เลขออกซิเดชัน (Oxidation state) คือ ประจุสมมติของอะตอมในสารประกอบ ซึ่งคำนวณโดยสมมติว่าพันธะทั้งหมดระหว่างอะตอมเป็นพันธะไอออนิก แสดงถึงจำนวนอิเล็กตรอนที่อะตอมให้หรือรับเข้ามา ในหน้านี้มีการนิยามที่เข้าใจง่าย กฎทั้งหมดในการกำหนดเลขออกซิเดชัน ตารางค่าคงที่ ขั้นตอนการกำหนดทีละขั้นตอน และแบบฝึกหัดเชิงโต้ตอบที่คุณสามารถฝึกฝนหัวข้อนี้ได้ทันที
เลขออกซิเดชันคืออะไร
เลขออกซิเดชัน (Oxidation state, СО) คือ ประจุสมมติของอะตอมในโมเลกุล ซึ่งอะตอมนั้นจะมีหากอิเล็กตรอนในคู่อิเล็กตรอนร่วมทั้งหมดถ่ายโอนไปยังอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงกว่าอย่างสมบูรณ์ พูดง่ายๆ ก็คือ "ตัวนับ" อิเล็กตรอน: อะตอมที่ให้อิเล็กตรอนจะมีเลขออกซิเดชันเป็นบวก และอะตอมที่รับอิเล็กตรอนจะมีเลขออกซิเดชันเป็นลบ
เลขออกซิเดชันจะเขียนโดยมีเครื่องหมาย อยู่หน้าตัวเลข และวาง เหนือสัญลักษณ์ของธาตุ: ตัวอย่างเช่น ในน้ำ H₂O ไฮโดรเจนมีค่า +1 ออกซิเจนมีค่า −2 ซึ่งแตกต่างจากประจุไอออน (S²⁻, Fe³⁺) ที่เครื่องหมายจะเขียน หลัง ตัวเลข
เลขออกซิเดชันสามารถเป็นบวก ลบ หรือศูนย์ และสำหรับธาตุหลายชนิดก็สามารถแปรผันได้ คือ เปลี่ยนไปตามสารประกอบ นี่คือเหตุผลว่าทำไมจึงต้องรู้วิธีการกำหนด ไม่ใช่แค่การจำ
กฎของเลขออกซิเดชัน: ตารางค่าคงที่
ในการกำหนดเลขออกซิเดชัน คุณต้องทราบกฎที่แน่นอนบางประการ ธาตุบางชนิดมีเลขออกซิเดชัน คงที่ ในสารประกอบทุกชนิด — ค่าเหล่านี้จะรวบรวมไว้ในตารางช่วยจำด้านล่าง ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการกำหนด
นอกเหนือจากค่าคงที่แล้ว ยังมีกฎหลักสามข้อที่ใช้ได้:
- ใน สารเดี่ยว เลขออกซิเดชันของอะตอมใดๆ จะเท่ากับ 0 (Fe, O₂, H₂, S₈);
- ผลรวม ของเลขออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดใน โมเลกุลเท่ากับ 0 — โมเลกุลเป็นกลางทางไฟฟ้า;
- ใน ไอออน ผลรวมของเลขออกซิเดชันจะเท่ากับ ประจุของไอออน (ตัวอย่างเช่น ใน SO₄²⁻ ผลรวมเท่ากับ −2).
