เลขออกซิเดชัน — กฎและวิธีกำหนดค่า

เลขออกซิเดชันบอกวิธีจัดสรรอิเล็กตรอนในสารประกอบหรือไอออน เป็นเครื่องมือสำหรับติดตามการเกิดออกซิเดชันและรีดักชัน ไม่ได้หมายความว่าเป็นค่าประจุจริงที่วัดได้ของอะตอมในทุกพันธะเสมอไป

ถ้าคุณต้องการวิธีลัด ให้ใช้แนวทางนี้: ใส่ค่ามาตรฐานที่รู้ก่อน ทำให้ผลรวมเท่ากับประจุรวม แล้วแก้หาค่าที่ไม่ทราบ

กฎเลขออกซิเดชันที่ควรรู้ก่อน

โจทย์เคมีพื้นฐานส่วนใหญ่แก้ได้ด้วยกฎเหล่านี้:

1. ธาตุที่อยู่ในสภาพมาตรฐานและไม่ได้รวมกับธาตุอื่น มีเลขออกซิเดชันเป็น $0$ ตัวอย่างเช่น $Na$, $O_2$ และ $Cl_2$
2. ไอออนอะตอมเดี่ยวมีเลขออกซิเดชันเท่ากับประจุของมัน ดังนั้น $Na^+$ คือ $+1$ และ $S^{2-}$ คือ $-2$
3. ในสารประกอบที่เป็นกลาง ผลรวมของเลขออกซิเดชันเท่ากับ $0$
4. ในไอออนหลายอะตอม ผลรวมของเลขออกซิเดชันเท่ากับประจุรวมของไอออน
5. โลหะหมู่ 1 มักเป็น $+1$ และโลหะหมู่ 2 มักเป็น $+2$ ในสารประกอบของมัน
6. ฟลูออรีนมีเลขออกซิเดชันเป็น $-1$ ในสารประกอบ
7. ออกซิเจนมักเป็น $-2$ แต่ไม่เสมอไป ในเปอร์ออกไซด์จะเป็น $-1$ และในสารประกอบกับฟลูออรีนจะไม่ใช้ค่า $-2$ ตามปกติ
8. ไฮโดรเจนมักเป็น $+1$ เมื่ออยู่กับอโลหะ และเป็น $-1$ ในเมทัลไฮไดรด์
9. คลอรีน โบรมีน และไอโอดีน มักเป็น $-1$ ในสารประกอบอย่างง่าย แต่รูปแบบนี้อาจเปลี่ยนได้เมื่อจับกับออกซิเจนหรือฟลูออรีน

คุณไม่จำเป็นต้องท่องจำข้อยกเว้นทุกกรณีก่อนเริ่มทำ ในโจทย์ระดับเริ่มต้นส่วนใหญ่ ให้ใช้กฎมาตรฐานก่อน แล้วค่อยตรวจว่าสูตรนั้นเข้ากรณียกเว้นที่รู้จักหรือไม่

วิธีกำหนดเลขออกซิเดชันทีละขั้น

ใช้กระบวนการนี้:

1. เขียนประจุรวมของชนิดสารนั้น
2. ใส่เลขออกซิเดชันที่มักกำหนดได้แน่นอนจากกฎก่อน
3. ให้เลขออกซิเดชันที่ไม่ทราบค่าเป็น $x$
4. ทำให้ผลรวมเท่ากับประจุรวม แล้วแก้หา $x$
5. ตรวจสอบว่าคุณใช้กฎข้อใดที่มีข้อยกเว้นหรือไม่

ขั้นสุดท้ายนี้สำคัญมาก สมการที่ดูเหมือนถูกอาจให้คำตอบผิดได้ ถ้าคุณเผลอสมมติว่าออกซิเจนเป็น $-2$ เสมอ หรือไฮโดรเจนเป็น $+1$ เสมอ

ตัวอย่างทำโจทย์: หาแมงกานีสใน $KMnO_4$

จงหาเลขออกซิเดชันของแมงกานีสในโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต $KMnO_4$

เริ่มจากค่าที่มักกำหนดได้แน่นอน:

• โพแทสเซียม ซึ่งเป็นโลหะหมู่ 1 มีค่าเป็น $+1$
• ออกซิเจนในที่นี้มักเป็น $-2$

ให้แมงกานีสเป็น $x$ เนื่องจาก $KMnO_4$ เป็นกลาง ผลรวมของเลขออกซิเดชันต้องเท่ากับ $0$:

$$1 + x + 4(-2) = 0$$

ดังนั้น

$$1 + x - 8 = 0$$ $$x - 7 = 0$$ $$x = +7$$

ดังนั้นแมงกานีสมีเลขออกซิเดชันเป็น $+7$

ตัวอย่างนี้แสดงวิธีทั้งหมดในครั้งเดียว: ใส่ค่ามาตรฐาน เขียนสมการประจุรวม แล้วแก้หาค่าที่ไม่ทราบ

