Redoxgleichungen

Oxidationszahlen (Oxidationsstufen)

• Regeln zur Festlegung der Oxidationszahlen
• Oxidationsstufen einiger Hauptgruppenelemente
  Oxidation und Reduktion - Redoxreaktionen - 

• Beispiele:
  • Redoxreaktionen in saurer Lösung
  • Redoxreaktionen in basischer Lösung
  • Disproportionierungsreaktionen

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  Oxidationszahlen (Oxidationsstufen)

  Für jedes Atom in einer Verbindung kann eine Oxidationszahl festgelegt werden. In ionischen Verbindungen ist die Oxidationszahl gleich der Ladung des Ions:

  

  Bei kovalenten Verbindungen schlägt man die Bindungselektronen rechnerisch dem elektronegativeren Atom zu (formale heterolytische Spaltung); dieses erhält also eine negative, der Bindungspartner eine positive Oxidationszahl:

  

• Regeln zur Festlegung der Oxidationszahlen
  Für die Ermittlung der Oxidationszahlen gelten folgende Regeln:
  1. In Elementverbindungen (H₂, N₂, Cl₂, usw.) ist die Oxidationszahl Null.
  2. Die Summe der Oxidationszahlen in einer neutralen Verbindung ist Null.
  3. Die Summe der Oxidationszahlen eines Ions ist gleich seiner Ladung.
  4. Der elektronegativere Bindungspartner erhält die negative Oxidationszahl.
  5. Die Oxidationszahl des Sauerstoffs ist wegen seiner hohen Elektronegativität -2.
  6. Die Oxidationszahl des Wasserstoffs ist für das häufigste wenig elektronegative Nichtmetall +1.
  7. Die Bindung zwischen zwei gleichen Atomen wird zu gleichen Teilen
     zwischen den Atomen aufgeteilt
  8. Ausnahmen:

     

  Mit Hilfe dieser Regeln können die Oxidationszahlen der Atome in Verbindungen bestimmt werden:

  • Oxidationszahl des Phosphors in Phosphorsäure

    

    3·(+1) + x + 4·(-2) = 0, x = +5

  • Oxidationszahl des Stickstoffs im Ammoniumion

    

    4·(+)1 + x = +1, x = -3

  
  Die Ermittlung der Oxidationszahl folgt rein formalen Kriterien und dient letztlich der Aufstellung stöchiometrisch richtiger Reaktiongleichungen. Oxidationszahlen können deshalb durchaus auch unganzzahlig sein, was zwar keinen realen Hintergrund besitzt, aber trotzdem zu richtigen Reaktionsgleichungen führt. So wäre dem Eisen im Oxid Fe₃O₄ die Oxidationszahl +8/3 zuzuordnen. Genau genommen müßten die Oxidationszahlen den Ladungen der Ionen entsprechen, d.h.:

  

  da im Kristall Fe²⁺-, Fe³⁺- und O^2-- Ionen vorliegen. Zur Aufstellung stöchiometrisch richtiger Redoxgleichungen sind derart detaillierte Kenntnisse über die Natur der Substanz aber nicht unbedingt erforderlich.

  
  

• Oxidationsstufen einiger Hauptgruppenelemente

  

  Oxidation und Reduktion - Redoxreaktionen - 

  Erhöht ein Atom im Verlauf einer Reaktion seine Oxidationszahl, so wird es oxdiert (Elektronenabgabe). Entsprechend wird ein Atom bei der Erniedrigung seiner Oxidationszahl reduziert (Elektronenaufnahme). Dabei treten Oxidation und Reduktion nie für sich, sondern stets gekoppelt auf, d. h. es handelt sich um Elektronenübertragungsreaktionen, nämlich Redoxreaktionen.

• Beispiele

  An Hand einiger Beispiele soll nun die zweckmäßige Vorgehensweise beim Aufstellen von Redoxgleichungen behandelt werden.

