمكن أن يعمل الأنيون المعقد نفسه أيضًا كمصدر للأكسجين:

– 2ه\ u003d SO 3 + 1 / 2O 2.

سيتفاعل أنهيدريد الحمض الناتج على الفور مع الماء:

SO 3 + H 2 O \ u003d H 2 SO 4.

عندما تكون ذرة غير متجانسة في حالة أكسدة وسيطة ، فإنها تتأكسد ، وليس ذرة الأكسجين. مثال على هذه العملية هو أكسدة أيون الكبريتيت تحت تأثير تيار كهربائي:

يتفاعل أنهيدريد الكبريت الناتج SO 3 على الفور مع الماء.
يتم نزع الكربوكسيل عن أنيون الأحماض الكربوكسيلية نتيجة للتحليل الكهربائي ، وتشكيل الهيدروكربونات:

2R-COO - - 2 ه= R – R + 2CO 2.

5.4. اتجاه الأكسدة
عمليات الاسترداد
وتأثير حموضة البيئة عليه

تعمل جهود الأكسدة والاختزال أو الجهد الكهربائي القياسي كمقياس لقدرة الأكسدة والاختزال للمواد في المحاليل المائية. دعونا نحدد ، على سبيل المثال ، ما إذا كان الحديد الكاتيون Fe 3+ يمكنه أكسدة أنيون الهالوجين إلى KCl و KBr و KI. من خلال معرفة جهود القطب القياسية (0) ، من الممكن حساب القوة الدافعة الكهربائية (EMF) للعملية. يتم تعريفه على أنه الفرق بين إمكانات العامل المؤكسد وعامل الاختزال ، ويستمر التفاعل بقيمة EMF موجبة:

الجدول 5.1

تحديد احتمالية التسرب
عمليات الأكسدة والاختزال
على أساس إمكانات القطب القياسية

فاتورة غير مدفوعة. يوضح الشكل 5.1 أن عملية واحدة فقط من العمليات التي تم التحقيق فيها ممكنة. في الواقع ، من بين كل هاليدات البوتاسيوم المذكورة أعلاه ، يتفاعل KI فقط مع ثلاثي كلوريد الحديد:

2FeCl 3 + 2KI = 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl.

هناك طريقة أخرى بسيطة لتحديد اتجاه العملية. إذا كتبنا معادلتين لنصف تفاعلات العملية إحداهما تحت الأخرى بحيث يكون جهد القطب القياسي للنصف العلوي من التفاعل أقل من السفلي ، فإن الحرف Z المكتوب بينهما (الشكل 5.2) سيشير بنهاياتها اتجاهات مراحل العملية المسموح بها (القاعدة Z).

من نفس المواد ، عن طريق تغيير الرقم الهيدروجيني للوسيط ، يمكن الحصول على منتجات مختلفة. على سبيل المثال ، يتم تقليل أنيون البرمنجنات في وسط حمضي لتكوين مركب منجنيز (II):

2KMnO 4 + 5Na 2 SO 3 + 3H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + 3H 2 O.

في بيئة محايدة يتكون ثاني أكسيد المنجنيز MnO 2:

2KMnO 4 + 3Na 2 SO 3 + H 2 O \ u003d 2KOH + 2MnO 2 + 3Na 2 SO 4.

في البيئة القلوية ، يتم تقليل أنيون البرمنجنات إلى أنيون المنغنات:

2KMnO 4 + Na 2 SO 3 + 2KOH \ u003d 2K 2 MnO 4 + Na 2 SO 4 + H 2 O.

5.5 تمارين

1. حدد حالات أكسدة الذرات في المركبات التالية: BaO 2 ، CsO 2 ، RbO 3 ، F 2 O 2 ، LiH ، F 2 ، C 2 H 5 OH ، التولوين ، البنزالديهيد ، حمض الأسيتيك.

في الكيمياء ، تعني مصطلحات "الأكسدة" و "الاختزال" التفاعلات التي تفقد فيها ذرة أو مجموعة ذرات أو تكتسب إلكترونات على التوالي. حالة الأكسدة هي قيمة عددية تُعزى إلى ذرة واحدة أو أكثر والتي تميز عدد الإلكترونات المعاد توزيعها وتوضح كيفية توزيع هذه الإلكترونات بين الذرات أثناء التفاعل. يمكن أن يكون تحديد هذه الكمية إجراءً بسيطًا ومعقدًا للغاية ، اعتمادًا على الذرات والجزيئات التي تتكون منها. علاوة على ذلك ، يمكن أن تحتوي ذرات بعض العناصر على العديد من حالات الأكسدة. لحسن الحظ ، هناك قواعد بسيطة لا لبس فيها لتحديد درجة الأكسدة ، للاستخدام الواثق الذي يكفي لمعرفة أساسيات الكيمياء والجبر.

