ปฏิกิริยารีดอกซ์

ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดิวซ์ – แนวคิดหลัก

สถานะออกซิเดชัน

สถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบทางเคมีคือประจุสมมุติที่สามารถสะสมบนอะตอมขององค์ประกอบเฉพาะที่มีอยู่ในสารประกอบเคมี ถ้า พันธะเคมี ทั้งหมดในสารประกอบนี้เป็นไอออนิก ในทางปฏิบัติ สถานการณ์นี้ไม่ได้เกิดขึ้นเสมอไป (การสลายตัวของสารประกอบออกเป็นแคตไอออนและแอนไอออนแยกกัน) ดังนั้นสถานะออกซิเดชันจึงควรถือเป็นแนวคิดทั่วไป สถานะออกซิเดชันเท่ากับประจุของไอออนนั้นๆ ดังนั้นจึงต้องใช้ค่าบวกหรือลบ มันถูกแสดงด้วยเลขโรมันที่วางอยู่หลังสัญลักษณ์ขององค์ประกอบทางเคมี องค์ประกอบในสถานะออกซิเดชันที่ต่างกันจะมีคุณสมบัติในการลดการเกิดออกซิเดชันที่แตกต่างกัน

ออกซิเดชัน

ในระหว่างออกซิเดชัน (ดีอิเล็กโตรเนชัน) รีดักแทนท์จะเพิ่มสถานะออกซิเดชัน กล่าวคือ ให้อิเล็กตรอนแก่ตัวออกซิแดนท์ ปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือการรีดักชันไม่สามารถดำเนินการได้อย่างอิสระ เนื่องจากอิเล็กตรอนที่ได้รับบริจาคจากเอนทิตีเคมีชนิดหนึ่งจะต้องได้รับการยอมรับจากอีกปฏิกิริยาหนึ่งทันทีเพื่อให้ปฏิกิริยาตรงกันข้ามเกิดขึ้น

การลดน้อยลง

ในระหว่างการรีดักชัน (อิเลคโตรเนชัน) สารออกซิแดนท์จะลดสถานะออกซิเดชันลงโดยการรับอิเล็กตรอน กล่าวคือ การรีดักชันเกี่ยวข้องกับการรับอิเล็กตรอน องค์ประกอบทางเคมีที่ทำสิ่งนี้เรียกว่าสารออกซิแดนท์

ปฏิกิริยาการไม่สมส่วน (dismutation)

ปฏิกิริยาที่ไม่สมส่วนเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ประเภทหนึ่ง ในวรรณคดี คุณยังสามารถค้นหาคำว่า: ปฏิกิริยาการสลาย (dismutation reaction) คุณลักษณะเฉพาะของมันคือในระหว่างปฏิกิริยารีดอกซ์ องค์ประกอบเดียวกันจะถูกออกซิไดซ์และรีดิวซ์พร้อมกัน เพื่อให้เกิดความไม่สมส่วน องค์ประกอบที่เป็นปัญหาต้องมีสถานะออกซิเดชันที่แตกต่างกันอย่างน้อยสามสถานะ หากตรงตามเงื่อนไขนี้ สารประกอบที่อยู่ในสถานะออกซิเดชันระดับกลางจะมีความเสถียรน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับอีกสองสถานะ ปฏิกิริยาที่ไม่สมส่วนเกิดขึ้นเอง อะตอม เช่น ซัลเฟอร์ ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส หรือแมงกานีส ไวต่อปฏิกิริยารีดอกซ์ประเภทนี้

ปฏิกิริยาการประสานสมส่วน

ปฏิกิริยาการประสานสมส่วน เช่นเดียวกับความไม่สมส่วน ก็เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ประเภทหนึ่งเช่นกัน กระบวนการนี้เกิดขึ้นเมื่อสารประกอบทางเคมีสองชนิดที่มีองค์ประกอบเดียวกันซึ่งมีสถานะออกซิเดชันต่างกันทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกัน จากผลของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน จะเกิดสารประกอบอีกชนิดหนึ่งที่มีองค์ประกอบนั้นในสถานะออกซิเดชันใหม่เกิดขึ้น

ความสมดุลของอิเล็กตรอน

ในทุกปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดิวซ์ที่เกิดขึ้น จะมีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนในจำนวนเท่ากัน หากในกระบวนการใดกระบวนการหนึ่ง สารรีดักแทนท์บริจาคอิเล็กตรอนสองตัว เช่น สารออกซิแดนท์อีกคู่หนึ่งจะรับอิเล็กตรอนสองตัวเข้าไปในเปลือกอิเล็กตรอนของมันด้วย สถานการณ์นี้เรียกว่าความสมดุลของอิเล็กตรอนของปฏิกิริยา สำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์ทั้งหมด ความสมดุลนี้ควรเป็นศูนย์

ปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึ้นได้อย่างไร?

