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Wie bestimmt man Oxidationszahlen?

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Chemie-Team
Wie bestimmt man Oxidationszahlen?
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Beschreibung Wie bestimmt man Oxidationszahlen?

Inhalt

Was ist die Oxidationszahl?

Die Oxidationszahl beschreibt die formale Ladung eines Atoms innerhalb einer chemischen Verbindung (Moleküle, mehratomige Ionen …), die vorliegen würde, wenn die Verbindung nur aus einatomigen Ionen bestehen würde. Dabei haben Atome als Elemente die Oxidationszahl $0$ und bei einatomigen Ionen entspricht die Oxidationszahl ihrer tatsächlichen Ladung. Die Oxidationszahl wird vor allem für die Stöchiometrie bei Redoxreaktionen benötigt.

Oxidationszahlen bestimmen

Um Oxidationszahlen zu ermitteln, muss man sich an die folgenden Regeln halten:

  • Oxidationszahlen werden meist mit römischen Zahlen und Vorzeichen ($-III$, $-II$, $-I$, $0$, $+I$, $+II$, $+III$, $+IV$ usw.) angegeben, um sie nicht mit den tatsächlichen Ladungen zu verwechseln. Wichtig ist dabei, dass die Oxidationszahl immer nur für ein Atom gleicher Sorte angegeben wird, auch wenn du mehrere im Molekül hast.
  • Atome im elementaren Zustand (z. B.: $O_2$ oder $C$) haben immer die Oxidationszahl $0$ und bei einatomigen Ionen entspricht die Oxidationszahl ihrer tatsächlichen Ladung ($Cu^{2+}$ hat die Oxidationszahl $+II$).
  • In einer neutralen Verbindung ist die Gesamtsumme aller Oxidationszahlen gleich $0$, in einem Ion entspricht die Gesamtsumme der Ladung des Ions.
  • Elemente haben grundsätzlich mehrere Oxidationsstufen.
  • Betrachten wir Verbindungen anhand der Lewis-Formel (Valenzstrichformel), werden diese formal in Ionen aufgeteilt. Dabei werden die Bindungselektronen dem elektronegativeren Atom zugeordnet.

Beispiele für die Bestimmung von Oxidationszahlen

Wasser

Strukturformel_Wasser_mit_OZ.jpg

Im Wassermolekül ist ein Sauerstoffatom über jeweils eine Einfachbindung mit zwei Wasserstoffatomen verbunden. Da die Elektronegativität von Sauerstoff mit $3,44$ deutlich höher ist als die von Wasserstoff mit $2,1$, werden die beiden Elektronenpaare formal dem Sauerstoff zugeordnet. Damit besitzt er nun zwei zusätzliche Elektronen, sodass er die Oxidationszahl $-II$ erhält. Den Wasserstoffatomen wird formal ein Elektron entzogen, sodass sie jeweils die Oxidationszahl $+I$ haben.

Sauerstoffmolekül

Strukturformel_Sauerstoff_mit_OZ.jpg

Hier haben beide Atome dieselben Elektronegativtätswerte, daher erhalten die Atome beide die Oxidationszahl $0$. Hier kann auch auf die Regel, dass reine Elemente immer die Oxidationszahl $0$ haben, zurückgegriffen werden.

Chlorwasserstoff

Chlorwasserstoff ($HCl$) besteht aus jeweils einem Chlor- und Wasserstoffatom. Da Chlor elektronegativer als Wasserstoff ist, wird das Molekül formal in ein Chloranion ($Cl^-$) und ein Wasserstoffkation ($H^+$) zerlegt. Wasserstoff besitzt also in der Verbindung die Oxidationszahl $+I$ und Chlor die Oxidationszahl $-I$.

