اکسیداسیون: از دست دادن الکترون
اکسیداسیون چیست و چگونه رخ میدهد؟
در سادهترین تعریف، اکسیداسیون فرآیندی است که طی آن یک گونهی شیمیایی (اتم، یون یا مولکول) یک یا چند الکترون از دست میدهد. برای درک بهتر، میتوان الکترون را مانند یک دارایی ارزشمند در نظر گرفت. گونهای که الکترون از دست میدهد، "اکسیده میشود". این فرآیند به تنهایی رخ نمیدهد و همیشه با فرآیند دیگری به نام کاهش4 همراه است که در آن گونهی دیگری الکترون به دست میآورد. به این جفت فرآیند، واکنش اکسایش-کاهش یا ردوکس5 میگویند.
$ A \to A^{+} + e^{-} $
در این رابطه، A گونهی اکسید شونده، A^{+} گونهی اکسید شده و e^{-} الکترون از دست رفته است.
یک مثال ساده، واکنش فلز روی با یون مس است. در این واکنش، اتمهای روی (Zn) دو الکترون از دست داده و به یون روی (Zn^{2+}) تبدیل میشوند (اکسیداسیون). همزمان، یونهای مس (Cu^{2+}) این دو الکترون را گرفته و به اتم مس (Cu) تبدیل میشوند (کاهش).
عامل اکسنده و عامل کاهنده چه نقشی دارند؟
برای وقوع اکسیداسیون، باید یک "عامل اکسنده" حضور داشته باشد. عامل اکسنده گونهای است که خودش تمایل به کسب الکترون دارد (یعنی کاهش مییابد) و باعث میشود گونهی دیگر الکترون از دست بدهد (اکسیده شود). در مقابل، "عامل کاهنده"6 گونهای است که الکترون از دست میدهد (اکسیده میشود) و باعث کاهش گونهی دیگر میگردد.
| ویژگی | عامل اکسنده | عامل کاهنده |
|---|---|---|
| تعریف | گونهای که الکترون میگیرد | گونهای که الکترون از دست میدهد |
| فرآیند شیمیایی | دچار کاهش میشود | دچار اکسیداسیون میشود |
| مثال | گاز اکسیژن (O_2) | فلز سدیم (Na) |
| تغییر عدد اکسایش7 | کاهش مییابد | افزایش مییابد |
اکسیداسیون در زندگی روزمره و تولید انرژی
شاید بدون آنکه بدانید، هر روزه شاهد پدیدهی اکسیداسیون در اطراف خود هستید. هنگامی که یک سیب بریده شده در معرض هوا قرار میگیرد، به دلیل واکنش با اکسیژن هوا رنگش قهوهای میشود. این یک اکسیداسیون است. زنگ زدن آهن نیز یک نمونهی کلاسیک است که در آن آهن (Fe) با اکسیژن و آب واکنش داده و اکسید آهن یا زنگ آهن (Fe_2O_3) تشکیل میدهد.
اما اکسیداسیون همیشه مضر نیست. در بدن ما، غذاها (مانند گلوکز) در حضور اکسیژن، اکسید میشوند تا انرژی مورد نیاز سلولها را تولید کنند. این فرآیند که تنفس سلولی8 نام دارد، یک واکنش اکسایش-کاهش حیاتی است. به طور مشابه، سوختن چوب در آتش نیز یک اکسیداسیون سریع است که گرما و نور آزاد میکند.
نقش اکسیداسیون در باتریها و پیلهای الکتروشیمیایی
یکی از کاربردیترین استفادههای اکسیداسیون، در باتریها است. در یک باتری ساده، یک واکنش اکسایش-کاهش خودبهخودی به طور کنترلشده انجام میشود و انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در قطب منفی (آند9)، یک فلز (مانند روی) اکسید شده و الکترون آزاد میکند. این الکترونها از طریق یک مدار خارجی به سمت قطب مثبت (کاتد10) جریان مییابند و جریان الکتریکی تولید میکنند. در کاتد، یک ماده (مانند اکسید منگنز) این الکترونها را دریافت کرده و کاهش مییابد.
در آند (اکسیداسیون): $ Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-} $
در کاتد (کاهش): $ 2MnO_2 + 2NH_4^{+} + 2e^{-} \to Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O $
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. اگرچه نام "اکسیداسیون" از واژه اکسیژن گرفته شده، اما این تعریف امروزه گستردهتر است. هر فرآیندی که شامل از دست دادن الکترون باشد، اکسیداسیون محسوب میشود، حتی اگر اکسیژن در آن دخیل نباشد. برای مثال، واکنش فلز سدیم با کلر برای تولید نمک طعام نیز یک اکسیداسیون است که در آن سدیم الکترون از دست میدهد.
یک روش ساده، توجه به "عدد اکسایش" است. گونهای که عدد اکسایش آن در طول واکنش افزایش یابد، اکسیده شده است. برای مثال، در واکنش آهن با مس، عدد اکسایش آهن از 0 به +2 افزایش مییابد، بنابراین آهن اکسیده شده است.
احتراق یک نوع خاص از اکسیداسیون است که معمولاً سریع بوده و با تولید گرما و نور همراه است. بنابراین، همهی احتراقها اکسیداسیون هستند، اما همهی اکسیداسیونها (مانند زنگ زدن آهن که کند است) احتراق به حساب نمیآیند.
پاورقی
1 اکسیداسیون (Oxidation)
2 واکنش اکسایش-کاهش (Oxidation-Reduction Reaction)
3 عامل اکسنده (Oxidizing Agent)
4 کاهش (Reduction)
5 ردوکس (Redox)
6 عامل کاهنده (Reducing Agent)
7 عدد اکسایش (Oxidation Number)
8 تنفس سلولی (Cellular Respiration)
9 آند (Anode)
10 کاتد (Cathode)
