ออกซิเดชันและรีดักชัน

ออกซิเดชันและรีดักชันเป็นสองด้านของปฏิกิริยารีดอกซ์ ออกซิเดชันหมายถึงการสูญเสียอิเล็กตรอน ส่วนรีดักชันหมายถึงการรับอิเล็กตรอน เมื่อสารชนิดหนึ่งสูญเสียอิเล็กตรอน ก็ต้องมีอีกชนิดหนึ่งรับอิเล็กตรอนไป ดังนั้นทั้งสองกระบวนการจึงเกิดขึ้นพร้อมกันเสมอ

วิธีที่เร็วที่สุดในการจัดประเภทว่าปฏิกิริยาเป็นรีดอกซ์หรือไม่ คือถามเพียงข้อเดียวว่า สารชนิดใดสูญเสียอิเล็กตรอน และสารชนิดใดรับอิเล็กตรอน ถ้าไม่ได้เขียนอิเล็กตรอนไว้อย่างชัดเจน ให้ใช้เลขออกซิเดชันเพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลง

ออกซิเดชัน vs รีดักชัน ในบรรทัดเดียว

เริ่มจากกฎนี้ก่อน: ออกซิเดชันคือการสูญเสียอิเล็กตรอน และรีดักชันคือการรับอิเล็กตรอน

สมการครึ่งปฏิกิริยาต่อไปนี้แสดงรูปแบบได้ชัดเจน:

$$\mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+} + 2e^-$$

สังกะสีสูญเสียอิเล็กตรอน 2 ตัว ดังนั้นสังกะสีจึงถูกออกซิไดซ์

$$\mathrm{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \mathrm{Cu}$$

ไอออนทองแดงรับอิเล็กตรอน 2 ตัว ดังนั้นทองแดงจึงถูกรีดิวซ์

เลขออกซิเดชันช่วยให้มองเห็นรีดอกซ์ได้อย่างไร

ปฏิกิริยารีดอกซ์จำนวนมากไม่ได้แสดงอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคแยกออกมา ในกรณีเช่นนั้น เลขออกซิเดชันเป็นเครื่องมือสำหรับติดตามว่าอะตอมใดกำลังสูญเสียความหนาแน่นอิเล็กตรอนโดยผลรวม และอะตอมใดกำลังได้รับมัน

ถ้าเลขออกซิเดชันของอะตอมเพิ่มขึ้น อะตอมนั้นถูกออกซิไดซ์ ถ้าเลขออกซิเดชันของอะตอมลดลง อะตอมนั้นถูกรีดิวซ์

หลักนี้ใช้ได้แม้อะตอมจะอยู่ในสารประกอบ ซึ่งเลขออกซิเดชันมักเป็นค่าทางการคำนวณเชิงรูปแบบ มากกว่าจะเป็นประจุจริงบนอะตอม

ตัวอย่างทำโจทย์: สังกะสีกับไอออนทองแดง

พิจารณาปฏิกิริยา

$$\mathrm{Zn} + \mathrm{Cu}^{2+} \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+} + \mathrm{Cu}$$

เริ่มจากเลขออกซิเดชัน สังกะสีเปลี่ยนจาก $0$ ใน $\mathrm{Zn}$ เป็น $+2$ ใน $\mathrm{Zn}^{2+}$ ดังนั้นสังกะสีจึงถูกออกซิไดซ์ ทองแดงเปลี่ยนจาก $+2$ ใน $\mathrm{Cu}^{2+}$ เป็น $0$ ใน $\mathrm{Cu}$ ดังนั้นทองแดงจึงถูกรีดิวซ์

คุณยังสามารถมองเห็นการถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้โดยตรง:

$$\mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+} + 2e^-$$ $$\mathrm{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \mathrm{Cu}$$

เมื่อนำสมการครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองมารวมกัน อิเล็กตรอนจะหักล้างกันพอดี ซึ่งยืนยันว่าปฏิกิริยารวมเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์

ตัวอย่างนี้ยังแสดงให้เห็นสารสำคัญสองชนิด:

• สังกะสีเป็นตัวรีดิวซ์ เพราะให้อิเล็กตรอนและทำให้เกิดรีดักชัน
• ไอออนทองแดงเป็นตัวออกซิไดซ์ เพราะรับอิเล็กตรอนและทำให้เกิดออกซิเดชัน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในปฏิกิริยารีดอกซ์

คิดว่าออกซิเดชันคือ "การเติมออกซิเจน"

ทางลัดนี้ใช้ได้กับปฏิกิริยาที่คุ้นเคยบางแบบ แต่ไม่ใช่นิยามทั้งหมด ปฏิกิริยาหนึ่งอาจเป็นออกซิเดชันได้แม้ไม่มีออกซิเจนเลย ตราบใดที่มีการสูญเสียอิเล็กตรอนหรือเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น

ลืมว่าออกซิเดชันและรีดักชันต้องเกิดพร้อมกัน

คุณไม่สามารถให้สารชนิดหนึ่งสูญเสียอิเล็กตรอนได้ เว้นแต่จะมีอีกชนิดหนึ่งรับอิเล็กตรอนนั้นไป ถ้าปฏิกิริยาหนึ่งดูเหมือนมีแค่ออกซิเดชันหรือมีแค่รีดักชัน แสดงว่ายังมีบางอย่างหายไปจากภาพรวม

สับสนระหว่างตัวออกซิไดซ์กับตัวรีดิวซ์

ตัวออกซิไดซ์จะถูกรีดิวซ์ และตัวรีดิวซ์จะถูกออกซิไดซ์ ชื่อเหล่านี้บอกว่าสารแต่ละชนิดทำอะไรกับอีกสารหนึ่ง

ออกซิเดชันและรีดักชันถูกใช้ที่ไหนบ้าง

แนวคิดเรื่องรีดอกซ์สำคัญต่อแบตเตอรี่ การกัดกร่อน การเผาไหม้ อิเล็กโทรลิซิส และเมแทบอลิซึมของเซลล์ ในทุกกรณี คำถามสำคัญเหมือนกันคือ อิเล็กตรอนเริ่มต้นที่ไหน และไปสิ้นสุดที่ไหน

นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมรีดอกซ์จึงปรากฏบ่อยมากในวิชาเคมี เพราะมันเชื่อมโยงการจำแนกปฏิกิริยา เลขออกซิเดชัน วิธีดุลสมการ และระบบจริงที่มีการถ่ายโอนพลังงาน

ลองทำกับปฏิกิริยาที่คล้ายกัน

พิจารณาปฏิกิริยา เช่น

$$\mathrm{Mg} + \mathrm{Cl}_2 \rightarrow \mathrm{MgCl}_2$$

ลองทำด้วยตัวเอง: กำหนดเลขออกซิเดชัน ระบุว่าอะไรถูกออกซิไดซ์และอะไรถูกรีดิวซ์ แล้วบอกว่าตัวใดเป็นตัวออกซิไดซ์และตัวใดเป็นตัวรีดิวซ์