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Oxidation
 
1. Oxidation im einfachen Sinne
 
Der Versuch soll den einfachen Begriff der Oxidation erörtern. An einer Balkenwaage hängen zwei gleich schwere Stücke Eisenwolle. Die Eisenwolle am rechten Waagebalken wird entzündet und vollständig verbrannt. Auf welcher Seite zeigt die Waage nach dem Verbrennen der Stahlwolle die größere Masse an?
 
 
 
Das Ergebnis zeigt, dass die verbrannte Stahlwolle am rechten Waagebalken die höhere Masse besitzt! Die Atome der Eisenwolle haben sich bei der Verbrennung mit den Sauerstoffatomen der Luft zu einem neuen Atomverband zusammengeschlossen. Das Reaktionsprodukt (Eisenoxid) enthält hinzugekommene Sauerstoff-Atome in chemisch gebundener Form. Aus diesem Grunde wird die Eisenwolle beim Verbrennen schwerer.
  
Die Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff nennt man Oxidation, dabei entstehen Oxide. Allgemein lässt sich die Gleichung folgendermaßen formulieren:
 
Metall   +   Sauerstoff   ----->   Metalloxid
 
Die Oxide sind in der Natur die am häufigsten vorkommenden Verbindungen. Es sind Verbindungen des Sauerstoffs mit anderen Elementen (mit Ausnahme des elektronegativeren Fluors). Im Mineralienreich sind weit mehr als 1000 verschiedene Mineralien bekannt, z.B. Anatas, Hämatit, Cuprit, Korund, Magnetit oder Quarz. Viele Salze im Chemielabor sind ebenfalls Oxide:
 
 
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1. Beispiel: Die Verbrennung in einem Raketentriebwerk ist eine Oxidation
 
Das Space Shuttle führt in Vorratstanks einen Brennstoff (Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (Sauerstoff) mit sich. Bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in den Brennkammern des Triebwerks entstehen große Energiebeträge, die als Schubenergie verwertet werden können.
 
 
 
Der Tank wird in der Erdumlaufbahn abgeworfen. Als Starthilfe benötigt die Columbia noch zwei seitlich angebrachte Feststoffraketen. Die Reaktionsgleichung für diese stark exotherme Verbrennung lautet:
 
Wasserstoff  +  Sauerstoff  ----->  Wasserstoffoxid ( = Wasser)
      2 H2       +        O2       ----->    2 H2O   DHR = -572 kJ/mol
 
 
2. Beispiel: Energiegewinnung im menschlichen Körper

Über die Nahrungsmittel nehmen wir Kohlenhydrate auf. Diese werden bei der Verdauung in Traubenzucker umgewandelt, der über Blutbahnen zur Muskulatur und zum Gehirn transportiert wird. Dort dient der Traubenzucker als Brennstoff und wird mit Hilfe des Blutsauerstoffs (aus der Lunge) zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Dabei wird Energie in Form von Wärme und Muskelarbeit frei. Traubenzucker enthält viele chemisch gebundene Kohlenstoffatome. Diese oxidieren zu Kohlenstoffdioxid, welches wir wieder über die Lunge ausatmen.
 
 
3. Beispiel: Auch das Rosten ist eine Oxidation
 
Der Versuch verdeutlicht, dass auch beim Rosten Sauerstoff verbraucht wird: Zwei Reagenzgläser werden mit Eisenwolle gefüllt. In einem Reagenzglas wird die Eisenwolle zusätzlich mit Wasser befeuchtet. Die beiden Reagenzgläser werden mit langen Röhren in mit Tinte gefärbtes Wasser gestellt und für einige Tage stehen gelassen.
 

 
 
Nach einiger Zeit rostet die mit Wasser befeuchtete Eisenwolle. Dabei wird in einer komplizierten chemischen Reaktion Sauerstoff verbraucht. Auch das Rosten ist eine Oxidation, wobei Wärme frei wird. Trotzdem ist es keine Verbrennung im eigentlichen Sinne. Die folgende Reaktionsgleichung gibt den komplizierten Rostvorgang stark vereinfacht wieder:
 
Eisen  +  Wasser  +  Sauerstoff  ----->  Eisenhydroxid   (+ Energie)
 
Das Eisenhydroxid reagiert dann mit dem Luftsauerstoff zu Eisen(III)-oxid (Fe2O3) weiter. Daneben entstehen auch andere Eisenoxide, z.B. Eisen(II,III)-oxid (Fe3O4) oder Eisen(II)-oxid (FeO).
 