Weitere hilfreiche Tipps für das Ermitteln von Oxidationszahlen

  • Sauerstoffatome ($O$) haben meistens die Oxidationszahl $-II$, außer in Verbindungen wie Peroxiden ($-I$) oder Hyperoxiden. Nur in Verbindung mit Fluor finden wir beim Sauerstoff eine positive Oxidationszahl ($+II$).
  • Fluor ($F$) ist das Element mit der höchsten Elektronegativität und bekommt in Verbindungen mit anderen Elementen daher immer die Oxidationszahl $-I$.
  • Metallatome bekommen in Verbindungen als Ionen immer eine positive Oxidationszahl.
  • Wasserstoffatome bekommen im Normalfall die Oxidationszahl $+I$, außer wenn Wasserstoff mit elektropositiveren Atomen wie Metallen (Hydride) oder sich selbst direkt verbunden ist.
  • Die höchstmögliche Oxidationszahl eines Elements entspricht der Haupt- bzw. Nebengruppenzahl im Periodensystem (PSE).

Transkript 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!

16 Kommentare

16 Kommentare
  1. Hallo Lina J.,
    die Elektronegativität eines jeden Elements lässt sich in einem ausführlichen Periodensystem ablesen.
    Falls du noch weitere Fragen hast, helfen dir gerne unsere Lehrerinnen und Lehrer des Hausaufgabenchats weiter. Der Chat ist von Montag bis Freitag von 17 bis 19 Uhr für dich da.
    Beste Grüße aus Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als einem Jahr
  2. woher weiß ich denn, dass es sich beim Sauerstoff um das elektronegativere Element handelt und dass ich die Bindungselektronen formal dem Sauerstoff zuordne?

    Von Lina J., vor mehr als einem Jahr
  3. Sehr gutes Video, sehr gut erklärt, nur muss ich das für den Chemieunterricht eigentlich garnicht wissen ;-)

    Von O Anke, vor mehr als 2 Jahren
  4. Hallo Tora,

    Beide diese Sauerstoffatome hängen im Kohlenstoffdioxidmolekül am Kohlenstoff. Jedes dieser Sauerstoffmoleküle zieht zwei der Elektronen zu sich. Daher hat jedes der Sauerstoffmoleküle die Oxidationszahl -II und der Kohlenstoff +IV.

    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Karsten S., vor mehr als 2 Jahren
  5. Ich wollte nur eine Sache wissen: Warum bekommt Kohlenstoff die Oxidationszahl +4 bei dem Element Kohlenstoffdioxid? Dabei gibt es nur zwei Sauerstoffmoleküle und man zählt doch nur ein Negativeres mit als Oxidationszahl. Würden wir dann nicht +1 erhalten, weil beide Sauerstoffmoleküle einen Elektron abgeben?

    Von Tora M, vor mehr als 2 Jahren
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Wie bestimmt man Oxidationszahlen? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wie bestimmt man Oxidationszahlen? kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre, was die Oxidationszahl angibt.

    Tipps

    Die Oxidationszahl ist ein Hilfsmittel, um zu erkennen, ob ein Element reduziert oder oxidiert wurde.

    Die Oxidation ist eine Elektronenabgabe, die Reduktion eine Elektronenaufnahme.

    Lösung

    Die Oxidationszahl ist eine formale Ladung. Sie ergibt sich, wenn du dir die Verbindung aus Ionen aufgebaut vorstellst. Dabei werden die Bindungselektronen dem elektronegativeren Bindungspartner zugesprochen. Verringert sich die Oxidationszahl, werden also Elektronen aufgenommen und man spricht von einer Reduktion. Wird die Oxidationszahl größer, werden Elektronen abgegeben, man spricht dann von einer Oxidation.

  • Bestimme die Oxidationszahlen in Wasser.

    Tipps

    Stelle dir das Wassermolekül in Ionen zerlegt vor.

    Lösung

    Bei der Bestimmung der Oxidationszahlen wird die Verbindung formal in Ionen zerlegt. Dabei werden die Bindungselektronen dem elektronegativeren Partner zugesprochen. Im Wassermolekül ist das der Sauerstoff. Wenn dieser nun zwei zusätzliche Elektronen erhält, ist seine Oxidationszahl -II. Da der Wasserstoff je ein Bindungselektron verliert, ist seine Oxidationszahl +I.

  • Ermittle die Oxidationszahlen in folgenden Verbindungen.

