موازنه با عدد اکسایش چطور انجام می شود؟ – به زبان ساده + مثال و تمرین

۳۷۹۷ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۵ آذر ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۱۶ دقیقه
دانلود PDF مقاله
موازنه با عدد اکسایش چطور انجام می شود؟ – به زبان ساده + مثال و تمرینموازنه با عدد اکسایش چطور انجام می شود؟ – به زبان ساده + مثال و تمرین

موازنه با عدد اکسایش زمانی انجام می‌شود که واکنش مورد نظر از نوع اکسایش و کاهش باشد، در این صورت با به دست آوردن عدد اکسایش اتم‌ها در دو سمت واکنش شیمیایی می‌توانیم اطلاعات مفیدی در مورد تعداد الکترون‌های انتقالی به دست آوریم و از آن برای موازنه واکنش اکسایش و کاهش استفاده کنیم. واکنش‌های اکسایش و کاهش بخش بزرگی از انواع واکنش‌ها به‌خصوص در شیمی تجزبه را به خود اختصاص می‌دهند. از همین جهت آشنایی با روش موازنه با عدد اکسایش برای موازنه کردن آن‌ها از اهمیت به‌سزایی برخوردار است.

997696

در این مطلب از مجله فرادرس ابتدا با چیستی عدد اکسایش و نحوه محاسبه آن برای ترکیبات متفاوت آشنا می‌شویم و سپس عدد اکسایش اجزای تشکیل‌دهنده چندین واکنش را به دست می‌آوریم. سپس به موازنه با عدد اکسایش می‌پردازیم و مراحل آن‌ را روی واکنش‌های اکسایش و کاهش متعددی پیاده می‌کنیم. در نهایت نیز برای عمق بخشیدن به درک خود به حل تعدادی مثال و تمرین خواهیم پرداخت.

موازنه با عدد اکسایش

واکنش‌های اکسایش و کاهش، نوعی از واکنش هستند که در آن‌ها انتقال الکترون صورت می‌گیرد و از دو نیم واکنش اکسایش و کاهش تشکیل می‌شود. در صورتی که در واکنشی الکترون به دست بیاید، واکنش کاهش نامیده می‌شود. همچنین به واکنشی اکسایش گفته می‌شود که در آن الکترون داده شود.

یکی از مهم‌ترین چالش‌هایی که در رابطه با این نوع واکنش وجود دارد، موازنه آن از نظر بار الکتریکی و جرم است. در اینجا می‌خواهیم با نحوه موازنه با عدد اکسایش آشنا شویم، بنابراین ابتدا مروری بر چیستی عدد اکسایش و نحوه محاسبه آن خواهیم داشت و سپس طی مراحلی آموزش موازنه با عدد اکسایش را بررسی می‌کنیم.

عدد اکسایش چیست؟

«عدد اکسایش»‌ (Oxidation Number) یک اتم برابر با بار فرضی آن است در صورتی که تمامی پیوندهای شیمیایی آن به‌ طور کامل یونی باشد. از عدد اکسایش با نام «حالت اکسایش» (Oxidation State) نیز یاد می‌شود و می‌توان از آن برای تشخیص واکنش اکسایش و کاهش و موازنه آن استفاده کرد.

موازنه واکنش شیمیایی

محاسبه عدد اکسایش

برای تخصیص عدد اکسایش به اتم‌های درگیر در مولکول‌های متفاوت می‌توان از قوانین زیر استفاده کرد.

  • عدد اکسایش اتم یا عنصر آزاد برابر با صفر است. برای مثال عدد اکسایش کلر در فرم Cl2Cl_2 و عدد اکسایش هیدروژن در فرم H2H_2 و همچنین عدد اکسایش گوگرد در فرم S8S_8 برابر با صفر است.
  • عدد اکسایش فلوئور در تمامی ترکیبات شامل آن برابر با ۱- است.
  • در ترکیب یون‌های تک‌اتمی عدد اکسایش اتم برابر با بار روی آن است. برای مثال می‌توان به یون برم (Br)(Br^-) اشاره کرد که در آن عدد اکسایش برابر با ۱- است. همچنین عدد اکسایش مس در Cu2+Cu^{2+} نیز برابر با ۲+ است.
  • «فلزهای قلیایی» (Alkali Metals) در همراهی با عنصرهای دیگر همیشه دارای عدد اکسایش برابر با ۱+ هستند. «فلزهای قلیایی خاکی» (Alkaline Earth Metals) نیز در همین شرایط دارای عدد اکسایش برابر با ۲+ هستند.
  • اکسیژن در اغلب ترکیبات خود دارای عدد اکسایش برابر با ۲- است. پروکسید‌ها (ترکیبات حاوی O22O_2^{2-}) مهم‌ترین استثنا در این مورد هستند. در پروکسیدها عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۱- است. ترکیباتی مانند H2O2H_2O_2 و Na2O2Na_2O_2 مثال‌هایی از این دسته ترکیبات هستند.
  • هیدروژن در اغلب ترکیبات حاوی آن دارای عدد اکسایش برابر با ۱+ است. در این مورد استثنا زمانی مشاهده می‌شود که هیدروژن در همراهی با فلزها باشد، برای مثال می‌توان به دو ترکیب NaHNaH و LiAlH4LiAlH_4 اشاره کرد. در چنین ترکیباتی عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱- است.
  • در هالوژن‌های دیگر (کلر، برم و ید) عدد اکسایش برابر با ۱- است، مگر در ترکیباتی که با اکسیژن یا فلوئور همراه شوند. برای مثال عدد اکسایش کلر در ClO4ClO_4^- برابر با ۷+ است زیرا عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۴ است و بار کل یون نیز ۱- است.
  • مجموع اعداد اکسایش تمامی اتم‌ها در ترکیبات خنثی برابر با صفر است. همچنین مجموع اعداد اکسایش برای یون‌های چند اتمی برابر با بار آن یون است. برای مثال یون چنداتمی NO3NO_3^- را در نظر بگیرید. هر اتم اکسیژن دارای عدد اکسایش ۲- است و از آنجا که ۳ اتم اکسیژن در این مولکول وجود دارد، عدد اکسایش کل آن‌ها برابر با ۶- خواهد بود. همچنین بار کل یون برابر با ۱- است، بنابراین باید عدد اکسایش نیتروژن مساوی با ۵+ باشد.

