موازنه واکنش های اکسایش و کاهش چگونه انجام می شود؟

هرگونه تغییر شیمیایی را که در نتیجه انتقال الکترون انجام شده باشد را واکنش اکسایش کاهش (reduction-oxidation) یا ردوکس (Redox) می نامند.

به بیان دیگر به واکنشی گفته می شود که در طی انجام آن یک یا چند اتم، الکترون از دست داده، در حالی که یک یا چند اتم دیگر الکترون می گیرند. در مطالب پیشین نشریه جهان شیمی فیزیک، در خصوص مفهوم عدد اکسایش و نحوه تعیین آن و همچنین واکنش های اکسایش کاهش مطالبی را مطرح کرده ایم.

موازنه واکنش های شیمیایی:
برای تحلیل یک واکنش شیمیایی لازم است که در ابتدا موازنه واکنش را انجام دهید. در واقع به واکنشی که تعداد اتم های مربوط به هر عنصر در دو طرف واکنش برابر باشد، واکنش موازنه شده گفته می شود. به طور مشابه زمانیکه تعداد هر نوع اتم در دو طرف معادله با هم یکسان نباشد، معادله موازنه نشده می باشد.

روش های متفاوت و گوناگونی برای موازنه واکنش های شیمیایی تعریف شده است. هر کدام از این روش ها می توانند در بعضی موارد بهتر از سایر روش ها باشند. بنابراین با تمرین و تکرار می توان مهارت موازنه کردن را بهبود بخشید.

لازم به ذکر است که، موازنه یک واکنش در حقیقت قانون پایستگی جرم را اثبات می کند. زیرا در یک واکنش شیمیایی اتم ها و یا تعداد آنها را نمی توان از بین برد. بلکه فقط می توان با مولکول های واکنش دهنده کار کرد و یا در نهایت در آنها تغییری ایجاد نمود.

در یک واکنش شیمیایی از نوع اکسایش و کاهش، علاوه بر قانون بقای جرم قانون بقای بار الکتریکی نیز باید رعایت شود. از این جهت، در ابتدا باید مشخص شود که کدام عنصر اکسید و کدام یک کاهیده شده است. بر طبق تعریف، اتم یا مولکولی که الکترون جذب می کند، کاهش می یابد و اتم یا مولکولی که الکترون از دست می دهد اکسایش یافته است.

توجه داشته باشید که یک ماده نمی تواند احیا شود مگر آن که همزمان ماده ای دیگر، اکسید شود. بنابراین، ماده ای که اکسید می شود کاهنده می باشد و به سایر مولکول ها الکترون می دهد. به طور مشابه مولکول اکسید کننده از سایر مولکول ها الکترون می گیرد، در این حالت آنها را اکسید کرده و خود احیا می شود.

موازنه واکنش های اکسایش و کاهش:
به طور معمول موازنه واکنش های اکسایش و کاهش که کاکس نامیده می شود، سختر از موازنه سایر واکنش ها می باشد. برای موازنه این دسته از واکنش ها از دو روش متداول زیر استفاده می شود.

• 1- روش عدد اکسایش.
• 2- روش یون الکترون.

روش عدد اکسایش:
همان طور که می دانید، در جریان یک واکنش شیمیایی از نوع اکسایش و کاهش، اعداد اکسایش برخی از واکنش دهنده ها و یا حتی تمامی آنها تغییر می کند. از آنجایی که در هر واکنش شیمیایی، همان گونه که قانون بقای جرم باید رعایت شود، قانون بقای بار الکتریکی نیز باید رعایت گردد.

بنا به قانون بقای جرم، در موازنه واکنش های شیمیایی باید تعداد اتم ها یا اتم گرم های هر عنصر در دو طرف یک معادله شیمیایی برابر و مساوی باشد.

برای برقراری موازنه بار الکتریکی، تعداد الکترون هایی که واکنش دهنده ها می توانند بگیرند، با تعداد الکترون هایی که واکنش دهنده دیگر از دست می دهد، باید برابر و مساوی باشد. در نتیجه در این روش می توان از تغییر اعداد اکسایش برای موازنه واکنش های شیمیایی استفاده نمود.

