Wie bestimmt man Oxidationszahlen?

Die Ermittlung von Oxidationszahlen

Hallo! Vielleicht ist es dir schon einmal passiert, dass du ein Werkzeug aus Eisen im Freien liegengelassen hast. Nach einiger Zeit fing dieses Eisen an zu rosten und man konnte das Werkzeug, wenn es zu lange draußen gelegen hatte, nicht mehr wirklich gebrauchen. Aber warum ist das so und welche chemische Reaktion läuft dort ab? Dieser Prozess der dort abläuft ist eine Redoxreaktion. Das bedeutet es werden Elektronen aufgenommen und abgegeben. Um selber einmal eine Redoxreaktion aufstellen zu können, lernst du heute was Oxidationszahlen sind und wie man diese bestimmt. Die Oxidationszahlen benötigst du, um festzustellen wieviele Elektronen bei einer Redoxreaktion aufgenommen und abgegeben werden. Verringert sich die Oxidationszahl, dann handelt es sich um eine Elektonenaufnahme, also eine Reduktion. Wenn die Oxidationszahl größer wird hast du es mit einer Elektronenabgabe, also mit einer Oxidation zu tun.

Elektronegativität

Zunächst erkläre ich dir welche Rolle die Elektronegativität beim Ermitteln der Oxidationszahlen spielt. Die Elektronegativität eines Elements sagt aus, wie stark dieses Element bestrebt ist Bindungselektronen an sich zu ziehen. Wenn du dir die Elektronegativitätswerte im Periodensystem der Elemente ansiehst, wirst du feststellen, dass die Werte innerhalb der Perioden von links nach rechts zunehmen und innerhalb der Gruppe von oben nach unten abnehmen. Du kannst so also abschätzen, ob ein Element elektronegativer ist als ein anderes.

Die Oxidationszahl ist nun eine formale Ladung, die ein Atom in einer Verbindung besäße, die aus Ionen aufgebaut wäre. Die Bindungselektronen werden dabei formal dem elektronegativeren Element zugeordnet.

Bestimmung der Oxidationszahlen

Jetzt werden wir uns an einigen Beispielen ansehen wie du Oxidationszahlen ermittelst, wenn du die Strukturformel eines Moleküls gegeben hast und welche Regeln du dabei beachten musst.

Das erste Beispiel ist Wasser. Hier ist der Sauerstoff über Einfachbindungen mit dem Wasserstoff verbunden. Du weißt jetzt, dass es sich beim Sauerstoff um das elektronegativere Element handelt und du die Bindungselektronen formal dem Sauerstoff zuordnest. So bekommt der Sauerstoff zwei Elektronen zusätzlich und ist somit zweifach negativ geladen. Seine Oxidationszahl ist also -II. Da die Elektronen des Wasserstoffs ja formal dem Sauerstoff zugeordnet werden, wird jedem Wasserstoff ein Elektron entzogen. Daher fehlt ihm ein Elektron und der Wasserstoff bekommt jeweils die Oxidationszahl +I.

Die Oxidationszahlen werden oft als römische Zahlen und mit Vorzeichen über das entsprechende Atom in der Formel geschrieben. Wichtig ist dabei, dass die Oxidationszahl immer nur für ein Atom gleicher Sorte angegeben wird, auch wenn du mehrere im Molekül hast. Das heißt also, über dem Wasserstoff schreibst du eine “plus eins” und über dem Sauerstoff eine “minus zwei”.

Als nächstes schauen wir uns ein Sauerstoffmolekül an. Hier siehst du, dass beide Atome die gleiche Elektronegativität besitzen. Du kannst also keinem Partner Bindungselektronen zuordnen da beide gleichberechtigt sind.

Beispiel Wasser

Jetzt werden wir uns an einigen Beispielen ansehen wie du Oxidationszahlen ermittelst, wenn du die Strukturformel eines Moleküls gegeben hast und welche Regeln du dabei beachten musst.

Das erste Beispiel ist Wasser. Hier ist der Sauerstoff über Einfachbindungen mit dem Wasserstoff verbunden. Du weißt jetzt, dass es sich beim Sauerstoff um das elektronegativere Element handelt und du die Bindungselektronen formal dem Sauerstoff zuordnest. So bekommt der Sauerstoff zwei Elektronen zusätzlich und ist somit zweifach negativ geladen. Seine Oxidationszahl ist also -II. Da die Elektronen des Wasserstoffs ja formal dem Sauerstoff zugeordnet werden, wird jedem Wasserstoff ein Elektron entzogen. Daher fehlt ihm ein Elektron und der Wasserstoff bekommt jeweils die Oxidationszahl +I.

Die Oxidationszahlen werden oft als römische Zahlen und mit Vorzeichen über das entsprechende Atom in der Formel geschrieben. Wichtig ist dabei, dass die Oxidationszahl immer nur für ein Atom gleicher Sorte angegeben wird, auch wenn du mehrere im Molekül. Daher erhält diese Verbindung die Oxidationszahl 0. Als Regel kannst du dir merken, dass reine Elemente immer die Oxidationszahl 0 erhalten.

Beispiel Kohlenstoffdioxid

Nun bestimmen wir die Oxidationszahlen von Kohlenstoffdioxid. Dies kannst du so wie in den vorangegangenen Beispielen machen. Du ordnest also die Bindungselektronen dem elektronegativeren Partner, in diesem Fall dem Sauerstoff zu. Jedes Sauerstoffatom hat hier also die Oxidationszahl -II. Der Kohlenstoff hat daher die Oxidationszahl +IV.

Beispiel Ammoniak

Wir wollen uns als letztes noch das Ammoniakmolekül ansehen und die Oxidationszahlen bestimmen. Hier siehst du, dass der Stickstoff drei Bindungen zu jeweils einem Wasserstoffatom ausbildet. Da der Stickstoff elektronegativer ist als der Wasserstoff, werden ihm die Bindungselektronen zugeordnet. Das bedeutet, dass seine Oxidationszahl -III beträgt. Da jedem Wasserstoffatom ein Elektron entzogen wird, erhält jedes Atom die Oxidationszahl +I.

So lassen sich also die Oxidationszahlen in Verbindungen bestimmen.

Wenn du Ionen hast, wie zum Beispiel ein Natrium-Kation oder ein Chlorid-Anion, dann entspricht die Oxidationszahl der Ionenladung. Also bekommt das Natrium-Ion die Oxidationszahl “plus eins” und das Chlorid-Ion die Oxidationszahl “minus eins”.

Abschluss

Um nun noch einmal auf unser rostiges Werkzeug im Garten zurückzukommen. Du weißt nun, dass dieser Prozess einer Redoxreaktion unterliegt. Ein wichtiges Hilfsmittel für das Aufstellen Redoxgleichungen ist die Oxidationszahl. Heute hast du gelernt, dass diese eine formale Ladung ist. Zur Bestimmung der Oxidationszahl werden formal die Bindungslektronen dem elektronegativeren Partner zugeordnet und so die formale Ladung ermittelt. Tschüss und bis bald!