التأكسد والاختزال، أهميته في جسم الانسان وتطبيقات عليه

تعرف تفاعلات التأكسد والاختزال بأنها انتقال الإلكترونات بين الذرات أو الأيونات أو الجزيئات الموجودة في التفاعل، إذ تكسب بعضها إلكترونات وبعضها الآخر يفقد إلكترونات، ولا تعد تفاعلات التأكسد والاختزال غريبة أو نادرة، فهي تحيط بنا ويتكرر حدوثها دومًا، مثل تفاعل البناء الضوئي والتنفس الخلوي واحتراق الوقود وصدأ المعادن. ^[1]

ما هو التأكسد والاختزال

تتضمن غالبية عمليات الأكسدة والاختزال انتقالًا لذرات الأكسجين أو الهيدروجين أو للإلكترونات، وتعد عمليتي التأكسد والاختزال مقترنتان ببعضهما، وفيما يلي تعريف تفاعلات التأكسد والاختزال حسب العنصر الذي انتقل: ^[2] [3]

من حيث انتقال الأكسجين

التأكسد هو اكتساب الأكسجين، أما الاختزال فهو فقدان الأكسجين، ويسمى العامل الذي يعطي الأكسجين بالعامل المؤكسد، أما العامل الذي يأخذ الأكسجين من الآخر بعامل الاختزال، ومثال عليه هو تفاعل الكربون مع أكسيد الزئبق الذي تنتقل فيه ذرتين من الأكسجين من أكسيد الزئبق إلى الكربون منتجةً معدن الزئبق وثاني أكسيد الكربون.

من حيث انتقال الهيدروجين

التأكسد هو فقدان الهيدروجين، أما الاختزال فهو اكتساب الهيدروجين، والعامل المؤكسد هو الذي يعطي الأكسجين أو يأخذ الهيدروجين، بينما عامل الاختزال فهو الذي يأخذ الأكسجين أو يعطي الهيدروجين،ومثال عليه هو تفاعل الهيدرازين مع الأكسجين، إذ يفقد الهيدرازين الهيدروجين ويكتسبه الأكسجين منتجًا الماء والنيتروجين.

من حيث نقل الإلكترونات

التأكسد هو فقدان الألكترونات، بينما الاختزال هو اكتسابها، ومثال عليه هو تفاعل الزنك مع أيون النحاس، إذ يفقد الزنك إلكترونين ويكتسبهما النحاس منتجًا أيون زنك مائي ومعدن النحاس.

معادلات التأكسد والاختزال

تكتب معادلات التأكسد والاختزال بطريقة صحيحة باتباع الخطوات التالية: ^[4]

• كتابة أطراف التفاعل على شكل معادلة هيكلية.
• كتابة الشحنات، وتحديد أعداد الإلكترونات التي فُفدت واكتُسبت.
• تحديد الذرات التي تأكسدت والتي اختُزلت.
• تقسيم التفاعلات إلى نصفين؛ نصف يمثل تفاعل التأكسد والنصف الآخر يمثل تفاعل الاختزال، ثم موازنة كل نصف على حدة.
• جمع المعادلات النصفية في معادلة واحدة.
• التحقق من موازنة المعاجلة النهائية.

أهمية تفاعلات التأكسد والاختزال

تشمل أهمية تفاعلات التأكسد والاختزال مجالات الكيمياء والجيولوجيا والأحياء، ومنها ما يلي: ^[5]

• تحدث تفاعلات تأكسد واختزال تحت سطح الأرض؛ وتكون بين اللب المعدني للكوكب وهو الجزء الذي يُختزَل وبين الجو وهو الجزء الذي يتأكسد.
• تنشأ أكاسيد المعادن والماء الذي هو أكسيد الهيدروجين من تفاعلات تأكسد واختزال.
• تحدث عملية البناء الضوئي بناءً على تفاعلات تأكسد واختزال، وهي العملية التي تدعم الحياة على سطح الأرض.
• تُنتج العديد من المنتجات الكيميائية مثل الأمونيا عن طريق تفاعلات اختزال صناعية.
• يتم تكسير أو إذابة مواد مثل الخشب والمعادن والبلاستيك من خلال عمليات تأكسد واختزال.

