• מהן תגובות חיזור?
• מאפיינים של תגובות חיזור
• סוגי תגובות חיזור
• דוגמאות לתגובות חיזור
• יישומים תעשייתיים

אנו מסבירים מהן תגובות חיזור, הסוגים הקיימים, יישומיהן, מאפיינים ודוגמאות לתגובות חיזור.

בתגובות חיזור, מולקולה אחת מאבדת אלקטרונים ואחרת לוקחת אותם.

מהן תגובות חיזור?

ב כִּימִיָה, ידוע כתגובות חיזור, תגובות הפחתת תחמוצת או תגובות הפחתה-חמצון לתגובות כימיות שבהן חילופי אלקטרונים בין האטומים או מולקולות מְעוּרָב.

חילוף זה בא לידי ביטוי בשינוי המצב של חִמצוּן של הריאגנטים. המגיב שמוותר על אלקטרונים עובר חמצון וזה שמקבל אותם, הפחתה.

מצב החמצון מציין את כמות האלקטרונים שאטום של יסוד כימי מוותר עליה או מקבל כשהוא חלק מ תגובה כימית. זה יכול להתפרש גם ככביכול מטען חשמלי שיהיה לאטום מסוים אם כל הקשרים שלו עם אטומים אחרים היו יוניים לחלוטין. נקרא גם מספר החמצון או ולנסיה.

מצב החמצון מתבטא ב מספרים שלמים, בהיותו אפס מצב החמצון עבור יסודות ניטרליים. לפיכך, זה יכול לקחת ערכים חיוביים או שליליים בהתאם לסוג האטום והתגובה שבה הוא משתתף. מצד שני, חלק אטומים יש להם מצבי חמצון משתנים בהתאם לתגובה שבה הם מעורבים.

דע כיצד לקבוע נכון את המצב או מספר החמצון של כל אטום ב-a תרכובת כימית חיוני להבין ולנתח תגובות חיזור. ישנם כללים מסוימים המאפשרים לך לחשב את הערכים שלהם:

• מספר החמצון של יסודות או מולקולות ניטרליים הוא אפס. לדוגמה: מתכות מוצקות (Fe, Cu, Zn...), מולקולות (O2, N2, F2).
• ה יונים לתרכובות של אטום בודד מספר החמצון שלהן שווה למטען שלהן. לדוגמה: Na +, Li +, Ca2 +, Mg2 +, Fe2 +, Fe3 +, Cl–.
• לפלואור יש תמיד מצב חמצון -1 מכיוון שהוא היסוד האלקטרונילי ביותר שקיים (F–).
• למימן תמיד יש מספר חמצון +1 (H +), למעט הידרידים מתכתיים (אשלגן הידריד, KH), שם יש לו מספר חמצון -1 (H–).
• לחמצן יש מספר חמצון -2, למעט כמה יוצאי דופן:
  • כאשר הוא יוצר תרכובות עם פלואור, יש לו מספר חמצון של 2+. לדוגמה: חמצן דיפלואוריד (OF2).
  • כאשר הוא יוצר פרוקסידים, יש לו מספר חמצון -1 (O22-). לדוגמה: מי חמצן (H2O2), נתרן מי חמצן (Na2O2).
  • כאשר הוא יוצר סופראוקסידים, יש לו את מספר החמצון -½ (O2–). לדוגמא: אשלגן סופראוקסיד (KO2).
• הסכום האלגברי של מספרי החמצון של האטומים המרכיבים תרכובת ניטרלית הוא אפס.
• הסכום האלגברי של מספרי החמצון של האטומים המרכיבים יון רב-אטומי שווה למטען על היון. לדוגמא: לאניון הסולפט (SO42-) יש מספר חמצון -2, השווה לסכום מספרי החמצון של גופרית וחמצן, כל אחד מוכפל בכמות של כל אטום בתרכובת, במקרה זה, יש לו אחד אטום גופרית וארבעה אטומי חמצן.
• מספרי החמצון של חלקם יסודות כימיים הם יכולים להשתנות בהתאם לתרכובת הנייטרלית או ליון שהם חלק ממנו. לאחר מכן, ניתן לחשב את מספר החמצון של אטום בתרכובת באופן הבא:

איפה לא() פירושו מספר חמצון, והיסוד הכימי נמצא בסוגריים.

