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 Reduktion und Redox-Reaktion
 
1. Reduktion im einfachen Sinne:
 
Die folgende Problemstellung soll das Prinzip der Reduktion erläutern: Ein Hund hat sich in einen Schuh verbissen. Was ist zu machen, damit er den Schuh hergibt? Lösung: Man gibt ihm einen Knochen und er lässt den Schuh fallen.

Will man aus Eisenerz (Eisenoxid) reines Eisen gewinnen, benötigt man einen Stoff, der dem Eisenoxid die chemisch gebundenen Sauerstoffatome wegnimmt. Hierfür eignet sich jeder Stoff, der sich lieber mit Sauerstoff verbindet, als das Eisen das tut. Dies sind alle Metalle, die in der Spannungsreihe über dem Eisen stehen. Als "Knochen" würde sich daher z. B. feines Aluminiumpulver eignen. Im Thermitversuch wird das gemahlene Eisenerz mit Aluminiumgrieß vermischt, in einen Tontopf gegeben und mit einer starken Wunderkerze gezündet. Unter großer Wärmeentwicklung verbrennt das Gemisch. Aus dem Loch des Tontopfes ergießt sich ein Strahl von glühendem, flüssigem Roheisen, welches sich im Sand der Schale sammelt und erst nach längerer Zeit abgekühlt und erstarrt.
 

 
Das Aluminium hat dem Eisenoxid die Sauerstoff-Atome weggenommen und wurde dabei selbst zu Aluminiumoxid oxidiert. Die Reaktion eines Stoffes mit einem anderen unter Sauerstoffabgabe nennt man Reduktion. Findet wie im geschilderten Beispiel gleichzeitig eine Reduktion (Eisenoxid) und eine Oxidation (Aluminium) statt, handelt es sich um eine Redox-Reaktion:
 
 
 
Stoffe, die in der Lage sind, Sauerstoff freizugeben nennt man Oxidationsmittel. Die Reduktionsmittel nehmen gerne Sauerstoff auf. Das Eisenoxid wirkt als Oxidationsmittel, es gibt Sauerstoff-Atome ab, und das Aluminium nimmt diese gleichzeitig als Reduktionsmittel dem Sauerstoff weg.
 
 
Beispiel für eine Redoxreaktion: Der Hochofenprozess
 
Der Hochofen besteht aus einem bis zu 100 Meter hohen und mit feuerfesten Steinen ausgekleideten Behälter. Er wird oben immer abwechselnd mit einem Gemisch aus Erz und Kalk (= Möller) und mit Koks beschickt. Der Koks reagiert mit der über Ringleitungen zugeführten Heißluft zu Kohlenstoffmonoxid. Dieses reduziert in einer Redoxreaktion das Eisenerz zu Roheisen. Dabei wird es selbst zu Kohlenstoffdioxid weiter oxidiert.
      
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Hochofen in Dillingen/Saarland
Gicht des Hochofens
 
Bilder mit freundlicher Genehmigung der Dillinger Hüttenwerke
 
 
Beide Kohlenstoffoxide treten in der Gicht, dem oberen Teil des Hochofens, aus und gelangen zu den Winderhitzern. Dort wird das brennbare Kohlenstoffmonoxid entzündet und zum Aufheizen der Luft verwendet, die wieder über die Ringleitungen in den Hochofen hineingeführt wird:
 
 
 
 
Das entstehende Kohlenstoffdioxid wird (bei Temperaturen über 1000°C) in der nächst höheren Schicht wieder zu Kohlenstoffmonoxid reduziert (Boudouard-Gleichgewicht):
 
CO2  +  C   2 CO  DHR = +171 kJ/mol
 
Das neu entstehende Kohlenstoffmonoxid reduziert dann wieder erneut Eisenoxid zu Eisen, usw.. Die restliche Gangart des Gesteins verbindet sich mit mit dem zugegebenen Kalk zur Schlacke. Sie besitzt eine geringe Dichte und schwimmt über dem flüssigen Roheisen.
  
