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Reduktion

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Chemie

Ohne Reduktion und Oxidation würde diese Welt nicht funktionieren. Denn in jeder Reaktion, bei der Elektronen transportiert werden, kommt es zwangsläufig zur Oxidation und Reduktion. Diese beiden Begriffe sind genau das Gegenteil voneinander. Die Oxidation ist die Elektronenabgabe und die Reduktion ist die Elektronenaufnahme. Hier in dieser Erklärung lernst du alles über die Reduktion kennen.

Bei der Reduktion werden ein oder mehrere Elektronen aufgenommen. Diese werden von einem Atom oder Molekül an ein anderes abgegeben.

Dabei muss man sich bewusst sein, dass bei einer Elektronenübertragung ein Reaktionspartner Elektronen abgibt und ein anderer Reaktionspartner diese abgegebenen Elektronen aufnimmt. Eben diese Elektronenaufnahme nennt man Reduktion. Da sich eine Elektronenübertragung aus einer Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme zusammensetzt, nennt man diesen Elektronenaustausch auch Redoxreaktion, zusammengesetzt aus den Wörter Reduktion und Oxidation.

Reduktion - Grundlagen und Oxidation

Bei einer Reduktion nimmt also ein Reaktionspartner Elektronen auf. Reaktionspartner können einzelne Atome oder ganze Moleküle sein. Eine erste Voraussetzung hierfür ist zum Einen, dass es einen anderen Reaktionspartner gibt, der gewillt ist, Elektronen abzugeben. Für Oxidationsgründe findest du im StudySmarter Original zur Oxidation mehr Informationen.

Elektronenübertragungen setzen sich, wie gesagt, immer aus einer Oxidation und einer Reduktion zusammen. Dazu schaust du dir ein Beispiel an, in dem Magnesium und Chlor miteinander zu Magnesiumchlorid reagieren und betrachtest Oxidation und Reduktion jeweils gesondert:

Reduktion Magnesium und Chlor Reaktion StudySmarter

Oxidation: Reduktion Magnesium Oxidation StudySmarter

Reduktion: Reduktion Chlor StudySmarter

Die in rot markierten Zahlen entsprechen den Oxidationszahlen der Atome. Oxidationszahlen sind von Ionenladungen zu unterscheiden. Während Ionenladungen nur bei Ionen angebbar sind und ausdrücken, wie viel mehr oder weniger an Elektronen ein Atom im Vergleich zu seinen Protonen in seiner Atomhülle hat, verwendet man Oxidationszahlen bei Atomen, die an Elektronenpaarbindungen beteiligt sind.

Bei Elektronenpaarbindungen werden Elektronen geteilt, wobei zwei Atome jeweils an den Elektronen ziehen. Abhängig davon welches Atom stärker zieht beziehungsweise eine höhere Elektronegativität hat, werden die Elektronen mehr zu der Seite des stärkeren Atoms gezogen.

Um zu verstehen, warum die Elektronen dann überhaupt aufgenommen werden, musst du die Elektronegativität kennen. Die Elektronegativität ist eine Zahl, die angibt, wie stark ein Atom Elektronen an sich zieht beziehungsweise wie stark ein Atom dazu bereit ist ein Elektron abzugeben oder aufzunehmen. Also gibt sie praktisch die Fähigkeit von einem Atom an, Elektronen an sich zu ziehen und zu behalten.

Dass es unterschiedliche Elektronegativitäten gibt, impliziert auch, dass es stärkere und schwächere Atome gibt.

Nun ist es so, dass stärkere Atome die Elektronen von schwächeren Atomen an sich reißen können und die stärkeren Atome somit reduziert werden (Reduktion). Die partielle Ladung wird in diesem Fall negativer.

Im Prinzip lässt sich die Reduktion also damit erklären, dass manche Atome/Elemente stärker an Elektronen ziehen als andere. Ihre Elektronegativität beziehungsweise Fähigkeit Elektronen an sich zu ziehen ist damit höher.

Auch wenn die Elektronen dem schwächeren Atom nicht vollständig entzogen werden, erhält es eine sogenannte positive Teilladung, die von der positiven Ladung bei Ionen zu unterscheiden und schwächer ist. Das stärkere Atom erhält eine negative Teilladung, die ebenso von der negativen Ladung bei Ionen zu unterscheiden und schwächer ist.

