Oxidationszahlen und Redoxgleichungen
Beim Atemalkoholtest verfärbt sich das orange Kaliumdichromat im Prüfröhrchen grün, sobald Ethanol im Atem ist. Dabei laufen Elektronen von den Ethanol-Molekülen zu den Chrom-Teilchen, ohne dass man sie sieht. Wie verfolgt man diese Elektronen genau und wie schreibt man die Reaktionsgleichung dazu richtig auf? Genau das lernen Sie auf dieser Seite.
Oxidationszahlen
Taucht man ein Kupferblech in eine farblose Silbernitrat-Lösung, färbt sich die Lösung blau und am Blech wachsen silbrige Nadeln. Zwischen den Teilchen werden Elektronen ausgetauscht. Mit den Oxidationszahlen kann man buchführen, wer wie viele Elektronen abgibt oder aufnimmt.
Für die organische Chemie brauchen Sie eine Zusatzregel für Kohlenstoffatome. Sie ordnen jedes bindende Elektronenpaar dem EN-größeren Atom zu: Jede C–H-Bindung senkt die OZ von C um $1$, jede C–O-Einfachbindung erhöht sie um $1$ (C=O: $2$), C–C-Bindungen zählen $0$. Die OZ von C reicht von $-\mathrm{III}$ bis $+\mathrm{IV}$.
| Verbindung | Betrachtetes C-Atom | Rechnung | OZ |
|---|---|---|---|
| Ethanol, $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OH}$ | $\mathrm{CH_2OH}$ | $2 \cdot (-1)$ (zwei C–H) $+ 1$ (C–O) $+ 0$ (C–C) | $-\mathrm{I}$ |
| Ethanal, $\mathrm{CH_3{-}CHO}$ | $\mathrm{CHO}$ | $-1 + 2$ | $+\mathrm{I}$ |
| Ethansäure, $\mathrm{CH_3{-}COOH}$ | $\mathrm{COOH}$ | $2 + 1$ | $+\mathrm{III}$ |
| Propan-2-ol | $\mathrm{CH(OH)}$ | $-1 + 1$ | $0$ |
| Propanon (Aceton) | $\mathrm{C{=}O}$ | $+2$ | $+\mathrm{II}$ |
Die OZ des funktionellen C-Atoms steigt also von der Alkanol- über die Alkanal- zur Carbonsäure-Gruppe. Das ist die Oxidationsreihe der Alkanole.
Das Konzept der Oxidationszahl zeigt bei bestimmten binären Verbindungen wie Peroxiden und Metallhydriden Besonderheiten. Gehen Sie von den allgemeinen Regeln zur…
Das Konzept der Oxidationszahl zeigt bei bestimmten binären Verbindungen wie Peroxiden und Metallhydriden Besonderheiten. Gehen Sie von den allgemeinen Regeln zur Zuordnung aus:
- a) Bestimmen Sie die Oxidationszahl von Sauerstoff in Bariumperoxid, $\mathrm{BaO_2}$, und in Sauerstoffdifluorid, $\mathrm{OF_2}$.
- b) Bestimmen Sie die Oxidationszahl von Wasserstoff in Calciumhydrid, $\mathrm{CaH_2}$, und in Wasser, $\mathrm{H_2O}$. Begründen Sie jeden Wert kurz anhand der relativen Elektronegativitäten der beteiligten Elemente.
Oxidation, Reduktion und das Donator-Akzeptor-Prinzip
Dasselbe Prinzip steckt in der Oxidationsreihe der Alkanole. Ein primäres Alkanol wird zum Alkanal und weiter zur Carbonsäure oxidiert, ein sekundäres Alkanol zum Alkanon. Ein tertiäres Alkanol wird nicht oxidiert, weil am C-Atom mit der OH-Gruppe kein H-Atom sitzt. Die Teilgleichung für den ersten Schritt lautet:
$$\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OH \;\rightarrow\; CH_3{-}CHO + 2\,H^+ + 2\,e^-}$$Das C-Atom ändert seine OZ von $-\mathrm{I}$ auf $+\mathrm{I}$, es gibt also zwei Elektronen ab. Auch der Abbau von Ethanol im Körper verläuft so: Ethanol → Ethanal → Essigsäure (Ethansäure). Ethanal ist dabei ein Zellgift.
Im Labor weist man die Produkte nach: Ein Alkanal reduziert Fehling-Lösung (roter Niederschlag von Kupfer(I)-oxid) und Tollens-Reagenz (Silberspiegel), ein Alkanon nicht. Eine Carbonsäure färbt Universalindikator rot. Bei der Oxidation mit Kupferoxid (heißes Kupferblech) entsteht aus Ethanol Ethanal, erkennbar am typischen Geruch.
Taucht man ein Blech aus metallischem Zink in wässrige Salzsäure, entsteht gemäß dem folgenden Vorgang eine lebhafte Entwicklung von gasförmigem Wasserstoff:…
Taucht man ein Blech aus metallischem Zink in wässrige Salzsäure, entsteht gemäß dem folgenden Vorgang eine lebhafte Entwicklung von gasförmigem Wasserstoff:
$$\mathrm{Zn(s) + 2\,HCl(aq) \rightarrow ZnCl_2(aq) + H_2(g)}$$- a) Berechnen Sie die Oxidationszahl aller Atome in den Edukten und Produkten.
- b) Geben Sie das Teilchen an, das oxidiert wird, und das, das reduziert wird, sowie das Oxidationsmittel und das Reduktionsmittel, und begründen Sie Ihre Antwort anhand der Elektronenübertragung.
Redoxgleichung aufstellen: saure Lösung
Gibt man violettes Permanganat zu angesäuertem Eisen(II)-sulfat, verschwindet die Farbe sofort. Schreibt man $\mathrm{MnO_4^- + Fe^{2+} \rightarrow Mn^{2+} + Fe^{3+}}$ einfach hin, stimmen weder Atome noch Ladungen. In wässriger Lösung liefern Wassermoleküle und $\mathrm{H^+}$-Ionen die fehlenden O- und H-Atome. Mit diesem Verfahren gleicht man Oxidation und Reduktion getrennt in je einer Teilgleichung aus.
In saurer wässriger Lösung kann das Nitrat-Ion in Stickstoffmonoxid umgewandelt werden, während das Zinn(II)-Ion in Zinn(IV) übergehen kann. a) Stellen Sie die…
In saurer wässriger Lösung kann das Nitrat-Ion in Stickstoffmonoxid umgewandelt werden, während das Zinn(II)-Ion in Zinn(IV) übergehen kann.
- a) Stellen Sie die Teilgleichung der Reduktion des Nitrat-Ions, $\mathrm{NO_3^-(aq)}$, zu Stickstoffmonoxid, $\mathrm{NO(g)}$, in saurer Lösung auf und gleichen Sie sie aus; geben Sie die Anzahl der übertragenen Elektronen an.
- b) Stellen Sie die Teilgleichung der Oxidation des Kations $\mathrm{Sn^{2+}(aq)}$ zu $\mathrm{Sn^{4+}(aq)}$ auf und überprüfen Sie für beide Teilgleichungen den gleichzeitigen Ausgleich von Masse und elektrischer Ladung.
Redoxgleichung aufstellen: basische Lösung
Eine Besonderheit ist die Disproportionierung: Dasselbe Teilchen wird gleichzeitig oxidiert und reduziert, z. B. $\mathrm{Cl_2}$ zu $\mathrm{Cl^-}$ und $\mathrm{ClO^-}$ in Natronlauge. Dann schreibt man das Edukt in beiden Teilgleichungen auf.
Chlorgas, $\mathrm{Cl_2(g)}$, das in eine kalte, verdünnte wässrige Natriumhydroxidlösung eingeleitet wird, erfährt eine Disproportionierung, die zur Bildung von…
Chlorgas, $\mathrm{Cl_2(g)}$, das in eine kalte, verdünnte wässrige Natriumhydroxidlösung eingeleitet wird, erfährt eine Disproportionierung, die zur Bildung von Chlorid-Ionen, $\mathrm{Cl^-}$, und Hypochlorit-Ionen, $\mathrm{ClO^-}$, führt.
- a) Stellen Sie die getrennten Teilgleichungen der Oxidation und der Reduktion nach der Ionen-Elektronen-Methode in basischer Lösung auf und gleichen Sie sie aus; geben Sie die Hilfsteilchen ($\mathrm{H_2O}$ und $\mathrm{OH^-}$) und die ausgetauschten Elektronen an.
- b) Leiten Sie die ausgeglichene Gesamtionengleichung her und begründen Sie anhand der Oxidationszahlen des Chlors quantitativ den Begriff der Disproportionierung.
In basischer Lösung kann das Permanganat-Ion, $\mathrm{MnO_4^-}$, das Sulfit-Ion, $\mathrm{SO_3^{2-}}$, oxidieren, wobei festes Mangandioxid, $\mathrm{MnO_2(s)}$, und…
In basischer Lösung kann das Permanganat-Ion, $\mathrm{MnO_4^-}$, das Sulfit-Ion, $\mathrm{SO_3^{2-}}$, oxidieren, wobei festes Mangandioxid, $\mathrm{MnO_2(s)}$, und Sulfat-Ionen, $\mathrm{SO_4^{2-}}$, entstehen.
- a) Stellen Sie die Teilgleichungen der Oxidation und der Reduktion nach der Ionen-Elektronen-Methode in basischer Lösung auf und gleichen Sie sie aus; gleichen Sie dabei die Atome mithilfe von $\mathrm{H_2O}$ und $\mathrm{OH^-}$ und die Ladungen mit Elektronen aus.
- b) Ermitteln Sie die Gesamtionengleichung und zeigen Sie ausdrücklich, dass die Gesamtladung der Edukte mit der der Produkte übereinstimmt.
Von den Teilgleichungen zur Gesamtgleichung
Oxidation und Reduktion müssen dieselbe Zahl Elektronen umsetzen. Das sieht man auch, wenn man zwei Halbzellen durch einen Leiter verbindet: Die Elektronen fließen vom Reduktionsmittel (Oxidationsteilgleichung, Elektronenabgabe) durch den Leiter zum Oxidationsmittel (Reduktionsteilgleichung, Elektronenaufnahme). Die Zahl der abgegebenen Elektronen ist gleich der Zahl der aufgenommenen. Man multipliziert deshalb jede Teilgleichung mit einer ganzen Zahl, sodass die Elektronenzahlen gleich sind (kleinstes gemeinsames Vielfaches). Dann addiert man und kürzt, was auf beiden Seiten steht. Die Elektronen müssen dabei vollständig verschwinden.
Das Dichromat-Ion ist orange, $\mathrm{Cr^{3+}}$ ist grün. Daher zeigt der Farbumschlag im Prüfröhrchen, dass Ethanol vorhanden war. So schließt sich der Kreis zum Anfang: Pro umgesetztem Ethanol-Molekül werden zwei Elektronen auf Chrom übertragen.
Das folgende Schema zeigt den Elektronenfluss, der freiwillig stattfindet, wenn zwei Redox-Halbzellen über einen Leiterkreis miteinander verbunden sind. Beachten Sie die…
Das folgende Schema zeigt den Elektronenfluss, der freiwillig stattfindet, wenn zwei Redox-Halbzellen über einen Leiterkreis miteinander verbunden sind. Beachten Sie die Anordnung der Teilchen und die Richtung des Elektronenflusses:
- a) Stellen Sie die ausgeglichenen Teilgleichungen der Oxidation und der Reduktion auf, ermitteln Sie den Zahlenwert, der anstelle des Fragezeichens bei der Anzahl der übertragenen Elektronen stehen muss, und formulieren Sie die Gesamtionengleichung.
- b) Ordnen Sie begründet die Rolle des Oxidationsmittels und des Reduktionsmittels anhand der Änderungen der Oxidationszahlen zu.
In schwefelsaurer Lösung reagiert Kaliumdichromat, $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$, mit Wasserstoffperoxid, $\mathrm{H_2O_2}$. Dabei wird Chrom zum Chrom(III)-Kation,…
In schwefelsaurer Lösung reagiert Kaliumdichromat, $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$, mit Wasserstoffperoxid, $\mathrm{H_2O_2}$. Dabei wird Chrom zum Chrom(III)-Kation, $\mathrm{Cr^{3+}}$, reduziert, während das Peroxid als Reduktionsmittel wirkt und gasförmigen Sauerstoff, $\mathrm{O_2(g)}$, freisetzt.
- a) Gleichen Sie die Teilgleichungen nach der Ionen-Elektronen-Methode in saurer Lösung aus und ermitteln Sie die ausgeglichene Gesamtionengleichung.
