Oxidation

Was ist eine Oxidation?

Eine Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Stoff eine bestimmte Anzahl von Elektronen abgibt. Dabei wird der Stoff oxidiert. Du nennst ihn Elektronendonator. Ein anderer Stoff, der Elektronenakzeptor genannt wird, nimmt die Elektronen auf und wird dabei reduziert.

Beide Teilreaktionen laufen immer zusammen ab. Du bezeichnest das als Redoxreaktion .

Die allgemeine Reaktionsgleichung einer Oxidation siehst du hier, wobei n für die Anzahl der Elektronen (e^– ) steht:

A Aⁿ⁺ + n e^–

Bei einer Oxidation ändert sich die Oxidationsstufe des Stoffes. Die Änderung beschreibst du mit der Oxidationszahl. Durch die Elektronenabgabe steigt die Oxidationszahl um die Anzahl der abgegebenen Elektronen.

Wie läuft eine Oxidation ab?

Eine Oxidation tritt immer in Kombination mit einer Reduktion auf. Hierbei nimmt der Reaktionspartner die in der Oxidation abgegebenen Elektronen auf. Den oxidierten Stoff nennst du auch Reduktionsmittel. Oxidation und Reduktion sind Teilreaktionen, die du zusammen als Redoxreaktion beschreibst.

A A⁺ + e^–

B + e^– B^–

A + B A⁺ + B^–

Das Oxidationsmittel B oxidiert A. Gleichzeitig reduziert A den Stoff B. Die Anzahl der ausgetauschten Elektronen kann bei Redoxreaktionen sehr unterschiedlich sein.

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Geschichte des Oxidationbegriffs

Der Begriff der Oxidation hat seinen Ursprung im 18. Jahrhundert bei dem Chemiker Antoine Lavoisier. Für ihn war die Oxidation eines Stoffes die Reaktion mit Sauerstoff. Er beschrieb so die Bildung von Oxiden in der Chemie.

Der Begriff der Oxidation wurde später erweitert. Neben der Aufnahme von Sauerstoff zählte nun auch die Abgabe von Wasserstoffatomen aus Molekülen dazu. Das bezeichnest du als Dehydrierungen.

Dass es sich bei einer Oxidation um eine Elektronenabgabe handelt, wurde erst später definiert und verallgemeinert. Wichtige Grundlage war das Bohrsche Atommodell . Dadurch konnten Wissenschaftler den Aufbau der Atome und die Bildung von Ionen besser verstehen.

Oxidation durch Sauerstoff

Früher stand der Begriff Oxidation häufig für eine Reaktion mit Sauerstoff. Auch heute verstehen wir meist unter Oxidation noch eine Reaktion mit Sauerstoff. Das liegt daran, dass alle Verbrennungsreaktionen Oxidationen sind.

Oxidation durch Verbrennung

Bei der Verbrennung von Holz im Kamin zum Beispiel reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid (CO₂). Hierbei gibt der Kohlenstoff Elektronen ab und ändert seine Oxidationszahl von 0 zu +4. Du erkennst an der Lewis-Formel von CO₂, dass alle Atome die Oktettregel erfüllen. Wenn du die Bestimmung der Oxidationszahlen nochmal wiederholen möchtest, schaue dir unser Video dazu an!

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Oxidation von Metallen

Auch Metalle wie Eisen kannst du durch Verbrennung oxidieren. Dabei bilden sich meist die entsprechenden Metalloxide. Außerdem können Metalle auch langsam oxidieren, wenn sie sich in feuchter Umgebung befinden. Der Prozess ist dir sicher aus dem Alltag bekannt. Du nennst ihn Rosten . Dabei bildet sich aus Eisen mit der Zeit Eisenhydroxid.

2 Fe + 1.5 O₂ + 3 H₂0 2 Fe(OH)₃

Eine Verbrennung ist nur eines von vielen Beispielen für eine Oxidation. Neben Sauerstoff gibt es viele weitere Oxidationsmittel. 