Um die Stärke dieser Teilladungen zu charakterisieren, hat man Oxidationszahlen für Atome eingeführt, die angeben, wie viele Elektronen im Vergleich zur Normalzustand zum Atom gezogen werden. Im Beispiel vom Molekül Methanol erhält das Kohlenstoffatom eine Oxidationszahl von -2. Denn es erhält drei Elektronen von den drei schwächer ziehenden Wasserstoffatomen und gleichzeitig wird dem Kohlenstoffatom ein Elektron vom stärker ziehenden Sauerstoffatom entzogen.

Reduktion Methanol Strukturformel StudySmarterAbbildung 1: Strukturformel von MethanolQuelle: chemie.schule

Merkspruch: Bei der Reduktion wird die Oxidationszahl reduziert!

Reduktion im Alltag

Die Reduktion tritt immer zusammen mit der Oxidation auf: Beide Reaktionen laufen nie unabhängig voneinander ab und werden zusammen auch Redoxreaktion genannt.

Oxidation und Reduktion kann man folgendermaßen zusammenfassen:

  • Elektronenabgabe = Oxidation/Erhöhung der Oxidationszahl: positiverer Wert
  • Elektronenabgabe = Reduktion/Verkleinerung der Oxidationszahl: negativerer Wert

Wenn zum Beispiel ein Eisennagel in eine Kupfersulfatlösung gestellt wird, bildet sich auf dem Nagel ein rotbrauner Belag von metallischem Kupfer. Nämlich deswegen, weil die Eisenatome Elektronen an die Kupferionen abgeben. Das Kupfer wird dabei reduziert und das Eisen oxidiert. In dieser allgemeinen Definition läuft eine Reduktion immer parallel zusammen mit einer Oxidation ab:

Oxidation: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

Reduktion: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Redoxreaktion: Fe + Cu²⁺ → Cu + Fe²⁺

Das Eisen fungiert hier als Reduktionsmittel, das in diesem Zusammenhang während der Redoxreaktion selbst oxidiert wird. Reduktionsmittel, weil es den Reaktionspartner, die Kupferionen, reduziert und nicht selbst reduziert wird! Denn um Kupferionen zu reduzieren, muss das Eisen selbst Elektronen abgeben, also oxidiert werden.

Gründe der Reduktion und typische Reduktionen

Was aber ist nun die ,,Triebkraft" der Reduktion?

Wieso können manche Elemente reduziert werden und gibt es Elemente, die besser reduziert werden können als andere?

Triebkraft der Reduktion

Der Antrieb eines jeden Atoms ist die Erfüllung der Oktettregel. Die Oktettregel besagt, dass jedes Atom einen stabilen Zustand anstrebt. Dieser stabile Zustand kann von einem Atom erreicht werden, indem es acht Außenelektronen besitzt. Da aber nur de wenigsten Atome von Natur aus acht Außenelektronen hat, können Atome untereinander Elektronen abgeben, aufnehmen oder auch teilen und damit ein Molekül bilden.

Als Beispiel für die Reduktion steht hier Chlor. Chlor hat sieben Außenelektronen. Das erkennst du anhand der siebenten Hauptgruppe im Periodensystem.. Um die Oktettregel zu erfüllen, muss Chlor nun noch ein Elektron aufnehmen. Chlor muss also reduziert werden. Die geschieht dann zum Beispiel mit Hilfe von Natrium, das nur ein Außenelektron hat und dieses gern abgeben möchte, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. In diesem Zustand wird auch für Natrium die Oktettregel erfüllt.

Falls du mehr zu Außenelektronen und Atomaufbau erfahren willst, schau doch im Artikel zum Atomaufbau vorbei.

Reduktionsbedingungen

Es ergeben sich unterschiedliche Reduktionsbedingungen für Metalle und Nichtmetalle. Bei Metallen (zum Beispiel Magnesium und Calcium) ist es so, dass sie im elementaren Zustand, in dem die Protonenanzahl gleich der Elektronenanzahl ist, keine weiteren Elektronen aufnehmen können.

In oxidierter Form bzw. kationischer Form ist eine Reduktion der Metallionen dann erst möglich.

Nichtmetalle, zum Beispiel Chlor und Iod, hingegen können im elementaren Zustand reduziert werden zu ihrer reduzierten Form.

In der bereits reduzierten Form ist dann aber keine weitere Reduktion mehr möglich.

Bezüglich der Beispielreaktion von Magnesium mit Chlor stellt Magnesium hier das Metall und Chlor das Nichtmetall dar. Chlor wird reduziert und muss dafür also elementar vorliegen.

Chloridionen, also Cl-, könnten keine weiteren Elektronen aufnehmen und somit auch nicht mit Magnesium reagieren.

