Oxidationszahlen bestimmen

In der Chemie spricht man von Oxidation und Reduktion, wenn bei einer Reaktion einzelne Atome (oder ganze Gruppen) entsprechend Elektronen abgeben oder erhalten. Oxidationszahlen sind Zahlen die man einzelnen Atomen (oder Gruppen) zuweist, um die Übersicht darüber zu behalten, wie viele freie, übertragbare Elektronen vorhanden sind. Außerdem liefern sie darüber Auskunft, ob bestimmte Reaktionspartner oxidiert oder reduziert wurden. Die Oxidationszahlen zu bestimmen kann überraschend einfach bis zu einigermaßen schwierig sein, abhängig von der Ladung der Atome und der chemischen Verbindung von der sie Teil sind. Erschwerend kommt hinzu, dass einige Atome mehr als eine Oxidationszahl haben können. Glücklicherweise erfolgt die Zuweisung der Oxidationszahlen mittels einigen klar definierten und einfach zu befolgenden Regeln, obwohl grundlegende Kenntnisse der Chemie und Algebra die Anwendung dieser Regeln wesentlich erleichtern können.

Teil 1 von 2: Oxidationszahlen von Atomen mit Regeln bestimmen

  1. Finde heraus ob der Stoff elementar ist. Freie, ungebundene elementare Atome besitzen immer die Oxidationszahl 0. Dies gilt sowohl für Atome, deren elementare Form aus einem einzelnen Atom besteht, als auch für Atome, deren elementare Form zwei- oder mehratomig ist.
    • Beispielsweise besitzen Al(s) und Cl2 jeweils die Oxidationszahl 0, weil sie in ihrer ungebundenen Elementarform vorhanden sind.
    • Beachte, dass die Elementarform von Schwefel, S8, obwohl sie unregelmäßig ist, auch die Oxidationszahl 0 besitzt.
  2. Finde heraus ob der Stoff ein Ion ist. Ionen besitzen dieselbe Oxidationszahl, wie ihre Ladung beträgt. Dies gilt für Ionen, die an keine weiteren Elemente geknüpft sind, und Ionen, die ein Teil einer Ionenbildung sind.
    • Beispielsweise besitzt das Ion Cl die Oxidationszahl -1.
    • Das Cl Ion besitzt immer noch die Oxidationszahl -1, wenn es Teil der Verbindung NaCl ist. Weil das Na Ion definitionsgemäß eine Ladung von +1 besitzt, wissen wir, dass das Cl Ion eine Ladung von -1 besitzen muss, seine Oxidationszahl ist also immer noch -1.
  3. Beachte, dass für Metall Ionen mehrere Oxidationszahlen möglich sind. Viele metallische Elemente können mehr als eine Ladung besitzen. Beispielsweise kann das Metall Eisen (Fe) ein Ion mit einer Ladung von entweder +2 oder +3 sein. Die Ladung der Metall Ionen kann bestimmt werden, indem man entweder die Ladungen anderer Atome in der Bindung berücksichtigt, oder sie werden in römischen Ziffern angegeben (wie im Satz: "Das Eisen(III) Ion besitzt eine Ladung von +3.")
    • Nehmen wir beispielsweise eine Bindung, die ein metallisches Aluminium Ion enthält. Die gesamte Ladung der Verbindung AlCl3 beträgt 0. Da wir wissen, dass Cl Ionen eine Ladung von -1 besitzen und es 3 Cl Ionen in der Bindung gibt, muss das Al Ion eine Ladung von +3 besitzen, um das auszugleichen. Somit beträgt die Oxidationszahl des Aluminium Ions +3.
