في علم الكيمياء، الأكسدة تعني فقدان الإلكترونات من الذرة. وهذه العملية تشير عادةً إلى التفاعلات الكيميائية التي تنتج عن انضمام الأكسجين وتفاعله مع المواد الأخرى، حيث يتم تشكيل جزيئات تسمى “الأكاسيد”. هذا يحدث بشكلٍ شائع في المعادن، على الرغم من أن المعادن ليست الوحيدة التي تتعرض لعملية التأكسد، لمن الناحية الكيميائية، الأكسدة تعني فقدان الإلكترونات من الذرة، والتي تكون شحنتها سالبة، مما يزيد من الشحنة الموجبة في هذه الذرة.
بما أن الأكسجين هو عنصر يقبل عادة هذه الإلكترونات الفائضة، فإن معظم حالات الأكسدة تنطوي على الأكسجين، ولهذا تم تسمية هذه العملية بالأكسدة، لكنها يمكن أن تحدث أيضًا في حالة عدم وجود عنصر الأوكسجين، مع العلم أن اسم الأكسجين يأتي من كلمة الأكسدة باللغة اليونانية والتي تعني “الحمض”، وذلك لأن الأكسجين هو ما يسبب تخريب المعادن، مكا هو الحال بالنسبة للحموض.
باختصار، عملية الأكسدة دائمًا ما يشارك فيها عنصران يتبادلان الإلكترونات أحدهما يخسر الإلكترونات فيما يحصل العنصر التالي على هذه الإلكترونات.
- العنصر المؤكسد: هو العنصر الكيميائي الذي يحصل على الإلكترونات، أي الذي يستقبلها مما يزيد شحنته السلبية. وهذا يعني خفض حالة الأكسدة في هذا العنصر.
- العنصر المتأكسد: وهو العنصر الكيميائي الذي يعطي أو يخسر الإلكترونات منه، مما يزيد من شحنته الموجبة. وهذا يعني رفع حالة الأكسدة في هذا العنصر، أي أنه يتأكسد.
هذه العمليات شائعة وتحدث في كل مكان طوال الوقت، في الواقع، لا غنى عنها في الحياة، فالكائنات الحية تحصل على طاقة كيميائية بفضل تفاعلات مماثلة، مثل أكسدة الجلوكوز (تحلل السكر).
مبدأ الأكسدة
الأكسدة هي ببساطة عملية تنطوي على فقدان الإلكترونات أو زيادة حالة الأكسدة لأيون أو ذرة أو جزيء. يمكن أن تحدث هذه العملية بشكل تلقائي في الطبيعة أو قد تبدأ بتدخل الإنسان، بمجرد أن يفقد العنصر واحدًا أو أكثر من الإلكترونات، يتحول إلى عنصر مؤكسد.
الصوديوم والمنغنزيوم والحديد هي بعض المعادن الشائعة التي تتأكسد بسهولة، بينما لا تتأكسد عناصر أخرى بسهولة مثل النيتروجين والكلور والأكسجين. عادة، ترتبط تفاعلات الأكسدة بتكوين أكاسيد من جزيئات الأكسجين.
إن تشكل غاز ثاني أكسيد الكربون من الكربون هو مثال لعملية الأكسدة البسيطة.
C + O2 ——> CO2
تتضمن عمليات الأكسدة الأكثر تعقيدًا خطوات متعددة مثل أكسدة الجلوكوز (C6H12O6)، وهي عملية تحدث في جسم الإنسان من خلال سلسلة معقدة من عمليات نقل الإلكترونات.
لقد لوحظ أنه بعد الأكسدة، تتغير خصائص الذرة أو المركب. مثال بسيط على هذه الظاهرة هو أكسدة الحديد. ففي ظل الظروف غير المؤكسدة، يظل الحديد قويًا من الناحية الهيكلية، أما بعد الأكسدة، يتحول الحديد إلى مسحوق أحمر هش. فأثناء الأكسدة، يفقد الحديد ثلاثة إلكترونات فتصبح شحنته موجبة +3. يعد الحديد من المعادن المؤكسدة بسهولة جدًا والتي تستمر في فقد الإلكترونات لصالح عنصر الأكسجين طالما يكون الحديد على تماس مع الأكسجين.
ما المقصود بتفاعل الأكسدة والاختزال؟
في تفاعل الأكسدة، تحدث حالة الأكسدة لعنصر معين نتيجة فقدان إلكترون أو أكثر أو إضافة ذرة أكسجين أو إزالة ذرة هيدروجين.
في تفاعل الاختزال، تحدث حالة الأكسدة لعنصر معين عند اكتساب الإلكترون أو أكثر أو إضافة ذرة الهيدروجين أو إزالة ذرة الأكسجين.
تحدث كلتا العمليتين في وقت واحد ضمن تفاعل كيميائي وهذا هو السبب في أن التفاعل الكيميائي هذا يطلق عليه اسم تفاعل الأكسدة والاختزال.
لماذا تحدث عمليتي الأكسدة والاختزال في الوقت نفسه؟
الإجابة بسيطة للغاية، في التفاعل الكيميائي، يجب أن تنتقل الإلكترونات من عنصر إلى آخر. فإذا قمت بأكسدة عنصر واحد، فأين ستذهب تلك الإلكترونات؟ يجب أن تنتقل هذه الإلكترونات إلى عنصر ما. وبالمثل، عندما تأتي الإلكترونات إل عنصر ما، فمن أين أتت تلك الإلكترونات؟
الأكسدة والاختزال هي مجرد طرق لوصف حركة الإلكترونات عندما تنتقل، إنه تنتقل من عنصر لأخر. العنصر الذي تأتي منه الإلكترونات نقول إنه يتأكسد.
