Redoxreaktionen leicht erklärt
Ein Nagel rostet über Monate, ein Streichholz brennt in Sekunden ab, und eine Batterie liefert monatelang Strom. Drei völlig verschiedene Vorgänge - und chemisch gesehen dasselbe Prinzip. In allen drei Fällen wandern Elektronen von einem Teilchen zum anderen. Reaktionen dieser Art heißen Redoxreaktionen, und der Name ist einfach die Abkürzung für die beiden Hälften, aus denen sie immer bestehen: Reduktion und Oxidation.
Die beiden Halbgleichungen zeigen jeweils nur eine Hälfte des Vorgangs. Addiert man sie, kürzen sich die Elektronen weg, und es bleibt die Gesamtgleichung übrig - genau daran erkennt man, dass die Zahl der abgegebenen und der aufgenommenen Elektronen übereinstimmen muss.
Der Begriff Oxidation stammt ursprünglich vom Sauerstoff, auf Lateinisch oxygenium. Man nannte so lange Zeit jede Reaktion, bei der sich ein Stoff mit Sauerstoff verbindet: Eisen rostet, Magnesium verbrennt, Holz wird zu Asche. Als man später verstand, was dabei auf Teilchenebene passiert, zeigte sich, dass Sauerstoff gar nicht nötig ist. Entscheidend ist der Übergang von Elektronen. Deshalb gilt heute die weiter gefasste Definition - und die alte ist darin als Sonderfall enthalten, denn Sauerstoff ist einfach ein besonders gieriger Elektronenempfänger.
Praktisch wichtig sind zwei Rollen. Der Stoff, der Elektronen abgibt und dabei oxidiert wird, heißt Reduktionsmittel - er ermöglicht ja die Reduktion des anderen. Der Stoff, der Elektronen aufnimmt und dabei reduziert wird, heißt Oxidationsmittel. Diese Benennung wirkt zunächst verdreht, ist aber logisch: Sie beschreibt nicht, was mit dem Stoff selbst passiert, sondern was er beim Partner bewirkt.
Damit man den Elektronenübergang auch dort erkennt, wo keine Ionen entstehen, benutzt man Oxidationszahlen. Man tut dabei so, als wären alle Bindungen ionisch, und teilt die Bindungselektronen jeweils dem Partner mit der höheren Elektronegativität zu. Ein paar Regeln reichen für die Schule: Elemente in reiner Form haben die Oxidationszahl 0. Bei einatomigen Ionen entspricht sie der Ladung. Sauerstoff hat fast immer −2, Wasserstoff meist +1. Und die Summe aller Oxidationszahlen in einem neutralen Molekül ergibt 0. Steigt die Oxidationszahl im Verlauf der Reaktion, wurde oxidiert; sinkt sie, wurde reduziert.
Die Reihenfolge ist keine Willkür, sondern gemessen. Wasserstoff dient als Nullpunkt: Metalle links davon lösen sich in Säure unter Wasserstoffentwicklung auf, Metalle rechts davon nicht.
Welches von zwei Metallen die Elektronen abgibt, verrät die Redoxreihe, auch Spannungsreihe genannt. Links stehen die unedlen Metalle wie Kalium, Natrium und Magnesium - sie geben ihre Außenelektronen bereitwillig ab. Rechts stehen die edlen wie Silber und Gold, die sie festhalten. Trifft ein unedleres Metall auf die Ionen eines edleren, läuft die Reaktion ab: Ein Eisennagel in Kupfersulfatlösung überzieht sich mit einer Kupferschicht, weil Eisen unedler ist als Kupfer. Legt man umgekehrt Kupfer in Eisensulfatlösung, passiert nichts. Genau diese Reihenfolge erklärt auch, warum Gold in der Natur als Metall vorkommt, während Eisen nur als Erz zu finden ist - Gold gibt seine Elektronen schlicht nicht her.
💬 Mia fragt Opa Theo
Ich verwechsle Oxidation und Reduktion ständig. Gibt es einen Trick?
Nimm die Oxidationszahl als Anker: Oxidation heißt aufwärts, Reduktion heißt abwärts. Beides beginnt mit demselben Buchstaben wie die Richtung. Und wenn du dich fragst, wo die Elektronen sind: Sie stehen in der Halbgleichung immer auf der Seite, die sie loswerden will. Bei der Oxidation rechts, bei der Reduktion links.
Warum rostet Eisen, aber Gold nicht?
Weil Eisen unedel ist und Gold edel. Eisen gibt seine Elektronen bereitwillig an den Sauerstoff der Luft ab, und mit Wasser dazu entsteht Rost. Gold hält seine Elektronen fest, dem macht Luft und Wasser nichts aus. Deshalb findet man Goldklumpen in Flüssen, aber keine Eisenklumpen - das Eisen wäre längst zu Erz geworden.
Und warum schützt Zink das Eisen bei verzinkten Nägeln, obwohl Zink doch selbst rostet?
Genau darum funktioniert es. Zink ist unedler als Eisen, gibt seine Elektronen also lieber her. Solange noch Zink da ist, wird es geopfert und das Eisen bleibt verschont - man nennt das Opferanode. Nebenbei bildet Zink eine dichte, festsitzende Oxidschicht, während Rost abblättert und immer neues Eisen freilegt.
Wenn man einen Zinkstab in Kupfersulfatlösung stellt, läuft die Reaktion sofort ab - die Elektronen springen direkt hinüber, und die Energie geht als Wärme verloren. Die entscheidende Idee einer Batterie ist, den beiden Hälften den direkten Kontakt zu verbieten. Beim Daniell-Element steht deshalb ein Zinkstab in einer Zinksulfatlösung und ein Kupferstab in einer Kupfersulfatlösung, getrennt in zwei Gefäßen. Die Elektronen können jetzt nur noch außen herum, durch einen Draht - und genau dieser erzwungene Umweg ist der elektrische Strom, den man nutzen kann. Damit der Kreis geschlossen bleibt, verbindet eine Salzbrücke die beiden Lösungen; sie lässt Ionen wandern und verhindert, dass sich eine Seite elektrisch auflädt. Am Zink löst sich Metall auf, am Kupferstab wächst neues Kupfer an, und wenn das Zink aufgebraucht ist, ist die Batterie leer. Ein Akku ist derselbe Aufbau, nur mit Reaktionen, die sich durch Anlegen einer äußeren Spannung wieder rückwärts treiben lassen.
Warum Atome Elektronen überhaupt abgeben oder aufnehmen wollen, steht in Atombau und Periodensystem. Was aus den entstehenden Ionen wird, erklärt Die chemische Bindung. Und dass auch der eigene Körper mit Elektronenübergängen arbeitet, zeigt Die Zellatmung.
Merksatz für die Klassenarbeit: Wer Elektronen abgibt, wird oxidiert. Wer sie aufnimmt, wird reduziert. Und es gibt nie das eine ohne das andere - deshalb heißt es Redoxreaktion und nicht Ox-Reaktion.
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