  4. Vergib die Oxidationszahl -2 an Sauerstoff (mit Ausnahmen). In fast allen Fällen besitzen Sauerstoff Ionen die Oxidationszahl -2. Es gibt aber einige Ausnahmen:
    • Wenn Sauerstoff in seiner Elementarform (O2) vorkommt, beträgt seine Oxidationszahl 0, da dies für alle elementaren Atome der Fall ist.
    • Wenn Sauerstoff Teil eines Peroxid ist, beträgt seine Oxidationszahl -1. Peroxide sind eine Klasse von Stoffen, die Sauerstoff-Sauerstoff Einzelbindungen (oder das Peroxid-Anion O2) enthalten. Beispielsweise im Molekül H2O2 (Wasserstoffperoxid) besitzt der Sauerstoff die Oxidationszahl (und Ladung) -1. Wenn der Sauerstoff Teil eines Superoxids ist beträgt seine Oxidationszahl außerdem -0.5.
    • Wenn Sauerstoff mit Fluor gebunden ist, beträgt seine Oxidationszahl +2. Konsultiere die Fluor-Regel für eine Erklärung. In O2F2 beträgt sie +1.
  5. Vergib die Oxidationszahl +1 an Wasserstoff (mit Ausnahmen). Wie bei Sauerstoff, unterliegt die Oxidationszahl von Wasserstoff einigen Ausnahmen. Allgemein besitzt Wasserstoff die Oxidationszahl +1 (ausser, wie zuvor, es kommt in seiner elementaren Form vor, H2). Jedoch besitzt Wasserstoff in einigen speziellen Stoffen, namens Hybriden die Oxidationszahl -1.
    • Beispielsweise wissen wir, dass in H2O die Oxidationszahl des Wasserstoffs +1 beträgt, da Sauerstoff eine Ladung von -2 besitzt und wir 2 +1 Ladungen benötigen, um dies wieder auszugleichen. Jedoch besitzt Wasserstoff in Natriumhydrid die Oxidationszahl -1, da das Na Ion die Ladung +1 besitzt und damit die gesamte Ladung 0 ist, muss die Ladung des Wasserstoffs -1 betragen.
  6. Flur besitzt immer die Oxidationszahl -1. Wie bereits zuvor erwähnt, kann die Oxidationszahl eines bestimmten Element aufgrund verschiedener Faktoren variieren (Metall Ionen, Sauerstoff Ionen in Peroxiden, usw.), Fluor hingegen besitzt immer die Oxidationszahl -1. Dies liegt daran, dass Fluor das elektronegativste Element ist - in anderen Worten, es ist das Element, das am unwahrscheinlichsten seine Elektronen abgibt und am wahrscheinlichsten weitere Elektronen aufnimmt. Deshalb verändert sich seine Ladung nicht.
  7. Die Oxidationszahl einer Verbindung entspricht seiner Ladung. Die Oxidationszahlen aller Atome in einer Verbindung müssen aufsummiert die Ladung der Verbindung ergeben. Beispielsweise müssen die Ladungen aller Atome einer ungeladenen Verbindung aufsummiert 0 ergeben; falls die Verbindung ein mehratomiges Ion mit einer Ladung von -1 ist, müssen die Ladungen aufsummiert -1 ergeben, usw.
    • Dies ist eine gute Möglichkeit um deine Arbeit zu überprüfen - falls die Oxidationszahlen der Atome in deiner Bindung summiert nicht dessen Ladung ergeben, hast du einen oder mehrere Fehler gemacht.

