Arbeitsblatt: Oxidation und Reduktion - Theorieblock

Nachhilfeschule Lukas Schaudt THEORIE Chemie Oxidation und Reduktion Erinnere dich an die Verbrennung von Magnesium. Man spricht hier auch von der Oxidation des Magnesiums. Es entstand Magnesiumoxid aus Magnesium und Sauerstoff. Das Magnesium gibt seine beiden Aussenelektronen an den Sauerstoff ab: Es entstehen positiv geladene Magnesiumionen, Mg 2, und negativ geladene Sauerstoffionen (Oxidionen), O2-. Bei der Oxidation des Magnesiums findet also in der Tat ein Elektronentransfer statt: vom Magnesium zum Sauerstoff. Was wir am Beispiel des Magnesiumoxids erläutert haben gilt ganz allgemein. Oxidation Reduktion Elektreonenabgabe Elektronenaufnahe Im obigen Beispiel ist das Magnesium oxidiert, der Sauerstoff reduziert worden. Aus dieser neuen, erweiterten Definition der Begriffe Oxidation und Reduktion folgt zweierlei: Es gibt keine Oxidation ohne Reduktion, wie es kaum keine Reduktion ohne Oxidation gibt. Wenn ein Stoff Elektronen abgibt, muss ein anderer sie aufnehmen und umgekehrt. Man nennt diese Gruppen von Reaktionen Redoxreaktionen (Redox ist eine Kombi aus Reduktion und Oxidation). Unsere erweiterte Bestimmung der Begriffe Oxidation und Reduktion ist nicht an den Sauerstoff gebunden. Denken wir an die Synthese von Eisensulfid. Bei der Verbrennung ist das Eisen oxidiert und der Schwefel wurde reduziert. denn das Eisen hat 2 Elektronen an den Schwefel abgegeben. Diese Synthese gleicht der Verbrennung von Magnesium. In den oben aufgeführten Beispielen sind Magnesium bzw. Eisen durch Sauerstoff bzw. Schwefel oxidiert worden. Sauerstoff und Schwefel sind in diesen Reaktionen Oxidationsmittel. Umgekehrt haben Magnesium/Eisen den Sauerstoff/Schwefel reduziert. Sie wirken hier als Reduktionsmittel. Oxidationsmittel nehmen Elektronen auf. Reduktionsmittel geben Elektronen ab. Wie ist es nun bei der Verbrennung bzw. Oxidation von Wasserstoff oder Kohlenstoff? Die Oxidationsprodukte Wasser bzw. Kohlenstoffdioxid bestehen doch aus Molekülen mit Elektronenpaarbindungen. Hier geben die Stoffe unter einander ja gar keine Elektronen ab! Die Erklärung folgt auf Seite 2. UMT_CH_9_095278_Oxidation-und-Reduktion---Theorieblock.docx 13.03.2010 -1- Nachhilfeschule Lukas Schaudt Chemie Elektronen werden verschoben Bein den polaren Elektronenpaarbindungen ist es ja so, dass der stärker elektronegative Partner das bindende Elektronenpaar stärker zu sich hinüberzieht. Im H2O- wie im CO2-Molekül ist das der Sauerstoff. Man dehnt nun die oben gegebene Definition von Oxidation und Reduktion auf Moleküle und Ionen mit Elektronenpaarbindungen aus, indem man sagt: Der schwächer elektronegative Partner, von dem das bindende Elektronenpaar weg verlagert wird, wird oxidiert, ist also Reduktionsmittel. Der stärker elektronegativere Partner, zu dem das bindende Elektronenpaar hin verlagert wird, wird reduziert, ist also Oxidationsmittel. In den zuletzt genannten Beispielen werden Wasserstoff und Kohlenstoff oxidiert, der Sauerstoff wird reduziert. Entsprechend sind Wasserstoff und Kohlenstoff Reduktionsmittel, Sauerstoff ist Oxidationsmittel. Die Sache mit der Oxidationszahl Um Redoxvorgänge beschreiben zu können, ist es wichtig zu wissen, wie viele Elektronen die Atome abgeben oder aufnehmen. Bei einatomigen Ionen gibt die Ionenladung darüber Auskunft: Na hat ein, Mg2 zwei Elektronen abgegeben, Cl- hat ein, O2- zwei Elektronen aufgenommen. Bei Molekülen