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.

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.

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 $$Cl_2$$ و عدد اکسایش هیدروژن در فرم $$H_2$$ و همچنین عدد اکسایش گوگرد در فرم $$S_8$$ 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 $$(Br^-)$$ اشاره کرد که در آن عدد اکسایش برابر با ۱- است. همچنین عدد اکسایش مس در $$Cu^{2+}$$ 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 $$O_2^{2-}$$) مهم‌ترین استثنا در این مورد هستند. در پروکسیدها عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۱- است. ترکیباتی مانند $$H_2O_2$$ و $$Na_2O_2$$ 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 $$NaH$$ و $$LiAlH_4$$ 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 $$ClO_4^-$$ 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 $$NO_3^-$$ 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 $$KMnO_4$$ 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.

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

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

مثال دوم

عدد اکسایش آهن در مولکول $$Fe_2O_3$$ و $$FeO$$ را محاسبه کنید.

پاسخ

از آن‌جا که عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- و مولکول خنثی است، می‌توان رابطه زیر را برای مولکول $$Fe_2O_3$$ آن نوشت.

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

این رابطه برای مولکول $$FeO$$ به‌صورت زیر خواهد بود.

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

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.

$$ {NH_4^+ + PO_4^{3–} rightarrow NH_3 + PO_4^{2–}} $$

پاسخ

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

مولکول $$NaH_4^+$$

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 $$PO_4^{3-}$$

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 $$NH_3$$

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 $$HPO_4^{2-}$$

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.

مثال دوم

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

$$ {HClO + H_2S rightarrow H_3O^+ + Cl^{–} + S} $$

پاسخ

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

مولکول $$HClO$$:

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 $$H_2S$$:

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 $$H_3O^+$$:

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

مولکول $$Cl^-$$:

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

مولکول $$S$$:

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 $$H_2S$$ 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 $$H_2S$$ دهنده الکترون است، عامل کاهنده به شمار می‌رود. در این واکنش گونه $$HClO$$ الکترون می‌پذیرد و به $$Cl^-$$ 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.

$$ {2NaOH + Cl_2 rightarrow NaCl + NaClO + H_2O} nonumber$$

پاسخ

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

مولکول $$NaOH$$:

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 $$Cl_2$$:

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

مولکول $$NaCl$$:

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 $$NaClO$$:

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

مولکول $$H_2O$$:

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 $$NaOH$$ به $$NaCl$$، کاهشی و تبدیل $$NaOH$$ به $$NaClO$$ اکسایشی است. این واکنشی مثالی از «واکنش تسهیم نامتناسب» (Disproportionation Reaction) است که در آن انتقال الکترون‌ها بین گونه‌ها یا اتم‌های یکسان صورت می‌گیرد.

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.

$$ HNO_3 + H_3AsO_3(aq) rightarrow NO(g) + H_3AsO_4(aq) + H_2O(l) $$

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

مولکول $$HNO_3$$:

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 $$H_3AsO_3$$:

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 $$NO$$:

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

مولکول $$H_3AsO_4$$:

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

مولکول $$H_2O$$:

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.

$$ 2HNO_3 + 3H_3AsO_3(aq) rightarrow 2NO(g) +3 H_3AsO_4(aq) + H_2O(l) $$

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.

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.

$$ Zn + HCl rightarrow ZnCl_2 + H_2 $$

پاسخ

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

مولکول $$Zn$$:

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

مولکول $$HCl$$:

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

مولکول $$ZnCl_2$$:

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 $$H_2$$:

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.

$$ Zn + 2HCl rightarrow ZnCl_2 + H_2 $$

مثال دوم

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

$$ KClO_3(s) rightarrow KCl(s)+O_2(g) $$

پاسخ

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

مولکول $$KClO_3$$:

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 $$KCl$$:

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

مولکول $$O_2$$:

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.

$$2 KClO_3(s) rightarrow 2KCl(s)+3O_2(g) $$

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 $$NaCl$$ و $$NaClO_3$$ به دست آورید.

پاسخ

در $$NaCl$$ 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 $$NaClO_4$$ نیز فلز قلیایی سدیم حضور دارد، همچنین اکسیژن دارای عدد اکسایش برابر با ۲- است، بنابراین می‌توان محاسبات آن را به‌‌صورت زیر نوشت.

$$ begin{align*} 1 + {Cl} + 3 left( -2 right) &= 0 1 + {Cl} – 6 &= 0 {Cl} – 5 &= 0 {Cl} &= +5 end{align*}nonumber $$

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.

$$ Fe^{2+ }+ MnO_4^- rightarrow Fe^{3+}+ Mn^{2+} $$

پاسخ

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

مولکول $$Fe^{2+}$$

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

مولکول $$MnO_4^-$$

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 $$Fe^{3+}$$

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

مولکول $$Mn^{2+}$$

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.

$$5 Fe^{2+ }+ 1MnO_4^- rightarrow5 Fe^{3+}+ 1Mn^{2+} $$

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 $$H_2O$$ به آن می‌افزاییم.

$$ 5 Fe^{2+ }+ 1MnO_4^- rightarrow5 Fe^{3+}+ 1Mn^{2+}+4H_2O $$

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 $$H^+$$ جبران می‌کنیم.

$$ 5 Fe^{2+ }+ 1MnO_4^- +8H^+rightarrow5 Fe^{3+}+ 1Mn^{2+}+4H_2O $$

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 $$NO_3$$ و $$Cu$$ در واکنش موازنه شده زیر را گزارش دهید.

$$ NO_3^-+Curightarrow NO+Cu^{2+} $$

پاسخ

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

مولکول $$NO_3^-$$

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 $$Cu$$

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

مولکول $$NO$$

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 $$Cu^{2+}$$

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.

$$2 NO_3^-+3Curightarrow 2NO+3Cu^{2+} $$

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.

$$ 2 NO_3^-+3Curightarrow 2NO+3Cu^{2+}+4H_2O $$

حال باید به کمک $$H^+$$ تعداد اتم‌های هیدروژن را موازنه کنیم. سمت چپ واکنش فاقد اتم هیدروژن است اما در سمت چپ ۸ اتم هیدروژن داریم که مربوط به $$H_2O$$ هستند. برای موازنه ۸ هیدروژن را در سمت چپ و به‌صورت زیر وارد می‌کنیم.

$$ 2 NO_3^-+3Cu+8H^+ rightarrow 2NO+3Cu^{2+}+4H_2O $$

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 $$CrCl_3$$ 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 $$n$$ نمایش دهیم، برای به دست آوردن آن از رابطه زیر استفاده می‌کنیم.

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

$$ n=+3 $$

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

مثال پنجم

عدد اکسایش کروم را در ترکیب $$ Cr(H_2O)_6^{3+} $$ 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 $$H_2O$$ به $$Cr^{3+}$$ متصل شده است، بنابراین عدد اکسایش کروم برابر با ۳+ است.

حل تمرین

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

تمرین اول

تمرین دوم

تمرین سوم

تمرین چهارم

تمرین پنجم

تمرین ششم

تمرین هفتم

تمرین هشتم

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.