أكسيد

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف ونكتب معادلات تفاعلات الأكاسيد.

الأكسيد يتم تعريفه على انه نوعٌ منتشر من المركبات الكيميائية يتكوَّن من ذرة أكسجين واحدة على الأقل متحدة مع عنصر آخر.

يُوجَد عدد كبير من أكاسيد العناصر المختلفة، ويشمل ذلك الفلزات واللافلزات. للأكاسيد العديد من الاستخدامات في المجتمع. يُستخدَم أكسيد الكالسيوم () في إنتاج الأسمنت، ويُستخدَم أكسيد النيتروز () مخدِّرًا في عمليات طب الأسنان.

تتضمَّن أكاسيد الفلزات الشائعة: أكسيد المغنيسيوم، وأكسيد الصوديوم، وأكسيد النحاس الثنائي. ترتبط سهولة تكوُّن أكاسيد الفلزات بالنشاط الكيميائي للفلز.

تُعرَف الفلزات القلوية للمجموعة 1 بأنها نشطة كيميائيًّا للغاية؛ ومن ثَمَّ، تُخزَّن تحت الزيت للحيلولة دون تفاعلها مع الأكسجين والرطوبة الموجودين في الهواء. إذا قطعت قطعة من فلز ينتمي للمجموعة 1 مثل الليثيوم، فسرعان ما يصبح السطح اللامع باهتًا؛ حيث يتفاعل الليثيوم مع الأكسجين الموجود في الهواء، مكوِّنًا طبقة من أكسيد الليثيوم :

لن تتفاعل الفلزات الأقل نشاطًا كيميائيًّا، مثل النحاس، بسهولة مع الأكسجين. ويجب تسخين فلز النحاس البرتقالي البني بشدة في لهب موقد بنسن، ليستمر تفاعله مع الأكسجين. ويؤدِّي هذا إلى تكوُّن أكسيد النحاس الثنائي الأسود على سطح فلز النحاس:

يُعَد ثاني أكسيد الكربون أحد الأكاسيد اللافلزية الأكثر شيوعًا. ولأن ثاني أكسيد الكربون أحد نواتج التنفس في جسم الإنسان، فهو يخرج من جسمنا في كل مرة نقوم فيها بالزفير. وينتج أيضًا خلال احتراق الكربون:

يؤدِّي حرق الكبريت في أكسجين نقي في أسطوانة غاز، إلى احتراقه مصحوبًا بلهب أزرق متوهِّج، وهو ما يُنتِج غاز ثاني أكسيد الكبريت:

لاحِظ أن الصورة توضِّح قطعة ورقة عباد شمس في الجزء الخلفي من أسطوانة الغاز؛ حيث تحوَّلت الورقة إلى اللون الأحمر وبدأت فقدان اللون. ويعود سبب فقدان اللون إلى إنتاج غاز ثاني أكسيد الكبريت الحمضي.

المثال الأخير على تكوُّن الأكسيد اللافلزي هو تفاعل الفوسفور مع الأكسجين. في حالته النقية، يُعَد الفوسفور عنصرًا نشطًا للغاية؛ حيث يشتعل تلقائيًّا بفرقعة في وجود الأكسجين:

يمكن تصنيف الأكاسيد بدلالة طبيعتها الحمضية أو القاعدية. هناك أربعة تصنيفات: حمضي، وقاعدي، ومتذبذب، ومتعادل.

كلما تحرَّكنا عبر كل دورة من الجدول الدوري، يزيد العدد الذري، وتزيد كذلك الطبيعة الحمضية لأكاسيد هذه العناصر. ويَنتج عن هذا أن تكون أكاسيد الفلزات بوجهٍ عام قاعدية، وأن تكون أكاسيد اللافلزات حمضية.

تؤثِّر حمضية أو قاعدية الأكسيد تأثيرًا كبيرًا على تفاعلاته مع الأحماض والقلويات. تتفاعل أكاسيد الفلزات القاعدية مع الأحماض المعدنية لتكوِّن الملح المناظر والماء. على سبيل المثال، يتفاعل أكسيد النحاس مع حمض الهيدروكلوريك المخفَّف:

ويُعرَف هذا النوع من التفاعل بتفاعل التعادل، الذي تكون له المعادلة العامة الآتية.

من الممكن استعمال هذه المعادلة العامة لمساعدتنا في تحديد المواد المجهولة. على سبيل المثال، إذا كان الملح الناتج عن تفاعل التعادل يحتوي على أيونات ، يكون الحمض المُستخدَم هو حمض الهيدروكلوريك. ويمكن ملاحظة ذلك في التفاعل بين أكسيد الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك:

وإذا نتج عن تفاعل التعادل ملحٌ يحتوي على أيونات ، يكون الحمض المُستخدَم هو حمض الكبريتيك:

وأخيرًا، إذا نتج عن تفاعل التعادل ملحٌ يحتوي على أيونات النيترات، يكون الحمض المُستخدَم هو حمض النيتريك لمعادلة القاعدة:

على الرغم من أنه يمكن ملاحظة الطبيعة القاعدية لأكاسيد الفلزات من خلال تفاعلها مع الأحماض المخفَّفة، فإن بعض أكاسيد الفلزات قابلة للذوبان في الماء جزئيًّا، وستكوِّن محاليل قلوية:

بالتحرُّك عبر الجدول الدوري وفحص أكاسيد اللافلزات، يتضح التغيُّر في الطبيعة الحمضية لهذه المركبات.

على سبيل المثال، ثاني أكسيد الكربون قليل الذوبان في الماء، وسيكوِّن محلول حمض الكربونيك الحمضي:

يمكننا أن نتأكَّد من أن محلول حمض الكربونيك حمضي بإستعمال دليل عام. عند إضافة بضع قطرات من الدليل العام إلى المحلول، سيَنتج لون أحمر، وهو ما يُشير إلى أن المحلول حمضي. تتكوَّن المحاليل الحمضية عند ذوبان أكاسيد اللافلزات في الماء.

