Aufstellen von RedOx-Gleichungen

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Eine RedOx-Gleichung muss am Ende folgende 3 Bedingungen erfüllen: Das wäre zum 1., dass die Summe der vom Reduktionsmittel abgegebenen Elektronen mit der Summe der vom Oxidationsmittel aufgenommenen Elektronen übereinstimmt. 2. Die Summe der Ionenladungen muss bei dieser Gleichung links und rechts identisch sein. Und 3. Die Anzahl und natürlich auch die Art der Atome müssen identisch sein. Also, es darf im Verlauf dieser Reaktion nicht dazu kommen, dass irgendwelche Stoffe neu dazu kommen, oder dass Stoffe irgendwie verschwinden.
Gut, wir wollen uns mal das Aufstellen einer Redoxgleichung an einem konkreten Beispiel anschauen und das wäre bei uns die Reaktion von Permanganat, also von MnO4^(-)+Fe2^(+)→Mn^(2+)+Fe^(3+). Das ist also eine gegebene RedOx-Reaktion. Und die Aufgabe könnte nun lauten: Gleichen Sie diese RedOx-Gleichung aus.
Gut, 1. Schritt ist immer, dass wir die entsprechenden Oxidationszahlen aller Beteiligten Elemente bestimmen. Hier beim Sauerstoff haben wir eine Oxidationszahl von -2II. Das Permanganat-Ion ist einfach negativ geladen, demzufolge hat das Mangan in dieser Verbindung eine Oxidationszahl von +VII. Diese Oxidationszahlen werden immer in römischen Ziffern angegeben. Hier beim Fe^(2+), das ist relativ einfach, hier entspricht die Oxidationszahl der Ionenladung. Die Ionenladung ist 2-fach positiv, also beträgt die Oxidationszahl +II. Bei Mangan, auch das ist 2-fach positiv geladen, dann beträgt die Oxidationszahl natürlich auch hier +II. Und hier beim Fe^(3+), das ist 3-fach positiv geladen, demzufolge ist die Oxidationszahl +III. Gut, wie gesagt, das Ganze, was hier abläuft, ist eine Redoxreaktion.
Eine Redoxreaktion besteht wiederum aus zwei Teilreaktionen, eben aus einer Oxidationsreaktion und einer Reduktionsreaktion. Wir wollen nun im 1. Schritt diese Teilreaktion sozusagen erst mal identifizieren. Wir schauen uns dazu mal das Mangan genauer an. Mangan hat hier auf der linken Seite eine Oxidationszahl von +VII und auf der rechten Seite eine Oxidationszahl von +II. Die Oxidationszahl erniedrigt sich also im Verlauf dieser Reaktion, anders ausgedrückt, sie wird reduziert, also haben wir es hier mit einer Reduktion zu tun. Also hätten wir die 1. Teilreaktion schon mal identifiziert.
Beim Eisen haben wir auf der linken Seite eine Oxidationszahl von +II, auf der rechten von +III. Es kommt also im Verlauf der Reaktion zu einer Erhöhung dieser Oxidationszahl und demzufolge sprechen wir hier von einer Oxidation. Ich hatte am Anfang die Begriffe Reduktionsmittel und Oxidationsmittel verwendet. Unser Mangan, das wird im Verlauf dieser Reaktion reduziert und oxidiert das Eisen, und ist demzufolge das Oxidationsmittel. Also, Abkürzung OM für Oxidationsmittel, das ist das Mangan. Dann gibt es natürlich noch das Reduktionsmittel, und das ist hier natürlich das Eisen, weil es eben das Mangan reduziert im Grunde.
Gut, nun hatten wir die Aussage: Die Summe der vom Reduktionsmittel abgegebenen Elektronen muss mit der Summe der vom Oxidationsmittel aufgenommenen Elektronen übereinstimmen. Das klingt erst mal relativ kompliziert, ist aber im Grunde ganz simpel. Wir müssen nämlich nur die Änderung der Oxidationsstufe hier erst mal bestimmen und diese Änderung dann als stöchiometrischen Faktor vor die andere Teilreaktion schreiben. Ich zeige es jetzt ganz einfach mal. Was dann dahintersteckt, wird sich danach ergeben.
Wir haben es hier in dieser Manganreduktion damit zu tun, dass sich die Oxidationszahl eben von +VII zu +II ändert, demzufolge haben wir eine Änderung um 5 Einheiten, wenn man so will. Beim Eisen haben wir eine Änderung von +II zu +III, also eine Änderung im Grunde um 1 Einheit. Dieses Zeichen hier, das ist ein Delta, das soll einfach nur die Differenz verdeutlichen. Gut, ich hatte gesagt, diese Differenz muss nun als stöchiometrischer Faktor vor die andere Teilreaktion geschrieben werden. Wir hatten hier die Reduktionsreaktion mit einer Differenz von 5, also muss diese 5 als stöchiometrischer Faktor vor die Oxidationsreaktion geschrieben werden, also im Grunde einfach nur über Kreuz. Also haben wir jetzt auf beiden Seiten hier einen stöchiometrischen Faktor von 5 vor die jeweiligen Eisen-Ionen gesetzt.
