Redoxreaktionen

1. Bildung von Ionenverbindungen bei Hauptgruppenelementen

1.1 Magnesium + Sauerstoff

Experiment: Magnesiumband wird an der Luft entzündet. Es brennt mit sehr heller Flamme. 

a) Vereinfacht: Alle Elemente als Atome geschrieben.

b) keine Vereinfachung: Sauerstoff wird als Molekül geschrieben:

     Reaktionsgleichung: 2 Mg + O₂ → 2 MgO ΔH < 0

c) Redoxschema:

I. Allgemein:

Hier erst mal das Redoxschema einer freiwillig ablaufenden Reaktion (Bergabreaktion). Mit Hilfe eines Redoxschemas kann man eine Reaktion veranschaulichen. Auf dem diagonalen Pfeil schreibt man die Anzahl der Elektronen, die von einem Stoff (bzw. Teilchen) zu einem anderen Teilchen übergehen. Oben links steht das Teilchen, welches die Elektronen abgibt. Wenn dieses Teilchen diese Elektronen abgibt verändert es sich selbst (Natrium ist zum Beispiel ein sehr reaktives Metall; Natrium-Kation hingegeben ist reaktionsarm und wir nutzen es als Bestandteil des Speisesalzs). Das oxidierte Teilchen wird oben rechts geschrieben. 

Unten rechts steht das Teilchen, welches Elektronen aufnimmt. Auch dieses Teilchen verändert sich dabei. Das Ergebnis steht dann unten links.  

II.  Mg + O₂

d) Teilgleichungen

Gerade bei komplizierten Redoxgleichungen, kann es eine Hilfe sein, dass man die Reaktionsgleichungen in die Teilreaktionen Oxidation und Reduktion aufsplittet. Das Ergebnis für die Verbrennung von Magnesium sind man in den folgenden Teilgleichungen. Da die Anzahl der aufgenommenen und abgegebenen Elektronen gleich sein muss, multipliziert man die Oxidationsreaktion mit zwei. Dadurch geben zwei Magnesium-Atome vier Elektronen ab (siehe Redox) und das Sauerstoffmolekül nimmt vier Elektronen auf.   

Oxidation: Mg             → Mg²⁺ + 2 e^-    | · 2
Reduktion: O₂ + 4 e^-  → 2 O^2-              | · 1

--------------------------------------------------- 

Redox:  2 Mg + O₂ → 2 Mg²⁺ + 2 O^2-

1.2 Natrium reagiert mit Chlor

 Wichtiger Tipp: Durch Elektronenabgabe oder Aufnahme können Ionen entstehen, die Edelgaskonfigurationin der Elektronenhülle aufweisen.

1. Formuliert die Teilreaktionen (Oxidation und Reduktion).
2. Formuliert die Gesamtreaktion.
3. Zeichnet ein vollständiges Redoxschema für diese Reaktion.

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

Oxidation: Na → Na¹⁺ + 1 e⁻                  | · 2
Reduktion: Cl₂ + 2 e⁻ → 2 Cl¹⁻               | · 1
-------------------------------------------
Redox: 2 Na + Cl₂ → 2 Na¹⁺ + 2 Cl¹⁻

Reaktionsgleichung:      2 Na + Cl₂ → 2 NaCl ΔH < 0

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1.3 Neue Definitionen

Oxidation= Elektronenabgabe
Reduktion= Elektronenaufnahme

Redoxreaktionen: Reaktionen mit Elektronenübertragung.
Oxidation und Reduktion laufen gleichzeitig ab.

Oxidationsmittel: Elektronenakzeptor („Elektronenräuber“)
Reduktionsmittel: Elektronendonator („ Elektronenspender“) [ nicht freiwillig ]

Merke: Ein Oxidationsmittel oxidiert ein anderes Teilchen und wird dabei selber reduziert.

Ein Reduktionsmittel gibt Elektronen ab, die es später wieder aufnehmen kann. Es wird also zu einem Oxidationsmittel.

Redoxpaar: z.B.

Jede Redoxreaktion man formal in zwei Teilreaktionen zerlegen:
(1) Oxidation (Elektronenabgabe)
(2) Reduktion (Elektronenaufnahme).

 Beispiel: Lithium reagiert mit Chlor

(1) Oxidation:           Li → Li⁺ + 1 e⁻                                    | · 2
(2) Reduktion:          Cl₂ + 2 e⁻ → 2 Cl⁻                               | · 1
______________________________________________________
Teilchengleichung:   2 Li + Cl₂ → 2 Li⁺ + 2 Cl⁻
Reaktionsgleichung: 2 Li(s) + Cl₂ (g) → 2 LiCl(s)        ΔH < 0

Achtung:
Die Zahl der abgegebenen und aufgenommenen Elektronen muss gleich sein; die Elektronenbilanz muss stimmen (gemeinsames Vielfaches!).