Teil 2 von 2: Oxidationszahlen von Atomen ohne Regeln bestimmen

  1. Finde Atome ohne Regeln für die Oxidationszahlen. Einige Atome besitzen keine spezifischen Regeln bezüglich der Oxidationszahlen, die sie besitzen können. Falls dein Atom nicht in den obigen Regeln aufgelistet ist, und du dir nicht sicher bist, was seine Ladung ist (falls es zum Beispiel Teil einer größeren Verbindung ist und du seine individuelle Ladung nicht kennst), kannst du seine Oxidationszahl nach dem Ausschlussverfahren bestimmen. Zunächst bestimmst du die Oxidationszahl aller anderen Atomen in der Bindung, dann kannst du einfach herausfinden, was die Ladung deines Atoms beträgt indem du die totale Ladung der Verbindung berücksichtigst.
    • Beispielsweise sei die Ladung von Schwefel (S) in der Verbindung Na2SO4 unbekannt - es kommt nicht in seiner elementaren Form vor, also beträgt seine Ladung nicht 0, aber das ist alles was wir über Schwefel wissen. Dies ist ein guter Kandidat für diese Methode der algebraischen Oxidationszahl-Bestimmung.
  2. Finde die bekannten Oxidationszahlen für die anderen Elemente in der Verbindung. Bestimme die Oxidationszahlen der anderen Atome in der Verbindung unter Berücksichtigung der anderen Atome in der Verbindung. Achte auf Ausnahmefälle für O, H, usw.
    • In Na2SO4, wissen wir, dank unserer Regeln, dass das Na Ion eine Ladung und Oxidationszahl von +1 besitzt und, dass Sauerstoffatome eine Oxidationszahl von -2 besitzen.
  3. Multipliziere die Anzahl jedes Atoms mit seiner Oxidationszahl. Nun da wir die Oxidationszahlen aller Atome (ausser dem Unbekannten) kennen, müssen wir beachten, dass einige Atome mehr als einmal auftauchen. Multipliziere jede Oxidationszahl mit der Anzahl des jeweiligen Atoms (diese wird im nachgestellten Index des chemischen Elementes notiert).
    • Wir wissen, dass in Na2SO4 2 Na Atome und 4 O Atome vorhanden sind. Wir multiplizieren 2 × +1, die Oxidationszahl von Na, und erhalten 2, und wir multiplizieren 4 × -2, die Oxidationszahl von O, und erhalten -8.
  4. Summiere die Resultate. Die Summe der Resultate der Multiplikationen entspricht der Oxidationszahl der Bindung ohne die Oxidationszahl des unbekannten Atoms zu berücksichtigen.
    • In unserem Na2SO4 Beispiel würden wir 2 mit -8 addieren um das Resultat -6 zu erhalten.
  5. Berechne die unbekannte Oxidationszahl unter Berücksichtigung der Ladung der Verbindung. Nun hast du alles bereit, um die unbekannte Oxidationszahl mithilfe einfacher Algebra zu berechnen. Stelle eine Gleichung auf, welche das vorherige Resultat plus die Ladung des unbekannten Teilchens mit der Oxidationszahl der Verbindung gleichsetzt. In anderen Worten: (Summe der bekannten Oxidationszahlen) + (unbekannte Oxidationszahl die du suchst) = (Ladung der Verbindung)
    • In unserem Na2SO4 Beispiel würden wir die Gleichung, wie folgt lösen:
      • (Summe der bekannten Oxidationszahlen) + (unbekannte Oxidationszahl die du suchst) = (Ladung der Verbindung)
      • -6 + S = 0
      • S = 0 + 6
      • S = 6. S besitzt also eine Oxidationszahl von 6 in Na2SO4.

Tipps

  • Atome besitzen in ihrer elementaren Form immer die Oxidationszahl 0. Ein einatomiges Ion besitzt eine Oxidationszahl, die seiner Ladung entspricht. Metalle der Gruppe 1A, wie Wasserstoff, Lithium und Natrium, besitzen in ihrer elementaren Form die Oxidationszahl +1; Metalle der Gruppe 2A, wie Magnesium und Kalzium, besitzen in ihrer elementaren Form die Oxidationszahl +2. Sowohl Wasserstoff, als auch Sauerstoff, können zwei verschiedene Oxidationszahlen aufweisen, abhängig davon womit sie verbunden sind.
  • In einer Bindung muss die Summe aller Oxidationszahlen 0 ergeben. In einem mehratomigen Ion muss die Summe aller Oxidationszahlen der Ladung entsprechen.
  • Es ist sehr hilfreich zu wissen, wie man das Periodensystem der Elemente liest und wo sich die Metalle und Nichtmetalle befinden.

Was du brauchst

  • Periodensystem der Elemente
  • Internetzugang, Chemiebuch oder beides
  • Papier und Stift
  • Taschenrechner
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