Oxidationsstufen bzw. Oxidationszahlen bestimmen

Im Rahmen des vorherigen Kapitels haben wir uns mit dem einfachen Redoxbegriff beschäftigt, danach sind Redoxreaktionen Reaktionen, bei denen Sauerstoff(atome) übertragen werden. Nicht jeder Redoxreaktion ist eine Sauerstoffübertragungsreaktion. Um zu “entschlüsseln”, ob es sich bei einer Reaktion um eine Redoxreaktion handelt, muss man sich die sogenannten Oxidationszahlen betrachten. Wie wir bei dem erweiterten Redoxbergiff sehen werde, ist eine Änderung von Oxidationszahlen das wesentliche Merkmal einer Redoxreaktion (und nicht ob Sauerstoff oder Wasserstoff übertragen wurde).

Ändert sich die Oxidationszahlen (bei der gleichen Atomsorte auf der Edukt und Produktseite) während einer chemischen Reaktion, dann liegt eine Redoxreaktion vor. So muss sich beispielsweise bei einer Säure-Base-Reaktion (Übertragung von Wasserstoffionen) keine Oxidationszahl einer Atomsorte ändern.

Für die Bestimmung von Oxidationszahlen (in der Anorganischen Chemie) gibt es -im wesentlichen- drei Regeln:

• Die Oxidationszahl eines Elementes oder einer neutralen Verbindung ist immer 0.  Dies gilt sowohl für Elemente, die aus einem Atom bestehen, wie z.B. Natrium als auch für Elemente, die aus zwei Atomen aufgebaut werden wie Sauerstoff O₂.

• Die Oxidationszahlen von Ionen oder komplexen Ionenverbindungen entsprechen immer der Ladungen.

Diese beiden Regeln beziehen sich immer auf ein Element oder eine Verbindung, die dritte Regel bezieht sich auf Atomsorten selbst. Damit die Oxidationszahlen von Atomen in Verbindungen bestimmt werden können, benötigt man sog. Bezugselemente

Dabei dürfen folgende Oxidationszahlen für die nachfolgenden Bezugselemente (in Verbindungen) verwendet werden

1. Oxidationszahl von Wasserstoff: + I (Ausnahme “Hydride” -I)
2. Oxidationszahl der Alkalimetalle: + I
3. Oxidationszahl der Erdalkalimetalle: + II
4. Oxidationszahl von Halogenen: – I (nur in “Halogeniden”, also -chloriden, -iodiden)
5. Oxidationszahl von Sauerstoff: – II (Ausnahme “Peroxide” -I)

Vorgehensweise – Bestimmung der Oxidationszahl

Die Bestimmung von Oxidationszahlen in der Chemie verläuft analog zur (mathematischen) Lösung eines Gleichungssystems mit einer oder mehrerer Unbekannten (in diesem Fall ist die “Unbekannte” nicht “x” oder “y”, sondern eine Oxidationszahl). Dazu betrachten wir im folgenden die Verbindung HS^–

1. Schritt:  Im ersten Schritt wird die “Gesamtoxidationszahl” der Verbindung bzw. des Ions bestimmt. Liegt eine chemische Verbindung ungeladen oder Stoffe elementar vor, so ist die (Gesamt-)Oxidationszahl der Verbindung 0. Liegt eine geladene Verbindung / Ion vor, so hat die (Gesamt-) Oxidationszahl der Verbindung /Ion, die gleiche Zahl, wie die Ladung beträgt. Mit dieser Zahl haben wir eine Seite des Gleichungssystems bereits aufgestellt:   (Gesamt-)Oxidationszahl =

HS^–:  einfach negativ geladenes “Verbindung”, => (Gesamt)Oxidationszahl: – I

2. Schritt: Nun werden die einzelnen Atomsorten bzw. deren Oxidationszahl auf der anderen Seite des “Gleichheitszeichens” aufsummiert. Dabei muss berücksichtigt werden, wie oft die gleiche Atomsorte in der Verbindung vorkommt.

HS^–:  enthält 1 x H und 1 x S, -I =  1 x Ox-Zahl (H) + 1 x Ox-Zahl (S)

3. Schritt: Da für einige “Atomsorten” (vor allem Nebengruppenelemente) mehrere Oxidationszahlen möglich sind, sind im dritten Schritt in dem Gleichungssystem die entsprechenden Oxidationszahlen von Bezugselementen einzusetzen, um die Gleichung zu vereinfachen.