| ธาตุ | เลขออกซิเดชัน | ข้อยกเว้น |
|---|---|---|
| สารเดี่ยว O₂, H₂, Fe, Cu, S | 0 | ไม่มีข้อยกเว้น |
| ฟลูออรีน F | −1 | −1 เสมอ ไม่มีค่าอื่น |
| โลหะหมู่ 1 Na, K, Li, Ag | +1 | คงที่ |
| โลหะหมู่ 2 Ca, Mg, Zn, Ba | +2 | คงที่ |
| อะลูมิเนียม Al | +3 | คงที่ |
| ไฮโดรเจน H | +1 | −1 ในไฮไดรด์ของโลหะ: NaH, CaH₂ |
| ออกซิเจน O | −2 | −1 ในเปอร์ออกไซด์ (H₂O₂); +2 ใน OF₂ |
วิธีหาเลขออกซิเดชันในสารประกอบ
เมื่อมีธาตุที่มีเลขออกซิเดชันแปรผัน (กำมะถัน ไนโตรเจน คลอรีน แมงกานีส ฟอสฟอรัส) ในสูตร จะต้องหาโดยใช้สมการ ขั้นตอนเป็นสากล: เริ่มจากการกำหนดค่าที่ทราบแน่นอนก่อน จากนั้นกำหนดค่าที่ไม่ทราบเป็น x และแก้สมการผลรวม มีห้าขั้นตอน — ด้านล่างนี้
0 ไม่ต้องคำนวณต่อ+1 ออกซิเจน −2 ฟลูออรีน −1 — ตามตารางด้านบน0 สำหรับโมเลกุล หรือ = ประจุสำหรับไอออน+ หรือ −เลขออกซิเดชันสูงสุดและต่ำสุด
ธาตุมี เลขออกซิเดชันสูงสุด และ ต่ำสุด — ค่าสุดขั้วซึ่งค่าอื่นๆ จะอยู่ระหว่างนั้น
- เลขออกซิเดชันสูงสุด โดยทั่วไปจะเท่ากับ หมายเลขหมู่ ในตารางธาตุ (สำหรับธาตุในหมู่หลัก) ตัวอย่างเช่น กำมะถันในหมู่ VI → เลขออกซิเดชันสูงสุด +6 (H₂SO₄), ไนโตรเจนในหมู่ V → +5 (HNO₃), คลอรีนในหมู่ VII → +7 (HClO₄) จะปรากฏในสารประกอบกับธาตุที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงกว่า — ส่วนใหญ่มักจะเป็นออกซิเจน
- เลขออกซิเดชันต่ำสุด สำหรับอโลหะเท่ากับ หมายเลขหมู่ ลบ 8 สำหรับกำมะถันคือ 6 − 8 = −2 (H₂S), สำหรับไนโตรเจน 5 − 8 = −3 (NH₃) จะปรากฏในสารประกอบกับไฮโดรเจนและโลหะ
มีข้อยกเว้น: ตัวอย่างเช่น ฟลูออรีนไม่มีเลขออกซิเดชันบวกสูงสุด — เป็นธาตุที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงสุดและมีค่า −1 เสมอ ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันบวกสูงสุด +2 ซึ่งพบได้เฉพาะใน OF₂
ตัวอย่างการกำหนดเลขออกซิเดชัน
ตัวอย่างที่ 1 กำมะถันใน H₂SO₄
โจทย์: กำหนดเลขออกซิเดชันของกำมะถันในกรดซัลฟิวริก H₂SO₄.
ขั้นตอนที่ 1 นี่ไม่ใช่สารเดี่ยว — ในสูตรมีสามธาตุ
ขั้นตอนที่ 2 กำหนดเลขออกซิเดชันคงที่: ไฮโดรเจน +1 (2 อะตอม) ออกซิเจน −2 (4 อะตอม)
ขั้นตอนที่ 3 เลขออกซิเดชันของกำมะถันไม่ทราบค่า — กำหนดให้เป็น x
ขั้นตอนที่ 4 สร้างสมการ (ผลรวมของเลขออกซิเดชันทั้งหมดในโมเลกุล = 0):
ขั้นตอนที่ 5 แก้สมการ: \(2 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +6\).
คำตอบ: เลขออกซิเดชันของกำมะถันใน H₂SO₄ คือ +6.
ตัวอย่างที่ 2 แมงกานีสใน KMnO₄
โจทย์: กำหนดเลขออกซิเดชันของแมงกานีสในโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต KMnO₄.
ขั้นตอนที่ 1–2 เลขออกซิเดชันคงที่: โพแทสเซียม (โลหะหมู่ 1) +1 ออกซิเจน −2 (4 อะตอม)
ขั้นตอนที่ 3 แมงกานีสเป็นธาตุที่มีเลขออกซิเดชันแปรผัน กำหนดให้เป็น x
ขั้นตอนที่ 4 สมการผลรวม:
ขั้นตอนที่ 5 แก้สมการ: \(1 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +7\).
