Die klassische Vorstellung von Oxidation und Reduktion
Früher schauten Chemiker nur auf Sauerstoff und Wasserstoff.
- Oxidation = Sauerstoff aufnehmen oder Wasserstoff abgeben. Beispiel: 2Mg + O₂ → 2MgO (Mg nimmt O auf).
- Reduktion = Sauerstoff abgeben oder Wasserstoff aufnehmen. Beispiel: CuO + H₂ → Cu + H₂O (CuO gibt O ab).
Später wurde die Idee erweitert. Wenn ein elektronegatives Element (ein Element, das Elektronen stark anzieht, wie Cl oder F) aufgenommen wird, ist das auch Oxidation. Wenn ein metallartiges (elektropositives) Element entfernt wird, ist das ebenfalls Oxidation. Beispiel: 2K₄[Fe(CN)₆] + H₂O₂ → 2K₃[Fe(CN)₆] + 2KOH (K wird entfernt, also wird der Komplex oxidiert).
In H₂S + Cl₂ → 2HCl + S gibt Schwefel Wasserstoff ab (wird oxidiert) und Chlor nimmt Wasserstoff auf (wird reduziert). Das eine geht nicht ohne das andere.
Probier es aus: Achte in Schritt 1 und Schritt 2 der 3D-Szene darauf, welches Atom O aufnimmt und welches Atom H abgibt.
Oxidationsmittel und Reduktionsmittel
Das Oxidationsmittel sorgt dafür, dass ein anderer Stoff oxidiert wird. Es selbst wird dabei reduziert.
Das Reduktionsmittel sorgt dafür, dass ein anderer Stoff reduziert wird. Es selbst wird dabei oxidiert.
In CuO + H₂ → Cu + H₂O ist H₂ das Reduktionsmittel und CuO das Oxidationsmittel.
Redox als Elektronenübertragung
Schau dir 2Na + Cl₂ → 2NaCl an. Es gibt keinen Sauerstoff und keinen Wasserstoff, und trotzdem ist es eine Redoxreaktion.
- Na → Na⁺ + e⁻ : Natrium gibt ein Elektron ab. Das ist Oxidation.
- Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻ : Chlor nimmt Elektronen auf. Das ist Reduktion.
Jede dieser Zeilen ist eine Teilreaktion. Addierst du beide Hälften (nachdem du die Elektronenzahl gleich gemacht hast), erhältst du die ganze Reaktion. Die abgegebenen Elektronen müssen so viele sein wie die aufgenommenen.
Also gilt: Oxidation = Elektronenabgabe, Reduktion = Elektronenaufnahme. Der Elektronengeber ist das Reduktionsmittel. Der Elektronennehmer ist das Oxidationsmittel.
Probier es aus: Folge in Schritt 3 der 3D-Szene dem einen gelben Elektron von Na zu Cl.
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Tauche einen Zinkstab in blaue Kupfersulfatlösung. Nach einiger Zeit hat der Stab einen braunen Kupferüberzug und die blaue Farbe wird blasser.
Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)
Zink gibt Elektronen an Cu²⁺-Ionen ab. Das Umgekehrte (Kupferstab in Zinksulfatlösung) passiert nicht. Zink gibt Elektronen also leichter ab als Kupfer.
Genauso gibt Kupfer Elektronen an Ag⁺ ab: Ein Kupferdraht in Silbernitratlösung bekommt Silberkristalle und die Lösung wird blau. Zink kann Elektronen an H⁺ einer Säure abgeben (H₂-Gas entsteht), Kupfer kann das nicht.
Dieser "Wettstreit um Elektronen" ergibt eine Reihenfolge: Zn > Cu > Ag bei der Elektronenabgabe. Später wird daraus die elektrochemische Spannungsreihe.
Probier es aus: Wähle in Schritt 5 der 3D-Szene "Cu rod + Zn²⁺". Sag zuerst voraus, was passiert. Wähle dann "Cu rod + Ag⁺".
Wichtige Formeln und Definitionen
- Oxidation: Elektronenabgabe, z. B. Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
- Reduktion: Elektronenaufnahme, z. B. Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
- Redox = Oxidationshälfte + Reduktionshälfte (abgegebene Elektronen = aufgenommene Elektronen)
- Oxidationsmittel: nimmt Elektronen auf, wird reduziert
- Reduktionsmittel: gibt Elektronen ab, wird oxidiert
Gelöste Beispiele
1. Welcher Stoff wird in 2Mg + O₂ → 2MgO oxidiert und welcher ist das Oxidationsmittel?
Mg nimmt Sauerstoff auf, also wird Mg oxidiert. O₂ bewirkt das, also ist O₂ das Oxidationsmittel (es wird reduziert).
2. Nenne in CuO + H₂ → Cu + H₂O den oxidierten und den reduzierten Stoff.
H₂ nimmt Sauerstoff auf → wird oxidiert. CuO gibt Sauerstoff ab → wird reduziert. H₂ ist das Reduktionsmittel.
3. Schreibe die beiden Teilreaktionen für 2Na + Cl₂ → 2NaCl auf.
Oxidation: 2Na → 2Na⁺ + 2e⁻. Reduktion: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻. Abgegebene Elektronen (2) = aufgenommene Elektronen (2).
4. Läuft eine Reaktion ab, wenn man einen Eisennagel in Kupfersulfatlösung legt? Schreibe sie auf.
Ja. Eisen ist reaktiver als Kupfer. Fe(s) + Cu²⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + Cu(s). Fe wird oxidiert; Cu²⁺ wird reduziert.
5. Silbernitratlösung wird in einem Kupfergefäß aufbewahrt. Was passiert?
Kupfer gibt Elektronen an Ag⁺ ab: Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag. Das Gefäß löst sich langsam auf und die Lösung wird blau. Das ist also keine gute Idee.
Häufige Fehler
- Zu denken, das Oxidationsmittel werde oxidiert. Es ist umgekehrt: Das Oxidationsmittel wird reduziert.
- Zu glauben, Redox brauche Sauerstoff. 2Na + Cl₂ → 2NaCl enthält keinen Sauerstoff und ist trotzdem eine Redoxreaktion.
- Elektronen in der Teilreaktion auf die falsche Seite zu schreiben. Bei der Oxidation stehen die Elektronen auf der Produktseite.
- Zu denken, jedes Metall könne jedes andere Metall verdrängen. Das kann nur ein reaktiveres Metall.