خطوات

الجزء 1

تحديد درجة الأكسدة حسب قوانين الكيمياء

حدد ما إذا كانت المادة المعنية عنصرية.حالة أكسدة الذرات خارج مركب كيميائي هي صفر. تنطبق هذه القاعدة على كل من المواد المكونة من ذرات حرة فردية ، وعلى تلك التي تتكون من جزيئين أو جزيئات متعددة الذرات من عنصر واحد.

• على سبيل المثال ، Al (s) و Cl 2 لهما حالة أكسدة تساوي 0 لأن كلاهما في حالة عنصرية غير مرتبطة كيميائياً.
• يرجى ملاحظة أن الشكل المتآصل للكبريت S 8 ، أو ثماني الكبريت ، على الرغم من هيكله غير النمطي ، يتميز أيضًا بحالة أكسدة صفرية.

1. حدد ما إذا كانت المادة المعنية تتكون من أيونات.حالة أكسدة الأيونات تساوي شحنتها. هذا صحيح لكل من الأيونات الحرة وتلك التي تشكل جزءًا من المركبات الكيميائية.

   • على سبيل المثال ، حالة أكسدة أيون الكلور هي -1.
   • حالة أكسدة أيون الكلور في المركب الكيميائي NaCl هي أيضًا -1. نظرًا لأن أيون Na ، بحكم التعريف ، له شحنة +1 ، فإننا نستنتج أن شحنة أيون الكلور هي -1 ، وبالتالي فإن حالة الأكسدة الخاصة به هي -1.

2. لاحظ أن أيونات المعادن يمكن أن يكون لها العديد من حالات الأكسدة.يمكن أن تتأين ذرات العديد من العناصر المعدنية بدرجات مختلفة. على سبيل المثال ، شحنة أيونات معدن مثل الحديد (Fe) هي +2 أو +3. يمكن تحديد شحنة أيونات المعادن (ودرجة أكسدةها) من خلال شحنات أيونات العناصر الأخرى التي يكون هذا المعدن جزءًا من مركب كيميائي ؛ في النص ، يشار إلى هذه الشحنة بالأرقام الرومانية: على سبيل المثال ، الحديد (III) له حالة أكسدة +3.

   • كمثال ، ضع في اعتبارك مركبًا يحتوي على أيون الألومنيوم. إجمالي شحنة مركب AlCl 3 يساوي صفرًا. بما أننا نعلم أن Cl - أيونات لها شحنة -1 ، وأن المركب يحتوي على 3 أيونات من هذا القبيل ، من أجل الحياد الكلي للمادة المعنية ، يجب أن يكون لشحنة أيون Al +3. وبالتالي ، في هذه الحالة ، تكون حالة أكسدة الألومنيوم +3.

3. حالة أكسدة الأكسجين هي -2 (مع بعض الاستثناءات).في جميع الحالات تقريبًا ، تتمتع ذرات الأكسجين بحالة أكسدة تبلغ -2. هناك عدة استثناءات لهذه القاعدة:

   • إذا كان الأكسجين في الحالة الأولية (O 2) ، فإن حالة الأكسدة الخاصة به تكون 0 ، كما هو الحال بالنسبة للمواد الأولية الأخرى.
   • إذا تم تضمين الأكسجين بيروكسيدات، حالة الأكسدة الخاصة به هي -1. البيروكسيدات عبارة عن مجموعة من المركبات التي تحتوي على رابطة أكسجين وأكسجين واحدة (أي أنيون البيروكسيد O2-2). على سبيل المثال ، في تكوين جزيء H 2 O 2 (بيروكسيد الهيدروجين) ، يحتوي الأكسجين على شحنة وحالة أكسدة تبلغ -1.
   • بالاشتراك مع الفلور ، الأكسجين له حالة أكسدة +2 ، انظر قاعدة الفلور أدناه.

