Grundlagen der Redoxreaktionen einfach erklärt: Sauerstoffübertragung

Hast du dich jemals gefragt, wie Menschen aus unscheinbaren, steinigen Brocken glänzende Metalle für Schwerter, Münzen oder Smartphones gewinnen? Die Antwort liegt in den Grundlagen der Redoxreaktionen – einer der wichtigsten chemischen Reaktionen überhaupt!

In dieser Lektion lernst du, wie man Metalle aus Gesteinen befreit, wie Sauerstoff dabei den Besitzer wechselt und wie du diese Reaktionen wie ein echter Chemiker beschreiben kannst.

Vorwissen

• Oxidation: Eine chemische Reaktion, bei der sich ein Stoff mit Sauerstoff verbindet.

  Beispiel: Wenn Magnesium an der Luft verbrennt, nimmt es Sauerstoff auf und es entsteht Magnesiumoxid.

Aufgabentyp 1: Analysieren einer Redoxreaktion

Um die Grundlagen der Redoxreaktionen zu meistern, müssen wir uns ansehen, wie Sauerstoff übertragen wird. Viele Metalle kommen in der Natur nicht als reine, glänzende Stoffe vor, sondern sind in Gesteinen gebunden. Diese Gesteine nennt man Erze. Sehr oft sind diese Erze sogenannte Oxide, das heißt, das Metall ist fest mit Sauerstoff verbunden.

Um das reine Metall zu bekommen, müssen wir den Sauerstoff wieder loswerden. Dieser Vorgang ist genau die Umkehrung der Oxidation und wird Reduktion genannt. Bei einer Reduktion wird also Sauerstoff abgegeben.

Silber aus Pulver gewinnen

Zweck: Beobachten, wie ein Metalloxid durch Erhitzen reduziert wird.

Materialien: 1 Spatelspitze Silberoxid (schwarzes Pulver), 1 Reagenzglas, 1 Bunsenbrenner, 1 Holzspan.

⚠️ Sicherheitshinweis: Schutzbrille tragen. Das Erhitzen darf nur unter Aufsicht der Lehrkraft erfolgen. Das entstehende heiße Glas nicht berühren.

Durchführung:

1. Gib eine Spatelspitze des schwarzen Silberoxid-Pulvers in das Reagenzglas.

2. Erhitze das Reagenzglas stark über der rauschenden Flamme des Bunsenbrenners.

3. Halte einen glimmenden Holzspan an die Öffnung des Reagenzglases (Glimmspanprobe).

Beobachtung: Das schwarze Pulver verschwindet. An der inneren Glaswand bildet sich ein glänzender, silberner Spiegel. Der glimmende Holzspan flammt auf.

Erklärung: Das Silberoxid wurde durch die Hitze zersetzt. Es hat seinen Sauerstoff abgegeben (Reduktion). Der glänzende Spiegel ist das reine Silber. Das Aufflammen des Holzspans beweist, dass Sauerstoffgas entstanden ist.

$\text{Silberoxid} \to \text{Silber} + \text{Sauerstoff}$

In der Praxis reicht bloßes Erhitzen oft nicht aus, um den Sauerstoff von einem Metall zu trennen. Man braucht einen Partner, der den Sauerstoff freiwillig aufnimmt.

Mischen wir zum Beispiel schwarzes Kupferoxid mit Eisenpulver und erhitzen es, passiert etwas Spannendes: Das Eisen entreißt dem Kupferoxid den Sauerstoff.

Hier passieren zwei Dinge gleichzeitig:

• Das Kupferoxid gibt Sauerstoff ab (es wird reduziert).
• Das Eisen nimmt den Sauerstoff auf (es wird oxidiert).

Weil Reduktion und Oxidation immer gleichzeitig ablaufen, nennt man das Ganze eine Redoxreaktion.

Chemiker beschreiben das mit dem Donator-Akzeptor-Prinzip:

• Der Donator (Spender) ist der Stoff, der den Sauerstoff abgibt. Hier ist Kupferoxid der Donator.
• Der Akzeptor (Empfänger) ist der Stoff, der den Sauerstoff aufnimmt. Hier ist Eisen der Akzeptor.

$\text{Kupfer}\textcolor{#08BFFF}{\text{oxid}} + \text{Eisen} \to \text{Kupfer} + \text{Eisen}\textcolor{#08BFFF}{\text{oxid}}$

Bei einer Redoxreaktion haben die beteiligten Stoffe bestimmte Rollen. Diese Begriffe klingen anfangs oft verwirrend, aber sie beschreiben einfach, was der Stoff mit dem anderen macht.

• Das Oxidationsmittel: Das ist der Stoff, der den anderen oxidiert (ihm Sauerstoff gibt). In unserem Beispiel ist Kupferoxid das Oxidationsmittel, weil es dem Eisen Sauerstoff liefert. Da es seinen Sauerstoff abgibt, wird das Oxidationsmittel selbst immer reduziert.
• Das Reduktionsmittel: Das ist der Stoff, der den anderen reduziert (ihm den Sauerstoff wegnimmt). Eisen ist hier das Reduktionsmittel, weil es dafür sorgt, dass Kupferoxid seinen Sauerstoff verliert. Da es den Sauerstoff aufnimmt, wird das Reduktionsmittel selbst immer oxidiert.

Merke dir: Der Name verrät, was der Stoff beim Partner bewirkt, nicht was mit ihm selbst passiert!

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Finde heraus, welcher Stoff auf der linken Seite der Reaktionsgleichung Sauerstoff hat und welcher nicht. Vergleiche dies mit der rechten Seite.
2. Ordne die Oxidation und Reduktion zu: Der Stoff, der Sauerstoff aufnimmt, wird oxidiert. Der Stoff, der Sauerstoff abgibt, wird reduziert.
3. Bestimme Donator, Akzeptor und Mittel: Das Oxidationsmittel (Donator) gibt den Sauerstoff ab. Das Reduktionsmittel (Akzeptor) nimmt den Sauerstoff auf.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Reduktion ist die Abgabe von Sauerstoff (die Umkehrung der Oxidation).
• Bei einer Redoxreaktion laufen Oxidation und Reduktion immer gleichzeitig ab.
• Donator-Akzeptor-Prinzip: Ein Stoff gibt Sauerstoff ab (Donator), der andere nimmt ihn auf (Akzeptor).
• Das Oxidationsmittel gibt Sauerstoff ab und wird selbst reduziert.
• Das Reduktionsmittel nimmt Sauerstoff auf und wird selbst oxidiert.