مثال از محاسبه عدد اکسایش

برای انجام موازنه با عدد اکسایش، باید توانایی محاسبه عدد اکسایش ترکیبات متفاوت را داشته باشیم. در بخش پیشین با قوانین مربوط به محاسبه عدد اکسایش آشنا شدیم. در این بخش می‌خواهیم تعدادی مثال از ترکیبات متفاوت را بررسی کنیم.

مثال اول

عدد اکسایش منگنز را در پتاسیم پرمنگنات با فرمول شیمیایی KMnO4KMnO_4 به دست آورید.

پاسخ

پتاسیم یک فلز قلیایی است بنابراین عدد اکسایش آن برابر با ۱+ خواهد بود. می‌دانیم که عدد اکسایش اکسیژن نیز برابر با ۲- است. از آن‌جا که مولکول فاقد بار الکتریکی است، مجموع اعداد اکسایش اتم‌ها برابر با ۰ خواهد بود. در این صورت می‌توان عدد اکسایش منگنز را از رابطه زیر به دست آورد.

+1+Mn+4(2)=0Mn7=0Mn=+7\begin{align*} +1 + {Mn} + 4 \left( -2 \right) &= 0 \\ {Mn} - 7 &= 0 \\ {Mn} &= +7 \end{align*}\nonumber

مشاهده می‌کنید که عدد اکسایش منگنز در این مولکول برابر با ۷+ است.

مثال دوم

عدد اکسایش آهن در مولکول Fe2O3Fe_2O_3 و FeOFeO را محاسبه کنید.

پاسخ

از آن‌جا که عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- و مولکول خنثی است، می‌توان رابطه زیر را برای مولکول Fe2O3Fe_2O_3 آن نوشت.

2Fe+3(2)=02Fe=6Fe=3\begin{align*} & \\ &2 {Fe} + 3 \left( -2 \right) = 0 \\ &2 {Fe} = 6 \\ &{Fe} = 3 \end{align*}\nonumber

این رابطه برای مولکول FeOFeO به‌صورت زیر خواهد بود.

Fe+(2)=0Fe=2\begin{align*} & \\ & {Fe} + \left( -2 \right) = 0 \\ &{Fe} = 2\\ & \end{align*}\nonumber

همان‌طور که مشاهده می‌کنید عدد اکسایش آهن در این دو ترکیب، متفاوت است زیرا از جمله ترکیباتی است که می‌تواند بیش از یک عدد اکسایش داشته باشد.

تشخیص واکنش اکسایش و کاهش با عدد اکسایش

یکی از کارکردهای عدد اکسایش این است که می‌توان به کمک آن نوع واکنش الکتروشیمیایی را تشخیص داد. به‌‌صورتی که در واکنش اکسایش، عدد اکسایش افزایش پیدا می‌کند اما در واکنش کاهش، شاهد کاهش عدد اکسایش هستیم. در ادامه می‌خواهیم با بررسی مثال‌هایی این مورد را روی واکنش‌ها مطالعه کنیم.

مثال اول

اعداد اکسایش اتم‌های این واکنش را در دو سمت محاسبه و نوع واکنش را مشخص کنید.

NH4++PO43NH3+PO42{NH_4^+ + PO_4^{3–} \rightarrow NH_3 + PO_4^{2–}}

پاسخ

برای بررسی تغییرات اعداد اکسایش ابتدا عدد اکسایش هر یک از اتم‌ها را در مولکول آ‌ن‌ها محاسبه می‌کنیم.

مولکول NaH4+NaH_4^+

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ است و برای چهار عدد هیدروژن مساوی با ۴+ خواهد بود. از آن‌جا که این مولکول ۱ بار مثبت دارد، عدد اکسایش نیتروژن باید ۳- باشد.

مولکول PO43PO_4^{3-}

عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است و برای چهار عدد اکسیژن مساوی با ۸- خواهد بود. از آن‌جا که این مولکول ۳ بار منفی دارد، عدد اکسایش فسفر باید ۵+ باشد.

مولکول NH3NH_3

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ است و برای سه عدد هیدروژن مساوی با ۳+ خواهد بود. از آن‌جا که این مولکول خنثی است، عدد اکسایش نیتروژن در آمونیاک باید ۳- باشد.

مولکول HPO42HPO_4^{2-}

عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است و برای چهار عدد اکسیژن مساوی با ۸- خواهد بود. همچنین عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ است و از آن‌جا که این مولکول ۲ بار منفی دارد، عدد اکسایش فسفر باید ۵+ باشد.

اعداد اکسایش تمامی اتم‌ها در هر دو سمت واکنش با یکدیگر برابر هستند، یعنی هیچ الکترونی در این واکنش منتقل نمی‌شوند و واکنش از نوع اکسایش و کاهش نیست.

نحوه نوشتن واکنش شیمیایی

مثال دوم

اعداد اکسایش اتم‌های این واکنش را در دو سمت محاسبه و نوع واکنش را مشخص کنید.

HClO+H2SH3O++Cl+S{HClO + H_2S \rightarrow H_3O^+ + Cl^{–} + S}

پاسخ

ابتدا عدد اکسایش هر یک از اتم‌ها را در مولکول آ‌ن‌ها به دست می‌آوریم.

مولکول HClOHClO:

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است.. از آن‌جا که این مولکول فاقد بار است، عدد اکسایش کلر باید ۱+ باشد.