oder mehratomigen Ionen mit polaren Bindungen ist die Sache nicht ganz so leicht zu durchschauen. Hier hat man sich einen Trick ausgedackt: Man überlegt: Welche Ladung hätten die einzelnen Elemente, wenn die Moleküle oder Ionen aus lauter einatomigen Ionen bestünden, wenn also die bindenden Elektronenpaare ganz zum elektronegativeren Partner verlagert würden? Elemente, die Elektronen abgeben, haben dann positive, Elemente, die Elektronen aufnehmen, negative Ladungen. Eine solche fiktive Ladung bezeichnet man als Oxidationszahl. Das H2O-Molekül bestünde bei diesen Gedankenexperimenten aus zwei -Ionen und einem O2--Ion. hat also die Oxidationszahl I, die Oxidationszahl –II. Im CO2-Molekül stünden dem C4-Ion zwei O2--Ionen gegenüber. hat die Oxidationszahl IV, wieder die Oxidationszahl -II. Um die Oxidationszahlen on den Ionenbindungen zu unterschieden, verwendet man römische Zahlen, die meist über den Elementsymbolen stehen. UMT_CH_9_095278_Oxidation-und-Reduktion---Theorieblock.docx 13.03.2010 -2- Nachhilfeschule Lukas Schaudt Chemie Die Summe der Oxidationszahlen in einem Molekül (Vorzeichen beachten!) ist immer gleich null, denn jedem abgegeben Elektron () steht ein aufgenommenes (-) gegenüber. Klar dürfte auch sein, dass der elementare Zustand, d.h. das Element im unverbundenen Zustand, die Oxidationszahl 0 hat; denn in diesem Zustand gibt es keine polaren Bindungen. Machen wir die Probe aufs Exempel. Der Versuch bei dem Magnesium mit Kohlenstoffdioxid reagiert. Magnesium reduziert Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoff und wird dabei zu Magnesiumoxid, das aus Mg2- und O2--Ionen besteht. Die Abbildung verdeutlicht die Reaktion. Die Oxidationszahlen des Magnesiums steigt von 0 (elementarer Zustand) auf II (Ladung des Mg2-Ions). 2 Mg-Atome geben also 2•2 4 Elektronen (Symbol -) ab; das ist die Oxidation. Die Oxidationszahl des Kohlenstoffs sinkt von IV (im Kohlenstoffdioxid) auf 0 (elementarer Zustand). Dabei werden die 4 von den beiden Mg-Atomen abgegeben Elektronen aufgenommen; das ist die Reduktion. Der Sauerstoff hat übrigens bei dieser Redoxreaktion seine Oxidationszahl nicht geändert: -II im CO2-Molekül wie im O2--Ion. Wir können Oxidation und Reduktion auch so definieren: Oxidation Zunahme der Oxidationszahl Reduktion Abnahme der Oxidationszahl Ermittlungsdienst für Oxidationszahlen Häufig geht es darum, die Oxidationszahl eines Elements in einer Verbindung zu ermitteln. Das bereitet meist keine Schwierigkeiten, wie viele Elemente in der Mehrzahl ihrer Verbindungen nur eine Oxidationszahl haben: H, Na, K: Mg, Ca: Cl, Br, I: O: I II -I -II Wenn du wissen willst, welche Ox-Zahl der Schwefel in der Schwefelsäure (H 2SO4) hat, schreibst du die Formel der Schwefelsäure (etwas auseinandergezogen) hin und setzte die Oxidationszahlen über die Elementsymbole; für die gesuchte Ox-Zahl setzt du x. Das sieht dann so aus: 2•12 4 • (-2) -8 H2 O4 Die Summe der positiven und negativen Oxidationszahlen muss gleich Null sein. Das hiesst die Ox-Zahl des Schwefels ist VI. Aufgabe: Welche Ox-Zahl hat der Schwefel im Natriumhydrogensulfat? Stelle die Summenformel selbstständig auf! Leite die Ox-Zahl gemäss der Anleitung ab! UMT_CH_9_095278_Oxidation-und-Reduktion---Theorieblock.docx 13.03.2010 -3- Nachhilfeschule Lukas Schaudt Chemie Erstelle eigene Beispiele! Versuche für dich eine Methode zu finden. UMT_CH_9_095278_Oxidation-und-Reduktion---Theorieblock.docx 13.03.2010 -4-