Beim Eisen, bei der Oxidation, hatten wir eine Änderung um 1 Einheit, wenn man so will, und dann wird die 1 halt vor die andere Reaktion geschrieben, also kommt hier noch jeweils der stöchiometrische Faktor 1 vor die Manganreaktion im Grunde davor. Gut, damit hätten wir im Grunde diesen Ausgleich auch schon vorgenommen und die Aussage, die nun dahinter steckt, ist: Um einmal Mangan in diesem Permanganat-Ion zu Mg^(2+) zu reduzieren, ist es notwendig, 5-mal diese Oxidation des Eisens ablaufen zu lassen. Also, es müssen 5 Teile Eisen hinzugegeben werden, um 1 Teil Mangan entsprechend zu reduzieren, denn 1 Teilchen Mangan braucht für diese Reduktion 5 Elektronen, während dieser Oxidation wird jeweils nur 1 Elektron sozusagen abgegeben, demzufolge muss diese Reaktion einfach 5-mal ablaufen. Das ist, wie gesagt, die Hauptaussage, und damit hätten wir den 1. Punkt auch schon abgehakt. Und, ja, die Konsequenz davon war ganz einfach, dass wir jetzt hier in dieser Redoxreaktion zusätzlich noch neue stöchiometrische Faktoren eingebracht haben.
Wir können uns nun dem 2. Punkt widmen, und da ging es um die Summe der Ionenladung. Hier war die Aussage, dass die Summe der Ionenladungen links und rechts identisch sein muss. Das heißt für uns, Schritt 1 ist, wir bestimmen erst mal die Summe der Ionenladungen. Links haben wir 1 Permanganat-Ion oder 1 Mol Permanganat-Ion oder ein einzelnes Permanganat-Ion hat eine Ladung von -1, das zeichne ich gleich mal vor. Also -1+, 5 Teilchen Fe^(2+), also 5×(+2). Gut, 5×2=10-1=9, also beträgt die Summe der Ionenladung auf der linken Seite +9. Und auf der rechten Seite haben wir einmal Mg^(2+), also einmal +2, und 5-mal Fe^(3+), also +5×(+3). 5×3=15+2=17. Die Summe der Ionenladung auf der rechten Seite beträgt also +17. Wir haben hier also eine Differenz um, ja, im Grunde 8 Einheiten oder um 8 positive Ladungen.
Und, ja, dieser Ausgleich muss jetzt irgendwie vorgenommen werden und der kann, da unsere Reaktionen größtenteils in wässrigen Lösungen ablaufen, soweit das nicht anders erwähnt wird, entweder durch Hydroxid-Ion oder durch Protonen vorgenommen werden. Was nun von beiden verwendet wird, das hängt im Grunde von der Chemie der Stoffe ab. Im Falle des Permanganats weiß man, dass Permanganat in alkalischer Lösung zu Mn4 reduziert wird, meistens zu Braunstein oder so, und dass da sozusagen Schluss ist in alkalischer Lösung. Wir haben aber hier Mn^(2+), also geht die Reduktion noch weiter und das ist ganz einfach nur in saurer Lösung möglich. Demzufolge muss unser Ausgleich einzig nur allein durch Protonen geschehen.
Gut, wir haben jetzt also die Aussage, unser Ausgleich muss durch einfach positive Teilchen erfolgen. Demzufolge kann der Ausgleich auch nur auf der linken Seite erfolgen und das ist relativ einfach. Wir müssen im Grunde einfach noch 8 einfach positive Ladungen im Grunde dazu rechnen. Also wir schreiben hier auf der linken Seite einfach noch acht Protonen dazu, und dann sind die Ionenladungen ausgeglichen. Ich schreibe die Gleichung noch mal neu an, damit das Ganze wieder ein bisschen besser zu sehen ist. Und dann sieht unsere RedOx-Gleichung so aus: Wir haben 1MnO4^-→5Fe^(2+)+8H^+, das war unsere Erkenntnis aus dem letzten Schritt. Das →1Mn^(2+)+5Fe^(3+). Damit hätten wir also Schritt 1 abgehakt. Die Summe der ausgetauschten Elektronen, die ist identisch. Die Summe der Ionenladungen, links und rechts, die ist auch identisch.