Kann reduziert werden?MetallNichtmetall
elementare Formneinja
ionische Formjanein

Die Redoxreihe - es kommt auf den Partner an

Einige Stoffe können besser reduziert werden als andere. Anhand einer Tabelle mit bestimmten Spannungswerten, auch Redoxreihe genannt, die man experimentell bestimmt hat, kann man ablesen, wie hoch die Fähigkeit eines Teilchens ist Elektronen aufzunehmen. Diese Werte stellen die bereits erwähnte Elektronegativität dar.

Dabei gilt, dass je höher/positiver die Spannungswerte sind, desto höher ist die Fähigkeit, reduziert zu werden (Elektronen aufzunehmen), also desto höher ist das Reduktionsvermögen. Gleichzeitig gilt, desto niedriger ist die Fähigkeit, oxidiert zu werden (Elektronen abzugeben), also desto niedriger ist das Oxidationsvermögen.

Dabei gilt auch, dass das Element/Atom, welche Elektronen abgibt, also oxidiert wird, das Reduktionsmittel darstellt. Andersherum wird das reduzierte Element Oxidationsmittel genannt.

Das bedeutet, dass Reduktionsmittel das Gegenteil von den sogenannten Oxidationsmitteln sind. Oxidationsmittel sind Substanzen, die Elektronen aufnehmen können, während Reduktionsmittel Substanzen sind, die Elektronen abgeben. Daher werden Oxidationsmittel auch als Elektronenakzeptoren und Reduktionsmittel auch als Elektronendonatoren bezeichnet. Im Gegensatz zu Reduktionsmitteln oxidieren Oxidationsmittel (also andere Stoffe) selbst und werden dabei reduziert.

In Bezug auf das obige Beispiel zur Reaktion von Magnesium mit Chlor, ist es nun so, dass Magnesium einen niedrigeren Spannungswert hat als Chlor und sein Reduktionsvermögen beziehungsweise seine Fähigkeit Elektronen zu behalten niedriger ist. Deshalb gibt es seine Elektronen an Chlor ab, welches ein höheres Reduktionsvermögen hat.

Wasserstoff als Elektronendonator

Bei bestimmten Reaktionen in der organischen Chemie, etwa Additionsreaktionen, kann Wasserstoff oder ein Wasserstoffkation an ein Kohlenstoff- oder Sauerstoffatom binden.

Da Wasserstoff eine niedrigere Elektronegativität als Kohlenstoff und Sauerstoff hat, werden die geteilten Elektronen stärker zur Seite des Kohlenstoffs bzw. Sauerstoffs gezogen. Die Oxidationszahl vom Kohlenstoff/Sauerstoff erhöht sich, sofern kein anderes im Vergleich zum Kohlenstoff schwächer ziehendes Atom ersetzt wurde, sonst bleibt die Oxidationszahl gleich oder wenn das Wasserstoffatom neu hinzukommt.

SauerstoffSchwefelKohlenstoffWasserstoff
Elektronegativität3.442.582.552.2

Insofern kann man bei der Addition von Wasserstoff an Sauerstoff sowie Kohlenstoff und auch Schwefel eine Erhöhung der Oxidationszahl beim angegriffenen Atom erwarten.

Dass aber das angegriffene Atom pauschal reduziert wird, lässt sich nicht sagen. Man muss immer die Oxidationszahl des angegriffenen Atoms in der vorherigen Bindung und in der neuen Bindung vergleichen und darauf achten, ob beim angegriffenen Atom nicht gleichzeitig ein schwächer ziehendes Atom sich abspaltet.

Sauerstoff als Elektronenakzeptor

Sauerstoff, im Gegensatz zu Wasserstoff, hat eine deutlich höhere Elektronegativität.

Wenn elementarer Sauerstoff nun beispielsweise an ein Kohlenstoffatom oder ein Schwefelatom bindet wird nicht das angegriffene Atom reduziert, sondern das Sauerstoffatom (siehe obere Tabelle).

In elementarem Sauerstoff hat Sauerstoff formal eine Oxidationszahl von ±0, da der Partner, mit dem Elektronen geteilt werden (kovalente Bindung) ebenfalls Sauerstoff ist und somit gleich stark an den Elektronen zieht.

Wenn aber das Sauerstoffatom an ein Kohlenstoffatom bindet, kann es bei einer Zweifachbindung beispielsweise eine Änderung der Oxidationszahl um zwei Einheiten erfahren.