พื้นฐานของปฏิกิริยารีดอกซ์คือออกซิเดชันและการรีดักชัน เมื่อคำนึงถึงสิ่งเหล่านี้ กระบวนการใดๆ ก็สามารถเขียนได้โดยใช้สิ่งที่เรียกว่าสมการครึ่งหนึ่ง ซึ่งระบุเฉพาะอะตอมที่ให้หรือรับอิเล็กตรอนเท่านั้น ดังนั้น ปฏิกิริยารีดอกซ์ทั้งหมดจึงเป็นเรื่องเกี่ยวกับการให้และรับอิเล็กตรอน เฉพาะองค์ประกอบเหล่านั้นที่เกิดขึ้นกับสถานะออกซิเดชันมากกว่าหนึ่งสถานะในสารประกอบเคมีเท่านั้นที่สามารถทำได้ การทราบสถานะของสารเคมีแต่ละชนิดถือเป็นสิ่งสำคัญในการเขียนและปรับสมดุลปฏิกิริยารีดอกซ์ได้อย่างถูกต้อง ในขณะที่สมดุลอิเล็กตรอน นอกเหนือจากการเขียนสมการครึ่งหนึ่งอย่างถูกต้องแล้ว ควรระบุปฏิกิริยาออกซิเดชันและการรีดักชัน ตลอดจนสารออกซิแดนท์และรีดักแทนต์ ตามลำดับ สารออกซิแดนท์โดยทั่วไปประกอบด้วยธาตุที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีสูง (กลุ่มที่ 16 และ 17 ของ ตารางธาตุ ) ไอออนของโลหะในสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่า ไอออนของโลหะมีตระกูล และกรดออกซิไดซ์ (เช่น กรดไนตริก (V) กรดซัลฟูริก (VI) และของผสมกับสารที่ไม่ใช่อื่น ๆ -กรดออกซิไดซ์) สารออกซิแดนท์ที่พบบ่อยที่สุดคือสารประกอบเช่น KMnO ₄ , K ₂ Cr ₂ O ₇ , KClO ₃ หรือ K ₂ S ₂ O ₈ ในทางกลับกัน รีดักแทนท์นั้นเป็นธาตุอิเล็กโตรบวก (โดยปกติมาจากกลุ่ม 1 และ 2 ของตารางธาตุ) โลหะที่มีสถานะออกซิเดชันเป็นศูนย์ โมเลกุลไฮโดรเจน คาร์บอน คาร์บอนมอนอกไซด์ และแอนไอออนของกรดอนินทรีย์ รีดักแทนต์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ได้แก่: Na, Mg, Fe ²⁺ , Cl ^– , Br ^– , SCN ^– . สูตรปฏิกิริยารีดอกซ์ยังระบุจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกแลกเปลี่ยนในกระบวนการอีกด้วย การแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนนี้จะถูกกำหนดโดยศักยภาพรีดอกซ์ของสารตั้งต้นที่เกี่ยวข้อง กล่าวอีกนัยหนึ่งอาจเรียกว่าศักย์ครึ่งเซลล์หรือศักย์อิเล็กตรอน ตามคำนิยาม ยิ่งความต่างศักย์ในระบบมีมากขึ้น แรงผลักดันของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดิวซ์ทั้งหมดก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย

ปฏิกิริยารีดอกซ์สามารถสังเกตได้ในชีวิตประจำวันหรือไม่?

อาจดูเหมือนว่าปฏิกิริยารีดอกซ์จะปรากฏบนหน้าหนังสือเรียนของโรงเรียนและในบทเรียนเคมีเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ไม่มีอะไรสามารถเพิ่มเติมจากนั้นได้ ปฏิกิริยาแบบนี้เกิดขึ้นกับเราทุกวัน การเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้ควรค่าแก่การสังเกตกระบวนการและสภาพแวดล้อมรอบตัวเราด้วยความเข้าใจที่มากขึ้น ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของปฏิกิริยารีดอกซ์ในชีวิตประจำวันที่เราแต่ละคนต้องเผชิญอย่างแน่นอน:

