Wertigkeit/Oxidationszahl?

Hallo! Könnte mir jemand kurz erklären woher man weiß, dass z.b. die Formel von Blei(II)-sulfat PbSO4 ist? Woher kann ich die Wertigkeit herausfinden?

Anderes Beispiel: Eisen (III)-phosphat = FePO4 & Eisen (II)-phosphat = Fe3(PO4)2

Answer 1

[DedeM]

Moin,

wenn du das richtig verstehen willst, wird das aber eine längere Erklärung...

Die Kurzform (die aber einiges an Verständnis voraussetzt) ist:

Zunächst musst du die einfachen und die zusammengesetzten Anionen kennen. Das ist am leichtesten, wenn du sie auswendig lernst. In deinen Beispielen wären das

1) Einfache Anionen:
Bormid: Br^–
Oxid: O^2–

2) Zusammengesetzte Anionen:
Nitrat: NO₃^–
Sulfat: SO₄^2–
Phosphat: PO₄^3–

Für ein besseres Verständnis, wieso die Ionen diese Formeln haben, müsstest du bei den einfachen Ionen den Zusammenhang mit dem Periodensystem der Elemente (PSE) verstehen, während bei den zusammengesetzten Ionen die Kenntnis von den Säuren, aus denen sie stammen, hilfreich wäre oder wenn du die Regeln zur Ermittlung von Oxidationszahlen kennen und anwenden würdest. All diese Zusammenhänge zu erklären, dauerte aber etwas. Deshalb ist es leichter, eine Liste mit häufig vorkommenden Anionen einfach auswendig zu lernen, etwa folgende:

Einfache Anionen:
Nitrid: N^3–
Oxid: O^2–
Sulfid: S^2–
Fluorid: F^–
Chlorid: Cl^–
Bromid: Br^–
Iodid: I^–

Zusammengesetzte Anionen:
Nitrat: NO₃^–
Chlorit: ClO₂^–
Chlorat: ClO₃^–
Perchlorat: ClO₄^–
Carbonat: CO₃^2–
Sulfit: SO₃^2–
Sulfat: SO₄^2–
Phosphat: PO₄^3–

Das sind zusammen 15 Anionen. Die kann man schon einmal auswendig lernen, oder...?!

Sodann brauchst du die Kationen. Hier musst du zunächst einmal registrieren, dass es Kationen von Metallen aus den Hauptgruppen des PSE gibt und solche aus den Nebengruppen.

Bei Hauptgruppenelementen ist es ziemlich leicht, die Ionenladung zu bestimmen. Gehen wir das am Beispiel Magnesium einmal durch (weil das in deiner Aufgabe auch vorkommt).

Magnesium steht im PSE auf Platz 12. Das bedeutet, dass Magnesium-Atome im Kern 12 Protonen haben (Ordnungszahl = Protonenzahl).
Protonen sind positiv geladene Atombausteine. Das bedeutet, dass der Kern von Magnesium-Atomen zwölffach positiv geladen ist (Protonenzahl = Kernladungszahl). Aber ein Magnesium-Atom ist nach außen hin ungeladen (Gesamtladung = 0). Das bedeutet, dass es in einem Magnesium-Atom auch zwölf negative Ladungsträger geben muss. Das sind die Elektronen in der Hülle. In einem Magnesium-Atom gilt daher auch: Protonenzahl = Elektronenzahl, denn dann gleichen sich die 12 Plusladungen im Kern durch die 12 Minusladungen in der Hülle gegenseitig aus, so dass die Gesamtladung des Atoms (12+ + 12– =) 0 ist.

Nun gibt es aber im PSE eine Gruppe von Elementen, die so gut wie keine stabilen Verbindungen mit anderen Elementen eingehen. Das sind die Edelgase. Die Atome von Edelgasen haben nämlich eine so perfekt gebaute Hülle (in Anzahl und Anordnung der Elektronen), dass jede Veränderung in dieser Elektronenhülle energetisch nachteilig wäre. Deshalb sind Edelgase zu „edel”, um mit anderen Elementen zu reagieren.
Die Atome von anderen Elementen haben keine so perfekt gebauten Hüllen. Aber sie möchten auch gerne so perfekte Hüllen haben! Deshalb reagieren sie miteinander, um durch die chemische Reaktion eine Veränderung in ihren Hüllen zu erreichen und so auf eine Edelgaskonfiguration zu kommen.
Deshalb guckst du, welche Edelgase zum Magnesium am nächsten liegen. Das ist einmal das Edelgas Neon (auf Platz 10) und andererseits das Edelgas Argon (auf Platz 18).
Damit ein Magnesium-Atom (mit seinen 12 Elektronen) eine Hülle wie ein Neon-Atom (mit 10 Elektronen) hinbekommt, müsste es zwei Elektronen abgeben (12 – 2 = 10). Um auf die Hülle wie bei einem Argon-Atom (mit 18 Elektronen) zu kommen, müsste das Magnesium-Atom sechs Elektronen aufnehmen (12 + 6 = 18).
Die Aufnahme oder Abgabe von Elektronen ist aber mit einem Energieaufwand verbunden. Für die Abgabe eines Elektrons braucht man etwa genau so viel Energie wie für die Aufnahme. Daher ist es leicht zu verstehen, dass es für ein Magnesium-Atom energetisch leichter ist, zwei Elektronen abzugeben als sechs aufzunehmen.

Magnesium-Atome geben also in chemischen Reaktionen zwei Elektronen ab, damit sie eine energetisch so stabile Hülle erreichen, wie sie Neon-Atome von Natur aus haben.

Aber Elektronen sind negativ geladene Atombausteine. Wenn also ein Atom zwei negativ geladene Elektronen abgibt, dann muss ein geladenes Teilchen entstehen (ein Ion). Und die Abgabe von Elektronen aus der Hülle verändert ja den Aufbau des Kerns nicht. Das bedeutet, dass ein Magnesium-Atom durch die Abgabe von zwei Elektronen zu einem zweifach positiv geladenen Magnesium-Ion wird, weil im Kern nach wie vor 12 Protonen (Plusladungen) vorhanden sind, in der Hülle aber nach der Abgabe der beiden Elektronen nur noch 10 Elektronen (Minusladungen) da sind. 12 Plusladungen – 10 Minusladungen = zwei Plusladungen: Mg²⁺.

So kommt es, dass ein ungeladenes Magnesium-Atom durch die Abgabe von zwei Elektronen zu einem Magnesium-Kation mit der Ladung 2+ wird (Mg²⁺).

Wenn du jetzt die Verhältnisformel von Magnesiumnitrat ermitteln sollst, hast du es also mit den Ionen Magnesium-Kation (Mg²⁺) und Nitrat-Anion (NO₃^–) zu tun.

Und für jede Verhältnisformel eines Salzes musst du von beiden Ionensorten so viele nehmen, dass sich die Ladungen der Ionen zu 0 (Null) addieren. Dabei soll das Verhältnis der Ionen möglichst klein sein.

Im Magnesiumnitrat hast du einmal die Ladung 2+ (im Magnesium-Kation) und einmal die Ladung 1– (im Nitrat). Damit sich diese Ladungen zu 0 addieren, brauchst du also 1 x das Magnesium-Kation und 2 x das Nitrat-Anion:

1 x Mg²⁺
2 x NO₃^–

denn (1 x 2+) + (2 x 1–) = 0

Darum lautet die Formel von Magnesiumnitrat Mg(NO₃)₂.

Beachte, dass sich ein Index (das ist die tiefgestellte Zahl in einer Formel) stets nur auf das unmittelbar vor ihm Stehende bezieht. Die „3” hinter dem O im Nitrat bezieht sich nur auf das O. Die „2” in der Formel bezieht sich auf die Klammer und in der Klammer steht das Nitrat-Anion. Daher soll das Nitrat-Anion zweimal da sein. Und genau das willst du ja auch aussagen!

Bei den Elementen der Nebengruppen (hier Eisen, Nickel und Kupfer) ist das leider nicht so einfach zu ermitteln, denn die Metalle der Nebengruppen im PSE bilden nicht selten verschiedene Ionen.

Aber glücklicherweise hilft hier der Name des Salzes.

Im Namen Eisen(III)phosphat wird dir nämlich die Oxidationszahl (und damit auch die Ladung) des Eisen-Kations mitgeteilt.
Die römische III bedeutet nämlich, dass das Eisen-Kation die Oxidationszahl +III hat. Und weil die Oxidationszahl eines Teilchens mit der Ladung übereinstimmen muss, weißt du, dass hier dreifach positiv geladene Eisen-Kationen (Fe³⁺) enthalten sind.

Und dann geht's weiter wie besprochen. Du hast einmal die Eisen-Kationen (Fe³⁺) und einmal die Phosphat-Anionen (PO₄^3–). Wie viele brauchst du jetzt, um eine Formel hinzubekommen, in der sich die Ladungen gegenseitig aufheben? Eben, du brauchst

1 x Fe³⁺ und
1 x PO₄^3–

so dass die Formel von Eisen(III)phosphat FePO₄ lautet.

Den Rest schaffst du jetzt sicherlich alleine, oder? Schreib doch deine Lösungen in den Kommentar zu meiner Antwort. Dann schaue ich mir das nachher noch einmal an (und korrigiere, falls nötig).

LG von der Waterkant