ปฏิกิริยารีดอกซ์และเลขออกซิเดชัน

สิ่งที่ต้องการให้เรียนรู้

1) เข้าใจความหมายของไฟฟ้าเคมี เข้าใจและสามารถระบุได้ว่าปฏิกิริยาใดเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์

2) สามารถแยกปฏิกิริยารีดอกซ์ ออกเป็น ครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน และครึ่งปฏิกิริยารีดักชันได้

3) สามารถระบุได้ว่า สารใดเป็นตัวรีดิวซ์ และตัวออกซิไดซ์ของปฏิกิริยา

4) สามารถเปรียบเทียบความแรงของตัวรีดิวซ์และตัวออกซิไดซ์ได้ และทำนายปฏิกิริยาที่ควรเกิดขึ้นได้เมื่อทราบความแรงของการเป็นตัวรีดิวซ์และตัวออกซิไดซ์

 ไฟฟ้าเคมีและปฏิกิริยารีดอกซ์ คืออะไร

ไฟฟ้าเคมี (Electrochemistry) ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้ากับปฏิกิริยาเคมี เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ปฏิกิริยาเคมีทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า และการใช้กระแสไฟฟ้าเข้าไปทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี 

การที่จะเกิดกระแสไฟฟ้าได้ แสดงว่าต้องมีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้น

ปฏิกิริยาเคมีที่มีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้น เรียกว่า ปฏิกิริยารีดอกซ์ (redox reaction)

ทราบว่าอย่างไรว่าเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์

เราสามารถทราบว่าเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์หรือไม่  โดยพิจารณาจาก การเปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชันของสารในสมการที่เกี่ยวข้อง  

เช่น

ปฏิกิริยาระหว่างสังกะสี (Zn) กับสารละลายทองแดง (Cu²⁺)

เราพบว่า เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ เนื่องจากสังกะสีมีการเพิ่มเลขออกซิเดชัน จาก 0 (ใน Zn) เป็น +2 (ใน Zn²⁺) แสดงว่า Zn เสียอิเล็กตรอน ขณะที่ไอออนทองแดงมีการลดเลขออกซิเดชัน จาก +2 (ใน Cu²⁺) เป็น 0 (ใน Cu)  แสดงว่า มีการรับอิเล็กตรอน   

ครึ่งปฏิกิริยา ในปฏิกิริยารีดอกซ์

เราสามารถแยกส่วนในปฏิกิริยารีดอกซ์ออกเป็น 2 ปฏิกิริยาย่อย และเรียกแต่ละส่วนว่า ครึ่งปฏิกิริยา (half-cell reaction)  ได้เป็น   

• ครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน (oxidation half) เป็นส่วนที่มีการให้อิเล็กตรอน 
• ครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน (reduction half) เป็นส่วนที่มีการรับอิเล็กตรอน

ในปฏิกิริยาระหว่าง Zn กับ Cu²⁺ 

• ครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือ Zn(s)  ----->  Zn²⁺(aq)   + 2e^-  เพราะ มีการเสียอิเล็กตรอนโดย Zn 
• ครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน คือ   Cu²⁺(aq)  + 2e^-  ----->  Cu (s)    เพราะ มีการรับอิเล็กตรอนโดย Cu²⁺  

ตัวรีดิวซ์ (ตัวถูกออกซิไดซ์) และ ตัวออกซิไดซ์ (ตัวถูกรีดิวซ์)

เรานิยาม สารที่เป็นตัวให้อิเล็กตรอน เรียกว่า ตัวรีดิวซ์ (reducing agent)  และ สารที่เป็นตัวรับ (หรือดึง)อิเล็กตรอนจากสารอื่น เรียกว่า ตัวออกซิไดซ์ (oxidizing agent)

ในปฏิกิริยาระหว่าง Zn กับ Cu²⁺   Zn จึงเป็นตัวรีดิวซ์ เพราะเป็นตัวเสียอิเล็กตรอน และ Cu²⁺ เป็นตัวออกซิไดซ์เพราะเป็นตัวรับอิเล็กตรอน

เนื่องจากปฏิกิริยารีดอกซ์ ต้องเกิดทั้งส่วนที่ให้และรับอิเล็กตรอนพร้อมกัน เมื่อ Zn เสียอิเล็กตรอนก็ต้องมี Cu²⁺ มารับอิเล็กตรอน ซึ่งอาจกล่าวได้อีกนัยหนึ่งว่า Zn ถูกทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันโดย Cu²⁺   ดังนั้น Zn ซึ่งเป็นตัวรีดิวซ์ จึงมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า ตัวถูกออกซิไดซ์ (oxidized agent)  และในทำนองเดียวกัน Cu²⁺ ซึ่งเป็นตัวออกซิไดซ์ ก็มีชื่อเรียกอีกอย่างว่า ตัวถูกรีดิวซ์ (reduced agent) 

ดังนั้น สรุปได้ว่า

• ครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน เป็นส่วนที่ให้อิเล็กตรอน มีตัวถูกออกซิไดซ์ หรือ ตัวรีดิวซ์ เป็นตัวให้อิเล็กตรอน  
• ครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน เป็นส่วนที่รับอิเล็กตรอน มีตัวถูกรีดิวซ์ หรือ ตัวออกซิไดซ์ เป็นตัวรับอิเล็กตรอน

ตัวอย่าง 2  ปฏิกิริยาระหว่างสังกะสี (Zn) กับกรด (H⁺)

