ปฏิกิริยาเคมีกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอน
ปฏิกิริยารีดอกซ์ หรือปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน (Oxidation-Reduction Reaction) จะเกิดสองปฏิกิริยาย่อยควบคู่กันไปเสมอ นั่นคือ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation Reaction) และ ปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction Reaction) ปฏิกิริยารีดอกซ์ส่วนมากจะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น การนำโลหะสังกะสี (Zn) จุ่มลงไปในสารละลายของทองแดง (Cu 2+ ) ดังรูป
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นไปตามสมการ
Zn(s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu(s)
อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจาก Zn ไปยัง Cu2+ ในสารละลายได้โดยตรง สิ่งที่จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนก็คือ แผ่นสังกะสีจะกร่อน มีตะกอนของทองแดงเกิดขึ้นบนแผ่นสังกะสี และเมื่อตั้งทิ้งไว้สารละลายสีฟ้าของ Cu2+ จะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นไม่มีสี โดยเกิดปฏิกิริยาย่อย หรือที่เรียกว่าครึ่งปฏิกิริยา (half-reaction) คือ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน เป็นปฏิกิริยาที่มีการให้อิเล็กตรอน โดย Zn ให้อิเล็กตรอนแล้วกลายเป็น Zn 2+
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e - _______(1)
ถ้าพิจารณา เลขออกซิเดชัน ของ Zn เมื่อให้อิเล็กตรอนแล้วมี เลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น +2 ปฏิกิริยาออกซิเดชันจึงเป็นปฏิกิริยาที่มีการเพิ่มขึ้นของเลขออกซิเดชัน และอาจกล่าวว่า สารที่สูญเสียอิเล็กตรอนและเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น (Zn) นี้ถูกออกซิไดซ์
ปฏิกิริยารีดักชัน
เป็นปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอน โดย Cu2+ (aq) รับอิเล็กตรอนแล้วกลายเป็นอะตอมของ Cu
Cu2+ (aq) + 2e - → Cu(s) _______(2)
Cu 2+ เมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วมี เลขออกซิเดชันลดลงจาก +2 เป็น 0 ปฏิกิริยารีดักชันจึงเป็นปฏิกิริยาที่มีการลดลงของเลขออกซิเดชัน และอาจกล่าวว่า สารที่รับอิเล็กตรอนและมีเลขออกซิเดชันลดลง (Cu 2+ ) นี้ถูกรีดิวซ์
เมื่อรวมปฏิกิริยา (1) และ (2) จะได้ปฏิกิริยาดังสมการ
Zn(s) + Cu2+ (aq)→ Zn2+(aq) +Cu(s) __________ (3)
ปฏิกิริยา (3) เรียกว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน หรือหรือเรียกสั้นๆ ว่า ปฏิกิริยารีดอกซ์ โดย Zn รีดิวซ์ Cu2+ ให้เป็น Cu และCu2+ ออกซิไดซ์ Zn ให้กลายเป็น Zn2+ หรืออาจกล่าวว่าCu2+ ถูกรีดิวซ์โดย Zn และ Zn ถูกออกซิไดซ์โดย Cu2+ Zn จึงเป็น ตัวรีดิวซ์ (reducing agent) และ Cu2+ เป็น ตัวออกซิไดซ์ (oxidizing agent)
ตัวอย่างปฏิกิริยารีดอกซ์เพิ่มเติม
H2(g) + I2(g) → 2HI(g)
2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)
2Na(s) + H2O(l) → 2NaOH(aq) + H2(g)
Cu(s) + 2AgNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + 2Ag(s)
Cl2(g) + 2Br-(aq) → 2Cl-(aq) + Br2(l)
1. จงพิจารณาปฏิกิริยาต่อไปนี้ แล้วระบุว่าปฏิกิริยาใดเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ และปฏิกิริยาใดไม่เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์
1.1) 2CH3COOH(aq) + CaCO3(s) →(CH3COO)2Ca(aq) + CO2(g) + H2O(l)
1.2 ) Cl2(g) + 2OH-(aq) → ClO-(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)
2. จงระบุตัวออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์ของปฏิกิริยาต่อไปนี้
2.1 4NH3 + 5O2 →4NO + 6H2O
2.2 CrCl3 + Na2O2 + NaOH →Na2CrO4 + NaCl + H2O
ตัวออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์
ตัวออกซิไดซ์ : ที่สารที่ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอน จากสารอื่น (ตัวรีดิวซ์) ดังนั้น ตัวมันเอง(ออกซิไดซ์) จึงมีเลขออกซิเดชันลดลง [ เกิดรีดักชัน หรือถูกรีดิวซ์ ]
ตัวรีดิวซ์ : คือสารที่รับหน้าที่ให้อิเล็กตรอนแก่สารอื่น(ตัวออกซิไดซ์) ตัวรีดิวซ์เองจึงมีเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น [เกิดออกซิเดชัน หรือถูกออกซิไดซ์]
การดุลสมการรีดอกซ์
สมการเคมีที่สมบูรณ์จะต้องเป็นสมการที่ดุลตามกฎทรงมวล(The Conservation of mass) โดยการดุลสมการที่ได้ศึกษามาแล้วนั้นเป็นการทำจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุในสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ให้เท่ากันสำหรับการดุลสมการรีดอกซ์นั้น เป็นการดุลทั้งจำนวนอะตอม และจำนวนประจุของแต่ละธาตุในสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ให้เท่ากัน ซึ่งสามารถกระทำได้ 2 วิธี คือ
การดุลโดยใช้เลขออกซิเดชัน
มีหลักการดังนี้
- หาเลขออกซิเดชันของธาตุหรือไอออนต่างๆ เพื่อใช้กำหนดตัวรีดิวซ์ และตัวออกซีไดซ์ในปฏิกิริยา
- หาเลขออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้นของตัวรีดิวซ์ และเลขออกซิเดชันที่ลดลงของตัวออกซ์ไดซ์
-ทำเลขออกซิเดชันที่เปลี่ยนแปลงของ ตัวรีดิวซ์และตัวออกซีไดซ์ให้เท่ากัน
-ดุลจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุที่เปลี่ยนเลขออกซิเดชัน ทั้งสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ให้เท่ากัน
-ดุลจำนวนอะตอมของธาตุต่างๆ และประจุรวมของไอออนทั้งสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ให้เท่ากัน
การดุลสมการรีดอกซ์แบบครึ่งปฏิกิริยา
ขั้นที่ 1
-หาตัวออกซิไดซ์ รีดิวซ์ และผลิตภัณฑ์ แล้วแยกปฏิกิริยาเป็น ออกซิเดชันและ รีดักชัน โดยนำมาเฉพาะตัว ออกซิไดซ์กับผลิตภัณฑ์ และตัวรีดิวซ์กับผลิตภัณฑ์
ขั้นที่ 2
-ดุลอะตอมของธาตุที่ค่าเลขออกซิเดชันเปลี่ยน
-ดุลอะตอมของ H,O และประกอบโดย
ในสารละลายกรด เติมน้ำทางด้านที่ขาด ออกซิเจน เติม H+ ทางด้านที่ขาด เติมอิเล็กตรอนทางด้านที่ขาดประจุลบ
ในสารละลายเบส เติมน้ำทางด้านที่ขาด ออกซิเจน เติม H+ ทางด้านที่ขาดไฮโดรเจน เติม OH- ทั้งสองข้างเท่ากับจำนวน H+ ที่เติมไปก่อนแล้ว และ หักลบจำนวน H2O ออก เติมอิเล็กตรอนทางด้านที่ขาดประจุลบ
ขั้นที่ 3
-ทำให้จำนวนอิเล็กตรอนที่เสียไป ในออกซิเดชันเท่ากับจำวนอิเล็ตรอนที่รับในรีดักชัน
ขั้นที่ 4
รวมครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชันกับรีดักชันเข้าด้วยกัน ก็จะได้สมการรีดอกซ์ที่ดุลแล้ว
ปฏิกิริยารีดอกซ์เป็นปฏิกิริยาเกี่ยวกับการรับส่งอิเล็คตรอน แบ่งได้เป็น 2 ครึ่งปฏิกิริยาคือ ปฏิกิริยาออกซิเดชั่น เป็นปฏิกิริยาที่เสียอิเล็คตรอน และปฏิกิริยารีดักชั่น เป็นปฏิกิริยาที่รับอิเล็คตรอน
ปฏิกิริยารีดอกซ์ของสารอินทรีย์ในสิ่งมีชีวิต
• เคลื่อนย้ายในรูปอิเล็คตรอนโดยตรง
• เคลื่อนย้ายในรูปอะตอมไฮโดรเจน เพราะอะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วย H+ และ e-
• เคลื่อนย้ายในรูปไฮไดรด์ ไอออน (hydride ion, :H-) ซึ่งมีอิเล็คตรอน 2 ตัว
• เคลื่อนย้ายในรูปของออกซิเจน ในกรณีที่ออกซิเจนรวมอยู่เป็นส่วนหนึ่งของสารอินทรีย์ เช่นการเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเป็นแอลกอฮอล์
