חמצון-חיזור

תגובת חִמצון־חיזור או חִמְזוּר היא תגובה כימית שבה משתנה דרגת החמצון של המגיבים. באופן פשטני, הכוונה להעברת אלקטרונים מאטום לאטום או ממולקולה אחת לאחרת. תיאור זה מייצג את רוב התגובות, אך קיימות תגובות חמצון־חיזור יוצאות דופן שבהן לא עוברים אלקטרונים בין חומרים, אלא רק דרגת החמצון משתנה. תגובות חמצון־חיזור נפוצות מאוד בטבע, ומהוות בסיס לאלקטרוכימיה. לדוגמה, תגובות חמצון־חיזור מוכרות ושכיחות הן שריפת הסוכרים בגוף, החלדה של ברזל, או התגובה הכימית המתרחשת בתוך סוללה חשמלית.

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

בלעז מכונה החיזור רֵדוּקְציה (Reduction) והחמצון אוֹקְסִידַצְיָה (Oxidation). תגובת חמצון־חיזור קרויה רדוקס (Redox), כהלחם של שני השמות.

מחמצנים ומחזרים

חומרים שיכולים לחמצן חומרים אחרים הם מחמצנים (אוקסידנטים). כאשר היסוד שמחזר טוב יותר הוא זה שמוסר את האלקטרון והשני צריך לקבל אותו. 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.

במקור, המושג "חימצון" התייחס בלעדית ליסוד חמצן, כלומר לקיום תגובה כימית עם מולקולה המכילה אטום חמצן אחד או יותר. עם הזמן, המושג הוכלל כך שהוא מתייחס לכל חומר שמייצר תגובות כימיות זהות לאלה של חמצן.

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

ניתן לדעת שהיסוד מחזר טוב יותר כאשר הוא זה שמוסר את האלקטרון והשני (המחוזר) צריך לקבל אותו.

כאשר אותו יסוד משמש הן כמחזר והן כמחמצן נקראת התגובה דיספרופורציונציה.

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): (מה שמכונה "תגובה נטו")

{\ce {Cu^2+(aq) + Zn(s) -> Cu(s) + Zn^2+(aq)}}

את התגובה ניתן לנסח באופן הבא:

תגובת חמצון:

{\ce {Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e^-}}

תגובת חיזור:

{\ce {Cu^2+(aq) + 2e^- -> 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 ב־1780 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:

{\ce {H2O2 + 2 e^- -> 2 OH^-}}

המסת אבץ בעזרת חומצה:

{\ce {Zn(s) + 2H3O+ (aq) -> Zn^2+(aq) + 2 H2O(l) + H2(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).

שימושים

תהליכים כימיים וביולוגיים רבים עושים שימוש בתופעת החמצון־חיזור, לדוגמה:

בתאים אלקטרוכימיים, הקתודה מחמצנת את האנודה כתוצאה מהפרשי המתח שביניהן.
בעירה גם היא תגובת חמצון־חיזור, ולכן שריפת דלקי מאובנים (פחמימניים), חימום מים לקיטור, הדלקת מדורות, ועוד נמצאים בשימוש האדם.
דלקים מימניים^[1] גם נשרפים, ולכן גם הם מבוססים על חמצון-חיזור.
חלודה גם היא תגובת חמצון-חיזור.