Oxidationszahlen werden in der Chemie oft benötigt. Dabei sind Oxidationszahlen keine (echten) physikalische oder chemische Größen, sondern reine formale Hilfsgrößen. Laut der Definition “versteht” man unter der Oxidationszahl einer Atomsorte (in einer Verbindung) die Ladung, die die Atomsorte haben würde, wenn alle Bindungselektronen dem jeweils stärker elektronegativen Bindungspartner zugeordnet werden.
Bevor wir uns mit dem Begriff Oxidationszahl bzw. dessen Bedeutung befassen, eine kurze Begriffsverdeutlichung: Die Begriffe Oxidationszahl, Oxidationsstufe, Oxidationswert oder manchmal auch elektrochemische Wertigkeit haben alle die gleiche Bedeutung.
Wie eingangs erwähnt, ist die Oxidationszahl eine reine, formale (mathematische) Hilfsgröße, die vor allem bei der Aufstellung von Redoxreaktionen verwendet wird. Daher sollten Oxidationszahlen auch nicht mit (echten) Ladungen eines Ions verwechselt werden. Damit keine Verwechslung mit Ladungen auftreten, wird die Oxidationszahl dabei mit positivem bzw. negativen Vorzeichen über das Elementsymbol geschrieben und zwar mit römischen Ziffern.
Laut Definition versteht man unter der Oxidationszahl die formale Ladung eines Atoms in einer Verbindung, wenn diese Verbindung aus lauter Ionen aufgebaut wäre. Das bedeutet, bei der “Aufteilung” von Bindungselektronen zwischen den Bindungspartnern werden die Bindungselektronen vollständig dem elektronegativeren Atom zugeordnet. Anschließend wird die nun vorhandene (fiktive) Zahl an Außenelektronen mit der Zahl des neutralen Atoms verglichen.
Beispiel: Wasserstoffchlorid:
Die Bindungselektronen in H-Cl werden bei der Erstellung der Oxidationszahl vollständig dem Chloratom zugerechnet (elektronegativeres Atom). In dieser fiktiven Rechnung hat nun das Chloratom 8 Valenzelektronen und das Wasserstoffatom 0 Valenzelektronen. Da im neutralen Zustand das Chloratom 7 Valenzelektronen aufweist (7. Hauptgruppe), ist die Oxidationszahl (7 – 8) -I und die Oxidationszahl von Wasserstoff (1 – 0) +I in Wasserstoffchlorid.
Die Bedeutung von Oxidationszahlen ist enorm groß, da diese beispielsweise das Aufstellen von Redoxgleichungen zu erleichtern. Grundsätzlich kann mit Hilfe der Oxidationszahlen eine Redoxreaktion erkannt werden. Das eine Redoxreaktion auftrifft, zeigt sich daran, dass sich die Oxidationszahl einer Atomsorte erhöht, die Oxidationszahl einer anderen Atomsorte verringert. Der “Vorgang” der Erhöhung der Oxidationszahl wird als Oxidation bezeichnet, während die Reduzierung der Oxidationszahl eine Reduktion darstellt.
Die Oxidationszahl ist ein Maß dafür, wie viele Elektronen ein Atom in einer chemischen Bindung gewonnen oder verloren hat. Sie hilft, Redoxreaktionen zu analysieren.
Elemente in ihrem elementaren Zustand haben immer eine Oxidationszahl von 0.
In einer Redoxreaktion verliert das reduzierende Element Elektronen und die Oxidationszahl steigt, während das oxidierte Element Elektronen gewinnt und die Oxidationszahl sinkt.
Die Oxidationszahlen werden in chemischen Formeln als obere Indexzahl rechts vom Elementsymbol angegeben, gelegentlich auch innerhalb von eckigen Klammern.
Die Oxidationszahl von Wasserstoff in einer Verbindung ist normalerweise +1, außer in Metallhydriden, wo sie -1 ist.
Die Oxidationszahl von Sauerstoff in einer Verbindung ist typischerweise -2, außer in Peroxiden, wo sie -1 ist, und bei Verbindungen mit Fluor, wo sie positiv ist.
Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome in einer neutralen chemischen Verbindung muss 0 betragen. Bei Ionen muss die Summe der Oxidationszahlen allen Atome das Ladung des Ions entsprechen.
Wenn ein Element eine positive Oxidationszahl hat, bedeutet dies, dass es Elektronen verloren hat und es als oxidierendes Mittel wirken kann.
Wenn ein Element eine negative Oxidationszahl hat, bedeutet dies, dass es Elektronen gewonnen hat und als reduzierendes Mittel wirken kann.
Die Oxidationszahl von Eisen in Fe2O3 ist +3, da die Summe der Oxidationszahlen aller Atome in einer Verbindung 0 betragen muss und Sauerstoff eine Oxidationszahl von -2 hat.