คำตอบ: เลขออกซิเดชันของแมงกานีสคือ +7 — นี่คือเลขออกซิเดชันสูงสุดของมัน (Mn อยู่ในหมู่ VII)
ตัวอย่างที่ 3 กำหนดจากสูตรออกไซด์ Fe₂O₃
โจทย์: กำหนดเลขออกซิเดชันของเหล็กในออกไซด์ Fe₂O₃.
ขั้นตอนที่ 1–2 ออกซิเจนมีค่า −2 เสมอ มีอะตอมออกซิเจน 3 ดังนั้นผลรวมจากออกซิเจนคือ: \(3 \cdot (-2) = -6\).
ขั้นตอนที่ 3 กำหนดเลขออกซิเดชันของเหล็กเป็น x มีอะตอมเหล็ก 2.
ขั้นตอนที่ 4 สมการ: \(2x + 3 \cdot (-2) = 0\).
ขั้นตอนที่ 5 แก้สมการ: \(2x - 6 = 0 \Rightarrow 2x = 6 \Rightarrow x = +3\).
คำตอบ: เลขออกซิเดชันของเหล็กคือ +3 ตรวจสอบ: สองอะตอมที่ +3 ให้ผลรวม +6 สามอะตอมออกซิเจนให้ผลรวม −6 ผลรวมเป็น 0 — ถูกต้อง
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการกำหนดเลขออกซิเดชัน
-
สับสนระหว่างเลขออกซิเดชันกับเวเลนซี
เวเลนซีคือจำนวนพันธะเคมีของอะตอม ไม่มีเครื่องหมาย (เป็นจำนวนบวกเสมอ: I, II, III) เลขออกซิเดชันคือประจุสมมติพร้อมเครื่องหมาย (+ หรือ −) และอาจเป็นศูนย์ได้ ตัวอย่างเช่น ใน N₂ เวเลนซีของไนโตรเจนคือ III แต่เลขออกซิเดชันคือ 0
-
ใส่เครื่องหมายผิด: เขียนตัวเลขแล้วตามด้วยบวกหรือลบ (2+ แทนที่จะเป็น +2)
เครื่องหมายของเลขออกซิเดชันจะวาง หน้า ตัวเลขและ เหนือ สัญลักษณ์ธาตุ: +2, −3, +6 การเขียนเครื่องหมายหลังตัวเลข (S²⁻) ใช้กับประจุไอออน ไม่ใช่เลขออกซิเดชัน
-
คิดว่าออกซิเจนมีค่า −2 เสมอ และไฮโดรเจนมีค่า +1 เสมอ
สิ่งนี้ใช้ได้เกือบเสมอ แต่มีข้อยกเว้น ออกซิเจนในเปอร์ออกไซด์ (H₂O₂) มีเลขออกซิเดชัน −1 และใน OF₂ มีค่า +2 ด้วยซ้ำ ไฮโดรเจนในไฮไดรด์ของโลหะ (NaH, CaH₂) มีเลขออกซิเดชัน −1 เพราะโลหะมีค่าอิเล็กโตรโพซิทีฟสูงกว่า
-
ลืมว่าผลรวมของเลขออกซิเดชันในโมเลกุลเท่ากับศูนย์
โมเลกุลเป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นผลรวม (เลขออกซิเดชัน × จำนวนอะตอม) ของธาตุทั้งหมดจึงเท่ากับ 0 เสมอ สำหรับไอออน ผลรวมนี้จะเท่ากับประจุของไอออน นี่คือสมการหลักที่ใช้หาเลขออกซิเดชันที่ไม่ทราบค่า
-
ไม่ได้คูณเลขออกซิเดชันด้วยจำนวนอะตอมของธาตุ
ในสมการผลรวม เลขออกซิเดชันแต่ละค่าต้องคูณด้วยดัชนี (จำนวนอะตอม) ใน H₂SO₄ ไฮโดรเจนให้ค่าไม่เพียง +1 แต่เป็น 2·(+1) = +2 ออกซิเจนไม่ใช่ −2 แต่เป็น 4·(−2) = −8 การละเว้นดัชนีเป็นข้อผิดพลาดทางคณิตศาสตร์ที่พบบ่อยที่สุด
คำถามและคำตอบ
