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Redoxreaktionen
Redoxreaktionen sind Reaktionen, bei denen Elektronen von einem Teilchen auf einen Reaktionspartner übergeben werden. Sie besteht dabei aus zwei Reaktionen: Bei der Oxidation wird ein Elektron bzw. mehrere Elektronen abgegeben, während bei der Reduktion diese aufgenommen werden.
Beispiel
Magnesium reagiert mit Sauerstoff zu Magnesia (Magnesiumoxid) und gibt dabei Elektronen ab, die der Sauerstoff aufnimmt, d.h. Magnesium ist ein Oxidationsmittel, Sauerstoff ein Reduktionsmittel.
$$ \begin{align*}
\text{Red.: } & \: \mathrm{2\,Mg} & \rightarrow\;\; & \mathrm{2\,Mg^{2+} + 4\,e^-} \\
\text{Ox.: } & \: \mathrm{O_2 + 4\,e^-} & \rightarrow\;\; & \mathrm{ \,O^{2-}} \\
\text{Redox.: } & \: \mathrm{2\,Mg + O_2} & \rightarrow\;\; & \mathrm{ \,Mg^{2+} + 2\,O^{2-}}
\end{align*} $$
Oxidationszahl
Um den verschiedenen Teilchen einer chemischen Reaktion Oxidationsstufen (-zahlen) zuordnen zu können, sind einige Regeln notwendig. Diese Zahlen werden über die Atome in der Summenformel geschrieben. Bei der Ermittlung von Oxidationszahlen geht man folgendermaßen vor (wobei man arabische oder römische Zahlen benutzen kann):
- Elemente haben immer die Oxidationszahl null
- Summe der Oxidationszahlen in ungeladenen Molekülen ist null
- Alle Metalle haben in ihren Verbindungen positive Oxidationszahlen
- Wasserstoff hat in Verbindungen immer die Oxidationszahl +I
- Sauerstoff hat in Verbindungen immer die Oxidationszahl -II (Ausnahme Wasserstoffperoxid: Hier hat der Sauerstoff -I)
- Die Oxidationszahl von einfachen Ionen (Atomionen) bzw. die Summe der Oxidationszahlen von Molekülionen entspricht der Ladungszahl dieser Ionen. So hat ein Chloridion -I
Anwendungen von Redoxreaktionen
Elektrolyse
Bei einer Elektrolyse werden durch die Einwirkung von elektrischer Energie Stoffe zersetzt. Auf diese Weise wird z.B. aus Kupferchlorid- (CuCl2) Lösung oder einer Aluminiumoxidschmelze unter Energieverbrauch das entsprechende Metall hergestellt.
Elektrochemische Stromerzeugung in Batterien und Akkus
Bei einer elektrochemischen Stromerzeugung in Batterien und Akkus läuft ebenfalls eine Redoxreaktion ab. Die Stromerzeugung gelingt durch Trennung von Redoxpaaren, wodurch sich eine Spannung aufbaut. Schließt man den Stromkreis über einen Verbraucher, so fließen Elektronen; das System liefert Strom.
Brennstoffzelle
In einer Brennstoffzelle werden – energetisch und ökologisch bedeutend – an getrennten Elektroden Wasserstoff oxidiert und Sauerstoff reduziert, um damit Wasser zu synthetisieren. Mit dieser Redoxreaktion lässt sich Strom erzeugen, indem eine direkte Umwandlung der chemisch-gebundenen Energie in elektrische ermöglicht wird.
Die Elektrodenübergänge erfolgen damit wie folgt (unter der Voraussetzung, dass eine saure Umgebung vorhanden ist):
$$ \begin{align*}
\text{Red.: } & \: \mathrm{H_2 + 2\,H_2O} & \rightarrow\;\; & \mathrm{2\,H_3O^+} \\
\text{Redox.: } & \: \mathrm{2\,H_2 + O_2 + 4\,H_2O} & \rightarrow\;\; & \mathrm{6\,H_2O} \\
\text{Ox.: } & \: \mathrm{O_2 + 4\,e^- + 4\,H_3O^+} & \rightarrow\;\; & \mathrm{ 2\,H_2O} \\
\end{align*} $$