Reduktion - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Biologie, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Die Reduktion ist ein grundlegender Vorgang der Chemie. Dabei nimmt ein Atom, Ion oder Molekül Elektronen auf. Eine Reduktion findet niemals allein statt: Gleichzeitig gibt ein anderer Stoff Elektronen ab und wird oxidiert. Beide Teilvorgänge bilden zusammen eine Redoxreaktion.

Im Anfangsunterricht wird die Reduktion häufig als Abgabe von Sauerstoff erklärt. Später lernst Du das umfassendere Elektronenkonzept und die Beschreibung mit Oxidationszahlen kennen.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

1. Reduktion als Elektronenaufnahme erklären.
2. Reduktion und Oxidation voneinander unterscheiden.
3. eine Reduktion an einer sinkenden Oxidationszahl erkennen.
4. Oxidationsmittel und Reduktionsmittel bestimmen.
5. einfache Redoxgleichungen deuten.
6. die Bedeutung von Reduktionen in Elektrochemie, Metallgewinnung und Alltag erläutern.

Grundbegriffe

Reduktion als Sauerstoffabgabe

Im älteren Sauerstoffkonzept gilt:

Ein Stoff wird reduziert, wenn ihm Sauerstoff entzogen wird.

Ein bekanntes Beispiel ist die Reaktion von Kupfer(II)-oxid mit Wasserstoff beim Erhitzen:

$\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Das schwarze Kupfer(II)-oxid gibt Sauerstoff ab und wird zu elementarem Kupfer reduziert. Der Wasserstoff nimmt den Sauerstoff auf und wird zu Wasser oxidiert.

Damit gelten in dieser Reaktion:

1. Kupfer(II)-oxid: wird reduziert.
2. Wasserstoff: wird oxidiert.
3. Wasserstoff: wirkt als Reduktionsmittel.
4. Kupfer(II)-oxid: wirkt als Oxidationsmittel.

Das Sauerstoffkonzept ist anschaulich, reicht aber nicht für alle Redoxreaktionen aus.

Reduktion als Elektronenaufnahme

Die allgemeine Definition lautet:

Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen.

Ein Kupferion nimmt zwei Elektronen auf und wird zu einem Kupferatom:

$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{u}$

Die Elektronenaufnahme kannst Du Dir als Ladungsausgleich vorstellen. Das zweifach positiv geladene Kupferion wird durch die Aufnahme von zwei negativ geladenen Elektronen elektrisch neutral.

Gleichzeitig muss ein anderer Stoff die Elektronen abgeben. Zum Beispiel:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

Zink wird oxidiert, während Kupferionen reduziert werden. Die Gesamtreaktion lautet:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{u}$

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Reduktion und Oxidationszahl

Eine Reduktion erkennst Du daran, dass die Oxidationszahl sinkt.

Beispiel:

$\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{F}\mathrm{e}$

Das Eisenion besitzt zunächst die Oxidationszahl $\mathrm{+}\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{I}$. Elementares Eisen besitzt die Oxidationszahl $\mathrm{0}$. Die Oxidationszahl sinkt also von $\mathrm{+}\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{I}$ auf $\mathrm{0}$: Eisen wird reduziert.

Einige einfache Regeln helfen Dir:

1. Atome in elementaren Stoffen besitzen die Oxidationszahl $\mathrm{0}$.
2. Bei einatomigen Ionen entspricht die Oxidationszahl der Ionenladung.
3. Sauerstoff besitzt in vielen Verbindungen die Oxidationszahl $\mathrm{-}\mathrm{I}\mathrm{I}$.
4. Wasserstoff besitzt in vielen Verbindungen die Oxidationszahl $\mathrm{+}\mathrm{I}$.

Merksatz: Sinkt die Oxidationszahl, liegt eine Reduktion vor. Steigt sie, liegt eine Oxidation vor.

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Oxidation und Reduktion gehören zusammen

Elektronen können bei einer chemischen Reaktion nicht einfach verschwinden oder neu entstehen. Die Zahl der abgegebenen Elektronen muss deshalb der Zahl der aufgenommenen Elektronen entsprechen.

Eine Redoxreaktion besteht aus zwei Teilreaktionen:

1. Oxidation: Abgabe von Elektronen.
2. Reduktion: Aufnahme von Elektronen.

Der Stoff, der Elektronen abgibt, heißt Reduktionsmittel. Er ermöglicht die Reduktion eines anderen Stoffes und wird dabei selbst oxidiert.

Der Stoff, der Elektronen aufnimmt, heißt Oxidationsmittel. Er ermöglicht die Oxidation eines anderen Stoffes und wird dabei selbst reduziert.

