HOMEWORK – Gliederungsübersicht

1) Beobachtung und Auswertung von Redoxreaktionen anhand von Videos
Hier werden 2 YouTube-Videos vorgestellt und besprochen. Die beiden Reaktionen, die hier das Thema sind, werden bei 2) als Beispiele zum Ausgleich von Redoxgleichungen besprochen:
Der „Ammoniumdichromat-Vulkan“
– Vorstellung des Stoffs, Oxidationszahlen
– Beobachtungen
– Energiephänomene, Oxidationsstufen von Chrom und Stickstoff
– Warum dieser früher sehr beliebte Schulversuch jetzt im Unterricht untersagt ist.
Die Reaktion von Kupfer mit Salpetersäure
– Vorbemerkungen
– Beobachtungen, Oxidationszahlen
– Folgereaktionen

2) Die ausgeglichene Redoxgleichung
a) „Vorwort“
b) Buchseiten „Methoden“ zum Thema
c) Das Ausgleichsverfahren: · Worin besteht der Bezug zur Realität? · Methode.
d) Übungsgleichungen
e) Lösungen zu d)

BEOBACHTUNG VON REDOXREAKTIONEN
Der Ammoniumdichromatvulkan

Vorstellung des Stoffs Ammoniumdichromat

(NH₄)₂Cr₂O₇ der kristalline Reinstoff (für den Vulkan)

Die Lösung in Wasser: (NH₄)₂Cr₂O₇ 2 NH₄⁺_aq + Cr₂O₇^2–_aq

Der Stickstoff im Ammoniumion liegt wie im Ammoniak in der Oxidationsstufe –III vor:
N(–III)H(+I)₄⁺

Das Chrom im Dichromat ist in der Oxidationsstufe +IV: Cr(+VI)₂O(–II)₂^2–

Beobachtung des Vulkanversuchs

https://www.youtube.com/watch?v=oWpXPSBSe6M Kurzvideo (48 sec)

https://www.youtube.com/watch?v=OIi0kA9lpqk Showvideo (russische Chemie-Freaks)

Eine kleinere Menge Ammoniumdichromat wird in einer Porcellanschale zu einem kleine Hügel aufgeschüttet.

https://www.youtube.com/watch?v=oWpXPSBSe6M&t=06s Zufuhr von Aktivierungsenergie

https://www.youtube.com/watch?v=oWpXPSBSe6M&t=20s Dunkelgrünes fein verteiltes Chrom(III)oxid ist entstanden und verteilt sich ringsum. Die Reaktion ist stark exotherm (Funkenflug) und liefert die Aktivierungsenergie für restliche Stoffmenge. In der Mitte ist die Hitze- und Gasentwicklung am stärksten und reißt die Chromoxid-Flocken nach oben („Ascheregen“).

https://www.youtube.com/watch?v=oWpXPSBSe6M&t=42s Der erloschene Vulkan. Der große Volumenzuwachs beim grünen Chromoxid ergibt sich aus der Blähwirkung der bei der Zerfallsreaktion freigesetzten Gase:

