Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Satz von Avogadro und Chemie-Lexikon/Redoxreaktionen mit Elektronenübertragung: Unterschied zwischen den Seiten

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In der Mittelstufe werden die Begriffe Reduktion und Oxidation meist im Zusammenhang mit Verfahren zur Gewinnung von Metallen besprochen, wobei eine Übertragung von Sauerstoff stattfindet.
<div class="width-3-4">Der Italienier '''Amadeo Avogadro''' war Professor für mathematische Physik und untersuchte im 19. Jahrhundert Gase. Dabei stieß er auf eine Besonderheit bei der Anzahl der Gasteilchen pro Volumeneinheit.
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<div class="width-1-4">[[File:Avogadro Amedeo.jpg]]</div>
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{{Box|AKTIVITÄT (Freiwillig) - Entdecke den Satz von Avogadro über die Dichte|
== Wiederholung: Redoxreaktionen als Sauerstoffübertragungsreaktionen ==
Auf '''→ [[/Den  Satz von Avogadro theoretisch entdecken/|dieser Unterseite]]''' kannst du mit Hilfe von recht einfachen Berechnungen die Entdeckung des Satzes von Avogadro nachvollziehen.
|3=Lernpfad}}
 
== Avogadros Überlegungen ==
 
Ende des 18. Jahrhunderts hatte man endlich ausreichend gute Waagen, um die Dichte von Gasen zu bestimmen. Dazu gehört auch die, bei der Elektrolyse von Wasser gewonnenen, zwei Gasarten Sauerstoff und Wasserstoff.
 
[[File:Antoine lavoisier.jpg|right|200px]]Ein wichtiger Chemiker zur Zeit Avogadros war der Franzose {{wpde|Antoine_Laurent_de_Lavoisier|Antoine de Lavoisier}}. Er stellte fest, dass alle chemischen Stoffe aus den Elementarstoffen, '''den Elementen''', aufgebaut sind. Die damals bekannten Metalle wie Silber, Kupfer, Blei, Zinn wurden von Lavoisier als Elemente eingeordnet. Und diese Elemente konnten mit dem Gas der Luft – ''Oxygène'', also Sauerstoff – Verbindungen eingehen, wodurch zusammengesetzte Stoffe wie Bleioxid, Zinnoxid oder Kupferoxid entstanden. Lavoisier nannte die Stoffe, die wir heute als Elemente bezeichnen würden, als ''Substances simples'' ''(einfache Substanzen)'', weil sie sich nach Lavoisier nicht weiter mit chemischen Mitteln zerlegbar liesen.
 
Bei einigen Stoffen war also klar, was Elemente und was Verbindungen waren. Aber nicht bei allen! So fragten sich die Chemiker damals, woran man erkennen kann, ob ein Stoff jetzt eine Element oder eine Verbindung ist? Die Gase waren dabei der Schlüssel zur Bestimmung der Elemente.
 
Da sich Sauerstoff und Wasserstoff von Wasserdampf unterschieden, musste das Wasser, das ja bei einer Knallgasexplosion aus Sauerstoff und Wasserstoff entstand, ein zusammengesetzter Stoff sein.
 
Avogadro leitete sein Gesetz aus den von Gay-Lussac gefundenen gesetzmäßigen Beziehungen bei gasförmigen Stoffen ab.
 
{{Box|Gesetze von Gay-Lussac |2=
'''1. Gesetz:''' Der Quotient aus '''Volumen''' und '''Temperatur''' bei einem Gas ist bei gleichbleibender Menge und Druck gleich:
:<math>\frac{V}{T} = \text{konst} \qquad \qquad \frac{V_1}{V_2} = \frac{T_1}{T_2}</math>
 
'''2. Gesetz:''' Der '''Druck''' von Gasen ist bei gleichbleibendem Volumen und gleichbleibender Teilchenanzahl direkt proportional zur '''Temperatur''', weswegen der Quotient gleich bleibt.
:<math>\frac{p}{T} = \text{konst} \qquad \qquad \frac{p_1}{p_2} = \frac{T_1}{T_2}</math>
|3=Merksatz}}
 
Daraus folgerte Avogadro seinen Satz, wobei er auch Begriffe wie ''molécules élémentaires'' (Atome) und ''molécules intégrantes'' (Moleküle) verwendete, sein Gesetz galt aber auch Gasgemische. Bei seinen Überlegungen nahm Avogadro an, dass auch die Elemente zusammengesetzt sein können. Denn jedes Molekül eines Elementes in der Gasphase sollte aus zwei Atomen des Elementes bestehen, was wir ja von Sauerstoff O<sub>2</sub>, Stickstoff N<sub>2</sub>, Wasserstoff H<sub>2</sub> usw. kennen. Die einatomigen Edelgase waren damals noch nicht bekannt.
 
