เลขออกซิเดชัน ตัวออกซิไดส์และตัวรีดิวซ์ และการดุลด้วยครึ่งปฏิกิริยา

เลขออกซิเดชันบันทึกอะไร

เลขออกซิเดชันคือประจุที่อะตอมจะมีหากพันธะทุกพันธะระหว่างอะตอมต่างชนิดเป็นไอออนิกสมบูรณ์ โดยกำหนดให้อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันเป็นของอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า ส่วนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันระหว่างอะตอมชนิดเดียวกันแบ่งเท่าๆ กัน เป็นการนับเชิงรูปแบบ ไม่ใช่ประจุที่วัดได้ ในน้ำ ออกซิเจนถูกกำหนดเป็น −2 และไฮโดรเจนแต่ละอะตอมเป็น +1 ทั้งที่ประจุบางส่วนจริงมีค่าน้อยกว่ามาก

ออกซิเดชันคือการเพิ่มขึ้นของเลขออกซิเดชัน ซึ่งตรงกับการสูญเสียอิเล็กตรอน รีดักชันคือการลดลงของเลขออกซิเดชัน คือการได้รับอิเล็กตรอน ทั้งสองเกิดพร้อมกันเสมอ เพราะอิเล็กตรอนที่สปีชีส์หนึ่งสูญเสียต้องถูกอีกสปีชีส์หนึ่งรับไป ในสมการรีดอกซ์ใดๆ ผลรวมการเพิ่มของเลขออกซิเดชันเท่ากับผลรวมการลด และวิธีดุลสมการทุกวิธีอาศัยความเท่ากันนี้

กำหนดเลขออกซิเดชันตามลำดับความสำคัญ

ใช้กฎจากบนลงล่างของรายการ เมื่อกฎสองข้อขัดกัน กฎที่อยู่สูงกว่าชนะ และอะตอมสุดท้ายที่ไม่ทราบค่าในสูตรหาได้โดยการหาผลต่าง

สำหรับไดไฮโดรเจนฟอสเฟตไอออน H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1 ดังนั้น P = +5 สำหรับเทตระไทโอเนตไอออน S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2 ดังนั้นกำมะถันทั้งสี่อะตอมรวมเป็น +10 และค่าเฉลี่ยเป็น +2.5 ผลลัพธ์ที่เป็นเศษส่วนหมายความว่าอะตอมของธาตุเดียวกันอยู่ในสภาพแวดล้อมต่างกัน และตัวเลขที่รายงานเป็นค่าเฉลี่ย แมกนีไทต์ Fe₃O₄ มีค่าเฉลี่ย +8/3 เพราะมี Fe²⁺ หนึ่งตัวต่อ Fe³⁺ สองตัว

• อะตอมในธาตุบริสุทธิ์เป็น 0 (Fe, O₂, S₈)
• ไอออนอะตอมเดี่ยวเท่ากับประจุของมัน (Mg²⁺ เป็น +2, Br⁻ เป็น −1)
• เลขออกซิเดชันในสูตรรวมกันได้เท่ากับประจุรวมของสูตรนั้น
• ฟลูออรีนเป็น −1 ในสารประกอบทั้งหมด
• โลหะหมู่ 1 เป็น +1 และโลหะหมู่ 2 เป็น +2 ในสารประกอบ
• ไฮโดรเจนเป็น +1 กับอโลหะ และ −1 ในไฮไดรด์ของโลหะ เช่น NaH
• ออกซิเจนมักเป็น −2 แต่เป็น −1 ในเพอร์ออกไซด์ (H₂O₂) เป็น −½ ในซูเปอร์ออกไซด์ (KO₂) และเป็น +2 ใน OF₂
• คลอรีน โบรมีน และไอโอดีนมักเป็น −1 ยกเว้นเมื่อสร้างพันธะกับออกซิเจนหรือกับฮาโลเจนที่เบากว่า