مولکول H2SH_2S:

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ است و برای دو عدد هیدروژن مساوی با ۲+ خواهد بود. از آن‌جا که این مولکول خنثی است، عدد اکسایش گوگرد باید ۲- باشد.

مولکول H3O+H_3O^+:

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ و اکسیژن برابر با ۲- است.

مولکول ClCl^-:

عدد اکسایش یون‌های تک اتمی برابر با بار آن‌ها است. در این مورد عدد اکسایش کلر برابر با ۱- خواهد بود.

مولکول SS:

عدد اکسایش اتم‌ها در حالت آزاد آن‌ها برابر با صفر است، بنابراین عدد اکسایش گوگرد در سمت راست واکنش برابر با ۰ خواهد بود. همان‌طور که مشاهده می‌کنید در محاسبات بالا اعداد اکسایش اتم‌ها در هر دو سمت واکنش با یکدیگر متفاوت هستند و می‌توان اینطور نتیجه‌گیری کرد که این واکنش از نوع اکسایش و کاهش است. در این واکنش H2SH_2S اکسایش یافته و با از دست دادن ۲ عدد الکترون تبدیل به گوگرد شده است.

عدد اکسایش این اتم از ۲- به ۰ رسیده است. از آن‌جا که گونه H2SH_2S دهنده الکترون است، عامل کاهنده به شمار می‌رود. در این واکنش گونه HClOHClO الکترون می‌پذیرد و به ClCl^- کاهش پیدا می‌کند. مشاهده می‌کنید که عدد اکسایش کلر از ۱+ به ۱- رسیده است و عامل اکسنده به شمار می‌رود.

مثال سوم

با توجه به تغییر عدد اکسایش اجزای دخیل در واکنش زیر، در مورد روند اکسایش و کاهش در آن توضیح دهید.

2NaOH+Cl2NaCl+NaClO+H2O{2NaOH + Cl_2 \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O} \nonumber

پاسخ

ابتدا عدد اکسایش اتم‌ها را در ترکیبات متفاوت به دست می‌آوریم تا اطلاعاتی در مورد انتقال الکترون در این واکنش داشته باشیم.

مولکول NaOHNaOH:

در این مولکول عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ و عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است. از آن‌جا که هر کدام تنها یک عدد هستند، برای خنثی بودن مولکول باید عدد اکسایش سدیم برابر با ۱+ باشد. از طرفی سدیم یک فلز قلیایی خاکی است که همیشه عدد اکسایش ۱+ دارند.

مولکول Cl2Cl_2:

در این مولکول کلر به‌صورت آزاد و دارای عدد اکسایش برابر با ۰ است.

مولکول NaClNaCl:

سدیم به عنوان یک فلز قلیایی خاکی دارای عدد اکسایش ۱+ است. کلر نیز دارای عدد اکسایش ۱- است زیرا در مولکول اکسیژن و فلوئور حضور ندارند.

مولکول NaClONaClO:

عدد اکسایش سدیم ۱+ و عدد اکسایش اکسیژن - است، بنابراین در این مولکول عدد اکسایش کلر مساوی با ۱+ خواهد بود.

مولکول H2OH_2O:

عدد اکسایش هیدروژن ۱+ و عدد اکسایش اکسیژن ۲- است.

همان‌طور که مشاهده کردید کلر تنها عنصری است که دستخوش تغییر در عدد اکسایش شد. عدد اکسایش آن از ۰ به ۱- و ۱+ تغییر پیدا کرده است، بنابراین هم اکسایش، هم کاهش می‌یابد. تبدیل NaOHNaOH به NaClNaCl، کاهشی و تبدیل NaOHNaOH به NaClONaClO اکسایشی است. این واکنشی مثالی از «واکنش تسهیم نامتناسب» (Disproportionation Reaction) است که در آن انتقال الکترون‌ها بین گونه‌ها یا اتم‌های یکسان صورت می‌گیرد.

چند لوازم آزمایشگاه با مایع‌های رنگی مختلف

روش موازنه با عدد اکسایش

حال که با نحوه محاسبه عدد اکسایش در ترکیبات مختلف آشنایی پیدا کردیم، در این بخش می‌خواهیم به موازنه با عدد اکسایش بپردازیم و چگونگی انجام آن را مورد بررسی قرار دهیم. نکته‌ای که در این مورد اهمیت دارد نوشتن صحیح ترکیبات درگیر در واکنش و فرمول شیمیایی آن‌ها است.

در ادامه نحوه انجام این روش را روی مثالی بسیار ساده توضیح خواهیم داد که واکنش آن را در زیر مشاهده می‌کنید.

HNO3+H3AsO3(aq)NO(g)+H3AsO4(aq)+H2O(l)HNO_3 + H_3AsO_3(aq) \rightarrow NO(g) + H_3AsO_4(aq) + H_2O(l)

ابتدا باید عدد اکسایش تمام اتم‌ها را در گونه‌ها به دست آوریم. این کار را به‌صورت زیر انجام می‌دهیم.

مولکول HNO3HNO_3:

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ و عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است. از آن‌جا که تعداد اکسیژن ۳ عدد است، مجموع عدد اکسایش آن ۶- خواهد بود. بنابراین با توجه به خنثی بودن مولکول، عدد اکسایش نیتروژن ۵+ است.

مولکول H3AsO3H_3AsO_3:

عدد اکسایش هیدروژن ۱+ و برای ۳ عدد از آن برابر با ۳+ است. همچنین عدد اکسایش اکسیژن ۲- و برای ۳ عدد از آن برابر با ۶- است. این مولکول خنثی است بنابراین عدد اکسایش آرسنیک ۳+ است.

مولکول NONO:

در این مولکول خنثی، ۱ اکسیژن با عدد اکسایش ۲- وجود دارد، بنابراین عدد اکسایش نیتروژن ۲+ خواهد بود.

مولکول H3AsO4H_3AsO_4:

این مولکول در واکنش ۱ عدد اکسیژن گرفته است. بنابراین با توجه به محاسبات قبلی، عدد اکسایش آرسنیک برابر با ۵+ است.