 
2. Oxidation im erweiterten Sinne
 
Im erweiterten Sinne sind alle chemischen Reaktionen, bei denen Elektronen abgegeben werden, Oxidationen. Insofern kann auch die Reaktion zwischen Natrium und Chlor als Oxidation bezeichnet werden, obwohl dabei keine Sauerstoff-Atome beteiligt sind. Bei dieser Salzbildung gibt ein Natrium-Atom ein Elektron an ein Chlor-Atom ab und wird dabei zu einem positiv geladenen Natrium-Ion (Na+):
 
 
Stoffe mit hoher Elektronegativität (Sauerstoff, Chlor, etc.) sind "hungrig" auf Elektronen, die sie anderen Stoffen wegnehmen. Jeweils ein Chlor-Atom holt sich ein Elektron aus der Außenschale des Natrium-Atoms und besitzt nach der Reaktion statt sieben Elektronen acht in seiner Außenschale. Es hat einen Elektronenüberschuss und wird einfach negativ geladen (Cl-): Seine Ionenladungszahl beträgt -1.
 
Oxidationszahlen werden mit römischen Ziffern angegeben und über die Atome geschrieben (im Gegensatz zu der Ionenladungszahl mit arabischen Ziffern).
 
 
Im elementaren Chlor besitzen die Chlor-Atome die Oxidationszahl = 0
(Dies gilt übrigens für alle chemischen Elemente).
 
 
Nach der Aufnahme eines Elektrons erniedrigt sich die Oxidationszahl um eins und das entstehende Chlor-Ion erhält die Oxidationszahl -I.
 
 
Die Summe aller Oxidationszahlen in einem Stoff ergibt immer null.
In einer Ionenbindung sind die Ionenladungszahlen und die Oxidationszahlen identisch.
 
 
Bei Elektronenpaarbindungen ist die Oxidationszahl eine imaginäre Zahl. Früher wurde dafür auch der Begriff Wertigkeit verwendet. Hierbei geht man von den feststehenden Oxidationszahlen (bzw. Wertigkeiten) bekannter Elemente aus und leitet die Oxidationszahlen der anderen Atome ab.
 
 
Atome
Oxidationszahl, Wertigkeit
Wasserstoff (außer Metallhydride)
+ I
Sauerstoff
- II
Alkalimetalle
+ I
Halogene (gegenüber weniger
elektronegativen Elementen)
- I
 
 
Beispiel 1:
Im Wasser (H2O) besitzen die beiden Wasserstoff-Atome die Oxidationszahl +I, das Sauerstoff-Atom -II. Die Summe der Oxidationszahlen ergibt null:
 
 
Oxidationszahlen im Wassermolekül
 
 
Beispiel 2:
Im Kohlenstoffdioxid (CO2) erhalten die zwei Sauerstoff-Atome jeweils die Oxidationszahl -II. Damit die Summe aller drei Atome null ist, muss das Kohlenstoff-Atom im Kohlenstoffdioxid die Oxidationszahl +IV erhalten. Das Kohlenstoff-Atom im Kohlenstoffdioxid ist vierwertig.
 
 
Oxidationszahlen beim Kohlenstoffdioxid
 
 
Beispiel 3:
Im Kohlenstoffmonooxid (CO) erhält das Sauerstoff-Atom die Oxidationszahl -II, das Kohlenstoff-Atom erhält +II. Das Kohlenstoff-Atom im Kohlenstoffmonooxid ist nur zweiwertig. Auch hier beträgt die Summe aller Oxidationszahlen null.
 
 
Oxidationszahlen beim Kohlenstoffmonoxid
 
 
Weitere Informationen:
 
Experimente mit Sauerstoff
Oxidationstheorie von Antoine Lavoisier
Ionen und Ionenbindung
Reduktion, das Gegenteil der Oxidation
Sauerstoff
 
 
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