Oxidation | ||||||||||||||
Oxidationsbegriff
nach Lavoisier
An einer Balkenwaage
hängen zwei gleich schwere Stücke Eisen-Wolle. In einem Versuch wird Eisen-Wolle
am rechten Waagebalken entzündet und vollständig verbrannt. Auf welcher
Seite zeigt die Waage nach dem Verbrennen der Eisen-Wolle die größere
Masse an?
Das Ergebnis beweist, dass
beim Verbrennen die Masse der Eisen-Wolle 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 Eisen-Wolle
haben sich bei der Verbrennung mit den Sauerstoff-Atomen der Luft zu einem
neuen Atomverband zusammengeschlossen. Das Reaktionsprodukt Eisenoxid enthält hinzugekommene
Sauerstoff-Atome in chemisch gebundener Form. Aus diesem Grund wird die
Eisen-Wolle 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. Bei
der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff in den Brennkammern eines
Raketentriebwerks entsteht Wasserdampf, man könnte auch sagen
„Wasserstoffoxid“. Dabei 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. 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.
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 modernen Chemie Heute zählt 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+:
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:
Verbrennt
man im Hochofen-Modellversuch Holzkohle 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.
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 erhält +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 Redox-Reaktion. 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 zwei Elektronen aufnehmen, daher erhalten die chemisch gebundenen Sauerstoff-Atome im SO2-Molekül jeweils die Oxidationszahl −II. Themenverwandte Seiten Reduktion, das Gegenteil der Oxidation Experimente mit Sauerstoff Oxidationstheorie nach Antoine Lavoisier Buch individuell erstellen: Basis-Text Oxidation > Inhaltsverzeichnis |