สถานะออกซิเดชัน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
(เปลี่ยนทางจาก ออกซิเดชั่น)

สถานะออกซิเดชัน (อังกฤษ: oxidation state) เป็นสมบัติที่สำคัญของอะตอมเมื่อเกิดเป็นสารประกอบ เนื่องจากสมบัติทางเคมีและกายภาพหลายอย่างสามารถอธิบายโดยใช้สถานะออกซิเดชัน ตลอดระยะเวลาผ่านมามีการนิยามคำว่า สถานะออกซิเดชันที่หลากหลายและยังมีข้อสับสนเกี่ยวกับคำว่า สถานะออกซิเดชัน (oxidation state) และ เลขออกซิเดชัน (oxidation number) ที่พบในหนังสือแบบเรียนต่าง ๆ ทั่วโลก ในปลาย ค.ศ. 2015 จึงมีผู้เสนอให้นิยามคำ ๆ นี้ให้ชัดเจนและเป็นทางการพร้อมทั้งให้บอกวิธีการในการหาให้ชัดเจนด้วย

ประวัติ[แก้]

เวนเดลล์ มิตเชลล์ ลาติเมอร์ (Wendell Mitchell Latimer) นักเคมีชาวอเมริกันได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับสถานะออกซิเดชันเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ.1938 และกล่าวถึงครึ่งปฏิกิริยารีดอกซ์ (redox half-reaction) [1] ต่อมาคริสเตียน เจอร์เจนเซน (Christian Klixbüll Jørgensen),[2] ได้เขียนหนังสือที่อธิบายหลักการรวมถึงการอภิปรายเกี่ยวกับ "เลขออกซิเดชัน"[3] จนกระทั่งในทศวรรษ 1940 กลาสโตน ได้กล่าวถึงเลขออกซิเดชันว่าเป็นการระบุ "ความต้องการอิเล็กตรอน" ของธาตุ โมเลกุล หรือ ไอออน[4]

ความสับสนในเรื่องของการใช้คำว่า สถานะออกซิเดชัน และคำว่า เลขออกซิเดชัน ยังคงมีเรื่อยมา โดยที่นิยามที่กำหนดก่อนหน้านี้โดยสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ หรือ IUPAC ยังไม่สามารถระบุความแตกต่างได้อย่างชัดเจน โดยระบุเพียงว่า สถานะออกซิเดชันของธาตุจะเขียนในสูตรเคมีด้วยเลขโรมัน[5],[6] และนิยามของ IUPAC ที่ระบุใน หนังสือเล่มสีทอง IUPAC (IUPAC Gold Book) ได้นำเอานิยามตาม หนังสือสีแดง: การอ่านชื่อ IUPAC ในเคมีอนินทรีย์ (Red Book: IUPAC Nomenclature of Inorganic Chemistry) มาใช้ แทนที่จะใช้นิยามใหม่ที่เสนอขึ้นในปี ค.ศ. 2014 ที่มีความชัดเจนมากกว่า โดยที่นิยามที่ระบุในหนังสือเล่มสีทองดังกล่าวนั้นใช้ไม่ได้กับสารประกอบแบบกลุ่มก้อน (clusters) ซินทล์เฟส (Zintl phases) และ สารเชิงซ้อนโลหะอินทรีย์ (organometallic complexes) บางชนิด[7]

นิยาม[แก้]

มีการนิยามคำว่าสถานะออกซิเดชันมากมายตามหนังสือต่าง ๆ มากมาย อย่างไรก็ตาม IUPAC ได้ให้คำนิยามและวิธีการหาสถานะออกซิเดชันไว้ 2 ลักษณะ ดังนี้

นิยามอย่างง่ายตาม IUPAC Gold Book[แก้]

นิยามคำว่า สถานะออกซิเดชัน อ้างตามหนังสือเล่มสีทอง IUPAC ระบุว่า

สถานะออกซิเดชันเป็นการวัดระดับออกซิเดชันของอะตอมในสาร ซึ่งสถานะออกซิเดชันถูกกำหนดให้เป็นประจุของอะตอมซึ่งอาจจะมาจากการนับอิเล็กตรอนตามกฎดังต่อไปนี้

  1. สถานะออกซิเดชันของธาตุอิสระ (free element หรือ uncombined element) เท่ากับ ศูนย์
  2. สำหรับไอออนอย่างง่าย ได้แก่ ไอออนอะตอมเดี่ยว (monoatomic ion) สถานะออกซิเดชันเท่ากับประจุสุทธิของไอออน
  3. ในสารประกอบทั่วไป ไฮโดรเจนมีสถานะออกซิเดชันเท่ากับ +1 และออกซิเจนมีสถานะออกซิเดชันเท่ากับ -2 ยกเว้น ใน สารประกอบไฮไดรด์ของโลหะกัมมันต์ เช่น LiH ไฮโดรเจนมีสถานะออกซิเดชันเท่ากับ -1 และในสารประกอบเปอร์ออกไซด์ออกซิเจนมีสถานะออกซิเดชันเท่ากับ -1 เช่น H2O2 เป็นต้น

