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Oxidationsstufen

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André Otto
Oxidationsstufen
lernst du in der 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Oxidationsstufen

In diesem Video geht es um Oxidationsstufen. Dazu wird zuerst erklärt, was die OS (Oxidationsstufe = Oxidationszahl) ist, dabei lernt ihr das ein Element viele Oxidationsstufen haben kann. Verwendung finden OS bei der Bestimmung von Redoxgleichung. Im Anschluss werden die wichtigsten Regeln anhand verschiedener Beispiele verdeutlicht, mit denen man die verschiedenen Oxidationsstufen von Elementen bestimmen kann. Es wird zudem auf die OS biochemisch wichtiger Teilchen eingegangen. Im Abschluss werden die Anwendungen der OS an verschiedenen Redoxreaktionen gezeigt.

Transkript Oxidationsstufen

Guten Tag und herzlich willkommen, in diesem Videofilm geht es um Oxidationsstufen. Als Vorkenntnisse über dieses Video solltet ihr gute Kenntnisse über Redoxreaktionen mitbringen. Auf alle Fälle ist euch der Begriff "korrespondierende Redoxpaare" bekannt. Mein Ziel ist es, euch Verständnis des Begriffes der Oxidationsstufe und die Anwendung auf elementare Beispiele zu vermitteln. Der Film wurde in 5 Abschnitte untergliedert. 1. Eine Frage - mehrere Antworten. 2. Was ist die Oxidationsstufe und wofür wird sie verwendet? 3. Regeln zur Ermittlung der Oxidationsstufe. 4. Oxidationsstufen biochemisch wichtiger Teilchen. 5. Anwendungen.

Bevor wir in das wissenschaftliche Leben einsteigen, noch ein wichtiger Hinweis. Oxidationsstufe, von mir in diesem Video als OS abgekürzt, ist ein anderer Begriff für das Fachwort Oxidationszahl. Für das auch die Abkürzung OZ verwendet wird.

  1. Eine Frage - mehrere Antworten Wird dem Fachmann die Frage gestellt: Welche Oxidationsstufe hat Stickstoff? So wird er mit der Gegenfrage antworten: In welchem Stoff? Im Ammoniakmolekül hat Stickstoff die Oxidationsstufe -3. Im Lachgas, N2O hat Stickstoff die Oxidationsstufe +1. Im Stickstoffdioxid ist die Oxidationsstufe +4. Und im Stickstoffmolekül ist sie gar 0. Im Distickstofftrioxidmolekül beträgt die Oxidationsstufe des Stickstoffs +3. Das Stickstoffmonoxidmolekül weist einen Wert von +2 auf. Im Salpetermolekül erreicht der Stickstoff seine höchste Oxidationsstufe, +5. Jetzt haben wir auch verstanden, warum die Frage berechtigt ist, in welchem Stoff?

  2. Was ist die Oxidationsstufe und wofür wird sie verwendet? Die Oxidationsstufe gibt die formale oder tatsächliche Ladung an, die ein Atom in einem Molekül oder Ion trägt. Um die Oxdidationszahlen der Atome im Ammoniakmolekül zu verstehen, bedient man sich der Elektronegativität als Hilfsmittel. Das Stickstoffatom trägt eine negative Partialladung, die Wasserstoffatome jeweils eine positive. Somit können wir die Vorzeichen der Oxidationsstufen aufschreiben. Stickstoff -, Wasserstoff +. Ein Wasserstoffatom hat nur ein Außenelektron. Also ist die Oxidationszahl +1. Das Ammoniakmolekül besitzt 3 Wasserstoffatome, also muss das Stickstoffatom eine Oxidationszahl von -3 besitzen. Die Summe der Oxidationsstufen muss nämlich 0 sein. Wir machen die Probe. -3+3×(+1)=0, stimmt. Bei Salzen wie Natriumchlorid stellt man sich einfach gedanklich die Dissoziation vor und überlegt sich, welche Ladungen die gebildeten Ionen tragen. Für Natrium erhalten wir somit eine Oxidationsstufe von +1, und für Chlor, entsprechend eine Oxidationsstufe von -1. Wie ist beim Wasser zu verfahren? Wir wissen, dass Wasser ein Dipolmolekül ist. Die negative Partialladung befindet sich beim Sauerstoffatom. Die positiven Partialladungen sitzen an den Wasserstoffatomen. Der Dipolcharacter und die Ladungen der Vorzeichen resultieren wieder aus den Elektronegativitäten. Wir erinnern uns an die Oxidationsstufen des Wasserstoffs und übertragen diese auf das Wassermolekül. Da im Wassermolekül 2 Wasserstoffatome vorhanden sind, muss die Oxidationsstufe des Sauerstoffs -2 betragen. Die Bedeutung der Oxidationsstufen für das Verständnis und die Vorhersage von Redoxreaktionen ist immens. Das 2. wichtige Anwendungsgebiet ist das Aufstellen von Redoxgleichungen.

