สรุปครบจบในที่เดียว! เลขออกซิเดชัน คืออะไร? เทคนิคหาไว พร้อมแนวข้อสอบ ม.ปลาย

ม.5 1 - สถาบันกวดวิชา OnDemand

Key Takeaways

การทำความเข้าใจเลขออกซิเดชัน (O.N.) ซึ่งเป็นประจุสมมติตามค่าความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอน (EN) คือกุญแจสำคัญในการปลดล็อกคะแนนบทเคมีไฟฟ้า โดยการจัดกลุ่มกฎเกณฑ์การหาค่า O.N. ออกเป็น 4 หมวดหมู่หลัก (ธาตุอิสระ, สารประกอบ, ไอออน และอนุมูลกลุ่มยอดฮิต) จะช่วยจัดระเบียบความคิดให้คำนวณได้เร็วขึ้นและลดความผิดพลาดลงได้มากกว่าครึ่ง ขณะเดียวกัน สำหรับโจทย์ประยุกต์ที่มีความซับซ้อนสูง การหันมาวิเคราะห์ประจุรายอะตอมผ่านโครงสร้างลิวอิสแบบเส้นแทนการคิดค่าเฉลี่ย จะเป็นเครื่องมือสำคัญที่ช่วยป้องกันการโดนข้อสอบหลอกได้อย่างแม่นยำที่สุด

Table of Contents

1. เลขออกซิเดชัน (Oxidation Number) คืออะไร?

ทำความเข้าใจค่า EN (Electronegativity) ตัวกำหนดประจุสมมติ

ลองจินตนาการว่าอะตอมของธาตุต่าง ๆ มารวมตัวกันเพื่อสร้างสารประกอบ พวกมันจะต้องมีการแชร์อิเล็กตรอนร่วมกัน (ในพันธะโคเวเลนต์) หรือมีการให้อิเล็กตรอน (ในพันธะไอออนิก) เลขออกซิเดชัน (Oxidation Number หรือ O.N.) ก็คือ “ประจุไฟฟ้าสมมติ” ที่กำหนดขึ้นบนอะตอมนั้น ๆ โดยตั้งสมมติฐานว่า “ให้อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะแก่ธาตุที่มีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนสูงกว่าทั้งหมด”

ตัวกำหนดคือค่า EN (Electronegativity) หรือความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะนั่นเอง

  • อะตอมที่มีค่า EN สูงกว่า จะดึงอิเล็กตรอนเข้าหาตัวเองเสมือนว่าได้รับอิเล็กตรอนเพิ่ม จึงแสดงเลขออกซิเดชันเป็น ลบ (-)
  • อะตอมที่มีค่า EN ต่ำกว่า จะโดนแย่งอิเล็กตรอนไปเสมือนสูญเสียอิเล็กตรอนจึงแสดงเลขออกซิเดชันเป็น บวก (+)


2. กฎ 4 หมวดหมู่ในการหาเลขออกซิเดชัน (ถอดรหัสกฎเหล็กเคมี)

เพื่อความง่ายและเป็นระบบในการทำความเข้าใจวิชาเคมี เราสามารถสรุปเกณฑ์และวิธีการหาเลขออกซิเดชันออกเป็น 4 หมวดหมู่หลัก ซึ่งครอบคลุมทุกรูปแบบของธาตุและสารประกอบในธรรมชาติ โดยมีกฎเหล็กที่ต้องจำไว้ขึ้นใจก่อนว่า “เลขออกซิเดชันมีค่าเป็นจำนวนเต็มบวก จำนวนเต็มลบ หรือเศษส่วนก็ได้” ดังนี้


หมวดที่ 1: ธาตุอิสระ (Elements)

  • กฎข้อที่ 1:เลขออกซิเดชันของธาตุอิสระทุกชนิด (ไม่ว่าจะอยู่ในรูปอะตอมเดี่ยว หรือโมเลกุลที่มีธาตุชนิดเดียวเกาะกันเอง) เท่ากับ 0 เสมอ
    • ตัวอย่าง: \mathrm{Na}, \mathrm{Cu}, \mathrm{H}_2, \mathrm{O}_2, \mathrm{P}_4, \mathrm{S}_8 ธาตุเหล่านี้ทั้งหมดมีค่า O.N. = 0


