Концепция окисления в химии несколько запутана, главным образом потому, что она предшествует пониманию структуры атома и того, как происходят химические реакции. Термин возник, когда химики анализировали реакции с участием кислорода, который был первым известным окислителем.

Для современных химиков, знакомых с обменом электронами в реакциях, окисление относится к потере электронов и сокращению до выигрыша электронов. Современное определение относится к реакциям, в которых участвует кислород, а также к реакциям, в которых нет, таких как производство метана (CH4) из углерода и водорода. Когда вы добавляете кислород к метану для производства углекислого газа и воды, это тоже окисление. Атом углерода теряет электроны, и его состояние окисления изменяется, в то время как атомы кислорода приобретают электроны и восстанавливаются. Это известно как окислительно-восстановительная реакция.

Степень окисления углерода в метане

Из-за четырех валентных электронов углерод может существовать в различных степенях окисления, в диапазоне от +4 до -4. Вот почему он образует так много соединений, больше, чем любой другой элемент. Чтобы определить его состояние в конкретном соединении, вы обычно должны смотреть на связи, которые он образует с другими элементами в соединении.

Водород имеет только один валентный электрон, и поскольку этот электрон находится в своей первой оболочке, ему нужен только один электрон для заполнения оболочки. Это делает его электронным аттрактором со степенью окисления +1. Водород также может терять электрон и существовать в состоянии окисления -1, когда он объединяется с металлами группы 1 с образованием гидридов металлов, таких как NaH и LiH, но в большинстве случаев, например, когда он соединяется с углеродом, он всегда находится в + 1 степень окисления.

Чтобы вычислить степень окисления углерода в молекуле метана, вы рассматриваете каждую углерод-водородную связь, как если бы она была ионной. Молекула не имеет чистого заряда, поэтому сумма всех углерод-водородных связей должна быть равна 0. Это означает, что атом углерода отдает четыре электрона, что делает его состояние окисления -4.

Состояние окисления углерода изменяется при сжигании метана

Когда вы объединяете метан с кислородом, продукты - это углекислый газ, вода и энергия в форме тепла и света. Сбалансированное уравнение для этой реакции

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + энергия

Углерод претерпевает резкое изменение степени окисления в этой реакции. В то время как его степень окисления в метане составляет -4, в углекислом газе - +4. Это потому, что кислород является акцептором электронов, который всегда имеет степень окисления -2, и на каждый атом углерода в СО2 приходится два атома кислорода. Степень окисления водорода, с другой стороны, остается неизменной.