Begriff	Elektronenübertragung	Veränderung
Reduktion	Elektronenaufnahme	Oxidationszahl sinkt
Oxidation	Elektronenabgabe	Oxidationszahl steigt
Oxidationsmittel	nimmt Elektronen auf	wird reduziert
Reduktionsmittel	gibt Elektronen ab	wird oxidiert

Reduktion in wichtigen Anwendungen

Elektrochemie

In einer elektrochemischen Zelle findet die Reduktion immer an der Kathode statt. Dort nehmen Teilchen Elektronen auf.

Bei der Abscheidung von Kupfer gilt:

$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{u}$

Kupferionen aus einer Lösung werden an der Kathode zu festem Kupfer reduziert. Dieses Prinzip wird unter anderem bei der Elektrolyse, der Metallbeschichtung und der Reinigung von Metallen genutzt.

Bei der Elektrolyse von Wasser entstehen an der Kathode durch Reduktion Wasserstoffteilchen beziehungsweise Wasserstoffgas. Die genaue Teilgleichung hängt davon ab, ob die Lösung sauer, neutral oder alkalisch ist.

Merksatz: An der Kathode findet die Reduktion statt, an der Anode die Oxidation.

Metallgewinnung im Hochofen

Viele Metalle kommen in der Natur als Erze vor. Diese enthalten häufig Metalloxide. Um das Metall zu gewinnen, müssen die Metallionen reduziert werden.

Bei der Gewinnung von Eisen im Hochofen reduziert Kohlenstoffmonoxid die Eisenoxide. Eine vereinfachte Gesamtgleichung lautet:

$\mathrm{F}{\mathrm{e}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Die Eisenionen werden zu Eisen reduziert. Kohlenstoffmonoxid wird zu Kohlenstoffdioxid oxidiert und wirkt deshalb als Reduktionsmittel.

Die wirklichen Reaktionen im Hochofen laufen in mehreren Schritten ab. Die Gesamtgleichung zeigt jedoch deutlich die Übertragung von Sauerstoff und die Veränderung der Oxidationszahlen.

Thermitreaktion

Bei der Thermitreaktion reduziert Aluminium Eisen(III)-oxid zu Eisen:

$\mathrm{F}{\mathrm{e}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$

Das Eisen wird von der Oxidationszahl $\mathrm{+}\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{I}$ auf $\mathrm{0}$ reduziert. Aluminium wird von $\mathrm{0}$ auf $\mathrm{+}\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{I}$ oxidiert.

Aluminium ist das Reduktionsmittel. Eisen(III)-oxid ist das Oxidationsmittel.

Die Reaktion setzt sehr viel Wärme frei. Dabei kann flüssiges Eisen entstehen. Das Thermitverfahren wurde und wird unter anderem zum Verschweißen von Eisenbahnschienen eingesetzt.

Sicherheitshinweis: Die Thermitreaktion darf wegen der extrem hohen Temperaturen und der Gefahr durch Funken und flüssiges Metall nur von besonders geschulten Personen mit geeigneter Schutzausrüstung durchgeführt werden. Sie ist kein Schülerexperiment.

Korrosion als Redoxprozess

Beim Rosten wird Eisen oxidiert. Gleichzeitig wird Sauerstoff in Gegenwart von Wasser reduziert. Rostbildung zeigt deshalb, dass Oxidation und Reduktion stets miteinander verbunden sind.

Schutzschichten, Lacke oder Überzüge aus anderen Metallen können den Kontakt von Eisen mit Wasser und Sauerstoff verringern. Beim kathodischen Korrosionsschutz wird das zu schützende Metall gezielt zur Kathode gemacht, sodass seine Oxidation verhindert oder stark verlangsamt wird.

Reduktionen in Natur und Alltag

Redoxreaktionen sind an vielen Vorgängen beteiligt:

1. Batterien und Akkumulatoren liefern elektrische Energie durch räumlich getrennte Oxidations- und Reduktionsvorgänge.
2. Bei der Fotosynthese wird Kohlenstoffdioxid in energiereiche Kohlenstoffverbindungen überführt.
3. Bei der Zellatmung werden Elektronen schrittweise auf Sauerstoff übertragen.
4. In der Metallurgie werden Metallionen zu Metallen reduziert.
5. Beim Bleichen und Desinfizieren wirken häufig Oxidationsmittel, die selbst reduziert werden.
6. In Brennstoffzellen laufen kontrollierte Redoxreaktionen zur Energieumwandlung ab.

Vorgehen beim Untersuchen einer Redoxreaktion

Mit diesen Schritten kannst Du eine Reaktion untersuchen:

1. Bestimme die Oxidationszahlen der beteiligten Atome.
2. Suche nach Atomen, deren Oxidationszahl sinkt.
3. Kennzeichne diesen Vorgang als Reduktion.
4. Suche nach Atomen, deren Oxidationszahl steigt.
5. Kennzeichne diesen Vorgang als Oxidation.
6. Formuliere die Teilgleichungen.
7. Gleiche die Zahl der aufgenommenen und abgegebenen Elektronen an.
8. Bestimme Oxidationsmittel und Reduktionsmittel.

