Einführung

Sicher hast du schon einmal beobachtet, wie Metalle rosten. Dabei reagieren die Metalle zusammen mit Sauerstoff zu einem Oxid. Diese Reaktion nennt man Oxidation. Verläuft die Reaktion in die andere Richtung, so wird das Oxid wieder in das Metall gespalten. Es findet eine Reduktion statt. Laufen eine Oxidation und eine Reduktion gleichzeitig ab, so spricht man von einer Redoxreaktion. Nun bist du vielleicht verwirrt von den vielen neuen Begriffen und fragst dich wie so eine Redoxreaktion abläuft. In diesem Skript geben wir dir einen Überblick über die wichtigsten Begriffe und zeigen dir, wann eine Oxidation und eine Reduktion gleichzeitig abläuft.

Oxidation und Reduktion

Bei einer Oxidation reagiert ein Stoff mit Sauerstoff zu einem Oxid. Meistens handelt es sich bei dem Stoff um ein Metall. Bei der Reaktion wird Energie frei, die Reaktion verläuft also exotherm. Sicher kennst du schon die ein oder andere Oxidationsreaktion. Ein Beispiel ist die Reaktion von Magnesium und Sauerstoff zu Magnesiumoxid oder die Reaktion von Eisen mit Sauerstoff. Beispiele einer Oxidation: An der Luft können Oxidationen sehr langsam verlaufen. Das kennst du vom Rosten von Metallen. Oft dauert es Jahre bis sich der Rost bildet. Bildet sich aus dem entstandenen Oxid bei einer chemischen Reaktion wieder das reine Metall, so spricht man von einer Reduktion. Anders als bei der Oxidation wird für die Reaktion Energie benötigt. Viele Metalle liegen in der Natur als Oxide vor und werden aus diesen gewonnen. Ein Beispiel wie aus Eisenerz Roheisen gewonnen wird, kannst du in dem nächsten Skript Anwendung Hochofen nachlesen. In diesem Skript wird auch deutlich wie viel Energie für die Gewinnung von Eisen nötig ist. Es ist jedoch nicht für jeden Reduktion soviel Energie nötig. Eine Reduktion die du selbst im Unterricht durchführen kannst ist die Reduktion von Silberoxid zu Silber und Sauerstoff. Erhitzt du das Silberoxid über dem Bunsenbrenner, so bildet sich metallisches Silber und Sauerstoff. Zusammengefasst gilt:

• Oxidation: Aufnahme von Sauerstoff
• Reduktion: Abgabe von Sauerstoff

Redoxreaktion

Manche Oxide lassen sich jedoch nicht wie beim Silberoxid durch einfaches Erhitzen spalten. Damit die Oxide den Sauerstoff bei der Reaktion abspalten, müssen sie mit einem weiteren Stoff reagieren. Dieser Stoff ist nicht zwangsläufig ein Metall. So kann beispielsweise Kupferoxid mit Wasserstoff, Kohlenstoff oder Eisen zu Kupfer umgesetzt werden. Je nach Reaktionspartner entstehen dabei verschiedene Produkte. Diese Stoffe helfen dabei das Oxid zu reduzieren, daher werden sie Reduktionsmittel genannt. Reduktionsmittel können besonders gut mit Sauerstoff reagieren. Oxide bzw. Stoffe die Sauerstoff abgeben heißen Oxidationsmittel. Bei einer Redoxreaktion laufen sowohl eine Oxidation, als auch eine Reduktion ab. In der Reaktionsgleichung kennzeichnest du die Oxidation und Reduktion mit Pfeilen. Außerdem schreibst du unter die Summenformel welcher Stoff ein Oxidations- bzw. Reduktionsmittel ist. Wie das genau gemacht wird, siehst du in Abbildung 2. Die abbgebildeten Redoxreaktionen verlaufen alle exotherm, da hier durch die Oxidation mehr Energie frei wird, als für die Reduktion benötigt wird. Redoxreaktionen können jedoch auch endotherm verlaufen. In der Abbildung 2 siehst du, dass das Eisen das Kupferoxid reduziert. Doch warum verwendet man Eisen für die Reduktion von Kupferoxid und kann Kupfer im Gegenzug Eisenoxid reduzieren? Metalle haben eine unterschiedlich starke Reduktionswirkung. Eisen hat beispielsweise eine bessere Reduktionswirkung als Kupfer. Daher kann Eisen auch das Kupferoxid reduzieren. Da Kupfer jedoch eine schlechtere Reduktionswirkung hat als Eisen, kann Kupfer das Eisenoxid nicht reduzieren. Die Metalle werden nach ihrer Reduktionswirkung in einer sogenannten Redoxreihe angeordnet (Abbildung 3). Aus dieser Redoxreihe kannst du ablesen, welches Metall eine stärkere Reduktionswirkung als Eisen hat und somit Eisenoxid reduzieren kann. Generell gilt, dass unedle Metalle wie zum Beispiel Magnesium oder Aluminium eine stärkere Reduktionswirkung haben als edle Metalle wie Silber oder Gold. Metalle die eine starke Reduktionswirkung haben, können jedoch leicht oxidiert werden. Daher rosten unedle Metalle sehr leicht, während die Edelmetalle an der Luft nicht oxidiert werden. Diese Redox-Eigenschaften der Metalle wird auch praktisch genutzt. So werden oft Metalle wie zum Beispiel Eisen mit einer Schicht aus Zink überzogen. Das Zink hat eine starke Reduktionswirkung, kann jedoch leicht oxidiert werden. Wird das Zink an der Luft oxidiert, so bildet es eine Schutzschicht aus Zinkoxid, die das Eisen vor einer Oxidation schützt. So werden unter anderem Autokarosserien oder Laternenmasten mit Zink überzogen. Die Gefahr der Oxidation besteht nicht nur bei Luftkontakt. Schiffe sind im Wasser ebenfalls stark oxidationsanfällig. Daher wird der Schiffsrumpf ebenfalls zum Schutz mit einem weiteren Metall überzogen.