Oxidation und Reduktion
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Oxidation und Reduktion samt Oxidationszahlen
Was sind Oxidation und Reduktion?
Wir beschäftigen uns hier mit einer der zentralen Themen in der Chemie: Oxidation und Reduktion. Ganz einfach ausgedrückt findet bei einer Oxidation die Abgabe von Elektronen statt, wodurch die Oxidationszahl des Elements steigt. Bei einer Reduktion hingegen nimmt ein Element Elektronen auf, was zu einer Verringerung der Oxidationszahl führt.
Ein klassisches Beispiel ist die Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff. Magnesium gibt zwei Elektronen ab und wird oxidiert, während Sauerstoff diese Elektronen aufnimmt und reduziert wird:
\[ \text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + 2e^- \]
\[ \text{O}_2 + 4e^- \rightarrow 2\text{O}^{2-} \]
Das IMPP mag es, nach der Richtung des Elektronenflusses und den beteiligten Oxidationszahlen zu fragen. Es ist also wirklich wichtig, dass du die Änderungen der Oxidationszahlen sicher bestimmen kannst und weißt, was mit dem Begriff “Elektronenfluss” gemeint ist.
Oxidationszahlen verstehen
Die Oxidationszahl ist ein Konzept, das dir hilft, den “Elektronenzustand” eines Atoms in einem Molekül zu verstehen. Sie ist eine fiktive Ladung, die einem Atom zugeteilt wird, basierend darauf, welche Atome in einem Molekül wie stark die Elektronen an sich ziehen würden. In elementarer Form – wenn ein Atom nicht chemisch gebunden ist – ist seine Oxidationszahl immer 0, wie beim elementaren Stickstoff (\(\text{N}_2\)). Das ist leicht zu merken!
Bei Ionen entspricht die Oxidationszahl der Ionenladung. Natrium in Kochsalz (\(\text{NaCl}\)), als \(\text{Na}^+\), hat zum Beispiel die Oxidationszahl +1.
In Molekülen verteilen wir die Elektronen so, dass das elektronegativere Element diese “bekommt”. Für Sauerstoff setzen wir in aller Regel die Oxidationszahl -2 an, es sei denn, er ist an Fluor gebunden oder in Peroxiden. In Verbindungen wie Wasser haben wir also für \(\text{H}_2\text{O}\) zweimal +1 für Wasserstoff und -2 für Sauerstoff.
Eine wichtige Regel ist, dass die Summe der Oxidationszahlen in einer neutralen Verbindung Null sein muss. Bei Ionen muss die Summe der Oxidationszahlen gleich der Ladung des Ions sein. Diese Regeln sind unentbehrlich beim Lösen von Aufgaben zu Redoxreaktionen, vor allem wenn das IMPP nach dem Ausgleich von Redoxgleichungen fragt.
Anhand dieses Beispiels kann man sich noch einmal verdeutlichen, wie man die Oxidationszahl bestimmt. Hier hilft vor allem eins: Üben!
Redoxgleichungen und ihre Besonderheiten
In Redoxreaktionen hast du immer einen Elektronenübergang. Ein Stoff gibt Elektronen ab – wird oxidiert – und ein anderer nimmt sie auf – wird reduziert.
Das IMPP legt großen Wert auf eine korrekte stöchiometrische Bilanzierung. Dazu musst du zuerst die Oxidationszahlen aller beteiligten Atome vor und nach der Reaktion bestimmen. Dann balancierst du die Anzahl der Elektronen, die bei der Oxidation abgegeben werden, mit jenen, die bei der Reduktion aufgenommen werden. Ein gutes Verständnis der Oxidationszahlen ist deshalb unerlässlich.
Besondere Redoxprozesse: Disproportionierung und Komproportionierung
Es kommen auch besondere Redoxprozesse vor, die Disproportionierung und die Synproportionierung (auch Komproportionierung genannt).
Bei einer Disproportionierung wird ein Element mit einer mittleren Oxidationsstufe zu Produkten mit höherer und niedrigerer Oxidationsstufe oxidiert und reduziert. Als Beispiel kann Chlor dienen, das in einer Reaktion zu Chlorid (\(\text{Cl}^-\), Oxidationszahl -1) und Hypochlorit (\(\text{ClO}^-\), Oxidationszahl +1) reagiert.
