Redoxreaktionen als Elektronenübertragung

Viele chemische Reaktionen lassen sich als Elektronenübertragungsreaktionen beschreiben. Hierbei werden zumeist Elektronen von einem Metall-Atom auf ein Nichtmetall-Atom übertragen. Den Vorgang der Abgabe von Elektronen bezeichnet man als Oxidation, den Vorgang der Aufnahme von Elektronen als Reduktion. Zusammen ergeben beide Vorgänge eine Redoxreaktion. Teilchen, die Elektronen im Zuge solch einer Reaktion abgeben, werden als Reduktionsmittel bzw. Elektronendonatoren bezeichnet. Teilchen, die Elektronen aufnehmen, werden wiederrum als Oxidationsmittel bzw. Elektronenakzeptoren bezeichnet. Redoxreaktionen basieren demnach auf einem Donator-Akzeptor-Prinzip.

Oxidationen sind mehr als Reaktionen mit Sauerstoff

Vielleicht habt ihr früher eine Redoxreaktion noch gleichgesetzt mit der Aufnahme bzw. Abgabe von Sauerstoff-Atomen. Diese Reaktionen beschreiben allerdings nur einen Teil aller Redoxreaktionen. Daher ist diese Definition nicht ausreichend.

Redoxgleichungen aufstellen

Beim Aufstellen einer Redoxgleichung ist es ratsam Schritt für Schritt vorzugehen und die einzelnen Teilgleichungen (Oxidation und Reduktion) zu formulieren bevor die Redoxgleichung und abschließend die Reaktionsgleichung aufgestellt werden können. Dies wird im Folgenden am Beispiel der Reaktion von Aluminium und Sauerstoff demonstriert.

1. Schritt: Aufstellen der Oxidationsgleichung
Eine Oxidation bedeutet, dass Elektronen abgegeben werden. Daher muss im ersten Schritt der Elektronendonator identifierziert werden. In diesem Beispiel sind es die Aluminium-Atome. Die Verbindung Aluminium befindet sich in der III. Hauptgruppe. Dies bedeutet, dass wir jedem Aluminium-Atom formal drei Außenelektronen zuordnen können. Wenn diese drei Außenelektronen abgegeben werden, ensteht ein Al³⁺-Ion. Dieses hat formal betrachtet die gleiche Elektronenkonfiguration wie ein Neon-Atom (Edelgaskonfiguration). 

Oxidation (Elektronenabgabe): Al → Al³⁺ + 3 e^-

2. Schritt: Aufstellen der Reduktionsgleichung
Eine Reduktion bedeutet, dass Elektronen aufgenommen werden. Daher muss in diesem Schritt der Elektronenakzeptor identifiziert werden. In diesem Beispiel sind es die Sauerstoff-Atome. Der Stoff Sauerstoff befindet sich in der VI. Hauptgruppe. Dies bedeutet, dass wir jedem Sauerstoff-Atom formal sechs Außenelektronen zuordnen können. Wenn nun zwei weitere Außenelektronen aufgenommen werden, entsteht ein O^2--Ion (Oxid-Ion). Dieses hat formal betrachtet die gleiche Elektronenkonfiguration wie ein Neon-Atom (Edelgaskonfiguration).

Reduktion (Elektronenaufnahme): O + 2 e^- → O^2-

Sauerstoff besteht allerdings aus Sauerstoff-Molekülen (O₂). Entsprechend werden hier vier Elektronen benötigt. Somit entstehen aus einem Sauerstoff-Molekül und vier weiteren Elektronen zwei O^2--Ionen.

Reduktion (Elektronenaufnahme): O₂ + 4 e^- → 2 O^2-

3. Schritt: Aufstellen der Redoxgleichung
Die Oxidations- und die Reduktionsgleichung können nun untereinander geschrieben werden. Hierbei gilt es zu beachten, dass die Anzahl an Elektronen in beiden Teilgleichungen gleich sein muss. Es können also nicht mehr Elektronen aufgenommen als abgegeben werden und umgekehrt. Um die Anzahl an übertragenden Elektronen zu ermitteln, muss das kleinste gemeinsame Vielfache gebildet werden. In diesem Beispiel bedeutet dies, dass formal 12 Elektronen übertragen werden.

Oxidation: Al → Al³⁺ + 3 e^- |*4
Reduktion: O₂ + 4 e^- → 2 O^2- |*3<hr>
</hr>Redoxreaktion (mit Elektronen): 4 Al + 3 O₂ + 12 e^- → 4 Al³⁺ + 6 O^2- + 12 e^- 
Redoxreaktion (ohne Elektronen): 4 Al + 3 O₂  → 4 Al³⁺ + 6 O^2- 

4. Schritt: Bestimmung der Verhältnisformel des Produkts und Aufstellen der Reaktionsgleichung
Um nun abschließend die Verhältnisformel des Produkts zu ermitteln, kann auch hier darauf zurückgegriffen werden, dass die Anzahl an Ladungsträgern ausgeglichen sein muss. In diesem Beispiel bedeutet dies, dass je zwei Al³⁺-Ionen und drei O^2--Ionen die folgende Formeleinheit bilden: Al₂O₃. Da in der Redoxgleichung allerdings insgesamt vier Al³⁺-Ionen und sechs O^2--Ionen (entsprechend des kleinsten gemeinsamen Vielfachen), erhalten wir als Reaktionsgleichung die folgende:

Reaktionsgleichung: 4 Al (s) + 3 O₂ (g)  → 2 Al₂O₃ (s)