Oxidationen ohne Sauerstoff

Unter einer Oxidation „ohne Sauerstoff“ verstehst du, dass auch andere Elemente und chemische Verbindungen Oxidationsmittel sein können. Hierfür schauen wir uns im Folgenden ausgewählte Beispiele an.

Oxidation von Natrium

Bei der Reaktion von Natrium (Na) und Chlor (Cl) zu Natriumchlorid (auch Kochsalz, NaCl) findet ebenfalls eine Oxidation statt. Dabei wird Natrium zum Kation (Na⁺) oxidiert und gibt sein einziges Valenzelektron ab.

Na Na⁺ + e^–

Chlor ist hierbei das Oxidationsmittel. Weil Chlor nur molekular (Cl₂) vorkommt, nimmt es bei der Reduktion zwei Elektronen auf. Du musst die Stöchiometrie berücksichtigen.

2 Na + Cl₂ 2 NaCl

Auch organische Verbindungen wie Alkohole und Aldehyde kannst du mit geeigneten Oxidationsmittel oxidieren. Dabei musst du zunächst für die Alkohole eine Unterscheidung treffen. Beachte hier, dass die Oxidation nicht bei jedem Alkohol gleich verläuft.

Oxidation von Alkoholen

Bei Alkoholen unterscheidest du zwischen primären, sekundären und tertiären Alkoholen. Die Oxidationen von primären und sekundären Alkoholen liefern verschiedene Produkte. Im Gegensatz dazu sind tertiäre Alkohole nicht für die Oxidation geeignet. Bei der Oxidation eines primären Alkohols bildet sich ein Aldehyd, während sekundäre Alkohole zu Ketonen reagieren.

Beispiel 1: Als Beispiel betrachten wir die Oxidation von Ethanol. Der Kohlenstoff in Ethanol gibt bei der Oxidation zu Ethanal zwei Elektronen ab. Du erkennst es an der Änderung der Oxidationszahl (-1 zu +1). Dein Oxidationsmittel ist hier Kupferoxid (CuO), welches selbst zu Kupfer reduziert wird.

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Beispiel 2: Ein Beispiel für einen sekundären Alkohol ist Propan-2-ol. Er reagiert mit dem Oxidationsmittel Permanganat (MnO₄^–) zu Aceton. Dafür gibt der Kohlenstoff in Propan-2-ol zwei Elektronen ab. Mangan wird dabei reduziert. 

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Oxidation von Aldehyden

Bei der Oxidation von primären Alkoholen entsteht meistens ein Aldehyd. Allerdings kannst du den Aldehyd auch nochmal oxidieren, wodurch eine Carbonsäure entsteht. Du nennst es auch vollständige Oxidation.

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Oxidation in der Biologie

Natürlich treten auch Oxidationsreaktionen in deinem Stoffwechsel auf. In biochemischen Prozessen erkennst du eine Oxidation häufig daran, dass gebundene Wasserstoffatome dein Molekül verlassen. Ein Beispiel ist die Oxidation des Coenzyms NADH zu NAD⁺.

Oxidationsreaktionen: Expertenwissen

Dir begegnen in der Chemie viele verschiedene Arten von Oxidationsreaktionen. Vor allem in der organischen Chemie existieren einige Reaktionen, deren Namen auf bekannte Chemiker zurückgehen. Wir haben für dich ein paar aufgelistet:

• Baeyer-Villiger-Oxidation: Umsetzung eines Ketons zu einem Ester mit Hilfe von Percarbonsäuren
• Wacker-Oxidation: großtechnischer Prozess in der chemischen Industrie; Oxidation von Ethen zu Ethanal mit einem Katalysator
• Oppenauer-Oxidation: Oxidation von Ketonen aus sekundären Alkoholen

Oxidation und Reduktion

Du kennst dich jetzt gut mit der Oxidation, ihren Bestandteilen sowie einigen Beispielen aus. Schau dir jetzt noch unser Video zur Reduktion an, damit du über beide Teilreaktionen der Redoxreaktion Bescheid weißt!