พบว่า สังกะสี เพิ่มเลขออกซิเดชัน จาก 0 (ใน Zn) เป็น +2 (ใน Zn²⁺)  à  ดังนั้น Zn/Zn²⁺ เป็นครึ่งออกซิเดชัน

และ ไฮโดรเจน ลดเลขออกซิเดชัน จาก +1 (ใน H⁺) เป็น 0 (ใน H₂)  à  ดังนั้น  H⁺/H₂  เป็นครึ่งออกซิเดชัน

เขียน แยกครึ่งปฏิกิริยา ได้ ดังนี้

• ครึ่งออกซิเดชัน คือ Zn (s) ----> Zn²⁺(aq) + 2e^-   
• ครึ่งรีดักชัน คือ 2H⁺  + 2e^-  ----> H₂ (g)

ในครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน มี Zn เป็นตัวให้อิเล็กตรอน  ดังนั้น Zn เป็นตัวรีดิวซ์ (หรือตัวถูกออกซิไดซ์) โดยมี Zn²⁺ เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน 

ส่วนในครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน มี H⁺ เป็นตัวรับอิเล็กตรอน  ดังนั้น H⁺ ตัวออกซิไดซ์ (หรือ ตัวถูกตัวรีดิวซ์) โดยมี H₂(g) เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน

การสังเกตผลการทดลอง เพื่อทดสอบว่าเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์หรือไม่

ทำได้โดยสังเกตการเปลี่ยนแปลงของสารที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชันของสาร เช่น เมื่อโลหะถูกออกซิไดซ์ โลหะจะถูกกัดกร่อนกลายเป็นไอออนของโลหะ ซึ่งสามารถละลายในน้ำได้ และสารละลายของไอออนของโลหะส่วนใหญ่ โดยเฉพาะธาตุในกลุ่มโลหะทรานซิชันจะมีสีเฉพาะตัว ทำให้บอกได้มีเลขออกซิเดชันและการเปลี่ยนแปลงสีอาจจะทำให้ทราบการเปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชันได้ด้วย ส่วนสารละลายของไอออนเมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะกลายเป็นโลหะ ซึ่งจะตกตะกอนออกมาจากสารละลาย ทำให้ทราบว่าเกิดปฏิกิริยารีดักชันแล้ว

ตัวอย่าง ปฏิกิริยาระหว่างสังกะสี (Zn) กับ Cu²⁺ จะสังเกตเห็นสารละลายของ Cu²⁺ ที่เป็นสีฟ้าใส  หลังจุ่มแผ่นสังกะสีลงในสารละลาย จะทำให้สีฟ้าของ Cu²⁺ จางลงและพบมีของแข็งสีน้ำตาล (โลหะ Cu) มาเกาะบนแผ่น สังกะสีขณะเดียวกันจะพบว่า แผ่นสังกะสีเกิดการสึกกร่อนและบางลง เนื่องจาก Zn กลายเป็น Zn²⁺ ไอออน

เปรียบเทียบความแรงของตัวออกซิไดซ์ (และตัวรีดิวซ์) และการทำนายการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์

จากการที่เราจุ่มแผ่นโลหะ Zn ลงในสารละลาย Cu²⁺ แล้วพบว่าเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ แสดงว่า Cu²⁺ รับอิเล็กตรอนจาก Zn ได้ 

แต่เมื่อทดลองสลับกันโดยนำแผ่นทองแดง (Cu) ไปจุ่มลงในสารละลาย Zn²⁺ แล้วพบว่าไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง ซึ่งแสดงให้เห็นว่า Zn²⁺ ไม่สามารถดึงอิเล็กตรอนจากโลหะ Cu ได้ 

และเมื่อทดลองเพิ่มโดยนำแผ่นทองแดงไปจุ่มในสารละลายของเงิน (Ag⁺) พบว่า ทองแดงเกิดการสึกกร่อนและสารละลายเปลี่ยนเป็นสีฟ้าของ Cu²⁺ และเกิดโลหะเงินขึ้น แสดงว่า Ag⁺ ดึงอิเล็กตรอนจาก Cu ได้ 

ดังนั้น สรุปได้ว่า

ความสามารถในการดึงอิเล็กตรอน หรือ ความแรงของการเป็นตัวออกซิไดซ์ ของ Ag⁺  >  Cu²⁺  > Zn²⁺

และในทางกลับกัน แสดงว่า Zn ได้ง่ายที่สุด

ดังนั้น ความแรงของการเป็นตัวรีดิวซ์ของ Zn  >  Cu  > Ag

ซึ่งข้อมูลข้างต้น ทำให้เราสามารถทำนายปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องได้ เช่น ถ้าจุ่มแผ่นสังกะสีลงในสารละลาย Ag⁺ เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ได้ เนื่องจาก Ag⁺ สามารถดึงอิเล็กตรอนได้ดีกว่า Cu²⁺ ดังนั้น ต้องดึงอิเล็กตรอนจาก Zn ได้แน่

และทำให้สามารถอนุมานได้ว่า หากจุ่มแผ่นโลหะเงินลงในสารละลาย Cu²⁺ หรือ Zn²⁺ จะไม่เกิดปฏิกิริยาเนื่องจากทั้ง Cu²⁺ และ Zn²⁺ เป็นตัวออกซิไดซ์ที่อ่อนกว่า Ag⁺ จึงไม่สามารถดึงอิเล็กตรอนจาก Ag ได้