Chemie-Lexikon/Redoxreaktionen mit Elektronenübertragung

In der Mittelstufe werden die Begriffe Reduktion und Oxidation meist im Zusammenhang mit Verfahren zur Gewinnung von Metallen besprochen, wobei eine Übertragung von Sauerstoff stattfindet.

Wiederholung: Redoxreaktionen als Sauerstoffübertragungsreaktionen

In der Mittelstufe kommen Redoxreaktionen im Rahmen der Verfahren zur Gewinnung von Metallen zur Sprache. Typischerweise betrachtet man die Reduktion von Kupfererzen mit Hilfe von Kohle und den Hochofen-Prozess. Aber auch bei der Thermitreaktion handelt es sich um ein Redoxreaktion:

$Fe_2O_3 + 2 \ Al \longrightarrow Al_2O_3 + 2 \ Fe$

Hier findet zum einen die Oxidation von Aluminium statt, hin zu $Al_2O_3$. Zum anderen die Reduktion von $Fe_2O_3$ hin zu Eisen.

Beide Teil-Reaktionen haben eine Funktion in der Gesamtreaktion.

• Die Oxidation von Aluminium liefert die für die Reduktion benötigte Energie, denn Oxidationen sind immer exotherm und Reduktionen endotherm. Aluminium ist daher auch das Reduktionsmittel.
• Die Reduktion von $Fe_2O_3$ führt zur Freisetzung von Sauerstoff, was die Oxidation begünstigt und damit verstärkt. $Fe_2O_3$ wirkt damit als Oxidationsmittel.

Noch einmal kompakt die Begriffe zusammengefasst:

DEFINITIONEN zu den Redoxreaktionen bei Sauerstoffbeteiligung

• Oxidation = Reaktion mit Aufnahme von Sauerstoff
• Reduktion = Reaktion mit Abgabe von Sauerstoff
• Oxidationsmittel = Stoff, der die Oxidation ermöglicht, indem er selber Reduziert wird.
• Reduktionsmittel = Stoff, der die Reduktion ermöglicht, indem er selber oxiddiert.

Redoxreaktionen ohne Sauerstoff

Betrachtet man Reaktionen an denen kein Sauerstoff beteiligt ist, dann kann man Gemeinsamkeiten zu den Reaktionen mit Sauerstoff erkennen.⟶

Beispiel:

• $2 \;Cu + \;O_2 \longrightarrow 2 \; CuO$
• $Cu \; + \; S \longrightarrow CuS$

In beiden Reaktionen geben die Kupferatome Elektronen ab und es entstehen $Cu ^{ 2 \oplus}$

• $2 \;Cu + \; O_2 \longrightarrow 2 \; Cu ^{ 2 \oplus} + 2 \; O^{ 2 \ominus}$
• $Cu \; + \; S \longrightarrow Cu ^{ 2 \oplus} + S^{ 2 \ominus}$

Das heißt, in beiden Beispiel reagiert das Kupfer genauso: es gibt sowohl bei der Reaktion mit Sauerstoff Elektronen ab, also auch bei der Reaktion von Kupfer mit Schwefel.

Geschichtliches und Verallgemeinerung

Der Begriff Oxidation wurde ursprünglich von dem französischen Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier geprägt, der damit die Reaktionen von Elementen und chemischen Verbindungen mit dem Element Sauerstoff (Oxygenium, franz: oxygène) und dessen Aufnahme, unter Bildung von Oxiden, beschreiben wollte. Als Lavoisier die Theorie in den 1780er Jahren veröffentlichte, hatte er anfänglich gegen die Anhänger der Phlogiston-Theorie zu kämpfen, konnte sich aber durchsetzen.

Später erfolgte eine Erweiterung des Begriffes, indem man Reaktionen mit einbezog, bei denen einer Verbindung Wasserstoffatome entzogen wurden (Dehydrierung). Auf Grundlage der Ionentheorie und des Bohrschen Atommodells konnte die Oxidation schließlich unter Betrachtung der Aufnahme und Abgabe von Elektronen interpretiert und verallgemeinert werden.

Daher werden heute die Begriffe zu den Redoxreaktionen mit Hilfe der Aufnahem und Abgabe von Elektronen definiert.

ZUSAMMENFASSUNG Grundbegriffe zu Redoxreaktionen

• Oxidation = Elektronenabgabe
• Reduktion = Elektronenaufnahme
• Reduktionsmittel = Stoff, der beim Reaktionspartner die Reduktion bewirkt, indem er ihm Elektronen abgibt
• Oxidationsmittel = Stoff, der beim Reaktionspartner die Oxidation bewirkt, indem er ihm Elektronen abnimmt

ZUSAMMENFASSUNG Grundbegriffe zu Redoxreaktionen

• Oxidation = Sauerstoffaufnahme oder Elektronenabgabe
• Reduktion = Sauerstoffabgabe oder Elektronenaufnahme
• Reduktionsmittel = Stoff, der beim Reaktionspartner die Reduktion bewirkt, indem er ihm Elektronen abgibt
• Oxidationsmittel = Stoff, der beim Reaktionspartner die Oxidation bewirkt, indem er ihm Elektronen abnimmt

DEFINITION Oxidationszahl

Die Oxidationszahl ist eine gedachte Ladung eines Atoms innerhalb einer chemischen Verbindung oder eines mehratomigen Ions. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Elektronegativität, bei anorganischen Verbindungen kann man sich auf einige Regeln zur Bestimmung konzentrieren.

Oxidationszahl

Um festzustellen, ob eine Oxidation oder eine Reduktion bei einem Redoxpaar stattfindet haben wir bisher immer die Ladungen der Ionen betrachtet. Das ist bei zusammengesetzen Ionen, wie $SO_4^{2-}$ oder $MnO_4^{-}$ nicht möglich, da das geladene Teilchen ein zusammenhängendes Molekül ist.

Man nutzt dann die Oxidationszahl (manchmal auch Oxidationsstufe, Oxidationswert, elektrochemische Wertigkeit), die die theoretische Ionenladung eines Atoms innerhalb einer chemischen Verbindung oder eines mehratomigen Ions angibt. Dabei geht man davon aus, dass das zusammengesetzte Molekül in Ionen zerlegt wird. Anders als bei den tatsächlichen Ionenladungen, die als Zahl mit nachgestelltem  oder  geschrieben werden, wird bei Oxidationszahlen das + oder − als Vorzeichen vorangestellt und die Zahl mit römischen Ziffern angegeben. Im Falle der Oxidationszahl null wird ±0 geschrieben.