Redoxreaktion
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Einordnung: Chemische Reaktion | Reaktionsart
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Eine Redoxreaktion ist eine chemische Reaktion bestehend aus den Teilreaktionen Oxidation und Reduktion. Viele Reaktionen in der Chemie sind Redoxreaktionen, dazu gehören Reaktionen zur Gewinnung von Metallen und chemische Reaktionen bei elektrochemischen Abläufen wie in Batterien.
| Inhaltsverzeichnis |
Entwicklung des Redox-Begriffes
Redoxreaktionen als SauerstoffĂĽbertragung
Der Begriff der Redoxreaktion hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt. UrsprĂĽnglich war eine Redoxreaktion nur eine Reaktion, bei der gleichzeitig eine Oxidation (also Aufnahme von Sauerstoff) und eine Reduktion (also Abgabe von Sauerstoff) stattfindet.
Der Stoff, der dabei den Sauerstoff abgibt, ist das Oxidationsmittel, das die Oxidation des Reaktionspartners bedingt. Gleichzeitig ist der Stoff, der den Sauerstoff aufnimmt das Reduktionsmittel, der die Reduktion des Reaktionspartners ermöglicht, indem es durch die eigene exotherme Oxidation die benötigte Energie für die Reduktion liefert.
Eine Redoxreaktion kann auch nur dann selbstständig ablaufen, wenn die Energieabgabe bei der Oxidation ausreichend groß ist, um die Reduktion zu ermöglichen.
Beispiele
Redoxreaktionen als ElektronenĂĽbertragung
Eine Erweiterung des Redoxbegriffes ergab sich, als festgestellt wurde, dass auch die Reaktionen, an denen kein Sauerstoff beteiligt ist, nach einem ähnlichen chemischen Prinzip ablaufen wie Redoxreaktionen mit Sauerstoffbeteiligung.
Gemeinsam ist die Abgabe beziehungsweise Aufnahme von Elektronen. Nach der neuen Definition sind entsprechend Redoxreaktionen chemische Reaktionen, bei denen gleichzeitig eine Reduktion (Elektronenaufnahme), und eine Oxidation (Elektronenabgabe) stattfindet; insgesamt werden ein oder mehrere Elektronen übertragen. Da in einem chemischen System keine freien Elektronen vorliegen können, ist die Reduktion eines Stoffes zwangsläufig von der Oxidation eines anderen Stoffes begleitet. Gleichzeitig ändern sich die Oxidationszahlen der Reaktionspartner: Das Reduktionsmittel gibt Elektronen ab und wechselt selbst in eine höhere Oxidationsstufe (es wird somit oxidiert); das Oxidationsmittel nimmt Elektronen auf und wechselt in eine niedrigere Oxidationssstufe (es wird somit reduziert).
Redox-Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen. Die Lage des Gleichgewichts kann durch Veränderung der Temperatur, der Konzentration der teilnehmenden Stoffe und durch Änderung des pH-Wertes bestimmt sein.
Beispiele
- Verbrennung vom Methan
- Ein einfaches Beispiel fĂĽr eine Redox-Reaktion ist die Verbrennung von Methan (etwa im Erdgas enthalten) mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser:
- Methan (das Reduktionsmittel) wird zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Der Kohlenstoff ändert dabei seine Oxidationszahl von -IV nach +IV.
- Sauerstoff (das Oxidationsmittel) wird reduziert (Oxidationszahl von 0 nach -II).
- Reaktion von Natrium mit Wasser
- Die Reaktion von metallischem Natrium mit Wasser unter Bildung von Natronlauge und Wasserstoff:
- 2 Na + 2 H2O → 2Na+ + 2 OH- + H2
- Das elementare Natriummetall liegt in der Oxidationsstufe 0 vor. Der Wasserstoff liegt im Wasser zunächst in der Oxidationsstufe +1 vor.
- Bei der Reaktion überträgt das Na sein Valenzelektron auf den Wasserstoff und geht von der Oxidationsstufe 0 in die Oxidationsstufe +1 über, ein im Wasser gebundenes Wasserstoffatom von der Oxidationsstufe +1 in die Oxidationsstufe 0:
- 2 Na → 2 Na+ + 2 e-
- 2 H2O + 2 e- → 2 OH- + H2
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- 2 Na + 2 H2O → 2 Na+ + 2 OH- + H2
Allgemeines
Mit Hilfe des Redoxpotenzials der einzelnen Elemente lässt sich errechnen, welcher Stoff reduziert und welcher oxidiert wird: Man kann eine Spannungsreihe bilden, die zeigt, in welche Richtung der Elektronenübergang erfolgt.
- Unedle Metalle geben gerne Elektronen ab, werden also leicht oxidiert. Unedle Metalle sind demnach gute Reduktionsmittel.
- Edle Metalle (genauer ihre Ionen, beispielsweise Ag+) nehmen gerne Elektronen auf, werden also leicht reduziert. Sie sind demnach Oxidationsmittel.
Erstellung von Redoxgleichungen
Bei der Erstellung komplexer Redoxgleichungen ist es unerlässlich, sich der Oxidationszahlen zu bedienen. Wenn man folgende einfache Regeln beachtet, so kann man alle Redoxgleichungen aufstellen.
- Formulierung der Edukte und Produkte
- Ermittlung aller Oxidationszahlen
- Aufstellen der Redoxteilgleichungen:
Oxidation bedeutet Erhöhung der Oxidationszahl
Reduktion bedeutet Erniedrigung der Oxidationszahl - Bestimmung der abgegebenen beziehungsweise aufgenommenen Elektronen:
Differenz der Oxidationszahlen = Anzahl der aufgenommenen/abgegebenen Elektronen - Ladungsausgleich (gleiche Ladung auf beiden Seiten):
- in alkalischer Lösung mit OH-
- in saurer Lösung durch H3O+ - Ausgleich der Stoffbilanz durch Wasser
- Multiplikation der Teilgleichungen mit Faktor des kleinsten gemeinsamen Vielfachen
- Addition der Teilgleichungen zur Gesamtgleichung (= Redoxgleichung)
Folgendes Beispiel der Reaktion von Permanganat-Ionen mit Sulfit-Ionen zu Mangan(II)-Kationen und Sulfat-Ionen ist auf die genannte Weise gelöst:
Siehe auch: Redox-Potential, freie Enthalpie, Redox-Titration
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