מושג החמצון בכימיה הוא מעט מבלבל, בעיקר משום שהוא מקדים את ההבנה של מבנה האטום וכיצד מתרחשות תגובות כימיות. המונח מקורו כאשר כימאים ניתחו תגובות הקשורות לחמצן, שהיה חומר החמצון הידוע הראשון.
לכימאים מודרניים שמכירים את חילופי האלקטרונים בתגובות, חמצון מתייחס לאובדן אלקטרונים וצמצום לרווח האלקטרונים. ההגדרה המודרנית חלה על תגובות הכוללות חמצן כמו גם על אלו שאינן, כגון ייצור מתאן (CH4) מפחמן ומימן. כשמוסיפים חמצן למתאן כדי לייצר פחמן דו חמצני ומים, זה גם חמצון. אטום הפחמן מאבד אלקטרונים, ומצב החמצון שלו משתנה בזמן שאטומי החמצן צוברים אלקטרונים ומופחתים. זה ידוע כתגובת חמצון.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
מצב החמצון של הפחמן במולקולת המתאן הוא -4 ואילו המימן הוא +1.
מצב החמצון של פחמן במתאן
בגלל ארבעת אלקטרוני הערכיות שלו, פחמן יכול להתקיים במגוון מצבי חמצון, שנע בין +4 ל -4. לכן הוא יוצר כל כך הרבה תרכובות, יותר מכל יסוד אחר. כדי לקבוע את מצבו במתחם מסוים, בדרך כלל עליכם לבחון את הקשרים שהוא יוצר עם שאר האלמנטים במתחם.
למימן יש רק אלקטרון ערכי אחד, ומכיוון שאלקטרון זה נמצא בקליפה הראשונה שלו, הוא זקוק רק לאלקטרון אחד כדי למלא את הקליפה. זה הופך אותו למושך אלקטרונים עם מצב חמצון של +1. מימן יכול גם לאבד אלקטרון ולהתקיים במצב חמצון -1 כאשר הוא משלב עם מתכות מקבוצה 1 ליצירת מתכת הידרידים, כגון NaH ו- LiH, אך ברוב המקרים, למשל כאשר הוא משולב עם פחמן, זה תמיד בחמצון +1 מדינה.
כדי לחשב את מצב החמצון של הפחמן במולקולת המתאן, אתה מתייחס לכל קשר פחמן-מימן כאילו הוא יוני. למולקולה אין מטען נטו, ולכן סכום כל קשרי הפחמן-מימן צריך להיות 0. משמעות הדבר היא כי אטום הפחמן תורם ארבעה אלקטרונים, מה שהופך את מצב החמצון שלו ל -4.
מצב החמצון של פחמן משתנה כשאתה שורף מתאן
כשמשלבים מתאן עם חמצן, המוצרים הם פחמן דו חמצני, מים ואנרגיה בצורת חום ואור. המשוואה המאוזנת לתגובה זו היא
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2אנרגיה O +
פחמן עובר שינוי דרמטי במצב החמצון בתגובה זו. בעוד שמספר החמצון שלו במתאן הוא -4, בפחמן הדו חמצני זה +4. זה בגלל שחמצן הוא מקבל אלקטרונים שתמיד יש לו מצב חמצון -2, ויש שני אטומי חמצן לכל אטום פחמן ב- CO2. לעומת זאת, מצב החמצון של מימן נותר ללא שינוי.