4. الهيدروجين له حالة أكسدة +1 ، مع استثناءات قليلة.كما هو الحال مع الأكسجين ، هناك أيضًا استثناءات. كقاعدة عامة ، تكون حالة أكسدة الهيدروجين +1 (ما لم تكن في الحالة الأولية H 2). ومع ذلك ، في مركبات تسمى الهيدريدات ، تكون حالة أكسدة الهيدروجين -1.

   • على سبيل المثال ، في H 2 O ، تكون حالة أكسدة الهيدروجين +1 ، نظرًا لأن شحنة ذرة الأكسجين هي -2 ، وهناك حاجة إلى شحنتين +1 للحياد الكلي. ومع ذلك ، في تكوين هيدريد الصوديوم ، تكون حالة أكسدة الهيدروجين بالفعل -1 ، نظرًا لأن أيون الصوديوم يحمل شحنة +1 ، وبالنسبة للحياد الإلكتروني الكلي ، يجب أن تكون شحنة ذرة الهيدروجين (وبالتالي حالة الأكسدة) -1.

5. الفلور دائماًلديه حالة أكسدة -1.كما لوحظ بالفعل ، يمكن أن تختلف درجة أكسدة بعض العناصر (أيونات المعادن ، وذرات الأكسجين في البيروكسيدات ، وما إلى ذلك) اعتمادًا على عدد من العوامل. ومع ذلك ، فإن حالة أكسدة الفلور هي دائمًا -1. يفسر ذلك حقيقة أن هذا العنصر لديه أعلى كهرسلبية - بعبارة أخرى ، ذرات الفلور هي الأقل رغبة في الانفصال عن إلكتروناتها وتجذب إلكترونات الآخرين بشكل أكثر نشاطًا. وبالتالي ، تظل شحنتهم دون تغيير.

6. مجموع حالات الأكسدة في المركب يساوي شحنته.حالات الأكسدة لجميع الذرات في مركب كيميائي، في المجموع يجب أن يعطي شحنة هذا المركب. على سبيل المثال ، إذا كان المركب متعادلًا ، فيجب أن يكون مجموع حالات الأكسدة لجميع ذراته صفرًا ؛ إذا كان المركب عبارة عن أيون متعدد الذرات شحنة -1 ، فإن مجموع حالات الأكسدة هو -1 ، وهكذا.

   • هذه طريقة جيدة للتحقق - إذا كان مجموع حالات الأكسدة لا يساوي إجمالي شحنة المركب ، فأنت مخطئ في مكان ما.

   الجزء 2

   تحديد حالة الأكسدة دون استخدام قوانين الكيمياء

   1. ابحث عن الذرات التي ليس لها قواعد صارمة فيما يتعلق بحالة الأكسدة.فيما يتعلق ببعض العناصر ، لا توجد قواعد ثابتة لإيجاد درجة الأكسدة. إذا كانت الذرة لا تندرج تحت أي من القواعد المذكورة أعلاه ، ولا تعرف شحنتها (على سبيل المثال ، الذرة جزء من معقد ، ولم يتم الإشارة إلى شحنتها) ، يمكنك تحديد حالة الأكسدة لمثل هذا ذرة بالقضاء. أولاً ، حدد شحنة جميع الذرات الأخرى للمركب ، ثم من الشحنة الإجمالية المعروفة للمركب ، احسب حالة أكسدة هذه الذرة.

      • على سبيل المثال ، في مركب Na 2 SO 4 ، تكون شحنة ذرة الكبريت (S) غير معروفة - نحن نعلم فقط أنها ليست صفرية ، لأن الكبريت ليس في الحالة الأولية. يعتبر هذا المركب مثالًا جيدًا لتوضيح الطريقة الجبرية لتحديد حالة الأكسدة.

   2. أوجد حالات الأكسدة لبقية العناصر في المركب.باستخدام القواعد الموضحة أعلاه ، حدد حالات الأكسدة لذرات المركب المتبقية. لا تنسَ الاستثناءات من القاعدة في حالة O و H وما إلى ذلك.

