مفهوم اکسیداسیون
مقدمه
اکثر مواد و ترکیبات مختلف وقتی در کنار یکدیگر قرار میگیرند تمایل به مبادله الکترون بین خودشان دارند. به این واکنش اکسیداسیون – احیاء (oxidation–reduction) گفته میشود. بنابراین، به یاد داشته باشید که تعریف اکسیداسیون-احیاء مربوط به جابجایی الکترونها است (نه اکسیژن یا هیدروژن!).
این واکنشها در اطراف ما به فراوانی وجود دارند: زنگ زدن آهن و حتی فرآیندهای فتوسنتز و تنفس سلولی شامل اکسیداسیون و احیاء هستند.
در این جستار به مفهوم اکسید شدن و تأثیر آن خواهیم پرداخت.
تعاریف
- عنصر: عبارت است از مادهای خالص که با هیچ واکنش شیمیایی غیر هسته ای نمیتواند به اجزای ساده تر تجزیه شود. مانند آهن، آلومنیوم،گاز هیدروژن و….
- الکترونگاتیوی: یک خاصیت شیمیایی و بیانگر تمایل یک اتم به جذب الکترون به سمت خود است. با افزایش الکترونگاتیوی، قدرت عنصر یا ترکیب برای جذب الکترون بیشتر میشود. گاز فلوئور بالاترین الکترونگاتیوی را در بین عناصر دارد و می‌تواند بقیه عناصر را اکسید نماید.
- میکروارگانیسم: به موجودات ریز و میکروسکوپی با طول کمتر از یک میلیمتر گفته میشود که انواع مختلفی مانند باکتری، ویروس، قارچ، جلبک و… را دربر می‌گیرد.
- PH : مقیاسی برای تعیین میزان اسیدی یا بازی بودن یک محلول است. هرچه محلول اسیدی تر باشد عدد PH کوچکتر و هر چه بازی تر باشد، عدد PH بزرگتر خواهد بود.
مفهوم اکسیداسیون
اکسیداسیون از دست دادن الکترون طی یک واکنش توسط یک ماده یا ترکیب است. فرآیند مقابل آن که احیاء (کاهیدگی) نامیده میشود، زمانی رخ میدهد که آن ماده، الکترون به دست میآورد.
- آهن یکی از فراوان ترین عناصر در پوسته زمین است؛ اما به شکل خالص یافت نمیشود و به صورت اکسید آهن (Fe2O3) در طبیعت وجود دارد. بعد از استخراج، این اکسیژن اضافه باید در فرآیند احیاء حذف گردد تا بتوان از این آهن در تولید انواع فولاد استفاده کرد.
- آلومینیوم نیز فلزی است که به صورت خالص در طبیعت وجود ندارد و بصورت ترکیب با اکسیژن یافت میشود. بعد از استخراج اکسید آلومینیوم (آلومینا)، این اکسیژن اضافی باید در فرآیند احیاء حذف گردد.
اولین کیمیاگری تاریخ!
تا پیش از سال 1886 میلادی تمامی روش ها برای استخراج آلومینیوم خالص، بسیار گران تمام می‌شد و قیمت آلومینیوم در بازار از طلا نیز گران تر بود. اما نهایتاً چارلز مارتین هال (تولد ۱۸۶۳ – درگذشت ۱۹۱۴) مخترع، تاجر و شیمیدان آمریکایی، در سال 1886 روشی مفید و ارزان قیمت برای تولید آلومینیوم خالص ابداع کرد و به کیمیاگری پیشرو در دوران خود تبدیل گردید. کار او سبب شد آلومینیوم پس از آهن پرمصرف ترین فلز در صنایع مختلف باشد و به تولید انبوه برسد.
تمایل به اکسیداسیون
- فلزات به دلیل تمایل به از دست دادن الکترون، معمولاً به راحتی اکسید می‌شوند. فلزات فعال مانند سدیم (Na)، پتاسیم (K) و آهن (Fe) به سرعت با اکسیژن واکنش می‌دهند و اکسیدهای فلزی تشکیل می‌دهند.
- فلزات نجیب مانند طلا (Au) و پلاتین (Pt) به سختی اکسید می‌شوند و در شرایط عادی مقاوم به اکسیداسیون هستند به همین دلیل در حوزۀ پزشکی از پلاتین استفاده میشود.
- غیرفلزات تمایل به جذب الکترون دارند و اغلب به‌عنوان عامل اکسیدکننده عمل می‌کنند، اما در برخی شرایط خود نیز اکسید می‌شوند. غیرفلزاتی مانند گوگرد (S)، کربن (C) و فسفر (P) در واکنش با اکسیژن، اکسیدهای غیرفلزی تشکیل می‌دهند.
- گازهای نجیب (Inert Gases) شامل هلیوم، نئون، آرگون، زنون و رادون در فرآیند مبادلۀ الکترون شرکت نمیکنند و یا عبارت دقیق تر نه اکسید و نه کاهیده می‌شوند.