Und nun kommen wir endlich 3. zu den Regeln zur Ermittlung der Oxidationsstufen Schauen wir uns einige Elemente an. Chlor, CL2, 0. Magnesium, Mg, 0. Stickstoff, N2, 0. Wir verallgemeinern: Die Oxidationsstufe eines reinen Elementes ist 0. Betrachten wir nun einfache Ionen. Das Chloridion hat eine Oxidationsstufe von -1. Das Magnesiumion von +2. Das Aluminiumion von+3. Wir verallgemeinern: Die Oxidationsstufe einfacher Ionen ist gleich, ihrer Ladung. Schon sind wir bei den Molekülen gelandet. Die Summe der Oxidationsstufen der Atome eines Moleküls ist stets 0. Das bedeutet für das Methanmolekül, Wasserstoff, das wissen wir +1. 4 Wasserstoffatome macht +4, also hat das Kohlenstoffatom eine Oxidationsstufe von -4. Das Kohlenstoffmonoxidmolekül enthält Sauerstoff, das eine Oxidationsstufe von -2 hat. Entsprechend hat das Kohlenstoffatom eine Oxidationsstufe von +2. Entsprechend verfahren wir mit dem Kohlenstoffdioxidmolekül. Es hat die Oxidationszahl -2, das bedeutet zusammen -4. Also hat das Kohlenstoffatom eine Oxidationszahl von +4. Auch für komplexe Ionen gibt es eine einfache Regel. Hier ist die Summe der Oxidationszahlen der beteiligten Atome gleich der Ladung des Ions. Nehmen wir als Beispiel das Nitration. Es enthält 3 Sauerstoffatome. Jedes hat eine Oxidationszahl von -2. Das macht zusammen -6. Eine negative Ladung berücksichtigen wir, bleibt also übrig, -5. Das muss kompensiert werden durch das Stickstoffatom. Also hat es eine Oxidationsstufe von +5. Genauso argumentieren wir mit PO4 3-, Phosphat. Sauerstoff hat die Oxidationsstufe -2. 4×(-2) sind -8, die 3 negativen Ladungen berücksichtigen wir, bleibt -5 übrig. Also besitzt das Phosphoratom eine Oxidationsstufe von +5. Das Sulfation, SO4 2-. Es enthält 4 Sauerstoffatome mit den Oxidationsstufen von jeweils -2. 4×(-2) sind -8. Wir berücksichtigen die negativen Ladungen des Sulfations, -2, bleibt übrig, -6. Muss kompensiert werden durch das Schwefelatom, also hat Schwefel die Oxidationsstufe von +6.

  1. Oxidationsstufen biochemisch wichtiger Teilchen Wir werden jetzt die Oxidationsstufen der Elemente in biochemisch wichtigen Teilchen betrachten. Sauerstoffatom und Wasserstoffatom werde ich dabei nicht benennen, sondern immer das Restelement. Die Oxidationsstufe -4 findet man im Methanmolekül beim Kohlenstoff. -3 ist die Oxidationsstufe des Stickstoffs im Ammoniakmolekül. Oxidationsstufen von -2, treffen wir im Sulfidion und im Sauerstoffion an. Eine Oxidationszahl von -1 weisen auf: Die Halogenitionen, wie zum Beispiel Iodit. Das Hydrid-Ion und das Peroxid-Ion. +1 finden wir vor beim Wasserstoffion, auch Proton genannt, beim Natriumion, beim Kaliumion und beim Lachgas. Weiter geht es. +2 treffen wir bei verschiedenen Metallionen an. Magnesiumion, Calciumion, Zinkion, Cobalt-2-Ion, Eisen-2-Ion, und Kupfer-2-Ion. Außerdem haben die Oxidationsstufe 2 der Kohlenstoff im Kohlenstoffmonoxid und der Stickstoff, im Stickstoffmonoxid. Eine Oxidationsstufe von +3 weisen das Eisen-3-Ion und das Cobalt-3-Ion auf. Außerdem hat der Stickstoff im Nitrit die Oxidationsstufe +3. Eine Oxidationsstufe +4 besitzen der Kohlenstoff im Kohlenstoffdioxid und der Schwefel im Schwefeldioxid. +5 finden wir in typischen Säurerestionen, wie Nitrat, Phosphat und Hydrogenphosphat. +6 weisen Schwefel im Sulfat und Chrom im Chromat auf. Und schließlich die höchste Oxidationsstufe +7 zeigt Mangan in Permanganat.

