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Hast Du Dich auch schon mal gefragt, wie Batterien oder Handy-Akkus funktionieren? Oder wieso man Handy-Akkus wieder aufladen kann, während Batterien nur einmal verwendet werden können? Grund dafür sind Redoxreaktionen.Eine Redoxreaktion ist eine Elektronenübertragungsreaktion. Der Name kommt hierbei von den beiden Teilreaktionen, in die man die Red-ox-reaktion einteilen kann: Oxidation und Reduktion. Beide Teilreaktionen laufen gleichzeitig ab.Redoxreaktion – OxidationEine Oxidation ist…
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Jetzt kostenlos anmeldenHast Du Dich auch schon mal gefragt, wie Batterien oder Handy-Akkus funktionieren? Oder wieso man Handy-Akkus wieder aufladen kann, während Batterien nur einmal verwendet werden können? Grund dafür sind Redoxreaktionen.
Eine Redoxreaktion ist eine Elektronenübertragungsreaktion. Der Name kommt hierbei von den beiden Teilreaktionen, in die man die Red-ox-reaktion einteilen kann: Oxidation und Reduktion. Beide Teilreaktionen laufen gleichzeitig ab.
Eine Oxidation ist als Reaktion definiert, bei der Elektronen von einem Stoff abgegeben werden. Man sagt, dass der Stoff, der gleichzeitig als Reduktionsmittel wirkt, oxidiert wird. Durch die Oxidation erhöht sich die Oxidationszahl.
Allgemein gilt: Ein Stoff A gibt bei der Oxidation Elektronen ab.
Ursprünglich wurde der Begriff "Oxidation" von Antoine Laurent de Lavoisier beeinflusst. Er benutzte den Begriff für die Oxidbildung, also die Verbindung eines Elements oder eines Moleküls mit elementarem Sauerstoff. Später wurde neben der Oxidbildung auch die Dehydrierung als Oxidation bezeichnet. Als Dehydrierung wird der Enzug von Wasserstoffatomen eines Moleküls bezeichnet. Mittlerweile wurde der Begriff durch weitere chemische Erkenntnisse (wie beispielsweise das Bohrsche Atommodell und die Ionentheorie) verallgemeinert.
Eine Reduktion ist als Reaktion definiert, bei der Elektronen von einem Stoff aufgenommen werden. Man sagt, dass der Stoff, der auch Oxidationsmittel genannt wird, reduziert wird. Durch die Reduktion verringert sich die Oxidationszahl.
Allgemein gilt: Ein Stoff B nimmt bei der Reduktion Elektronen auf.
Die Reduktion galt früher als Umkehrung der Oxidation, also zu dieser Zeit eine Umkehrung der Oxidbildung. Reduktion kommt vom lateinischen Wort reductio und bedeutet so viel wie "Zurückführung".
Bei einer Redoxreaktion wird das Oxidationsmittel reduziert, während es einen anderen Stoff oxidiert. Oxidationsmittel nehmen bei der Reduktion Elektronen auf, weswegen sie auch Elektronenakzeptoren genannt werden.
Als starke Oxidationsmittel werden die Elemente der Hauptgruppe der Chalkogene (6. Hauptgruppe) und der Halogene (7. Hauptgruppe) bezeichnet. Dazu gehören zum Beispiel das Chalkogen Sauerstoff (O) und die Halogene Fluor (F) und Chlor (Cl).
Das Reduktionsmittel wird bei der Redoxreaktion oxidiert, während es das Oxidationsmittel reduziert. Reduktionsmittel geben bei der Oxidation Elektronen ab, weswegen sie auch Elektronendonatoren genannt werden.
Dazu gehören vor allem Alkalimetalle und Erdalkalimetalle, also chemische Elemente der 1. und 2. Hauptgruppe. Neben Natrium (1. Hauptgruppe) oder Magnesium (2. Hauptgruppe) zählen aber auch andere unedle Metalle wie Aluminium und Zink zu den guten Reduktionsmitteln.
Zusammengefasst ergeben die Oxidation und die Reduktion folgende Gesamtgleichung:
Da auf beiden Seiten ein Elektron steht, kann man dies aus der Gleichung kürzen und erhält somit:
Das Donator-Akzeptor-Prinzip beschreibt allgemein die Übertragung von Teilchen während einer chemischen Reaktion. Dabei werden Teilchen von einem Reaktionspartner auf einen anderen übertragen.
Der Reaktionspartner, der Teilchen abgibt, wird Donator genannt, während der Reaktionspartner, der Teilchen aufnimmt, Akzeptor genannt wird. Ein Beispiel für Reaktionen, die nach dem Donator-Akzeptor-Prinzip funktionieren, sind Säure-Base-Reaktionen. Dabei werden Protonen zwischen dem Protonendonator und dem Protonenakzeptor übertragen.
Auch Redoxreaktionen laufen nach dem Donator-Akzeptor-Prinzip ab. Das Oxidationsmittel nimmt Elektronen auf, während das Reduktionsmittel die Elektronen abgibt.
Anhand der Oxidationszahlen kannst Du eine Redoxgleichung in ihre Teilgleichungen (Reduktion und Oxidation) einteilen.
Die Oxidationszahlen geben die (Teil-)Ladung eines Atoms in einem Molekül/Ion an. Dabei vergleicht man die Elektronegativitäten der einzelnen Atome. Bei der Oxidation erhöht sich die Oxidationszahl, durch die Abgabe von Elektronen, während die Oxidationszahl bei der Reduktion, durch die Aufnahme von Elektronen, sinkt.
Oxidationszahlen werden in Reaktionsgleichungen als römische Ziffern über das Elementsymbol geschrieben.
Zur Bestimmung der Oxidationszahlen eines Moleküls gibt es einige Regeln:
Wenn Du mehr zu den Oxidationszahlen erfahren möchtest, kannst Dir den Artikel zu diesem Thema durchlesen.
Um eine Reaktionsgleichung einer Redoxreaktion aufzustellen, kannst Du immer nach demselben Prinzip vorgehen. Dazu sind folgende Schritte notwendig:
Wichtig zu wissen ist, dass nicht alle Schritte zwingend notwendig sind. Bei einigen Redoxreaktionen können Schritte übersprungen werden. Unter anderem braucht man die Ladung nicht ausgleichen, falls die Gesamtladung der Reaktion schon neutral ist. Daher ist Schritt 5 ebenfalls nicht nötig. Schritt 6 ist dann nicht notwendig, wenn beide Teilreaktionen schon dieselbe Anzahl an Elektronen besitzen. Die anderen Schritte sind zwingend notwendig.
Diese Reaktionsgleichung beschreibt eine Redoxreaktion, die während dem Zünden eines Feuerwerks stattfindet: Kaliumchlorat (KClO3) reagiert mit Schwefel (S) zu Kaliumchlorid (KCl) und Schwefeldioxid (SO2).
Man geht wie oben erklärt vor und startet mit der Bestimmung der Oxidationszahlen.
Du beginnst zunächst mit der Bestimmung der einfachsten Oxidationszahlen:
Während sich die Oxidationszahlen von Sauerstoff und Kalium nicht ändern, erhöht sich die Oxidationszahl von Schwefel. Auf der linken Seite der Reaktionsgleichung besitzt er eine Oxidationszahl von 0 und auf der rechten Seite eine Oxidationszahl von +IV. Das heißt, Schwefel wird oxidiert. Chlor hingegen besitzt auf der linken Seite der Reaktionsgleichung eine Oxidationszahl von +V, während es auf der rechten Seite nur noch eine Oxidationszahl von -I hat. Chlor wird also reduziert.
