Reaktion von Kupfer und Salpetersäure?
Hallo liebe Chemiker,
ich habe mich in letzter Zeit einmal mit Redoxreaktionen beschäftigt (10. Klasse). Mir fällt es nicht besonders schwer, Redoxreaktionen aufzustellen. Aber den chemischen Hintergrund zu verstehen- das finde ich dann schon schwieriger.
Als Beispiel habe ich die Reaktion von Kupfer und Salpetersäure zu Kupferionen und Stickstoffdioxid.
Mir geht es besonders um die Reduktion, welche bekanntlich so aussieht:
HNO3 + e- + H+ —> NO2 + H2O
Da sich die Oxidationszahl von Stickstoff von V auf IV nimmt es ein Elektron auf, welches mit einem H-Ion ausgeglichen werden muss.
Das finde ich aber ziemlich schwer sich vorzustellen. Das Stickstoffatom nimmt ja schließlich kein Elektron auf. Stattdessen wird eines der Elektronen aus der Elektronenpaarbindung mit dem „verlorenen“ Sauerstoffatom nun nicht mehr stärker von jenem angezogen. Wenn Stickstoff „wirklich“ ein Elektron aufgenommen hätte, müsste sich doch auch die tatsächliche Ladung ändern, oder?
Das gleiche Problem stellt sich mir auch bei dem positiv geladene H-Ion: Zusammen mit dem „verlorenen“ H-Atom und O-Atom bildet es ein Wassermolekül. Müsste dieses Wassermolekül nicht dann auch einfach positiv geladen sein?
Für mich würde die Teilreaktion daher mehr Sinn machen, wenn sie so aussehen würde:
HNO3 + H —> NO2 + H20
Vielleicht kann mir jemand erklären, wo mein(e) Denfehler liegt.
LG
2 Antworten
Hi,
Zunächst einmal hast du Recht, dass Stickstoff in der Reaktion von HNO3 mit Kupfer kein Elektron aufnimmt, sondern stattdessen seine Oxidationszahl von +5 auf +4 reduziert. Das geschieht, indem ein Sauerstoffatom von Stickstoff entfernt wird, um Stickstoffdioxid (NO2) zu bilden.
Die Gleichung, die du gezeigt hast, ist eine Reduktionshalbreaktion, die den Elektronentransfer darstellt. In diesem Fall gibt das Kupferatom ein Elektron ab, das von der Salpetersäure aufgenommen wird, um das NO2-Molekül zu bilden. Das H+ -Ion fungiert als Katalysator und hilft, die Reaktion in Gang zu setzen.
In Bezug auf das H+ -Ion, das mit dem verlorenen H-Atom und O-Atom ein Wassermolekül bildet, sollte beachtet werden, dass die Summe der Ladungen in einer Redoxreaktion immer erhalten bleibt. In diesem Fall trägt das H+ -Ion eine positive Ladung, während das Wassermolekül neutral ist. Wenn das H+ -Ion ein Elektron aufnimmt, um H2O zu bilden, wird das H+ -Ion zu H, das nun auch neutral ist.
Korrekt! In der Reduktionshalbgleichung nimmt das H+ -Ion das Elektron auf, nicht der Stickstoff. Das Elektron stammt aus dem Kupferatom, das in der Reaktion ein Elektron abgibt, um zum Kupferion zu werden. Das H+ -Ion ist lediglich ein Katalysator und hilft, die Reaktion zu starten und die Elektronen zu übertragen.
Danke! Ich bin aber trotzdem noch etwas unsicher. In deiner Antwort, hast du geschrieben, das Elektron wird von der Salpetersäure aufgenommen. Wo würde es denn dann „andocken“? Oder habe ich dich da falsch verstanden?
Entschuldige, wenn ich mich falsch geäußert oder missverständlich ausgedrückt habe. Das Elektron wird nicht von der Salpetersäure selbst aufgenommen, sondern von dem Nitrat-Ion (NO3-), das Teil der Salpetersäure (HNO3) ist. Das Nitrat-Ion wird in der Reaktion reduziert, indem es das Elektron aufnimmt, das vom Kupferatom abgegeben wird. Das reduzierte Nitrat-Ion wird dann zu Stickstoffdioxid (NO2) umgewandelt. Ich hoffe, das klärt deine Verwirrung!
Danke, dass du mir nochmal geantwortet hast! Ich habe mir gerade mal die Struktur von Salpetersäure und einem Nitrat Ion angesehen.
Die Salpetersäure gibt ein H-Proton ab, wodurch es einfach negativ geladen ist. Jetzt bin ich mir aber nicht sicher, wie es mit dem Elektron weitergeht:
Würde es so aussehen?
Das Sauerstoffmolekül, welches die Bindung verlässt, nimmt die gesamten Bindungselektronen „mit“, wodurch der Stickstoff zweifach positiv geladen wäre. Der Stickstoff nimmt anschließend das Elektron auf, ist einfach positiv geladen und das Molekül als ganzes ist neutral.
