สถานะออกซิเดชัน

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

**ประวัติ**
เวนเดลล์ มิตเชลล์ ลาติเมอร์ (Wendell Mitchell Latimer) นักเคมีชาวอเมริกันได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับสถานะออกซิเดชันเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ.1938 และกล่าวถึงครึ่งปฏิกิริยารีดอกซ์ (redox half-reaction) ต่อมาคริสเตียน เจอร์เจนเซน (Christian Klixbüll Jørgensen) ได้เขียนหนังสือที่อธิบายหลักการรวมถึงการอภิปรายเกี่ยวกับ "เลขออกซิเดชัน" จนกระทั่งในทศวรรษ 1940 กลาสโตน ได้กล่าวถึงเลขออกซิเดชันว่าเป็นการระบุ "ความต้องการอิเล็กตรอน" ของธาตุ โมเลกุล หรือ ไอออน 
ความสับสนในเรื่องของการใช้คำว่า สถานะออกซิเดชัน และคำว่า เลขออกซิเดชัน ยังคงมีเรื่อยมา โดยที่นิยามที่กำหนดก่อนหน้านี้โดยสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ หรือ IUPAC ยังไม่สามารถระบุความแตกต่างได้อย่างชัดเจน โดยระบุเพียงว่า สถานะออกซิเดชันของธาตุจะเขียนในสูตรเคมีด้วยเลขโรมัน 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 สารเชิงซ้อนโลหอินทรีย์ (organometallic complexes) บางชนิด

**นิยาม**
มีการนิยามคำว่าสถานะออกซิเดชันมากมายตามหนังสือต่าง ๆ มากมาย อย่างไรก็ตาม IUPAC ได้ให้คำนิยามและวิธีการหาสถานะออกซิเดชันไว้ 2 ลักษณะ ดังนี้ 

**นิยามอย่างง่ายตาม IUPAC Gold Book**
นิยามคำว่า สถานะออกซิเดชัน อ้างตามหนังสือเล่มสีทอง IUPAC ระบุว่า 
สถานะออกซิเดชันเป็นการวัดระดับออกซิเดชันของอะตอมในสาร ซึ่งสถานะออกซิเดชันถูกกำหนดให้เป็นประจุของอะตอมซึ่งอาจจะมาจากการนับอิเล็กตรอนตามกฎดังต่อไปนี้
#สถานะออกซิเดชันของธาตุอิสระ (free element หรือ uncombined element) เท่ากับ ศูนย์ 
#สำหรับไอออนอย่างง่าย ได้แก่ ไอออนอะตอมเดี่ยว (monoatomic ion) สถานะออกซิเดชันเท่ากับประจุสุทธิของไอออน
#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

**นิยามทางวิทยาศาสตร์ตาม IUPAC Technical Report **
พาเวล กาเรน (Pavel Karen) และคณะได้เสนอการกำหนดนิยามของคำว่าสถานะออกซิเดชันและตีพิมพ์ในวารสารของ IUPAC ในปี ค.ศ. 2014 ในลักษณะรายงานทางเทคนิค (Technical Report) 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**
วิธีการกำหนดสถานะออกซิเดชันทำได้โดยกำหนดให้สถานะออกซิเดชันเท่ากับประจุของอะตอมหลังจากการแบ่งแยกพันธะอย่างเสมอภาคระหว่างอะตอมชนิดเดียวกันและการแบ่งแยกพันธะระหว่างอะตอมต่างชนิดกันด้วยการพิจารณาค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีที่วัดโดยวิธีของอัลเลน ยกเว้น กรณีที่อะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาทิวิตีสูงกว่าอะตอมนั้นสร้างพันธะแบบกลับในฐานะลิแกนด์แบบกรดลิวอิสซึ่งอะตอมนั้นไม่ได้รับอิเล็กตรอนที่สร้างพันธะนั้น ๆ หรืออาจจะใช้การคำนวณผลรวมพันธะเวเลนซ์ (Bond Valence Sum Calculation; BVS) และวิธีอื่น ๆ ตัวอย่างการกำหนดสถานะออกซิเดชันโดยใช้โครงสร้างลิวอิสแสดงดังรูป 3
รูป 3: ตัวอย่างการกำหนดสถานะออกซิเดชันของอะตอมต่าง ๆ ใน (ก) ไดฟลูออโรมีเทน (ข) กรดเปอร์ออกซีไนตรัส (peroxynitrous acid) (ค) โครเมียม(III)ออกไซด์และ โครเมียม(VI)ออกไซด์

**ดูเพิ่ม**
เวเลนซ์
*เวเลนซ์อิเล็กตรอน

** อ้างอิง**
หมวดหมู่:สมบัติทางเคมี