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Hochofenabstich in Torpedo-Waggon
Das Roheisen wird zum Stahlwerk transportiert
 
Bilder mit freundlicher Genehmigung der Dillinger Hüttenwerke
 
 
Veredelung des Roheisens nach dem Sauerstoffblasverfahren
 
Roheisen aus dem Hochofen ist verunreinigt und besitzt einen viel zu hohen Kohlenstoffgehalt (ca. 5%). Außerdem ist es spröde und nicht schmiedbar. Das flüssige Roheisen gelangt in großen Torpedos (Güterzugwaggons) zum Stahlwerk, wo es veredelt wird.
 
 
 

Ein riesiger Behälter, der sogenannte Konverter, wird zu etwa 70% mit flüssigem Roheisen und zu 30% mit Stahlschrott befüllt. Dann bläst man reinen Sauerstoff auf die Schmelze. Dabei wird der Kohlenstoffgehalt auf ca. 1,5% gesenkt, wobei der Sauerstoff mit den Verunreinigungen in einer Oxidation nach folgenden Reaktionsgleichungen reagiert:
 
 

Schwefel   +   Sauerstoff    ----->   Schwefeldioxid
    Phosphor   +   Sauerstoff    ----->   Phosphorpentoxid
Kohlenstoff   +   Sauerstoff   ----->   Kohlenstoffdioxid
Silicium   +   Sauerstoff   ----->   Siliciumdioxid
 
Nach dem Blasvorgang wird die weißglühende Schmelze in Formen gegossen. In einem Ofen lässt man den Stahl bis zur Rotglut abkühlen. Der rotglühende Stahl wird in einem Walzwerk in mehreren Arbeitsgängen zu Schienen, Blechen oder Stahlträgern gewalzt.
  
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Sauerstoffblasverfahren im Konverter
Walzstraße bei der Stahlverarbeitung
 
Bilder mit freundlicher Genehmigung der Dillinger Hüttenwerke
 
 
2. Reduktion im erweiterten Sinne
 
Im erweiterten Sinne sind alle chemischen Reaktionen, bei denen Elektronen aufgenommen werden, Reduktionen. Insofern kann auch die Reaktion zwischen Natrium und Chlor zu Kochsalz als Oxidation und Reduktion bezeichnet werden (Redoxreaktion), obwohl dabei keine Sauerstoffatome beteiligt sind. Jeweils ein Chlor-Atom holt sich ein Elektron von einem Natrium-Atom und nimmt dieses in seine Außenschale auf:
 
 
 
 
Die Redoxreaktion kann in Teilschritten dargestellt werden. Bei einer Reduktion erniedrigen sich im Gegensatz zur Oxidation die Oxidationszahlen (die bei Ionenbindungen den Ionenladungszahlen entsprechen). Es handelt sich um das Gegenteil einer Oxidation. 
 
 
       Oxidation (Elektronenabgabe):                Natrium        ----->     Na+   +   e-
 Reduktion (Elektronenaufnahme):       Chlor   +   e-     ----->           Cl-
 
         Gesamtreaktion:                                Natrium + Chlor   ----->    Na+   +   Cl-
 
 
(Oxidationszahl von elementarem Chlor = 0 )
(Ionenladungszahl beim Cl- - Ion = - I )
 
 
Oxidationsmittel nehmen im erweiterten Sinne der Definition Elektronen auf (hier das Chlor-Atom). Sie bewirken eine Oxidation der Stoffe, die die Elektronen abgeben und werden gleichzeitig reduziert. Bei den Reduktionsmitteln verhält es sich umgekehrt, sie geben Elektronen ab.
 
 
Weitere Informationen:
 
Experimente - Reduktionen, Redoxreaktionen
Ionen, Ionenbindung
Oxidation
Wasserstoff
 
 
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