Die Idee Avogadros war nicht unumstritten, denn einige Chemiker waren der Meinung, dass die von ihm quasi eingeführten "Moleküle" aus mindestens 8 Atomen bestehen müssten. Dies konnte aber widerlegt werden. Stattdessen wurde mit Hilfe der Dichte von Gasen und dem "Satz von Avogadro" durch '''Jean Baptiste Dumas''' die Molekülmassen einer Vielzahl von gasförmigen Stoffen bestimmt und '''Charles Frédéric Gerhardt''' formulierte mit Hilfe der Dichte und den Molekülmassen Formeln für Chlorwasserstoff, Wasser, Ammoniak, Kohlenstoffdioxid. Dabei ergaben sich allerdings Widersprüche zu den Atommassen, die von Berzelius in einer erste Liste mit Elementen und denen von ihm erfundenen Symbolen, aufgestellt worden sind.
 
Es folgten viele weitere Experimente und Untersuchungen an Gasen und erst ein halbes Jahrhundert später gelangten Avogadros Ansichten nach ihrer ersten Formulierung wirklich zur Geltung. Avogadros Gesetz war damit von großer Bedeutung, insbesondere für die Chemie. Es ist aber auch für die Physik bedeutend, vor allem für die kinetische Gastheorie, die von James Clerk Maxwell weiterentwickelt wurde. Der Satz von Avogadro ist auch – wenn auch versteckt – in der allgemeinen Gasgleichung enthalten.
 
: <math>p \cdot V = n \cdot R_m \cdot T</math>
 
== Der Satz von Avogadro ==
 
Das Gesetz von Avogadro sagt aus, dass zwei gleich große Gasvolumina, die unter demselben Druck stehen und die dieselbe Temperatur haben, auch dieselbe Teilchenzahl einschließen. Dies gilt sogar dann, wenn die Volumina verschiedene Gase enthalten, also gemischt sind. Umgekehrt kann man daraus schließen, dass ein Gaspaket in einem bestimmten Volumen auch eine bestimmte Anzahl von Teilchen hat, die unabhängig von der Stoffart ist.
 
{{Box|Satz von Avogadro|2=
Alle Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck in gleichen Volumina die gleiche Teilchenzahl.
 
[[Datei:Satz von Avogadro.svg|700px|center]]|3=Merksatz}}
 
== Für was ist der Satz von Avogadro wichtig? ==
Was die Chemiker im 19. Jahrhundert mit Hilfe des Satzes von Avogadro gefunden haben, können wir nun auch umgekehrt nutzen und damit von Volumina auf die Anzahl der Teilchen und damit auf mögliche Formeln von Verbindungen schließen.
 
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:Bei der '''Elektrolye von Wasser''' entstehen Wasserstoff und Sauerstoff immer im Volumen-Verhältnis 2 zu 1. Daraus kann man die Formel von Wasser herleiten, wenn man den Satz von Avogadro kennt.
::<math>2 H_2O \; \longrightarrow \; 2 H_2 \;+\; O_2</math>
 
:[[Datei:Satz von Avogadro bei Wasser-Elektrolyse.svg]]
 
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<div class="width-1-3"><center>[[File:Hofmann voltameter.svg|200px]]</center></div>
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Wir wissen auch, in welchen Volumina gasförmige Verbindungen miteinander reagieren.