ระบุตัวออกซิไดส์และตัวรีดิวซ์

ตัวออกซิไดส์รับอิเล็กตรอนและทำให้สิ่งอื่นถูกออกซิไดส์ มันจึงถูกรีดิวซ์เอง ตัวรีดิวซ์ให้อิเล็กตรอนและถูกออกซิไดส์เอง ให้ระบุสปีชีส์ทั้งตัวแทนที่จะระบุอะตอมเดียว

พิจารณา 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l) เหล็กเพิ่มจาก +2 เป็น +3 ดังนั้น Fe²⁺ ถูกออกซิไดส์และเป็นตัวรีดิวซ์ ออกซิเจนลดจาก −1 ในเพอร์ออกไซด์เป็น −2 ในน้ำ ดังนั้น H₂O₂ ถูกรีดิวซ์และเป็นตัวออกซิไดส์ ไฮโดรเจนคงที่ที่ +1 ตลอด ไอออนเหล็กสองตัวแต่ละตัวสูญเสียอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และอะตอมออกซิเจนในเพอร์ออกไซด์สองอะตอมแต่ละอะตอมรับหนึ่งตัว จึงสูญเสียอิเล็กตรอนสองตัวและได้รับสองตัว

สปีชีส์หนึ่งอาจมีบทบาททั้งสอง ใน Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O อะตอมคลอรีนหนึ่งอะตอมเปลี่ยนจาก 0 เป็น −1 และอีกอะตอมจาก 0 เป็น +1 นี่คือปฏิกิริยาดิสโพรพอร์ชันเนชัน และ Cl₂ เป็นทั้งตัวออกซิไดส์และตัวรีดิวซ์

การดุลด้วยครึ่งปฏิกิริยาในสารละลายกรด

การแยกออกซิเดชันออกจากรีดักชันทำให้ดุลการถ่ายโอนอิเล็กตรอนแต่ละส่วนได้อย่างอิสระ แล้วจึงรวมสองครึ่งเข้าด้วยกันเพื่อให้อิเล็กตรอนตัดกัน น้ำให้อะตอมออกซิเจนและ H⁺ ให้อะตอมไฮโดรเจน เพราะเป็นสปีชีส์ที่มีอยู่จริงในน้ำที่เป็นกรด

ตัวอย่างการคำนวณที่ 1 ในกรด ไดโครเมตออกซิไดส์ไนไทรต์: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻ โครเมียมเปลี่ยนจาก +6 เป็น +3 และไนโตรเจนจาก +3 เป็น +5 ครึ่งออกซิเดชัน: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ ประจุ −1 ทั้งสองข้าง ครึ่งรีดักชัน: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O ประจุ +6 ทั้งสองข้าง อิเล็กตรอนหกตัวตรงกับอะตอมโครเมียมสองอะตอมที่เปลี่ยนไปอะตอมละสามหน่วย

คูณครึ่งออกซิเดชันด้วย 3 เพื่อให้ทั้งสองครึ่งเกี่ยวข้องกับ 6e⁻ แล้วบวกกัน: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺ ตัด 6H⁺ และ 3H₂O ออกจากแต่ละข้าง: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O ตรวจ: Cr 2 และ 2; N 3 และ 3; O 7 + 6 = 13 และ 9 + 4 = 13; H 8 และ 8; ประจุ −2 + 8 − 3 = +3 และ +6 − 3 = +3

• แยกสมการโครงร่างเป็นครึ่งออกซิเดชันและครึ่งรีดักชัน
• ดุลทุกธาตุยกเว้น O และ H
• ดุล O โดยเติม H₂O แล้วดุล H โดยเติม H⁺
• ดุลประจุโดยเติมอิเล็กตรอนที่ข้างที่เป็นบวกมากกว่า
• คูณครึ่งปฏิกิริยาให้อิเล็กตรอนเท่ากัน บวกกัน และตัดสิ่งที่อยู่ทั้งสองข้างออก
• ตรวจอะตอมและประจุ และยืนยันว่าไม่มีอิเล็กตรอนเหลือ