Dass aber Sauerstoff pauschal reduziert wird, lässt sich, wie beim Wasserstoff, so nicht sagen. Man muss immer die Oxidationszahl des Sauerstoffatoms in der vorherigen Bindung und in der neuen Bindung miteinander vergleichen.

Dennoch kommt es in den meisten Fällen vor und sollte deshalb im Hinterkopf behalten werden, denn insbesondere bei Aufgaben, in denen man erklären muss, warum eine Reaktion eine Redoxreaktion ist, muss man aufzeigen können, welches Atom reduziert wurde.

Da lohnt es sich darauf zu achten, ob ein Sauerstoffatom nun schwächere Partner hat oder ob ein Kohlenstoffatom etwa jetzt mehr Wasserstoffatome hat, um nochmal Bezug auf den vorherigen Abschnitt zu nehmen.

Birch-Reduktion

Die Birch-Reaktion wandelt aromatische Systeme mit Hilfe von Alkalimetallen in nicht-aromatische Systeme um. Der Birch-Reduktionsmechanismus beginnt mit der Übertragung eines einzelnen Elektrons auf einen aromatischen Kern, wobei zunächst ein Radikalanion gebildet wird. Radikalionen sind dabei einfach Atome, die ein ungebundenes Valenzelektron besitzt.

Dieses Material wird durch Ethanol als Protonendonor zur Cyclohexadienylgruppe protoniert und wird so zu einem Allylradikal. Dieses Allylradikal geht einen weiteren Einzelelektronentransfer ein, um das Cyclohexadienylanion zu bilden, das anschließend durch einen anderen Alkohol protoniert wird. Überraschenderweise entsteht nach abschließender Protonierung nur noch 1,4-Cyclohexadien und nicht das thermodynamisch stabilere 1,3-Cyclohexadien.

Reduktion Bircher Reduktion StudySmarterAbbildung 2: Birch-ReduktionQuelle: chemgapedia.de

Ein Beispiel für eine wichtige Birch-Reaktion ist die Synthese von Steroiden. Durch diese wurde zum Beispiel die Antibabypille durch das Herstellen des Östrogens Norethisteron.

Reduktion Steroid Synthese Birch Reduktion StudySmarterAbbildung 3: Steroiden-SyntheseQuelle: wikipedia.org

Reduktion - Das Wichtigste

  • Die Reduktion ist die Elektronenaufnahme eines Atoms.
  • Die Reduktion bewirkt die Verringerung der Oxidationszahl.
  • Es gibt keine Reduktion ohne Oxidation.
  • Reduktion wird durch die Elektronegativität eines Atoms/Elemts bestimmt.
  • Nur ionische Metalle und elementare Nichtmetalle können reduziert werden.
  • Die Addition von Wasserstoff führt immer bei Kohlenstoff/Sauerstoff/Schwefel zur Reduktion.

Reduktion

Unter der Reduktion eines Atoms versteht man die Elektronenaufnahme. 

Dadurch, dass ein Atom mehr Elektronen erhält, erhöht sich die negative Ladung im Fall von ionischen Bindungen bzw. die partiell negative Ladung im Fall von Elektronenpaarbindungen. 

Damit ein Atom reduziert wird, muss immer ein anderes Atom Elektronen abgeben.

Die Elektronenabgabe nennt man Oxidation und sie ist das Gegenstück zur Reduktion.

Um zu erkennen, welches Atom in einem Molekül oxidiert und welches reduziert wurde, muss man die Oxidationszahlen betrachten. Die Oxidationszahl eines Atoms gibt an, gegenüber wie vielen kovalenten Bindungspartnern (auch Atome) das Atom netto stärker an den Elektronen der Elektronenpaarbindung zieht. Mit "netto" ist gemeint, dass man gleichzeitig berücksichtigen muss, gegenüber wie vielen kovalenten Bindungspartnern das Atom schwächer an den Elektronen zieht.

Zum Beispiel kann ein Atom vier Bindungspartner haben und es zieht gegenüber zwei Bindungspartnern stärker, aber gegenüber einem dritten Bindungspartner schwächer und gegenüber dem vierten Bindungspartner gleich stark.

Netto zieht das Atom also gegenüber 2 - 1 = 1 Bindungspartner stärker und hat somit eine Oxidationszahl von -I (römische Zahl für 1). 

Die Oxidation eines Atoms erkennt man nun daran, dass die Oxidationszahl gestiegen (positiver) ist.

Die Reduktion eines Atoms erkennt man daran, dass Oxidationszahl gesunken (negativer) ist.

