Das Konzept der Oxidation in der Chemie ist etwas verwirrend, vor allem, weil es dem Verständnis der Struktur des Atoms und des Ablaufs chemischer Reaktionen vorausgeht. Der Begriff entstand, als Chemiker Reaktionen mit Sauerstoff analysierten, dem ersten bekannten Oxidationsmittel.
Für moderne Chemiker, die mit dem Austausch von Elektronen in Reaktionen vertraut sind, bezieht sich Oxidation auf den Verlust von Elektronen und Reduktion auf den Gewinn von Elektronen. Die moderne Definition gilt sowohl für Reaktionen mit Sauerstoff als auch ohne Sauerstoff, wie die Produktion von Methan (CH4) aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Wenn Sie Methan Sauerstoff hinzufügen, um Kohlendioxid und Wasser zu produzieren, ist das ebenfalls Oxidation. Das Kohlenstoffatom verliert Elektronen und sein Oxidationszustand ändert sich, während die Sauerstoffatome Elektronen aufnehmen und reduziert werden. Dies wird als Redoxreaktion bezeichnet.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Die Oxidationsstufe von Kohlenstoff im Methanmolekül beträgt -4, während die von Wasserstoff +1 beträgt.
Die Oxidationsstufe von Kohlenstoff in Methan
Aufgrund seiner vier Valenzelektronen kann Kohlenstoff in einer Vielzahl von Oxidationsstufen vorliegen, die von +4 bis -4 reichen. Deshalb bildet es so viele Verbindungen, mehr als jedes andere Element. Um seinen Zustand in einer bestimmten Verbindung zu bestimmen, müssen Sie sich im Allgemeinen die Bindungen ansehen, die es mit den anderen Elementen in der Verbindung eingeht.
Wasserstoff hat nur ein Valenzelektron, und da sich dieses Elektron in seiner ersten Schale befindet, braucht es nur ein Elektron, um die Schale zu füllen. Dies macht es zu einem Elektronenattraktor mit einer Oxidationsstufe von +1. Wasserstoff kann auch ein Elektron verlieren und in einer Oxidationsstufe von -1 vorliegen, wenn er sich mit Metallen der Gruppe 1 verbindet, um ein Metall zu bilden Hydride wie NaH und LiH, aber in den meisten Fällen, wenn es sich mit Kohlenstoff verbindet, befindet es sich immer in der +1-Oxidation Zustand.
Um den Oxidationszustand von Kohlenstoff im Methanmolekül zu berechnen, behandeln Sie jede Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung so, als ob sie ionisch wäre. Das Molekül hat keine Nettoladung, daher muss die Summe aller Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen 0 sein. Dies bedeutet, dass das Kohlenstoffatom vier Elektronen abgibt, wodurch seine Oxidationsstufe -4 beträgt.
Der Oxidationszustand von Kohlenstoff ändert sich, wenn Sie Methan verbrennen
Kombiniert man Methan mit Sauerstoff, entstehen Kohlendioxid, Wasser und Energie in Form von Wärme und Licht. Die ausgeglichene Gleichung für diese Reaktion ist
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + Energie
Kohlenstoff erfährt bei dieser Reaktion eine dramatische Änderung seines Oxidationszustands. Während seine Oxidationszahl in Methan -4 beträgt, beträgt sie in Kohlendioxid +4. Das liegt daran, dass Sauerstoff ein Elektronenakzeptor ist, der immer eine Oxidationsstufe von -2 hat und es zwei Sauerstoffatome für jedes Kohlenstoffatom in CO gibt2. Die Oxidationsstufe von Wasserstoff hingegen bleibt unverändert.
