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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.
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.
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.
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