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Beispiel zur Auswertung

Gegeben ist die Reaktion:

$\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{u}$

Magnesium besitzt vor der Reaktion die Oxidationszahl $\mathrm{0}$ und in Magnesiumoxid die Oxidationszahl $\mathrm{+}\mathrm{I}\mathrm{I}$. Magnesium wird oxidiert.

Kupfer besitzt in Kupfer(II)-oxid die Oxidationszahl $\mathrm{+}\mathrm{I}\mathrm{I}$ und nach der Reaktion die Oxidationszahl $\mathrm{0}$. Kupfer wird reduziert.

Damit gilt:

1. Magnesium ist das Reduktionsmittel.
2. Kupfer(II)-oxid ist das Oxidationsmittel.
3. Magnesium gibt Elektronen ab.
4. Kupferionen nehmen Elektronen auf.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was geschieht bei einer Reduktion nach dem Elektronenkonzept? (Elektronen werden aufgenommen) (!Elektronen werden abgegeben) (!Protonen werden immer abgegeben) (!Neutronen werden aufgenommen)

Wie verändert sich die Oxidationszahl bei einer Reduktion? (Sie sinkt) (!Sie steigt) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird immer positiv)

Wo findet in einer elektrochemischen Zelle die Reduktion statt? (An der Kathode) (!An der Anode) (!In der Salzbrücke) (!Nur außerhalb der Zelle)

Was ist ein Reduktionsmittel? (Ein Elektronendonator) (!Ein Elektronenakzeptor) (!Ein Stoff ohne Reaktionsfähigkeit) (!Ein Stoff mit immer negativer Ladung)

Was geschieht mit einem Oxidationsmittel während einer Redoxreaktion? (Es wird reduziert) (!Es wird oxidiert) (!Es bleibt immer unverändert) (!Es gibt keine Elektronenaufnahme)

Welche Teilgleichung beschreibt eine Reduktion? (Kupferionen nehmen Elektronen auf) (!Zinkatome geben Elektronen ab) (!Magnesiumatome bilden Magnesiumionen) (!Chloridionen geben Elektronen ab)

Welche Aussage zum Sauerstoffkonzept ist richtig? (Reduktion kann als Sauerstoffabgabe beschrieben werden) (!Reduktion bedeutet immer Sauerstoffaufnahme) (!Oxidation bedeutet Sauerstoffabgabe) (!Sauerstoff spielt bei Redoxreaktionen nie eine Rolle)

Welche Rolle hat Kohlenstoffmonoxid im Hochofen? (Es wirkt als Reduktionsmittel) (!Es wirkt nur als Kühlmittel) (!Es wird zu elementarem Kohlenstoff reduziert) (!Es verhindert jede chemische Reaktion)

Welche Rolle übernimmt Aluminium bei der Thermitreaktion? (Es ist das Reduktionsmittel) (!Es ist das reduzierte Metall) (!Es ist ein Katalysator) (!Es bleibt unverändert)

Warum treten Oxidation und Reduktion immer gemeinsam auf? (Abgegebene Elektronen müssen aufgenommen werden) (!Elektronen können frei verschwinden) (!Jede Reaktion benötigt Sauerstoff) (!Reduktionen benötigen immer eine Flamme)

Memory

Reduktion	Elektronenaufnahme
Oxidation	Elektronenabgabe
Oxidationsmittel	Elektronenakzeptor
Reduktionsmittel	Elektronendonator
Kathode	Ort der Reduktion
Anode	Ort der Oxidation

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Elektronenaufnahme	Reduktion
Elektronenabgabe	Oxidation
Kupferionen	werden an der Kathode reduziert
Aluminium	Reduktionsmittel bei der Thermitreaktion
Kohlenstoffmonoxid	reduziert Eisenoxide im Hochofen

Kreuzworträtsel

Akzeptor	Wie nennt man ein Teilchen, das Elektronen aufnimmt?
Kathode	An welcher Elektrode findet die Reduktion statt?
Sauerstoffabgabe	Wie heißt die Reduktion im Sauerstoffkonzept?
Oxidationszahl	Welche Größe sinkt bei einer Reduktion?
Elektronendonator	Wie nennt man ein Teilchen, das Elektronen abgibt?
Hochofen	In welcher Anlage werden Eisenoxide industriell reduziert?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Bei einer Reduktion nimmt ein Teilchen auf.

Die Oxidationszahl des reduzierten Teilchens .

Eine Reduktion findet immer gemeinsam mit einer statt.