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:Zur '''Herstellung von Ammoniak''' braucht man Wasserstoff und Stickstoff. Denn die Formel von Ammoniak ist NH<sub>3</sub> und somit braucht man ein dreimal so großes Volumen an Wasserstoff wie an Stickstoff.
In der Mittelstufe kommen Redoxreaktionen im Rahmen der Verfahren zur Gewinnung von Metallen zur Sprache. Typischerweise betrachtet man die Reduktion von Kupfererzen mit Hilfe von Kohle und den Hochofen-Prozess. Aber auch bei der Thermitreaktion handelt es sich um ein Redoxreaktion:   
::<math>N_2 \; + \; 3 H_2 \; \longrightarrow \; 2 NH_3</math>
 
:[[Datei:Satz von Avogadro bei Ammoniak-Synthese.svg]]


Bei der Entstehung von Ammoniak verringt sich das Volumen, daher hilft erhöhter Druck bei der Synthese.
<math>Fe_2O_3 + 2 \ Al \longrightarrow Al_2O_3 + 2 \ Fe</math>


Hier findet zum einen die '''Oxidation von Aluminium''' statt, hin zu <math>Al_2O_3</math>. Zum anderen die '''Reduktion von''' <math>Fe_2O_3</math> hin zu Eisen.
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<div class="width-1-3"><center>[[Datei:Ammoniak Reaktor BASF.jpg|200px]]</center>
<div class="width-1-3">
''Der erste Ammoniak-Reaktor, der bei BASF eingesetzt wurde. Wegen dem großen Volumen muss man viel Druck verwenden, um die Atome zu dem einen Molekül zu verbinden! Daher muss der Reaktor sehr stabil sein.''
[[Datei:Velp-thermitewelding-1.jpg]]
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== Übungen zum Satz von Avogadro ==
Übungen zum Satz von Avogadro haben immer mit Volumenverhältnissen zu tun. Dabei hat man meist keine bestimmte Anzahl an Teilchen - wie in den Darstellungen zu sehen ist - sondern es geht um Volumen und Vielfache davon. Das gilt aber nur für gasförmige Stoffe. Wir können natürlich nicht die Volumen von gasförmigen Stoffen und flüssigen Stoffen vergleichen, aber auch flüssige Stoffe untereinander können wir nicht vergleichen, denn es gibt keinen vergleichbaren Satz für Flüssigkeiten, wie den Satz von Avogadro.


Beide Teil-Reaktionen haben eine Funktion in der Gesamtreaktion.
* Die '''Oxidation von Aluminium''' liefert die für die Reduktion benötigte Energie, denn Oxidationen sind immer exotherm und Reduktionen endotherm. Aluminium ist daher auch das '''Reduktionsmittel'''.
* Die '''Reduktion von '''<math>Fe_2O_3</math> führt zur Freisetzung von Sauerstoff, was die Oxidation begünstigt und damit verstärkt. <math>Fe_2O_3</math> wirkt damit als '''Oxidationsmittel'''.


{{Box|AUFGABE 1 - Verbrennung von Kohlenmonoxid|2=
<center>[[Datei:Redox_Thermit_mit_Beschriftung.png|350px]]</center>
In welchem Verhältnis müssen Kohlenmonoxid und Sauerstoff zusammenkommen, damit das ganze Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid verbrennt?
<center>[[Datei:Satz von Avogadro bei Verbrennung von Kohlenmonoxid - Aufgabe.svg|600px]]</center>
{{Lösung versteckt|
{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 1|2=<center>[[Datei:Satz von Avogadro bei Verbrennung von Kohlenmonoxid - Lösung.svg|600px]]</center>


Wenn man zählt und entsprechend die Volumen anpasst, sieht man, dass 2 VE Kohlenmonoxid auf 1 VE Sauerstoff kommen.
Noch einmal kompakt die Begriffe zusammengefasst:


Dazu kann man aber auch einfach die Reaktionsgleichung betrachten, denn die Anzahl der Teilchen, die miteinander reagieren, entspricht der Anzahl der Volumeneinheiten, die miteinander reagieren müssen.
{{Box|DEFINITIONEN zu den Redoxreaktionen bei Sauerstoffbeteiligung|2=
* '''Oxidation''' = Reaktion mit Aufnahme von Sauerstoff
* '''Reduktion''' = Reaktion mit Abgabe von Sauerstoff
* '''Oxidationsmittel''' = Stoff, der die Oxidation ermöglicht, indem er selber Reduziert wird.
* '''Reduktionsmittel''' = Stoff, der die Reduktion ermöglicht, indem er selber oxiddiert.  
|3=Hervorhebung2}}


