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Oxidation
Oxidationsbegriff nach Lavoisier  
  
An einer Balkenwaage hängen zwei gleich schwere Stücke Eisenwolle. In einem Versuch wird Eisenwolle am rechten Waagebalken entzündet und vollständig verbrannt. Auf welcher Seite zeigt die Waage nach dem Verbrennen der Stahlwolle die größere Masse an?

    
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Das Ergebnis beweist, dass beim Verbrennen die Masse der Stahlwolle zunimmt. Der französische Chemiker Antoine de Lavoisier (1743-1794) erkannte die Rolle des Sauerstoffs bei Verbrennungen. Er bewies mit einer Reihe von Versuchen, dass bei einer Verbrennung eine Substanz mit Sauerstoff eine Verbindung eingeht. Lavoisiers Oxidationstheorie widerlegte die Phlogistontheorie Georg Ernst Stahls (1660-1734). Der einfache Oxidationsbegriff nach Lavoisier könnte so formuliert werden: Eine Oxidation ist die Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff, dabei entstehen Oxide nach dem allgemeinen Schema:  
   
Metall   +   Sauerstoff    Metalloxid   
   
Die Atome der Eisenwolle haben sich bei der Verbrennung mit den Sauerstoff-Atomen der Luft zu einem neuen Atomverband zusammengeschlossen. Das Reaktionsprodukt - in dem obigen Fall Eisenoxid - enthält hinzugekommene Sauerstoff-Atome in chemisch gebundener Form. Aus diesem Grund wird die Eisenwolle beim Verbrennen schwerer.  

Die Oxide sind in der Natur die am häufigsten vorkommenden Verbindungen. Es sind Verbindungen des Sauerstoffs mit anderen Elementen. Das elektronegativere Fluor bildet eine Ausnahme. Im Mineralienreich sind weit mehr als 1000 verschiedene Mineralien bekannt, beispielsweise Anatas, Hämatit, Cuprit, Korund, Magnetit oder Quarz. Viele Salze im Chemielabor sind ebenfalls Oxide:  
   


Durch Klicken auf die Flaschen können die Datenblätter abgerufen werden.    

   

1. Beispiel: Die Verbrennung in einem Raketentriebwerk ist eine Oxidation

Das Space Shuttle war bis zu seiner Ausmusterung im Jahr 2011 ein wiederverwendbares Raumschiff der NASA. Es führte in Vorratstanks als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel Sauerstoff mit sich. Der Tank wurde in der Erdumlaufbahn abgeworfen. Als Starthilfe benötigte das Space Shuttle noch zwei seitlich angebrachte Feststoffraketen. 

     

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Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff in den Brennkammern eines Raketentriebwerks entsteht Wasserdampf - man könnte auch sagen "Wasserstoffoxid" - und es wird Energie frei. Diese Energie dient zur Fortbewegung des Raumfahrzeugs. Die Verbrennung von Wasserstoff ist eine exotherm verlaufende Reaktion:  
   
Wasserstoff  +  Sauerstoff   Wasser   
2 H2  +  O2   2 H2O     ΔHR = -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. Er oxidiert mit Hilfe des
Blutsauerstoffs, der in der Lunge gewonnen wird, zu Kohlenstoffdioxid. Dabei wird Energie in Form von Wärme und Muskelarbeit frei. Traubenzucker enthält viele chemisch gebundene Kohlenstoff-Atome. Diese oxidieren zu Kohlenstoffdioxid, das wir wieder über die Lunge ausatmen.  

   
Blutkreislauf
   

3. Beispiel:  Der Rostvorgang ist eine Oxidation   
   
Stellt man einen Eisennagel in ein offenes Gefäß mit kaltem, sauerstoffhaltigem Wasser, dann rostet der Nagel schneller als wenn er in ein geschlossenes Gefäß mit abgekochtem Wasser gelegt wird.  
  

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Der Rostvorgang verbraucht Sauerstoff. Auch das Rosten ist eine Oxidation, wobei Wärme frei wird. Das Reaktionsschema 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, zum Beispiel Eisen(II,III)-oxid  Fe3O4  oder Eisen(II)-oxid  FeO.  
   