تطبيقات عمليات التأكسد والاختزال

فيما يلي أهم التطبيقات على تفاعلات التأكسد والاختزال: ^[6]

التطبيقات الكيميائية

تستخدم تفاعلات التأكسد والاختزال في الكيمياء كما يلي:

• تحديد تراكيز العناصر.
• إجراء التحاليل غير العضوية، والتحاليل العضوية، مثل تحديد الحاجة الكيميائية للأكسجين.
• تعقيم المياه.
• إنتاج مواد التنظيف.
• إنتاج المجوهرات المطلية بالذهب، وتتم من خلال عملية تدعى بالطلاء الكهربائي.

التطبيقات البيئية

يتم إنتاج الأكسجين المذاب من تفاعلات تأكسد واختزال، والأكسجين المذاب مهم في المياه والأنهار لدعم الحياة المائية، وفي محطات معالجة مياه الصرف الصحي للأكسدة الهوائية للنفايات، إذ إنه عند انخفاض نسبة الأكسجين المذاب ستُنتج الأكسدة الهوائية  للنفايات غازات ضارة.

التطبيقات الغذائية

يستخدم في عملية تسمى التحليل الحجمي، هدفها هو تحديد كمية المواد المتفاعلة، وتستخدم في معرفة تركيز الملح أو السكر أو الفيتامينات في منتج معين.

تطبيقات في طب الأسنان

تستخدم في تبييض الأسنان؛ ويكون ذلك باستخدام بيروكسيد الهيدروجين الذي يتأكسد ويفكك الروابط الكيميائية بين المواد المشكِّلة لبقع الأسنان، فتظهر الأسنان بلون أفتح.

تطبيقات في علم المعادن

تستخددم تفاعلات التأكسد والاختزال في استخراج ومعالجة المعادن، وفي عملية احتراق الوقود.

أهمية تفاعلات التأكسد والإختزال في جسم الانسان

تفاعلات التأكسد والاختزال في جسم الانسان

في الكائنات الحية وجسم الانسان يحتاج للعناصر الكيميائية على صورة متأينة (أيونات)، من هذه الأمثلة ما يلي:

• تحدث تفاعلات التأكسد والاختزال في جسم الإنسان لتنفيذ عدد من المهام على سبيل المثال في الدم.
• أيونات الكاسيوم مهمة في تقليص العضلات.
• أيونات الصوديوم و البوتاسيوم مهمة لنقل السيالات العصبية.
• النباتات تحصل على الأملاح الضروية على صورة أيونات.
• التفاعلات الكيميائية في جسم الانسان تحتاج إلى طاقة ، وهذه الطاقة يحصل عليها الجسم من السكريات الموجودة في الطعام ، فالجسم لا يستفيد من الجلوكوز إلى إذا احترق ، حيث أنه لا يحترق دون وجود طاقة لحرقهوكما أن التفاعلات الكيميائية تعمل على تحطيم السكريات لماء و ثاني أكسيد الكربون فتنتج لنا طاقة وهي:

1. تفاعلات طاردة للطاقة : وهي تفاعلات كيميائية تنتج طاقة حرة.
2. تفاعلات ماصة للطاقة : وهي تفاعلات كيميائية تعمل على امتصاص الطاقة الحرة.

تنفس الخلايا والتمثيل الضوئي

في عملية “تنفس الخلايا والتمثيل الغذائي” يتحول سكر جلوكوز بالأكسدة إلى ثاني أكسيد الكربون ويُختزل الأكسجين ويتحول إلى ماء، حيث يتفاعل جزيء جلوكوز مع 6 جزيئات أكسجين وينتج 6 جزيئات ثاني أكسيد الكربون و 6 جزيئات ماء.
ويحدث العكس خلال عملية “التمثيل الضوئي” حيث تجري في المادة الخضراء للنبات تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء في وجود الضوء الذي يمدهما بالطاقة  ويتحولان إلى جلوكوز ويتحرر الأكسجين، وهذا هو التفاعل الأساسي في النبات الذي ينتج الجلوكوز .