ผลรวมเลขคณิตของสถานะออกซิเดชันของอะตอมต่าง ๆ ในสารประกอบที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะต้องเท่ากับศูนย์ ในทำนองเดียวกันผลรวมเลขคณิตของสถานะออกซิเดชันของอะตอมต่าง ๆ ในไอออนจะต้องเท่ากับประจุของไอออนนั้น ๆ ด้วย ตัวอย่างของสถานะออกซิเดชันของกำมะถันใน H2S, S8 , SO2, SO3, และ H2SO4 เท่ากับ -2, 0, +4, +6 และ +6 ตามลำดับ อะตอมที่มีสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่าจะมี ระดับออกซิเดชัน (degree of oxidation) ที่สูงกว่า และ อะตอมที่มีสถานะออกซิเดชันที่ต่ำกว่า จะมี ระดับรีดักชัน (degree of reduction) ที่สูงกว่า[8]

นิยามทางวิทยาศาสตร์ตาม IUPAC Technical Report[แก้]

พาเวล กาเรน (Pavel Karen) และคณะได้เสนอการกำหนดนิยามของคำว่าสถานะออกซิเดชันและตีพิมพ์ในวารสารของ IUPAC ในปี ค.ศ. 2014 ในลักษณะรายงานทางเทคนิค (Technical Report)[9] โดยได้กำหนดให้นิยามคำว่า ‘สถานะออกซิเดชัน’ โดยทั่วไปว่า

“สถานะออกซิเดชัน คือ ประจุของอะตอมหลังจากการประมาณแบบไอออนิกของพันธะของอะตอมนั้น”

การประมาณแบบไอออนิก (ionic approximation) อาจจะทำได้โดยการพิจารณาการมีส่วนร่วมของอะตอมในออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (MO) (รูป 1) หรือทำได้ด้วยการพิจารณาค่าอิเล็กโตรเนกาทิวิตีของอัลเลน (Allen’s EN) (รูป 2)

รูป 1: ซ้ายเป็นแผนภาพ MO ของพันธะระหว่างอะตอมชนิดเดียวกัน A-A ขวาเป็นแผนภาพ MO ของอะตอมที่มีพันธะระหว่างอะตอมต่างชนิด A-B ซึ่งจะมีเครื่องหมายแสดงความเป็นไอออนิกของพันธะ
รูป 2: แผนภาพเปรียบเทียบพลังงานของอะตอม ซ้าย ในโมเลกุลที่มีพันธะระหว่างอะตอมชนิดเดียวกัน A-A และ ขวา ระหว่างอะตอมต่างชนิดกัน A-B เครื่องหมาย +, - แทนเครื่องหมายของประจุที่ได้จากการประมาณแบบไอออนิก (อะตอมที่มีค่า EN ตามการคำนวณของอัลเลนสูงกว่าจะมีพลังงานต่ำกว่าและมีเครื่องหมายไอออนิกเป็นลบ)

วิธีการกำหนดสถานะออกซิเดชัน[แก้]

วิธีการกำหนดสถานะออกซิเดชันทำได้โดยกำหนดให้สถานะออกซิเดชันเท่ากับประจุของอะตอมหลังจากการแบ่งแยกพันธะอย่างเสมอภาคระหว่างอะตอมชนิดเดียวกันและการแบ่งแยกพันธะระหว่างอะตอมต่างชนิดกันด้วยการพิจารณาค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีที่วัดโดยวิธีของอัลเลน ยกเว้น กรณีที่อะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาทิวิตีสูงกว่าอะตอมนั้นสร้างพันธะแบบกลับในฐานะลิแกนด์แบบกรดลิวอิสซึ่งอะตอมนั้นไม่ได้รับอิเล็กตรอนที่สร้างพันธะนั้นๆ หรืออาจจะใช้การคำนวณผลรวมพันธะเวเลนซ์ (Bond Valence Sum Calculation; BVS) และวิธีอื่น ๆ ตัวอย่างการกำหนดสถานะออกซิเดชันโดยใช้โครงสร้างลิวอิสแสดงดังรูป 3


รูป 3: ตัวอย่างการกำหนดสถานะออกซิเดชันของอะตอมต่างๆใน (ก) ไดฟลูออโรมีเทน (ข) กรดเปอร์ออกซีไนตรัส (peroxynitrous acid) (ค) โครเมียม(III)ออกไซด์และ โครเมียม(VI)ออกไซด์

ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]

  1. ↑ W. M. Latimer. The Oxidation States of the Elements and their Potentials in Aqueous Solution, p. vii, Prentice-Hall, New York, NY (1938)
  2. ↑ Jensen, William B. (2007). The Origin of the Oxidation-State Concept. Journal of Chemical Education 84 (9): 1418.
  3. ↑ C. K. Jørgensen. Oxidation Numbers and Oxidation States, Springer, Berlin (1969).
  4. ↑ S. Glasstone. J. Chem. Educ. 25, 278 (1948)
  5. ↑ Red Book: IUPAC Nomenclature of Inorganic Chemistry. Third Edition, Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1990.
  6. ↑ Calvert, J. G. (1990). "Glossary of atmospheric chemistry terms (Recommendations 1990)". Pure and Applied Chemistry 62 (11): 2167–2219.
  7. ↑ P. Karen, P. McArdle, J. Takats, Pure Appl. Chem. 86, 1017 (2014)
  8. ↑ IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8.
  9. ↑ Toward a comprehensive definition of oxidation state (IUPAC Technical Report)., Pure and Applied Chemistry. Volume 86, Issue 6, Pages 1017–1081, ISSN (Online) 1365-3075, ISSN (Print) 0033-4545, DOI: 10.1515/pac-2013-0505, 2014
เข้าถึงจาก "https://th.wikipedia.org/w/index.php?title=สถานะออกซิเดชัน&oldid=8698089"