Концепцията за окисление в химията е малко объркваща, най-вече защото предхожда разбирането за структурата на атома и как протичат химичните реакции. Терминът възниква, когато химиците анализират реакции, включващи кислород, който е първият известен окислител.
За съвременните химици, запознати с обмена на електрони в реакциите, окисляването се отнася до загуба на електрони и намаляване до печалба на електрони. Съвременното определение се отнася за реакции, които включват кислород, както и такива, които не включват, като производството на метан (СН4) от въглерод и водород. Когато добавите кислород към метана, за да се получи въглероден диоксид и вода, това също е окисление. Въглеродният атом губи електрони и състоянието му на окисление се променя, докато кислородните атоми получават електрони и се редуцират. Това е известно като редокс реакция.
TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)
Степента на окисление на въглерода в молекулата на метана е -4, докато на водорода е +1.
Състоянието на окисление на въглерода в метана
Поради четирите си валентни електрона въглеродът може да съществува в различни степени на окисление, вариращи от +4 до -4. Ето защо той образува толкова много съединения, повече от всеки друг елемент. За да определите състоянието му в определено съединение, обикновено трябва да разгледате връзките, които той образува с другите елементи в съединението.
Водородът има само един валентен електрон и тъй като този електрон е в първата си обвивка, той се нуждае само от един електрон, за да запълни обвивката. Това го прави електронен атрактор със степен на окисление +1. Водородът също може да загуби електрон и да съществува в -1 степен на окисление, когато се комбинира с метали от група 1, за да образува метал хидриди, като NaH и LiH, но в повечето случаи, например когато се комбинира с въглерод, винаги е в +1 окисление държава.
За да изчислите степента на окисление на въглерода в молекулата на метана, вие третирате всяка връзка въглерод-водород, сякаш е йонна. Молекулата няма нетен заряд, така че сумата от всички въглерод-водородни връзки трябва да бъде 0. Това означава, че въглеродният атом дарява четири електрона, което прави състоянието му на окисление -4.
Състоянието на окисление на въглерода се променя, когато изгаряте метан
Когато комбинирате метан с кислород, продуктите са въглероден диоксид, вода и енергия под формата на топлина и светлина. Балансираното уравнение за тази реакция е
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 Н2O + енергия
Въглеродът претърпява драстична промяна в степента на окисление в тази реакция. Докато неговото окислително число в метана е -4, то във въглеродния диоксид е +4. Това е така, защото кислородът е електронен акцептор, който винаги има степен на окисление -2 и има два кислородни атома за всеки въглероден атом в CO2. От друга страна, степента на окисление на водорода остава непроменена.