18.1: Ausgleich von Redoxgleichungen

Die Elektrochemie ist die Wissenschaft, die sich mit der Umwandlung von elektrischen und chemischen Reaktionen befasst. Solche Reaktionen werden als Reduktions-Oxidations- oder Redoxreaktionen bezeichnet. Diese wichtigen Reaktionen werden durch Änderungen der Oxidationsstufen für ein oder mehrere Reaktantenelemente definiert und umfassen eine Untergruppe von Reaktionen, die den Transfer von Elektronen zwischen Reaktantenspezies beinhalten. Die Elektrochemie als Fachgebiet hat sich weiterentwickelt, um ausreichende Einblicke in die grundlegenden Prinzipien der Redoxchemie und mehrere Technologien zu liefern, die von metallurgischen Prozessen im industriellen Maßstab bis hin zu robusten, wiederaufladbaren Batterien für Elektrofahrzeuge reichen. Da Reaktionen, bei denen Elektronen übertragen werden, für das Studium der Elektrochemie unerlässlich sind, enthält ein kurzer Überblick über die Redoxchemie Folgendes.

Oxidationszahlen

Per Definition beinhaltet eine Redoxreaktion eine Änderung der Oxidationszahl oder der Oxidationsstufe für einen oder mehrere Reaktanten. Die Oxidationszahl eines Elements ist eine Bewertung, wie sich die elektronische Umgebung seiner Atome im Vergleich zu den Atomen des reinen Elements unterscheidet. Nach dieser Definition trägt ein Atom in einem Element eine Oxidationszahl von Null. Für ein Atom ist die Oxidationszahl gleich der Ladung des Atoms in der Verbindung, wenn die Verbindung ionisch wäre. Die Summe der Oxidationszahlen für alle Atome in einem Molekül ist also gleich der Ladung des Moleküls.

Ionische Verbindungen

Einfache ionische Verbindungen sind die einfachsten Beispiele für diesen Formalismus, da die Elemente Oxidationszahlen haben, die ihren Ionenladungen entsprechen. Natriumchlorid, NaCl, setzt sich aus Na^+-Kationen und Cl−-Anionen zusammen, wobei die Oxidationszahlen für Natrium und Chlor +1 bzw. -1 betragen. Calciumfluorid, CaF₂, setzt sich aus Ca2⁺-Kationen und ^F-Anionen zusammen, mit Oxidationszahlen für Calcium und Fluor, +2 und -1.

Kovalente Verbindungen

Kovalente Verbindungen stellen eine größere Herausforderung bei der Verwendung des Formalismus dar. Wasser ist eine kovalente Verbindung, die aus zwei H-Atomen besteht, die über polare kovalente O-H-Bindungen an ein O-Atom gebunden sind. Die gemeinsamen Elektronen, die eine O-H-Bindung bilden, werden stärker von dem elektronegativeren O-Atom angezogen. Sauerstoff erhält also eine teilweise negative Ladung, verglichen mit einem O-Atom im elementaren Sauerstoff. Infolgedessen weisen H-Atome in einem Wassermolekül im Vergleich zu Wasserstoffatomen in Wasserstoffgas eine teilweise positive Ladung auf. Die Summe der partiellen negativen und positiven Ladungen für jedes Wassermolekül ist Null, wodurch das Wassermolekül neutral ist.

Wenn die Polarisation der gemeinsamen Elektronen innerhalb der O-H-Bindungen des Wassers vollständig wäre, wäre das Ergebnis der vollständige Transfer von Elektronen von H nach O, und Wasser wäre eine ionische Verbindung, die aus ^O2-Anionen und H⁺-Kationen besteht. Die Oxidationszahlen für Sauerstoff und Wasserstoff in Wasser liegen also bei -2 bzw. +1. Wendet man die gleiche Logik auf Tetrachlorkohlenstoff,_{CCl 4}, an, so erhält man Oxidationszahlen von +4 für Kohlenstoff und -1 für Chlor. Im Nitration NO₃⁻ beträgt die Oxidationszahl für Stickstoff +5 und die für Sauerstoff −2, was sich ergibt, dass die Ladung −1 auf dem Molekül entspricht:

Ausgleich von Redoxgleichungen

Die unten gezeigte unsymmetrische Gleichung beschreibt die Zersetzung von Natriumchlorid:

Diese Reaktion entspricht dem Kriterium für eine Redoxreaktion, da die Oxidationszahl für Na von +1 auf 0 (durch Reduktion) und die für Cl von -1 auf 0 (durch Oxidation) abnimmt. Der Gleichungsfall lässt sich leicht ausgleichen, indem man den stöchiometrischen Koeffizienten von 2 für NaCl und Na addiert:

Redoxreaktionen, die in wässrigen Lösungen auftreten, sind in der Elektrochemie häufig anzutreffen, und viele betreffen Wasser oder seine Ionen H⁺ (aq) und OH⁻ (aq), entweder als Reaktanten oder als Produkte.

In diesen Fällen kann es sehr schwierig sein, Gleichungen, die Redoxreaktionen darstellen, allein durch Inspektion auszugleichen, und die Verwendung eines systematischen Ansatzes, der als Halbreaktionsmethode bekannt ist, ist hilfreich. Dieser Ansatz umfasst die folgenden Schritte:

1. Teilen Sie die Gleichung in ihre Bestandteile, Skelett-, Oxidations- und Reduktionshalbreaktionen auf.
2. Gleichen Sie jede Halbreaktion für alle Elemente außer O und H aus.
3. Gleichen Sie jede Halbreaktion für O-Atome aus, indem Sie Wassermoleküle nach Bedarf in der Gleichung hinzufügen.
4. Gleichen Sie jede Halbreaktion für H-Atome aus, indem Sie Protonen hinzufügen, wie für die Gleichung erforderlich.
5. Gleichen Sie schließlich die Ladungen auf den Elementen aus, indem Sie bei Bedarf Elektronen hinzufügen.
6. Multiplizieren Sie die Halbreaktionen mit einer beliebigen ganzen Zahl, die erforderlich ist, um die Anzahl der in der Oxidationshalbreaktion verlorenen Elektronen mit der Anzahl der Elektronen auszugleichen, die in der Reduktionshalbreaktion gewonnen werden.
7. Addieren Sie beide Halbreaktionen und vereinfachen Sie es weiter, indem Sie gemeinsame Spezies auf beiden Seiten der Gleichung aufheben.
8. Wenn die Reaktion in einem alkalischen Medium stattfindet, fügen Sie der in Schritt 7 erhaltenen Gleichung OH⁻-Ionen hinzu, um die Protonen zu neutralisieren (in gleicher Anzahl auf beiden Seiten der Gleichung hinzuzufügen) und zu vereinfachen.
9. Überprüfen Sie die Gleichung, um sicherzustellen, dass die Ladungen auf den Atomen ausgeglichen sind.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Kapitel 17: Einführung, und Openstax, Chemie 2e, Abschnitt17.2: Überprüfung der Redoxchemie.