      • بالنسبة إلى Na 2 SO 4 ، باستخدام قواعدنا ، نجد أن شحنة أيون الصوديوم (ومن ثم حالة الأكسدة) هي +1 ، ولكل ذرة من ذرات الأكسجين تكون -2.
   3. في المركبات ، يجب أن يساوي مجموع كل حالات الأكسدة الشحنة. على سبيل المثال ، إذا كان المركب عبارة عن أيون ثنائي الذرة ، فيجب أن يكون مجموع حالات الأكسدة للذرات مساويًا لإجمالي الشحنة الأيونية.
   4. من المفيد جدًا أن تكون قادرًا على استخدام الجدول الدوري لمندليف ومعرفة مكان وجود العناصر المعدنية وغير المعدنية فيه.
   5. دائمًا ما تكون حالة أكسدة الذرات في الشكل الأولي صفرًا. حالة أكسدة أيون واحد تساوي شحنته. عناصر المجموعة 1 أ من الجدول الدوري ، مثل الهيدروجين والليثيوم والصوديوم في شكل عنصري لها حالة أكسدة +1 ؛ حالة أكسدة معادن المجموعة 2 أ ، مثل المغنيسيوم والكالسيوم ، في شكلها الأولي هي +2. يمكن أن يحتوي الأكسجين والهيدروجين ، حسب نوع الرابطة الكيميائية ، على 2 معان مختلفةدرجة الأكسدة.

أحد المفاهيم الأساسية في الكيمياء ، المستخدمة على نطاق واسع في إعداد معادلات تفاعلات الأكسدة والاختزال ، هو حالة الأكسدة ذرات.

لأغراض عملية (عند تجميع معادلات تفاعلات الأكسدة والاختزال) ، من الملائم تمثيل الشحنات على الذرات في الجزيئات ذات الروابط القطبية كأعداد صحيحة تساوي الشحنات التي قد تنشأ على الذرات إذا تم نقل إلكترونات التكافؤ تمامًا إلى ذرات أكثر كهربيًا ، أي ه. إذا كانت الروابط أيونية تمامًا. تسمى قيم الشحن هذه حالات الأكسدة. دائمًا ما تكون حالة أكسدة أي عنصر في مادة بسيطة 0.

في جزيئات المواد المعقدة ، دائمًا ما يكون لبعض العناصر حالة أكسدة ثابتة. تتميز معظم العناصر بحالات الأكسدة المتغيرة ، والتي تختلف في كل من الإشارة والحجم ، اعتمادًا على تكوين الجزيء.

غالبًا ما تكون حالة الأكسدة مساوية للتكافؤ وتختلف عنها فقط في الإشارة. ولكن هناك مركبات لا تساوي فيها حالة أكسدة عنصر ما تكافؤه. كما لوحظ بالفعل ، في المواد البسيطة ، تكون حالة أكسدة عنصر ما دائمًا صفراً ، بغض النظر عن تكافؤه. يقارن الجدول التكافؤات وحالات الأكسدة لبعض العناصر في المركبات المختلفة.

حالة أكسدة الذرة (عنصر) في المركب ، هذه هي الشحنة الشرطية المحسوبة على افتراض أن المركب يتكون فقط من أيونات. عند تحديد درجة الأكسدة ، يُفترض بشكل مشروط أن إلكترونات التكافؤ في المركب تنتقل إلى ذرات كهرسلبية أكثر ، وبالتالي تتكون المركبات من أيونات موجبة وسالبة الشحنة. في الواقع ، في معظم الحالات ، لا توجد عودة كاملة للإلكترونات ، ولكن فقط إزاحة زوج إلكترون من ذرة إلى أخرى. ثم يمكن إعطاء تعريف آخر: حالة الأكسدة هي الشحنة الكهربائية التي ستنشأ على ذرة إذا تم نقل أزواج الإلكترون التي ترتبط بها مع ذرات أخرى في المركب إلى المزيد من الذرات الكهربية ، وأزواج الإلكترون التي تربط نفس الذرات سيتم تقسيمها بينهما.

عند حساب حالات الأكسدة ، يتم استخدام عدد من القواعد البسيطة:

1 . حالة أكسدة العناصر في المواد البسيطة ، أحادي الذرة والجزيئية ، هي صفر (Fe 0، O 2 0).

2 . حالة أكسدة عنصر على شكل أيون أحادي الذرة تساوي شحنة هذا الأيون (Na +1 ، Ca +2 ، S -2).