หมวดที่ 2: สารประกอบ (Compounds)

  • กฎข้อที่ 2: ผลรวมของเลขออกซิเดชันของทุกอะตอมในสารประกอบที่เป็นกลางทางไฟฟ้า เท่ากับ 0
    • ตัวอย่าง: ในโมเลกุลน้ำ (\mathrm{H}_2\mathrm{O}) ผลรวมของ O.N. ของ \mathrm{H} 2 ตัว และ \mathrm{O} 1 ตัว รวมกันต้องเท่ากับ 0
  • กฎข้อที่ 3: ธาตุหมู่ IA, IIA และ IIIA ในสารประกอบ จะมีเลขออกซิเดชันคงที่เสมอ คือ +1, +2 และ +3 ตามลำดับ
    • ตัวอย่าง: \mathrm{Na} ใน \mathrm{NaCl} มีค่า O.N. = +1 | \mathrm{Ca} ใน \mathrm{CaCO}_3 มีค่า O.N. = +2
  • กฎข้อที่ 4: ธาตุฟลูออรีน (\mathrm{F}) เมื่ออยู่ในสารประกอบใด ๆ จะมีเลขออกซิเดชันเป็น -1 เสมอ เนื่องจากเป็นธาตุที่มีค่า EN สูงที่สุดในตารางธาตุ ไม่มีใครแย่งอิเล็กตรอนจากมันได้
  • กฎข้อที่ 5:เลขออกซิเดชันของไฮโดรเจน (\mathrm{H}) ในสารประกอบทั่วไปมีค่าเท่ากับ +1
    • ข้อยกเว้นสำคัญ: เมื่อ \mathrm{H} ไปสร้างพันธะกับโลหะ เกิดเป็น สารประกอบไฮไดรด์ของโลหะ (Metal Hydrides) เช่น \mathrm{NaH}, \mathrm{CaH}_2 ตัวไฮโดรเจนจะมีเลขออกซิเดชันเป็น -1 เนื่องจากโลหะมี EN ต่ำกว่าไฮโดรเจน
  • กฎข้อที่ 6: ในสารประกอบโคเวเลนต์ ธาตุที่มีค่า EN สูงกว่า จะมีเลขออกซิเดชันเป็นลบ ส่วนธาตุที่ EN ต่ำกว่าจะเป็นบวก
  • กฎข้อที่ 7:เลขออกซิเดชันของออกซิเจน (\mathrm{O}) ในสารประกอบส่วนใหญ่มีค่าเท่ากับ -2
    • ข้อยกเว้นสำคัญ:
      • สารประกอบเปอร์ออกไซด์ (เช่น \mathrm{H}_2\mathrm{O}_2, \mathrm{Na}_2\mathrm{O}_2) \mathrm{O} จะมี O.N. = -1
      • สารประกอบซูเปอร์ออกไซด์ (เช่น \mathrm{KO}_2) \mathrm{O} จะมี O.N. = -1/2
      • สารประกอบกับฟลูออรีน (\mathrm{OF}_2) เนื่องจาก \mathrm{F} มี EN สูงกว่า \mathrm{O} จึงทำให้ \mathrm{O} มี O.N. = +2


หมวดที่ 3: ไอออน (Ions)

  • กฎข้อที่ 8: ผลรวมของเลขออกซิเดชันของทุกอะตอมในกลุ่มไอออน จะต้องเท่ากับประจุของไอออนนั้น ๆ
    • ตัวอย่าง: ในซัลเฟตไอออน (\mathrm{SO}_4^{2-}) ผลรวม O.N. ของ \mathrm{S} และ \mathrm{O} ทั้ง 4 ตัว ต้องเท่ากับ -2


หมวดที่ 4: อนุมูลกลุ่มที่ควรทราบ (Common Polyatomic Ions)