Der Elektronenakzeptor wird als bezeichnet.

Der Elektronendonator ist das .

In einer elektrochemischen Zelle findet die Reduktion an der statt.

Im Hochofen reduziert Kohlenstoffmonoxid die .

Bei der Thermitreaktion dient Aluminium als .

Im Sauerstoffkonzept kann Reduktion als beschrieben werden.

Beim Rosten wird Sauerstoff in Gegenwart von Wasser .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Begriffsnetz Reduktion: Erstelle ein Begriffsnetz mit Reduktion, Oxidation, Elektronenaufnahme, Elektronenabgabe, Kathode und Anode.
2. Reaktionsgleichung markieren: Markiere in der Reaktion von Magnesium mit Kupfer(II)-oxid den reduzierten und den oxidierten Stoff.
3. Reduktion im Alltag: Suche drei Beispiele für Redoxreaktionen aus Alltag oder Technik und beschreibe jeweils kurz die Reduktion.
4. Bildanalyse Korrosion: Beschreibe anhand eines Fotos von rostigem Eisen, welche Stoffe an der Reaktion beteiligt sein könnten.

Standard

1. Teilgleichungen formulieren: Formuliere für die Reaktion von Zink mit Kupferionen eine Oxidations- und eine Reduktionsteilgleichung.
2. Elektrochemische Zelle erklären: Zeichne eine einfache galvanische Zelle und kennzeichne Kathode, Anode und Elektronenfluss.
3. Definitionsvergleich: Vergleiche Sauerstoffkonzept, Elektronenkonzept und Oxidationszahlkonzept in einer Tabelle.
4. Erklärplakat Hochofen: Gestalte ein Plakat, das die Reduktion von Eisenoxiden durch Kohlenstoffmonoxid erklärt.

Schwer

1. Redoxgleichung ausgleichen: Gleiche eine vorgegebene Redoxreaktion mithilfe von Teilgleichungen aus und begründe jeden Schritt.
2. Korrosionsschutz untersuchen: Plane eine ungefährliche Untersuchung zum Einfluss von Wasser, Salz und Schutzschichten auf die Korrosion von Eisen.
3. Thermitreaktion bewerten: Erkläre die Stoff- und Energieumwandlung der Thermitreaktion und bewerte mögliche technische Anwendungen und Risiken, ohne die Reaktion selbst durchzuführen.
4. Lernvideo Reduktion: Produziere ein kurzes Lernvideo, das die drei Definitionen der Reduktion an einem selbst gewählten Beispiel erklärt.

Lernkontrolle

1. Unbekannte Reaktion analysieren: Bestimme in einer unbekannten Reaktionsgleichung mithilfe der Oxidationszahlen, welcher Stoff reduziert und welcher oxidiert wird.
2. Begriffsfehler korrigieren: Beurteile die Aussage „Bei einer Reduktion wird ein Stoff immer leichter“ und formuliere eine fachlich richtige Erklärung.
3. Elektrochemie übertragen: Erkläre, warum Kupferionen sowohl in einer galvanischen Zelle als auch bei einer Elektrolyse an einer Kathode reduziert werden können.
4. Metallgewinnung vergleichen: Vergleiche die Reduktion eines Metalloxids mit Kohlenstoffmonoxid und mit Aluminium hinsichtlich Stoffumwandlung, Energie und Anwendung.
5. Korrosionsschutz begründen: Erkläre mit dem Elektronenkonzept, warum eine geeignete Schutzschicht die Korrosion von Eisen verlangsamt.
6. Reduktionsmittel auswählen: Wähle für eine vorgegebene Metallgewinnung ein geeignetes Reduktionsmittel aus einer Stoffliste aus und begründe Deine Entscheidung anhand der Elektronenübertragung.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

1. die Reduktion als Elektronenaufnahme beschreiben kannst.
2. das Sauerstoffkonzept und das Elektronenkonzept unterscheiden kannst.
3. eine sinkende Oxidationszahl sicher erkennst.
4. Oxidation und Reduktion in einer Gesamtreaktion zuordnen kannst.
5. Oxidationsmittel und Reduktionsmittel korrekt bestimmst.
6. einfache Teilgleichungen formulierst und Elektronenzahlen ausgleichst.
7. die Bedeutung der Kathode für Reduktionsvorgänge erklärst.
8. technische Beispiele wie Hochofen, Elektrolyse und Thermitreaktion fachlich einordnest.
9. Sicherheitsrisiken energiereicher Redoxreaktionen verantwortungsvoll bewertest.

Verknüpfte Lernbereiche

Reduktion - Chemie Oxidation Redoxreaktion Oxidationszahl Oxidationsmittel Reduktionsmittel Elektrochemie Elektrolyse Metallgewinnung Hochofen Korrosion