สรุปครบจบในที่เดียว! เลขออกซิเดชัน คืออะไร? เทคนิคหาไว พร้อมแนวข้อสอบ ม.ปลาย

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: $\text{Na}$, $\text{Cu}$, $\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{P}_4$, $\text{S}_8$ ธาตุเหล่านี้ทั้งหมดมีค่า O.N. = 0

หมวดที่ 2: สารประกอบ (Compounds)

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

หมวดที่ 3: ไอออน (Ions)

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

หมวดที่ 4: อนุมูลกลุ่มที่ควรทราบ (Common Polyatomic Ions)

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

💡 เทคนิคการคำนวณเลขออกซิเดชันด้วยสมการคณิตศาสตร์

หากเราต้องการหา O.N. ของธาตุแทรนสิชันหรือธาตุกลางที่เราไม่คุ้นเคย ให้ตั้งสมการคณิตศาสตร์โดยอ้างอิงจากกฎข้อที่ 2 และ 8 เป็นหลัก

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

1. สารนี้เป็นสารประกอบที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นผลรวม O.N. = 0 (ตามกฎข้อ 2)
2. เรารู้ว่า $\text{K}$ อยู่หมู่ IA มี O.N. = +1 (ตามกฎข้อ 3) และ $\text{O}$ มี O.N. = -2 (ตามกฎข้อ 7)
3. กำหนดให้ O.N. ของ $\text{Cr}$ เป็น $x$ จากนั้นตั้งสมการ:
   $$2(\text{K}) + 2(\text{Cr}) + 7(\text{O}) = 0$$
   $$2(+1) + 2(x) + 7(-2) = 0$$$$2 + 2x – 14 = 0$$
   $$2x – 12 = 0 \rightarrow 2x = 12 \rightarrow x = +6$$

คำตอบ: เลขออกซิเดชันของ $\text{Cr}$ ใน $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ 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: $\text{F} > \text{O} > \text{Cl} > \text{Nl} > \text{Br} > \text{I} > \text{S} >…> \text{C} > \text{H}$
3. กำหนดเกณฑ์การแบ่งอิเล็กตรอน (Bookkeeping) ดังนี้:
   • พันธะที่เกิดจากธาตุชนิดเดียวกัน (เช่น $\text{C}-\text{C}$): ถือว่าไม่มีใครแย่งใคร ค่าประจุสมมติที่ได้จากพันธะนี้จะเป็น 0 เสมอ
   • พันธะเดี่ยวระหว่างธาตุต่างชนิดกัน ($\text{A}-\text{B}$ โดย $\text{B}$ มี EN สูงกว่า): อะตอม $\text{B}$ จะดึงอิเล็กตรอนไปประจุเป็น -1 ส่วน $\text{A}$ โดนดึงไป ประจุเป็น +1
   • พันธะคู่ ($\text{A}=\text{B}$): ธาตุที่ EN สูงกว่าได้คะแนน -2 ธาตุที่ EN ต่ำกว่าได้ +2
   • พันธะสาม ($\text{A}\equiv\text{B}$): ธาตุที่ EN สูงกว่าได้คะแนน -3 ธาตุที่ EN ต่ำกว่าได้ +3
4. รวมคะแนนประจุที่อะตอมแต่ละตัวได้รับในโมเลกุลทั้งหมด นั่นคือเลขออกซิเดชันที่แท้จริง

ตัวอย่างการวิเคราะห์: โครงสร้างของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ($\text{H}_2\text{O}_2$)

หากเขียนโครงสร้างแบบเส้นจะได้เป็น: $\text{H}-\text{O}-\text{O}-\text{H}$

• พันธะระหว่าง $\text{H}-\text{O}$ (ซ้าย): $\text{O}$ มี EN สูงกว่า $\text{H}$ จึงดึงอิเล็กตรอนไป ทำให้ $\text{O}$ ได้ -1 และ $\text{H}$ ได้ +1
• พันธะระหว่าง $\text{O}-\text{O}$ (กลาง): เนื่องจากเป็นอะตอมชนิดเดียวกัน ค่า EN เท่ากัน จึงไม่มีการแย่งอิเล็กตรอน คะแนนจากพันธะนี้เป็น 0
• พันธะระหว่าง $\text{O}-\text{H}$ (ขวา): $\text{O}$ ดึงอิเล็กตรอนไป ทำให้ $\text{O}$ ได้ -1 และ $\text{H}$ 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 ($\text{P}$) ในสารประกอบหรือไอออนในข้อใดมีเลขออกซิเดชันสูงที่สุด?
ก. $\text{H}_3\text{PO}_4$ ข. $\text{H}_3\text{PO}_3$
ค. $\text{PH}_3$ ง. $\text{P}_2\text{H}_4$

เฉลยวิธีคิดอย่างละเอียด:

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

โจทย์ข้อที่ 2: สารประกอบเชิงซ้อนและการหาประจุไอออน (ระดับประยุกต์)

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

เฉลยวิธีคิดอย่างละเอียด:

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

5. สรุปภาพรวมและคำแนะนำในการสอบ 

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

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

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

สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม

• Add Line:Ondemand Education
• โทรศัพท์: 02-251-9456 (08.00-20.00 น.)

6. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับเลขออกซิเดชัน (FAQs)