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:
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
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
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: