Oxidation and Reduction Reactions: Industrial Chemistry PDF
Document Details

Uploaded by ArticulateParable
2023
د. عبد الرزاق حمال
Tags
Related
Summary
These are lecture notes on oxidation and reduction reactions (redox) for industrial chemistry students. Topics covered include oxidation states, balancing redox reactions, and examples of redox reactions in industrial processes, with a focus on how to balance chemical equations for these reactions.
Full Transcript
مدرس املقرر مقرر الكيمياء الصناعية احملاضرة: د.عبدالرزاق محال لطالب السنة األوىل هندسة (قيادة-قدر...
مدرس املقرر مقرر الكيمياء الصناعية احملاضرة: د.عبدالرزاق محال لطالب السنة األوىل هندسة (قيادة-قدرة-ميكاترونيك) العام الدراسي 2024-2023 تفاعالت األكسدة واإلرجاع مقدمة: تقسم التفاعالت الكيميائية غلى مجموعتين رئيسيتين: أو ًلا-تفاعالتًلًيتمًفيهاًانتقالًلإللكترونات :ولها عدة أنواع: AgNO 3 + NaCl AgCl + NaNO 3 ً-1تفاعالتًالترسيبً ً: CH3COONa + H2O ) CH3COOH + ( Na OH ً-2تفاعالتًالحلمهةً : H 2SO4 + 2 KOH K 2SO4 + 2 H2O ً-3تفاعالتًالتعديلً : Fe3 + 6 SCN [Fe(SCN) 6 ]2 ً-4تفاعالتًتشكلًالمعقداتً : H2 H2 CH CH CH2 CH2 C2H6 ً-5تفاعالتًالضمً : ثانيًا ا-تفاعالتًيحصلًفيهاًلإللكترونات :تسمى تفاعالت األكسدة واالرجاع ,ويمكن أن يكون االنتقال كليا ً او جزئياً. -النتقالًالجزئيًلإللكترونات :يحصل عندما ترتبط ذرتين أو أكثر بحيث تكون إحدى الذرات أشد كهرسلبية من الذرات األخرى فتقوم بسحب الزوج االلكتروني إليها ,ينشأ عن ذلك توضع للشحنات الظاهرية السالبة على العناصر األشد كهرسلبية ,وشحنات ظاهرية موجبة على العناصر األقل كهرسلبية ,وتسمى المركبات الناتجة المركبات المشتركة القطبية ,أي هي المركبات الناتجة عن االنتقال الجزئي لإللكترونات ,مثال HF, HCl, H2O :ألن O2- ,Cl- ,F-أشد كهرسلبية من الهيدروجين. -النتقالًالكليًلإللكترونات :يحصل عندما ينتقل الكترون أو أكثر من ذرة كهرجابية إلى ذرة كهرسلبية فتتشكل شوارد موجبة وشوارد سالبة وتسمى المركبات الناتجة بالمركبات الشاردية ,مثل تفاعل ذرة الصوديوم مع ذرة الكلور إلعطاء ملح كلوريد الصوديوم (مركب شاردي) وفق التفاعل التالي2Na + Cl2 → 2Na+Cl- : املفهوم احلديث لألكسدة واإلرجاع: بحسب المفهوم الحديث فإن تفاعالت األكسدة واالرجاع تشمل التفاعالت التي يرافقها انتقال في اإللكترونات وذلك بغض النظر عن ضم أو نزع األوكسجين أو الهيدروجين أثناء التفاعل ,ووفقا ً لهذا المفهوم فإنه يمكن تعريف ًتفاعالت ًاألكسدة ًواإلرجاع بأنها