يعتبر خامس أكسيد الفوسفور أكسيدًا حمضيًّا لا فلزيًّا آخر يتفاعل مع محلول هيدروكسيد الصوديوم لإنتاج فوسفات الصوديوم والماء:

لا يمكن تصنيف جميع الأكاسيد على أنها أكاسيد حمضية أو قاعدية. الفلزات مثل الزنك والألومنيوم لها أكاسيد ذات طبيعة حمضية وقاعدية، ويُشار إليها بأنها متذبذبة.

يمكن أن يتفاعل الأكسيد المتذبذب مع كلٍّ من الأحماض والقواعد. يتفاعل أكسيد الألومنيوم مع حمض الهيدروكلوريك المخفَّف ليكوِّنا كلوريد الألومنيوم والماء:

ومع ذلك يتفاعل أكسيد الألومنيوم أيضًا مع محلول هيدروكسيد الصوديوم، ويكوِّن ملحًا يُعرَف باسم ألومينات الصوديوم والماء:

في التفاعل الأول، يتصرَّف أكسيد الألومنيوم كقاعدة، وفي التفاعل الثاني، يتصرَّف كحمض.

الأكسيد الآخر الذي يُظهِر خواص حمضية وقاعدية ويمكن اعتباره متذبذبًا، هو أكسيد الزنك، الذي يتفاعل مع القلويات والأحماض المعدنية المخفَّفة بالطرق الآتية

هناك نوع أخير من الأكاسيد ينبغي طرحه. الأكاسيد المتعادلة ليست ذات طبيعة حمضية أو قاعدية؛ لذا، لا تتفاعل مع الأحماض أو القواعد. وتتضمَّن أمثلة الأكاسيد المتعادلة أول أكسيد الكربون () وأكسيد النيتروز ().

يُوجَد تدرُّج في الصفات لأكاسيد العناصر في مجموعات معيَّنة في الجدول الدوري. في المجموعات الموجودة في الجانب الأيسر من الجدول الدوري، مثل المجموعة 1 والمجموعة 2، تزيد الخواص القاعدية للأكاسيد بالنزول لأسفل المجموعة.

إذا أخذنا في الاعتبار التفاعلات التي تناولناها إجمالًا، يمكننا أن نلاحظ أنه كلما تحرَّكنا عبر الجدول الدوري، يزيد العدد الذري، وتصبح أكاسيد العناصر ذات طبيعة حمضية بشكل متزايد.

لتوضيح بعض هذه المفاهيم، يمكننا النظر إلى الأحماض والقواعد على أنها مركبات هيدروكسيلية صيغتها العامة ؛ حيث يمثِّل ذرة العنصر الذي نفحصه.

يمكن أن يتأيَّن المركب الهيدروكسيلي بطريقتين مختلفتين:

تتحدَّد الطريقة التي تتأيَّن بها المركبات الهيدروكسيلية بالتجاذب والتنافر الموجود بين الأيونات الثلاثة المكوِّنة للمادة. يوضِّح الشكل الآتي مثلثًا به قوى تجاذب بين الأيونات ذات الشحنات المتضادة، وتنافر بين الأيونات ذات الشحنات المتشابهة.

يمكننا استخدام هذا النموذج لتوضيح التدرُّج في المجموعتين اللتين ناقشناهما سابقًا. إذا كانت قوة التجاذب بين و أكبر من قوة التجاذب بين و، فستتأيَّن المادة لتكوِّن قاعدة. على سبيل المثال، بالنزول لأسفل المجموعة 1، تتكوَّن أكاسيد أكثر قاعدية. تزداد الأعداد الذرية؛ ومن ثَمَّ، يزداد حجم الأيون، وتقل كثافة الشحنة؛ وعليه، يقل التجاذب بين و، وتتكوَّن أيونات الهيدروكسيل بسهولة أكبر.

إذا كانت قوة التجاذب بين و أكبر من قوة التجاذب بين و، فستتأيَّن المادة لتكوِّن حمضًا. وهذا ما نراه يحدث بالتحرُّك عبر دورات الجدول الدوري من المجموعة 1 إلى المجموعة 17.

عندما تتأيَّن الأكاسيد اللافلزية مثل الأحماض، تعتمد قوة الحمض المؤكسج المتكوِّن على عدد ذرات الأكسجين في الأنيون، غير المرتبطة بذرات هيدروجين.

يمكننا تحليل بعض الأمثلة على هذه القوة المتغيِّرة باستخدام الصيغة العامة ، التي تعتمد على الصيغة العامة التي استخدمناها سابقًا.

كلما زاد عدد ذرات الأكسجين غير المرتبطة بذرات هيدروجين ()، زادت قوة الحمض، كما يتضح في الأمثلة الموجودة في الجدول الآتي.

تُوجَد صور أخرى أقل شيوعًا للأكاسيد، مثل البيروكسيدات والأكاسيد الفائقة. البيروكسيد نوعٌ معيَّنٌ من المركبات ترتبط فيه ذرتَا أكسجين برابطة تساهمية أحادية، كما هو الحال في مركب بيروكسيد الهيدروجين، الموضَّح في الآتي.

تحتوي مركبات الأكاسيد الفائقة على أيون أكسيد فائق سالب، ، كما في . مركبات الأكاسيد الفائقة مهمة بشكل خاص في علم الأحياء؛ حيث يُنتِج جهاز المناعة مركبات الأكاسيد الفائقة لقتل الكائنات الحية الدقيقة التي تهاجم الجسم.

نلخِّص النقاط التي تناولناها في هذا الشارح.