Pojęcie utleniania w chemii jest nieco mylące, głównie dlatego, że poprzedza zrozumienie struktury atomu i sposobu zachodzenia reakcji chemicznych. Termin powstał, gdy chemicy analizowali reakcje z udziałem tlenu, który był pierwszym znanym środkiem utleniającym.
Dla współczesnych chemików zaznajomionych z wymianą elektronów w reakcjach, utlenianie odnosi się do utraty elektronów i redukcji do wzmocnienia elektronów. Współczesna definicja odnosi się zarówno do reakcji z udziałem tlenu, jak i bez, takich jak produkcja metanu (CH4) z węgla i wodoru. Kiedy dodajesz tlen do metanu, aby wytworzyć dwutlenek węgla i wodę, jest to również utlenianie. Atom węgla traci elektrony, a jego stopień utlenienia zmienia się, podczas gdy atomy tlenu zyskują elektrony i ulegają redukcji. Nazywa się to reakcją redoks.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Stopień utlenienia węgla w cząsteczce metanu wynosi -4, a wodoru +1.
Stan utlenienia węgla w metanie
Ze względu na cztery elektrony walencyjne węgiel może występować na różnych stopniach utlenienia, od +4 do -4. Dlatego tworzy tak wiele związków, więcej niż jakikolwiek inny pierwiastek. Aby określić jego stan w konkretnym związku, zazwyczaj musisz przyjrzeć się wiązaniom, które tworzy z innymi pierwiastkami w związku.
Wodór ma tylko jeden elektron walencyjny, a ponieważ ten elektron znajduje się w swojej pierwszej powłoce, potrzebuje tylko jednego elektronu do wypełnienia powłoki. To sprawia, że jest atraktorem elektronów o stopniu utlenienia +1. Wodór może również stracić elektron i istnieć na stopniu utlenienia -1, gdy łączy się z metalami grupy 1, tworząc metal wodorki, takie jak NaH i LiH, ale w większości przypadków, np. gdy łączy się z węglem, jest zawsze w utlenianiu +1 stan.
Aby obliczyć stopień utlenienia węgla w cząsteczce metanu, traktujesz każde wiązanie węgiel-wodór tak, jakby było jonowe. Cząsteczka nie ma ładunku netto, więc suma wszystkich wiązań węgiel-wodór musi wynosić 0. Oznacza to, że atom węgla oddaje cztery elektrony, co powoduje, że jego stan utlenienia wynosi -4.
Stan utlenienia węgla zmienia się podczas spalania metanu
Kiedy połączysz metan z tlenem, produktami są dwutlenek węgla, woda i energia w postaci ciepła i światła. Zrównoważone równanie dla tej reakcji to
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 godz2O + energia
W tej reakcji węgiel ulega dramatycznej zmianie w stanie utlenienia. Podczas gdy jego stopień utlenienia w metanie wynosi -4, w dwutlenku węgla jest to +4. Dzieje się tak, ponieważ tlen jest akceptorem elektronów, który zawsze ma stopień utlenienia -2, a na każdy atom węgla w CO przypada dwa atomy tlenu2. Z drugiej strony stan utlenienia wodoru pozostaje niezmieniony.