  • กฎข้อที่ 9: กลุ่มอนุมูลกลุ่มเหล่านี้มีประจุเฉพาะตัวที่เสถียรและออกข้อสอบบ่อยมาก การจำประจุรวมของกลุ่มเหล่านี้ได้ จะช่วยให้เราหา O.N. ของอะตอมกลางตัวอื่นได้รวดเร็วขึ้นโดยไม่ต้องแกะทีละตัว:
    • กลุ่มประจุ -1:
      • ไนเตรต (\mathrm{NO}_3^{-}), ไนไตรต์ (\mathrm{NO}_2^{-})
      • คลอเรต (\mathrm{ClO}_3^{-}), เปอร์คลอเรต (\mathrm{ClO}_4^{-})
      • ไฮดรอกไซด์ (\mathrm{OH}^{-}), ไซยาไนด์ (\mathrm{CN}^{-})
      • อะซิเตต (\mathrm{CH}_3\mathrm{COO}^{-}), เปอร์แมงกาเนต (\mathrm{MnO}_4^{-})
    • กลุ่มประจุ -2:
      • ไทโอซัลเฟต (\mathrm{S}_2\mathrm{O}_3^{2-}), คาร์บอเนต (\mathrm{CO}_3^{2-})
      • ซัลเฟต (\mathrm{SO}_4^{2-}), ซัลไฟต์ (\mathrm{SO}_3^{2-})
      • ไฮโดรเจนฟอสเฟต (\mathrm{HPO}_4^{2-}), แมงกาเนต (\mathrm{MnO}_4^{2-})
      • ซูเปอร์ออกไซด์ไอออน (\mathrm{O}_2^-), เปอร์ออกไซด์ไอออน (\mathrm{O}_2^{2-})
    • กลุ่มประจุ -3: ฟอสเฟต (\mathrm{PO}_4^{3-})
    • กลุ่มประจุ +1: แอมโมเนียม (\mathrm{NH}_4^+)
    • กลุ่มประจุ +2: เมอร์คิวรี(I) ไอออน (\mathrm{Hg}_2^{2+})


💡 เทคนิคการคำนวณเลขออกซิเดชันด้วยสมการคณิตศาสตร์

หากเราต้องการหา O.N. ของธาตุแทรนสิชันหรือธาตุกลางที่เราไม่คุ้นเคย ให้ตั้งสมการคณิตศาสตร์โดยอ้างอิงจากกฎข้อที่ 2 และ 8 เป็นหลัก

ตัวอย่าง: จงหาเลขออกซิเดชันของ \mathrm{Cr} ในโพแทสเซียมไดโครเมต(\mathrm{K}_2\mathrm{Cr}_2\mathrm{O}_7)

  1. สารนี้เป็นสารประกอบที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นผลรวม O.N. = 0 (ตามกฎข้อ 2)
  2. เรารู้ว่า \mathrm{K} อยู่หมู่ IA มี O.N. = +1 (ตามกฎข้อ 3) และ \mathrm{O} มี O.N. = -2 (ตามกฎข้อ 7)
  3. กำหนดให้ O.N. ของ \mathrm{Cr} เป็น \mathrm{x} จากนั้นตั้งสมการ:
    2(\mathrm{K}) + 2(\mathrm{Cr}) + 7(\mathrm{O}) = 0
    2(+1) + 2(x) + 7(-2) = 0

 2 + 2x - 14 = 0
2x - 12 = 0 \rightarrow 2x = 12 \rightarrow x = +6

คำตอบ:เลขออกซิเดชันของ \mathrm{Cr} ใน \mathrm{K}_2\mathrm{Cr}_2\mathrm{O}_7 มีค่าเท่ากับ +6


3. การหาเลขออกซิเดชันจากโครงสร้างโมเลกุล (Advanced เทคนิค)