  2. Anwendungen Ammoniak wird zu Nitrat oxidiert. Ammoniak, NH3 reagiert zu Nitrat, NO3-. Im Ammoniak hat der Stickstoff eine Oxidationszahl von -3. Im Nitrat von +5. Diese erreicht er durch die Abgabe von 8 Elektronen. Es muss gelten: Ladung 1 = Ladung 2, und Ladung 2 auf der rechten Seite ist 9. An Redoxreaktionen sind häufig kleine Spezies wie Wasser und dessen Dissoziationsprodukte beteiligt. Natürlich muss bei der Ladungsgleichheit das Vorzeichen berücksichtig werden. Also -9. Eine negative Ladung weist nur das Hydroxidion auf. Also ist es das Hydroxidion, das beim Ladungsausgleich auf der linken Seite helfen muss. Wir benötigen somit, auf der linken Seite, noch 9 Hydroxidionen. Wenn wir auf der rechten Seite noch 6 Wassermoleküle hinzufügen, so ist die Gleichung stofflich und ladungsmäßig ausgeglichen. Die generierte Reaktion ist die Teilreaktion einer Redoxreaktion. Achtung! Wem dieses Beispiel nicht passt, dem sei gesagt, hier kommt es allein auf das Prinzip an.

Zum Abschluss noch ein 2. Beispiel. Kohlenstoffdioxid wird reduziert. Aus Kohlenstoffdioxid, CO2, soll Methan entstehen, CH4. Der Kohlenstoff links hat eine Oxidationsstufe +4. Der rechts von -4. Beim Übergang von links, nach rechts werden 8 Elektronen aufgenommen. Elektronenaufnahme, so erinnern wir uns, bedeutet Reduktion. Reduktion im ursprünglichen Sinne, heißt aber auch, die Abgabe von Sauerstoff. Elementarer Sauerstoff hat eine Oxidationsstufe von 0. Um einen Elektronenausgleich herzustellen, nehmen wir an, dass auf der linken Seite in einer Verbindung noch Sauerstoff enthalten ist, der die Oxidationsstufe -2 enthält. Um eine Elektronenabgabe von links nach rechts, von 8 Elektronen zu gewährleisten, benötigen wir rechts im Ganzen 4 Sauerstoffatome. Also 2O2. Auf der linken Seite benötigen wir noch 2H2O und die Gleichung ist ausgeglichen. Die Reaktion, die als Hin- und Rückreaktion betrachtet werden kann, ist eine vollständige Redoxreaktion.

Das war für eine Einführung fast viel zu viel. Ich wünsche euch alles Gute. Auf Wiedersehen.

20 Kommentare

20 Kommentare
  1. Toll - von einfach bis komplex ist alles in einem Video enthalten.

    Von Elmar M., vor mehr als 4 Jahren
  2. Hallo, bei dieser Redoxgleichung sind die Ausgangsstoffe und die Produkte bereits angegeben. Es sollen lediglich die übertragenen Elektronen und die Oxidationszahlen ergänzt werden. Zur besseren Verständlichkeit wurde der Aufgabentext angepasst.

    Viele Grüße aus der Redaktion!

    Von Bianca Blankschein, vor mehr als 4 Jahren
  3. Das Video habe ich produziert, nur das Video.
    A. O.

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  4. Finde die Endreaktionsgleichung in der kniffligen Bonusaufgabe viel zu schwierig, man weiß ja nicht, was gewollt wird, ich hatte da was mit Wasserstoff zusätzlich konstruiert, sodass Schwefelsäure rauskommt. Wurde ja im Film auch nicht so genau erklärt.

    Von Juliane Viola D., vor mehr als 4 Jahren
  5. Hallo!
    Warum erreicht man das genau durch 8 Elektronen?
    Die sog. Edelgaskonfigurationen liefert stabile Systeme.
    Das kann man nachweisen durch:
    1) spektroskopische Untersuchungen von Edelgasmolekülen und Ionen mit gleichen Elektronenkonfigurationen,
    2) experimentelle Ergebnissen thermodynamischer Untersuchungen und
    3) Ergebnissen der Quantenmechanik/Quantenchemie, die konform gehen mit den beiden ersten Punkten.
    Und warum ist die Ladung zwei auf der zweiten Seite =9?
    Wenn du eine Antwort bekommen möchtest, dann formuliere deine Frage bitte so, dass ich ohne Videoschau verstehen kann, was du meinst.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
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Oxidationsstufen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Oxidationsstufen kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Begriff der Oxidationsstufe.

