ออกซิเดชัน (Oxidation) เป็นกระบวนการทางเคมีพื้นฐานที่มีบทบาทสำคัญในการใช้งานทางธรรมชาติและทางอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่โลหะขึ้นสนิมไปจนถึงผลไม้เปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล
ออกซิเดชันเป็นปฏิกิริยาที่เราพบเห็นทุกวันโดยมักไม่รู้ตัว การทำความเข้าใจว่าออกซิเดชันคืออะไร เกิดขึ้นได้อย่างไร และนัยยะของมันจะช่วยให้เข้าใจทุกอย่างตั้งแต่ชีววิทยาไปจนถึงกระบวนการทางอุตสาหกรรม
ในบทความนี้จะเจาะลึกแนวคิดของออกซิเดชัน อธิบายกลไก ผลกระทบ และความสำคัญ
ออกซิเดชัน (Oxidation) คืออะไร
ออกซิเดชันคือปฏิกิริยาเคมีที่สารสูญเสียอิเล็กตรอน ซึ่งมักส่งผลให้สถานะออกซิเดชันเพิ่มขึ้น ในหลายกรณี ออกซิเดชันเกิดขึ้นเมื่อสารทำปฏิกิริยากับออกซิเจน
แต่ก็อาจเกิดขึ้นกับตัวออกซิไดซ์อื่นๆ ได้เช่นกัน กระบวนการนี้มักจะจับคู่กับปฏิกิริยารีดักชันที่สอดคล้องกัน โดยที่สารอื่นจะได้รับอิเล็กตรอนที่สูญเสียไประหว่างการออกซิเดชัน เมื่อรวมกันแล้ว กระบวนการทั้งสองนี้เรียกว่าปฏิกิริยารีดักชัน-ออกซิเดชัน
กลไกการเกิดออกซิเดชัน
ในการทำความเข้าใจการเกิดออกซิเดชัน จำเป็นต้องเข้าใจถึงวิธีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างปฏิกิริยาเคมี:
1. การสูญเสียอิเล็กตรอน: ในการเกิดออกซิเดชัน โมเลกุล อะตอม หรือไอออนจะสูญเสียอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น เมื่อเหล็ก (Fe) เกิดออกซิเดชัน ก็จะสูญเสียอิเล็กตรอนเพื่อสร้างออกไซด์ของเหล็ก (สนิม)
ตัวอย่างปฏิกิริยา:
Fe→ Fe2++2e−
ในกรณีนี้ เหล็ก (Fe) จะสูญเสียอิเล็กตรอนสองตัว (2e−) เพื่อสร้างไอออนของเหล็ก (Fe2+)
2. ตัวออกซิไดซ์: สารที่รับอิเล็กตรอนในปฏิกิริยานี้เรียกว่าตัวออกซิไดซ์ ตัวออกซิไดซ์เองจะถูกรีดิวซ์ในกระบวนการ ในกรณีของสนิมเหล็ก ออกซิเจน (O₂) เป็นตัวออกซิไดซ์ ซึ่งรับอิเล็กตรอนและถูกทำให้ลดลงเพื่อสร้างไอออนออกไซด์ (O²⁻)
ตัวอย่างปฏิกิริยา:
O2+4e− → 2O2−
โมเลกุลออกซิเจน (O₂) รับอิเล็กตรอนสี่ตัวเพื่อสร้างไอออนออกไซด์สองตัว (O²⁻)
การวัด ORP
Oxidation-Reduction Potential (ORP) คือการวัดความสามารถของสารละลายในการปลดปล่อยหรือรับอิเล็กตรอนในระหว่างปฏิกิริยาเคมี มีหน่วยเป็นมิลลิโวลต์ (mV) สามารถเป็นได้ทั้งค่าบวก (+) และค่าลบ โดยระบุระดับของการเกิดออกซิเดชันหรือการรีดักชันที่เกิดขึ้นในสารละลาย
สภาพแวดล้อมแบบออกซิไดซ์จะมีค่า ORP เป็นบวก ในขณะที่สภาพแวดล้อมแบบรีดิวซ์จะมีค่า ORP เป็นลบ
- ค่าโออาร์พีที่เป็นบวก (+) บ่งชี้ว่าสารละลายกำลังออกซิไดซ์ (สูญเสียอิเล็กตรอน)