Aus diesem Grund muss man das Teilschema (1) mit dem Faktor 2 multiplizieren

Die Formel für das Salz LiCl besagt, dass im festen LiCl, die Lithium-Ionen und die Chlorid-Ionen im Stoffmengenverhältnis
n(Li⁺) : n(Cl-) = 1 : 1 vorhanden sind.

Aufgaben:

Formuliere für folgende Reaktionen

• die Teilreaktionen.
• Stelle abschließend jeweils die Teilchengleichung und die
• Reaktionsgleichung auf.
• Achte darauf, welche Elemente molekular vorkommen und formuliere die Molekülformel auch in den Teilreaktionen.

a) Magnesium + Chlor
b) Aluminium + Sauerstoff

a) Magnesium + Chlor

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(1) Oxidation: Mg → Mg²⁺ + 2 e⁻                   | · 1
(2) Reduktion: Cl₂ + 2 e⁻ → 2 Cl⁻                  | · 1
-----------------------------------------------------------------------------------------
Teilchengleichung: Mg + Cl₂ → Mg²⁺ + 2 Cl⁻

Reaktionsgleichung: Mg + Cl₂ → MgCl₂

Die Formel für das Salz MgCl₂ besagt, dass im festen Magnesiumchlorid, die Magnesium-Ionen und die Chlorid-Ionen im Stoffmengenverhältnis n(Mg²⁺) : n(Cl-) = 1 : 2 vorhanden sind.

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b) Aluminium + Sauerstoff

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(1) Oxidation: Al → Al³⁺ + 3 e⁻     | · 4
(2) Reduktion: O₂ + 4 e⁻ → 2O²⁻   | · 3
---------------------------------------------------------------------------------
Teilchengleichung: 4 Al + 3 O₂ → 4 Al³⁺ + 6 O²⁻

Reaktionsgleichung: 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃

Das Ionengitter des Aluminiumoxids ist elektrisch neutral, wenn auf zwei Aluminium-Ionen (Al³⁺) drei Oxid-Ionen (O²⁻) entfallen. Das Anzahlverhältnis muss 2 : 3 lauten: (Al³⁺)₂(O²⁻)₃ oder Al₂O₃ (Verhältnisformel).

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Verhältnisformeln der Salze geben das Zahlenverhältnis der Ionen im Ionengitter an!

1.4 Aluminium + Brom

Aufbau:

1. Formuliert die Teilreaktionen (Oxidation und Reduktion).
2. Formuliert die Gesamtreaktion.
3. Zeichnet ein vollständiges Redoxschema für diese Reaktion.

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Die Zahl der abgegebenen und aufgenommenen Elektronen muss gleich sein; die Teilchengleichung (2) muss deshalb mit dem Faktor 3 multipliziert werden.

Für die Teilchengleichung benötigt man ganze Zahlen (1,5 Brom-Moleküle gibt es nicht!). Deshalb wird die Gleichung (3) mit dem Faktor 2 multipliziert.

Teilchengleichung: 2 Al + 3 Br₂ → 2 Al³⁺ + 6 Br⁻
Reaktionsgleichung: 2 Al + 3 Br₂ → 2 AlBr₃                 ΔH < 0

Redoxschema:

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Übungen:
Formuliere für folgende Reaktionen die Teilreaktionen. Stelle abschließend jeweils die Teilchengleichung und die Reaktionsgleichung auf. Achte darauf, welche Elemente molekular vorkommen und formuliere die Molekülformel auch in den Teilreaktionen.

1. Magnesium + Chlor
2. Aluminium + Sauerstoff

Lösungen: Um die Lösung zu sehen, muss der Bereich darunter "markiert" werden (z.B. durch Links-Klick und ziehen über den unteren Bereich mit der Maus). 

a. Magnesium + Chlor

(1) Oxidation: Mg → Mg²⁺ + 2 e⁻ | · 1
(2) Reduktion: Cl₂ + 2 e⁻ → 2 Cl⁻ | · 1
-----------------------------------------------------------------------------------------
Teilchengleichung: Mg + Cl₂ → Mg²⁺ + 2 Cl⁻

Reaktionsgleichung: Mg + Cl₂ → MgCl₂

Die Formel für das Salz MgCl₂ besagt, dass im festen Magnesiumchlorid, die Magnesium-Ionen und die Chlorid-Ionen im Stoffmengenverhältnis n(Mg²⁺) : n(Cl-) = 1 : 2 vorhanden sind.

b. Aluminium + Sauerstoff

(1) Oxidation: Al → Al³⁺ + 3 e⁻ | · 4
(2) Reduktion: O₂ + 4 e⁻ → 4 O²⁻ | · 3
---------------------------------------------------------------------------------
Teilchengleichung: 4 Al + 3 O₂ → 4 Al³⁺ + 6 O²⁻

Reaktionsgleichung: 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃

Das Ionengitter des Aluminiumoxids ist elektrisch neutral, wenn auf zwei Aluminium-Ionen (Al³⁺) drei Oxid-Ionen (O²⁻) entfallen. Das Anzahlverhältnis muss 2 : 3 lauten: (Al³⁺)₂(O²⁻)₃ oder Al₂O₃ (Verhältnisformel).