בדרך זו, בכל תגובת חיזור ישנם שני סוגים של מגיבים, אחד שמוותר על אלקטרונים והשני שמקבל אותם:

• חומר מחמצן. האטום הוא הלוכד את האלקטרונים. במובן זה, מצב החמצון הראשוני שלו יורד, ונחווה הפחתה. בדרך זו, הוא מגביר את המטען החשמלי השלילי שלו על ידי השגת אלקטרונים.
• גורם מפחית. האטום הוא שמוותר על האלקטרונים ומגביר את מצב החמצון הראשוני שלו, תוך כדי חימצון. בדרך זו, הוא מגביר את המטען החשמלי החיובי שלו על ידי ויתור אלקטרונים.

ניתן לחמצן ולהפחית כמה כימיקלים בו זמנית. אלמנטים אלו נקראים אמפוליטים, והתהליך בו זה קורה נקרא אמפוליזציה.

תגובות חיזור הן אחת התגובות הכימיות הנפוצות ביותר ב- עוֹלָם, כפי שהם חלק מהתהליכים של פוטוסינתזה בתוך ה צמחים ושל ה נְשִׁימָה בבעלי חיים, המאפשרים המשכיות של חַיִים.

מאפיינים של תגובות חיזור

תגובות חיזור נמצאות סביבנו על בסיס יומיומי. החמצון של מתכות, ה שְׂרֵפָה של גז במטבח או אפילו חמצון של גלוקוז כדי להשיג ATP בגוף שלנו יש כמה דוגמאות.

ברוב המקרים, תגובות חיזור משחררות כמות משמעותית של אֵנֶרְגִיָה.

בדרך כלל, כל תגובת חיזור מורכבת משני שלבים או חצי תגובות. באחת מחצאי התגובות מתרחשת חמצון (המגיב מתחמצן) ובשנייה מתרחשת הפחתה (המגיב מצטמצם).

תגובת החיזור הכוללת, המתקבלת כתוצאה משילוב כל חצאי התגובות באופן אלגברי, נקראת לעתים קרובות "התגובה הגלובלית". חשוב לציין שכאשר תגובות למחצה משולבות באופן אלגברי, יש להתאים גם מסה וגם מטען. כלומר, מספר האלקטרונים המשתחררים במהלך החמצון חייב להיות זהה למספר האלקטרונים הנרכשים במהלך ההפחתה, והמסה של כל מגיב חייבת להיות שווה למסה של כל תוצר.

לדוגמה:

• הפחתת חצי תגובה. הפחתה של נְחוֹשֶׁת על ידי לכידת שני אלקטרונים. מקטין את מצב החמצון שלו.
  
• חצי תגובה של חמצון. חמצון ברזל על ידי איבוד שני אלקטרונים. מגביר את מצב החמצון שלו.
  
  תגובה גלובלית:
  

סוגי תגובות חיזור

תגובות בעירה (תגובות חיזור) משחררות אנרגיה שיכולה ליצור תנועה.

ישנם סוגים שונים של תגובות חיזור, שניחנו במאפיינים שונים. הסוגים הנפוצים ביותר הם:

• שְׂרֵפָה. בעירה הן תגובות כימיות חיזור המשחררות כמות משמעותית של אנרגיה בצורה של חוֹם י אוֹר. תגובות אלו הן חמצון מהיר המוציא הרבה אנרגיה. ניתן להשתמש באנרגיה המשתחררת בצורה מבוקרת ליצירת תנועה במנועי מכוניות. אלמנט שנקרא מְחַמצֵן (שמצומצם ומחומצן לדלק) ואלמנט דלק (שמתחמצן ומצטמצם למחמצן). כמה דוגמאות לדלקים הם בנזין והגז שבו אנו משתמשים במטבחים שלנו, בעוד שהמחמצן הידוע ביותר הוא חמצן גזי (O2).
• חִמצוּן של מתכות. הן תגובות איטיות יותר מבעירה. הם מתוארים בדרך כלל כהשפלה של חומרים מסוימים, במיוחד מתכתיים, על ידי פעולת החמצן עליהם. זוהי תופעה ידועה ויומיומית ברחבי העולם, במיוחד באוכלוסיות חופיות, שבה מלחים מהסביבה מאיצים (מזרזים) את התגובה. לכן יש לנקות מכונית, לאחר שלוקחת אותנו לחוף, מכל שרידי מי מלח.
• חוסר פרופורציה. הידועים גם כתגובות דיסמוטציה, הם מציגים מגיב יחיד שמצטמצם ומחומצן בו זמנית. מקרה טיפוסי לכך הוא פירוק מי חמצן (H2O2).
• גלילה פשוטה. נקראות גם "תגובות החלפה פשוטות", הן מתרחשות כאשר שני יסודות מחליפים את המקומות שלהם בתוך אותה תרכובת. כלומר, יסוד אחד מחליף את השני במקומו המדויק בנוסחה, ומאזן את המטענים החשמליים שלהם עם אטומים אחרים לפי הצורך. דוגמה היא מה קורה כאשר מתכת מחליפה מימן בחומצה ונוצרים מלחים, כפי שקורה כאשר סוללות של התקלות מכשיר.

