Die Oxidationszahl

Der Formalismus der Oxidationszahlen ist besonders bei der Beschreibung von Redoxvorgängen wichtig. Die Oxidationszahl gibt an, wieviele Elektronen ein neutrales Atom innerhalb einer Verbindung aufgenommen (+$e^-$) bzw. abgegeben ($-e^-$) hat. Die Oxidationszahl lässt sich leicht mit Hilfe folgender Regeln herleiten:

• Jedes Atom im elementaren Zustand hat die Oxidationszahl Null. Dies gilt auch für die Elemente, die als Moleküle oder Polymere (z.B. Graphit, Silicium, etc.) vorliegen.
• Bei Ionenverbindungen ist die Oxidationszahl eines Elementes identisch mit seiner Ionenladung.

  Abbildung 22: Wichtige Oxidationszahlen der Elemente der ersten drei Perioden

  

• Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome einer mehratomigen Verbindung ist gleich Null.
  

  Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome eines mehratomigen Ions ist gleich der Gesamtladung dieses Ions.

• Bei kovalent (mit Lewis-Bindestrichen) formulierten Verbindungen wird die Verbindung formal in Ionen aufgeteilt.
  Dabei wird angenommen, dass die an jeder Bindung beteiligten Elektronen vom elektronegativeren Atom vollständig übernommen werden.
  

• Die positive Oxidationszahl eines Elementes kann nicht grösser sein als die Gruppennummer dieses Elementes
  (Das gilt für die alte und die neue Gruppeneinteilung).
• Die maximale negative Oxidationszahl eines Elementes ist nach der alten Gruppeneinteilung: Gruppennummer - 8;
  nach der neuen Gruppeneinteilung : Gruppennummer - 18.

• Die höchsten bisher beobachteten Oxidationstufen sind +8 in $OsO_4$ und -5 in Verbindungen mit E13 (E13=Elemente der Gruppe 13 nach der neuen Einteilung; B, Ga). Die grösste Spanne von Oxidationszahlen ist bisher mit $\Delta OZ$=10 bei schwereren Übergangsmetallen wie $Os$ ($Os^{2-}$ bis $Os^{8+}$) gefunden worden. Bei den Maximalwerten kommt das Konzept an seine Belastungsgrenze.

• Die meisten Elemente treten in mehreren Oxidationsstufen auf.

In der chemischen Formel wird die Oxidationszahl über dem zugehörigen Elementsymbol als arabische oder als römische Zahl geschrieben. Früher wurden auch oft römische Zahlen in () hinter das Elementsymbol geschrieben. Das Vorzeichen steht vor der Zahl, im Gegensatz zu dem der Ladungszahl. Einige Oxidationszahlen ausgewählter Elemente in Verbindungen:

$\stackrel {-I}F$; Alkalimetalle(I); Erdalkalimetalle(II); $\stackrel {III}{Al},  \stackrel {III}{Sc},  \stackrel {III}{Y},  \stackrel {III}{La}$
$\stackrel {II}O$ (mit Ausnahmen).

Früher war es üblich römische Zahlen zu benutzen; heute wählt man überwiegend arabische, weil man auch die 0 und gebrochene Zahlen zur Verfügung hat.

Einige weitere Beispiele:

$$\begin{array}{r l \vert r l } NaCl : & \stackrel {+1}{Na} \stack... ..._4 : & \stackrel {+\frac {8}{3}}{Fe}_3\stackrel {-2}{O_4} & & \\ \end{array}$$

Oxidationszahlen (OZ) sind zur systematischen Klassifizierung von Verbindungen nützlich, dienen zur Interpretation bestimmter Eigenschaften von Verbindungen (z.B. magnetischer Eigenschaften) und sind hilfreich beim Formulieren von Redoxgleichungen.
Das Ausgleichen der Halbreaktion (27) lässt sich problemlos durchführen, wenn die OZ angegeben werden.

$$\stackrel {+7}{Mn} \longrightarrow \stackrel {+2}{Mn}$$

Die Differenz der OZ von oxidierter und reduzierter Form ergibt die benötigte Anzahl Elektronen.

$$\stackrel {+7}{Mn} +  5e^- \longrightarrow \stackrel {+2}{Mn}$$