Oxidationszahlen

Oxidationszahl - Definition:

Die Oxidationszahl ist eine formale Größe und hat oft nur wenig mit einer realen Ladung zu tun. Sie ist jedoch ein wichtiger Formalismus für die Stöchiometrie von Redoxreaktionen.

Oxidationsstufe

Die Oxidationszahl Nox (auch Oxidationsstufe, Oxidationswert, elektrochemische Wertigkeit) gibt an, wie viele Elementarladungen ein Atom innerhalb einer Verbindung formal aufgenommen/abgegeben hat, zum Beispiel bei einer Redoxreaktion. Die Änderung der Oxidationszahlen ist das charakteristische Merkmal von Redoxreaktionen. Eine Verringerung der Oxidationszahl eines Elements durch eine Redoxreaktion bedeutet, dass dieses Element reduziert wurde, analog bedeutet eine Erhöhung der Oxidationszahl eines Elements, dass dieses oxidiert wurde.

Die Oxidationszahl ist eine nützliche Sache für chemische Überlegungen - sie hat aber oft nur wenig mit der realen Ladung eines Atoms zu tun. Es kann vorkommen, dass Atomen in einer Verbindung eine negative formale Oxidationszahl zugeordnet wird, obwohl sie gleichzeitig eine positive Formalladung tragen.

Die Oxidationszahl unterscheidet sich in kovalenten Verbindungen vom Begriff der Wertigkeit.

Was sind Oxidationszahlen?

Was sind Oxidationszahlen? - The SimpleClub erklärt

Angabe der Oxidationszahl

Eine Oxidationszahl ist ein Zahlenwert mit Vorzeichen (+/-). Oxidationszahlen werden in Verbindungen in römischen Ziffern über die Atomsymbole geschrieben (Bsp. O−II). Steht das Elementsymbol alleine, so werden sie häufig als arabische Ziffern wie bei Ionen geschrieben. Gemäß IUPAC werden nur bei negativen Oxidationszahlen Vorzeichen gesetzt.

Oxidationszahlen bestimmen:
Einfache Regeln für die Bestimmung von Oxidationszahlen

Für die Bestimmung der Oxidationszahlen gibt es einfache Regeln:

  • Atome im elementaren Zustand haben immer die Oxidationszahl 0 (0 ist aber auch in Verbindungen möglich).
  • Bei einatomigen Ionen entspricht die Oxidationszahl der Ionenladung.
  • Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome einer mehratomigen neutralen Verbindung ist gleich 0.
  • Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome eines mehratomigen Ions ist gleich der Gesamtladung dieses Ions.
  • Bei kovalent formulierten Verbindungen (so genannten Valenzstrichformeln, Lewis-Formeln) wird die Verbindung formal in Ionen aufgeteilt. Dabei wird angenommen, dass die an einer Bindung beteiligten Elektronen vom elektronegativeren Atom vollständig übernommen werden.
  • Die meisten Elemente können in mehreren Oxidationsstufen auftreten.

Bei komplexeren Verbindungen oder Teilchen ermittelt man die Oxidationszahlen der Atome anhand der Lewis-Formel (s.u. bei den Beispielen), indem man formal eine heterolytische Bindungsspaltung durchführt.

Oxidationszahl ermitteln mit Hilfsregeln

  • Das Fluoratom (F) als Element mit höchster Elektronegativität bekommt in Verbindungen immer die Oxidationszahl −I.
  • Sauerstoffatome bekommen die Oxidationszahl −II - außer in Peroxiden (dann: −I) und in Verbindung mit Fluor (dann: +II).
  • Weitere Halogenatome (wie Chlor, Brom, Iod) haben im Allgemeinen die Oxidationszahl (−I), außer in Verbindung mit Sauerstoff oder einem Halogen, das im Periodensystem höher steht.
  • Metallatome bekommen in Verbindungen als Ionen immer eine positive Oxidationszahl.
  • Alkalimetalle haben stets +I und Erdalkalimetalle stets +II als Oxidationszahl.
  • Wasserstoffatome bekommen die Oxidationszahl +I, außer wenn Wasserstoff mit „elektropositiveren“ Atomen wie Metallen (Hydride) oder sich selbst direkt verbunden ist).
  • Im elementaren Zustand ist die Oxidationszahl stets gleich 0 (z. B. I2, C, O2, P4, S8).
  • In ionischen Verbindungen (Salzen) ist die Summe der Oxidationszahlen identisch mit der Ionenladung.
  • In kovalenten Verbindungen (Molekülen) werden die Bindungselektronen dem elektronegativeren Bindungspartner zugeteilt. Gleiche Bindungspartner erhalten je die Hälfte der Bindungselektronen. Die Oxidationszahl entspricht somit den zugeteilten Bindungselektronen im Vergleich zu der Anzahl der normalerweise vorhandenen Außenelektronen.
  • Die höchstmögliche Oxidationszahl eines Elementes entspricht der Haupt- bzw. Nebengruppenzahl im Periodensystem (PSE).

Oxidationszahlen-Rechner

Periodini hat einen kostenlosen Onlinerechner für Oxidationszahlen.

Beispiel für die Berechnung der Oxidationszahl mit Phosphorsäure (H3PO4)

  • Lewis-Formel aufzeichnen, um die Atombindungen besser darzustellen
  • Elektronen den Atomen nach der Elektronegativität zuordnen
  • Ausgehend von den Valenzelektronen kann man die Oxidationszahl berechnen. Beispiel: Sauerstoff besitzt normalerweise 6 Valenzelektronen (VI. Hauptgruppe). Auf Grund der höheren Elektronegativität des Sauerstoffs sind die Bindungselektronen zwischen dem Sauerstoff und dem Wasserstoff (oder dem Phosphor) dem Sauerstoff zuzuordnen. In der Bilanz erhält der Sauerstoff dadurch zusätzlich zu den 6 vorhandenen zwei weitere Elektronen. Daher ist die Oxidationszahl −II. Der Phosphor steht in der V. Hauptgruppe, hat also normalerweise 5 Valenzelektronen. Da diese alle dem Sauerstoff zugeordnet werden, „fehlen“ ihm fünf Elektronen und er erhält die Oxidationszahl +V.