<math>2 \; CO \; +\; O_2\; \longrightarrow \;2\; CO_2</math>
== Redoxreaktionen ohne Sauerstoff ==
|3=Lösung}}}}|3=Üben}}


Betrachtet man Reaktionen an denen kein Sauerstoff beteiligt ist, dann kann man Gemeinsamkeiten zu den Reaktionen mit Sauerstoff erkennen.⟶


{{Box|AUFGABE 2 - Verbrennung von Methan|2=
'''<u>Beispiel:</u>'''
# In welchem Verhältnis reagieren die gasförmigen Stoffe bei der Verbrennung von Methan miteinander.
* <math>2 \;Cu  +  \;O_2  \longrightarrow 2 \; CuO</math>
# Was passiert, wenn bei den Edukten das Verhältnis nicht stimmt? Welche zwei Möglichkeiten gibt es da?
* <math>Cu \; + \; S \longrightarrow CuS</math>
{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 2|2=


<center>[[Datei:Satz von Avogadro bei Verbrennung von Methan - Lösung.svg|100%]]</center>
In beiden Reaktionen geben die Kupferatome Elektronen ab und es entstehen <math>Cu ^{ 2 \oplus}</math>


# Auf eine Volumeneinheit müssen zwei Volumeneinheiten Sauerstoff kommen. Daraus entsteht eine Volumeneinheit Kohlendioxid. Wasser ist flüssig und daher spielt das Volumen keinen Rolle. Zwar ist das Wasser zwar zuerst gasförmig, da es aber erhitzt ist, ist das Volumen größer, da sich Gase bzw. allgemein Stoffe, beim Erhitzen ausdehnen.   
* <math>2 \;Cu  + \; O_2  \longrightarrow 2 \; Cu ^{ 2 \oplus} + 2 \; O^{ 2 \ominus}</math>
# Ist zu wenig Sauerstoff vorhanden, wird das giftige Kohlenmonoxid entstehen, da nicht genügend Sauertoffatome vorhanden sind, um Kohlendioxid zu bilden. '''Das sollte auf alle Fälle immer vermieden werden!''' Ist zuviel Sauertoff vorhanden, so kann es bei einem zu großen Überschuss dazu kommen, dass das Methan gar nicht reagieren kann. Dazu gibt es eine Grenze, die man "untere Explosionsgrenze" nennt. Bei einem kleinen Überschuss ist das aber kein Problem.
* <math>Cu \; + \; S \longrightarrow Cu ^{ 2 \oplus} + S^{ 2 \ominus}</math>
:Beim Gasbrenner kann das übrigens nicht passieren, dass Kohlenmonoxid entsteht, denn auch bei geschlossener Luftzufuhr ist um die Flamme herum genügend Sauerstoff für eine vollständige Verbrennung vorhanden. Da der Sauerstoff aber nicht mit dem Methan-Gas vermischt ist, brennt die Flamme nicht so heiß. 


Wie auch bei der letzten Aufgaben muss man nicht alles zeichnen sondern kann sich auf die ausgeglichene Reaktionsgleichung beschränken.
Das heißt, in beiden Beispiel reagiert das Kupfer genauso: es gibt sowohl bei der Reaktion mit Sauerstoff Elektronen ab, also auch bei der Reaktion von Kupfer mit Schwefel.


<math>CH_4 \; + \; 2\; O_2\; \longrightarrow \; CO_2 \; +\; 2\; H_2O </math>
=== Geschichtliches und Verallgemeinerung ===
Der Begriff Oxidation wurde ursprünglich von dem französischen Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier geprägt, der damit die Reaktionen von Elementen und chemischen Verbindungen mit dem Element Sauerstoff ''(Oxygenium, franz: oxygène)'' und dessen Aufnahme, unter Bildung von Oxiden, beschreiben wollte. Als Lavoisier die Theorie in den 1780er Jahren veröffentlichte, hatte er anfänglich gegen die Anhänger der Phlogiston-Theorie zu kämpfen, konnte sich aber durchsetzen.


|3=Lösung}}}}|3=Üben}}
Später erfolgte eine Erweiterung des Begriffes, indem man Reaktionen mit einbezog, bei denen einer Verbindung Wasserstoffatome entzogen wurden (Dehydrierung). Auf Grundlage der Ionentheorie und des Bohrschen Atommodells konnte die Oxidation schließlich unter Betrachtung der Aufnahme und Abgabe von Elektronen interpretiert und verallgemeinert werden.


