สถานะออกซิเดชัน

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

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 สารเชิงซ้อนโลหะอินทรีย์ (organometallic complexes) บางชนิด

มีการนิยามคำว่าสถานะออกซิเดชันมากมายตามหนังสือต่าง ๆ มากมาย อย่างไรก็ตาม IUPAC ได้ให้คำนิยามและวิธีการหาสถานะออกซิเดชันไว้ 2 ลักษณะ ดังนี้

นิยามคำว่า สถานะออกซิเดชัน อ้างตามหนังสือเล่มสีทอง IUPAC ระบุว่า

สถานะออกซิเดชันเป็นการวัดระดับออกซิเดชันของอะตอมในสาร ซึ่งสถานะออกซิเดชันถูกกำหนดให้เป็นประจุของอะตอมซึ่งอาจจะมาจากการนับอิเล็กตรอนตามกฎดังต่อไปนี้ผลรวมเลขคณิตของสถานะออกซิเดชันของอะตอมต่าง ๆ ในสารประกอบที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะต้องเท่ากับศูนย์ ในทำนองเดียวกันผลรวมเลขคณิตของสถานะออกซิเดชันของอะตอมต่าง ๆ ในไอออนจะต้องเท่ากับประจุของไอออนนั้น ๆ ด้วย ตัวอย่างของสถานะออกซิเดชันของกำมะถันใน HS, S , SO, SO, and HSO เท่ากับ -2, 0, +4, +6 และ +6 ตามลำดับ อะตอมที่มีสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่าจะมี ระดับออกซิเดชัน (degree of oxidation) ที่สูงกว่า และ อะตอมที่มีสถานะออกซิเดชันที่ต่ำกว่า จะมี ระดับรีดักชัน (degree of reduction) ที่สูงกว่า

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)

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