في الطبيعة، لا يمكن أن تكون الإلكترونات خارج الذرات، يجب أن تكون مرتبطة بذرات وتدور حول النواة.
تشبيه بسيط لمقاربة هذا السؤال بسؤال أخر: لماذا تحدث عمليتي البيع والشراء دائمًا معًا؟ قد يكون ذلك بسبب قيام المشتري بشراء عنصر ما، عندما يقوم البائع ببيع هذا الشيء.
وبالمثل، عند حدوث الأكسدة والاختزال (أو تفاعلات الأكسدة والاختزال)، يحدث سيناريو البيع والشراء. لذلك، عندما تفقد الذرة الإلكترونات (أو تتأكسد)، تلتقط ذرة أخرى هذه الإلكترونات على الفور.
يمكننا أن نشبه الذرة المؤكسدة بالبائع والذرة الأخرى بالمشتري. في حالة الأكسدة والاختزال، تكون الذرة المؤكسدة هي البائع وتكون الذرة الأخرى هي المشتري.
ما هي أنواع الأكسدة؟
تحدث الأكسدة بسبب الأكسجين الموجود في الهواء أو في الماء. وهناك نوعان معروفان من الأكسدة هذه:
الأكسدة بطيئة: التي ينتج بسبب الأكسجين الموجود في الهواء أو في الماء، وهو الذي يتسبب في فقدان المعادن للمعانها وتآكلها عند تعرضها للعوامل البيئية لفترة طويلة.
الأكسدة السريعة: تحدث في التفاعلات الكيميائية العنيفة مثل الاحتراق، وعادة ما يكون التفاعل الكيميائي الذي يؤدي لهذا النوع من الأكسدة طاردًا للحرارة (أي أنه يطلق الطاقة على شكل حرارة)، ويحدث ذلك بشكلٍ أساسي في العناصر العضوية (مع محتوى الكربون والهيدروجين).
رقم الأكسدة
إن رقم الأكسدة هو دائمًا عدد صحيح، وكل عنصر من العناصر الكيميائية لها رقم أكسدة خاص به، وهو يمثل عدد الإلكترونات التي تدخل إلى العنصر المذكور عندما ترتبط مع العناصر الأخرى لتكوين مركب معين.
هذا الرقم هو دائمًا عدد صحيح، ويتم تمثيله بشكلٍ إيجابي أو سلبي، وهذا يتوقف على ما إذا كان العنصر المعني يفقد أو يكسب الإلكترونات أثناء التفاعل.
على سبيل المثال: العنصر ذو رقم الأكسدة الموجب 1+ يميل إلى فقدان إلكترون واحد عند التفاعل مع العناصر الأخرى، بينما يميل عنصر برقم أكسدة 1- لكسب إلكترون عندما يتفاعل مع العناصر الأخرى لتكوين مركب.
يمكن أن تكون أرقام الأكسدة كبيرة حسب عدد الإلكترونات المشاركة في العملية، وتميل إلى الاعتماد في بعض الحالات على العناصر التي تتفاعل معها.
الاستفادة من عملية الأكسدة
كما ذكرنا، فإن الأكسدة تنتج عن عمليتين متعاكستين ومتكاملتين، تحدثان دائمًا في نفس الوقت. في البداية، تُفقد عناصر معينة الإلكترونات من ذراتها ليتم اكتسابها من قبل عناصر كيميائية أخرى في الوقت ذاته، وهذا بدوره يؤدي إلى تغيير الشحنات الكهربائية للعناصر المختلفة.
غالبًا ما تستخدم هذه التفاعلات في العمليات الصناعية والمعدنية، على سبيل المثال، لتنقية المعادن بهدف الحصول على عناصر معدنية نقية مثل الحديد أو الألومنيوم، أو في حرق المواد العضوية، كما هو الحال في محطات توليد الطاقة أو حتى في المحركات النفاثة.
لماذا يكون أكسيد النحاس أخضر اللون؟
يعتمد اللون على الذرة التي تحدث فيها عملية التأكسد، فذرات العناصر لها مستويات طاقة مختلفة بحيث يتم امتصاص كل ألوان الضوء وتعكس لون أو مزيج من ألوان مختلفة.
هل يعتبر الهضم من تفاعلات الأكسدة؟
لا، لا يعتبر الهضم من تفاعلات الأكسدة ولا يترتب عليه أي أكسدة.
من الناحية الكيميائية، يكون الهضم في الغالب عبارة عن تحلل كيميائي (تفكك)، تتحول البروتينات إلى أحماض الأمينية، والكربوهيدرات إلى السكريات الأحادية، إلخ.
تتضمن عملية الهضم تفكيك الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر تكون قابلة للذوبان في الدم.
ثم ينقل الدم هذه الجزيئات البسيطة إلى كل خلية من الخلايا في الجسم حيث تتأكسد بعد ذلك لإنتاج الطاقة، أو تستخدم كأساس بناء لجزيئات أخرى.