Wichtig: Verhältnisformeln der Salze geben das Zahlenverhältnis der Ionen im Ionengitter an.

1.5 Ionenladungen und Formeln von Ionenverbindungen (Salzen)

Anzahl der positiven Elementarladungen muss mit der Anzahl der negativen Elementarladungen im Ionengitter übereinstimmen. Formeln für Salze geben an, in welchem Anzahlverhältnis die beteiligten Ionen im Ionengitter vorliegen. Es handelt sich um Verhältnisformeln. 

Bsp.:

• Natriumchlorid besteht aus Na¹⁺- und Cl¹⁻-Ionen: Verhältnisformel: NaCl
• Magnesiumbromid besteht aus Mg²⁺- und Br¹⁻-Ionen: Verhältnisformel: MgBr₂
• Aluminiumoxid besteht aus Al³⁺- und O²⁻-Ionen: Verhältnisformel: Al₂O₃
• Natriumsulfid besteht aus Na¹⁺- und S²⁻-Ionen: Verhältnisformel: Na₂S
• Calciumnitrid besteht aus Ca²⁺- und N³⁻-Ionen: Verhältnisformel: Ca₃N₂

1. Hinweis: Wenn keine Zahl da steht (wie z.B. beim Kochsalz NaCl, muss man sich eine "1" denken: Na₁Cl₁).

2. Hinweis: Man bekommt die gemeinsame Ladung recht schnell heraus: Ca²⁺- und N³⁻-Ionen -> Ca₃N₂ -> Die Ladungsanzahl einfach beim anders geladenen Partner in den Index schreiben. 

Falls man das nochmals etwas genauer wiederholen möchte: Hier die Grundlagen dazu: Ionenbindung - PSE - Verhältnisformel.

2 Reaktion von Chlorwasserstoff-Gas mit Ammoniak-Gas

Hinweis: Um die Vorgänge besser nachvollziehen zu können gibt es hier ein Periodensystem der Elemente-Popup

Bei diesen zwei Teilchen liegen polare Atombindungen vor: 

a) Versuch mit Skizze: (vgl. AB )

b) Beobachtung: 

Innerhalb des Becherglas bildet sich weißer Rauch. Am Boden der Glasplatte setzt sich ein weißer, kristalliner Stoff ab.

Vorher:

Nachher:

c) Auswertung:

I. Teilchengleichung:

NH₃ + HCl → NH₄¹⁺Cl¹⁻

II. Reaktionsgleichung (Stoffgleichung)
NH₃ (g) + HCl (g) → NH₄Cl (s)  ΔH < 0

III. Protolyse-Schema

Aufgabe: Skizziert einmal das Protolyse-Schema für diese chemische Reaktion. Tipp: Falls Ihr noch Schwierigkeiten damit habt, schaut nochmal das allgemeine Beispiel an. 

{slider title="Lösung: Protolyse-Schema für die Bildung von Ammoniumchlorid" open="false" class="icon"}

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5 Ionenbindung

Bsp: Bildung von Natriumchlorid aus Natrium und Chlor

Zunächst eine kleine, alte Animation, wie es zur Bildung von Kochsalz, Natriumchlorid kommen kann: 

Was wir nicht vergessen dürfen ist, dass man immer die Edelgasregel beachten sollte: 

Natrium hätte die Möglichkeit unter Aufnahme von 7 Elektronen Edelgaskonfiguration zu erhalten. Der viel einfachere Weg für Natrium ist jedoch, ein Elektron abzugeben.

Bei dieser Reaktion kommt es zu einem Elektronenübergang, wobei ein Elektron vom Natrium zum Chlor-Atom übertragen wird. Es entsteht ein einfach positiv geladenes Natrium-Ion (Na⁺) und ein einfach negativ geladenes Chlorid-Ion (Cl⁻).
Beide Ionen besitzen Edelgaskonfigurationder Elektronenhülle!

 Beachte: Wenn Elektronen abgegeben werden, hat das restliche Atom weniger Elektronen als Protonen, folglich ist es positiv geladen.

Aufgabe: Berechne die Ladung von Chlorid-Anion: 

So kann man schnell die folgende Tabelle erstellen: 

Ladung der Ionen und das PSE

Zum Abschluss noch der Link zu Übungen, zur Ladung und PSE. Interaktive Übungsseite.