כימיה לבגרות/חימצון חיזור/כושר החיזור

תגובת חִמצון-חיזור או חִמְזוּר היא תגובה כימית שבה משתנה דרגת החמצון של המגיבים.

דרגת חמצון היא המטען שיש ליון עליו. דרגת חמצון של יסוד שווה לאפס.

כושר החיזור הוא היכולת לחזר. כושר החיזור מנסה לקבוע איזה אטום מקבל אלקטרון אם בתמיסה יש שני (או יותר) אטומים, שכמובן שואפים להיות גז אציל, אולם אין מספיק אלקטרונים לשם כך. למעשה יש מאבק בין הגזים כאשר היסוד המחזר טוב יותר מוסר את האלקטרון והשני צריך לקבל אותו.

השורה האלקטרוכימית

השורה האלקטרוכימית היא שורה המדרגת את כושר החיזור של היסודות. לפניך דוגמא מחלק מהשורה :

Li, K,Ca, Na, Mg, Al, Zn,Fe,Ni,Pb,H,Cu,Ag,Pt,Au

• Li – הכי רוצה להיות יון חיובי, כלומר להיות גז אציל והוא ירצה לבצע זאת על ידי מסירת אלקטרון ולכן הוא מחזר הכי טוב בשורה זו.
• מתכות הנמצאות מצד ימין של המימן אינן מגיבות עם חומצה.
• מתכות הנמצאות מצד שמאל מגיבות עם חומצה בשחרור H₂

דוגמא

$Ca_{(s})+Pb_{(aq)}^{2+}\rightarrow$

על פי השורה האלקטרוכימית, Ca הוא מחזר טוב יותר כי הוא רוצה למוסר את האלקטרונים שני האלקטרונים (טור השני) וכך יוכל להיות גז אציל. $Pb^{2+}$ נמצא בטור הרביעי בטבלה המחזורית ולכן הוא אלקטרו-שלילי ומחזר פחות טוב. מכאן Pb האלקטרונים נותרים אצלו.

מחזר/מחמצן	רישום	תהליך במילים
מחזר	$Ca\rightarrow Ca^{2+}+2e^{-}$	Ca רוצה לאבד אלקטרונים $2e^{-}$ ולהיות $Ca^{2+}$. דרגת חמצון האלקטרונים שלו עולה מאפס ל- +2.
מחמצן	$Pb^{2+}+2e^{-}\rightarrow Pb^{0}$	$Pb^{2+}$ מקבל את האלקטרונים מ-Ca ודרגת החמצון יורדת מדרגת חמצון +2 לדרגת חמצון 0.
$\ Ca_{(s)}+Pb_{(aq)}^{2+}\rightarrow Ca_{(aq)}^{2+}+Pb_{(aq)}$

סוגי שאלות

1. האם ניתן לשמר את התמיסה X בכלי עשוי Y? – כשאומרים לשמר תמיסה, הכוונה להשאירה במצב הטבעי בה היא נמצאת. כלומר, אם בתמיסה לא חל תהליך חמצון חיזור – התמיסה נשמרת.
2. בצעו 3 ניסויים. נתונים 3 מתכות X,Y ו-Z. נותנים 3 סעיפים בהם מפרטים על חומרים עמם הגיבו X,Y ו-Z, ומבקשים לדרג אותם על פי רמת החיזור.

מטען מחושב או דרגת חמצון (בקיצור ד"ח)

כללים לקיבוע דרגת חמצון

1. יסוד חופשי הוא בעל דרגת חמצון אפס, למשל : Cl⁰₂, N⁰, S⁰ ועוד.
2. פלואור (F) בתרכובת תמיד יהיה בעל מטען 1-, משום שהוא היסוד האלקטרושלילי ביותר.
3. מימן (H) בתרכובת תמיד יהיה בעל מטען 1+.
4. חמצן (O) ברוב תרכובתיו יהיה בעל מטען 2-.
5. דרגת חמצון של מולקולות :
   • סכום דרגת החמצון במולקולה ניטרלית הוא אפס. למשל, במולקולה : $CH_{4}$, המימן בעל דרגת חמצון (4*1+=4) 4+ ולכן, דרגת חמצון של פחמן הוא 4- ($X+(+4)=0$).
   • ביון, סכום מספרי החמצון שווה למטען היון. למשל, במולקולה : $Cr_{2}O_{7}^{2-}$, דרגת החמצון של החמצן היא 14- ($7*2-=14-$) ולכן, דרגת החמצון של Cr יהיה 12+ : $X+(-14)=(-2)$
6. כל שאר החומרים נקבעים על פי הנוסחה אמפירית.

חומרים יוניים

המטען של היונים הוא דרגת החמצון, אותו אנו יודעים על פי הנוסחא אימפרית.

לדוגמה : במלח $Na^{+}Cl^{-}\,\!$ המטען של Cl הוא $-1\,\!$, ולכן, כזו גם דרגת החמצון שלו.

הטווחים של דרגת החמצון

טווח דרגות החמצון הוא לפי כמות האלקטרונים ברמת הערכיות הגבוהה ביותר. לדוגמה: לחנקן, $N$. דרגת החמצון הנמוכה ביותר היא $-3$ (משום שהוא יכול לקלוט עד שלושה אלקטרונים אל רמת הערכיות הגבוהה ביותר) והגבוהה ביותר היא $+5$ (משום שהוא יכול למסור עד 5 אלקטרונים מרמת הערכיות הגבוהה ביותר שלו). כלומר :

1. טור 7 - מטען -1 בין +7.
2. טור 6 – מטען -2 בין +6.
3. טור 5 – מטען -3 בין +5.
4. טור 4 – מטען -4 בין +4.
5. מתכות מעבר – מטען מאפס עד +7.
6. טור 1 – מטען בין אפס ל-1.

חומר קוולנטי

דרגת החמצון של יסודות מולקולרים נקבעת על פי אלקטרושליליות (δ+ ו--δ), שגם אותה אנו מוצאים לפי הנוסחא אימפרית. למשל מים $H_{2}O$. בתגובה זו, $O$ אלקטרושלילי יותר (דלתה מינוס), ולכן, האלקטרונים נמשכים אליו. כלומר: דרגת החמצון של המימן היא $+1\,\!$ (משום שהוא מאבד $e^{-}\,\!$) ושל החמצן היא $-2\,\!$ (משום שהוא מקבל $e^{-}\,\!$ אחד מכל מימן).

לסיכום, דרגת החמצון נקבעת על פי הסימון הנקבע על פי הנוסחה האמפרית. כאשר :

1. חומרים יוניים – מסומן במטען חיובי/שלילי.
2. חומר מולקולארי – מסומן בדלתא מינוס/דלתה פלוס.

כושר חמצון של הלוגנים

דרגת חמצון של הלוגנים הוא לפי טור ההלוגנים/רמת שליליות, כלומר דרגת החמצון היא : F>Cl>Br>I>At.

למשל :

$F_{2(g)}+Cl_{(aq)}\rightarrow$
מחזר/מתחמצן	רישום
מחמצן	$2F^{0}+2e^{-}\rightarrow F^{-}$
מחזר	$2Cl\rightarrow 2C^{0}+2w$
0.5F20 + Cl----> F-+0.5Cl2

נזכיר :

• מחמצן - מקבל אלקטרונים = ירידה דרגת חזור = עובר חיזור.
• מחזר – מוסר/מאבד אלקטרונים = עליה בדרגת חמצון (בשל איבוד אלקטרונים) = עובר חמצון.