Daher werden heute die Begriffe zu den Redoxreaktionen mit Hilfe der Aufnahem und Abgabe von Elektronen definiert.


{{Box|AUFGABE 3 - Stickstoffdioxid und Distickstofftetraoxid|2=
{{Box|ZUSAMMENFASSUNG Grundbegriffe zu Redoxreaktionen|2=
[[File:Diossido di azoto.jpg|right|250px]]Stickstoffdioxid NO<sub>2</sub> und Distickstofftetraoxid N<sub>2</sub>O<sub>4</sub> sind zwei Stickstoff-Verbindungen, die leicht ineinander übergehen können. Stickstoffdioxid hat eine braune Farbe ''(siehe Bild rechts)'' , während Distickstofftetraoxid farblos ist.
* '''Oxidation''' = Elektronenabgabe
* '''Reduktion''' = Elektronenaufnahme
* '''Reduktionsmittel''' = Stoff, der beim Reaktionspartner die Reduktion bewirkt, indem er ihm Elektronen abgibt
* '''Oxidationsmittel''' = Stoff, der beim Reaktionspartner die Oxidation bewirkt, indem er ihm Elektronen abnimmt
|3=Hervorhebung1}}


Hat man das braune Stickstoffdioxid in einer geschlossenen Spritze und erhöht man den Druck, so wird das Gas in der Spritze heller. Kannst du das erklären?
{{Lösung versteckt|
{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 3|2=Da das Distickstofftetraoxid  N<sub>2</sub>O<sub>4</sub> weniger Platz im Verhältnis zum Stickstoffdioxid NO<sub>2</sub> braucht, wird die Entstehung von N<sub>2</sub>O<sub>4</sub> begünstigt.


<center>[[Datei:Satz von Avogadro - Lösung Stickstoffoxid Distickstofftetraoxid Gleichgewicht.svg|500px]]</center>


Als Reaktionsgleichung haben wir:
{{Box|ZUSAMMENFASSUNG Grundbegriffe zu Redoxreaktionen|2=
<math>2 \; NO_2\; \longrightarrow \; N_2O_4</math>
* '''Oxidation''' = Sauerstoffaufnahme oder Elektronenabgabe
* '''Reduktion''' = Sauerstoffabgabe oder Elektronenaufnahme
* '''Reduktionsmittel''' = Stoff, der beim Reaktionspartner die Reduktion bewirkt, indem er ihm Elektronen abgibt
* '''Oxidationsmittel''' = Stoff, der beim Reaktionspartner die Oxidation bewirkt, indem er ihm Elektronen abnimmt
|3=Hervorhebung1}}


|3=Lösung}}}}|3=Üben}}


[[Kategorie:Stöchiometrie]]
{{Box|DEFINITION Oxidationszahl|2=
[[Kategorie:Satz von Avogadro]]
Die '''Oxidationszahl''' ist eine gedachte Ladung eines Atoms innerhalb einer chemischen Verbindung oder eines mehratomigen Ions. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Elektronegativität, bei anorganischen Verbindungen kann man sich auf einige Regeln zur Bestimmung konzentrieren.
|3=Hervorhebung2}}

Version vom 2. Dezember 2018, 13:19 Uhr

In der Mittelstufe werden die Begriffe Reduktion und Oxidation meist im Zusammenhang mit Verfahren zur Gewinnung von Metallen besprochen, wobei eine Übertragung von Sauerstoff stattfindet.

Wiederholung: Redoxreaktionen als Sauerstoffübertragungsreaktionen

In der Mittelstufe kommen Redoxreaktionen im Rahmen der Verfahren zur Gewinnung von Metallen zur Sprache. Typischerweise betrachtet man die Reduktion von Kupfererzen mit Hilfe von Kohle und den Hochofen-Prozess. Aber auch bei der Thermitreaktion handelt es sich um ein Redoxreaktion:

Hier findet zum einen die Oxidation von Aluminium statt, hin zu . Zum anderen die Reduktion von hin zu Eisen.

