เลขออกซิเดชันหรือที่เรียกว่าสถานะออกซิเดชัน มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ตัวเลขเหล่านี้ช่วยในการกำหนดว่าอิเล็กตรอนมีการกระจายระหว่างอะตอมในโมเลกุลหรือไอออนอย่างไร การทราบสถานะออกซิเดชันของแต่ละองค์ประกอบภายในสารประกอบถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำนายผลลัพธ์ของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของเทคโนโลยีต่างๆ รวมถึงแบตเตอรี่และการป้องกันการกัดกร่อน
เลขออกซิเดชันเป็นตัวเลขทางทฤษฎีที่กำหนดให้กับอะตอมในโมเลกุลหรือไอออนที่ระบุประจุไฟฟ้าทั่วไปของอะตอมนั้น ขึ้นอยู่กับชุดกฎที่พิจารณาการจัดสรรอิเล็กตรอนในพันธบัตร:
กฎเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นรากฐานในการกำหนดเลขออกซิเดชันในโมเลกุลและไอออนที่ซับซ้อนมากขึ้น
ตัวอย่างที่ 1: น้ำ (H₂O)
ตามกฎแล้วออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเป็น -2 เนื่องจากมีไฮโดรเจนอยู่สองตัว และไฮโดรเจนแต่ละตัวมีเลขออกซิเดชันเป็น +1 ประจุโดยรวมของไฮโดรเจนจึงเท่ากับ +2 สิ่งนี้จะสมดุลกับประจุออกซิเจน -2 ทำให้โมเลกุลเป็นกลาง
ตัวอย่างที่ 2: โซเดียมคลอไรด์ (NaCl)
โซเดียมซึ่งเป็นโลหะเมื่อสร้างไอออนจะมีสถานะออกซิเดชันที่ +1 คลอรีนในสารประกอบนี้จะมีสถานะออกซิเดชันที่ -1 เพื่อให้ประจุโดยรวมสมดุล ส่งผลให้สารประกอบเป็นกลาง
การทราบสถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบภายในสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มีความสำคัญในเคมีไฟฟ้า ความรู้นี้ช่วยในการทำความเข้าใจว่าสปีชีส์ใดจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือลดลงในเซลล์ไฟฟ้าเคมี
เซลล์ไฟฟ้าเคมี ประกอบด้วยอิเล็กโทรด 2 อิเล็กโทรด: แอโนด (เมื่อเกิดออกซิเดชัน) และแคโทด (เมื่อเกิดการรีดักชัน) การไหลของอิเล็กตรอนจากขั้วบวกไปยังแคโทดผ่านวงจรภายนอกทำให้เกิดพลังงานไฟฟ้า
ตัวอย่างเช่น ในแบตเตอรี่สังกะสี-ทองแดงธรรมดา สังกะสีมีเลขออกซิเดชันเป็น 0 ในรูปของธาตุ ในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า จะสูญเสียอิเล็กตรอน (ออกซิเดชัน) เพื่อสร้างไอออน Zn \(^{2+}\) ดังนั้นสถานะออกซิเดชันจึงเปลี่ยนจาก 0 เป็น +2 ในทางกลับกัน ไอออน Cu \(^{2+}\) ที่แคโทดจะได้รับอิเล็กตรอน (การลดลง) ซึ่งเปลี่ยนสถานะออกซิเดชันของทองแดงจาก +2 เป็น 0 เมื่อแผ่นออกเป็นทองแดงที่เป็นโลหะ
การถ่ายโอนอิเล็กตรอนซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเลขออกซิเดชัน เป็นสิ่งที่สร้างพลังงานไฟฟ้าในแบตเตอรี่
การทดลองง่ายๆ เพื่อสังเกตกระบวนการรีดิวซ์ออกซิเดชันเกี่ยวข้องกับสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตและตะปูสังกะสี เมื่อตะปูสังกะสีจุ่มลงในสารละลายคอปเปอร์(II) ซัลเฟต สังกะสีจะออกซิไดซ์ โดยสูญเสียอิเล็กตรอนไปก่อตัวเป็นไอออนของ Zn \(^{2+}\) จากนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้จะได้รับจากไอออน Cu \(^{2+}\) ซึ่งลดลงจนกลายเป็นโลหะทองแดงบนพื้นผิวของตะปูสังกะสี สิ่งนี้สามารถสังเกตได้จากการเปลี่ยนสีในสารละลายและการก่อตัวของการเคลือบทองแดงบนตะปูสังกะสี
ในโมเลกุลที่ซับซ้อน การกำหนดเลขออกซิเดชันอาจต้องมีการวิเคราะห์อย่างรอบคอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโมเลกุลที่มีองค์ประกอบที่สามารถมีสถานะออกซิเดชันได้หลายสถานะ
ตัวอย่าง: ในโพแทสเซียมไดโครเมต (K₂Cr₂O₇) โพแทสเซียม (K) มีเลขออกซิเดชันเป็น +1 ออกซิเจน (O) มีเลขออกซิเดชันเป็น -2 และต้องคำนวณโครเมียม (Cr) เมื่อทราบว่ามีโพแทสเซียมไอออน 2 ไอออน (+1 อะตอม) และมีออกซิเจน 7 อะตอม (-2 อะตอม) และสารประกอบนั้นเป็นกลาง เราจึงสามารถคำนวณเลขออกซิเดชันของโครเมียมได้
2(+1) + 2(Cr) + 7(-2) = 0
2 - 14 + 2(Cr) = 0
2(Cr) = 12
Cr = +6
การคำนวณนี้แสดงให้เห็นว่าเลขออกซิเดชันของโครเมียมในโพแทสเซียมไดโครเมตคือ +6
เลขออกซิเดชันเป็นแนวคิดพื้นฐานในวิชาเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวิชาเคมีไฟฟ้า ซึ่งช่วยทำนายทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดิวซ์ การทำความเข้าใจวิธีกำหนดและคำนวณตัวเลขเหล่านี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวิเคราะห์เซลล์ไฟฟ้าเคมีและปฏิกิริยา ซึ่งส่งผลต่อทุกอย่างตั้งแต่การเก็บพลังงานในแบตเตอรี่ไปจนถึงกลยุทธ์การป้องกันการกัดกร่อน