_{–II +I +VI –II +III –II +I –II 0}

Energetik der Vulkan-Reaktion

	Erklärungen zum energetischen Verlauf: Die Edukte haben einen höheren Energie-inhalt als die Produkte, deswegen setzt die Reaktion Energie frei, die Reaktion ist stark exotherm. Die Oxidationsstufen N(0) im N2 und Cr(+III) im Cr2O3 sind besonders stabil, es gibt ein großes Bestreben, diese Zustände zu erreichen, das treibt die Reaktion an. Ammoniumdichromat ist eine metastabile Verbindung, d.h. nur die Aktivierungs-energie verhindert, dass dieser energiespei-chernde Stoff spontan zerfällt. Allerdings ist Ammoniumdichromat auch ein Explosiv-stoff, der durch Schlag zur Detonation ge-bracht werden kann.
Warum der Vulkan-Versuch in Schulen verboten wurde
	Wenn man die Gefahrstoffsymbole ansieht, (weißt du, was diese im Einzelnen bedeuten?) verwundert das Verbot nicht. Die Produkte der Reaktion sind zwar beide harmlos, aber der Ascheregen reißt unzersetztes Ammoni-umdichromat mit, das mit dem Chromoxid vermengt ist; auch gefährliche Staubteilchen können verweht werden. Nur, wenn man den Versuch sehr sorgfältig durchführt und sich aller Gefahren bewusst ist, ist das Experiment ungefährlich. Chromate sind gefährliche Krebs- und Aller-gieauslöser!! Interessierte bitte nachlesen => Chromatreste in Lederwaren

Die Reaktion von Kupfer mit Salpetersäure

Vorbemerkungen

Im Unterricht haben wir den Versuch „Kupfer + Salzsäure“ angesehen, wo aber keine Reaktion stattfand: Kupfer ist als Edelmetall ein schwacher Elektronendonator (schwaches Reduktionsmittel) und die Oxidationskraft der Säure (HCl bzw. H⁺, H₃O⁺) reicht nicht aus Kupfer zu oxidieren. Anders bei der Salpetersäure, HNO₃, welche als „oxidierende Säure“ bezeichnet wird. Ihr viel stärkeres Oxidationsvermögen steckt im Säurerest Nitrat.

H(+I)N(+V)O(–II)₃. N(+V) ist ein starker Elektronenakzeptor.

Beobachtungen…

Der Internet-Link zum Video

https://www.youtube.com/watch?v=MPRTgdJvKEs

0:00 – 0:21 65% Salpetersäure wird vorgelegt, Kupfer in Drahtform hinzugegeben

0:21 – 0:33 Die Redoxreaktion läuft und produziert Mengen an braunen Dämpfen

0:44 – 2:00 Ein Behälter mit Wasser wird angeschlossen (rechts). Weil die „Nitrosen Gase“ (NO_x = NO/NO₂-Gemisch) entstehen.

Folgereaktionen

Da die nitrosen Gase mit Wasser reagieren, entsteht im Kolben links ein Vakuum. Die Stickstoffoxide bilden mit Wasser zusammen Salpetersäure. (Vergleiche Übungsgleichungen)

ca.: 1:19 Die Nitrosen Gase sind weitgehend infolge der Reaktion verschwunden. Die blaue Lösung enthält Kupfernitrat: (rechts in Wasser gelöster Zustand des Kupfersalzes)

Ein kleiner Rest der nitrosen Gase verbleibt über der Lösung.

Die blaue Farbe ist für alle Cu(+II)-Verbindungen charakteristisch, Kupfer(II)nitrat, Kupfer(II)sulfat, usw.

DIE AUSGEGLICHENE REDOXGLEICHUNG

a) Vorwort

Wir haben das damals über ein halbes Jahr lang „exerziert“, bis es auch der Letzte (nicht) konnte.

Warum wir das machen mussten, wurde uns nach diesem Motto erklärt:

Der wahre Grund ist derselbe, warum der Mensch auf Berge steigt. Man kann es sich, dem Lehrer, der Welt zeigen, dass man’s drauf hat: man muss wissen wo’s lang geht, die Realität im Auge behalten (keinem Höhenrausch verfallen), konsequent sein, immer wieder kontrollieren, ob man noch auf der richtigen Route ist, sich im Klaren sein, dass Fehler in den Abgrund führen. Übrigens: METHODE heißt übersetzt ERFOLGSWEG, ROUTE

Nicht jeder ist zum Gipfelstürmer geboren… Aber: dem Mutigen gehört die Welt!

b) Die Buchseiten – bitte gründlich studieren

c) Das Ausgleichsverfahren

· Worin besteht der Bezug der Ausgleichsmethode zur Realität? Ein Beispiel…

Betrachte die folgende Oxidation (e^–-Abgabe) von Kupfer zu Kupfer(II)ionen: Cu ® Cu²⁺ + 2e^–

Hier braucht’s keine Ausgleichsmethode, da passt schon alles: ausgeglichene Ladungen, auf beiden Seiten Ladungssumme = 0, die Atomzahl, auf beiden Seiten genau ein Kupferatom, und die 2e^– gehen dann an einen Elektronenakzepter, der reduziert wird. Aber das angekündigte Beispiel kommt jetzt.