ในข้อสอบแข่งขันอย่าง สอวน. เคมี หรือข้อสอบเข้ามหาวิทยาลัยระดับยาก การคำนวณจากสูตรโมเลกุลตรง ๆ บางครั้งอาจทำให้เราสับสน หรือได้แค่ค่า “เลขออกซิเดชันเฉลี่ย” ซึ่งไม่สะท้อนโครงสร้างและประจุของอะตอมแต่ละตัวอย่างแท้จริง การหาจาก โครงสร้างลิวอิส (Lewis Structure) จึงเป็นเครื่องมือที่ดีที่สุด


ขั้นตอนการวิเคราะห์เลขออกซิเดชันจากโครงสร้างลิวอิส (Lewis Structure)

  1. เขียนโครงสร้างแบบเส้น แสดงพันธะเดี่ยว พันธะคู่ หรือพันธะสามของโมเลกุลให้สมบูรณ์
  2. เปรียบเทียบค่า EN ระหว่างอะตอมคู่ร่วมพันธะทุกคู่ โดยไล่เรียงลำดับ EN จากสูงไปต่ำที่ต้องจำ: \mathrm{F} > \mathrm{O} > \mathrm{Cl} > \mathrm{Nl} > \mathrm{Br} > \mathrm{I} > \mathrm{S} >…> \mathrm{C} > \mathrm{H}
  3. กำหนดเกณฑ์การแบ่งอิเล็กตรอน (Bookkeeping) ดังนี้:
    • พันธะที่เกิดจากธาตุชนิดเดียวกัน (เช่น \mathrm{C}-\mathrm{C}): ถือว่าไม่มีใครแย่งใคร ค่าประจุสมมติที่ได้จากพันธะนี้จะเป็น 0 เสมอ
    • พันธะเดี่ยวระหว่างธาตุต่างชนิดกัน (\mathrm{A}-\mathrm{B} โดย \mathrm{B} มี EN สูงกว่า): อะตอม \mathrm{B} จะดึงอิเล็กตรอนไปประจุเป็น -1 ส่วน \mathrm{A} โดนดึงไป ประจุเป็น +1
    • พันธะคู่ (\mathrm{A}=\mathrm{B}): ธาตุที่ EN สูงกว่าได้คะแนน -2 ธาตุที่ EN ต่ำกว่าได้ +2
    • พันธะสาม (\mathrm{A}\equiv\mathrm{B}): ธาตุที่ EN สูงกว่าได้คะแนน -3 ธาตุที่ EN ต่ำกว่าได้ +3
  4. รวมคะแนนประจุที่อะตอมแต่ละตัวได้รับในโมเลกุลทั้งหมด นั่นคือเลขออกซิเดชันที่แท้จริง


ตัวอย่างการวิเคราะห์: โครงสร้างของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (\</strong>mathrm<strong>{H}_2\</strong>mathrm<strong>{O}_2)

หากเขียนโครงสร้างแบบเส้นจะได้เป็น: \mathrm{H}-\mathrm{O}-\mathrm{O}-\mathrm{H}

  • พันธะระหว่าง \mathrm{H}-\mathrm{O} (ซ้าย): \mathrm{O} มี EN สูงกว่า \mathrm{H} จึงดึงอิเล็กตรอนไป ทำให้ \mathrm{O} ได้ -1 และ \mathrm{H} ได้ +1
  • พันธะระหว่าง \mathrm{O}-\mathrm{O} (กลาง): เนื่องจากเป็นอะตอมชนิดเดียวกัน ค่า EN เท่ากัน จึงไม่มีการแย่งอิเล็กตรอน คะแนนจากพันธะนี้เป็น 0
  • พันธะระหว่าง \mathrm{O}-\mathrm{H} (ขวา): \mathrm{O} ดึงอิเล็กตรอนไป ทำให้ \mathrm{O} ได้ -1 และ \mathrm{H} ได้ +1
  • สรุป: ออกซิเจนแต่ละตัวมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1 + 0 = -1 ซึ่งสอดคล้องกับข้อยกเว้นในกฎข้อที่ 7 นั่นเอง


4. ตะลุยแนวข้อสอบเลขออกซิเดชัน ม.ปลาย & TCAS พร้อมเฉลยละเอียด

เพื่อให้พร้อมลงสนามสอบจริง เรามาลองทดสอบความเข้าใจกับแนวโจทย์ 3 ระดับความยากกันครับ!



