تعرفوا .. ما هي انصاف التفاعل (Half-reactions) ، وكيفية موازنة التفاعلات باستخدامها

ما هي أنصاف التفاعل

يحاط عالم الكيمياء بالكثير الكثير من الخفايا التي يعمل العلماء جاهدين لاكتشافها مبتكرين كافة الطرق والسبل لإيصالها وتقديمها لنا بأبسط الطرق الممكنة، حتى انتقلت في أذهاننا من حيّز الأمور المعقدة وصولًا إلى تلك البسيطة الممتعة. على الرغم من وجود الكثير من المفاهيم المبهمة لدى البعض منّا، إلا أن فهمها لم يعد يمثّل مشكلةً، بل أصبحت أشبه بلعبةٍ أو لغزٍ بسيطٍ يمكن حله بسهولةٍ تامةٍ، ومن هذه النقطة سنتطرق إلى الحديث عن أحد أشهر المفاهيم الكيميائية التي تدعى بمصطلح انصاف التفاعل (Half-reactions).

حديث في الكيمياء


من المعروف وجود شرطين لموازنة المعادلة الكيميائية، هما قانونا حفظ المادة (والذي ينص على ضرورة تساوي عدد ذرات أو جزيئات المواد المتفاعلة مع ذرات أو جزيئات المواد الناتجة عن التفاعل)، وقانون حفظ الشحنة (وهو القانون الذي يعبر عن شرط تساوي الشحنة الكهربائية للمواد المتفاعلة مع شحنة المواد الناتجة عن التفاعل أيضًا). ويمثل هذان الشرطان الملامح الأولى لتعلم الكيمياء، ولا يمكن لأحدٍ أن يبدأ رحلته هذه دون فهمهما جيدًا والتقيد الكامل بها.

أما تاليًّا، فيشكل مفهوما تفاعلات الأكسدة والإرجاع الشرط الآخر لتكوين الصورة الأبرز عن انصاف التفاعل لذا سنتحدث عنهما بشكلٍ موجزٍ.

• تفاعلات الأكسدة: هي التفاعلات التي تفقد فيها الذرة أو الأيون أو الجزيء إلكترونًا من إلكتروناتها أو أكثر، وتزداد وفق هذا التفاعل حالة تأكسد العنصر.
• تفاعلات الإرجاع (الاختزال): هي التفاعلات التي يكتسب فيها الجزيء أو الذرة أو الأيون إلكترونًا أو أكثر؛ أي أنه يشكل العملية المعاكسة لتفاعل الأكسدة السابق.

تعريف انصاف التفاعل


يمثل نصف التفاعل جزءًا من التفاعل الكلي كما يظهر من اسمه، وتظهر هذه التفاعلات في تفاعلات الأكسدة والإرجاع (الاختزال)؛ حيث يمثل نصف التفاعل تغير رقم الأكسدة لإحدى المواد خلال التفاعل الحاصل. على سبيل المثال ولتبيان التعريف السابق بشكلٍ مبسّطٍ، يمكن الحديث عن تفاعل النيكل في محلولٍ مائيٍّ من كبريتات النحاس CuSo4 وفق المعادلة:

Ni + CUSO4 = NiSO4 + CU

حيث يبدأ النحاس بالترسب على شريط النيكل، ما
يظهر تفكك كبريتات النحاس. لكن كيف يتم التفاعل السابق!

تتمثل كبريتات النحاس أيونيًا وفق Cu²⁺, SO₄^2- أي أن ما يحدث ببساطةٍ لتمام التفاعل هو موازنة الشحنة الكهربائية بعد موازنة الكتلة؛ أي يشترط تساوي الشحنة قبل التفاعل معها بعد التفاعل. لذا سنقوم بتقسيم المعادلة إلى قسمين (تفاعل الأكسدة وتفاعل الإرجاع) وفق التالي:

2e+ Cu⁺² _(aq)= Cu⁰_(s)

يمكن ملاحظة إضافة إلكترونين إلى الطرف الأول من التفاعل لتعديل الشحنة ومساواتها بين الطرفين، إذ تم تخفيض شحنة النحاس من 2 إلى 0 في الطرف الثاني. لكن السؤال الأكبر هو ما مصدر هذه الإلكترونات المضافة إلى الطرف الأول من المعادلة!؟ بكل تأكيدٍ، تأتي هذه الإلكترونات من تفاعل الإرجاع الذي تقوم به ذرات أو جزيئات النيكل؛ إذ يحرر النيكل إلكترونين كما يظهر في المعادلة التالية:

Ni⁰_(s) = Ni⁺²_(aq) +2e^-

كيفية موازنة التفاعلات باستخدام طريقة انصاف التفاعل


لموازنة المعادلة الكيميائية باستخدام طريقة انصاف التفاعل نتبع الخطوات التالي:

1. نقوم بكتابة المعادلة بطرفيها (المدخلات والنواتج).
2. نوازن عدد الذرات والجزيئات المتفاعلة والناتجة عن التفاعل (بما يحقق شرط قانون حفظ المادة).
3. يجب بدايةً تحديد العناصر التي تتغير شحنتها ما بين طرفي المعادلة؛ أي نقوم بتحديد كلّ من تفاعلي الأكسدة والإرجاع.
4. نقوم بفصل المعادلة إلى جزأين منفصلين، ونوازن كلًّا منهما على حدة.
5. البدء بموازنة الشحنات الكهربائية في طرفي كل من المعادلتين الناتجتين وذلك بإضافة إلكترونات أو إزالتها.
6. الآن، وبعد انتهاء عملية الموازنة نقوم بجمع المعادلتين السابقتين للحصول على المعادلة الكيميائية النهائية.

مثال تفاعل القصدير مع الحديد


كمثالٍ على انصاف التفاعل يتفاعل الحديد مع القصدير وفق المعادلة:

2Fe⁺³_(aq) +Sn⁺²_(aq) = 2Fe⁺²_(aq) +Sn⁺⁴_(aq)

نقسم المعادلة إلى معادلتين منفصلتين هما
تفاعل أكسدة الحديد الذي تفقد فيه كل من ذرات الحديد إلكترونًا من إلكتروناتها،
كما يظهر في المعادلة الآتية:

Fe⁺³_(aq) +e^-= Fe⁺²_(aq)

في حين يتمثل تفاعل إرجاع القصدير بالمعادلة التالية
التي يكتسب فيها القصدير إلكترونين وفق ما يلي:

Sn⁺²_(aq) =Sn⁺⁴_(aq) + 2e^-

الآن، بعد موازنة المعادلتين المنفصلتين نقوم بجمعهما سويًّا لنحصل على المعادلة المتوازنة النهائية.