Redox-Reaktionen

Oxidation und Reduktion

Einige chemische Reaktionen können als Reduktions-Oxidationsreaktionen oder Redoxreaktionen klassifiziert werden. Oxidation ist der Prozess, bei dem Materie, wie ein Atom oder ein ionisches Molekül, ein oder mehrere Elektronen verliert, und Reduktion ist der Prozess, bei dem die Materie ein oder mehrere Elektronen gewinnt.

Oxidationsstufen

Jedes Atom in einem Molekül hat seine eigene Oxidationsstufe oder Oxidationszahl. Die Oxidationsstufe beschreibt, wie oxidiert ein Molekül im Verhältnis zu seiner freien elementaren Form ist. Die Oxidationsstufe wird ausgedrückt als die Ladung, die ein Atom hätte, wenn jede seiner Bindungen zu anderen Elementen rein ionisch wäre. Das bedeutet, dass die Elektronen in der Bindung dem elektronegativeren Atom zugeordnet werden. Die Oxidationsstufe eines Atoms in seiner freien elementaren Form ist definiert als 0.

Es gibt einige Regeln, die zur Bestimmung der Oxidationsstufe befolgt werden. Elemente der Gruppe I und II weisen typischerweise Oxidationsstufen von +1 bzw. +2 auf. Wasserstoff und Sauerstoff haben typischerweise Oxidationsstufen von +1 bzw. -2, und Halogene haben normalerweise eine Oxidationsstufe von -1. Außerdem addieren sich die Oxidationsstufen der Atome in einem Molekül immer zur Ladung auf dem Molekül. So kann oft die Oxidationsstufe eines Atoms abgeleitet werden, die oben nicht aufgeführt ist. Betrachten Sie zum Beispiel Kohlendioxid (CO₂), das ein neutrales Molekül ist. Wenn jedes der beiden Sauerstoffmoleküle -2 beisteuert, muss die Oxidationsstufe des Kohlenstoffs +4 betragen, um die -4 aus den Sauerstoffn aufzuheben.

Für einen allgemeineren Ansatz zeichnen Sie die Lewis-Struktur des Moleküls, identifizieren die Bindungen zwischen verschiedenen Atomen und ordnen jede Bindung dem elektronegativeren Atom zu. Zählen Sie dann die Anzahl der Elektronen an jedem Atom, wobei jede Bindung zwei Elektronen beisteuert. Subtrahiere die Anzahl der Elektronen, die sich derzeit auf dem Atom befinden, von der Standardanzahl der Valenzelektronen für dieses Atom, um die Oxidationszahl zu erhalten.

Betrachten wir noch einmal Kohlendioxid. Jeder Sauerstoff hat zwei einsame Elektronenpaare und ist durch eine Doppelbindung mit dem zentralen Kohlenstoff verbunden. Sauerstoff ist elektronegativer als Kohlenstoff, so dass jede C=O-Bindung, die vier Elektronen ausmacht, seinem Sauerstoff zugeordnet ist. Jedem Sauerstoff sind also insgesamt acht Elektronen zugeordnet (vier aus den Einzelpaaren und vier aus der Doppelbindung), und Kohlenstoff ist keines zugeordnet. Die Standardanzahl der Valenzelektronen für Sauerstoff beträgt sechs, sodass die Oxidationszahl für jeden Sauerstoff 6 – 8 = -2 beträgt. Die Standardanzahl der Valenzelektronen für Kohlenstoff beträgt vier, daher beträgt die Oxidationszahl für Kohlenstoff 4 – 0 = +4.

Redox-Reaktionen

Nicht alle chemischen Reaktionen werden als Redoxreaktion eingestuft. Eine Redoxreaktion ist jede Reaktion, bei der sich die Oxidationsstufe eines Atoms ändert. Um also zu überprüfen, ob es sich bei einer Reaktion um eine Redoxreaktion handelt, bestimmen Sie die Oxidationsstufen jedes Atoms in den Reaktanten und Produkten und suchen Sie nach Veränderungen.

Bei vielen Redoxreaktionen werden Elektronen direkt von einem Molekül oder Atom auf ein anderes übertragen. Wenn bei diesen Reaktionen ein Molekül oder Atom ein Elektron gewinnt, muss ein anderes Molekül oder Atom ein Elektron verlieren. Eine einfache Möglichkeit, sich die Definitionen von Oxidation und Reduktion zu merken, ist der Ausdruck OIL-RIG, der steht für: Oxidation Is Losing – Reduction Is Gaining.

Das Molekül, das ein Elektron gewinnt, wird reduziert, aber es wird als Oxidationsmittel oder Oxidationsmittel bezeichnet, weil es das andere Molekül oxidiert. In ähnlicher Weise wird das Molekül, das ein Elektron verliert, oxidiert, aber es wird als Reduktionsmittel oder Reduktionsmittel bezeichnet, weil es das andere Molekül reduziert.

Es gibt vier Hauptreaktionstypen, die typischerweise Redoxprozesse beinhalten.

1. Einzelne Verschiebungsreaktion: Ein Atom verdrängt ein anderes Atom, das Teil einer Verbindung ist, und ersetzt es.
2. Verbrennungsreaktion: Eine Verbindung wird durch ein starkes Oxidationsmittel, typischerweise Sauerstoffgas, reduziert. Bei Verbrennungsreaktionen, die zwischen Kohlenwasserstoffen und organischen Verbindungen stattfinden, entstehen typischerweise Kohlendioxid und Wasser.
3. Synthesereaktion: Zwei Reaktanten bilden ein einzelnes Produkt.
4. Zersetzungsreaktion: Ein einzelner Reaktant zerfällt in zwei oder mehr Produkte.

Referenzen

1. Harris, D. C. (2015). Quantitative chemische Analyse. New York, NY: W. H. Freeman und Company.