Es bleibt also nur noch der 3. Schritt und der lautete: Die Anzahl und natürlich auch die Art der Atome, die muss auch auf beiden Seiten identisch sein. Das bedeutet im Grunde, wir zählen einfach, wie viel verschiedene Atome wir auf beiden Seiten so vorliegen haben und gucken uns hier das Mangan an, das ist auf der linken Seite einmal vorhanden, auf der rechten Seite auch einmal vorhanden – das passt also so weit. Wir schauen uns das Eisen an, das ist auf der linken Seite 5-mal vorhanden, auf der rechten Seite auch 5-mal vorhanden, passt also auch. Wir haben weiterhin Sauerstoff, das ist auf der linken Seite 4-mal vorhanden und auf der rechten Seite gar nicht. Dann haben wir weiterhin Wasserstoff, das ist hier auf der linken Seite 8-mal enthalten und taucht auf der rechten Seite auch gar nicht mehr auf.
Also müssen wir uns sozusagen hier um den Sauerstoff und um den Wasserstoff sozusagen kümmern. Ich hatte gesagt, dass diese Redoxreaktion, soweit nicht anders erwähnt, in wässrigen Lösungen ablaufen, sowieso hier, wenn diese Protonen im Spiel sind, und das bedeutet, wir können diese Sauerstoffe und diese Wasserstoffe im Grunde einfach zu Wasser zusammenfassen. Also Wasser, das ist H2O. Im Wasser sind doppelt so viele Wasserstoffe wie Sauerstoffe sozusagen enthalten, und wenn man sich diese Zahlen beziehungsweise die Verhältnisse mal anguckt, dann kann man daraus genau 4-mal Wasser bilden. Also, wir können einfach hier auf die rechte Seite noch 4 Mol Wasser dazuschreiben, 4H2O, und dann ist unsere RedOx-Gleichung vollkommen ausgeglichen.
Dann haben wir also sowohl gleiche Anzahl von ausgetauschten Elektronen, gleiche Summe der Ionenladung und auch die Anzahl und die Art der Atome, ja, die sind identisch sozusagen. Das ist also die richtige Reaktionsgleichung für die Reduktion des Permanganats mit Fe^(2+). Als kleine Ergänzung noch, ich hatte hier den Ausgleich mit Protonen vorgenommen. Das ist im Grunde recht schematisch, weil Protonen so in wässriger Lösung nicht existieren. Auch Protonen werden im Grunde solvatisiert, also mit Wassermolekülen umgeben und das Ganze formuliert man dann so, dass ein Proton eben nicht als Proton, sondern als Oxonium-Ion zur Geltung kommt, also als H3O^+. Die werden, ja, nach neuer Regelung Oxonium-Ionen genannt. In alten Büchern können aber zum Beispiel auch Hydronium-Ionen irgendwo drinstehen, das ist alles nicht falsch. Oxonium-Ion ist halt bloß irgendwie richtiger.
Gut, was ich eigentlich sagen wollte, ist, dass diese 8 Protonen sozusagen dann noch durch diese Oxonium-Ionen ersetzt werden können, um das Ganze richtig exakt zu machen. Und dann sieht die Gleichung auch ein klein wenig anders aus, das zeige ich gleich noch mal. Und, ja, an diesen stöchiometrischen Faktoren, an den ganzen Erkenntnissen, die wir bisher gewonnen haben, daran ändert sich erst mal gar nichts, das wird also alles so wieder hingeschrieben. Nur an den Protonen ändert sich, wie gesagt, etwas. Und die Gleichung sieht so aus: Wir haben 1MnO2^→immer noch mit 5Fe^(2+), aber jetzt mit 8 Mol Oxonium-Ion, H3O^+. Dabei heraus kommt auch immer noch dasselbe, und zwar 1Mn^(2+), 5Fe^(3+) und jetzt standen eben hier 4H2O, jetzt hatten wir aber gesagt, dass jedes Proton im Grunde noch von 1 Molekül Wasser im Grunde ja solvatisiert ist, demzufolge müssen auf der Seite auch 8-mal mehr Wasser auftauchen und dann steht hier auf der rechten Seite 12H2O. Das wäre also die perfekte Lösung oder der perfekte Ausgleich dieser RedOx-Gleichung.
Gut, also es müssen im Wesentlichen die 3 Schritte oder die 3 Bedingungen erfüllt werden, die ich am Anfang vorgestellt hatte. Ich hatte gesagt, dass der Einstieg dann immer die Bestimmung der Oxidationsstufen ist. Dann finden wir raus, was die Oxidations-, was die Reduktionsreaktion ist, und dann können wir diese Punkte nach und nach abarbeiten und kommen letztendlich zu einem hoffentlich richtigen Ergebnis.
Das soll es mit dem Einstiegsvideo zum Aufstellen von RedOx-Gleichungen auch gewesen sein. Ich werde noch ein weiteres Video mit einem weiteren Übungsbeispiel auf die Seite stellen – viel Spaß!