Sådan løses CH4's oxidationstilstand

Begrebet oxidation i kemi er noget forvirrende, hovedsagelig fordi det går forud for en forståelse af atomets struktur og hvordan kemiske reaktioner opstår. Udtrykket opstod, da kemikere analyserede reaktioner, der involverede ilt, som var det første kendte oxidationsmiddel.

For moderne kemikere, der er fortrolige med udveksling af elektroner i reaktioner, henviser oxidation til tab af elektroner og reduktion til gevinst af elektroner. Den moderne definition gælder for reaktioner, der involverer ilt såvel som dem, der ikke gør det, såsom produktion af metan (CH₄) fra kulstof og brint. Når du tilføjer ilt til metan for at producere kuldioxid og vand, er det også oxidation. Kulstofatomet mister elektroner, og dets oxidationstilstand ændres, mens iltatomerne får elektroner og reduceres. Dette er kendt som en redoxreaktion.

TL; DR (for lang; Har ikke læst)

Oxidationstilstanden for kulstof i methanmolekylet er -4, mens hydrogen er +1.

På grund af dets fire valenselektroner kan kulstof eksistere i en række oxidationstilstande, der spænder fra +4 til -4. Derfor danner det så mange forbindelser mere end noget andet element. For at bestemme dets tilstand i en bestemt forbindelse skal du generelt se på de bindinger, den danner med de andre elementer i forbindelsen.

Brint har kun en valenselektron, og da denne elektron er i sin første skal, behøver den kun en elektron for at fylde skallen. Dette gør det til en elektrontiltrækker med en oxidationstilstand på +1. Brint kan også miste en elektron og eksistere i -1 oxidationstilstand, når det kombineres med gruppe 1-metaller til dannelse af metal hydrider, såsom NaH og LiH, men i de fleste tilfælde, som når det kombineres med kulstof, er det altid i +1-oxidationen stat.

For at beregne oxidationstilstanden for kulstof i methanmolekylet behandler du hver kulstof-hydrogenbinding som om den var ionisk. Molekylet har ingen nettoladning, så summen af ​​alle carbon-hydrogenbindinger skal være 0. Dette betyder, at carbonatomet donerer fire elektroner, hvilket gør dets oxidationstilstand -4.

Når du kombinerer metan med ilt, er produkterne kuldioxid, vand og energi i form af varme og lys. Den afbalancerede ligning for denne reaktion er

CH₄ + 2 O₂ -> CO₂ + 2 H₂O + energi

Kulstof gennemgår en dramatisk ændring i dets oxidationstilstand i denne reaktion. Mens dets oxidationstal i methan er -4, er det i kuldioxid +4. Det er fordi ilt er en elektronacceptor, der altid har en oxidationstilstand på -2, og der er to iltatomer for hvert kulstofatom i CO₂. Oxidationstilstanden for hydrogen forbliver derimod uændret.