مفهوم الأكسدة
المقدّمة
تميل معظم الموادّ والمركّبات المختلفة، عند اجتماعها معًا، إلى تبادل الإلكترونات فيما بينها، وتُعرَف هذه العملية بتفاعلات الأكسدة والاختزال (Oxidation–Reduction). ومن المهمّ التذكير بأنّ مفهوم الأكسدة والاختزال يرتبط بانتقال الإلكترونات، وليس بالأكسجين أو الهيدروجين بحدّ ذاتهما.
وتنتشر هذه التفاعلات بكثرة في حياتنا اليومية؛ فصدأ الحديد، وكذلك عمليّات البناء الضوئي والتنفس الخلوي، جميعها تقوم على تفاعلات الأكسدة والاختزال.
وفي هذا المقال سنتناول مفهوم الأكسدة وتأثيراتها المختلفة.
التعاريف
العنصر
هو مادة نقية لا يمكن تحليلها إلى مكوّنات أبسط بواسطة أي تفاعل كيميائي غير نووي، مثل الحديد، والألومنيوم، وغاز الهيدروجين، وغيرها.
- السالبية الكهربائية (Electronegativity)
هي خاصية كيميائية تعبّر عن ميل الذرة إلى جذب الإلكترونات نحوها. وكلّما ازدادت السالبية الكهربائية ازدادت قدرة العنصر أو المركّب على جذب الإلكترونات. ويُعدّ غاز الفلور أعلى العناصر سالبيةً كهربائية، ولذلك يستطيع أكسدة سائر العناصر الأخرى.
- الكائنات الحية الدقيقة (Microorganisms)
هي كائنات مجهرية يقلّ طولها عن مليمتر واحد، وتشمل أنواعًا مختلفة مثل البكتيريا، والفيروسات، والفطريات، والطحالب، وغيرها.
- الرقم الهيدروجيني (pH)
هو مقياس يُستخدم لتحديد مدى حموضة المحلول أو قلويته. فكلّما ازدادت حموضة المحلول انخفضت قيمة الرقم الهيدروجيني، وكلّما ازدادت قلويته ارتفعت قيمة هذا الرقم.
مفهوم الأكسدة
الأكسدة هي عملية فقدان الإلكترونات من قِبل مادة أو مركّب أثناء التفاعل الكيميائي. أمّا العملية المعاكسة، والتي تُعرف بالاختزال (Reduction)، فتحدث عندما تكتسب المادة إلكترونات.
وتوجد معظم العناصر في الطبيعة على هيئة مركّبات، لا بصورتها النقية (العنصرية)، وهذا ما يجعل عملية استخلاصها أكثر صعوبة ويؤدي غالبًا إلى ارتفاع كلفة إنتاجها. فعلى سبيل المثال:
- يُعدّ الحديد من أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية، إلا أنّه لا يوجد في الطبيعة بصورة نقية، بل يوجد غالبًا على هيئة أكسيد الحديد (). وبعد استخراجه يجب إزالة هذا الأكسجين الإضافي بعملية الاختزال حتى يصبح الحديد صالحًا للاستخدام في إنتاج مختلف أنواع الفولاذ.
- وكذلك الألومنيوم، فهو معدن لا يوجد في الطبيعة بصورته النقية، وإنما يوجد متحدًا مع الأكسجين. وبعد استخراج أكسيد الألومنيوم (الألومينا)، لا بدّ من إزالة الأكسجين المرتبط به عن طريق الاختزال.
أول خيميائي في التاريخ!
حتى عام 1886م كانت جميع الطرائق المستخدمة لاستخلاص الألومنيوم النقي مرتفعة التكلفة للغاية، حتى إنّ سعر الألومنيوم كان أغلى من الذهب في الأسواق. غير أنّ Charles Martin Hall (1863–1914)، وهو مخترع ورجل أعمال وكيميائي أمريكي، استطاع عام 1886م ابتكار طريقة فعّالة ومنخفضة التكلفة لإنتاج الألومنيوم النقي، ليصبح بذلك خيميائيًّا رائدًا في عصره.
وقد أدّى اكتشافه إلى انتشار استخدام الألومنيوم على نطاق واسع، حتى أصبح ثاني أكثر المعادن استعمالًا في الصناعات المختلفة بعد الحديد.
القابلية للأكسدة
- تميل الفلزات، بسبب قابليتها لفقدان الإلكترونات، إلى التأكسد بسهولة. فالفلزات النشطة مثل الصوديوم (Na) ، والبوتاسيوم (K) ، والحديد (Fe) تتفاعل بسرعة مع الأكسجين وتكوّن الأكاسيد الفلزية.
- أمّا الفلزات النبيلة مثل الذهب (Au) والبلاتين (Pt) ، فإنّها تقاوم الأكسدة بدرجة كبيرة ولا تتأكسد بسهولة في الظروف العادية، ولذلك يُستخدم البلاتين في المجالات الطبية.
- وتميل اللافلزات إلى اكتساب الإلكترونات، ولذلك تؤدي غالبًا دور العامل المؤكسِد، إلا أنّها قد تتأكسد أيضًا في بعض الظروف. فاللافلزات مثل الكبريت (S) ، والكربون (C) ، والفوسفور (P) تكوّن أكاسيد لافلزية عند تفاعلها مع الأكسجين.
- أمّا الغازات النبيلة (Inert Gases) مثل الهيليوم، والنيون، والأرغون، والزينون، والرادون، فهي لا تشارك عمليًا في عمليات تبادل الإلكترونات، أو بصورة أدق لا تتأكسد ولا تُختزل.
- وعلى الرغم من أنّ غاز ثاني أكسيد الكربون () ليس عنصرًا، فإنه يُعدّ ناتجًا مستقرًا لتفاعل أكسدة واختزال، ولذلك فهو لا يدخل عادةً في تفاعلات أكسدة واختزال جديدة، شأنه في ذلك شأن الغازات النبيلة. وتجري اليوم محاولات أكاديمية للاستفادة من () في تفاعلات الأكسدة بهدف تطوير عمليات كيميائية أكثر استدامة وأقل تكلفة.
- أمّا غاز النيتروجين () ، فيُعدّ بصورة عامة خاملًا تجاه تفاعلات الأكسدة والاختزال في الظروف العادية.
- ويُعتبر غاز الكلور (Cl) عاملًا مؤكسِدًا قويًّا بسبب ارتفاع سلبيته الكهربائية، ويُستخدم على نطاق واسع بوصفه مادةً مضادّةً للأحياء الدقيقة للتحكم في الكائنات المجهرية داخل الخزانات والأحواض، وكذلك في عمليات التعقيم والسيطرة على النمو الميكروبي في شبكات توزيع المياه والصرف الصحي. ويعمل غاز الكلور فعليًا على أكسدة الخلية الميكروبية وتدميرها من خلال سحب الإلكترونات من جدارها الخلوي.
تأثير درجة الحرارة في سرعة الأكسدة
بوجه عام، تؤثر درجة الحرارة تأثيرًا مباشرًا في عملية أكسدة المواد، ولا سيّما الفلزات. فكلّما ارتفعت درجة الحرارة ازداد معدّل الأكسدة، إذ تصبح المواد في درجات الحرارة المرتفعة أكثر قابليةً للتأكسد أو الاختزال وبسرعة أكبر. فعلى سبيل المثال، تتعرّض أنابيب المياه الساخنة للتآكل الناتج عن الأكسدة بمعدل أسرع من أنابيب المياه الباردة.
أهمية الأكسدة
تُعدّ الأكسدة عمليةً أساسية في الصناعة، كما أنّها مسؤولة عن كثير من التحوّلات الكيميائية المهمة في الطبيعة. فعلى سبيل المثال، تحدث عملية البناء الضوئي في النباتات من خلال أكسدة الكربون، كما تتمّ عملية التنفس لدى الكائنات الحية عبر أكسدة الكربون ومركّبات أخرى.
وفي المجال التكنولوجي، تُستخدم الأكسدة كثيرًا في تعديل المواد أو تحسين خصائصها، مثل تحسين التصاق الطلاءات والأسطح الواقية.
ومع ذلك، فإنّ للأكسدة بعض الآثار غير المرغوب فيها، ومن أبرزها:
- قد يؤدّي تحلّل المواد بفعل الأكسدة إلى إلحاق أضرار جسيمة بالمباني، والجسور، ووسائل النقل، وغيرها من المنشآت.
- تؤدي المواد والعوامل البيئية، مثل تلوث الهواء، ودخان السجائر، والأطعمة المصنّعة، وغيرها، إلى تكوين الجذور الحرة داخل الجسم. وتعمل هذه الجذور الحرة على سحب الإلكترونات من خلايا الجسم وأكسدتها، مما يؤدي إلى تدميرها، ويُعدّ ذلك من الأسباب المرتبطة بظهور أنواع مختلفة من السرطان. ويساعد تناول الأغذية الغنية بمضادات الأكسدة، مثل البصل البنفسجي، وفول الصويا، والمكسّرات، وغيرها، على تعطيل تفاعلات الأكسدة الضارة ومعادلة تأثير الجذور الحرة.
- وفي المجال الصناعي، يؤدّي عدم التحكم السليم في عمليات الأكسدة إلى انخفاض جودة خطوط اللحام وتقليل عمرها التشغيلي.
- وغيرها من التأثيرات الأخرى.
خرافة تحوّل الماء إلى اللونين الأخضر والبني
وفقًا لما ذكرته World Health Organization، فإن وجود ما يصل إلى 0.3 مليغرام من أيونات الحديد الثنائية (⁺Fe²) في كل لتر من مياه الشرب يُعدّ آمنًا.
وعند رفع قيمة الرقم الهيدروجيني (pH) بوسائل مثل التحليل الكهربائي، تزداد أيونات الهيدروكسيد (–OH) ، فتتفاعل مع أيونات الحديد الثنائية الموجودة في الماء، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين محلول ذي لون أخضر تعلوه طبقة بنية، ثم يترسّب تدريجيًا.
وفي الوسط القلوي يتأكسد الحديد بسهولة، متحوّلًا إلى الحديد الثلاثي (3+Fe ) (الحديديك)، ويعود سبب اسوداد أو تغمّق الراسب إلى هذا التحوّل.
ويقوم بعض الأشخاص، بدعوى تنقية المياه، بوضع أجهزتهم داخل مياه الشرب المنزلية، فتظهر هذه الرواسب الخضراء والبنية نتيجةً للعمليات المذكورة أعلاه، ثم يدّعون أنّ الجهاز قد أزال الملوثات من الماء، في حين أنّ الجهاز نفسه هو السبب الحقيقي في تكوّن تلك الرواسب.
الخلاصة
تفاعلات الأكسدة والاختزال هي تفاعلات كيميائية تتضمّن انتقال الإلكترونات من نوع كيميائي إلى آخر. فالأنواع التي تفقد الإلكترونات تتأكسد، أمّا الأنواع التي تكتسب الإلكترونات فتُختزل. ولهذه التفاعلات تطبيقات وآثار متعددة، إيجابيةً وسلبية، في صناعات الفولاذ والألومنيوم، وفي مجالات المياه والصرف الصحي، وغيرها من المجالات الصناعية والعلمية.
