Oxidationszahl zeichnerisch ermitteln

(Lesedauer: 5 bis 6 Minuten)

Das sollte bekannt sein:

Strukturformeln sicher erstellen und lesen können
Grundverständnis der Elektronegativität zur Zuordnung von Bindungselektronen

Oxidationszahlen werden an der vollständigen Strukturformel zeichnerisch ermittelt. Zu Beginn sollte bewusst nicht mit Skelettformeln gearbeitet werden, da diese die vollständige Bindungssituation nur implizit wiedergeben. Erst mit ausreichender Routine kann die Skelettformel für diese Zwecke zuverlässig verwendet werden.

Die Oxidationszahl ist die gedachte Ladung eines Atoms, wenn eine Verbindung entsprechend der Elektronegativität in gedachte Ionen zerlegt wird.
OS of an atom is the charge of this atom after ionic approximation of its heteronuclear bonds.
(IUPAC: Oxidation State, https://doi.org/10.1351/goldbook.O04365)

1. Schritt: Elektronen mit Hilfsstrichen zuordnen

Die zeichnerische Bestimmung von Oxidationszahlen erfolgt anhand der Bindungssituation und der Elektronegativitäten der beteiligten Atome. Bindungselektronen werden dem elektronegativeren Atom zugeordnet, bei gleicher Elektronegativität aufgeteilt. Die Oxidationszahl ergibt sich aus der so definierten formalen Elektronenverteilung.

Oxidation von 3-Hydroxybutan-1-ol zu 3-Hydroxybutansäure. Nur das terminale Kohlenstoffatom ändert seine Oxidationszahl deutlich, die übrigen Kohlenstoffatome bleiben unverändert. — Oxidation in der Organik betrifft oft nur einen einzigen Kohlenstoff: Beim Übergang vom 3-Hydroxybutan-1-ol (1,3-Butandiol) zur 3-Hydroxybutansäure ändert ausschließlich das C1-Atom seine Oxidationszahl. Alle anderen Kohlenstoffe behalten ihre OZ. Darum betrachtet man in der Organik nicht alle Oxidationszahlen eines Moleküls, sondern nur den Kohlenstoff an der funktionellen Gruppe.

Die zeichnerische Bestimmung von Oxidationszahlen setzt voraus, dass die Elektronegativitäten der an einer Bindung beteiligten Atome bekannt sind. Bindungselektronen werden formal vollständig dem elektronegativeren Bindungspartner zugeordnet (heterolytische Spaltung). Bei Bindungen zwischen Atomen gleicher Elektronegativität erfolgt eine gleichmäßige Aufteilung der Bindungselektronen (homolytische Spaltung).

Durch das Einzeichnen von Hilfsstrichen wird sichtbar, welchem Atom die einzelnen Bindungselektronen formal zugeordnet werden. Aus der so erhaltenen Elektronenverteilung ergibt sich jedoch noch nicht direkt die Oxidationszahl, sondern lediglich die Anzahl der einem Atom zugeordneten Elektronen.

Ein häufiger Fehler besteht darin, diese Elektronenzahl unmittelbar als Oxidationszahl zu interpretieren. Die Oxidationszahl ergibt sich erst aus dem Vergleich zwischen der Anzahl der zugeordneten Elektronen und der Zahl der Valenzelektronen des betrachteten Elements.

Formal gilt: $OZ = e^-_{Valenzelektronen} – e^-_{zugeordnet}$

2. Eine Oxidationszahl ist keine echte Ladung

Das Ganze passiert nur auf dem Papier. Oxidationszahlen sind virtuelle, also „gedachte“ Ladungen. Sie sind schwer messbar, aber sie machen Redoxreaktionen sichtbar und rechnerisch handhabbar.

3. Oxidationszahlen kann man grundsätzlich immer auf zwei Arten bestimmen:

Oxidationszahlen können sowohl rechnerisch als auch zeichnerisch bestimmt werden. Für die rechnerische Bestimmung existiert ein eigener Beitrag. Die zeichnerische Methode ist insbesondere in der organischen Chemie von Vorteil, da Oxidationen und Reduktionen dort in der Regel lokale Ereignisse sind.

In organischen Reaktionen verändert sich die Oxidationszahl nur gezielt an demjenigen Kohlenstoffatom, an dem sich die funktionelle Gruppe umsetzt. Für die Redoxanalyse ist daher nicht das gesamte Molekül relevant, sondern ausschließlich das reagierende Kohlenstoffatom. Alle übrigen Kohlenstoffatome bleiben unverändert und spielen für die Beurteilung der Oxidation oder Reduktion keine Rolle.

Gerade bei größeren Molekülen kann eine rein rechnerische Betrachtung missverständlich sein. Verteilen sich kleine Änderungen der Oxidationszahl auf viele Atome, können sie in einer Gesamtbetrachtung leicht übersehen werden. Die zeichnerische Bestimmung erlaubt es hingegen, die Oxidationszahl gezielt vor und nach der Reaktion an genau der Stelle zu vergleichen, an der die Umsetzung tatsächlich stattfindet.

Der wesentliche Vorteil dieser Methode liegt somit in der lokalen Betrachtung: Es wird nicht die gesamte Verbindung analysiert, sondern ausschließlich die Oxidationszahl desjenigen Atoms, das an der Reaktion beteiligt ist.

4. Römische Ziffern oder arabische Zahlen?

Oxidationszahlen werden in unterschiedlichen Kontexten unterschiedlich notiert. Die Verwendung römischer Ziffern ist dann erforderlich, wenn die Oxidationszahl Bestandteil der chemischen Nomenklatur ist, etwa bei $Eisen(II)-chlorid$ und $Eisen(III)-chlorid$ . In diesem Fall folgt die Schreibweise den Vorgaben der IUPAC.

Die Oxidationszahl selbst ist jedoch eine rechnerische Größe. Bei der formalen Bestimmung und Darstellung von Oxidationszahlen, etwa über oder am Atom, ist die Verwendung arabischer Zahlen fachlich korrekt und ebenfalls mit den IUPAC-Empfehlungen vereinbar.

Dass im schulischen Kontext Oxidationszahlen häufig grundsätzlich in römischen Ziffern notiert werden, ist eine verbreitete Konvention. Diese Schreibweise ist nicht falsch, wird jedoch nicht allgemein gefordert.

Beide Darstellungen sind daher grundsätzlich zulässig: einmal als Konvention der Darstellung, einmal als formale Schreibweise einer rechnerischen Größe.

Welche Notation im konkreten Fall verwendet wird, hängt von der jeweiligen Lehr- oder Darstellungskonvention ab.