Koncept oksidacije u kemiji pomalo je zbunjujući, ponajviše zato što prethodi razumijevanju strukture atoma i kako se odvijaju kemijske reakcije. Pojam je nastao kada su kemičari analizirali reakcije koje uključuju kisik, koji je bio prvo poznato oksidacijsko sredstvo.
Suvremenim kemičarima koji su upoznati s izmjenom elektrona u reakcijama, oksidacija se odnosi na gubitak elektrona i smanjenje na dobitak elektrona. Suvremena definicija odnosi se na reakcije koje uključuju kisik, kao i one koje ne uključuju, poput proizvodnje metana (CH4) iz ugljika i vodika. Kada metanu dodate kisik za proizvodnju ugljičnog dioksida i vode, to je i oksidacija. Atom ugljika gubi elektrone i njegovo se stanje oksidacije mijenja dok atomi kisika dobivaju elektrone i reduciraju se. To je poznato kao redoks reakcija.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
Stanje oksidacije ugljika u molekuli metana je -4, dok je vodika +1.
Stanje oksidacije ugljika u metanu
Zbog svoja četiri valentna elektrona ugljik može postojati u raznim oksidacijskim stanjima, u rasponu od +4 do -4. Zato tvori toliko spojeva, više nego bilo koji drugi element. Da biste odredili njegovo stanje u određenom spoju, obično morate pogledati veze koje on stvara s ostalim elementima u spoju.
Vodik ima samo jedan valentni elektron, a budući da je taj elektron u svojoj prvoj ljusci, potreban mu je samo jedan elektron da ispuni ljusku. Zbog toga je privlačilac elektrona s oksidacijskim stanjem +1. Vodik također može izgubiti elektron i postojati u oksidacijskom stanju -1 kad se kombinira s metalima iz skupine 1 dajući metal hidridi, kao što su NaH i LiH, ali u većini slučajeva, primjerice kada se kombinira s ugljikom, uvijek je u +1 oksidaciji država.
Da biste izračunali oksidacijsko stanje ugljika u molekuli metana, svaku vezu ugljik-vodik tretirate kao da je ionska. Molekula nema neto naboj, pa zbroj svih veza ugljik-vodik mora biti 0. To znači da atom ugljika donira četiri elektrona, što čini njegovo oksidacijsko stanje -4.
Stanje oksidacije ugljika mijenja se kada sagorite metan
Kada kombinirate metan s kisikom, proizvodi su ugljični dioksid, voda i energija u obliku topline i svjetlosti. Uravnotežena jednadžba za ovu reakciju je
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + energija
U ovoj reakciji ugljik se dramatično mijenja u svom stupnju oksidacije. Dok je njegov oksidacijski broj u metanu -4, u ugljičnom dioksidu je +4. To je zato što je kisik akceptor elektrona koji uvijek ima oksidacijsko stanje -2, a za svaki atom ugljika u CO postoje dva atoma kisika2. S druge strane, oksidacijsko stanje vodika ostaje nepromijenjeno.