Velp-thermitewelding-1.jpg

Beide Teil-Reaktionen haben eine Funktion in der Gesamtreaktion.

  • Die Oxidation von Aluminium liefert die für die Reduktion benötigte Energie, denn Oxidationen sind immer exotherm und Reduktionen endotherm. Aluminium ist daher auch das Reduktionsmittel.
  • Die Reduktion von führt zur Freisetzung von Sauerstoff, was die Oxidation begünstigt und damit verstärkt. wirkt damit als Oxidationsmittel.
Redox Thermit mit Beschriftung.png

Noch einmal kompakt die Begriffe zusammengefasst:


DEFINITIONEN zu den Redoxreaktionen bei Sauerstoffbeteiligung
  • Oxidation = Reaktion mit Aufnahme von Sauerstoff
  • Reduktion = Reaktion mit Abgabe von Sauerstoff
  • Oxidationsmittel = Stoff, der die Oxidation ermöglicht, indem er selber Reduziert wird.
  • Reduktionsmittel = Stoff, der die Reduktion ermöglicht, indem er selber oxiddiert.

Redoxreaktionen ohne Sauerstoff

Betrachtet man Reaktionen an denen kein Sauerstoff beteiligt ist, dann kann man Gemeinsamkeiten zu den Reaktionen mit Sauerstoff erkennen.⟶

Beispiel:

In beiden Reaktionen geben die Kupferatome Elektronen ab und es entstehen

Das heißt, in beiden Beispiel reagiert das Kupfer genauso: es gibt sowohl bei der Reaktion mit Sauerstoff Elektronen ab, also auch bei der Reaktion von Kupfer mit Schwefel.

Geschichtliches und Verallgemeinerung

Der Begriff Oxidation wurde ursprünglich von dem französischen Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier geprägt, der damit die Reaktionen von Elementen und chemischen Verbindungen mit dem Element Sauerstoff (Oxygenium, franz: oxygène) und dessen Aufnahme, unter Bildung von Oxiden, beschreiben wollte. Als Lavoisier die Theorie in den 1780er Jahren veröffentlichte, hatte er anfänglich gegen die Anhänger der Phlogiston-Theorie zu kämpfen, konnte sich aber durchsetzen.

Später erfolgte eine Erweiterung des Begriffes, indem man Reaktionen mit einbezog, bei denen einer Verbindung Wasserstoffatome entzogen wurden (Dehydrierung). Auf Grundlage der Ionentheorie und des Bohrschen Atommodells konnte die Oxidation schließlich unter Betrachtung der Aufnahme und Abgabe von Elektronen interpretiert und verallgemeinert werden.

Daher werden heute die Begriffe zu den Redoxreaktionen mit Hilfe der Aufnahem und Abgabe von Elektronen definiert.


ZUSAMMENFASSUNG Grundbegriffe zu Redoxreaktionen
  • Oxidation = Elektronenabgabe
  • Reduktion = Elektronenaufnahme
  • Reduktionsmittel = Stoff, der beim Reaktionspartner die Reduktion bewirkt, indem er ihm Elektronen abgibt
  • Oxidationsmittel = Stoff, der beim Reaktionspartner die Oxidation bewirkt, indem er ihm Elektronen abnimmt



ZUSAMMENFASSUNG Grundbegriffe zu Redoxreaktionen
  • Oxidation = Sauerstoffaufnahme oder Elektronenabgabe
  • Reduktion = Sauerstoffabgabe oder Elektronenaufnahme
  • Reduktionsmittel = Stoff, der beim Reaktionspartner die Reduktion bewirkt, indem er ihm Elektronen abgibt
  • Oxidationsmittel = Stoff, der beim Reaktionspartner die Oxidation bewirkt, indem er ihm Elektronen abnimmt


DEFINITION Oxidationszahl
Die Oxidationszahl ist eine gedachte Ladung eines Atoms innerhalb einer chemischen Verbindung oder eines mehratomigen Ions. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Elektronegativität, bei anorganischen Verbindungen kann man sich auf einige Regeln zur Bestimmung konzentrieren.