3 . في المركبات ذات الرابطة القطبية التساهمية ، تشير الشحنة السالبة إلى ذرة أكثر كهربيًا ، وشحنة موجبة إلى ذرة أقل كهربيًا ، وتتخذ حالات الأكسدة للعناصر القيم التالية:

تكون حالة أكسدة الفلور في المركبات دائمًا -1 ؛

حالة أكسدة الأكسجين في المركبات هي -2 () ؛ باستثناء البيروكسيدات ، حيث تساوي رسميًا -1 () ، فلوريد الأكسجين ، حيث تساوي +2 () ، وكذلك الأكسيدات الفائقة والأوزون ، حيث تكون حالة أكسدة الأكسجين -1/2 ؛

حالة أكسدة الهيدروجين في المركبات هي +1 () ، باستثناء هيدرات المعادن ، حيث تكون -1 ( );

بالنسبة لعناصر الأرض القلوية والقلوية ، تكون حالة الأكسدة +1 و +2 على التوالي.

يمكن أن تظهر معظم العناصر حالات أكسدة متغيرة.

4 . المجموع الجبري لحالات الأكسدة في الجزيء المحايد هو صفر ، وفي أيون معقد يكون شحنة الأيون.

بالنسبة للعناصر ذات حالة الأكسدة المتغيرة ، يسهل حساب قيمتها ، مع معرفة صيغة المركب واستخدام القاعدة رقم 4. على سبيل المثال ، من الضروري تحديد حالة أكسدة الفوسفور في حمض الفوسفوريك H 3 PO 4. نظرًا لأن الأكسجين يحتوي على ثاني أكسيد الكربون \ u003d -2 ، ويحتوي الهيدروجين على ثاني أكسيد الكربون \ u003d +1 ، ثم بالنسبة لمجموع صفر في الفوسفور ، يجب أن تكون حالة الأكسدة مساوية لـ +5:

على سبيل المثال ، في NH 4 Cl ، يكون مجموع حالات الأكسدة لجميع ذرات الهيدروجين 4 × (+1) ، وحالة أكسدة الكلور هي -1 ، لذلك يجب أن تكون حالة أكسدة النيتروجين مساوية لـ -3. في أيون الكبريتات SO 4 2– ، يكون مجموع حالات الأكسدة لذرات الأكسجين الأربعة -8 ، لذلك يجب أن يكون للكبريت حالة أكسدة +6 بحيث تكون الشحنة الكلية للأيون هي -2.

إن مفهوم درجة الأكسدة لمعظم المركبات مشروط لأن لا يعكس الشحنة الفعالة الحقيقية للذرة ، لكن هذا المفهوم يستخدم على نطاق واسع في الكيمياء.

تعتمد حالة الأكسدة القصوى ، وغير المعدنية والحد الأدنى ، بشكل دوري على الرقم التسلسلي في PSCE D.I. Mendeleev ، والذي يرجع إلى الهيكل الإلكتروني للذرة.