דוגמאות לתגובות חיזור

דוגמאות לתגובות חיזור נמצאות בשפע מאוד. ננסה לתת דוגמה לכל אחד מהסוגים שתוארו קודם לכן:

• הבעירה של אוקטן. אוקטן הוא א פַּחמֵימָן רכיב של בנזין המשמש להפעלת המנוע של המכוניות שלנו. כאשר אוקטן מגיב עם חמצן, האוקטן מתחמצן והחמצן מופחת, ומשחרר כמות גדולה של אנרגיה כתוצאה מתגובה זו. האנרגיה המשוחררת הזו משמשת לייצור עבודה במנוע, תוך הפקת פחמן דו חמצני ואדי מים בתהליך. המשוואה שמייצגת תגובה זו היא:
  
• פירוק מי חמצן. זוהי תגובת דימוטציה שבה מי חמצן מתפרק ליסודות המרכיבים אותו, מים וחמצן. בתגובה זו, החמצן מופחת על ידי הפחתת מספר החמצון שלו מ-1 (H2O2) ל-2 (H2O), והוא מחומצן על ידי הגדלת מספר החמצון שלו מ-1 (H2O2) ל-0 (O2).
  
• עקירה של כסף על ידי נחושת. זו תגובה של תְזוּזָה פשוט שבו ניתן לראות כיצד על ידי טבילת שבר של נחושת מתכתית בתמיסה של חנקתי כסף, צֶבַע מהתמיסה הופכת לכחול ושכבה דקה של כסף מתכתי מונחת על שבר הנחושת. במקרה זה, חלק מהנחושת המתכתית (Cu) הופך ליון Cu2+, כחלק מחנקת הנחושת (II) (Cu (NO3) 2), שתמיסתו בעלת צבע כחול יפהפה. מצד שני, חלק מהקטיון Ag +, שהוא חלק מחנקת כסף (AgNO3), הופך לכסף מתכתי (Ag) שמושקע.
  
• תגובה של אבץ עם חומצה הידרוכלורית מדוללת. זוהי תגובת עקירה פשוטה שבה מימן ב-HCl (aq) נעקר על ידי אבץ ליצירת מלח.
  
• חמצון ברזל. ברזל מתכתי מתחמצן כאשר הוא בא במגע עם חמצן מה- אוויר. זה נראה בחיי היומיום כאשר חפצי ברזל יוצרים שכבה של חלודה חומה כאשר הם נחשפים לאוויר לפרקי זמן ארוכים. בתגובה זו, ברזל מתכתי (Fe), שמצב החמצון הוא 0, הופך ל-Fe3 +, כלומר, מצב החמצון שלו עולה (הוא מתחמצן). מסיבה זו, נאמר באופן אינטואיטיבי או בדיבור: ברזל מחליד.
  

יישומים תעשייתיים

בתחנות כוח, תגובות חיזור מסוגלות להניע מנועים גדולים.

היישומים התעשייתיים של תגובות חיזור הם אינסופיים. לדוגמה, תגובות בעירה אידיאליות להפקה עבודה שמשמש להפקה תְנוּעָה במנועים הגדולים המשמשים בתחנות כוח לייצור חַשְׁמַל.

התהליך מורכב מצריבה דלקים מאובנים לקבל חום ולהפיק קיטור מים בדוד, אז הקיטור הזה משמש להנעת מנועים גדולים או טורבינות. מצד שני, תגובות בעירה משמשות גם להפעלת המנוע של כלי רכב שמשתמשים בדלק מאובנים, כמו המכוניות שלנו.

מצד שני, תגובות חיזור החלפה ותזוזה מועילות להשגת יסודות מסוימים במצב של טוהר שלא נראה לעתים קרובות ב טֶבַע. לדוגמה, כסף הוא מאוד תגובתי. למרות שנדיר למצוא אותו טהור בתת הקרקע המינרלית, ניתן להשיג דרגת טוהר גבוהה באמצעות תגובת חיזור. אותו דבר קורה כשמדובר בהשגת מלחים ואחרים תרכובות.