Das Gegenteil einer Reduktion, also einer Elektronenaufnahme, ist die Oxidation, eine Elektronenabgabe.

Wenn es eine Reduktion gibt, gibt es auch immer eine Oxidation und umgekehrt.

Denn wenn Elektronen aufgenommen werden (Reduktion), müssen sie auch von einem anderen Reaktionspartner abgegeben werden (Oxidation).

Es sind immer Atome die Elektronen abgeben (oxidiert werden) oder Elektronen aufnehmen (reduziert werden).

Auch wenn oft gesagt wird, dass ein ganzes Molekül oxidiert oder reduziert wurde, so ist es ein Atom des Moleküls, das oxidiert oder reduziert wurde.

Finales Reduktion Quiz

Frage

Erkläre den Begriff Redoxreaktion.

Antwort anzeigen

Antwort

Als Redoxreaktionen werden Reaktionen bezeichnet, bei denen ein Elektronenübergang erfolgt. Dabei bedeutet Oxidation eine Elektronenabgabe und Reduktion eine Elektronenaufnahme.

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Frage

Nenne die 5 Schritte zur Formulierung der Teilgleichungen für Oxidation und Reduktion.

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Antwort

  1. Aufstellen des Redoxpaares mit stöchiometrischen Koeffizienten 
  2. Elektronenausgleich durch Vergleich der Oxidationszahlen (Faktoren und Indexzahlen beachten!) 
  3. Falls nötig: Ladungsausgleich mit H3O+-Ionen (im Sauren) oder OH–-Ionen (im Alkalischen)
  4. Falls nötig: Stoffausgleich mit H2O-Teilchen 
  5. Überprüfen der Teilgleichung
Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Reduktion?

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Antwort

Wenn ein Stoff Elektronen aufnimmt, wird er reduziert.

Elektronenaufnahme = Stoff reduziert

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Frage

Nenne ein Beispiel zur Reduktion durch Abgabe von Sauerstoff.

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Antwort

Zum Beispiel wenn ein rotes Quecksilberoxid in Quecksilber und und Sauerstoff gespalten wird.

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die Reduktionsformel für wenn ein rotes Quecksilberoxid in Quecksilber und und Sauerstoff gespalten wird.

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Antwort


Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was passiert wenn du Kupfer(II)-oxid (CuO) in Wasserstoffstrom erhitzt.

Antwort anzeigen

Antwort

Es entsteht metallisches Kupfer (Cu), weil der Wasserstoff mit dem Sauerstoff des Kupfer(II)-oxid
Wasser bildet. Es wird dem Kupfer(II)-oxid der Sauerstoff entzogen.



Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die Reduktionsformel für wenn Kupfer(II)-oxid (CuO) in Wasserstoffstrom erhitzt wird.

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Was passiert wenn du Kupfer(II)-oxid zusammen mit Kohlenstoff (C) in einem Reagenzglas unter einem Gasbrenner erhitzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Du erhältst einmal Kupfer und einmal

Kohlenstoffdioxid

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die Reduktionsgleichung für wenn Kupfer(II)-oxid zusammen mit Kohlenstoff (C) in

einem Reagenzglas unter einem Gasbrenner erhitzt wird.

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei der Reduktion durch Aufnahme von Wasserstoff?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Es werden auch hier Elektronen aufgenommen
  • Es wird ein Proton, sowie ein Elektron aufgenommen
  • Da das Wasserstoff aber wenig elektronegativ geladen ist, zieht jedes andere Atom das Wasserstoffelektron zu sich hin, wenn es eine Verbindung mit “H” eingeht
  • eher eine Aufnahme von Elektronen als eine Aufnahme von Wasserstoff
Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel zur Reduktion durch Aufnahme von Wasserstoff.

Antwort anzeigen

Antwort

Acetaldehyd nimmt Wasserstoff auf, sodass Ethanol entsteht. 

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die Reduktionsformel für die Entstehung von Ethanol mit Wasser und Acetaldehyd?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Was ist die Funktion einer Reduktion?

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Antwort

Aufnahme von Elektronen oder auch die Verringerung der Oxidationszahl  

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel zur Funktion einer Reduktion.

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn ein Eisennagel in eine Kupfersulfatlösung gestellt wird, bildet sich auf dem Nagel ein rotbrauner Belag von metallischem Kupfer, weil die Eisenatome Elektronen an de Kupferionen abgeben. Kupfer wird dabei oxidiert und Eisen reduziert. 


Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die Redoxgleichung, wenn ein Eisennagel in eine Kupfersulfatlösung gestellt wird?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen
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