معلومات عن الأكسدة والاختزال في حياتنا

أهمية علميات الأكسدة والاختزال وآثارها 

كشأن أهمية التفاعلات الكيمائية في حياتنا فإن علميات الأكسدة والاختزال من أهم ادوار الكيمياء في مختلف الصناعات  والمجالات الطبية ،
فقد لا تعلم أن  المصادر الرئيسية للطاقة على هذا الكوكب، سواء كانت طبيعية أو بيولوجية أو صناعية ،
هو بسبب  دور الأكسدة والاختزال . 
حيث أن التفاعلات التي تسمح باستخراج الطاقة من الجزيئات ،
وأن المسؤول عن التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي للنبات  ،
و السبب وراء تكون المعادن وتجمعها وتغير ألوان الصخور ،
كلها هي تفاعلات الأكسدة والاختزال .

تعريف الأكسدة والاختزال :

الأكسدة هي عملية فقدان للالكترونيات من قبل الذرات أو الجزيئات أو الايونات ينتج عنها زيادة في الشحنة الموجبة   أو نقصان في الشحنة السالبة.
و الاختزال هي عملية معاكسة للأكسدة حيث أنها اكتساب للإلكترونات .

أولا : تطبيقات الأكسدة والاختزال الصناعية  

1.بطارية السيارة :

 بطارية السيارة هي مثال قريب لتفاعلات (أكسدة-اختزال)، وتتكون بطارية الرصاص في أبسط صورها من لوح رصاص ولوح من أكسيد الرصاص، ويوجد اللوحان في محلول حامض الكبريتيك وتعمل البطارية باختزال لوح أكسيد الرصاص وفي نفس الوقت يتأكسد لوح الرصاص.
 وتستمر البطارية بالعمل بهذا الشكل حتى “تنفد” عندما يكون كل الرصاص قد تأكسد وكل أكسيد الرصاص قد اختزل، عندئذ تلزم إعادة شحن البطارية. 

عند تشغيل البطارية يتفاعل الحامض – ويسمى بالعربية كهرل   – مع الألواح منتجا كبريتات الرصاص  ، ويفقد الكهرل “المحلول” حامض الكبريتيك  ويصبح تقريبا ماء .

وعند شحن البطارية ينعكس التفاعل الكيميائي بحيث يتحول كبريتات الرصاص إلى أكسيد الرصاص  ورصاص و بذلك تستعيد ألواح البطارية تركيبها الأصلي، ويمكن للبطارية أن تعمل من جديد.

2. التعدين :

 يستخدم حرق وقود أحفوري مثل (الفحم والنفط والغاز الطبيعي) في محطات القوى لإنتاج الطاقة الكهربائية، وكذلك تستخدم كثيراً من التفاعلات في التعدين مثل (تفاعل الفرن العالي)، إذ انه في عملية الفرن العالي يُختزل الحديد بواسطة الفحم الحجري،
وينتج خلال هذا التفاعل تفاعلي جانبي ينتج عنه أول أكسيد الكربون وهو مادة مُختزلة جيدة، ولا يتفاعل أول أكسيد الكربون سريعاً ويتحول إلى ثاني أكسيد الكربون عند انخفاض وجود الاكسجين في الفرن، وبإمداد الفرن بالحرارة بإحراق الفحم، ينتج غاز أول أكسيد الكربون وهو مادة مختزلة جيدة، وأخيراً يُختزل أكسيد الحديد بواسطة أول أكسيد الكربون وينتج الحديد النقي .

وأيضاً في تفاعل الثرميت للحام قضبان السكك الحديدية، ولتحضير عدد من معادن من أكاسيدها يمكن استخدام الألمونيوم كمادة اختزال ، وذلك عندما يكون المعدن أشد خمولاً من الألمونيوم.

في تلك العملية يستخدم الألمونيوم في صورة مسحوق والطريقة تسمى “طريقة الألمونيوم الحرارية”، ويخلط أكسيد الحديد مع مسحوق الألمونيوم – وهذا الفاعل يسمى “تفاعل الثرميت” ويُشعل فيُختزل أكسيد الحديد وينتج الحديد المنصهر الذي يستخدم في لحام قضبان السكك الحديدية ، وكما تستخدم في القنابل الحارقة أيضاً.

3. المواد الغذائية :

 وكأمثلة لتفاعلات (أكسدة-اختزال) يتم تحضير “الزيوت الصناعية”، وتستخدم عملية هدرجة محفزة تُجرى على زيوت نباتية، هدرجة حمض دهني غير مشبع بواسطة إضافة الهيدروجين، وكذلك تستخدم بعض الأملاح مثل نترات الصوديوم ونترات البوتاسيوم للحفاظ على اللحم بتغطيته بتلك الأملاح  فيمنع “النتريت” تكاثر الجراثيم .

 وأيضاً تضاف إلى المواد الغذائية الدهنية مواد “مضادة للتأكسد” لمنع أكسدتها وفسادها ، وتتأكسد مضادات التأكسد بدلاً عنه.

4. استخلاص الفلزات:

 وتستخلص الفلزات من خاماتها بعدّة طرق منها :

 1 –   الاختزال الكيميائي : يتم اختزال العنصر بواسطة عامل مختزل مثل الصوديوم أو المغنيسيوم أو الألمنيوم أو الكربون , ويفضل عادة استخدام الكربون, بسبب قلة تكلفته ووفرته وسهولة الحصول عليه, وذلك بعد تحويل خامة العنصر الأصلية إلى أكسيده , بتسخينها في الهواء إلى درجة حرارة عالية .