    Tipps

    Elektronegativitäten:

    H: 2,1

    O: 3,5

    S: 2,5

    N: 3,1

    Na: 1,2

    Die Bindungselektronen werden formal dem elektronegativeren Partner zugesprochen.

    Lösung

    Bei der Bestimmung der Oxidationszahlen werden die Bindungselektronen formal immer dem elektronegativeren Partner zugesprochen. Du schaust dir also die Anzahl der Bindungselektronen und die Elektronegativitäten der Bindungspartner an. Im Schwefeltrioxid $SO_3$ ergibt sich dadurch eine Oxidationszahl von -II für den Sauerstoff und +VI für Schwefel. Auch im Lachgas $N_2O$ ist die Oxidationszahl vom Sauerstoff -II und die vom Stickstoff ist somit +I. Im Natriumhydrid $NaH$ beträgt die Oxidationszahl vom Wasserstoff -I und die vom Natrium +I, da Wasserstoff das elektronegativere Element ist.

  • Bestimme die verschiedenen Oxidationsstufen des Schwefels in seinen Verbindungen.

    Tipps

    Elektronegativitäten:

    S: 2,5

    O: 3,5

    H: 2,1

    Die Elektronen werden immer dem eletronegativeren Partner zugesprochen.

    In reinen Elementen ist die Oxidationszahl 0.

    Lösung

    Die Elektronegativitäten der Elemente verraten dir, zu welchem Element die Elektronen der Bindungen formal gerechnet werden. Im Schwefelwasserstoff $H_2S$ werden die Elektronen zum Schwefel gerechnet. Damit erhält er in dieser Verbindung die Oxidationszahl -II. In reinem Schwefel ist die Oxidationszahl 0. In Schwefeldioxid $SO_2$ befinden sich zwischen dem Schwefel und je einem Sauerstoffatom Doppelbindungen. Damit werden alle vier Elektronen, die der Schwefel zu den Bindungen beiträgt, dem Sauerstoff zugerechnet und Schwefel bekommt die Oxidationszahl +IV. In der Schwefelsäure $H_2SO_4$ hat Schwefel seine höchstmögliche Oxidationszahl +VI.

  • Bestimme die Oxidationszahlen von reinen Elementen.

    Tipps

    In reinen Elementen gibt es keinen Unterschied zwischen den Elektronegativitäten der Bindungspartner.

    Lösung

    Da reine Elemente immer aus Atomen einer Sorte bestehen, gibt es keinen Unterschied in den Elektronegativitäten. Die Bindungselektronen können damit keinem Bindungspartner zugesprochen werden. Damit ist die Oxidationszahl in reinen Elementen 0.

  • Erkenne die Reaktionen, bei denen es sich um Redoxreaktionen handelt.

    Tipps

    Bei Redoxgleichungen liegen Elemente in Verbindungen in unterschiedlichen Oxidationsstufen vor.

    1. Kupferdächer: Aus Kupfer ($Cu$) wird unter anderem Kupfercarbonat ($CuCO_3$)
    2. Eiswürfel: $H_2O$ (fest) wird zu $H_2O$ (flüssig)
    3. Brausepulver: Natriumhydrogencarbonat $NaHCO_3$ wird mit Zitronensäure zu $CO_2$
    4. Rost: Eisen ($Fe$) wird zu Eisenoxid ($Fe_3O_2$)
    5. Centmünze: Kupfer ($Cu$) wird zu Kupferoxid ($CuO$)
    6. Kalkreiniger: Kalk ($CaCO_3$) wird durch Säure zu Kohlenstoffdioxid ($CO_2$)
    Lösung

    Ändert sich die Oxidationszahl eines Elements in einer Verbindung bei einer Reaktion, liegt eine Redoxreaktion vor. Bei den gegebenen Beispielen ist das bei den Kupferdächern der Fall. Da wird das Kupfer oxidiert und es entsteht unter anderem Kupfercarbonat. Beim Rosten entsteht aus Eisen Eisenoxid und auch beim Anlaufen einer Centmünze läuft eine Redoxreaktion ab. Hier entsteht aus Kupfer Kupferoxid.

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