-I =  1 x Ox-Zahl (H) + 1 x Ox-Zahl (S)  =   1 x  (+I)  +  1 x Ox-Zahl (S)

4. Schritt: Anschließend wird -wie in der Mathematik- nach der Unbekannten in dem Gleichungssystem aufgelöst

-I  =   1 x  (+I)  +  1 x Ox-Zahl (S)  =>  -I  +  (-I)  = Ox-Zahl (S) =  -II

Beispiele für die Bestimmung von Oxidationszahlen in Verbindungen

Aufgabe 1: Bestimmung der Oxidationszahlen in der Verbindung H₂O

1. Schritt: Wasser ist eine neutrale Verbindung, die Gesamtoxidationszahl ist 0, d.h. die Summe aus Ox-Zahl (H) und Ox-Zahl (O) = 0.

2. Schritt:  0 =  2 · Ox-Zahl (H)  +  1 · Ox-Zahl (O)

3. Schritt: Einsetzen der Oxidationszahlen von Bezugselementen: Sowohl das H als auch das O-Atom sind Bezugselemente, H: +I und O: – II, daraus folgt:        0 =  2 · (+ I)  +  1 · (-II)

4. Schritt: Gleichung lösen. Da wir keine Atomsorte mit einer unbekannten Oxidationszahl vorliegen haben, ist die Ausgabe gelöst. Das wir richtig gerechnet haben, zeigt auch die Lösung der Gleichung  0 = 0.

Aufgabe 2: Bestimmung der Oxidationszahlen in der Verbindung MnO₂

1. Schritt: Braunstein ist eine neutrale Verbindung, die Gesamtoxidationszahl ist 0, d.h. die Summe aus Ox-Zahl (M) und Ox-Zahl (O) = 0.

2. Schritt:  0 =  1 · Ox-Zahl (Mn)  +  2 · Ox-Zahl (O)

3. Schritt: Einsetzen der Oxidationszahlen von Bezugselementen. Das O-Atom ist ein Bezugselement, O: – II, daraus folgt:    0 =  1 · Ox-Zahl (Mn)  +  2 · (-II)

4. Schritt: Gleichung lösen.  0 =  1 · Ox-Zahl (Mn)  +  2 · (-II)  =>  0 = 1 · Ox-Zahl (Mn)  –   IV   =>   1 · Ox-Zahl (Mn)  =  +   IV. Die Oxidationszahl von Mangan in Braunstein ist also – IV (+ 4).

Einige zusätzliche Hinweise:

• Die positive Oxidationszahl eines Hauptgruppenelements ist nicht größer als seine Hauptgruppennummer. Dies liegt daran, dass die Elektronen aus der darunterliegenden Schale nur schwer herausgelöst werden können.
• Die maximale negative Oxidationszahl eines Hauptgruppenelements beträgt 8 – Hauptgruppennummer.

Oxidationsstufen bzw. Oxidationszahlen bestimmen – Testfragen/-aufgaben

1. Wie kann die Oxidationszahl eines Elements in einer Verbindung bestimmt werden?

Die Oxidationszahl eines Elements in einer Verbindung wird durch die Anzahl der Elektronen bestimmt, die es gewinnt oder verliert, wenn es eine Verbindung bildet. Sie kann negativ, positiv oder null sein.

2. Was bedeutet es, wenn ein Element eine positive Oxidationszahl hat?

Wenn ein Element eine positive Oxidationszahl hat, bedeutet dies, dass es Elektronen verloren hat. Es wird als oxidiert angesehen.

3. Was ist die Oxidationszahl eines Elements in seinem elementaren Zustand?

Die Oxidationszahl eines Elements in seinem elementaren Zustand ist immer null.

4. Was sind die Oxidationszahlen der Elemente in NaCl?

Die Oxidationszahlen der Elemente in NaCl sind +1 für Na und -1 für Cl.

5. Wie verändert Sauerstoff in den meisten Verbindungen die Oxidationszahl?

Sauerstoff hat in den meisten Verbindungen eine Oxidationszahl von -2, es erhöht also die Oxidationszahl der anderen Elemente in der Verbindung.

6. Was ist die Oxidationszahl von Wasserstoff in einer Verbindung?

Die Oxidationszahl von Wasserstoff in einer Verbindung ist in der Regel +1.

7. Wie bestimmt man die Gesamtzahl der Oxidationszahlen in einer neutralen Verbindung?

Die Gesamtzahl der Oxidationszahlen in einer neutralen Verbindung muss null sein.

8. Was ist die Oxidationszahl von Eisen in Fe2O3?

Die Oxidationszahl von Eisen in Fe2O3 ist +3.

9. Wie verändert Fluor in einer Verbindung die Oxidationszahl?

Fluor hat immer eine Oxidationszahl von -1 in einer Verbindung, es verringert also die Oxidationszahl der anderen Elemente in der Verbindung.

10. Was ist die Oxidationszahl von Stickstoff in NH3?

Die Oxidationszahl von Stickstoff in NH3 ist -3.