مولکول H2OH_2O:

عدد اکسایش هیدروژن ۱+ و عدد اکسایش اکسیژن ۲- است.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید دو اتم نیتروژن و آرسنیک دستخوش تغییراتی در عدد اکسایش می‌شوند، به‌طوری که عدد اکسایش نیتروژن از ۵+ به ۲+ می‌رسد و ۳ واحد کاهش پیدا می‌کند. همچنین عدد اکسایش آرسنیک از ۳+ به ۵+ می‌رسد و ۲ واحد افزایش پیدا می‌کند. به عبارتی نیتروژن ۳ الکترون به دست آورده و آرسنیک ۲ الکترون از دست داده است.

در این صورت باید در واکنش به ازای هر ۲ اتم نیتروژن، ۳ اتم آرسنیک داشته باشیم. در مرحله بعد این اعداد را به‌‌صورتی ضریبی پیش از مولکول‌های حاوی آن اتم‌ها قرار می‌دهیم. یعنی ضریب ترکیبات دارای آرسنیک برابر با ۳ و ضریب ترکیبات دارای نیتروژن برابر با ۲ خواهد بود که آن را در زیر نشان داده‌ایم.

2HNO3+3H3AsO3(aq)2NO(g)+3H3AsO4(aq)+H2O(l)2HNO_3 + 3H_3AsO_3(aq) \rightarrow 2NO(g) +3 H_3AsO_4(aq) + H_2O(l)

توجه داشته باشید که پس از این مرحله باید تمامی‌ اتم‌ها در دو طرف واکنش دارای تعدادی برابری با یکدیگر باشند که در این واکنش صدق می‌کند.

نمایشی از ساختار مولکولی ترکیب شیمیایی

مثال از موازنه با عدد اکسایش

تا اینجا با روش موازنه با عدد اکسایش آشنا شدیم. در ادامه مثال‌های دیگری از آن را بررسی می‌کنیم.

مثال اول

واکنش زیر را موازنه کنید.

Zn+HClZnCl2+H2Zn + HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2

پاسخ

ابتدا باید عدد اکسایش هر یک از گونه‌ها را محاسبه کنیم و آن‌هایی که دستخوش تغییر شده‌اند را مشخص کنیم.

مولکول ZnZn:

پیشتر گفتیم که عدد اکسایش اتم‌ها و عنصرها در حالت آزاد برابر با صفر است، بنابراین در اینجا عدد اکسایش روی ۰ است.

مولکول HClHCl:

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ است و از آن‌جا که مولکول خنثی است، عدد اکسایش کلر باید ۱- باشد.

مولکول ZnCl2ZnCl_2:

عدد اکسایش کلر برابر با ۱- و تعداد اتم‌های آن ۲ عدد است. بنابراین عدد اکسایش روی باید برابر با ۲+ باشد تا خنثی بودن مولکول رعایت شود.

مولکول H2H_2:

عدد اکسایش هیدروژن در این حالت برابر با ۰ است.

سپس باید اتم‌هایی که عدد اکسایش آن‌ها در دو سمت مختلف است را مشخص کنیم که در این مورد شامل روی و هیدروژن می‌شود. عدد اکسایش روی از ۰ به ۲+ می‌رسد و به میزان ۲ واحد افزایش پیدا می‌کند. همچنین عدد اکسایش هیدروژن از ۱+ به ۰ می‌رسد و کاهشی ۱ واحدی خواهد داشت.

از آن‌جا که تغییر عدد اکسایش نشان‌دهنده تغییر در تعداد الکترون‌ها است، می‌توانیم اینطور بنویسیم:

  • تغییر عدد اکسایش روی= ۲+، روی ۲ الکترون از دست داده است.
  • تغییر عدد اکسایش هیدروژن= ۱-، هیدروژن ۱ الکترون به دست آورده است.

از موارد بالا متوجه می‌شویم که به ازای هر ۱ اتم هیدروژن به ۲ اتم روی نیاز داریم، بنابراین واکنش موازنه شده را به‌‌صورت زیر نشان می‌دهیم.

Zn+2HClZnCl2+H2Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2

دانشجوی شیمی در حال آزمایش

مثال دوم

واکنش اکسایش و کاهش زیر را به روش موازنه با عدد اکسایش موازنه کنید.

KClO3(s)KCl(s)+O2(g)KClO_3(s) \rightarrow KCl(s)+O_2(g)

پاسخ

مانند مثال‌های قبلی، ابتدا باید عدد اکسایش اتم‌های موجود در تمامی گونه‌ها را با توجه به قوانین گفته شده به دست آوریم.

مولکول KClO3KClO_3:

در این مولکول عدد اکسایش پتاسیم به دلیل فلز قلیایی بودن برابر با ۱+ است. عدد اکسایش اکسیژن را نیز می‌دانیم که ۲- است که برای ۳ عدد اکسیژن برابر با ۶- خواهد بود. به دلیل خنثی بودن واکنش، عدد اکسایش کلر باید برابر با ۵+ باشد.

مولکول KClKCl:

در این مولکول عدد اکسایش کلر ۱- است زیرا خنثی است و به همراه یک فلز قلیایی قرار دارد.

مولکول O2O_2:

عدد اکسایش اکسیژن در این مولکول برابر با ۰ است زیرا عدد اکسایش اتم‌ها در حالت آزاد صفر در نظر گرفته می‌شود.

عدد اکسایش اکسیژن تغییر کرده است و از ۲- به ۰ تبدیل شده و ۲ الکترون از دست داده است. اتم دیگری که دستخوش تغییر در عدد اکسایش شده، کلر است که ۶ الکترون به آن اضافه می‌شود و به ازای هر ۶ اتم اکسیژن، ۲ اتم کلر وجود خواهد داشت، بنابراین ضرایب مناسب را به واکنش وارد می‌کنیم.