โจทย์ข้อที่ 1: การหาเลขออกซิเดชันทั่วไป (ระดับพื้นฐาน)

คำถาม: ธาตุฟอสฟอรัส (\mathrm{P}) ในสารประกอบหรือไอออนในข้อใดมีเลขออกซิเดชันสูงที่สุด?
ก. \mathrm{H}_3\mathrm{PO}_4 ข. \mathrm{H}_3\mathrm{PO}_3
ค. \mathrm{PH}_3 ง. \mathrm{P}_2\mathrm{H}_4

เฉลยวิธีคิดอย่างละเอียด:

  • ก. \mathrm{H}_3\mathrm{PO}_4:
    ตั้งสมการ: 3(\mathrm{H}) + \mathrm{P} + 4(\mathrm{O}) = 0 \rightarrow 3(+1) + x + 4(-2) = 0 \rightarrow 3 + x - 8 = 0 \rightarrow x = +5
  • ข. \mathrm{H}_3\mathrm{PO}_3:
    ตั้งสมการ: 3(+1) + x + 3(-2) = 0 \rightarrow 3 + x - 6 = 0 \rightarrow x = +3
  • ค. \mathrm{PH}_3: พันธะระหว่าง \mathrm{P} กับ \mathrm{H} นั้น \mathrm{P} มี EN สูงกว่า \mathrm{H} เล็กน้อย ดังนั้น \mathrm{H} = +1
    ตั้งสมการ: x + 3(+1) = 0 \rightarrow x = -3
  • ง. \mathrm{P}_2\mathrm{H}_4: ไฮโดรเจนมี O.N. = +1 ตั้งสมการ: 2x + 4(+1) = 0 \rightarrow 2x + 4 = 0 \rightarrow 2x = -4 \rightarrow x = -2 
  • สรุป: คำตอบที่มีค่าสูงสุดคือ ก. ซึ่งมีเลขออกซิเดชันของ \mathrm{P} เท่ากับ +5 นั่นเองครับ 



โจทย์ข้อที่ 2: สารประกอบเชิงซ้อนและการหาประจุไอออน (ระดับประยุกต์)

คำถาม: จงหาเลขออกซิเดชันของเหล็ก (\mathrm{Fe}) ในสารประกอบเชิงซ้อน \mathrm{K}_3[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6]

เฉลยวิธีคิดอย่างละเอียด:

  1. สังเกตและวิเคราะห์โครงสร้างสาร สารประกอบนี้เป็นกลางทางไฟฟ้า ผลรวม O.N. ทั้งหมด = 0
  2. แยกส่วนที่เรารู้ประจุแน่นอนออกมาก่อน:
    • โพแทสเซียม (\mathrm{K}) อยู่หมู่ IA มี O.N. = +1 จำนวน 3 อะตอม รวมเป็น +3
    • ลิแกนด์ ไซยาไนด์ (\mathrm{CN}) จัดเป็นอนุมูลกลุ่มตามกฎข้อ 9 มีประจุเป็น -1 จำนวน 6 กลุ่ม รวมเป็น -6
  3. ตั้งสมการหาค่าของ \mathrm{Fe} (ให้เป็น mathrm{x}):
    3(\mathrm{K}) + \mathrm{Fe} + 6(\mathrm{CN}) = 0
    3(+1) + x + 6(-1) = 0
    3 + x - 6 = 0
    x - 3 = 0 \rightarrow x = +3
    คำตอบ:เลขออกซิเดชันของ \mathrm{Fe} ใน \mathrm{K}_3[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_6] คือ +3