ทำไมเลขออกซิเดชันจึงสำคัญในเคมี

เลขออกซิเดชันช่วยให้เห็นว่าอะไรเปลี่ยนไปในปฏิกิริยา ถ้าเลขออกซิเดชันของธาตุเพิ่มขึ้น ธาตุนั้นถูกออกซิไดซ์ ถ้าเลขออกซิเดชันลดลง ธาตุนั้นถูกรีดิวซ์

นั่นจึงเป็นเหตุผลที่เลขออกซิเดชันถูกใช้ในเรื่องต่อไปนี้:

• การระบุว่าปฏิกิริยาเป็นรีดอกซ์หรือไม่
• การดุลสมการรีดอกซ์
• การทำความเข้าใจเคมีไฟฟ้า
• การติดตามเคมีของสารชนิดโลหะแทรนซิชัน

มันเป็นระบบสำหรับติดตามการจัดสรรอิเล็กตรอน ไม่ใช่ภาพรวมทั้งหมดของการเกิดพันธะ แต่ถึงอย่างนั้น มันก็มักเป็นวิธีที่เร็วและเชื่อถือได้ในการดูว่าเกิดอะไรขึ้นในปฏิกิริยา

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยเกี่ยวกับเลขออกซิเดชัน

สับสนระหว่างเลขออกซิเดชันกับประจุจริง

ในไอออนอะตอมเดี่ยว เลขออกซิเดชันและประจุไอออนตรงกัน แต่ในสารประกอบโคเวเลนต์หลายชนิด เลขออกซิเดชันเป็นค่าที่กำหนดขึ้นอย่างเป็นทางการเพื่อใช้ติดตามอิเล็กตรอน จึงไม่ควรตีความทันทีว่าเป็นประจุจริงทางกายภาพของอะตอม

ลืมให้ผลรวมตรงกับประจุรวม

นักเรียนมักใส่ค่าปกติได้ถูกต้องแล้วหยุดแค่นั้น คำตอบจะสมบูรณ์ก็ต่อเมื่อผลรวมตรงกับประจุของสารประกอบหรือไอออน

ใช้กฎของออกซิเจนหรือไฮโดรเจนกว้างเกินไป

ออกซิเจนมักเป็น $-2$ แต่เปอร์ออกไซด์เป็นข้อยกเว้นที่พบบ่อย ไฮโดรเจนมักเป็น $+1$ แต่ในเมทัลไฮไดรด์จะเป็น $-1$ ถ้าสูตรอยู่ในกลุ่มข้อยกเว้น วิธีลัดตามปกติจะใช้ไม่ได้

มองเลขออกซิเดชันค่าเดียวเหมือนบอกเรื่องราวของทั้งปฏิกิริยา

เลขออกซิเดชันช่วยเปรียบเทียบสถานะระหว่างสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์ เลขออกซิเดชันที่เป็นบวกเพียงอย่างเดียวไม่ได้บอกว่ามีอะไรเปลี่ยนในปฏิกิริยา คุณต้องเปรียบเทียบค่าก่อนและหลัง

เมื่อไรที่คุณจะใช้เลขออกซิเดชัน

โดยทั่วไปคุณจะพบเลขออกซิเดชันในเคมีทั่วไป ปฏิกิริยารีดอกซ์ เคมีไฟฟ้า และเคมีอนินทรีย์ โดยเฉพาะเมื่อสมการไม่ได้แสดงอิเล็กตรอนอย่างชัดเจน แต่คุณยังต้องรู้ว่ามีการเกิดออกซิเดชันและรีดักชันหรือไม่

แม้นอกห้องเรียน นี่ก็เป็นทักษะการอ่านสูตรเคมีที่ใช้ได้จริง มันช่วยให้คุณเข้าใจสูตรอย่างเปอร์แมงกาเนต ไดโครเมต ซัลเฟต และไอออนของโลหะหลายชนิด โดยไม่ต้องท่องจำทุกปฏิกิริยาแยกกัน

ลองทำโจทย์ที่คล้ายกัน

ลองหาเลขออกซิเดชันของกำมะถันใน $SO_4^{2-}$ ออกซิเจนยังคงมีค่าปกติเป็น $-2$ ดังนั้นงานหลักคือการตั้งสมการประจุรวมให้ถูกต้อง ถ้าต้องการลองอีกกรณีต่อจากนั้น ให้ลองหาไนโตรเจนใน $NO_3^-$