2KClO3(s)2KCl(s)+3O2(g)2 KClO_3(s) \rightarrow 2KCl(s)+3O_2(g)

حال تعداد اتم‌ها را در دو طرف واکنش مقایسه می‌کنیم تا از موازنه جرم مطمئن شویم. در هر دو سمت این واکنش ۲ عدد پتاسیم، ۲ عدد کلر و ۶ عدد اکسیژن وجود دارد. همچنین بار خالص هر دو سمت نیز برابر با ۰ است و می‌توان اینطور جمع‌بندی کرد که موازنه جرم و بار در این واکنش رعایت شده است.

مثال و حل تمرین

حال که می‌دانیم موازنه با عدد اکسایش به چه روشی انجام می‌شود، می‌خواهیم به تعدادی مثال با پاسخ تشریحی و تمرین چندگزینه‌ای بپردازیم.

مثال

در این بخش تعدادی مثال از موارد گفته شده را به همراه پاسخ تشریحی بررسی خواهیم کرد. با توجه به پاسخ تشریحی این مثال‌ها می‌توانید به پرسش‌های مشابه پاسخ دهید.

مثال اول

عدد اکسایش کلر را در دو ترکیب NaClNaCl و NaClO3NaClO_3 به دست آورید.

پاسخ

در NaClNaCl کلر در همراهی با پتاسیم به عنوان یک فلز قلیایی است، تمامی فلزهای قلیایی دارای عدد اکسایش برابر با ۱+ هستند، بنابراین از آنجا که سدیم کلرید خنثی است، عدد اکسایش کلر باید برابر با ۱- باشد.

در NaClO4NaClO_4 نیز فلز قلیایی سدیم حضور دارد، همچنین اکسیژن دارای عدد اکسایش برابر با ۲- است، بنابراین می‌توان محاسبات آن را به‌‌صورت زیر نوشت.

1+Cl+3(2)=01+Cl6=0Cl5=0Cl=+5\begin{align*} 1 + {Cl} + 3 \left( -2 \right) &= 0 \\ 1 + {Cl} - 6 &= 0 \\ {Cl} - 5 &= 0 \\ {Cl} &= +5 \end{align*}\nonumber

مشاهده می‌کنید که در این مولکول، عدد اکسایش کلر برابر با ۵+ است. کلر یکی از هالوژن‌هایی است که می‌تواند در ترکیبات مختلف دارای عدد اکسایش مختلف باشد.

مثال دوم

واکنش زیرا را با روش موازنه با عدد اکسایش، موازنه کنید.

Fe2++MnO4Fe3++Mn2+Fe^{2+ }+ MnO_4^- \rightarrow Fe^{3+}+ Mn^{2+}

پاسخ

برای موازنه با عدد اکسایش ابتدا عدد اکسایش هر یک از گونه‌ها را محاسبه می‌کنیم تا تغییرات آن را متوجه شویم.

مولکول Fe2+Fe^{2+}

می‌دانیم که عدد اکسایش یون‌های تک اتمی برابر با بار آن‌ها است، بنابراین عدد اکسایش آهن در این مولکول ۲+ است.

مولکول MnO4MnO_4^-

عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است و از آن‌جا که مولکول دارای ۱+ است و ۴ عدد اتم اکسیژن داریم، عدد اکسایش منگنز باید ۷+ باشد.

مولکول Fe3+Fe^{3+}

این مولکول یون تک اتمی و عدد اکسایش آهن در آن ۳+ است.

مولکول Mn2+Mn^{2+}

این مولکول نیز یون تک اتمی و عدد اکسایش منگنز در آن برابر با بار ۲+ است.

در ادامه اتم‌هایی که عدد اکسایش آن‌ها در دو سمت مختلف است را مشخص کنیم که شامل آهن و منگنز می‌شود. عدد اکسایش آهن از ۲+ به ۱+ می‌رسد و به میزان ۱ واحد افزایش پیدا می‌کند. همچنین عدد اکسایش منگنز از ۷+ به +۲ می‌رسد و ۵ واحد کاهش پیدا کرده است.

عدد اکسایش نشان‌دهنده تعداد الکترون‌ها است، بنابراین می‌توانیم تفسیر زیر را داشته باشیم.

  • تغییر عدد اکسایش آهن= ۱+، آهن ۱ الکترون از دست داده است.
  • تغییر عدد اکسایش منگنز= ۵-، منگنز ۵ الکترون به دست آورده است.

در این صورت به ازای هر ۱ اتم آهن به ۵ اتم منگنز نیاز خواهیم داشت و ضرایب را در واکنش وارد می‌کنیم. نتیجه به‌صورت زیر است.

5Fe2++1MnO45Fe3++1Mn2+5 Fe^{2+ }+ 1MnO_4^- \rightarrow5 Fe^{3+}+ 1Mn^{2+}

با این حال این واکنش از نظر تعداد اکسیژن و هیدروژن موازنه نیست و باید در ادامه به آن‌ها بپردازیم.

برای موازنه اکسیژن به آن سمت از واکنش که دارای کمبود است، به تعداد مناسب از مولکول آب اضافه می‌کنیم. در این واکنش در سمت چپ ۴ اکسیژن وجود دارد، در حالی که در سمت راست اکسیژنی مشاهده نمی‌شود، بنابراین ۴ مولکول H2OH_2O به آن می‌افزاییم.

5Fe2++1MnO45Fe3++1Mn2++4H2O5 Fe^{2+ }+ 1MnO_4^- \rightarrow5 Fe^{3+}+ 1Mn^{2+}+4H_2O

سپس باید تعداد اتم‌های هیدروژن را موازنه کنیم. با کمی دقت متوجه می‌شویم که در سمت چپ واکنش هیچ هیدروژنی وجود ندارد، در حالی که در سمت راست ۸ هیدروژن داریم. کمبود هیدروژن را با افزودن H+H^+ جبران می‌کنیم.

