کاهش (Reduction)[1]: واکنشِ جذب الکترون
کاهش چیست و چرا مهم است؟
در دنیای شیمی، اتمها برای پایدار شدن به دنبال آرایش الکترونی مطلوب هستند. یکی از راههای رسیدن به این پایداری، مبادله الکترون است. کاهش دقیقاً به فرایند دریافت الکترون اشاره دارد. وقتی یک اتم، یون یا مولکول الکترون میگیرد، بار الکتریکی آن کاهش مییابد (مثبتتر یا کمتر منفی میشود) یا به حالت پایدارتری میرسد. این مفهوم همیشه با مفهوم مکمل خود، یعنی اکسایش[2] (از دست دادن الکترون)، همراه است و با هم واکنش redox را تشکیل میدهند. برای به خاطر سپردن این دو، کلمهی "برکاه" (بر = از دست دادن، کاه = گرفتن) میتواند کمککننده باشد.
عدد اکسایش: نقشهی راه تشخیص کاهش
چگونه میتوانیم بفهمیم کاهش رخ داده است؟ کلید پاسخ، عدد اکسایش[3] است. عدد اکسایش یک عدد فرضی است که بار الکتریکی یک اتم در یک ترکیب را بر اساس قوانینی خاص نشان میدهد. قانون طلایی: در یک واکنش کاهش، عدد اکسایش گونهای که الکترون میگیرد، کاهش مییابد (یعنی کوچکتر یا کمتر مثبت میشود).
| نمونه واکنش | گونهی کاهندهشده | تغییر عدد اکسایش | نتیجه |
|---|---|---|---|
| $ 2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO $ | اکسیژن ($ O_2 $) | از 0 به -2 | کاهش |
| $ Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu $ | یون مس ($ Cu^{2+} $) | از +2 به 0 | کاهش |
| $ Cl_2 + 2Br^- \rightarrow 2Cl^- + Br_2 $ | کلر ($ Cl_2 $) | از 0 به -1 | کاهش |
عامل کاهنده و عامل اکسنده: قهرمانان و ضدقهرمانان واکنش
در یک نبرد شیمیایی کاهش-اکسایش، دو نقش اصلی وجود دارد:
عامل کاهنده[4]: این گونه، الکترون از دست میدهد (اکسید میشود) و باعث میشود گونهٔ دیگر الکترون بگیرد (کاهش یابد). مانند روی (Zn) در مثال جدول بالا که یون مس را کاهش داد.
عامل اکسنده[5]: این گونه، الکترون میگیرد (کاهش مییابد) و باعث میشود گونهٔ دیگر الکترون از دست بدهد (اکسید شود). مانند یون مس ($ Cu^{2+} $) در همان مثال.
یک مثال ساده: وقتی سیب بریده شده در معرض هوا قهوهای میشود، اکسیژن هوا (عامل اکسنده) باعث اکسید شدن مواد داخل سیب میشود. خود سیب نقش عامل کاهنده را ایفا میکند.
کاهش در عمل: از باتری تا تنفس سلولی
کاهش یک مفهوم انتزاعی نیست، بلکه در قلب بسیاری از فناوریها و فرآیندهای طبیعی قرار دارد.
باتریها: در یک باتری ساده روی-کربن، کاهش در قطب مثبت (کاتد[6]) رخ میدهد. برای مثال، یونهای هیدروژن از مادهٔ الکترولیت، الکترون میگیرند و به گاز هیدروژن تبدیل میشوند: $ 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 $. همین جریان الکترونهاست که چراغ قوه را روشن میکند.
تصفیه فلزات (ذوب): فلزات ارزشمندی مثل آهن از سنگ معدن خود (مثلاً هماتیت، $ Fe_2O_3 $) استخراج میشوند. در کوره بلند، کربن یا مونوکسیدکربن به عنوان عامل کاهنده قوی عمل میکند و اکسیژن را از اکسید آهن میگیرد (یون آرسنید را کاهش میدهد): $ Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2 $.
تنفس سلولی: در میتوکندری سلولهای ما، غذا (مانند گلوکز) اکسید میشود تا انرژی آزاد کند. در پایان این زنجیره، اکسیژنی که تنفس میکنیم، الکترون میگیرد و کاهش مییابد تا به آب تبدیل شود: $ O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O $. بدون این فرآیند کاهش حیاتی، تولید انرژی در بدن متوقف میشد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این تعریف قدیمی و محدود است. کاهش در تعریف مدرن، دریافت الکترون است. گرفتن اکسیژن معمولاً باعث اکسایش میشود (مثل زنگ زدن آهن). کاهش میتواند شامل گرفتن هیدروژن، از دست دادن اکسیژن یا به سادگی دریافت مستقیم الکترون باشد.
پاسخ: کلر ($ Cl_2 $). عدد اکسایش کلر از 0 در $ Cl_2 $ به -1 در $ HCl $ کاهش مییابد (الکترون میگیرد). هیدروژن اکسید میشود (عدد اکسایش از 0 به +1 افزایش مییابد).
پاسخ: هرگز. در هر واکنش redox، کاهش و اکسایش همزمان و جداییناپذیرند. الکترونی که یک گونه از دست میدهد، حتماً باید توسط گونهی دیگری گرفته شود. تعداد الکترونهای از دست رفته در اکسایش دقیقاً برابر با تعداد الکترونهای به دست آمده در کاهش است.
پاورقی
[1] Reduction (کاهش): به فرایند دریافت الکترون توسط یک اتم، یون یا مولکول اشاره دارد.
[2] Oxidation (اکسایش): فرایند از دست دادن الکترون.
[3] Oxidation Number (عدد اکسایش): عددی که بار الکتریکی یک اتم در یک ترکیب را به صورت فرضی نشان میدهد و برای ردیابی انتقال الکترون استفاده میشود.
[4] Reducing Agent (عامل کاهنده): گونهای که در یک واکنش شیمیایی الکترون از دست میدهد و باعث کاهش گونهٔ دیگر میشود.
[5] Oxidizing Agent (عامل اکسنده): گونهای که در یک واکنش شیمیایی الکترون میگیرد و باعث اکسایش گونهٔ دیگر میشود.
[6] Cathode (کاتد): الکترودی که در آن کاهش رخ میدهد. (در یک سلول گالوانی/باتری)