عنصر	قيم حالة الأكسدة والأمثلة المركبة
F	–1 (التردد العالي ، KF)
ا	-2 (H 2 O، CaO، CO 2) ؛ -1 (H 2 O 2) ؛ +2 (من 2)
ن	-3 (NH3) ؛ –2 (N 2 H 4) ؛ -1 (NH 2 OH) ؛ +1 (N 2 O) ؛ +2 (لا) ؛ +3 (N 2 O 3، HNO 2) ؛ +4 (لا 2) ؛ +5 (N 2 O 5، HNO 3)
Cl	–1 (حمض الهيدروكلوريك ، كلوريد الصوديوم) ؛ +1 (NaClO) ؛ +3 (NaClO2) ؛ +5 (NaClO 3) ؛ +7 (Cl 2 O 7 ، NaClO 4)
ش	-1 (KBr) ؛ +1 (BrF) ؛ +3 (BrF 3) ؛ +5 (KBrO 3)
أنا	-1 (مرحبا) ؛ +1 (ICl) ؛ +3 (ICl 3) ؛ +5 (I 2 O 5) ؛ +7 (IO 3 F، K 5 IO 6)
ج	–4 (CH4) ؛ +2 (أول أكسيد الكربون) ؛ +4 (ثاني أكسيد الكربون ، CCl 4)
سي	–4 (Ca 2 Si) ؛ +2 (SiO) ؛ +4 (SiO 2، H 2 SiO 3، SiF 4)
ح	–1 (LiH) ؛ +1 (H 2 O، HCl)
س	–2 (H 2 S ، FeS) ؛ +2 (Na 2 S 2 O 3) ؛ +3 (Na 2 S 2 O 4) ؛ +4 (SO 2 ، Na 2 SO 3 ، SF 4) ؛ +6 (SO 3، H 2 SO 4، SF 6)
سي ، تي	–2 (H 2 Se، H 2 Te) ؛ +2 (SeCl 2، TeCl 2) ؛ +4 (سيو 2 ، تيو 2) ؛ +6 (H 2 SeO 4، H 2 TeO 4)
ص	-3 (PH 3) ؛ +1 (H3PO2) ؛ +3 (H3PO3) ؛ +5 (P 2 O 5، H 3 PO 4)
كما ، Sb	-3 (GaAs، Zn 3 Sb 2) ؛ +3 (AsCl 3، Sb 2 O 3) ؛ +5 (H 3 AsO 4، SbCl 5)
لي ، نا ، ك	+1 (كلوريد الصوديوم)
كن ، ملغ ، كاليفورنيا	+2 (MgO، CaCO 3)
ال	+3 (Al 2 O 3، AlCl 3)
سجل تجاري	+2 (CrCl2) ؛ +3 (Cr 2 O 3، Cr 2 (SO 4) 3) ؛ +4 (CrO2) ؛ +6 (K 2 CrO 4، K 2 Cr 2 O 7)
مينيسوتا	+2 (MnSO4) ؛ +3 (Mn 2 (SO 4) 3) ؛ +4 (MnO2) ؛ +6 (K2MnO4) ؛ +7 (KMnO 4)
الحديد	+2 (الحديد O ، FeSO 4) ؛ +3 (Fe 2 O 3، FeCl 3) ؛ +4 (Na 2 FeO 3)
النحاس	+1 (نحاس 2 س) ؛ +2 (CuO ، CuSO 4 ، Cu 2 (OH) 2 CO 3)
اي جي	+1 (AgNO3)
Au	+1 (AuCl) ؛ +3 (AuCl 3 ، KAuCl 4)
Zn	+2 (ZnO، ZnSO4)
زئبق	+1 (Hg 2 Cl 2) ؛ +2 (HgO، HgCl 2)
sn	+2 (SnO) ؛ +4 (SnO 2، SnCl 4)
الرصاص	+2 (PbO، PbSO 4) ؛ +4 (PbO2)

في التفاعلات الكيميائية ، يجب أن تتحقق قاعدة حفظ المجموع الجبري لحالات الأكسدة لجميع الذرات. في المعادلة الكاملة تفاعل كيميائييجب أن تعوض عمليات الأكسدة والاختزال بعضها البعض تمامًا. على الرغم من أن درجة الأكسدة ، كما هو مذكور أعلاه ، هي مفهوم رسمي إلى حد ما ، إلا أنها تستخدم في الكيمياء للأغراض التالية: أولاً ، لوضع معادلات لتفاعلات الأكسدة والاختزال ، وثانيًا ، توقع خصائص الأكسدة والاختزال للعناصر في الاتصال.

تتميز العديد من العناصر بقيم عديدة لحالات الأكسدة ، ومن خلال حساب حالة الأكسدة ، يمكن التنبؤ بخصائص الأكسدة والاختزال: يمكن لعنصر في أعلى حالة أكسدة سالبة أن يتبرع فقط بالإلكترونات (يتأكسد) ويكون عامل اختزال ، في أعلى المستويات في حالة الأكسدة الإيجابية ، يمكن فقط قبول الإلكترونات (الاختزال) وتكون عاملاً مؤكسدًا ، في حالات الأكسدة الوسيطة - المؤكسدة والمختصرة.

الأكسدة - الاختزال هي عملية واحدة مترابطة. أكسدة يتوافق مع زيادة في حالة أكسدة العنصر ، و استعادة - تخفيضه.

تلتزم العديد من الكتيبات بتفسير الأكسدة على أنها فقدان للإلكترونات والاختزال كإضافة لها. هذا النهج ، الذي اقترحه العالم الروسي Pisarzhevsky (1916) ، قابل للتطبيق على العمليات الكهروكيميائية على الأقطاب الكهربائية ويشير إلى تفريغ (شحن) الأيونات والجزيئات.

ومع ذلك ، فإن تفسير التغيير في حالات الأكسدة كعمليات فصل وإضافة الإلكترونات غير صحيح بشكل عام. يمكن تطبيقه على بعض الأيونات البسيطة مثل

Cl - - ®Cl 0.