2-    التحليل الكهربائي : وهي عملية سريان تيار كهربائي في محلول أو مصهور مادة أيونية مما يؤدي إلى حدوث تفاعلات التأكسد والاختزال على الأقطاب ويجب توفر مصدر فرق جهد، تستخدم خلايا التحليل الكهربائي في استخلاص بعض العناصر من خاماتها المصهورة , ومن هذه العناصر : الليثيوم والصوديوم والمغنيسيوم والألمنيوم .

5.  الوقود المستخدم في الصواريخ الحاملة للمركبات الفضائية :

 وتعد من ابرز العمليات على تفاعلات “التأكسد والاختزال” وتوجد عدّة أنواع مختلفة من هذا الوقود نذكر منها : غاز الهيدروجين الوقود الصلب الهيدرازين، ويستخدم غاز الهيدروجين كوقود في الصواريخ الحاملة للمركبات الفضائية , حيث يحترق غاز الهيدروجين بوجود كمية كافية من الأكسجين , منتجاً طاقة هائلة .

 وأيضاً خليط من بيركلورات الأمونيوم NH 4 ClO 4 ومسحوق الألمنيوم كوقود في الصواريخ , حيث يوضع الخليط في المحركين المساعدين على جانبي الخزان الرئيسي حيث يبدأ التفاعل بشرارة كهربائية , مما تؤدي إلى تأكسد الألمنيوم وإطلاق كمية هائلة من الحرارة , فتتمدد الغازات مؤدية إلى اندفاع الصاروخ بقوة كبيرة ويصاحب ذلك خروج أكسيد الألمنيوم على شكل غيمة بيضاء كثيفة أسفل الصاروخ .

6. آلية عمل أفلام التصوير في الكاميرات:

 يتم اختزال ايونات الفضة Ag + وتحويلها إلى ذرات فضة عند تعرضها للضوء المرئي أو أي نوع من أنواع الأشعة، وتتكون أفلام التصوير الحساسة من : مزيج من هاليدات الفضة (AgCl,AgBr,AgI), موزعة بشكل منتظم على شكل حبيبات في مستحلب جلاتيني مثبت على قاعدة زجاجية أو بلاستيكية .

 7. قصر الألوان ( التبييض) :

التبييض أو قصر الألوان  هو عملية إزالة اللون الطبيعي للألياف مثل القطن والصوف ، أو المنسوجات أو الورق باستخدام مواد التبييضات وهي الكلور وهيبوكلوريت الصوديوم وهيبوكلوريت الكالسيوم وبيروكسيد الهيدروجين.

كما يستخدم التبييض ايضا كمطهر بفعل قدرة العملية على إبادة الجراثيم ..

و كان ضوء الشمس يستخدم قديما كمبيض قبل اكتشاف غاز الكلور سنة 1774 م بواسطة الكيميائي السويدي كارل فلهلم شيله ،  ثم اكتشاف خصائص الكلور  كمبيض سنة 1785 بواسطة الكيميائي الفرنسيي كلود لوي برتوليه.

ثانيا : أكسدة الفلزات  :

بعض الفلزات تتضرر بفعل الأكسدة مثل الحديد ، بعكس البعض مثل الألمونيوم والخارصين .
أ-  (تأكسد الحديد) أو ما يعرف (بصدأ الحديد)
وهو بسبب الأكسجين المتواجد في الهواء  ويزيد في الهواء الرطب ،ويفقد الحديد بسببه خصائصه البنائية، وجاذبية لمعانه في تفاعل تلقائي بسبب سقوط طبقة أكسيد الحديد ، مما يعرض الطبقة الداخلية إلى الأكسدة ثانيةً , وهكذا .
ولحماية الحديد من “الأكسدة” نلجأ إلى عدّة عمليات منها: طلاء الحديد بأحد العناصر الأكثر منه نشاطاً ومقاومة للتآكل , فمثلاً يتفاعل الخارصين مع الهواء الجوي وثاني أكسيد الكربون مكوناً طبقة رقيقة من كربونات الخارصين القاعدية ، مما يمنع التماس بين الحديد والهواء الجوي, وتعمل هذه الطبقة على حماية الخارصين نفسه أيضاً .

ب- أكسدة الألمونيوم
الألمنيوم ينتج طبقة رقيقة من أكسيد الفلز تعمل على حماية الطبقة الداخلية من الاستمرار بالتأكسد .

ثالثا : انتاج الطعام أهم عمليات الأكسدة والاختزال

 التمثيل الضوئي  في النباتات هو أهم عمليات الأكسدة والاختزال في حياتنا في انتاج الطعام والأكسجين اللازم للتنفس ،فالتمثيل الضوئي أو التركيب الضوئي  التي تحدث في النباتات الخضراء وهي الوظيفة الأساسية لأوراق النباتات حيث  تستخدم النباتات الخضراء الطاقة من الضوء، في تركيب ثاني أكسيد الكربون الذي تمتصه من الهواء،  مع الماء، لصنع السكر، والمركبات الكيميائية الأخرى .

 وكل طعامنا يأتي من هذا النشاط الهام حيث يتم تحويل طاقة الضوء إلى طاقة كيميائية تخزن في الطعام الذي تنتجه النباتات الخضراء ،ثم تأكل الحيوانات النباتات، ونأكل نحن المنتجات الحيوانية وكذلك النباتات .

ثاني أكسيد الكربون + ماء + طاقة ضوئية لإنتاج  جلوكوز + أكسجين + ماء