Hvordan løse oksidasjonstilstanden til CH4

Konseptet oksidasjon i kjemi er noe forvirrende, hovedsakelig fordi det foregår en forståelse av atomets struktur og hvordan kjemiske reaksjoner oppstår. Begrepet stammer fra kjemikere som analyserte reaksjoner som involverte oksygen, som var det første kjente oksidasjonsmiddelet.

For moderne kjemikere som er kjent med utveksling av elektroner i reaksjoner, refererer oksidasjon til tap av elektroner og reduksjon til gevinst av elektroner. Den moderne definisjonen gjelder reaksjoner som involverer oksygen så vel som de som ikke gjør det, for eksempel produksjon av metan (CH₄) fra karbon og hydrogen. Når du tilfører oksygen til metan for å produsere karbondioksid og vann, er det også oksidasjon. Karbonatomet mister elektroner, og oksidasjonstilstanden endres mens oksygenatomene får elektroner og reduseres. Dette er kjent som en redoksreaksjon.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Oksidasjonstilstanden for karbon i metanmolekylet er -4 mens hydrogen er +1.

På grunn av de fire valenselektronene kan karbon eksistere i en rekke oksidasjonstilstander, fra +4 til -4. Derfor danner det så mange forbindelser, mer enn noe annet element. For å bestemme tilstanden i en bestemt forbindelse, må du generelt se på bindingene den danner med de andre elementene i forbindelsen.

Hydrogen har bare ett valenselektron, og siden det elektronet er i sitt første skall, trenger det bare ett elektron for å fylle skallet. Dette gjør det til en elektronattraktor med en oksidasjonstilstand på +1. Hydrogen kan også miste et elektron og eksistere i -1 oksidasjonstilstand når det kombineres med metaller fra gruppe 1 for å danne metall hydrider, som NaH og LiH, men i de fleste tilfeller, for eksempel når det kombineres med karbon, er det alltid i +1-oksidasjonen stat.

For å beregne oksidasjonstilstanden for karbon i metanmolekylet, behandler du hver karbon-hydrogenbinding som om den var ionisk. Molekylet har ingen nettolading, så summen av alle karbon-hydrogenbindinger må være 0. Dette betyr at karbonatomet donerer fire elektroner, noe som gjør oksidasjonstilstanden -4.

Når du kombinerer metan med oksygen, er produktene karbondioksid, vann og energi i form av varme og lys. Den balanserte ligningen for denne reaksjonen er

CH₄ + 2 O₂ -> CO₂ + 2 H₂O + energi

Karbon gjennomgår en dramatisk endring i oksidasjonstilstanden i denne reaksjonen. Mens oksidasjonsnummeret i metan er -4, i karbondioksid er det +4. Det er fordi oksygen er en elektronakseptor som alltid har en oksidasjonstilstand på -2, og det er to oksygenatomer for hvert karbonatom i CO₂. Oksidasjonstilstanden til hydrogen, derimot, forblir uendret.