5Fe2++1MnO4+8H+5Fe3++1Mn2++4H2O5 Fe^{2+ }+ 1MnO_4^- +8H^+\rightarrow5 Fe^{3+}+ 1Mn^{2+}+4H_2O

حال باید درستی کار خود را بررسی کنیم تا واکنش از نظر جرم و بار موازنه باشد. تعداد اتم‌های آهن در هر دو سمت برابر با ۵ عدد، اتم‌های منگنز برابر با ۸ عدد و اتم‌های اکسیژن برابر با ۴ عدد و هیدروژن برابر با ۸ عدد است. بنابراین موازنه جرم برقرار است. موازنه بار نیز برقرار است و در هر دو طرف شاهد حضور ۱۷ بار مثبت هستیم.

مثال سوم

ضرایب مناسب گونه‌های NO3NO_3 و CuCu در واکنش موازنه شده زیر را گزارش دهید.

NO3+CuNO+Cu2+NO_3^-+Cu\rightarrow NO+Cu^{2+}

پاسخ

در مرحله اول تغییر عدد اکسایش اتم‌ها را در گونه‌های مختلف محاسبه می‌کنیم.

مولکول NO3NO_3^-

در این مولکول یک بار منفی و ۳ عدد اکسیژن با عدد اکسایش ۲- وجود دارد. در این صورت باید عدد اکسایش نیتروژن ۵+ باشد.

مولکول CuCu

مس به‌ صورت آزاد و دارای عدد اکسایش برابر با ۰ است.

مولکول NONO

از آن‌جا که این مولکول خنثی است و تنها ۱ عدد اکسیژن با عدد اکسایش ۲- دارد، عدد اکسایش نیتروژن در آن برابر با ۲+ است.

مولکول Cu2+Cu^{2+}

یون تک اتمی مس دارای عدد اکسایش ۲+ است که بار آن را نشان می‌دهد.

مشاهده می‌کنید که در این واکنش عدد اکسایش نیتروژن از ۵+ به ۲+ و عدد اکسایش مس از ۰ به ۲+ رسیده است. به عبارتی نیتروژن ۳ الکترون گرفته است و مس ۲ الکترون از دست داده است. برای برابر بودن انتقال الکترون‌ها در دو نیم واکنش اکسایش و کاهش، گونه‌های دارای مس را در عدد ۳ و گونه‌های دارای نیتروژن را در عدد ۲ ضرب می‌کنیم و نتیجه به‌‌‌صورت زیر خواهد بود.

2NO3+3Cu2NO+3Cu2+2 NO_3^-+3Cu\rightarrow 2NO+3Cu^{2+}

تا ایجا توانستیم در اتم‌های مس و نیتروژن موازنه ایجاد کنیم اما همان‌طور که مشاهده می‌کنید تعداد اکسیژن‌ها در دو سمت واکنش با یکدیگر برابر نیستند. برای ایجاد موازنه آن می‌توانیم از مولکول آب استفاده کنیم. از آن‌جا که در سمت چپ ۶ اکسیژن و در سمت راست ۲ اکسیژن داریم، ۴ مولکول آب را در سمت راست وارد می‌کنیم.

2NO3+3Cu2NO+3Cu2++4H2O2 NO_3^-+3Cu\rightarrow 2NO+3Cu^{2+}+4H_2O

حال باید به کمک H+H^+ تعداد اتم‌های هیدروژن را موازنه کنیم. سمت چپ واکنش فاقد اتم هیدروژن است اما در سمت چپ ۸ اتم هیدروژن داریم که مربوط به H2OH_2O هستند. برای موازنه ۸ هیدروژن را در سمت چپ و به‌صورت زیر وارد می‌کنیم.

2NO3+3Cu+8H+2NO+3Cu2++4H2O2 NO_3^-+3Cu+8H^+ \rightarrow 2NO+3Cu^{2+}+4H_2O

به این روش توانستیم به واکنشی موازنه شده از نظر جرم دست پیدا کنیم. در نهایت آن را از نظر بار بررسی می‌کنیم. در سمت راست واکنش ۶ بار مثبت و در سمت چپ واکنش ۸ بار مثبت و ۲ بار منفی حضور دارد، بنابراین این واکنش هم از نظر بار، هم جرم موازنه است.

مثال چهارم

عدد اکسایش کروم در مولکول CrCl3CrCl_3 را با توجه به قوانین گفته شده بیابید.

پاسخ

این مولکول خنثی است، بنابراین مجموع اعداد اکسایش اتم‌های آن باید برابر با ۰ باشد. کلر در این مولکول دارای عدد اکسایش ۱- است زیرا در همراهی با اکسیژن و فلوئور نیست. در صورتی که عدد اکسایش کروم را با nn نمایش دهیم، برای به دست آوردن آن از رابطه زیر استفاده می‌کنیم.

n+3(1)=0n+3(1)=0

n=+3n=+3

همان‌طور که مشاهده کردید، عدد اکسایش کروم در این ساختار برابر با ۳+ است.

مثال پنجم

عدد اکسایش کروم را در ترکیب Cr(H2O)63+Cr(H_2O)_6^{3+} محاسبه کنید.

پاسخ

پیشتر گفتیم که عدد اکسایش یون‌ها برابر با بار روی آن‌ها است اما این یون تک اتمی نیست، بنابراین می‌توان از روش کوتاه‌تری برای به دست آوردن عدد اکسایش کروم استفاده کرد. می‌دانیم که مولکول‌هایی مانند آب و آمونیاک فاقد بار الکتریکی هستند، بنابراین می‌توان در چنین مثال‌هایی آن‌ها را نادیده گرفت و بار را تنها به کروم نسبت داد.

به عبارتی در این مولکول H2OH_2O به Cr3+Cr^{3+} متصل شده است، بنابراین عدد اکسایش کروم برابر با ۳+ است.

