4.3.4 Aufstellen von Reaktionsgleichungen über die Elektronenbilanz

Bei vielen chemischen Umsetzungen wird ein Reaktionspartner reduziert, während ein anderer gleichzeitig oxidiert wird. Die Gleichung der Gesamtumsetzung ist die Summengleichung des Reduktionsvorgangs und des Oxidationsvorgangs, die Redox-Gleichung. Beim Aufstellen komplizierter Redox-Gleichungen lassen sich die Stöchiometrischen Zahlen oft leichter über die Elektronenbilanz als über die Stoffbilanz (4.3.1) bestimmen.

 

Oxidation:

Erhöhung der Oxidationszahl = Abgabe von Elektronen

Erhöhung der Oxidationszahl um 1 = Abgabe von 1 e-

Reduktion:

Erniedrigung der Oxidationszahl = Aufnahme von Elektronen

Erniedrigung der Oxidationszahl um 1 = Aufnahme von e-

Innerhalb eines Redox-Systems treten Elektronen nicht frei auf. Die Anzahl der bei der Oxidation abgegebenen Elektronen ist gleich der Anzahl der bei der Reduktion aufgenommenen. Die Elektronenbilanz der Reaktion muß ausgeglichen sein.

 

Aufgabe:

Bei der Umsetzung von Zink Zn mit Salzsäure HCl entstehen Zinkchlorid ZnCl2 und Wasserstoff H2. Stelle die Reaktionsgleichung über die Elektronenbilanz auf.

 

Überlegungen:

 

Elementares Zn mit der Oxidationszahl O wird zu Zn mit der Oxidationszahl +II oxidiert; Zn gibt dabei 2 Elektronen ab. H der Salzsäure mit der Oxidationszahl +I wird zu elementarem H mit der Oxidationszahl 0 reduziert; H+ nimmt dabei 1 Elektron auf. Cl der Salzsäure nimmt an der Reaktion nicht teil, es behält die Oxidationszahl -1.

 

Für den Redox-Vorgang läßt sich ein "Redox-Schema" aufstellen:

 

  0       +II     Ausgleich der Elektronenbilanz durch Multiplikation mit 2. Bei der Addition entfallen links und rechts je 2 e-.
Oxidation Zn     → Zn + 2 e-
  +I       0    
Reduktion 2H + 2 e- → 2 H (→ H2) | * 2
  0   +I   +II   0
Zusammenfassung Zn + 2 H → Zn + H2
               

 

Das Redox-Schema liefert die Stöchiometrischen Zahlen für die Reaktionsgleichung. Sie lautet

 

in Ionenform: Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2
als vollständige Gleichung: Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2

Reaktionsgleichungen in Ionenform, Ionengleichungen, haben den Vorteil, daß sie nur das Wesentliche der Umsetzung wiedergeben. In vorstehender Aufgabe sind Cl- an der Reaktion nicht beteiligt.

Dagegen muß für stöchiometrische Umsatzberechnungen (4.4) die vollständige Gleichung aufgestellt werden.

 

Aufgabe:

Zur Gewinnung von Salpetersäure HNO3 (Stickstoff oder Oxidationszahl +V) wird Stickstoff(IV)-oxid NO2 mit Wasser umgesetzt. Als Nebenprodukt entsteht Stickstoff(II)-oxid NO. Stelle die Reaktionsgleichung auf.

 

Überlegungen:

 

  +IV       +II     zum Ausgleich der Elektronenbilanz
Redox-Schema N + 2 e- → N    
  +IV       +V    
  2N     → 2N + 2 e- | * 2
  +IV       +V   +II Prüfe die Stoffbilanz!
Stöchiometrische Zahlen 3N     → 2N + N
Reaktionsgleichung: 3NO2 +  H2O → 2 HNO3 + NO
               

 

Aufgabe:

Im Labor wird Chlor durch Umsetzung von konzentrierter Salzsäure mit Kaliumpermanganat, Kaliummanganat(VII), KMNO4 gewonnen. Dabei werden Cl- -Ionen der Salzsäure zu Cl2 oxidiert, Mangan der Oxidationszahl +VII wird zu Mangan der Oxidationszahl +II reduziert. Die Umsetzung läuft im sauren Medium ab. Stelle die Reaktionsgleichung in Ionenform und als vollständige Gleichung auf.

 

Überlegungen:

 

  -I       0     zum Ausgleich der Elektronenbilanz
Redox-Schema 5 Cl     → 5 Cl + 5 e- | * 5
  +VII       +II      
  Mn + 5 e- → Mn    
  +VII   -I   +II   +II Prüfe die Stoffbilanz!
Stöchiometrische Zahlen Mn + 5 Cl → Mn + 5 Cl (→ 2,5 Cl2)
               

Da die Reaktion nur im sauren Medium abläuft, gehören zu den Ausgangsstoffen auch H+ -Ionen. Sie bilden mit dem Sauerstoff im MnO4- -Ion Wasser.

MnO4- enthält 4 O, daraus entstehen 4 H2O. In 4 H2O sind 8 H enthalten; diese müssen als 8 H+ in die Reaktion eingehen.

Damit lautet

die

Ionengleichung:

MnO4- + 5 Cl- + 8 H+ → Mn2+ + 2,5 Cl2 + 4 H2O  

die vollständige

 Gleichung:

 KMnO4 + 8 HCl → MnCl2 + 2,5 Cl2 + 4 H2O + KCl

 

Aufgabe:

Stelle die Reaktionsgleichung für die Auflösung von Silber in konzentrierter Salpetersäure auf. HNO3 wir zu NO reduziert, Silber zu Ag+ oxidiert.

 

Überlegungen:

 

  -V       +II      
Redox-Schema N + 3 e- → N    
  0       +I     zum Ausgleich der Elektronenbilanz
  3 Ag     → 3 Ag + 3 e- | * 3
  0   +V   +I   +II Prüfe die Stoffbilanz!
Stöchiometrische Zahlen 3 Ag + N → 3 Ag + N
               

Mit gleichen Überlegungen wie in vorstehender Aufgabe ergibt sich

die

Ionengleichung:

3 Ag + NO3- + 4 H+ → 3 Ag+ + NO + 2 H2O

die vollständige

 Gleichung:

 3 Ag + 4 HNO3 → 3 AgNO3 + NO + 2 H2O

Prüfe Elektronen- und Stoffbilanz