Komplexe Redoxreaktionen (I)

Lösungen:

Aufgabenstellung: Formuliere die Elektronenteilgleichungen für den Oxidations- und den Reduktionsvorgang und stelle die Gesamtgleichung auf!

1. Angabe des Redoxpaares u. Ermittlung der Oxidationszahlen:  NO₂¯ ----> NO₃¯; Oxidationszahlen: +III bei NO₂¯und +V bei NO₃¯

2. Ermittlung der Elektronenübergangs: NO₂¯ ----> NO₃¯ + 2 e¯

3. Durchführung des Ladungsausgleichs: NO₂¯ ----> NO₃¯ + 2 e¯  + 2 H⁺ : damit stehen links und rechts wieder nur eine negat. Ladung!
Der Ladungsausgleich erfolgt in (schwefel-)saurer Lösung mit H⁺-Ionen.

4. Durchführung des Atomausgleichs: NO₂¯ + H₂O   ----> NO₃¯ + 2 e¯  + 2 H⁺ : damit stehen links und rechts wieder die gleiche Anzahl von Elementsymbolen.

B. Elektronenteilgleichung für den Reduktionsvorgang:

1. Angabe des Redoxpaares u. Ermittlung der Oxidationszahlen: MnO₄¯  ----> Mn²⁺ ; Oxidationszahlen: +VII bei MnO₄¯und +II bei Mn²⁺

2. Ermittlung der Elektronenübergangs: MnO₄¯  + 5 e¯ ----> Mn²⁺

3. Durchführung des Ladungsausgleichs: MnO₄¯  + 5 e¯  8 H⁺  ----> Mn²⁺

4. Durchführung des Atomausgleichs: MnO₄¯  + 5 e¯  +   8 H⁺  ----> Mn^{2+   +}  4 H₂O 

C. Erstellung der Gesamtgleichung:

Oxidation:      NO₂¯ + H₂O   ----> NO₃¯ + 2 e¯  + 2 H⁺ ;  ^|* 5

Reduktion:  MnO₄¯  + 5 e¯  8 H⁺  ----> Mn^{2+   +} 4  H₂O;  ^|*2

Gesamtgleichung:  5 NO₂¯ + 2 MnO₄¯ + 5 H₂O  +  16 H⁺   ---->  5 NO₃¯ +  2 Mn²⁺  +  10 H⁺  + 8  H₂O
vereinfacht:             5 NO₂¯ + 2 MnO₄¯ +                  6 H⁺   ---->  5 NO₃¯ +  2 Mn²⁺  +   3  H₂O
Gegenionen:          5 Na⁺       2 K⁺                      + 3 SO₄²¯ ----> 5 Na⁺        2 SO₄²¯   2 K⁺   SO₄²¯

Stoffgleichung:      5 NaNO₂ + 2 KMnO₄  + 3 H₂O              ---->  5 NaNO₃ +  2 MnSO₄  +  K₂SO₄   +   3 H₂O

Nach dem Prinzip des Kleinsten Gemeinsamen Vielfachen werden bei der Oxidation so viele Elektronen erhalten, wie bei der Reduktion verbraucht werden. Deswegen muss die Oxidationsgleichung mit dem Faktor 5 und die Reduktionsgleichung mit dem Faktor 2 multipliziert werden. Die Stoffgleichung ergibt sich aus der Ergänzung der Gesamtgleichung mit den entsprechenden Gegenionen. Die Zuordnung der Gegenionen ist nicht eindeutig, weil die Ionen lediglich aus Ladungsgründen in der Gleichung auftauchen müssen. Solche Gleichungen geben nur die stöchiometrischen Verhältnisse wider, keinesfalls den wirklichen Verlauf. Freie Elektronen entstehen weder noch werden sie verbraucht. In welchen einzelnen Schritten auf Teilchenebene der Elektronenaustausch tatsächlich stattfindet, darüber sagt die Gleichung nichts aus. Das ist Thema von Elektronenaustausch-Elementarreaktionen.

Aufgabenstellung für Versuch 2-6: Formuliere die Elektronenteilgleichungen für den Oxidations- und den Reduktionsvorgang und stelle die Gesamtgleichung auf!

2. Versuch: Beobachtung: Der Braunstein wird aufgelöst. Braunstein wird in saurer Lösung durch SO₃²¯-Ionen  zu Mn²⁺-Ionen reduziert. Die SO₃²¯-Ionen werden zu SO₄²¯-Ionen oxidiert.

Oxidation:                  SO₃²¯  +  H₂O    ---->  SO₄²¯  + 2 e¯    +  2 H⁺: Oxidationszahlen sind +IV bei SO₃²¯ und +VI bei  SO₄²¯

Reduktion: MnO₂   +  2 e¯    +  4 H⁺    ----->  Mn²⁺   +  2 H₂O; Oxidationszahlen sind +IV bei MnO₂  und +II bei  Mn²⁺

Gesamtgleichung:      SO₃²¯  +  MnO₂   +  2 H⁺  ---->  SO₄²¯  +  Mn²⁺    +   H₂O

Gegenionen:         2 Na⁺                             SO₄²¯       2 Na⁺          SO₄²¯  ;

Stoffgleichung:    Na₂SO₃   +   MnO₂   +  H₂SO₄   ---->  Na₂SO₄   +   MnSO₄   +   H₂O

SO₃²¯-Ionen und H⁺-Ionen reagieren zu "Schwefliger Säure", damit können von Braunstein verschmutzte Geräte im Labor gereinigt werden.