در روش عدد اکسایش برای موازنه کردن واکنش های اکسایش و کاهش، مراحل زیر وجود دارد:

1- عدد اکسایش هر یک از عناصر شرکت کننده در واکنش را برای شناسایی اتم هایی که اکسید و یا احیا شده اند تعیین می کنند. لازم به ذکر است که عدد اکسایش اتمی که احیا می شود کاهش یافته است. بنابراین، تغییر عدد اکسایش آن در واکنش منفی می باشد.

از طرف دیگر، عدد اکسایش اتمی که اکسید می شود، افزایش یافته است، بنابراین تغییر آن در واکنش مثبت می باشد. تغییر عدد اکسایش هر اتم در واقع از عدد اکسایش آن اتم بعد از شرکت در واکنش منهای عدد اکسایش همان اتم قبل از شرکت در واکنش محاسبه می شود.

2- اگر اتمی در سمت چپ واکنش مورد نظر زیروندی به غیر از یک داشته باشد، باید تغییر عدد اکسایش را در آن زیروند ضرب نمود. لازم به ذکر است که مقدار تغییر عدد اکسایش را بدون علامت در زیروند ضرب می کنند.

3- مقدار کاهش عدد اکسایش را ضریب عنصر اکسید شده و به طور مشابه میزان افزایش عدد اکسایش را ضریب عنصر احیا شده قرار می دهند. توجه داشته باشید که ضرایب به گونه ای اضافه می شوند که در نهایت کاهش کل در عدد اکسایش با افزایش کل برابر شوند. زیرا شرط اصلی در یک واکنش اکسایش - کاهش اینست که مجموع جبری تغییر در اعداد اکسایش برابر با صفر باشد.

4- در واکنش هایی که شامل ترکیبات هیدروژن دار و یا اکسیژن دار می باشند، تشکیل مولکول آب در آنها بسیار محتمل می باشد. بنابراین، در بیشتر موارد می توان برای موازنه کردن اتم های هیدروژن و اکسیژن، مولکول های آب را به تعداد لازم به یکی از طرفین واکنش اضافه نمود.

مثال:
ضرایب معادله واکنش زیر را به روش تغییر عدد اکسایش موازنه کنید.

• H2SO4 + Cu → CuSO4 + SO2 + H2O

همانطور که در شکل مشخص است، فلز مس اکسایش یافته است، بنابراین کاهنده می باشد. در حالی که گوگرد کاهش یافته است، پس نقش اکسنده را دارد. علاوه بر آن، در واکنش مذکور با شرکت یک Cu و تبدیل آن به کاتیون +Cu2 و از طرف دیگر شرکت یک S از مولکول اسید سولفوریک و تبدیل آن به مولکول SO2، واکنش از نظر تغییر عدد اکسایش موازنه می باشد.

یعنی در حقیقت، مجموع جبری تغییر اعداد اکسایش واکنش مورد نظر برابر با صفر شده است.

• 1 (+2) + 1 (-2) = 0

بعد از موازنه معادله شیمیایی از لحاظ تغییر اعداد اکسایش، در قدم آخر سراغ موازنه معادله از نظر جرم می رویم. توجه داشته باشید که برای برقراری موازنه جرمی، باید ضریب مولکول H2SO4 را برابر با 2 در نظر گرفت، بنابراین به همین صورت ضریب مولکول های SO2 و H2O نیز برابر با 2 می شود. معادله نهایی موازنه شده به صورت زیر می باشد.

• 2H2SO4 + Cu → CuSO4 + SO2 + 2H2O

روش یون الکترون:
این روش به نام های روش نیمه سلولی، نیم واکنش و یا نیم پیلی نیز مشهور می باشد. همانطور که در مقاله اکسایش - کاهش بیان شد، از دست دادن یا گرفتن الکترون به تنهایی انجام نمی شود. بنابراین در یک واکنش شیمیایی، هر اکسایش با کاهش متناظر همراه می باشد. در حقیقت یک نیم واکنش بخشی از یک واکنش کلی اکسیداسیون احیا می باشد که طی آن الکترون های آزاد به وسیله مواد گرفته یا آزاد می شوند.

در واقع به کلیه واکنش هایی که طی آن ماده ای الکترون از دست می دهد و عدد اکسایش آن افزایش می یابد اکسایش می گویند، درحالی که به کلیه واکنش هایی که طی آن ماده ای الکترون می گیرد و عدد اکسایش آن کاهش می یابد احیا گفته می شود. در نیمه واکنش های اکسایش و کاهش، الکترون ها به ترتیب در سمت راست و چپ نیمه واکنش نوشته می شوند.

