Bestimmt kennst du die weltberühmte Freiheitsstatue von Amerika (Abb. 1). Wie schön türkis sie doch ist. Kannst du dir vorstellen, dass die Freiheitsstatue bei ihrer Einweihung 1886 noch kupferfarben aussah? Sie besteht immer noch aus Kupfer im Inneren. Nur finden fortlaufend Redoxreaktionen an ihrer Oberfläche statt, bei denen das Kupfer mit verschiedenen Bestandteilen aus der Umgebung (Luft, Abgase, Regen usw.) reagiert. Ähnliche Effekte kannst du bei Kupferdächern beobachten. Manche Kirchtürme hatten früher braune Dächer und sind mittlerweile auch türkis. Wenn du frisch gepresste 5 Cent Münzen bekommst, glänzen sie noch so schön sauber, aber irgendwann werden sie braun. Immer wenn das Kupfer mit anderen Stoffen zu neuen Stoffen (z.B. Kupferoxid oder Kupfersulfid) mit anderem Aussehen reagiert, finden Redoxreaktionen statt und es entsteht ein neuer Stoff mit eigenen Eigenschaften.
Redoxreaktionen finden noch viel häufiger in deinem Alltag statt, als dir vielleicht bewusst ist. Wenn du Sauerstoff einatmest und Kohlenstoffdioxid ausatmest, finden Redoxreaktionen in deinem Körper statt, bei denen Sauerstoff und Kohlenstoff eine Verbindung eingehen. Andersherum reagieren in Pflanzen bei der Photosynthese Kohlenstoffdioxid und Wasser. Bei den dabei stattfindenden Redoxreaktionen sind Glucose (Traubenzucker) und Sauerstoff die Reaktionsprodukte.
In unserer Welt finden die ganze Zeit eine Vielzahl weiterer Redoxreaktionen statt. Doch was sind eigentlich Redoxreaktionen? Das erklären wir dir in diesem Artikel.
Redox setzt sich aus Reduktion und Oxidation zusammen
Der Begriff Redoxreaktion ist eine Kombination aus dem Begriff der Reduktion und der Oxidation. Er beschreibt eine Reaktion, bei der Reduktion und Oxidation immer zusammen und gleichzeitig ablaufen. Es kann weder das eine noch das andere alleine ablaufen.
Wir betrachten dazu die Thermitreaktion. Dieses Verfahren wird genutzt, um kleinere Mengen reinen Eisens zu gewinnen, zum Beispiel um Bahnschienen zu verschweißen (Abb. 2).
In der Praxis werden dabei Eisenoxid und Aluminium zur Reaktion gebracht. Die Animation (Abb. 3.1 - 3.7) verdeutlicht, dass bei einer Redoxreaktion die Teilreaktionen Oxidation und Reduktion gleichzeitig ablaufen.
Einfacher Redoxbegriff - Beispiel Thermit
Bei Redoxreaktionen finden Elektronenübergänge statt
Insgesamt findet bei einer Redoxreaktion ein Elektronenübergang statt. Dabei gibt ein Atom Elektronen ab und das andere Atom nimmt Elektronen auf.
Schauen wir uns einmal die Bildung von Natriumchlorid (Haushaltssalz/Kochsalz) an: Natrium besteht aus ungeladenen Element-Atomen. Das Natrium-Atom hat ein Außenelektron. Es gibt dieses Außenelektron leicht ab, um die Edelgaskonfiguration zu erfüllen und eine Außenschale mit acht Elektronen zu haben. Chlor besteht aus ungeladenen Element-Molekülen \(\ce{Cl_2}\). Ein einzelnes Chlor-Atom hat sieben Außenelektronen. Es fehlt nur ein Elektron, um eine voll besetzte Außenschale zu haben und die Edelgaskonfiguration zu erreichen.
Das Natrium-Atom gibt ein Elektron ab. Das Chlor-Atom nimmt ein Elektron auf.
Abb. 5 Animation Bildung von Natriumchlorid aus Natrium und Chlor
Wie du weißt sind Elektronen die negativ geladenen Teilchen in einem Atom. Gibt ein Natrium-Atom ein Elektron ab, bekommt es eine einfach positive Ladung, weil es nun eine negative Ladung weniger hat. Werden Elektronen abgegeben, beschreiben wir dies als Oxidation. Wenn ein Chlor-Atom ein negativ geladenes Elektron aufnimmt, bekommt es insgesamt eine einfach negative Ladung. Es findet eine Reduktion des Chlor-Atoms statt.
Oxidation: \(\ce{Na -> Na^+ + e^-}\)
Reduktion: \(\ce{Cl + e^- -> Cl^-}\)
Nun müssen wir noch bedenken, dass Chlor-Atome nicht einzeln vorliegen, sondern in Element-Molekülen. Die Reduktionsgleichung lautet daher: \(\ce{Cl_2 + 2e^- -> 2Cl^-}\)
Insgesamt finden beide Teilreaktionen gleichzeitig statt, weil ein Atom nur dann ein Elektron aufnehmen kann, wenn es durch ein anderes Atom durch Elektronenabgabe zur Verfügung gestellt wird. Es werden immer gleich viele Elektronen abgegeben, wie aufgenommen werden. Daher muss die Gleichung für die Oxidation mit zwei multipliziert werden. Wir erhalten insgesamt folgende Gleichung für die Redoxreaktion: \(\ce{2Na + Cl_2 -> 2 NaCl}\)
Oxidationsmittel und Reduktionsmittel
Du kannst Redoxreaktionen noch mit weiteren Begriffen beschreiben.