3. Versuch: Beobachtung: Die Gelbfärbung (von gelöstem Iod) vertieft sich nach braun. Iodid-Ionen werden in saurer Lösung durch Wasserstoffperoxid zu Iod-Molekülen (braun in Wasser) oxidiert. Die Wasserstoffperoxid-Moleküle werden zu Wasser reduziert. Das gebildete Iod kann mit der Iod-Stärke-Reaktion nachgewiesen werden: Blaufärbung.

Oxidation:                             2 I¯    ---->  I₂   + 2 e¯; Oxidationszahlen sind -I bei I¯ und 0 bei  I₂

Reduktion:    H₂O₂  + 2 e¯  +  2 H⁺  ----->  2  H₂O; Oxidationszahlen sind -I bei Sauerstoff in H₂O₂ und -2 beim selben Atom

Gesamtgleichung:  2 I¯  + H₂O₂    +  2 H⁺   ----> I₂  + 2  H₂O

Gegenionen:         2 K⁺                          SO₄²¯        2 K⁺                          SO₄²¯

Stoffgleichung:   2 KI   +   H₂O_{2  +}  H₂SO₄   ---->   I₂  + K₂SO₄   +    2  H₂O

4. Versuch: Beobachtung: Es bildet sich Ammoniak, erkenntlich am Geruch und der Blaufärbung von feuchtem rotem Lackmuspapier.
In alkalischer Lösung reduziert Zink Nitrat-Ionen zu Ammoniak-Molekülen. Die Zn-Atome werden zur Zinkat-Ionen oxidiert.

Oxidation:                Zn  +  3 OH¯    ----> [Zn(OH)₃]¯  +  2 e¯  |* 4; Zink elementar hat die Ox.-Stufe 0 und im Zinkat die Ox.-zahl +II

Reduktion: NO₃¯  +  8 e¯  +  6 H₂O  ----> NH₃    +  9  OH¯ ; N hat in Ammoniak die Ox.-zahl -III, im Nitrat-Ion +V.

Gesamtgleichung:  4  Zn   +  NO₃¯  +  3 OH¯  +   6 H₂O  ---> NH₃    + 4 [Zn(OH)₃]¯

Gegenionen:                        K⁺              K⁺                                                        4  K⁺

Stoffgleichung:     4  Zn   +  KNO₃  +  3 KOH  +   6 H₂O  ---> NH₃↑    + 4 K[Zn(OH)₃]

5. Versuch: Beobachtung: Die violettrote Lösung wird entfärbt. Wasserstoffperoxid-Moleküle werden in saurer Lösung durch Permanganat-Ionen zu Sauerstoff-Molekülen oxidiert. Die Permanganat-Ionen werden zu Mangan-Ionen reduziert.

Oxidation:                            H₂O₂    ---->  O₂    + 2 e¯   + 2 H⁺  |* 5  ; O hat in Wasserstoffperoxid die Ox.-zahl -I, molekular 0.

Reduktion: MnO₄¯  + 5 e¯  +   8 H⁺  ----> Mn^{2+   +}  4 H₂O;  |*2 ;

Gesamtgleichung:   5 H₂O₂    +   2  MnO₄¯  +  6 H⁺      ----->    5 O₂  +  Mn²⁺   +  8 H₂O

Gegenionen:                                2  K⁺       +  3  SO₄²¯                      2  SO₄²¯    2  K⁺  SO₄²¯

Stoffgleichung:    2 KMnO₄  + 5  H₂O₂   +     3 H₂SO₄ ----->   2 MnSO₄  +  K₂SO₄   +   8 H₂O   + 5 O₂↑

6. Versuch: Beobachtung: Es bildet sich ein dunkelbrauner Niederschlag. In alkalischer Lösung werden Permanganat-Ionen durch Mangan-Ionen zu Mangandioxid (Braunstein) reduziert, dabei werden die Mangan-Ionen zur Braunstein oxidiert. Es handelt sich darum, dass ein Element aus zwei verschiedenen Oxidationsstufen zu einer mittleren gelangt: Redoxkomproportionierung.

Oxidation:                     Mn²⁺  +  4 OH¯    ---->    MnO₂    +  2 e¯    +    2 H₂O  |*3 ;

Reduktion:       MnO₄¯  + 3 e¯  +   2 H₂O   ---->  MnO₂  +   4 OH¯  |*3 ;

Gesamtgleichung:   3   Mn²⁺    +  2 MnO₄¯   +   4 OH¯  ----->  5 MnO₂  +   2 H₂O

Gegenionen:           3  SO₄²¯      2  K⁺          +    4  K⁺      ----->    6  K⁺  +  3  SO₄²¯

Stoffgleichung:   3 MnSO₄   +  2  KMnO₄  +  4 KOH  +   ----->  5 MnO₂  +   3 K₂SO₄  +  2 H₂O