Il concetto di ossidazione in chimica è un po' confuso, soprattutto perché precede la comprensione della struttura dell'atomo e di come avvengono le reazioni chimiche. Il termine è nato quando i chimici stavano analizzando le reazioni che coinvolgono l'ossigeno, che è stato il primo agente ossidante conosciuto.
Per i chimici moderni che hanno familiarità con lo scambio di elettroni nelle reazioni, l'ossidazione si riferisce alla perdita di elettroni e alla riduzione al guadagno di elettroni. La definizione moderna si applica alle reazioni che coinvolgono l'ossigeno così come a quelle che non lo fanno, come la produzione di metano (CH4) da carbonio e idrogeno. Quando aggiungi ossigeno al metano per produrre anidride carbonica e acqua, anche questa è ossidazione. L'atomo di carbonio perde elettroni e il suo stato di ossidazione cambia mentre gli atomi di ossigeno acquisiscono elettroni e si riducono. Questa è nota come reazione redox.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Lo stato di ossidazione del carbonio nella molecola di metano è -4 mentre quello dell'idrogeno è +1.
Lo stato di ossidazione del carbonio nel metano
A causa dei suoi quattro elettroni di valenza, il carbonio può esistere in una varietà di stati di ossidazione, che vanno da +4 a -4. Ecco perché forma così tanti composti, più di ogni altro elemento. Per determinare il suo stato in un particolare composto, generalmente devi guardare i legami che forma con gli altri elementi del composto.
L'idrogeno ha un solo elettrone di valenza, e poiché quell'elettrone è nel suo primo guscio, ha bisogno di un solo elettrone per riempire il guscio. Questo lo rende un attrattore di elettroni con uno stato di ossidazione di +1. L'idrogeno può anche perdere un elettrone ed esistere in uno stato di ossidazione -1 quando si combina con metalli del gruppo 1 per formare metallo idruri, come NaH e LiH, ma nella maggior parte dei casi, come quando si combina con il carbonio, è sempre nell'ossidazione +1 stato.
Per calcolare lo stato di ossidazione del carbonio nella molecola di metano, tratti ogni legame carbonio-idrogeno come se fosse ionico. La molecola non ha carica netta, quindi la somma di tutti i legami carbonio-idrogeno deve essere 0. Ciò significa che l'atomo di carbonio dona quattro elettroni, il che rende il suo stato di ossidazione -4.
Lo stato di ossidazione del carbonio cambia quando si brucia metano
Quando si combina il metano con l'ossigeno, i prodotti sono anidride carbonica, acqua ed energia sotto forma di calore e luce. L'equazione bilanciata per questa reazione è
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + energia
Il carbonio subisce un drammatico cambiamento nel suo stato di ossidazione in questa reazione. Mentre il suo numero di ossidazione nel metano è -4, nell'anidride carbonica è +4. Questo perché l'ossigeno è un accettore di elettroni che ha sempre uno stato di ossidazione di -2, e ci sono due atomi di ossigeno per ogni atomo di carbonio in CO2. Lo stato di ossidazione dell'idrogeno, invece, rimane invariato.