لازم به ذکر است که در موازنه واکنش های شیمیایی به روش یون - الکترون، دو دسته واکنش دارید که کمی با یکدیگر متفاوت می باشند. یک دسته برای واکنش هایی می باشد که در محلول اسیدی انجام می گیرند. دسته دوم مربوط به واکنش هایی است که در محلول قلیایی انجام می شوند.در این حالت در محیط، یون های هیدروژن یا هیدروکسید خواهید داشت.

به طور کلی، وقتیکه مواد واکنش به صورت محلول های آبی باشند، روش یون الکترون روش بهتر و مناسب تری نسبت به روش موازنه اکسایش و کاهش به کمک عدد اکسایش می باشد.

به طور کلی، موازنه کردن یک واکنش اکسایش کاهش با استفاده از این روش شامل سه مرحله می باشد که عبارت اند از:

1- معادله اولیه که موازنه نشده است را به دو نیمه واکنش اولیه موازنه نشده تفکیک می شود. زیرا همانطور که بیان شد، هر واکنش اکسایش-کاهش در حقیقت مجموع دو نیمه واکنش اکسایش و کاهش می باشد.

2- هر نیمه واکنش به طور جداگانه از لحاظ اتمی (عنصری) موازنه می شود. در ادامه کار، تعداد الکترون ها را موازنه می کنند. به صورتی که تعداد الکترون های از دست رفته در نیم واکنش اکسایش با تعداد الکترون های گرفته شده در نیم واکنش کاهش متناظر با آن برابر باشند.

در واقع می توان به هر نیمه واکنش، الکترون اضافه کرد تا بار خالص در سمت راست معادله مورد نظر با بار خالص در سمت چپ آن معادله برابر شود. همچنین اگر نیاز بود می توان یک یا هر دو معادله جزئی را در عددی ضرب نمود تا تعداد الکترون های گرفته شده و از دست رفته برابر شود.

3- با جمع کردن دو نیمه واکنش اکسایش و کاهش موازنه شده، معادله اکسایش-کاهش موازنه شده نهایی را به دست می آورند. توجه داشته باشید که در مرحله دوم، تمام الکترون ها حذف می شوند. بنابراین در معادله موازنه شده نهایی ظاهر نمی شوند. در صورتیکه الکترونی در معادله نهایی باقی مانده باشد، آن معادله نادرست می باشد.

موازنه اتم های اکسیژن و هیدروژن در روش نیمه واکنش ها:
در واکنش هایی که در محلول اسیدی انجام می شوند، برای موازنه اتم های اکسیژن و هیدروژن، هر سمت معادله که اتم اکسیژن کم داشته باشد، به همان تعداد مولکول H2O اضافه می کنند. علاوه بر آن به طرف مقابل به تعداد دو برابر تعداد مولکول های آب اضافه شده، کاتیون +H اضافه می شود. به عنوان نمونه نیم واکنش زیر را در نظر بگیرید.

• Cr2O72- + 6e- → 2Cr3+

معادله موازنه شده به صورت زیر است.

• Cr2O72- + 6e- + 14H+ → 2Cr3+ + 7H2O

در واکنش هایی که در محلول قلیایی انجام می شوند، برای موازنه اتم های اکسیژن و هیدروژن، هر سمت معادله که اتم اکسیژن کم داشته باشد، دو برابر تعداد مورد نیاز آنیون -OH اضافه می کنند. علاوه بر آن به طرف مقابل نصف تعداد آنیون -OH اضافه شده، مولکول H2O اضافه می شود. به عنوان نمونه نیم واکنش زیر را در نظر بگیرید.

• Cl° → ClO3- + 5e-

معادله موازنه شده به صورت زیر است.

• Cl° + 6OH- → ClO3- + 5e- + 3H2O

مثال برای واکنش های محلول قلیایی

• MnO4- (aq) + C2O42- (aq) + OH- (aq) → MnO2 (s) + CO32- (aq) + H2O (l)

در مرحله اول، معادله کلی را به صورت دو معادله جزئی می نویسند.