ปรับวิธีสำหรับสารละลายเบส

ในสารละลายเบส OH⁻ มีมาก และสมการสุดท้ายไม่ควรมี H⁺ ให้ดุลเหมือนว่าสารละลายเป็นกรด แล้วเติม OH⁻ ให้พอทั้งสองข้างเพื่อเปลี่ยน H⁺ ทุกตัวเป็นน้ำ การเติมสปีชีส์เดียวกันทั้งสองข้างคงความสมดุลของสมการไว้

ตัวอย่างการคำนวณที่ 2 ไฮโปคลอไรต์ออกซิไดส์โครเมียม(III) ไฮดรอกไซด์เป็นโครเมตในเบส: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻ โครเมียมเปลี่ยนจาก +3 เป็น +6 และคลอรีนจาก +1 เป็น −1 ครึ่งออกซิเดชัน: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻ ครึ่งรีดักชัน: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O ตัวคูณร่วมน้อยของ 3 และ 2 คือ 6 จึงคูณครึ่งแรกด้วยสองและครึ่งที่สองด้วยสาม

การบวกและตัดได้ 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O เติม 4OH⁻ ทั้งสองข้าง ทางขวา 4H⁺ + 4OH⁻ กลายเป็น 4H₂O สมการสุดท้าย: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l) ตรวจ: Cr 2 และ 2; Cl 3 และ 3; O 6 + 3 + 4 = 13 และ 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 และ 10; ประจุ −7 ทั้งสองข้าง

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการทำบัญชีรีดอกซ์

ข้อผิดพลาดรีดอกซ์ส่วนใหญ่เป็นข้อผิดพลาดในการทำบัญชี และแต่ละข้อมีวิธีตรวจเฉพาะ

เป็นการทดสอบสุดท้าย ให้ยืนยันด้วยเลขออกซิเดชันเพียงอย่างเดียวว่าอิเล็กตรอนที่สูญเสียเท่ากับที่ได้รับ ในตัวอย่างการคำนวณที่ 2 อะตอมโครเมียมสองอะตอมแต่ละอะตอมสูญเสียอิเล็กตรอน 3 ตัว (รวม 6 ตัว) และอะตอมคลอรีนสามอะตอมแต่ละอะตอมรับ 2 ตัว (รวม 6 ตัวเช่นกัน)

• ระบุอะตอมว่าเป็นตัวออกซิไดส์หรือรีดิวซ์: ให้เขียนว่า Cr₂O₇²⁻ เป็นตัวออกซิไดส์ ไม่ใช่โครเมียม
• นับการเปลี่ยนแปลงต่ออะตอมแต่ไม่นับต่อสูตร: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ ใช้อิเล็กตรอน 6 ตัว ไม่ใช่ 3
• วางอิเล็กตรอนผิดข้าง: อิเล็กตรอนเป็นผลิตภัณฑ์ในครึ่งออกซิเดชันและเป็นสารตั้งต้นในครึ่งรีดักชัน หากการตรวจประจุไม่ผ่าน ให้ดูตรงนี้ก่อน
• ดุลออกซิเจนด้วย O, O₂ หรือ O²⁻ แทน H₂O ออกไซด์ไอออนอิสระไม่มีอยู่ในน้ำ
• ทิ้ง H⁺ ไว้ในคำตอบของสารละลายเบส หรือลืมตัดน้ำหลังเติม OH⁻
• สมมติว่าออกซิเจนเป็น −2 เสมอ: ตรวจหาเพอร์ออกไซด์ ซูเปอร์ออกไซด์ และพันธะ O–F
• ใช้สัญกรณ์ปนกัน: เลขออกซิเดชันเขียนเครื่องหมายก่อน (+3) ประจุไอออนเขียนตัวเลขก่อน (3+)