  • Redoxreaktionen in saurer Lösung Beispiel 1:
    Setzt man in saurer Lösung Jodid mit Permanganat um, so werden Jod und Mangan(II)-Ionen gebildet:

    

    1. Mit Hilfe der Oxidationszahlen wird ermittelt, welche Teilchen oxidiert, welche reduziert werden:

    

    Die Veränderung der Oxidationszahlen gibt die Zahl der ausgetauschten Elektronen an. Vorher trennt man die Reaktion in Halbreaktionen, die jeweis den Oxidations- und den Reduktionsanteil beschreiben:

    

    2. Im zweiten Schritt wird die Zahl der bei den Halbreaktionen übergehenden Elektronen festgelegt:

    

    3. Im dritten Schritt muß die Stoffbilanz bezüglich gebundenen Wasserstoffs und Sauerstoffs ausgeglichen werden:

    

    In wäßriger Lösung kann hierzu keinesfalls O^2- dienen, denn letzteres setzt sich in Wasser vollständig nach O^2- + H₂O 2 OH^- um. Oxidionen treten aber durchaus in oxidischen Schmelzen auf.) In saurer Lösung stehen H₂O und H⁺, in alkalischer Lösung stehen H₂O und OH^- zur Verfügung.

    4. Die Zahl der abgegebenen Elektronen muß gleich der Zahl der aufgenommenen sein. Die erste Gleichung wird mit 2, die zweite mit 5 multipliziert.

    

    5. Die Teilgleichungen werden addiert. Dabei entfallen die Elektronen. Oft vereinfacht sich die Gleichung dadurch, daß sich Reaktionspartner wie H⁺, OH^- oder H₂0 teilweise herauskürzen, Es ist zweckmäßig, an dieser Stelle die linke und rechte Seite der Gleichung auf Übereinstimmung der Ladungssummen (Ladungsbilanz) und im Hinblick auf die Stoffbilanz zu kontrollieren.

    

    6. In der Gleichung sind nur die reagierenden Teilchen aufgeführt. Jodid wird aber z.B. als Kaliumjodid, Permanganat als Kaliumpermanganganat und die Säure als Schwefelsäure eingesetzt. Aus der Redoxgleichung in Ionenform wird die Bruttogleichung, indem man statt Ionen Verbindungen einsetzt.

    Beispiel 2:
    Bei der Auflösung von Kupfer in Salpetersäure geht Kupfer als Cu²⁺ in Lösung; gleichzeitig entsteht Stickstoffdioxid.

    

  • Redoxreaktionen in basischer Lösung In alkalischem Medium kann die Stoffbilanz nur mit OH^--Ionen und H₂O-Molekülen vervollständigt werden. Die Oxidation von Sulfit zu Sulfat wäre dann zu formulieren:

    

    In sauer Lösung ist zulässig die Verwendung von H₂O und H⁺, nicht von OH^- und O₂^2-; in basischer Lösung die Verwendung von H₂O und OH^-, nicht von H⁺ und O₂^2-.

  • DisproportionierungEin Spezialfall einer Redoxreaktion liegt vor, wenn eine Substanz gleichzeitig teils oxidiert, teils reduziert wird. Man spricht dann von Disproportionierung.

    Beispiel:
    Gibt man Brom zu Natronlauge, so entstehen nebeneinander Bromid- und Bromationen; ein Teil des Br₂ ist zum Br^- reduziert, der andere Teil zu BrO₃^- oxidiert worden:

    

    Brom disproportioniert also in alkalischer Lösung zu Bromid und Bromat im Verhältnis 5:1.

  Die Aufstellung von Redoxgleichungen ist ein Formalismus der nur stöchiometrisch zutreffende Gleichungen zum Ziel hat. Die oft komplizierte Stöchiometrie hat nichts mit dem tatsächlichen Ablauf der Reaktion auf molekularer Ebene, dem Reaktionsmechanismus, zu tun. - Im übrigen lassen sich mit der Gleichungsaufstellung keine Reaktionsprodukte ermitteln; diese müssen wie bei allen Reaktionsgleichungen ebenso wie die Ausgangsstoffe bekannt sein, d.h. sie wurden irgendwann experimentell ermittelt.

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  Last Updated by Dr. Allwissend on 20.12.1999
  © 1998-1999 by Prof. Dr. Gernot Reininger and Prof. Dr. Volker Schubert, University of Paderborn