- Das Atom, das Elektronen abgibt, ist das Reduktionsmittel. Ein anderes Atom nimmt nämlich die abgegebenen Elektronen auf und wird dabei reduziert. Du kannst das Atom, das Elektronen abgibt, auch Donator nennen. Donare kommt aus dem Lateinischen und heißt geben.
- Das Atom, das Elektronen aufnimmt, ist das Oxidationsmittel. Ein anderes Atom muss die Elektronen nämlich vorher abgeben und wird dabei oxidiert. Du kannst das Atom, das Elektronen aufnimmt, auch Akzeptor nennen. Das kommt von akzeptieren, annehmen.
Redoxreaktionen sind nicht nur Reaktionen mit Sauerstoff
Wie du eben erfahren hast, gehen bei Redoxreaktionen Elektronen von einem zum anderen Atom über. Durch den Begriff der Oxidation denken aber viele erst einmal an Sauerstoff. Oxide sind nämlich Verbindungen mit Sauerstoff. Tatsächlich dachten die Wissenschaftler früher, dass Redoxreaktionen immer Reaktionen sind, an denen Sauerstoff beteiligt ist. Mehr hierzu kannst du in dem Artikel zur Geschichte der Redoxreaktionen lesen. Heute wissen wir, dass bei der Reaktion mit Sauerstoff ebenso Elektronenübergänge stattfinden wie bei anderen Redoxreaktionen.
Ein Beispiel: Bildung von Zinksulfid
Die ungeladenen Atome Zink und Schwefel reagieren miteinander und bilden Zinksulfid. Die Teilchen im Zinksulfid sind in einer Kristallstruktur angeordnet: zweifach positiv geladene Zink-Ionen sind von zweifach negativ geladenen Sulfid-Ionen umgeben.
Zink und Schwefel reagieren zu Zinksulfid.
\(\ce{Zn + S -> ZnS}\)
\(\ce{Zn^{\pm 0} + S^{\pm 0} -> Zn{^{2+}} + S{^{2-}}}\)
Betrachten wir den Vorgang mithilfe der beteiligten Elektronen, so stellen wir fest, dass das Zink-Atom zwei Elektronen abgibt und oxidiert wird. In dem Reaktionsprodukt Zinksulfid ist das Zink-Atom zweifach positiv geladen. Das Schwefel-Atom wird reduziert. Das erkennst du daran, dass ein zweifach negativ geladenes Sulfid-Ion entsteht. Diese Ladung entsteht, weil das Schwefel-Atom zwei negativ geladene Elektronen aufnimmt.
Reaktion von Zink und Sauerstoff
Auf gleiche Weise lässt sich die Bildung von Zinkoxid darstellen: Zink und Sauerstoff reagieren zu Zinkoxid.
\(\ce{2Zn^{\pm 0} + O2^{\pm 0} -> Zn{^{2+}} O{^{2-}}}\)
Nach der Vorstellung des Sauerstoffübergangs als Oxidation oder Reduktion ist es so, dass ein Stoff oxidiert wird, der sich mit Sauerstoff bindet. Ein Stoff wird reduziert, wenn ihm Sauerstoff entzogen wird. In der Reaktion von Zink und Sauerstoff verbinden sich beide Stoffe. Es findet nach der Vorstellung des Sauerstoffübergangs eine Oxidation statt. Der Sauerstoff wird aber keiner Verbindung entzogen. Deswegen würde hier theoretisch die Reduktion fehlen. Hieran erkennst du, dass die Definition der Redoxreaktionen mit Sauerstoff sich zwar an die tatsächlich ablaufenden Vorgänge annähert, aber noch nicht so genau ist wie die Vorstellung der Elektronenübergänge. Bei der Reaktion geben die Zink-Atome jeweils zwei Elektronen ab und werden oxidiert. Die Sauerstoff-Atome nehmen jeweils zwei Elektronen auf und werden dadurch reduziert. Insgesamt gehen bei der Reaktion vier Elektronen über.
Oxidation: \(\ce{2 Zn -> 2 Zn^{2+} + 4 e^-}\)
Reduktion: \(\ce{O2 + 4 e^- -> 2 O^{2-}}\)
Oxidation und Reduktion laufen stets immer zusammen und gleichzeitig ab, denn Elektronen können nie verloren gehen. Wenn ein Atom Elektronen abgibt, muss ein anderes Atom diese Elektronen aufnehmen.
Weitere Verbindungen, die auf Redoxreaktionen zurückzuführen sind
Bisher haben wir für diese Definition lediglich ionische Verbindungen betrachtet. Das Konzept der Redoxreaktionen lässt sich aber auch auf Molekülsubstanzen anwenden, bei denen keine Ionen vorliegen. Hierfür bedienen wir uns eines weiteren Konzeptes: den Oxidationszahlen. Mehr dazu erfährst du hier.