เลขออกซิเดชันแตกต่างจากเวเลนซีอย่างไร
เวเลนซีแสดงถึงจำนวนพันธะเคมีของอะตอมและไม่มีเครื่องหมาย (ใช้เลขโรมัน: I, II, III) เลขออกซิเดชันคือประจุสมมติของอะตอม มีเครื่องหมาย (+ หรือ −) และอาจเป็นศูนย์หรือเศษส่วนได้ สำหรับธาตุหลายชนิด ค่าเหล่านี้จะเท่ากันในเชิงปริมาณ แต่ไม่เสมอไป: ในโมเลกุล N₂ เวเลนซีของไนโตรเจนคือ III แต่เลขออกซิเดชันคือ 0
จะกำหนดเลขออกซิเดชันสูงสุดของธาตุได้อย่างไร
เลขออกซิเดชันสูงสุด (ค่าบวกสูงสุด) ของธาตุในหมู่หลักจะเท่ากับหมายเลขหมู่ในตารางธาตุ ตัวอย่างเช่น กำมะถันในหมู่ VI มีเลขออกซิเดชันสูงสุด +6 ไนโตรเจนในหมู่ V คือ +5 คลอรีนในหมู่ VII คือ +7 จะปรากฏในสารประกอบกับออกซิเจน ข้อยกเว้น: ออกซิเจนและฟลูออรีนไม่มีเลขออกซิเดชันบวกสูงสุดเท่ากับหมายเลขหมู่
จะกำหนดเลขออกซิเดชันต่ำสุดได้อย่างไร
สำหรับอโลหะ เลขออกซิเดชันต่ำสุด (ค่าลบสูงสุด) จะเท่ากับหมายเลขหมู่ ลบ 8 สำหรับกำมะถันคือ 6 − 8 = −2 (ใน H₂S) สำหรับไนโตรเจน 5 − 8 = −3 (ใน NH₃) สำหรับคลอรีน 7 − 8 = −1 (ใน HCl) เลขออกซิเดชันต่ำสุดจะปรากฏในสารประกอบกับไฮโดรเจนและโลหะ สำหรับโลหะ เลขออกซิเดชันต่ำสุดคือ 0 (ในสารเดี่ยว)
เลขออกซิเดชันของสารเดี่ยวคือเท่าใด
อะตอมใดๆ ในสารเดี่ยวจะมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ 0 ซึ่งใช้ได้ทั้งกับโลหะ (Fe, Cu, Na) และอโลหะ (O₂, H₂, S₈, Cl₂, P₄) เหตุผลง่ายๆ คือ อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันดึงดูดอิเล็กตรอนร่วมกันอย่างเท่าเทียมกัน ดังนั้นประจุสมมติจึงเป็นศูนย์
ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชัน −2 เสมอหรือไม่
เกือบเสมอ แต่มีสองข้อยกเว้น ในเปอร์ออกไซด์ (H₂O₂, Na₂O₂) เลขออกซิเดชันของออกซิเจนคือ −1 เพราะอะตอมออกซิเจนเชื่อมต่อกัน ในสารประกอบกับฟลูออรีน OF₂ ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเป็นบวก +2 เนื่องจากฟลูออรีนมีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงกว่า
เลขออกซิเดชันสามารถเป็นเศษส่วนได้หรือไม่
ได้ แต่เป็นค่าเฉลี่ย (อย่างเป็นทางการ) ตัวอย่างเช่น ใน Fe₃O₄ เลขออกซิเดชันเฉลี่ยของเหล็กคือ +8/3 เพราะในสูตรมีการผสมอะตอมที่มีเลขออกซิเดชัน +2 และ +3 ในหลักสูตรโรงเรียนมักไม่ค่อยกล่าวถึงกรณีเช่นนี้ — โดยทั่วไปเลขออกซิเดชันจะเป็นจำนวนเต็ม