شیشه های آزمایشگاه که داخل آن ها با محلول های رنگی پر شده اند.

حل تمرین

حال که با روش موازنه با عدد اکسایش آشنا شده‌ایم، در این بخش تعداد تمرین چندگزینه‌ای را مرور خواهیم کرد.

تمرین اول

تمامی هالوژن‌های زیر می‌توانند دارای بیش از یک عدد اکسایش باشند، به غیر از ...

فلوئور

کلر

ید

برم

 

تمرین دوم

با توجه به تغییرات عدد اکسایش در واکنش زیر، گزینه مناسب را انتخاب کنید.

2MnO4+5SO2+6H2O5SO42+2Mn2++4H3O+{2MnO_4^{–} + 5SO_2 + 6H_2O \rightarrow 5SO_4^{2–} + 2Mn^{2+} + 4H_3O^{+}}

در این واکنش گونه SO2SO_2 اکسایش و گونه MnO4MnO_4^- کاهش یافته است.

در این واکنش گونه SO2SO_2 کاهش و گونه MnO4MnO_4^- اکسایش یافته است.

در این واکنش SO2SO_2 عامل اکسنده است.

در این واکنش MnO4MnO_4^- عامل احیاکننده است.

پاسخ تشریحی

ابتدا عدد اکسایش هر یک از اتم‌ها را در مولکول آ‌ن‌ها به دست می‌آوریم.

مولکول MnO4MnO_4^-

عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است و با وجود ۴ عدد اکسیژن مجموع آن‌ها برابر با ۱- خواهد بود. از آن‌جا که این مولکول دارای ۱+ است، عدد اکسایش منگنز باید ۷+ باشد.

مولکول SO2SO_2

عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است و برای دو عدد اکسیژن مساوی با ۴- خواهد بود. از آن‌جا که این مولکول خنثی است، عدد اکسایش گوگرد باید ۴+ باشد.

مولکول H2OH_2O

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ و عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است.

مولکول SO42SO_4^{2-}

عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است و برای دو عدد اکسیژن مساوی با ۴- خواهد بود. از آن‌جا که این مولکول دارای ۲- است، عدد اکسایش گوگرد باید ۶+ باشد.

مولکول Mn2+Mn^{2+}

عدد اکسایش یون‌های تک اتمی برابر با بار آن‌ها است. در این مورد عدد اکسایش منگنز برابر با ۲+ خواهد بود.

مولکول H3O+H_3O^+

عدد اکسایش هیدروژن برابر با ۱+ و عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است.

این واکنش از نوع اکسایش و کاهش است زیرا در آن منگنز از عدد اکسایش ۷+ به ۲+ می‌رسد و کاهش می‌یابد. همچنین گوگرد در سمت اول واکنش دارای عدد اکسایش ۴+ و ۶+ در سمت دوم است که دستخوش اکسایش می‌شود.

گونه SO2SO_2 توسط گونه MnO4MnO_4^- اکسایش یافته است، بنابراین این یون عامل اکسنده است. عکس این نکته نیز صادق است، یعنی گونه MnO4MnO_4^- توسط SO2SO_2 کاهش یافته است و این گونه عامل احیاکننده به شمار می‌رود.

 

تمرین سوم

ضرب AlAl و H2SO4H_2SO_4 در واکنش موازنه شده زیر به ترتیب در کدام گزینه به‌‌صورت صحیح آورده شده است؟

Al+H2SO4Al2(SO4)3+H2Al+H_2SO_4\rightarrow Al_2(SO_ 4)_3+H_2

۳ و ۱

۲ و ۲

۳ و ۲

۲ و ۳

پاسخ تشریحی

ابتدا عدد اکسایش اتم‌ها را در گونه‌های این واکنش پیدا می‌کنیم.

مولکول AlAl

آلومینیوم به‌صورت آزاد و عدد اکسایش آن صفر است.

مولکول H2SO4H_2SO_4

در این مولکول ۲ هیدروژن با عدد اکسایش ۱+ و ۴ اکسیژن با عدد اکسایش ۲- وجود دارد که مجموع آن‌ها برابر با ۶- است. از آن‌جا که این مولکول خنثی است، باید عدد اکسایش گوگرد برابر با ۶+ باشد.

مولکول Al2(SO4)3Al_2(SO_4)_3

در این مولکول عدد اکسایش گوگرد برابر با ۶+، عدد اکسایش آلومینیوم برابر با ۳+ و عدد اکسایش اکسیژن ۲- است.

مولکول H2H_2

هیدروژن به‌صورت آزاد و عدد اکسایش آن ۰ است.

در این واکنش آلومینیوم اکسید شده و عدد اکسایش آن از ۰ به ۳+ رسیده است. همچنین عدد اکسایش هیدروژن از ۱+ به ۰ رسیده و کاهش یافته است. مشاهده می‌کنید که هیدروژن موازنه است اما باید آلومینیوم را با گذاشتن ضریب ۲ پیش از AlAl موازنه کنیم.

2Al+H2SO4Al2(SO4)3+H22 Al+H_2SO_4\rightarrow Al_2(SO_ 4)_3+H_2

سپس با توجه به اکسایش و کاهش صورت گرفته، مقدار کل افزایش عدد اکسایش را برای آلومینیوم و هیدروژن محاسبه می‌کنیم. ۲ عدد آلومینیوم با عدد اکسایش ۰ تبدیل به ۲ عدد آلومینیوم با عدد اکسایش ۳+ می‌شوند، بنابراین در این مورد تغییر عدد اکسایش برابر با ۶+ است.

در مورد کاهش نیز ۲ عدد هیدروژن با عد اکسایش ۱+ تبدیل به ۲ عدد هیدروژن با عدد اکسایش ۰ می‌شوند، در این مورد تغییر عدد اکسایش کل برابر با ۲- است.

برای ایجاد موازنه در واکنش اکسایش و کاهش باید تعداد الکترون‌های انتقالی در اکسایش و کاهش با یکدیگر برابر باشند، بنابراین گونه‌های دخیل در کاهش هیدروژن را در عدد ۳ ضرب می‌کنیم و نتیجه به‌‌صورت زیر است.

2Al+3H2SO4Al2(SO4)3+3H22 Al+3H_2SO_4\rightarrow Al_2(SO_ 4)_3+3H_2

تمرین چهارم

در صورتی که واکنش زیر را به روش موازنه با عدد اکسایش موازنه کنیم، ضریب گونه MnO2MnO_2 برابر با کدام یک از گزینه‌های زیر خواهد بود؟

MnO4+IMnO2+IO3MnO_4^- +I^-\rightarrow MnO_2 + IO_3^-

۱

۳

۲

۴

پاسخ تشریحی

این واکنش پس از موازنه با عدد اکسایش به‌صورت زیر در می‌آید.

2MnO4+I+H2O2MnO2+IO3+2OH2 MnO_4^- +I^- +H_2O\rightarrow 2MnO_2 + IO_3^- +2OH^-

تمرین پنجم

در صورتی که واکنش زیر را به روش موازنه با عدد اکسایش موازنه کنیم، کدام گزینه صحیح است؟

S2O82+Cr3+SO42+Cr2O72S_2O_8^{2-} + Cr^{3+} \rightarrow SO_4^{2-} + Cr_2O_7^{2-}

3S2O82+2Cr3++7H2O6SO42+Cr2O72+14H+3 S_2O_8^{2-} + 2Cr^{3+} +7H_2O \rightarrow 6SO_4^{2-} + Cr_2O_7^{2-} +14H^+

S2O82+2Cr3++7H2O6SO42+Cr2O72+10H+S_2O_8^{2-} + 2Cr^{3+} +7H_2O \rightarrow 6SO_4^{2-} + Cr_2O_7^{2-} +10H^+

S2O82+3Cr3+6SO42+Cr2O72+10H+S_2O_8^{2-} + 3Cr^{3+} \rightarrow 6SO_4^{2-} + Cr_2O_7^{2-} +10H^+

3S2O82+2Cr3++7H2O3SO42+Cr2O72+14H+3S_2O_8^{2-} + 2Cr^{3+} +7H_2O \rightarrow 3SO_4^{2-} + Cr_2O_7^{2-} +14H^+

تمرین ششم

عدد اکسایش وانادیوم در مولکول VO2+VO^{2+} در کدام یک از گزینه‌های زیر به‌صورت صحیح آورده شده است؟

۲-

۴-

۲+

۴+

تمرین هفتم

عدد اکسایش کروم در یون دی‌کرومات در کدام یک از گزینه‌های زیر به‌صورت صحیح محاسبه شده است؟

۲-

۶+

۲+

۶-

پاسخ تشریحی
مشاهده پاسخ تشریحی برخی از سوالات، نیاز به عضویت در مجله فرادرس و ورود به آن دارد.

تمرین هشتم

با محاسبه عدد اکسایش اتم‌های درگیر در این واکنش، گزینه صحیح را انتخاب کنید.

Mg+2HClMgCl2+H2{Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 +H_2} \nonumber

عدد اکسایش منیزیم از ۰ به ۲+ می‌رسد و اکسایش می‌یابد.

عدد اکسایش منیزیم از ۰ به ۲+ می‌رسد و کاهش می‌یابد.

عدد اکسایش هیدروژن از ۰ به ۱+ می‌رسد و کاهش می‌یابد.

عدد اکسایش هیدروژن از ۱+ به ۰ می‌رسد و اکسایش می‌یابد.

پاسخ تشریحی
مشاهده پاسخ تشریحی برخی از سوالات، نیاز به عضویت در مجله فرادرس و ورود به آن دارد.

سوالات متداول

حال که با نحوه موازنه با عدد اکسایش آشنا شدیم، می‌خواهیم به تعدادی از مهم‌ترین و پرتکرارترین سوال‌های موجود پیرامون آن پاسخ دهیم.

عدد اکسایش چیست؟

عدد اکسایش یک اتم برابر با بار فرضی آن است در صورتی که تمامی پیوندهای آن به‌ طور کامل یونی باشد.

عدد اکسایش اتم آزاد چند است؟

عدد اکسایش اتم یا عنصر به‌صورت آزاد برابر با صفر است.

عدد اکسایش فلزهای قلیایی و قلیایی خاکی چه مقداری است؟

فلزهای قلیایی در همراهی با عنصرهای دیگر همیشه دارای عدد اکسایش برابر با ۱+ هستند. فلزهای قلیایی خاکی نیز در همین شرایط دارای عدد اکسایش برابر با ۲+ هستند.

عدد اکسایش یون‌های تک اتمی چگونه به دست می‌آید؟

عدد اکسایش یون‌های تک اتمی برابر با بار الکتریکی آن‌ها است.

جمع‌بندی

هدف از این مطلب مجله فرادرس یادگیری روش موازنه با عدد اکسایش بود. عدد اکسایش یک اتم با این فرض که تمامی پیوندهای آن به‌طور کامل یونی باشند، برابر با بار آن است. ابتدا به معرفی عدد اکسایش و نحوه محاسبه آن در واکنش‌های گوناگون اکسایش و کاهش پرداختیم، سپس مراحل مورد نیاز برای موازنه با عدد اکسایش را مورد بررسی قرار دادیم.

بعد از آشنایی با این روش، آن را بر روی واکنش‌های زیادی پیاده کردیم و در نهایت نیز دانسته‌های خود را با حل تعدادی مثال به همراه پاسخ تشریحی و تمرین چندگزینه‌ای محک زدیم.

بر اساس رای ۷ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
khanacademylibretextssocratic
دانلود PDF مقاله
۱ دیدگاه برای «موازنه با عدد اکسایش چطور انجام می شود؟ – به زبان ساده + مثال و تمرین»

عالی بود

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *