Aufgaben: Oxidationszahlen und Ionen-Elektronen-Methode

Das Konzept der Oxidationszahl zeigt bei bestimmten binären Verbindungen wie Peroxiden und Metallhydriden Besonderheiten. Gehen Sie von den allgemeinen Regeln zur Zuordnung aus:

1. a) Bestimmen Sie die Oxidationszahl von Sauerstoff in Bariumperoxid, $\mathrm{BaO_2}$, und in Sauerstoffdifluorid, $\mathrm{OF_2}$.
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.

Taucht man ein Blech aus metallischem Zink in wässrige Salzsäure, entsteht gemäß dem folgenden Vorgang eine lebhafte Entwicklung von gasförmigem Wasserstoff:

$$\mathrm{Zn(s) + 2\,HCl(aq) \rightarrow ZnCl_2(aq) + H_2(g)}$$

1. a) Berechnen Sie die Oxidationszahl aller Atome in den Edukten und Produkten.
2. 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.

In saurer wässriger Lösung kann das Nitrat-Ion in Stickstoffmonoxid umgewandelt werden, während das Zinn(II)-Ion in Zinn(IV) übergehen kann.

1. 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.
2. 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.

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:

1. 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.
2. b) Ordnen Sie begründet die Rolle des Oxidationsmittels und des Reduktionsmittels anhand der Änderungen der Oxidationszahlen zu.

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.

1. 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.
2. 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 Sulfat-Ionen, $\mathrm{SO_4^{2-}}$, entstehen.

1. 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.
2. b) Ermitteln Sie die Gesamtionengleichung und zeigen Sie ausdrücklich, dass die Gesamtladung der Edukte mit der der Produkte übereinstimmt.

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.

1. 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.
2. 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 und geht in lösliche Chromat-Ionen, $\mathrm{CrO_4^{2-}}$, über, während das Chlor zum Chlorid-Ion, $\mathrm{Cl^-}$, reduziert wird.

1. a) Gleichen Sie die Gesamtionengleichung nach der Ionen-Elektronen-Methode in basischer Lösung aus und formulieren Sie die vollständige Reaktionsgleichung unter Berücksichtigung von Natriumsalzen.
2. 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: $\mathrm{H}=1{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{O}=16{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{Na}=23{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{Cl}=35{,}5\,\text{u}$; $\mathrm{Cr}=52{,}0\,\text{u}$.

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.

1. a) Gleichen Sie die Teilgleichungen nach der Ionen-Elektronen-Methode in saurer Lösung aus und ermitteln Sie die ausgeglichene Gesamtionengleichung.
2. 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.