• การกัดกร่อนของโลหะ – เป็นกระบวนการเสื่อมสภาพที่พบบ่อยที่สุดของโลหะและโลหะผสม เป็นผลมาจากการสัมผัสพื้นผิวของวัสดุกับสภาพแวดล้อมและสภาพบรรยากาศ ในแง่ของกลไกของกระบวนการกัดกร่อน ที่พบบ่อยที่สุดคือการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้า ซึ่งเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์ ในก๊าซชื้น หรือในดินที่มีระดับความชื้นสูง ในสถานที่ที่เกิดการกัดกร่อนจะเกิดสิ่งที่เรียกว่าเซลล์การกัดกร่อนซึ่งเกิดปฏิกิริยาการลดออกซิเดชันของอิเล็กโทรด การเสื่อมสภาพของโลหะมักเกิดขึ้นในบริเวณขั้วบวก ที่นั่น อิเล็กตรอนจะถูกบริจาคโดยโลหะ ซึ่งออกซิไดซ์และในรูปของไอออนจะผ่านเข้าไปในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ประจุที่ปล่อยออกมาจะย้ายไปที่แคโทด ที่นั่นพวกมันรวมกับไอออนหรืออะตอมซึ่งมีความสามารถในการรับอิเล็กตรอน ส่วนใหญ่มักเป็นอะตอมออกซิเจนจากอากาศ (บนแคโทด พวกมันจะถูกรีดิวซ์เป็นไฮดรอกไซด์ไอออน) หรือไฮโดรเจนไอออน (พวกมันจะถูกรีดิวซ์เป็นโมเลกุลไฮโดรเจน) ที่แคโทด กระบวนการใดกระบวนการหนึ่งหรือทั้งสองสามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้
• การสังเคราะห์ด้วยแสง – เป็นกระบวนการที่มาพร้อมกับเราทุกวัน ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง เซลล์จะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศและน้ำเป็นกลูโคสและออกซิเจนโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ เช่นเดียวกับกระบวนการทางชีวเคมีหลายอย่างที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิต การสังเคราะห์ด้วยแสงยังเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบที่ประกอบเป็นสารตั้งต้น ในปฏิกิริยารีดอกซ์นี้ อะตอมออกซิเจนในโมเลกุลของน้ำจะถูกออกซิไดซ์เป็นออกซิเจนโมเลกุล ดังนั้นโมเลกุลของน้ำคือผู้บริจาคอิเล็กตรอนหรือรีดักแทนท์ ตัวรับประจุที่เกิดขึ้นหรือสารออกซิแดนท์คือคาร์บอนไดออกไซด์ อะตอมของคาร์บอนที่เป็นส่วนประกอบในสถานะออกซิเดชันที่สี่จะลดลงเหลือสถานะออกซิเดชันเป็นศูนย์
• เซลล์กัลวานิก – เซลล์คือการจัดเรียงของอิเล็กโทรดสองตัวที่แช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์เดียวกัน (หรืออิเล็กโทรไลต์ต่างกัน) ซึ่งเชื่อมต่อถึงกันโดยใช้วงจรภายนอก อิเล็กโทรดแต่ละตัวที่แช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์ของตัวเอง (ครึ่งเซลล์) มีศักยภาพบางอย่าง ผลต่างศักย์ที่เกิดขึ้น เช่น การไหลของกระแส (อิเล็กตรอน) เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน ครึ่งกระบวนการเกิดขึ้นที่แต่ละอิเล็กโทรด ที่ขั้วบวก ซึ่งเป็นผลมาจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน อิเล็กตรอนจะถูกบริจาค ซึ่งจากนั้นจะได้รับการยอมรับที่ขั้วไฟฟ้าที่สอง – แคโทด – ในปฏิกิริยารีดักชัน อุปกรณ์ที่ใช้เซลล์กัลวานิกที่พบบ่อยที่สุดคือแบตเตอรี่ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสำหรับรถยนต์ เป็นต้น กรดตะกั่ว-กรดที่พบมากที่สุดประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองตัว อันหนึ่งเป็นตะกั่วบริสุทธิ์และอีกอันเคลือบด้วยตะกั่ว (IV) ออกไซด์ ทั้งสองแช่อยู่ในกรดซัลฟิวริก (VI) 37%ช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนได้อย่างอิสระระหว่างแคโทดและแอโนด ในระหว่างการทำงานของแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดิวซ์จะเริ่มเกิดขึ้น ในกรณีนี้ แอโนดคืออิเล็กโทรดตะกั่ว ตะกั่วเริ่มออกซิไดซ์และเปลี่ยนจากสถานะออกซิเดชันเป็นศูนย์ไปจนถึงสถานะออกซิเดชันที่สอง ในเวลาเดียวกัน อิเล็กตรอนสองตัวจะถูกปล่อยออกมาและย้ายไปยังแคโทดผ่านอิเล็กโทรไลต์ ที่นั่น กระบวนการรีดิวซ์ตะกั่วจากสถานะออกซิเดชันที่สี่ไปเป็นตะกั่ว (II) เริ่มต้นขึ้น กล่าวคือ ตะกั่ว (IV) ออกไซด์จะถูกเปลี่ยนเป็นตะกั่ว (II) ซัลเฟต ในกรณีของแบตเตอรี่ ปฏิกิริยารีดอกซ์เป็นแหล่งพลังงานซึ่งสามารถนำไปใช้จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์จำนวนหนึ่งได้