חמצון-חיזור

חלודה היא ברזל שעבר חמצון

תגובת חִמצון-חיזור או חִמְזוּר היא תגובה כימית שבה משתנה דרגת החמצון של המגיבים. באופן פשטני, העברת אלקטרונים מאטום או מולקולה אחת לאחרת. תיאור זה מייצג את רוב התגובות, אך קיימות יוצאות מין הכלל תגובות חמצון-חיזור שבהן לא עוברים אלקטרונים בין החומרים, אלא רק דרגת החמצון משתנה. תגובות חמצון-חיזור הן נפוצות מאוד בטבע, ומהוות את הבסיס לאלקטרוכימיה. לדוגמה, תגובות חמצון-חיזור מוכרות ושכיחות הן שריפת הסוכרים בגוף, החלדה של ברזל, והתגובה המתרחשת בתוך סוללה חשמלית.

החומר שמקבל את האלקטרונים עובר חיזור (דרגת החמצון שלו יורדת) והוא נקרא מחמצן, ואילו החומר שמוסר את האלקטרונים עובר חמצון (דרגת החמצון שלו עולה) והוא נקרא מחזר.

בלועזית מכונה החיזור רֵדוּקְציה (Reduction) והחמצון - אוֹקְסידָציה (Oxidation). תגובת חמצון-חיזור קרויה רדוקס (Redox).

מחמצנים ומחזרים

חומרים שיכולים לחמצן חומרים אחרים הם מחמצנים (אוקסידנטים). מחמצנים חזקים, לרוב, הם חומרים עם יסודות בדרגת חמצון גבוהה יחסית (כגון מי חמצן, MnO₄^-, CrO₃, Cr₂O₇^2-, ועוד), או חומרים בעלי אלקטרושליליות גבוהה (כמו חמצן, פלואור, כלור, ועוד). חומרים אלה משיגים יציבות אנרגטית כאשר הם קולטים אלקטרון, ולכן נוטים לעבור חיזור (=לחמצן) בקלות. תגובה זו יכולה להיות הרסנית לתרכובות רבות, כיוון שהיסוד, שהיה קשור לפני כן ליסוד אחר, ניתק מהתרכובת, כי הוא מוסר את האלקטרונים שלו למחמצן במקום למסרם לשותפו לקשר. גם חומר מחזר יכול לפגוע בתרכובות, זאת באמצעות מסירת אלקטרון לאחד מיסודות התרכובת ובכך להוציאו מהשיתוף בקשר הכימי.

מחזרים חזקים לדוגמה הן המתכות האלקליות, אבץ (Zn), אלומיניום (Al) ועוד. חומרים אלה משיגים יציבות אנרגטית על ידי מסירת אלקטרון מהקליפה החיצונית, ולכן מחזרים בקלות.

דוגמאות לתגובת חמצון-חיזור

בכתיבת תגובת חמצון-חיזור נהוג להפריד את התגובה לשני "חצאי תגובות": תגובת חמצון ותגובת חיזור. ניקח לדוגמה את התגובה בין יוני נחושת לאבץ מתכתי (מוצק):

$Cu^{2+}_{(aq)} + Zn_{(s)} \longrightarrow Cu_{(s)} + Zn_{(aq)}^{2+}$

את התגובה ניתן לנסח באופן הבא:

תגובת חמצון:

$Zn_{(s)} \longrightarrow Zn_{(aq)}^{2+} + 2e^-$

תגובת חיזור:

$Cu^{2+}_{(aq)} + 2e^- \longrightarrow Cu_{(s)}$

בתגובה זו יוני הנחושת מחמצנים את האבץ, ויורדים מדרגת חמצון +2 לדרגת חמצון 0. האבץ מחזר את יוני הנחושת ועולה מדרגת חמצון 0 לדרגת חמצון +2. מכיוון שהמטען הכולל בתגובה נשמר, האלקטרונים בתהליך החיזור חייבים לקזז את האלקטרונים בתהליך החמצון. תגובת חמצון-חיזור קלאסית זו היא התגובה המתרחשת בתא גלווני, תהליך שהתגלה ב1780 על ידי לואיג'י גלווני.

דוגמאות נוספות

• באופן פשטני, ניתן לומר כי בתהליך הפוטוסינתזה, מחוזרת דו תחמוצת הפחמן והופכת לסוכר, ומים מחומצנים והופכים לחמצן. בתהליך ההפוך, נשימה תאית, סוכר מתחמצן ומתפרק למים ולדו תחמוצת הפחמן.

• חיזור מי חמצן בנוכחות חומצה:

$\ H_2 O_2 + 2 e^- \longrightarrow 2 OH^-$

• המסת אבץ בעזרת חומצה:

$Zn_{(s)} + 2H_3O_{(aq)}^+ \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2 H_2O_{(l)} + H_{2(g)}$

• בביולוגיה, אנזימים רבים מזרזים תהליכים בכך שהם מחזרים או מחמצנים חומרים אחרים. אנזימים מחזרים נקראים רֵדוּקְטָזות (דיהידרוֹפוֹלָט רֵדוּקטָז, למשל, המשתתף בפירוקו של ויטמין B בגוף), ואנזימים מחמצנים נקראים אוֹקְסידָזות (ציטוכרום C אוֹקסידָז, למשל, המשתתף בתהליך הנשימה התאית).

ראו גם

• אלקטרוכימיה
• תא אלקטרוכימי

קישורים חיצוניים

• דוידסון אונליין - מאגר מדע: חמצון - חיזור סרטון עם הסברים.