    Tipps

    In dem Salz $NaCl$ trägt $Cl^-$ die Oxidationsstufe $-1$.

    Lösung

    Die Oxidationsstufe gibt die formale oder tatsächliche Ladung eines Atoms an, das es in einem Molekül oder in einem Ion trägt. So trägt das Stickstoffatom in $NH_3$ die negative Partialladung, da Stickstoff elektronegativer ist als Wasserstoff. Wasserstoff besitzt nur ein Außenelektron, weshalb es die Oxidationsstufe $+1$ zugeschrieben bekommt. Da es drei Wasserstoffatome in dem Molekül sind, werden die Oxidationsstufen addiert. In einem Molekül muss die Gesamtoxidationsstufe $0$ sein. Daraus ergibt sich, dass $N$ eine Oxidationsstufe von $-3$ besitzt, damit die drei Wasserstoffatome ausgeglichen werden.

  • Nenne die Regeln zur Ermittlung der Oxidationsstufen.

    Tipps

    In ${NO_3}^-$ besitzt Stickstoff die Oxidationsstufe +5.

    Lösung

    Es gibt vier Regeln zur Ermittlung von Oxidationsstufen:

    1. Reine Elemente besitzen immer die Oxidationsstufe 0.
    2. Davon abgeleitet ist die Summe der Oxidationsstufen eines Moleküls auch immer 0.
    3. Bei einfachen Ionen entspricht die Oxidationsstufe der Ladung der Ionen.
    4. Demnach entspricht die Summe der Oxidationsstufen in einem komplexen Ion auch der Ladung.

  • Bestimme die Oxidationsstufen in folgenden Molekülen.

    Tipps

    Ein Atom kann unterschiedliche Oxidationsstufen besitzen.

    Aus der Elektronegativität kann man die Partialladung ablesen und somit das Vorzeichen der Oxidationsstufen.

    Lösung

    Kohlenstoffdioxid besitzt zwei Atome Sauerstoff und ein Atom Kohlenstoff. Ein Molekül muss insgesamt immer die Oxidationsstufe 0 besitzen. Deshalb müssen sich die zwei Sauerstoffatome und das Kohlenstoffatom ausgleichen. Wie du dich sicher erinnerst, besitzt Sauerstoff die Oxidationsstufe -2. Da es gleich zwei Atome davon gibt, werden diese addiert. Zusammen ergibt das -4. Um auf die Oxidationsstufe 0 zu kommen, kann Kohlenstoff also nur die Oxidationsstufe +4 besitzen.

    Beim Ammoniumion findet die Regel der komplexen Ionen Anwendung. Hier muss die Gesamtoxidationsstufe des Moleküls der Gesamtladung entsprechen. Sie beträgt also +1 und muss berücksichtigt werden. Wasserstoff besitzt die Oxidationsstufe +1. Um auf die Oxidationsstufe von Stickstoff zu kommen, berechnest du: 4 x (+1) - 1 = +3. Die + 3 muss ausgeglichen werden. Die Oxidationsstufe von Stickstoff beträgt also -3.

    Auch bei Molekülen wie Ethin, die du vielleicht noch nicht kennst, kannst du mit den Regeln ganz leicht die Oxidationsstufen bestimmen. Der Wasserstoff ist in dieser Verbindung wieder der elektropositivere und gibt seine Bindungselektronen also an den Kohlenstoff ab. Damit erhält jedes Wasserstoffatom in der Verbindung die Oxidationszahl +1. Da die Gesamtladung des Moleküls wieder 0 sein muss, bekommt der Kohlenstoff jeweils eine Oxidationsstufe von -1.

  • Ermittle die Oxidationsstufe der unterstrichenen Atome.

    Tipps

    Die Summe der Oxidationsstufen muss immer 0 betragen.

    Fluor hat immer die Oxidationsstufe -1.

    Lösung

    Stelle dir die Dissoziation vor. Dabei liegt Kalium als einwertiges Kation vor und besitzt die Oxidationsstufe +1. Sauerstoff besitzt die Oxidationsstufe -2. Um die Oxidationsstufe von Chrom zu erhalten, berechnest du: 7 x (-2) - (+2) = -12 Da aber zwei Chromatome in diesem Molekül sind, musst du noch durch 2 teilen und das Vorzeichen zum Ausgleich umdrehen. Chrom hat also die Oxidationsstufe +6.

    Das Wasserstoffperoxid ist eines der seltenen Beispiele dafür, dass Sauerstoff auch die Oxidationsstufe -1 besitzen kann. Wasserstoff besitzt die Oxidationsstufe +1. Da die Gesamtoxidationsstufe 0 betragen muss, gleicht Sauerstoff mit einer Oxidationsstufe von -1 aus.

