ออกซิเดชันและรีดักชัน

ปฏิกิริยารีดอกซ์เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนหรือการเปลี่ยนเลขออกซิเดชัน ออกซิเดชันและรีดักชันต้องเกิดร่วมกัน เพราะอิเล็กตรอนที่ชนิดหนึ่งเสียไปต้องมีอีกชนิดรับไว้

เลขออกซิเดชันเป็นเครื่องมือบัญชี

เลขออกซิเดชันไม่ใช่ประจุบางส่วนจริงของอะตอม แต่เป็นกติกาแบ่งอิเล็กตรอนเพื่อช่วยติดตามการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์ ธาตุอิสระมีเลขออกซิเดชัน 0 และไอออนอะตอมเดี่ยวมีค่าเท่าประจุไอออน

ผลรวมเลขออกซิเดชันในโมเลกุลเป็น 0 ส่วนในไอออนหลายอะตอมเท่ากับประจุรวม O มักเป็น −2 และ H มักเป็น +1 แต่มีข้อยกเว้น เช่น peroxide และ hydride

ออกซิเดชันกับรีดักชันเกิดพร้อมกัน

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ เป็นออกซิเดชัน ส่วน Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu เป็นรีดักชัน เมื่อนำมารวมได้ Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu และอิเล็กตรอนตัดกันพอดี

Zn เป็นตัวรีดิวซ์เพราะให้อิเล็กตรอนและตัวมันถูกออกซิไดซ์ Cu²⁺ เป็นตัวออกซิไดซ์เพราะรับอิเล็กตรอนและตัวมันถูกรีดิวซ์

วิธีครึ่งปฏิกิริยา

ในสารละลายกรด มักดุล O ด้วย H₂O ดุล H ด้วย H⁺ แล้วดุลประจุด้วย e⁻ จากนั้นทำจำนวนอิเล็กตรอนให้เท่ากันก่อนบวกสมการ

ในสารละลายเบส สามารถดุลแบบกรดก่อนแล้วเติม OH⁻ ทั้งสองข้างเพื่อเปลี่ยน H⁺ เป็น H₂O สุดท้ายตัดน้ำส่วนเกิน และตรวจทั้งจำนวนอะตอมกับประจุรวม

disproportionation และ comproportionation

บางครั้งธาตุเดียวกันถูกทั้งออกซิไดซ์และรีดิวซ์ในปฏิกิริยาเดียว เรียกว่า disproportionation ส่วนการรวมสองสถานะออกซิเดชันไปเป็นสถานะกลางเรียกว่า comproportionation จึงควรตรวจเลขออกซิเดชันจริงแทนการเดาจากชื่อสาร

รีดอกซ์กับพลังงาน

ทิศทางเชิงอุณหพลศาสตร์ของเซลล์ไฟฟ้าเคมีเชื่อมกับ ΔG = −nFE_cell แต่เลขออกซิเดชันเพียงอย่างเดียวไม่บอกอัตราปฏิกิริยาหรือกลไก มันเป็นเครื่องมือบัญชีอิเล็กตรอน ไม่ใช่กฎจลน์

ตรวจให้ลึกขึ้น

หลังดุลสมการรีดอกซ์ควรตรวจสามอย่างแยกกัน: จำนวนอะตอมของทุกธาตุต้องเท่ากัน ประจุรวมทั้งสองข้างต้องเท่ากัน และจำนวนอิเล็กตรอนที่ครึ่งปฏิกิริยาหนึ่งให้ต้องเท่ากับอีกครึ่งรับ วิธีเลขออกซิเดชันกับวิธีครึ่งปฏิกิริยาใช้หลักอนุรักษ์เดียวกันแต่จัดบัญชีต่างกัน วิธีแรกเร็วในสมการโมเลกุลง่าย ๆ ส่วนวิธีครึ่งปฏิกิริยามักปลอดภัยกว่าในสารละลายน้ำ โดยเฉพาะเมื่อจำเป็นต้องจัด H₂O, H⁺, OH⁻ และประจุหลายชนิดให้สอดคล้องกันพร้อมกัน

อีกจุดที่มักสับสนคือ oxygen transfer ไม่ใช่นิยามสากลของรีดอกซ์ แม้ปฏิกิริยาหลายชนิดในชีวิตประจำวันเกี่ยวข้องกับ O₂ แต่การเปลี่ยน Fe²⁺ เป็น Fe³⁺ ก็เป็นออกซิเดชันได้โดยไม่ต้องมีออกซิเจน ดังนั้นนิยามด้วยการเสีย–รับอิเล็กตรอนหรือการเปลี่ยนเลขออกซิเดชันจึงกว้างและแม่นยำกว่า

ตรวจสมการหลังดุล

เมื่อดุลสมการรีดอกซ์เสร็จควรตรวจสามอย่างแยกกัน: จำนวนอะตอมของทุกธาตุต้องเท่ากันทั้งสองข้าง ประจุรวมต้องเท่ากัน และจำนวนอิเล็กตรอนที่ครึ่งปฏิกิริยาหนึ่งให้ต้องเท่ากับอีกครึ่งรับ ถ้าข้อใดข้อหนึ่งไม่ผ่าน สมการยังไม่สมบูรณ์

วิธีเลขออกซิเดชันและวิธีครึ่งปฏิกิริยาใช้หลักอนุรักษ์เดียวกันแต่มองต่างมุม วิธีแรกเหมาะกับสมการง่าย ส่วนวิธีครึ่งปฏิกิริยามักปลอดภัยกว่าในสารละลายน้ำที่ต้องจัดการ H₂O, H⁺, OH⁻ และประจุหลายชนิด

แบบฝึกหัด

Fe²⁺ → Fe³⁺

Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻

เฉลย: เสียอิเล็กตรอนและเลขออกซิเดชันเพิ่ม: ออกซิเดชัน

Cl₂ → Cl⁻

Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻

เฉลย: รับอิเล็กตรอน: รีดักชัน และ Cl₂ เป็นตัวออกซิไดซ์

Mn ใน MnO₄⁻

ให้ O = −2

เฉลย: Mn + 4(−2)=−1 จึง Mn = +7