Ja, das sieht richtig aus! Das Sauerstoffmolekül nimmt tatsächlich die gesamten Bindungselektronen mit, wenn es die Bindung verlässt. Dadurch wird der Stickstoff zweifach positiv geladen. Anschließend nimmt der Stickstoff ein Elektron auf und wird einfach positiv geladen. Das resultierende Molekül ist dann insgesamt neutral.
Danke, also ist es bei Redoxreaktionen immer der Katalysator (Nur, wenn es einen gibt), der die Elektronen aufnimmt?
Nein, bei Redoxreaktionen werden Elektronen zwischen den beteiligten Teilchen (Atomen, Ionen oder Molekülen) ausgetauscht, ohne dass ein Katalysator beteiligt sein muss. Ein Katalysator kann jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, indem er den Reaktionsweg mit einem niedrigeren Aktivierungsenergie-Barriere ermöglicht, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Teilchen miteinander reagieren und Elektronen austauschen. Wenn ein Katalysator beteiligt ist, nimmt er jedoch normalerweise nicht die Elektronen auf, sondern erleichtert den Elektronentransfer zwischen den Teilchen, indem er den Reaktionsweg ändert.
Danke! Ich habe mich da wohl etwas missverständlich ausgedrückt ;-). Ich meinte eigentlich, dass sich das Wassserstoffproton H+ nachdem OH- entstanden ist (was sich ja vom NH3O losgelöst hat), sich mit dem OH- ein Elektron teilt, welches natürlich trotzdem stärker zum O-Atom gezogen wird.
Also OH- + H+ —> H2O (keine Änderung der Oxidationszahlen, dewegen keine Redox-Reaktion)
Das bereitgestellte Elektron vom Kupfer wird dann vom Stickstoffatom aufgenommen, was dann ja auch eine Änderung der Oxidationszahl (und auch der tatsächlichen Ladung) verursacht. (Reduktion)
Ich hoffe so ist es richtig.
Ich finde es übrigens sehr nett, dass du so geduldig auf meine teils doch recht sinnfreien Annahmen geantwortet hast.
Ja, das ist richtig! Der Protonentransfer von H+ auf OH- führt zur Bildung von H2O, und es gibt keine Änderung der Oxidationszahl, daher handelt es sich nicht um eine Redox-Reaktion. Das bereitgestellte Elektron von Kupfer wird dann vom Stickstoffatom aufgenommen, was zu einer Reduktion des Stickstoffatoms führt und somit eine Änderung der Oxidationszahl und der tatsächlichen Ladung verursacht.
:D Ich hab selber meinen Spaß dran.
An die Aufgabe kann man mit verschiedenen Lösungsmöglichkeiten herangehen. Ein Beispiel wäre das folgende:
Salpetersäure liegt in mehr oder weniger verdünnter Lösung vor. Dann sind Oxoniumionen und Nitrationen vorhanden.
Kann ein solches Ionengemisch mit Kupfer reagieren?
Man sucht in der Redoxreihe die passenden Redoxsysteme und findet die folgenden mit den zugehörigen Standardpotenzialen:
NO2 + 3 H2O ⇌ NO3- + 2 H3O+ + e- +0,80 V
Cu ⇌ Cu2+ + 2 e- +0,34 V
Man sieht, dass das Kupferredoxsystem von den beiden das kleinere Standardpotenzial hat, also unedler ist. Damit hat man schon die beiden Teilgleichungen. Das unedlere Kupfersystem wird oxidiert (gibt Elektronen ab) und das Redoxsystem mit dem positiveren Standardpotenzial wird reduziert (nimmt Elektronen auf). Diese Gleichung muss dann umgekehrt geschrieben werden.
Um die beiden Gleichungen zur Gesamtredoxgleichung zusammenzufassen, müssen die Elektronenzahlen in beiden Gleichungen gleich groß sein. Die Koeffizienten in der oberen Gleichung müssen also verdoppelt werden. Die Gesamtgleichung schreibt man dann ohne Elektronen.
Cu + 2 NO3- + 4 H3O+ ⇌ Cu2+ + 2 NO2 + 6 H2O
Vielen Dank! Ich finde es immer, toll, wenn etwas so anschaulich erklärt wird. Die Teilgleichung von NO3- zu NO2, war sehr hilfreich!
Eine Ergänzung noch: Es ist also tatsächlich anders, als ich zunächst vermutet hatte: Das Stickstoffatom nimmt wirklich ein Elektron auf und es wird im nicht nur „weniger weggenommen“. Wenn sich das O aus der NO3- Bindung löst, nimmt es ja die gesamten geteilten Elektronen mit, sodass das N-Atom nun zweifach positiv geladen ist. Im gleichen Zug nimmt dieses es aber das vom Kupfer bereitgestellte Elektron auf.
Das erklärt dann ja auch die veränderte Oxidationszahl. Das Bindungselektron mit dem Sauerstoff, welches zuvor bereits stärker zu diesem gezogen wurde, geht verloren und wird durch ein neues Elektron ersetzt, welches jetzt „ganz dem N-Atom gehört“
Sehe ich das richtig?
Vielen Dank! Die „losen“ Elektronen werden also nicht vom Stickstoff, sondern vielmehr vom Wasserstoff aufgenommen, oder? Das ist schon tricky ;-)