تفاعالت عكوسة يرافقها انتقال الكترونات على حساب تغير درجة أكسدة العناصر أو الذرات أو الشوارد. ً -رقمًاألكسدة :هو الشحنة الظاهرية ويمثل عدد االلكترونات التي يمكن أن تخسرها أو تكسبها ذرة عنصر ما ويكون هذا العدد موجبا أو سالبا ً أو صفراً. -األكسدة :هي العملية التي يرافقها ارتفاع في رقم أكسدة العنصر. -اإلرجاع :هي العملية التي يرافقها انخفاض في رقم أكسدة العنصر. -اجلسمًاملؤكسد :هو الجسم الذي يقوم بعملية األكسدة باكتسابه االلكترونات فيتناقص رقم أكسدته ويخضع لعملية إرجاع. -اجلسمًاملرجع :هو الجسم الذي يقوم بعملية اإلرجاع بإعطائه االلكترونات فيزداد رقم أكسدته ويخضع لعملية أكسدة. سؤال :ماهو الفرق بني رقم األكسدة والتكافؤ؟ -التكافؤ :هو عدد مجرد (ليس له إشارة) يعبر عن عدد الروابط األحادية التي تستطيع الذرة تشكيلها ,بينما رقم االكسدة فالبد من تحديد اشارته للداللة على كسب او فقد االلكترونات السالبة. ً -اليعطي رقم االكسدة فكرة عن التوزع الحقيقي لإللكترونات بين الذرات فمثال في جزيئة H2Oإلن الشحنة الظاهرية للهيدروجين +1 ولألكسجين -2لكن هذا اليعني ان الماء موجود بشكل شاردي( 2H+و )O2-بل هناك رابطة مشتركة قطبية بينهما. -رقم األكسدة يأخذ قيما ً سالبة وموجبة وكسرية وصفر ,بينما التكافؤ عدد مجرد يدل على الروابط الفردية ,ففي جزيئة حمض الخل 1 CH3COOHإن رقم أكسدة الكربون صفر بالرغم من أن تكافؤه هو .4 مدرس املقرر مقرر الكيمياء الصناعية احملاضرة: د.عبدالرزاق محال لطالب السنة األوىل هندسة (قيادة-قدرة-ميكاترونيك) العام الدراسي 2024-2023 القاعدة العامة: إذا تأكسد العنصر ← فقد الكترونات ← ازداد رقم األكسدة ← ويسمىًجسمًمرجع إذاًأرجع العنصر ← كسبًالكترونات ً ← نقصًرقم األكسدة ً ← ويسمى جسمًمؤكسد أمثلة: Zn → Zn2+ + 2e فالزنك جسم مرجع ازداد رقم أكسدته من الصفر إلى +2 فقد الكترونين تأكسد الزنك Cu2+ + 2e → Cu فالنحاس جسم مؤكسد نقص رقم أكسدته من +2إلى الصفر كسب الكترونين أرجع النحاس ثانيا -قواعد حساب أرقام األكسدة: -1رقم أكسدة األكسجين في جميع مركباته هو ( )-2عدا فوق األكاسيد يكون ( )-1وفي األكاسيد العليا (.)-1/2 KMnO4 H2SO4 SO2 H2 O رقمًأكسدةًاألكسجينً(ً )-2 Na2O2 BaO2 H2 O2 رقمًأكسدةًاألكسجينً(ً )-1 KO2 NaO2 رقمًأكسدةًاألكسجينً(ً )-1/2 -2رقم أكسدة الهيدروجين في جميع مركباته ( )+1عدا الهيدريدات يكون (.)