_{0 +II –II}

Die Oxidation von Kupfer zu Kupfer(II)oxid: Cu ® CuO + 2e^– die OZ zeigt an, dass 2 e^– abgegeben wurden

Hier müssen Ladungen und Atomzahl noch ausgeglichen werden, zur Bildung von CuO fehlt das Oxid O(–II)

=> Cu + O^2– ® CuO + 2e^– jetzt passt wieder alles! Aber so ist es nicht realistisch, da Oxidionen so stark basisch sind, dass sie in Wasser nicht existieren, sondern sich in OH^– umsetzen O^2– + H₂O ® 2 OH^–; daher ist der Ausgleich mit Hydroxidionen zu formulieren

=> Cu + 2 OH^– ® CuO + 2e^– + H₂O (OH^– macht den Ladungsausgleich)
(Wasser macht den Atomausgleich)

Man sagt: „du musst die 2 OH^– auf die linke Seite hinschreiben, damit die Elektronenladungen rechts ausgeglichen sind“. Die Hydroxidionen reagieren tatsächlich als Edukte, sie werden nicht nur „hingeschrieben“, damit’s passt. Achtung! In saurer Lösung existiert praktisch kein OH^–, es muss mit H₃O⁺ ausgeglichen werden!!

· Ein vollständig besprochenes Beispiel: Die Reaktion von Kupfer mit Schwefelsäure

https://www.youtube.com/watch?v=exGTLTIpdbo (lieber ohne Ton)

Beobachtungen: An der Kupferoberfläche bildet sich schwarzes Kupfer(II)oxid. Gasentwicklung: SO₂-Gas entsteht.

Eine bläuliche Farbe tritt auf (das passiert aufgrund einer Folgereaktion)

Schwefelsäure + Kupfer ® Kupfer(II)oxid + Schwefeldioxid (Wortgleichung)

_{+I+VI-II 0 +II–II +IV–II}

H₂SO₄ + Cu ® CuO + SO₂ (die Rohgleichung, „behelfsmäßig“ formuliert)

Die OZ sagen dir, dass Kupfer Cu(0) zum Cu(+II) im CuO oxidiert wird (positivere OZ, e^–-Abgabe) und dass

das Schwefelatom der Säure zum S im SO₂ reduziert wurde (negativere OZ, e^–-Aufnahme).

Das folgende Ausgleichsverfahren ist mit der Methode im Buch (rechte Seite oben, Redoxreaktion im Sauren) zu vergleichen. Es ist aber dringend zu empfehlen die Schritte 2a, 3a, 4a, 5a in einer Zeile, und ebenso 2b, 3b, 4b, 5b in einer Zeile zu schreiben, sonst gibt’s nur unnötige Übertragungsfehler…

Oxidation:

Cu + 3 H₂O ® CuO + 2 e^– + 2 H₃O⁺ Oxidationszahlen stören hier nur!!! Siehe „Behelf“ oben

schwarz: was die Rohgleichung vorgibt Die OZ aus der Rohgleichung sagen: 2 e^– werden abgegeben

grün: die abgegebenen e^– müssen auf die rechte Seite geschrieben werden

rot: saure Lösung (Schwefelsäure!), => H₃O⁺-Ladungsausgleich; Ladungssumme auf beiden Seiten = 0, passt

blau: fehlt nur noch der Atomausgleich (Stoffausgleich) mit H₂O

Kontrollieren, ob wirklich alles passt (denke an die Bergtour)

Reduktion: die Reihenfolge ist wieder schwarz, grün, rot, blau

H₂SO₄ + 2 e^– + 2 H₃O⁺ ® SO₂ + 4 H₂O passt ja tatsächlich alles.