Die Synproportionierung ist der umgekehrte Fall: Zwei Spezies mit unterschiedlichen Oxidationsstufen desselben Elements reagieren zu einer Verbindung mit einer mittleren Oxidationszahl.
Abschließende Bemerkungen zu Oxidationszahlen
Oxidationszahlen helfen dir, chemische Reaktionen und insbesondere Redoxreaktionen zu verstehen. Das IMPP könnte dich nach jedem einzelnen Aspekt, den wir besprochen haben, fragen. Von der Zuweisung der Oxidationszahlen bis hin zur stöchiometrischen Balancierung von Redoxgleichungen, achte immer darauf, dass du diese Konzepte gründlich verinnerlicht hast.
Nun hast du einen fundierten Überblick über Oxidation/Reduktion und Oxidationszahlen erhalten. Stelle sicher, dass du dich bequem mit der Zuordnung von Oxidationszahlen fühlst, denn das ist der Pfeiler, auf dem dein Verständnis für Redoxreaktionen stehen wird!
Spezielle Redoxprozesse (Disproportionierung und Synproportionierung)
Redoxreaktionen sind zentral für das Verständnis der chemischen Prozesse. Besonders interessant sind dabei die Begriffe Disproportionierung und Synproportionierung. Hier geben zwei spezielle Redoxprozesse tieferen Einblick in die chemische Welt. Ich werde dir nun diese Konzepte detailliert erklären und klarstellen, worauf das IMPP gerne sein Augenmerk legt.
Disproportionierung
Ein Redoxprozess, bei dem dasselbe Element zwei verschiedene Oxidationsstufen gleichzeitig annimmt, wird als Disproportionierung bezeichnet. Hierbei wird ein Element in einer mittleren Oxidationsstufe zu zwei verschiedenen Produkten oxidiert und reduziert.
Ein klassisches Beispiel für eine Disproportionierung kannst du bei Chlor beobachten. In einem basischen Milieu kann Chlor zu Chlorid (\(\text{Cl}^-\)) und Hypochlorit (\(\text{ClO}^-\)) reagieren:
\[ 3 \text{Cl}_2 + 6 \text{OH}^- \rightarrow 5 \text{Cl}^- + \text{ClO}^- + 3 \text{H}_2\text{O} \]
In dieser Reaktion wird Chlor sowohl zu \(\text{Cl}^-\) reduziert (Erniedrigung der Oxidationszahl) als auch zu \(\text{ClO}^-\) oxidiert (Erhöhung der Oxidationszahl).
Beobachtung von Disproportionierungen
Das IMPP legt Wert darauf, dass du den Vorgang der Disproportionierung erkennst und die Oxidationszahlen vor und nach der Reaktion korrekt bestimmst. Die Reaktion eines Elementes sowohl als Oxidationsmittel als auch als Reduktionsmittel ist einzigartig für diesen Prozess.
Synproportionierung
Die Synproportionierung, auch Komproportionierung genannt, ist das Gegenteil der Disproportionierung. Hierbei reagieren zwei Spezies desselben Elements mit unterschiedlichen Oxidationsstufen zu einer Spezies mit einer mittleren Oxidationsstufe.
Ein gebräuchliches Beispiel für eine Synproportionierung ist die Reaktion von Iodwasserstoff (HI) mit Iodsäure (HIO3), bei der elementares Iod (I2) gebildet wird:
\[ 5 \text{HI} + \text{HIO}_3 \rightarrow 3 \text{I}_2 + 3 \text{H}_2\text{O} \]
Hier reagieren Iodidionen (\(\text{I}^-\)) und Iodylionen (\(\text{IO}_3^-\)) zum elementaren Iod (\(\text{I}_2\)), was eine mittlere Oxidationsstufe darstellt.
Synproportionierungen
Das IMPP fragt gerne nach Reaktionen, bei denen du zeigen musst, dass du das Konzept der Oxidationsstufen verstehst und eine Synproportionierung richtig anhand von Änderungen der Oxidationszahlen identifizieren kannst.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Bestimmung der Oxidationszahlen Grafik: Roland.chem, Bestimmung Oxidationszahlen, CC0 1.0↩︎