- ค่าโออาร์พีที่เป็นลบ (-) บ่งชี้ว่าสารละลายกำลังรีดิวซ์ (รับอิเล็กตรอน)
ดูรายละเอียดเพิ่มเติม ORP meter คืออะไร บทบาทในระบบน้ำอุตสาหกรรม
ตัวอย่างทั่วไปของการเกิดออกซิเดชัน
- การเกิดสนิมของโลหะ: ตามที่ได้อธิบายไว้ข้างต้น การเกิดออกซิเดชันเป็นสาเหตุของการเกิดสนิมของโลหะ โดยที่เหล็กทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเมื่อมีความชื้นเพื่อสร้างออกไซด์ของเหล็ก
- การเผาไหม้: การเผาไหม้เป็นรูปแบบหนึ่งของการออกซิเดชันอย่างรวดเร็ว โดยที่สารต่างๆ เช่น ไม้หรือเชื้อเพลิงฟอสซิลทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อผลิตความร้อน แสง คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ
- การทำให้ผลไม้เป็นสีน้ำตาล: เมื่อหั่นผลไม้ เช่น แอปเปิล พื้นผิวที่เปิดออกจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ เอนไซม์ในผลไม้จะช่วยอำนวยความสะดวกในกระบวนการออกซิเดชัน ทำให้เกิดสีน้ำตาล
- การหายใจระดับเซลล์: ในระบบทางชีววิทยา การเกิดออกซิเดชันเป็นส่วนหนึ่งของการหายใจระดับเซลล์ ซึ่งกลูโคสจะถูกออกซิไดซ์เพื่อผลิตพลังงานในรูปแบบของ ATP (อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต)
บทบาทของการเกิดออกซิเดชันในชีวิตประจำวัน
การเกิดออกซิเดชันไม่ใช่แค่ความอยากรู้อยากเห็นทางเคมีเท่านั้น มีผลกระทบต่อชีวิตในด้านต่างๆ มากมาย:
- การกัดกร่อน: ออกซิเดชันทำให้โลหะเกิดการกัดกร่อน ซึ่งอาจทำให้โครงสร้างอ่อนแอลงและทำให้เครื่องจักร ยานพาหนะ และอาคารเสียหาย การป้องกันหรือชะลอการเกิดออกซิเดชันเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาความสมบูรณ์ของวัตถุที่เป็นโลหะ
- การผลิตพลังงาน: ปฏิกิริยาออกซิเดชัน เช่น ปฏิกิริยาในการเผาไหม้และการหายใจระดับเซลล์ มีความสำคัญต่อการผลิตพลังงาน การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นพลังงานสำหรับยานพาหนะ อุตสาหกรรม และการผลิตไฟฟ้า ในขณะที่การหายใจระดับเซลล์ให้พลังงานแก่สิ่งมีชีวิต
- การถนอมอาหาร: ออกซิเดชันสามารถทำให้อาหารเน่าเสียได้ เช่น ผลไม้มีสีน้ำตาลและน้ำมันมีกลิ่นหืน สารต้านอนุมูลอิสระมักถูกเติมลงในผลิตภัณฑ์อาหารเพื่อชะลอการเกิดออกซิเดชันและยืดอายุการเก็บรักษา
- ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: ปฏิกิริยาออกซิเดชันมีส่วนทำให้เกิดกระบวนการทางสิ่งแวดล้อม เช่น การก่อตัวของหมอกควันและฝนกรด การทำความเข้าใจปฏิกิริยาเหล่านี้มีความสำคัญต่อการพัฒนาแนวทางในการลดมลพิษ