   
Oxidationsbegriff in der Chemie   
   
In der Chemie gehört beispielsweise die Reaktion von Natrium und Chlor ebenfalls zu den Oxidationen, 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+:  
   

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Atome mit hoher Elektronegativität wie Sauerstoff- oder Chlor-Atome ziehen gerne Bindungselektronen an sich heran. Bei der Reaktion von Chlor mit Natrium zieht ein Chlor-Atom ein Elektron aus der Außenschale des Natrium-Atoms zu sich und besitzt nach der Reaktion statt sieben Elektronen acht in seiner Außenschale. Das entstehende Chlorid-Ion hat einen Elektronenüberschuss und wird zu einem einfach negativ geladen Chlorid-Ion  Cl- : Die Ionenladungszahl des Chlorid-Ions beträgt -1, die des Natrium-Ions +1.  
   
Zum genaueren Verständnis der Reaktionsprozesse verwendet man Oxidationszahlen, sie geben die tatsächlichen oder imaginären Ladungen von Atomen an. Oxidationszahlen werden mit römischen Ziffern über die Atome geschrieben. Ionenladungszahlen schreibt man dagegen mit arabischen Ziffern. Zur Ermittlung der Oxidationszahlen gelten Regeln:  
  • Ein einzelnes, ungeladenes Atom oder ein Atom eines Elements hat immer die Oxidationszahl Null.
  • Bei einatomigen Ionen ist die Oxidationszahl identisch mit der Ionenladungszahl.
  • Elektronenpaarbindung: Die Summe aller Oxidationszahlen aller Atome innerhalb eines Moleküls ist Null.
  • Ionenbindung: Die Summe der Oxidationszahlen aller Atome innerhalb eines Ions entspricht der Ladung des Ions.
Bei Elektronenpaarbindungen ist die Oxidationszahl eine imaginäre Zahl. Hierbei geht man von den feststehenden Oxidationszahlen bekannter Elemente aus und leitet die Oxidationszahlen der anderen Atome ab.  

  
Atome in Bindungen Oxidationszahl
Wasserstoff (Ausnahme: Metallhydride) +I
Sauerstoff (Ausnahme: Peroxid-Ionen, Hyperoxid-Ionen und OF2) -II
Fluor -I
   
   
Verbrennt man im Hochofen-ModellversuchHolzkohle in einer mit Ton ausgekleideten Büchse und gibt man von unten Druckluft hinzu, entsteht das Gas Kohlenstoffmonooxid. Dieses verbrennt oberhalb der Büchse mit einer bläulich-rosaroten Flamme zu Kohlenstoffdioxid. Beide Gase sind Verbrennungsprodukte des Kohlenstoffs.

    
Verbrennungsprodukte der Kohle
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Im Kohlenstoffdioxid-Molekül 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 haben. Im Kohlenstoffmonooxid-Molekül erhält das Sauerstoff-Atom die Oxidationszahl -II, das Kohlenstoff-Atom +II. Auch hier beträgt die Summe aller Oxidationszahlen null.  
   
Nach dem Oxidationsbegriff der heutigen Chemie versteht man unter einer Oxidation einen Prozess, bei dem Atome Elektronen abgeben. Da diese Elektronen aber immer von einem Reaktionspartner aufgenommen werden, findet gleichzeitig auch eine Reduktion statt. Bei einer Oxidation wird die Oxidationszahl erhöht, bei einer Reduktion wird sie erniedrigt. Aus diesem Grunde kann eine Oxidation nie alleine auftreten, man hat es immer mit einer Reduktions-Oxidations-Reaktion zu tun. Die Kurzbezeichnung für eine solche Reaktion lautet Redoxreaktion.  
  
Bei der Reaktion von Schwefel mit Sauerstoff entsteht Schwefeldioxid. Dabei gibt ein Schwefel-Atom vier Elektronen ab, die Oxidationszahl erhöht sich auf +IV. Jedes Sauerstoff-Atom kann 2 Elektronen aufnehmen, daher erhalten die chemisch gebundenen Sauerstoff-Atome im SO2-Molekül die Oxidationszahl -II.  
    

Schwefel reagiert mit Sauerstoff
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