5. สรุปภาพรวมและคำแนะนำในการสอบ 

การหาเลขออกซิเดชัน ไม่ใช่เรื่องของการนั่งท่องจำแบบสุ่มสี่สุ่มห้า แต่เป็นเรื่องของการเข้าใจอย่างเป็นระบบผ่าน กฎ 4 หมวดหมู่หลัก และ โครงสร้างโมเลกุล เมื่อใดที่น้อง ๆ แม่นยำในกฎพื้นฐานเหล่านี้ การดุลสมการเคมีไฟฟ้ารวมถึงปฏิกิริยารีดอกซ์ในข้อสอบ TCAS ก็จะกลายเป็นเรื่องง่ายทันที

เทคนิคสำคัญที่พี่อยากฝากไว้ก่อนสอบคือ “ห้ามลืมตัวข้อยกเว้นเด็ดขาด” โดยเฉพาะไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (\mathrm{H}_2\mathrm{O}_2) และสารประกอบไฮไดรด์โลหะ เพราะนี่คือจุดยอดฮิตที่ผู้ออกข้อสอบมักจะนำมาใช้เป็น “กับดัก” คะแนนของนักเรียน!

เรียนเคมี ม.ปลาย กับ OnDemand

ถ้าจับหลักการจำและการวิเคราะห์เลขออกซิเดชันได้อย่างถูกต้อง ข้อสอบวิชาเคมีก็ไม่ใช่เรื่องน่ากลัวอีกต่อไป แต่ถ้าเรียนที่โรงเรียนแล้วยังรู้สึกตามไม่ทัน หรืออยากได้สูตรลัดและเทคนิคการมองโจทย์ให้ขาดได้รวดเร็ว

OnDemand พร้อมช่วยให้น้อง ๆ เตรียมความพร้อมด้านการเรียน การสอบด้วยคอร์สเรียน วิชาเคมี ม.ปลาย โดย OnDemand ซึ่งสอนโดยทีมอาจารย์ผู้เชี่ยวชาญ ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ปูพื้นฐาน เพิ่มความมั่นใจก่อนสอบ เพิ่มคะแนนในห้องเรียน ไปจนถึงการสอบเข้าระดับมหาวิทยาลัย

สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม

6. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับเลขออกซิเดชัน (FAQs)

Q: เลขออกซิเดชันสามารถเป็นเศษส่วนได้หรือไม่?

A: สามารถเป็นได้ แต่ค่าที่เป็นเศษส่วนนั้นจะเป็น “เลขออกซิเดชันเฉลี่ย” ของธาตุชนิดเดียวกันในโมเลกุลนั้น เช่น ในไอออนไทโอซัลเฟต S_2O_3^{2-} เมื่อคำนวณตามกฎปกติจะได้เลขออกซิเดชันเฉลี่ยของกำมะถัน (\text{S}) เป็น +2 แต่แท้จริงแล้วในโครงสร้างมี \text{S} ตัวหนึ่งมีประจุเป็น +5 และอีกตัวเป็น -1 ซึ่งเฉลี่ยกันแล้วได้ +2 นั่นเอง

A: ประจุไอออนิกคือประจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการย้ายที่ของอิเล็กตรอนจริง ๆ ในพันธะไอออนิก (เช่น \text{Na}^+ หรือ \text{Cl}^-) ส่วนเลขออกซิเดชันเป็น “ค่าสมมติ” ที่เขียนขึ้นเพื่อความสะดวกในการนับอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถนำไปใช้ได้กับทั้งสารประกอบโคเวเลนต์ที่มีการแชร์อิเล็กตรอน และสารประกอบไอออนิกทั่วไปครับ

A: เนื่องจากธาตุแทรนสิชันมีอิเล็กตรอนในวงนอกสุด (Valence electrons) และระดับพลังงานย่อย d (d-subshell) ซึ่งมีพลังงานใกล้เคียงกันมาก ทำให้พวกมันสามารถสูญเสียอิเล็กตรอนจากทั้งสองระดับชั้นพลังงานเพื่อสร้างพันธะได้ในหลายรูปแบบ ส่งผลให้เกิดเลขออกซิเดชันที่หลากหลาย เช่น แมงกานีส (\text{Mn}) สามารถมีเลขออกซิเดชันตั้งแต่ +2, +3, +4, +6 ไปจนถึงสูงสุดคือ +7