- b) $40{,}0\,\text{mL}$ einer wässrigen $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$-Lösung $0{,}125\,\text{M}$ werden mit einem Überschuss an angesäuerter $\mathrm{H_2O_2}$-Lösung gemischt. Berechnen Sie das Volumen an $\mathrm{O_2(g)}$ in Litern, das bei einer Temperatur von $295\,\text{K}$ und einem Druck von $1{,}02\cdot 10^5\,\text{Pa}$ aufgefangen wird.
Gegeben: $R = 8{,}314\,\text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1} = 8{,}314\cdot 10^{-2}\,\text{bar}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$; verwenden Sie $1\,\text{Pa} = 10^{-5}\,\text{bar}$. Gehen Sie von einem trockenen idealen Gas und dem Fehlen einer Nebenzersetzung des Peroxids aus.
Vollständige Gleichung und Stoffmengenrechnung
Im Labor stehen keine Flaschen mit „Permanganat-Ionen“, sondern mit Salzen wie $\mathrm{KMnO_4}$. Die Ionengleichung muss man deshalb um die Zuschauer-Ionen (Ionen, die ihre OZ nicht ändern) zur vollständigen Reaktionsgleichung ergänzen.
Aus der Gleichung liest man das Stoffmengenverhältnis ab. Damit rechnet man bei einer Titration (Maßanalyse).
In schwefelsaurer Lösung, $\mathrm{H_2SO_4}$, oxidiert Kaliumpermanganat, $\mathrm{KMnO_4}$, Oxalsäure (Ethandisäure), $\mathrm{H_2C_2O_4}$, quantitativ, wobei…
In schwefelsaurer Lösung, $\mathrm{H_2SO_4}$, oxidiert Kaliumpermanganat, $\mathrm{KMnO_4}$, Oxalsäure (Ethandisäure), $\mathrm{H_2C_2O_4}$, quantitativ, wobei gasförmiges Kohlenstoffdioxid, $\mathrm{CO_2(g)}$, und Mangan(II)-sulfat, $\mathrm{MnSO_4(aq)}$, entstehen.
- a) Stellen Sie die entsprechenden Teilgleichungen nach der Ionen-Elektronen-Methode auf, gleichen Sie sie aus und ermitteln Sie die vollständige ausgeglichene Ionen- und Reaktionsgleichung.
- b) $25{,}0\,\text{mL}$ einer mit $\mathrm{H_2SO_4}$ angesäuerten wässrigen Oxalsäurelösung werden entnommen. Um den bleibenden schwach rosa Endpunkt des Permanganats selbst bei der Redoxtitration zu erreichen, werden genau $18{,}4\,\text{mL}$ einer Maßlösung von $\mathrm{KMnO_4}$ der Konzentration $0{,}0250\,\text{M}$ verbraucht. Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration der analysierten Oxalsäure.
In stark alkalischer Lösung mit Natriumhydroxid, $\mathrm{NaOH}$, wird festes Chrom(III)-hydroxid, $\mathrm{Cr(OH)3}$, vom Hypochlorit-Ion, $\mathrm{ClO^-}$, oxidiert…
In stark alkalischer Lösung mit Natriumhydroxid, $\mathrm{NaOH}$, wird festes Chrom(III)-hydroxid, $\mathrm{Cr(OH)_3}$, vom Hypochlorit-Ion, $\mathrm{ClO^-}$, oxidiert und geht in lösliche Chromat-Ionen, $\mathrm{CrO_4^{2-}}$, über, während das Chlor zum Chlorid-Ion, $\mathrm{Cl^-}$, reduziert wird.
- a) Gleichen Sie die Gesamtionengleichung nach der Ionen-Elektronen-Methode in basischer Lösung aus und formulieren Sie die vollständige Reaktionsgleichung unter Berücksichtigung von Natriumsalzen.
- b) Man geht von $5{,}15\,\text{g}$ $\mathrm{Cr(OH)_3}$ und einem Überschuss an $\mathrm{NaClO}$-Lösung in Gegenwart von $\mathrm{NaOH}$ aus. Berechnen Sie die Masse in Gramm an Natriumchromat, $\mathrm{Na_2CrO_4}$, die erhalten wird, wenn die Gesamtausbeute des Prozesses $82{,}0\,\%$ beträgt.
Daten zu den Atommassen: $\mathrm{H}=1{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{O}=16{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{Na}=23{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{Cl}=35{,}5\,\text{u}$; $\mathrm{Cr}=52{,}0\,\text{u}$.