نیم واکنش کاهش:

• MnO4- (aq) → MnO2 (s)

نیم واکنش اکسایش:

• C2O42- (aq) → 2CO32- (aq)

در مرحله دوم به موازنه جرم هر یک از نیم واکنش ها می پردازند. در اینجا چون واکنش در محیط قلیایی انجام می شود، بنابراین برای موازنه اتم های اکسیژن و هیدروژن از قوانین مربوط به محیط قلیایی استفاده می کنند.

• 2H2O (l) + MnO4- (aq) → MnO2 (s) + 4OH- (aq)
• 4OH- (aq) + C2O42- (aq) → 2CO32- (aq) + 2H2O (l)

همچنین، موازنه بار به وسیله قرار دادن تعداد مناسب الکترون در هر نیم واکنش انجام می شود.

• 2H2O (l) + MnO4- (aq) + 3e → MnO2 (s) + 4OH- (aq)
• 4OH- (aq) + C2O42- (aq) → 2CO32- (aq) + 2H2O (l) + 2e

برای موازنه کردن الکترون ها، معادله اول را در عدد 2 و معادله دوم را در عدد 3 ضرب می کنند. در این صورت الکترون از دو طرف معادله حذف می شود.

• 4H2O (l) + 2MnO4- (aq) + 6e → 2MnO2 (s) + 8OH- (aq)
• 12OH- (aq) + 3C2O42- (aq) → 6CO32- (aq) + 6H2O (l) + 6e

در نهایت دو معادله را با یکدیگر جمع کرده و معادله کلی نوشته می شود.

• 2MnO4- (aq) + 3C2O42- (aq) + 4OH- (aq) → 2MnO2 (s) + 6CO32- (aq) + 2H2O (l)

مثال برای واکنش های محلول اسیدی

• I- (aq) + H2O2 (aq) + H+ (aq) → I2 (aq) + H2O (l)

در مرحله اول، معادله کلی را به صورت دو معادله جزئی می نویسند.

نیم واکنش کاهش:

• I- (aq) → I2 (aq)

نیم واکنش اکسایش:

• H2O2 (aq) → H2O (l)

در مرحله دوم به موازنه جرم هر یک از نیم واکنش ها می پردازند. در اینجا چون واکنش در محیط اسیدی انجام می شود، بنابراین در نیم واکنش کاهش از کاتیون +H برای موازنه کامل جرم استفاده شد.

• 2I- (aq) → I2 (aq)
• H2O2 (aq) + 2H+ (aq) → 2H2O (l)

علاوه بر آن، موازنه بار به وسیله قرار دادن تعداد مناسب الکترون در هر نیم واکنش انجام می شود.

• 2I- (aq) → I2 (aq) + 2e
• 2e + H2O2 (aq) + 2H+ (aq) → 2H2O (l)

در مرحله سوم، زیرا تعداد الکترون ها در هر نیم واکنش با هم برابر بود، پس نیم واکنش ها را با یکدیگر جمع کرده و معادله کلی نوشته می شود.

• 2I- (aq) + 2H+ (aq) + H2O2 (aq) → I2 (aq) + 2H2O (l)

مراحل کامل موازنه واکنش های اکسایش و کاهش:
به طور کلی برای موازنه کامل یک واکنش اکسایش - کاهش باید مراحل زیر را به ترتیب انجام داد.

• 1- واکنش دهنده ها و فرآورده ها را به دقت مشخص نمود.
• 2- معادله موازنه نشده ای را برای واکنش مورد نظر با توجه به واکنش دهنده ها و فرآورده ها نوشت.
• 3- اتم هایی که عدد اکسایش آنها تغییر کرده است را مشخص نمود، همچنین تغییر عدد اکسایش هر کدام از آنها را تعیین کرد.
• 4- برای هر یک از مواد، ضریب مناسب در نظر گرفت، به صورتیکه مجموع تغییرات اعداد اکسایش اتم ها در واکنش برابر با صفر شود.
• 5- بر اساس ضرایب مشخص شده در بند قبلی، واکنش مورد نظر را در مجموع موازنه کرد.
• 6- در محیط های آبی با استفاده از کاتیون +H و آنیون -OH به تعداد لازم در یکی از طرفین واکنش، می توان به موازنه کردن واکنش کمک نمود.
• 7- توجه داشته باشید که در بیشتر مواقع، برای موازنه اتم های هیدروژن و اکسیژن، می توان از مولکول های H2O کمک گرفت.