Oxidationszahl

Oxidationszahl
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Elektronegativität		Wertigkeit

Grundlagen

Sofern nicht mehr geläufig, solltest Du zunächst die folgenden Fachbegriffe wiederholen:

• Wertigkeit
• Elektronegativität
• Oxidation
• Reduktion
• Redoxreaktion

Allgemeine Definition von Oxidationszahlen

Unter der Oxidationszahl (auch: Oxidationsstufe) eines Elements versteht man die Ladung, die ein Atom des Elements hätte, wenn die Elektronen aller von diesem Atom ausgehenden Bindungen dem jeweils stärker elektronegativeren Atom zugeordnet werden. Die Oxidationszahl entspricht also vom Zahlenwert der Wertigkeit aber wird im Unterschied zu dieser mit Vorzeichen (+/-) angegeben.

Schreibweise

Oxidationszahlen werden in römischen Ziffern über dem jeweilige Atom angegeben. Bei negativer Ladung werden Vorzeichen gesetzt, bei positiver OZ kann darauf verzichtet werden. Beispiel Wasser:

 I -II
H₂O

Anwendung der Oxidationszahlen

Oxidationszahlen helfen,

• die Ladungsverschiebung innerhalb eines Moleküls zu bestimmen
• die Indices für die Summenformeln innerhalb einer chem. Verbindung abzuleiten.
• zu erkennen, welches Element oxidiert bzw. reduziert wurde: eine Elektronen-Abgabe geht mit einer Erhöhung der Oxidationszahl einher (= Oxidation), bei einer Elektronen-Aufnahme wird die Oxidationszahl verringert (= Reduktion).

Regeln zur Ermittlung von Oxidationszahlen

Ordnet man formal die Bindungselektronen dem elektronegativeren Atom zu, ergeben sich folgende Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahlen. Die Regeln sind hierarchisch, d. h. in der vorgegebenen Reihenfolge anzuwenden:

1. Atome im elementaren Zustand und ungeladene Moleküle haben die Oxidationszahl Null, z. B.: C, Si, N₂, Fe.
2. Fluor hat als elektronegativstes Element in seinen Verbindungen die Oxidationszahl –I.
3. Metalle in ihren Verbindungen besitzen positive Oxidationsstufen.
4. Wasserstoff hat in seinen Verbindungen die Oxidationszahl +I.
   Ausnahme: in Metall-Hydriden -I, weil erst die 3. Regel zu beachten ist. Beispiel: LiH.
5. Sauerstoff hat in Verbindungen die Oxidationszahl –II.
   Ausnahmen: in Verbindungen mit Fluor pos. Oxidationszahl wg. 2. Regel; in Peroxiden wie H₂O₂ Ox. +I für H u. –I für O, weil die 4. Regel von höherem Rang ist.
6. Die Ladung von Ionen entspricht ihrer Oxidationszahl, in mehratomigen Ionen als Summe der Oxidationszahlen aller Atome.

H₃PO₄

Bestimmung der Oxidationszahlen am Beispiel von Phosphorsäure

1. Als erstes wird die Strukturformel aufgezeichnet.
2. Nun werden die Elektronegativitäten (EN) innerhalb der Verbindung bestimmt und durch Einzeichnen roter Klammern am elektronegativeren Atom kenntlich gemacht:
   Da Sauerstoff (O) eine höhere EN als Phosphor (P) und Wasserstoff (H) besitzt und somit die Elektronen stärker an sich heranziehen kann, folgt, dass Sauerstoff formal eine negative Ladung trägt.
3. Regeln 1-5 der Reihe nach abarbeiten:
   Regeln 1-3 treffen für H₃PO₄ nicht zu, da hier die entsprechenden Elemente nicht vorkommen.
   Gemäß Regel 4 gilt, dass Wasserstoff die Oxidationszahl I hat. Nach der 5. Regel trägt Sauerstoff die Oxidationszahl -II.
   Ausnahmen liegen nicht vor, da Phosphorsäure weder ein Metall-Hydrid noch ein Peroxid ist.
   Da die Summe aller Oxidationszahlen gleich Null sein muss, kann man errechnen, das Phosphor eine Oxidationszahl von V (fünf) hat. Probe: 4 · (-2) + 3 · 1 + 5 = 0