-1 H2SO4 NaOH H2 O رقمًاألكسدةً()+1 LiH رقمًاألكسدةً(ً )-1 -3رقم أكسدة العنصر الحر بالحالة الذرية أو الحالة الجزيئية يساوي الصفر. Fe Al Ca Na حالةًذرية رقمًاألكسدةًصفر I2 H2 Cl2 O2 حالةًجزيئية -4رقم أكسدة الشاردة البسيطة (المكونة من عنصر واحد فقط) هو شحنة هذه الشاردة. Al3+ Fe2+ S2- I- Cl- Mn2+ الشاردة +3 +2 -2 -1 -1 +2 رقمًاألكسدة -5مجموع أرقام أكسدة العناصر المكونة للشاردة المركبة (المكونة من عنصرين أو أكثر) يساوي شحنة هذه الشاردة. ( = -1رقم اكسدة ( + 4×)Oرقم اكسدة 1×)Mn MnO4- البرمنغنات ً ( = +7رقم اكسدة )Mn 2 مدرس املقرر مقرر الكيمياء الصناعية احملاضرة: د.عبدالرزاق محال لطالب السنة األوىل هندسة (قيادة-قدرة-ميكاترونيك) العام الدراسي 2024-2023 ( = -2رقم اكسدة ( + 4×)Oرقم اكسدة 1×)S SO42- الكبريتات ً ( = +6رقم اكسدة )S ( = -1رقم اكسدة ( + 3×)Oرقم اكسدة 1×)N NO3- النترات ً ( = +5رقم اكسدة )N ( = -2رقم اكسدة ( + 4×)Oرقم اكسدة 1×)Cr CrO42- الكرومات ً ( = +6رقم اكسدة )Cr ( = -2رقم اكسدة ( + 7×)Oرقم اكسدة 2×)Cr Cr2O72- ثنائيًالكرومات ً ( = +6رقم اكسدة )Cr -6مجموع أرقام األكسدة للعناصر المكونة للجزيئة المعتدلة يساوي الصفر. ( = 0رقم اكسدة ( + 4×)Oرقم اكسدة ( +1×)Sرقم اكسدة 2×)H H2SO4 حمضًالكبريت ً ( = 0رقم اكسدة ( + 7×)Oرقم اكسدة ( +2×)Crرقم اكسدة 2×)K K2Cr2O7 ثنائيًكروماتًالبوتاسيوم ( = 0رقم اكسدة ( + 2×)Oرقم اكسدة 1×)Mn MnO2 ثنائيًأكسيدًالمنغنيز ً ( = 0رقم اكسدة ( + 3×)Oرقم اكسدة ( +2×)Sرقم اكسدة 2×)Na Na2S2O3 ثيوكبريتاتًالصوديوم ً ( = 0رقم اكسدة ( + 4×)Oرقم اكسدة ( +1×)Sرقم اكسدة 2×)K K2SO4 كبريتاتًالبوتاسيوم ً -مالحظةًدائما ً رقم أكسدة =Na=K =+1 سؤال :أحسب عدد أكسدة الكلور في ClO ClO X 2 1 X 1 -4موازنة تفاعالت األكسدة واإلرجاع يقصد بموازنة تفاعل ما تطبيق قانون إنحفاظ المادة وقانون إنحفاظ الشحنة على طرفي المعادلة التي تمثله ,لموازنة اي تفاعل أكسدة وإرجاعًنتبعًالخطواتًاآلتية: -1نحدد العنصر الذي خضع لعملية أكسدة والعنصر الذي خضع لعملية إرجاع (غالبا ً عدا األكسجين أو الهيدروجين) وذلك بحساب رقم أكسدة هذا العنصر في طرفي المعادلة ,ويجب أن يكون هناك تغير في رقم األكسدة بالزيادة أو بالنقصان ,أما إذا كان رقم أكسدة العنصر نفسه في الطرفين فال يكون التفاعل أكسدة وإرجاع. -2نكتب القسم الذي تأكسد على اليسار ثم سهم ثم ناتج األكسدة وتسمى المعادلة النصفية لألكسدة. -3نكتب القسم الذي أرجع على اليسار ثم سهم ثم ناتج اإلرجاع وتسمى المعادلة النصفية لإلرجاع. -4نوازن الكتلة وذلك بتوحيد عدد الذرات عدا األكسجين والهيدروجين بين طرفي كل معادلة نصفية. -5نووووازألًاألكسوووجين :حيثثثث نحسثثثب عثثثدد ذرات األكسثثثجين بثثثين طرفثثثي المعادلثثثة النصثثثفية ثثثثم نضثثثي الثثثى الطثثثر الفقيثثثر باألكسجين عددا ً من جزيئات الماء يساوي النقص. -6نوازألًالهيدروجينًونميزًحالتين: ً -فيًالوسطًالحمضي :نضي للطر الفقير بالهيدروجين عددا من Hيساوي النقص. + -فوويًالوسووطًالقلووو :نضثثثي للطثثر الفقيثثر بالهيثثدروجين عثثثددا ً مثثن عثثددا ً مثثن جزيئثثثات المثثاء يسثثاوي الثثنقص وللطثثثر 3 اآلخر نفس العدد من .OH- مدرس املقرر مقرر الكيمياء الصناعية احملاضرة: د.عبدالرزاق محال لطالب السنة األوىل هندسة (قيادة-قدرة-ميكاترونيك) العام الدراسي 2024-2023 -7نثثثوازن الشثثثحنة وذلثثثك بحسثثثاب مقثثثدار الشثثثحنات علثثثى طرفثثثي كثثثل معادلثثثة ثثثثم إضثثثافة عثثثدد مناسثثثب مثثثن االلكترونثثثات إلثثثى الطر األكثر ايجابيا (أو األقل سلبية). -8ن وحثثثد عثثثدد االلكترونثثثات فثثثي المعثثثادلتين النصثثثفيتين وذلثثثك بالضثثثرب بعثثثدد االلكترونثثثات الناتجثثثة عثثثن كثثثل معادلثثثة وذلثثثك بشثثثثكل متعثثثثثاكس ,أي إذا نثثثثثتج عثثثثثن المعادلثثثثثة النصثثثثثفية لألكسثثثثثدة ( )2الكتثثثثثرون وعثثثثثن المعادلثثثثثة النصثثثثثفية لإلرجثثثثثاع ()5 الكترون ,فنضرب معادلة األكسدة بـ ( )5ونضرب معادلة اإلرجاع بـ (.)2 -9نجمع المعادلتين النصفيتين ونحذ الحدود المشتركة بعد الجمع فنحصل على المعادلة الشاردية. نحول المعادلة الشاردية إلى معادلة جزيئية وذلك بكتابة مصدر كل شاردة ,أي كتابة اسم الجزيئة التي أعطت الشاردة ً مثال:1 اكتب معادلة تفاعل برمنغنات البوتاسيوم مع كربيتيت الصوديوم بوجود محض الكربيت ووازنها بطريقة األكسدة واالرجاع مالحظةًهامةًجداا :برمنغنات البوتاسيوم هو جسمًمؤكسد قوي والقسم الفعال فيه هو شاردة البرمنغنات التي ترجع الى عدة نواتج بحسب طبيعة الوسط وفق مايلي: → وسط حمضي ( Mn2+عديم اللون) ( MnO4-بنفسجي) → وسط معتدل ( MnO2راسب بني) → وسط قلوي ( MnO42-المنغنات خضراء اللون) ارجاع → ( MnO4- + 8H+ + 5eنضرب بـ)2 Mn2+ + 4H2O أكسدة المعادلتًالنصفيةًالموزونة ً ( SO3 + H2O → SO4 + 2H + 2eنضرب بـ)5 2- 2- + 5SO32- +2MnO4- + 6H+ → 5SO42- + 2Mn2+ + 3H2O المعادلةًالشاردية 5Na2SO3+2KMnO4+ 3H2SO4 → 5Na2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O المعادلةًالجزيئية ً .KMnO4 )1مصدر شوارد MnO4-هو .Na2 SO3 )2مصدر شوارد SO32-هو )3مصدر شوارد H+هو H2SO4ونالحظ أن كل جزيئة حمض تعطي شاردتي .H+ مثال:2 اكتب معادلة تفاعل برمنغنات البوتاسيوم مع كربيتيت الصوديوم بوجود هيدروكسيد البوتاسيوم ووازنها بطريقة األكسدة واالرجاع ً برمنغنات البوتاسيوم هو جسم مؤكسد قوي والقسم الفعال فيه هو شاردة البرمنغنات التي ترجع في الوسط القلوي الى شوارد المنغنات MnO42-الخضراء. أكسدة → SO32- +2OH- SO42- + H2O + 2e المعادلتًالنصفيةًالموزونة ً ارجاع (نضرب بـ )2 → MnO4- + e MnO42- SO32- +2MnO4- + 2OH- → SO42- + 2MnO42- + H2O المعادلةًالشاردية 4 مدرس املقرر مقرر الكيمياء الصناعية احملاضرة: د.