Jetzt fügt man die Differenz der Oxidationszahlen als aufgenommene oder abgegebene Elektronen den Teilgleichungen hinzu:
Zum Ladungsausgleich verwendet man hier Oxoniumionen (H3O+). Da bei der Oxidation vier negativ geladenen Elektronen stehen, fügen wir dort noch vier positiv geladene Oxoniumionen zum Ladungsausgleich hinzu. Bei der Reduktion stehen auf der linken Seite der Reaktionsgleichung sechs Elektronen, sodass wir dort noch sechs Oxoniumionen hinzufügen.
Beim Stoffausgleich geht es darum, die Teilgleichungen durch Wassermoleküle zu ergänzen, sodass die Anzahl an Wasser- und Sauerstoffatome wieder ausgeglichen ist.
Bei der Oxidation sind auf der rechten Seite zwölf Wasserstoffatome und sechs Sauerstoffatome. Auf der linken Seite befinden sich keine Wasserstoffatome und auch keine Sauerstoffatome. Man ergänzt diese Seite also noch mit sechs Wassermolekülen (H20), sodass man auf dieser Seite wieder insgesamt achtzehn Wasserstoffatome und neun Sauerstoffatome erhält.
Bei der Reduktion kannst du nach demselben Prinzip vorgehen. Die rechte Seite wird mit neun Wassermolekülen (H2O) ergänzt, sodass man auf beiden Seiten der Reaktionsgleichung achtzehn Wasserstoffatome und neuen Sauerstoffatome erhält.
Nun muss man beide Teilgleichungen so ergänzen, dass beide dieselbe Anzahl an Elektronen besitzen.
Jetzt kannst du die beiden Teilgleichungen zusammenfügen.
Anschließend kürzt du die Moleküle aus der Gleichung, die auf beiden Seiten in derselben Anzahl vorkommen.
Zusammenfassend wird Kaliumchlorat (KClO3) zu Kaliumchlorid (KCl) reduziert, während Schwefel (S) zu Schwefeloxid (SO2) oxidiert wird. Das heißt, während Kaliumchlorat Elektronen aufnimmt, gibt Schwefel Elektronen ab.
Als Elektrolyse bezeichnet man in der Chemie den Prozess, bei dem eine Redoxreaktion durch elektrischen Strom erzwungen wird. Elektrolysen werden zum Beispiel dazu verwendet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Außerdem werden Elektrolysen eingesetzt, um Metalle wie zum Beispiel Aluminium zu gewinnen.
Im Prinzip ist die Elektrolyse die Umkehrung der Vorgänge einer Batterie. Anstatt chemische Energie in elektrische zu verwandeln, passiert bei der Elektrolyse genau das Gegenteil: Elektrischer Strom wird in chemische Energie umgewandelt.
Bei der Elektrolyse wird eine Spannung an die beiden Elektroden der Elektrolysezelle angelegt. Die Elektroden, Anode (= Pluspol) und Kathode (=Minuspol), sind in eine Ionenlösung, auch Elektrolytlösung genannt, getaucht. Durch die angelegte Spannung fließen Elektronen zur Kathode, die mit dem Pluspol verbunden ist. Es bildet sich ein Elektronenüberschuss, daher fungiert die Kathode bei der Elektrolyse als Minuspol.
An der Anode wiederum, der Elektrode, die mit dem Minuspol verbunden ist, entsteht ein Elektronenmangel. Aufgrund des Elektronenüberschusses an der Kathode werden positive Ionen, sogenannte Kationen, angezogen. Sie nehmen die überschüssigen Elektronen an der Kathode auf. Sie werden also reduziert. Die negativ geladenen Anionen werden von der Anode angezogen und geben dort ihre Elektronen ab. Sie werden oxidiert. Dabei entspricht die Anzahl der aufgenommenen Elektronen der Kationen genau der Anzahl der Elektronen, die von den Anionen am Pluspol abgegeben werden.