لتغيير حالة أكسدة الذرات في أيونات معقدة من النوع

CrO 4 2 - ®Cr +3

انخفاض في حالة الأكسدة الإيجابية للكروم من +6 إلى +3 يتوافق مع زيادة حقيقية أصغر في الشحنة الموجبة (على Cr في CrO 4 2 - شحنة حقيقية "+0.2 شحنة إلكترونية ، وعلى Cr +3 - من +2 إلى +1.5 في مركبات مختلفة).

يحدث نقل الشحنة من عامل الاختزال إلى العامل المؤكسد ، والذي يساوي التغير في درجة الأكسدة ، في هذه الحالة بمشاركة جسيمات أخرى ، على سبيل المثال ، H + أيونات:

CrO 4 2 - + 8H + 3 ®Cr +3 + 4H 2 O.

الإدخال المقدم بعنوان نصف ردود الفعل .

معلومات مماثلة.

لوضعها بشكل صحيح الأكسدةهناك أربع قواعد يجب وضعها في الاعتبار.

1) في مادة بسيطة ، تكون حالة أكسدة أي عنصر هي 0. أمثلة: Na 0 ، H 0 2 ، P 0 4.

2) يجب أن تتذكر العناصر المميزة لها حالات الأكسدة المستمرة. كل منهم مدرج في الجدول.

3) أعلى درجةتتطابق أكسدة عنصر ما ، كقاعدة عامة ، مع عدد المجموعة التي يوجد بها هذا العنصر (على سبيل المثال ، الفوسفور موجود في المجموعة الخامسة ، أعلى SD للفوسفور هو +5). استثناءات مهمة: F ، O.

4) يعتمد البحث عن حالات الأكسدة للعناصر المتبقية على قاعدة بسيطة:

في الجزيء المحايد ، يكون مجموع حالات الأكسدة لجميع العناصر مساويًا للصفر ، وفي الأيون - شحنة الأيون.

بعض الأمثلة البسيطة لتحديد حالات الأكسدة

مثال 1. من الضروري إيجاد حالات أكسدة العناصر في الأمونيا (NH 3).

حل. نحن نعلم بالفعل (انظر 2) أن الفن. نعم. الهيدروجين +1. يبقى أن نجد هذه الخاصية للنيتروجين. دع x تكون حالة الأكسدة المرغوبة. نؤلف أبسط معادلة: x + 3 (+1) \ u003d 0. الحل واضح: x \ u003d -3. الجواب: N -3 H 3 +1.

مثال 2. حدد حالات الأكسدة لجميع الذرات في جزيء H 2 SO 4.

حل. حالات أكسدة الهيدروجين والأكسجين معروفة بالفعل: H (+1) و O (-2). نقوم بتكوين معادلة لتحديد درجة أكسدة الكبريت: 2 (+1) + x + 4 (-2) \ u003d 0. لحل هذه المعادلة نجد: x \ u003d +6. الجواب: H +1 2 S +6 O -2 4.

مثال 3. احسب حالات الأكسدة لجميع العناصر في جزيء Al (NO 3) 3.

حل. تبقى الخوارزمية دون تغيير. يتضمن تكوين "جزيء" نترات الألومنيوم ذرة واحدة من Al (+3) و 9 ذرات أكسجين (-2) و 3 ذرات نيتروجين ، وهي حالة الأكسدة التي يتعين علينا حسابها. المعادلة المقابلة: 1 (+3) + 3x + 9 (-2) = 0. الإجابة: Al +3 (N +5 O -2 3) 3.

مثال 4. تحديد حالات الأكسدة لجميع الذرات في (AsO 4) 3- أيون.

حل. في هذه الحالة ، لن يكون مجموع حالات الأكسدة مساويًا للصفر ، بل شحنة الأيون ، أي -3. المعادلة: س + 4 (-2) = -3. الجواب: As (+5)، O (-2).

ماذا تفعل إذا كانت حالات الأكسدة لعنصرين غير معروفة

هل من الممكن تحديد حالات الأكسدة لعدة عناصر في وقت واحد باستخدام معادلة مماثلة؟ إذا نظرنا إلى هذه المشكلة من وجهة نظر الرياضيات ، فستكون الإجابة بالنفي. لا يمكن أن تحتوي المعادلة الخطية ذات المتغيرين على حل فريد. لكننا لا نحل معادلة فقط!