    Fluor besitzt immer die Oxidationsstufe -1, weshalb du leicht auf die Oxidationsstufe +3 von Brom kommst.

    Um die Oxidationsstufe von Stickstoff in Salpetersäure zu ermitteln, addierst du nur Wasserstoff und Sauerstoff zusammen. Wasserstoff hat die Oxidationsstufe +1, Sauerstoff -2. Du berechnest: 3 x (-2) + 1 = -5 Um auf 0 zu kommen, musst du mit +5 addieren. Also besitzt Stickstoff die Oxidationsstufe +5 in Salpetersäure.

  • Gib die Oxidationsstufen in einem Wassermolekül an.

    Tipps

    Erinnere dich an die Regeln zur Ermittlung der Oxidationsstufen.

    In einem Molekül gibt die partielle Ladung der Atome das Vorzeichen der Oxidationsstufe an.

    Das elektronegativere Atom zieht die Bindungselektronen stärker an sich.

    Lösung

    Wasser ist ein Dipolmolekül. Wasserstoff besitzt eine Elektronegativität von 2,1, während Sauerstoff mit 3,5 elektronegativer ist. Es zieht die Elektronen stärker an sich, weshalb Sauerstoff im Wassermolekül die negative Partialladung trägt. Das Vorzeichen der Oxidationsstufe entspricht der Partialladung. Du weiß nun also, dass Sauerstoff eine negative Oxidationsstufe trägt und Wasserstoff eine positive. Wasserstoff trägt die Oxidationsstufe +1, da es ein Außenelektron hat. Du weißt, dass in einem Molekül die Summe der Oxidationsstufen 0 ist. Es existieren also zwei Oxidationsstufen +1. Das ergibt zusammen +2. Um dies auszugleichen und um auf 0 zu kommen, kann Sauerstoff nur die Oxidationsstufe -2 besitzen.

  • Bestimme die Oxidationsstufen der Schwefel- und Sauerstoffatome und ergänze die Redoxgleichung.

    Tipps

    Die Oxidationsstufe eines komplexen Ions entspricht nicht 0.

    Die Oxidationsstufe verrät dir, wie viele Elektronen abgegeben bzw. aufgenommen werden.

    Die Anzahl an Elektronen, die bei der Reduktion entstehen, muss bei der Oxidation in der Gesamtgleichung auch wieder aufgenommen werden. Für die Gesamtgleichung benötigst du also stöchiometrische Faktoren.

    Wenn Stoffe oder Elektronen sowohl auf Edukt- als auch auf Produktseite auftauchen, können sie in der Gesamtgleichung rausgestrichen werden.

    Lösung

    Die Oxidationsstufe von Schwefel in ${SO_3}^{2-}$ ist +4, da Sauerstoff die Oxidationsstufe -2 hat und die Gesamtladung des Ions -2 beträgt. Die Oxidationsstufe von Schwefel in ${SO_4}^{2-}$ ist +6. Die Differenz entspricht der Anzahl der Elektronen, die abgegeben werden, da es sich um eine Oxidation handelt. Da nun eine Ladungsungleichheit zwischen Edukt und Produkt herrscht, musst du diese ausgleichen. Du gleichst 2 negative Ladungen also mit 2 positiven Ladungen des Wasserstoffprotons $H^+$ aus. Damit die Reaktionsgleichung auch stofflich ausgeglichen ist, fügst du der Eduktseite Wasser hinzu. Somit ist die Differenz der Sauerstoffatome, der Wasserstoffatome und der Ladungen ausgeglichen.

    Bei der Reduktion gehst du genauso vor. Oxidationszahlen bestimmen: Du wirst sehen, es ergibt sich eine Differenz von 2. Nun werden aber zwei Sauerstoffatome umgesetzt, was die Differenz verdoppelt. Deshalb werden 4 Elektronen aufgenommen. Da du weißt, dass Wasser entsteht, gleichst du mit Wasserstoffprotonen aus.

    Bei der Redoxgleichung musst nun nun beachten, dass die Elektronenanzahl zwischen der Oxidation und der Reduktion übereinstimmen müssen. Hier tun sie es nicht. Darum solltest du die Stoffe der Oxidation verdoppeln, um auf 4 Elektronen, die abgegeben werden, zu kommen.

    Die Elektronen und Protonen und auch die Wassermoleküle sind in gleicher Anzahl auf Eduktseite und auf Produktseite vorhanden. Daher können sie herausgestrichen werden.

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