Het concept van oxidatie in de chemie is enigszins verwarrend, vooral omdat het ouder is dan een begrip van de structuur van het atoom en hoe chemische reacties plaatsvinden. De term is ontstaan toen chemici reacties analyseerden waarbij zuurstof betrokken was, het eerste bekende oxidatiemiddel.
Voor moderne chemici die bekend zijn met de uitwisseling van elektronen in reacties, verwijst oxidatie naar het verlies van elektronen en reductie naar de winst van elektronen. De moderne definitie is van toepassing op reacties waarbij zowel zuurstof betrokken is als reacties waarbij dat niet het geval is, zoals de productie van methaan (CH4) uit koolstof en waterstof. Wanneer je zuurstof aan methaan toevoegt om koolstofdioxide en water te produceren, is dat ook oxidatie. Het koolstofatoom verliest elektronen en de oxidatietoestand verandert terwijl de zuurstofatomen elektronen krijgen en worden gereduceerd. Dit staat bekend als een redoxreactie.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
De oxidatietoestand van koolstof in het methaanmolecuul is -4, terwijl die van waterstof +1 is.
De oxidatietoestand van koolstof in methaan
Vanwege de vier valentie-elektronen kan koolstof in verschillende oxidatietoestanden voorkomen, variërend van +4 tot -4. Daarom vormt het zoveel verbindingen, meer dan enig ander element. Om de toestand in een bepaalde verbinding te bepalen, moet je over het algemeen kijken naar de bindingen die het vormt met de andere elementen in de verbinding.
Waterstof heeft maar één valentie-elektron en aangezien dat elektron zich in zijn eerste schil bevindt, heeft het maar één elektron nodig om de schil te vullen. Dit maakt het een elektronenaantrekker met een oxidatietoestand van +1. Waterstof kan ook een elektron verliezen en in een oxidatietoestand van -1 voorkomen wanneer het wordt gecombineerd met metalen uit groep 1 om metaal te vormen hydriden, zoals NaH en LiH, maar in de meeste gevallen, zoals wanneer het wordt gecombineerd met koolstof, bevindt het zich altijd in de +1 oxidatie staat.
Om de oxidatietoestand van koolstof in het methaanmolecuul te berekenen, behandel je elke koolstof-waterstofbinding alsof het ionisch is. Het molecuul heeft geen netto lading, dus de som van alle koolstof-waterstofbindingen moet 0 zijn. Dit betekent dat het koolstofatoom vier elektronen afstaat, waardoor de oxidatietoestand -4 wordt.
De oxidatietoestand van koolstof verandert wanneer je methaan verbrandt
Wanneer je methaan combineert met zuurstof, zijn de producten koolstofdioxide, water en energie in de vorm van warmte en licht. De gebalanceerde vergelijking voor deze reactie is
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + energie
Bij deze reactie ondergaat koolstof een dramatische verandering in de oxidatietoestand. Terwijl het oxidatiegetal in methaan -4 is, is het in koolstofdioxide +4. Dat komt omdat zuurstof een elektronenacceptor is die altijd een oxidatietoestand van -2 heeft, en er zijn twee zuurstofatomen voor elk koolstofatoom in CO2. De oxidatietoestand van waterstof daarentegen blijft onveranderd.