Oxidationszahlen des Kohlenstoffs

Am Beispiel des Kohlenstoffs wird deutlich, wie groß die Bandbreite der Oxidationszahlen für ein Element sein kann:

-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4
CH4 Methan		CH3OH Methanol		CH2O Methanal		HCOOH Methansäure		CO2 Kohlendioxid
	RCH3		RCH2OH prim. Alkohol		RCHO Aldehyd		RCOOH Carbonsäure
		R2CH2		R2CHOH sec. Alkohol		R2CO Keton
			R3CH		R3COH tert. Alkohol
				R4C

Oxidation

• Im Kohlenwasserstoff Methan, CH₄ hat das C-Atom die niedrigste Oxidationszahl -IV.
• Reaktionspartner, die wie Sauerstoff eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff besitzen, verdrängen diesen aus seiner C-Bindung.
• Durch jedes verdrängte H-Atom (inklusive seines Elektrons) steigt die Oxidationszahl um I.
• Je nach Reaktionsbedingungen verläuft dieser Prozess in der Natur über lediglich eine Stufe bis hin zu einem "Achtersprung", z. B. bei der vollständigen Verbrennung von Methan (C mit der OZ -IV) entsteht Kohlendioxid (C mit der OZ IV). Bei unvollständiger Verbrennung (Sauerstoffmangel) entsteht Ruß, d.h. elementarer Kohlenstoff mit der OZ Null, hier geht die Oxidation nur über vier Stufen.

Übungsaufgaben

Ermittle die Oxidationszahlen der folgenden Atome in folgenden Verbindungen und Ionen!

Aufgabe 1

Cl₂, H₂S, H₂O₂, CO₂, ClO₂, HNO₃, CH₄, SiH₄, NH₃, P₄O₁₀

Hier findet ihr die Lösungen

Aufgabe 2

Fe³⁺, NaH, H₃O⁺, KMnO₄, CrO₄^2-, Cr₂O₇^2-, KClO₃, S₂O₃^2-

Hier findet ihr die Lösungen

Aufgabe 3

Methanol, Formaldehyd, Ameisensäure, Benzol, Propan, Glucose, Propanon, Chloroform

Hier findet ihr die Lösungen

Aufgabe 4

Ermittle die Oxidationszahlen für die folgenden Lebensvorgänge bzw. Stoffwechselreaktionen. Formuliere zunächst die Reaktionsgleichungen:

• a) Atmung als Oxidation organischer Stoffe am Beispiel Glucose.
• b) „Schwefelatmung“ der Archae-Bakterien, die Glucose mit Schwefel und Wasser zu Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid umsetzen. Der Schwefel wird bei dieser Reaktion reduziert.

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Hier findet ihr die Lösungen

Experiment

Zur Veranschaulichung ein sehr empfehlenswertes Experiment, bei der die verschiedenen Oxidationsstufen von Mangan optisch unterschieden werden können:

• Veranschaulichung der verschiedenen Oxidationsstufen von Mangan durch oxidierende Wirkung der Permanganat-Ionen in Abhängigkeit vom pH-Wert (Hinweis), in: Chemie heute (Ausgabe 1998), Seite 136, Versuch 2

PowerPoint Präsentation

Hier findet ihr unsere PowerPoint Präsentation zum Thema Oxidationszahlen.

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen zum Thema Oxidationszahl:
Chemie FOS-T     auf Seite 168	Chemie heute     auf Seite 130	Elemente Chemie     auf Seite 230

Weblinks

• Oxidationszahl als Google-Suchbegriff
• Oxidationszahl in der Wikipedia
• Oxidationszahl hier in bs-wiki.de mit Google
• Oxidationszahl als Youtube-Video
• www.tomchemie.de

Autoren

1. Lena
2. Rike