- گاز دی‌اکسید کربن (CO2) علی‌رغم اینکه عنصر نیست، اما به دلیل آن که خود محصول یک واکنش اکسیداسیون- احیاء است و به پایداری رسیده، مشابه گازهای نجیب در واکنش های اکسیداسیون- احیای جدید شرکت نمیکند. امروزه تلاش هایی در سطح آکادمیک برای به کارگیری CO2 در واکنش های اکسیداسیون برای ایجاد فرآیندهای شیمیایی سبز تر و مقرون به صرفه تر در حال انجام است.
- گاز نیتروژن (N2) به طور کلی در واکنش های اکسیداسیون و کاهش در شرایط عادی بیاثر است.
- گاز کلر (CL) به دلیل داشتن الکترونگاتیوی بالا یک اکسیدکننده ی قوی است و به ویژه به عنوان پادزیست (کُشنده) جهت کنترل میکروارگانیسم ها در مخازن، حوضچه ها، گندزدایی و کنترل رشد میکروبی در سیستم توزیع آب و فاضلاب استفاده میشود. در واقع گاز کلر با جذب الکترون از بدنه سلول میکروارگانیسم، آن را اکسید و نابود میکند.
تاثیر دما بر سرعت اکسیداسیون
به طور کلی دما تأثیر مستقیم با اکسیداسیون مواد به ویژه فلزات دارد. با افزایش دما نرخ اکسیداسیون نیز افزایش مییابد؛ در حقیقت در دمای بالاتر مواد راحت تر و سریع تر اکسید یا کاهیده می‌شوند. به عنوان مثال لولههای آب گرم سریع تر از لوله های آب سرد در اثر اکسیداسیون دچار خوردگی می‌شوند.
اهمیت اکسیداسیون
اکسیداسیون یک فرآیند مهم در صنعت و دلیل بسیاری از تغییرات شیمیایی مهم در طبیعت است. به عنوان مثال، فتوسنتز در گیاهان از طریق اکسیداسیون کربن رخ میدهد، همچنین تنفس در موجودات زنده از طریق اکسیداسیون کربن و سایر ترکیبات اتفاق میافتد. در حوزۀ فناوری، اکسیداسیون اغلب برای اصلاح مواد یا بهبود خواص آنها، مثل بهبود چسبندگی پوشش ها، استفاده میشود.
با این حال، برخی از اثرات نامطلوب اکسیداسیون عبارت است از:
- تجزیه مواد از طریق اکسیداسیون، می‌تواند آسیب قابل توجهی به ساختمان ها، پل ها، وسایل نقلیه و سایر سازه ها وارد کند.
- مواد و عوامل محیطی مانند آلودگی هوا، دود سیگار، غذاهای فراوری شده و… باعث ایجاد رادیکال های آزاد در بدن می‌شوند. این رادیکال های آزاد با گرفتن الکترون و اکسیدکردن سلول های بدن آنها را نابود کرده و منشاء انواع سرطان ها هستند. مصرف مواد غذایی نظیر پیاز بنفش، سویا، آجیل و … که سرشار از آنتی اکسیدان هستند، این واکنش اکسیداسیون مخرب را مختل و اثر رادیکال های آزاد را خنثی میسازد.
- در صنعت، عدم کنترل درست اکسیداسیون، منجر به کاهش کیفیت و طول عمر خطوط جوشکاری شده میشود.
- و…
خرافه سبز و قهوه ای شدن آب
طبق گفتۀ سازمان بهداشت جهانی، وجود حداکثر 0.3 میلی گرم یون (+Fe2) در هر لیتر آب آشامیدنی ایمن است. حال اگر به روشی مانند الکترولیز، PH را افزایش دهیم، یون های هیدروکسید (−OH) بیشتر شده و با +Fe2 در آب ترکیب میشود و نهایتاً محلولی سبز رنگ با رویۀ قهوه ای تشکیل میدهد که به مرور رسوب میکند. آهن در شرایط قلیایی به راحتی اکسید شده و +Fe3 (فریک) ایجاد میشود. تیره شدن رسوب از همین اثر ناشی می شود. برخی افراد با ادعای تصفیۀ آب، با قراردادن دستگاه خود در آب آشامیدنی منزل شما موجب ایجاد رسوب سبز – قهوه ای، به دلیلی که در بالا ذکر شد، می‌شوند. آن ها ادعا می‌کنند دستگاه‌شان این آلودگی ها را از آب جدا کرده، در حالی که در عمل خود آن دستگاه علت تشکیل رسوبات بوده است!
جمع بندی
واکنش‌های اکسیداسیون – احیاء ، واکنش‌هایی هستند که شامل انتقال الکترون از یک گونه به گونه دیگر می‌شوند. گونه هایی که الکترون از دست می‌دهند اکسید و گونه هایی که الکترون به دست می آورند، کاهیده می‌شوند. این واکنشها مزایا و معایب متنوعی در صنایع فولاد و آلومینیوم، آب و فاضلاب و … دارند.
