Hur man löser oxidationstillståndet för CH4

Begreppet oxidation inom kemi är något förvirrande, främst för att det föregår en förståelse av atomens struktur och hur kemiska reaktioner uppstår. Uttrycket har sitt ursprung i att kemister analyserade reaktioner som involverade syre, vilket var det första kända oxidationsmedlet.

För moderna kemister som är bekanta med utbytet av elektroner i reaktioner hänvisar oxidation till förlust av elektroner och minskning till elektronernas förstärkning. Den moderna definitionen gäller reaktioner som involverar syre såväl som de som inte gör det, såsom produktion av metan (CH₄) från kol och väte. När du tillsätter syre till metan för att producera koldioxid och vatten, är det också oxidation. Kolatomen förlorar elektroner och dess oxidationstillstånd ändras medan syreatomerna får elektroner och reduceras. Detta är känt som en redoxreaktion.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Oxidationstillståndet för kol i metanmolekylen är -4 medan väte är +1.

På grund av dess fyra valenselektroner kan kol existera i en mängd olika oxidationstillstånd, från +4 till -4. Det är därför det bildar så många föreningar, mer än något annat element. För att bestämma dess tillstånd i en viss förening måste du i allmänhet titta på bindningarna som den bildar med de andra elementen i föreningen.

Väte har bara en valenselektron, och eftersom den elektronen är i sitt första skal behöver den bara en elektron för att fylla skalet. Detta gör det till en elektronattraktor med ett oxidationstillstånd på +1. Väte kan också förlora en elektron och förekomma i -1 oxidationstillstånd när det kombineras med grupp 1-metaller för att bilda metall hydrider, som NaH och LiH, men i de flesta fall, som när det kombineras med kol, är det alltid i +1-oxidationen stat.

För att beräkna oxidationstillståndet för kol i metanmolekylen behandlar du varje kol-vätebindning som om den vore jonisk. Molekylen har ingen nettoladdning, så summan av alla kol-vätebindningar måste vara 0. Det betyder att kolatomen donerar fyra elektroner, vilket gör dess oxidationstillstånd -4.

När du kombinerar metan med syre är produkterna koldioxid, vatten och energi i form av värme och ljus. Den balanserade ekvationen för denna reaktion är

CH₄ + 2 O₂ -> CO₂ + 2 H₂O + energi

Kol genomgår en dramatisk förändring i dess oxidationstillstånd i denna reaktion. Medan dess oxidationsnummer i metan är -4, i koldioxid är det +4. Det beror på att syre är en elektronacceptor som alltid har ett oxidationstillstånd på -2, och det finns två syreatomer för varje kolatom i CO₂. Vätens oxidationstillstånd förblir däremot oförändrat.