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Redoxreaktion und Oxidationszahlen

Geräte und Chemikalien:

Standzylinder, Pinzette, Bunsenbrenner, Glimmspan, Sand, Schutzbrille, Kohlenstoffdioxid, Magnesiumband.

Versuchsdurchführung:

Vorversuch:
Kohlenstoffdioxid wird in den Standzylinder eingefüllt. Der in der rauschenden Flamme angezündete Glimmspan wird dann mit der Spitze in den Standzylinder eingeführt.

Hauptversuch:
Das Magnesiumband wird mithilfe der Pinzette in die rauschende Flamme des Bunsenbrenners gehalten.

Versuchsbeobachtung:

Vorversuch:
Der an der Spitze glühende Glimmspan erlischt sofort.
Hauptversuch:

Das Magnesiumband leuchtet mit knisternder Flamme grell-weiß auf, erlischt zwar bald, aber nicht sofort. An der Wand des Standzylinders bilden sich schwarze Punkte und es entsteht ein weißer Belag auf dem Boden.

Versuchserklärung:

Vorversuch:
Für das Verbrennen des Glimmspans wird Sauerstoff benötigt, im Standzylinder befindet sich aber nur Kohlenstoffdioxid. Deshalb erlischt er sofort.
Hauptversuch:
An der Energiefreigabe und den Änderungen der Eigenschaften erkennt man, dass eine chemische Reaktion stattgefunden hat. Dabei entsteht ein neuer Stoff.
Magnesium und Kohlenstoffdioxid reagierten miteinander und es entstanden Magnesiumoxid (weißer Belag) und Kohlenstoff (schwarze Punkte).

Reaktionsgleichung:

Bei dieser Reaktion findet einerseits eine Reduktion (Kohlenstoff wird aus Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoff reduziert) und gleichzeitig eine Oxidation (Magnesium gibt jeweils 2 Elektronen ab) statt. Der an der Reaktion beteiligte Kohlenstoff wird erst weiter unten untersucht.

Eine Reduktion ist eine Reaktion, bei der einem Element in einem Oxid Sauerstoff entzogen wird. (Definition aus der 9.Klasse)

Dieser Reduktionsbegriff wir hier erweitert:

Definition:
Eine Reduktion ist eine chemische Reaktion bei der Elektronen aufgenommen werden.

Weil die Oxidation und die Reduktion gleichzeitig ablaufen, nennt man diese Reaktion Readoxreaktion.

Oxidationszahl (formale Ladung):

Der an der Reaktion beteiligte Kohlenstoff besitzt in der Verbindung mit dem Sauerstoff gar keine Ionenladung, weil er nicht als Ion auftritt.
Weil diese Reaktion aber offensichtlich eine Redoxreaktion ist, würde man gerne dem Kohlenstoff in der Verbindung eine Ladung zuweisen. Betrachtet man den Sauerstoff in der Verbindung, so würde man erwarten, dass er 2-fach negativ geladen ist. Da zwei Sauerstoffatome auf ein Kohlenstoffatom kommen, müsste das Kohlenstoffatom 4-fach positiv geladen sein, damit die Verbindung Kohlenstoffdioxid neutral ist.
Deshalb verwendet man für Kohlenstoff eine formale Ladung, die man Oxidationszahl nennt. Dafür schreibt man dann aber römische Zahlen mit Vorzeichen, die genau über dem Elementsymbol stehen. Kohlenstoff hat in der Verbindung somit die Oxidationszahl +IV. Die anderen Ladungen werden einfach auch alle als Oxidationszahlen geschrieben (Ladung = Oxidationszahl).

Mit Hilfe der Oxidationszahlen lässt sich diese Reaktion sehr gut als Redoxreaktion beschreiben:
Magnesium gibt insgesamt 4 Elektronen ab und wird dabei oxidiert. Kohlenstoff nimmt 4 Elektronen auf und wird dabei reduziert. Insgesamt werden also 4 Elektronen ausgetauscht. Sauertoff ändert seine Oxidationszahl nicht.

Definition:
Redoxreaktionen sind Reaktionen bei denen eine Oxidation (Elektronenabgabe) und eine Reduktion (Elektronenaufnahme) gleichzeitig ablaufen.

Erstellt von Stefan S. mit Ergänzungen durch Herrn Ecker. 28.1.2014