Die Spannung, die man mindestens anlegen muss, damit die Elektrolyse abläuft, nennt man Zersetzungsspannung (UZ). Die Zersetzungsspannung ist die Differenz der Elektrodenpotentiale der Anode und der Kathode.
Aus der elektrochemischen Spannungsreihe kann man auf das Redoxverhalten eines Stoffes schließen. Sie ist eine Auflistung von Redox-Paaren nach ihrem Standardelektrodenpotential. Bei Metallen nennt man die elektrochemische Spannungsreihe auch Redoxreihe. Das Standardelektrodenpotential beschreibt die Bereitwilligkeit eines Elements Elektronen aufzunehmen.
Elektroden, die gerne Elektronen abgeben, also ein negatives Standardelektrodenpotential besitzen, werden als unedel bezeichnet. Das heißt, unedle Stoffe werden oxidiert. Sie sind also starke Reduktionsmittel. Unedle Elektroden sind zum Beispiel Eisen mit einem Standardelektrodenpotential von -0,41 Volt, oder Zink mit -0,76 Volt. Dahingegen nennt man Elektroden mit positivem Standardelektrodenpotential edel. Edle Elektroden, wie Kupfer (+0,34 Volt) und Silber (+0,8 Volt), nehmen Elektronen gerne auf, werden also reduziert. Edle Stoffe sind starke Oxidationsmittel.
Bei einer Galvanischen Zelle sind Oxidation und Reduktion räumlich voneinander getrennt. Sie finden in sogenannten Halbzellen statt. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Im Alltag bezeichnen wir die Galvanische Zelle meist als Batterie. Der wesentliche Unterschied zur Elektrolyse: Der Vorgang der Umwandlung passiert bei der Galvanischen Zelle im Gegensatz zur Elektrolyse 'freiwillig'.
Falls Du mehr über den Aufbau einer Galvanischen Zelle erfahren möchtest, lies gerne die Erklärung zum Thema.
Bei der Galvanischen Zelle gehen viele Kationen des unedleren Stoffs der beiden Elektroden in Lösung. Dadurch besitzt diese Elektrode einen großen Elektronenüberschuss. Von der edleren Elektrode lösen sich nur wenige Kationen ab, sie ist also nicht so negativ geladen. Somit entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden.
Da beide Elektroden leitend miteinander verbunden sind, werden die negativ geladenen Elektronen von der positiveren Elektrode angezogen. Die Kationen dieser Elektrode nehmen diese Elektronen auf und lagern sich an der Elektrode ab. Das heißt, die Kationen des edleren Stoffs werden reduziert, während der Stoff der unedleren Elektrode oxidiert wird.
Eine Redoxreaktion ist eine Elektronenübertragungsreaktion. Der Name kommt hierbei von den beiden Teilreaktionen, in die man die Red-ox-reaktion einteilen kann: Oxidation und Reduktion. Beide Teilreaktionen laufen gleichzeitig ab.
Es liegt eine Redoxreaktion vor, wenn bei der Reaktion Elektronen von einem Reaktionspartner auf einen anderen übertragen werden. Dies ist beispielsweise bei einer Galvanischen Zelle, oder einer Elektrolyse der Fall.
Ein Stoff wird oxidiert, wenn sich die Oxidationszahl des Stoffs erhöht. Dagegen wird ein Stoff reduziert, falls sich die Oxidationszahl des Stoffs verringert.
Redoxreaktionen funktionieren nach dem Donator-Akzeptor-Prinzip. Das Donator-Akzeptor-Prinzip beschreibt allgemein die Übertragung von Teilchen während einer chemischen Reaktion. Dabei werden bei der Redoxreaktion Elektronen von einem Reaktionspartner auf einen anderen übertragen. Das Oxidationsmittel nimmt Elektronen auf (= Akzeptor), während das Reduktionsmittel die Elektronen abgibt (= Donator).
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