Wenn man mit H₂O nicht ausgleichen könnte, hieße das, dass etwas faul ist. JEDE Redoxgleichung geht auf.

Addition zur fertigen Redoxgleichung: erstmal alles zusammenschreiben…

Cu + H₂SO₄ + 2 e^– + 2 H₃O⁺ + 3 H₂O ® CuO + 2 e^– + 2 H₃O⁺ + SO₂ + 4 H₂O | –2e^–, –3H₂O, –3H₃O⁺

… dann von Überflüssigem bereinigen => die Elektronen müssen immer weggestrichen werden können.

Cu + H₂SO₄ ® CuO + SO₂ + H₂O

Da wäre man aber auch einfacher draufgekommen, wieso die Umstände? Die Antwort lautet, dass die Redoxchemie hauptsächlich mit den Halbreaktionen arbeitet. Jede Oxidationshalbreaktion ist zumindest theoretisch mit jeder Reduktionshalbreaktion kombinierbar. Die Halbreaktionen sind also wie Elemente, die beliebig kombinierbar sind: sehr praktisch

d) ÜBUNGSGLEICHUNGEN

d1) Übungsgleichungen mit Stickstoffverbindungen. Stickstoff ist ein redoxchemisch sehr aktives Element, das sehr vielen verschiedenen Oxidationsstufen vorkommt.

ð Welche OZ von N liegt jeweils in folgenden Molekülen/Verbindungen vor: NH₃, N₂, N₂O, HNO₂ (Salpetrige Säure), NO, NO₂, HNO_3, N^3– (Nitrid), NO₂^– (Nitrit), NO₃^– (Nitrat)

ð Reaktionsgleichungen bei der Bildung von Salpetersäure aus Nitrosen Gasen: Stelle Reaktionsgleichungen auf; welche Verbindungen werden oxidiert bzw. reduziert, welches sind jeweils Elektronendonatoren (Red.mittel) und Elektronenakzeptoren (Ox.mittel)
– Stickstoffmonoxid reagiert mit Luftsauerstoff zu Stickstoffdioxid
– Stickstoffmonoxid reagiert mit Stickstoffdioxid und Wasser zu Salpetriger Säure
– Salpetrige Säure und Luftsauerstoff reagieren zu Salpetersäure
(bzw. Nitrit reagiert mit Luftsauerstoff zu Nitrat)
– Nitrat reagiert mit Schwefelsäure zu Salpetersäure
– Stickstoffdioxid reagiert mit Luftsauerstoff und Wasser zu Salpetersäure

d2) Variante zu einer im Buch erklärten Reaktion. Auf der rechten Buchseite findet sich bei „Redoxreaktionen im basischen Milieu“ das Beispiel „Wasserstoffperoxid reagiert mit Permanganationen zu Braunstein (MnO₂) und Sauerstoff“. Dazu gibt es zwei Varianten:

:

Zu diesen beiden Reaktionen die Redoxgleichung (mit Ausgleich) formulieren!
Variante 1	Variante 2
Wasserstoffperoxid reagiert im schwach sauren Milieu mit Permanganationen zu Braunstein (MnO2) und Sauerstoff	Wasserstoffperoxid reagiert im stark sauren Milieu mit Permanganationen zu Mangan(II)ionen und Sauerstoff
Bitte die unter c) beschriebene Methode anwenden; für den Ausgleich beachten, dass die Reaktionen im sauren Milieu stattfinden. Die Mangan(II)ionen finden sich auch in einem Buchbeispiel.

d3) Weitere Übungen folgen …