عبدالرزاق محال لطالب السنة األوىل هندسة (قيادة-قدرة-ميكاترونيك) العام الدراسي 2024-2023 Na2SO3+2KMnO4+ 2KOH → Na2SO4 + 2K2MnO4+ H2O المعادلةًالجزيئية ً .KMnO4 )1مصدر شوارد MnO4-هو .Na2 SO3 )2مصدر شوارد SO32-هو )3مصدر شوارد OH-هو .KOH أمثلة حملولة على موازنة تفاعالت االكسدة واالرجاع: -1تفاعلًبرمنغناتًالبوتاسيومً(ً)KMnO4معًملحًمورً(ً)FeSO4(NH4)2SO4.6H2Oبوجودًحمضًالكبريتً(وسطًحمض)ً : إرجاع ×1 MnO4 - + 8H + 5e → Mn2+ + 4H2O + - جسم مؤكسد أكسدة ×5 Fe 2+ → Fe3+ + e- جسم مرجع MnO4- + 5Fe2+ + 8H+ → Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O حيث يكتب التفاعل الكامل لدى استخدام ملح مور بالشكل التالي: 2KMnO4 + 10[FeSO4(NH4)2SO4.6H2O] + 8H2SO4 → 2MnSO4 + K2SO4 + 10(NH4)2SO4 + 5Fe2(SO4)3 + 68H2O ً-2تفاعلًبرمنغناتًالبوتاسيومً(ً)KMnO4معًالماءًاألوكسجينيً( ً) H 2O2بوجودًحمضًالكبريتً(وسطًحمض)ً : MnO 4 + H 2 O2 Mn 2 + O2 MnO 4 + 5e Mn 2 ارجاع H 2 O2 O2 + 2e أكسدة ×2 MnO 4 + 8H + 5e Mn 2 + 4H 2 O ×5 H 2 O2 O2 + 2 H + 2e 2 MnO 4 + 16 H + 5 H2O2 2 Mn 2 + 8 H2O + 5 O2 + 10 H الشكلًالشارد 2 MnO 4 + 6 H + 5 H 2 O2 2 Mn 2 + 8 H2O + 5 O2 الشكلًالجزيئي 2KMnO 4 + 3 H 2SO4 + 5 H 2 O2 2MnSO 4 + 8 H2O + K 2SO4 + 5 O2 -3تفاعلًثنائيًكروماتًالبوتاسيومً(مؤكسدً)ًمعًثنائيًأكسيدًالكبريتً(مرجع)ًبوجودًحمضًالكبريتً : Cr2O72 + SO2 2 Cr3 + SO 24 Cr2O72 + 6e 2 Cr3 ارجاع ً SO2 SO 24 + 2e أكسدة ً ×1 Cr2O72 + 14 H + 6e 3 2 Cr + 7 H2O ×3 SO2 + 2 H2O SO 24 + 4 H + 2e Cr2O72 + 14 H + 3 SO2 + 6 H2O 2 Cr3 + 7 H2O + 3 SO 24 + 12 H الشكلًالشارد ً Cr2O72 + 2 H + 3 SO2 2 Cr3 + H2O + 3 SO 24 5 الشكلًالجزيئي ً K 2Cr2O7 + H 2SO4 + 3 SO2 Cr2 (SO 4 ) 3 + K 2SO4 + H2O مدرس املقرر مقرر الكيمياء الصناعية احملاضرة: د.عبدالرزاق محال لطالب السنة األوىل هندسة (قيادة-قدرة-ميكاترونيك) العام الدراسي 2024-2023 -4تفاعلًالماءًاألوكسجينيً( ً) H Oمعًكروميتًالصوديومً( ً) NaCrOبوجودًهيدروكسيدًالصوديومً(وسطًقلو )ً : 2 2 2 H 2O2 + CrO2 CrO24 + H2O 2× CrO2 + 4 OH CrO24 + 2 H2O + 3e 3× H 2 O2 + 2e 2 OH الشكلًالشارد 2 CrO2 + 3 H 2 O2 + 2 OH 2 CrO24 + 4 H2O 2 NaCrO 2 + 3 H 2 O2 + 2 NaOHالشكلًالجزيئي 2 Na 2 CrO4 + 4 H2O -5تفاعلًغازًالكلورً( ً) Cl 2معًهيدروكسيدًالصوديومًالممددً(ًمعًالقلوياتًالممددة)ً ً Cl 2 + OH OCl + H2O + Cl Cl 2 + 4 OH 2 OCl + 2 H2O + 2e Cl 2 + 2e 2 Cl الشكلًالشارد 2 Cl 2 + 4 OH 2 OCl + 2 Cl + 2 H2O الشكلًالجزيئي 2 Cl 2 + 4 NaOH 2 NaOCl + 2 NaCl + 2 H2O ً-6تفاعلًغازًالكلورً( ً) Cl 2معًهيدروكسيدًالصوديومًالمركزً(ًمعًالقلوياتًالمركزة) ً Cl 2 + OH ClO 3 + H2O + Cl ×5 Cl 2 + 2e 2 Cl ×1 Cl 2 + 12 OH 2 ClO 3 + 6 H2O + 10e الشكلًالشارد ً 6 Cl 2 + 12 OH 2 ClO 3 + 10 Cl + 6 H2O يمكن أن نقسم المعادلة على 2للسهولة فقط ً 3 Cl 2 + 6 OH ClO 3 + 5 Cl + 3 H2O الشكلًالجزيئي ً 3 Cl 2 + 6 NaOH NaClO 3 + 5 NaCl + 3 H2O -7تفاعلًثنائيًأكسيدًالمنغنيزً( ً) MnO 2معًكلوراتًالبوتاسيومً( ً) KClO 3بوجودًهيدروكسيدًالبوتاسيومً(وسطًقلو )ً : MnO 2 + ClO 3 MnO 24 + Cl MnO 2 MnO 24 + 2e أكسدة ClO 3 + 6e Cl إرجاع 3× MnO 2 + 4 OH MnO 24 + 2 H2O + 2e 1× ClO 3 + 3 H2O + 6e Cl + 6 OH 3 MnO 2 + 12 OH + ClO 3 + 3 H2O 3 MnO 24 + 6 H2O + Cl + 6 OH الشكلًالشارد 3 MnO 2 + 6 OH + ClO 3 3 MnO 24 + 3 H2O + Cl الشكلًالجزيئي ً 3 MnO 2 + 6 KOH + KClO 3 3 K 2 MnO 4 + 3 H2O + KCl 6 مدرس املقرر مقرر الكيمياء الصناعية احملاضرة: د.عبدالرزاق محال لطالب السنة األوىل هندسة (قيادة-قدرة-ميكاترونيك) العام الدراسي 2024-2023 متارين إضافية: ً ًًًًSO32- → SO42- -1لديناًالتفاعلًالتالي: ً)SO32-( ً Cجسمًمرجع ً ً Aليسًأكسدةًوارجاع ً ً)SO42-( ً Dجسمًمرجع ً ً(ً)SO32-جسمًمؤكسد ً ًB -2لديناًالتفاعلًالتاليMnO4- → MnO42-ً: ًً)MnO42-( ً Cجسمًمؤكسد ً ً Aليسًأكسدةًوارجاع ً ً)MnO4-( ً Dجسمًمرجع ً ً)MnO4-(ً ً Bجسمًمؤكسد ً ًH2O2 → O2- -3لديناًالتفاعلًالتالي: ًً)H2O2( ً Cجسمًمؤكسد ً ً Aليسًأكسدةًوارجاع ً ً)H2O2( ً Dجسمًمرجع ً ً)O2(ً ً Bجسمًمؤكسد ً ًً MnO4- → Mn2+ -4لديناًالتفاعلًالتالي: ً)MnO4-( ً AمؤكسدًرقمًأكسدةًًMnفيهًً)MnO4 ( ً C ً +7مرجعًرقمًأكسدةًًMnفيهًً +7 - تفاعلًأكسدةً(ً)Mn2+جسمًمرجع ً )Mn2+( ً Bمؤكسد ًرقمًأكسدةًًMnفيهًً D ً +2 -5لديناًالتفاعلًالتاليCr2O72- → Cr3+ًًًًً : تفاعلًارجاعًًCr3+جسمًمرجع ً ًC تفاعلًارجاعًًCr3+جسمًمؤكسد ً ًA ً)Cr2O72-( ً Bمؤكسد ًرقمًأكسدةًًCrفيهًًCr2O72-( ً D ً +6مرجعًرقمًأكسدةًًCrفيهًً +6 -6لديناًالتفاعلًالتاليCl2 → ClO3-ًًًًً : تفاعلًارجاعًيتغيرًرقمًأكسدةًالكلورًمنً ً)ClO3-( ً CمرجعًرقمًأكسدةًًClفيهًً +5 ًA الصفرًإلىً+5 تفاعل اكسدةًيتغيرًرقمًأكسدةًالكلورًمنً ً)Cl2( ً BمؤكسدًرقمًأكسدةًًClفيهًصفر ً ً D الصفرًإلىً+5 7