مثال 5. أوجد حالات الأكسدة لجميع العناصر في (NH4) 2 SO 4.

حل. حالات أكسدة الهيدروجين والأكسجين معروفة ، لكن الكبريت والنيتروجين غير معروفين. مثال كلاسيكيمشاكل مع مجهولين! سوف نعتبر كبريتات الأمونيوم ليس كـ "جزيء" واحد ، ولكن كمزيج من أيونين: NH 4 + و SO 4 2-. نعرف شحنات الأيونات ، فكل منها يحتوي على ذرة واحدة فقط بدرجة أكسدة غير معروفة. باستخدام الخبرة المكتسبة في حل المشكلات السابقة ، يمكننا بسهولة العثور على حالات أكسدة النيتروجين والكبريت. الجواب: (N -3 H 4 +1) 2 S +6 O 4 -2.

الخلاصة: إذا كان الجزيء يحتوي على عدة ذرات ذات حالات أكسدة غير معروفة ، فحاول "تقسيم" الجزيء إلى عدة أجزاء.

كيفية ترتيب حالات الأكسدة في المركبات العضوية

مثال 6. حدد حالات الأكسدة لجميع العناصر في CH 3 CH 2 OH.

حل. إن العثور على حالات الأكسدة في المركبات العضوية له خصائصه الخاصة. على وجه الخصوص ، من الضروري إيجاد حالات الأكسدة لكل ذرة كربون بشكل منفصل. يمكنك التفكير على النحو التالي. ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، ذرة الكربون في مجموعة الميثيل. ترتبط ذرة C هذه بثلاث ذرات هيدروجين وذرة كربون مجاورة. بواسطة اتصالات S-Nهناك تحول في كثافة الإلكترون نحو ذرة الكربون (لأن الكهربية الكهربية لـ C تتجاوز EO للهيدروجين). إذا كان هذا الإزاحة كاملاً ، فستكتسب ذرة الكربون شحنة مقدارها -3.

ذرة C في المجموعة -CH 2 OH مرتبطة بذرتين من الهيدروجين (تحول كثافة الإلكترون نحو C) ، ذرة أكسجين واحدة (تحول كثافة الإلكترون نحو O) وذرة كربون واحدة (يمكننا أن نفترض أن التحولات في كثافة الإلكترون في هذا القضية لا تحدث). حالة أكسدة الكربون هي -2 +1 +0 = -1.

الجواب: C -3 H +1 3 C -1 H +1 2 O -2 H +1.

لا تخلط بين مفهومي "التكافؤ" و "حالة الأكسدة"!

غالبًا ما يتم الخلط بين حالة الأكسدة والتكافؤ. لا ترتكب هذا الخطأ. سأدرج الاختلافات الرئيسية:

• حالة الأكسدة لها علامة (+ أو -) ، التكافؤ - لا ؛
• يمكن أن تكون درجة الأكسدة مساوية للصفر حتى في مادة معقدة ، وتعني تساوي التكافؤ إلى الصفر ، كقاعدة عامة ، أن ذرة هذا العنصر غير مرتبطة بذرات أخرى (لن نناقش أي نوع من مركبات التضمين و "عناصر غريبة" أخرى هنا) ؛
• درجة الأكسدة هي مفهوم رسمي لا يكتسب معنى حقيقيًا إلا في المركبات ذات الروابط الأيونية ، فإن مفهوم "التكافؤ" ، على العكس من ذلك ، هو الأكثر ملاءمة للمركبات التساهمية.

غالبًا ما تكون حالة الأكسدة (بتعبير أدق ، معاملها) مساوية عدديًا للتكافؤ ، ولكن في كثير من الأحيان لا تتطابق هذه القيم. على سبيل المثال ، حالة أكسدة الكربون في CO 2 هي +4 ؛ التكافؤ C يساوي أيضًا IV. ولكن في الميثانول (CH 3 OH) ، يظل تكافؤ الكربون كما هو ، وحالة أكسدة C هي -1.

اختبار صغير حول موضوع "درجة الأكسدة"

خذ بضع دقائق للتحقق من كيفية فهمك لهذا الموضوع. أنت بحاجة للإجابة على خمسة أسئلة بسيطة. حظ سعيد!