Anorganische Chemie
Elektrochemie
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Die Oxidation ist eine chemische Reaktion. Was bei einer Oxidation genau passiert, erklären wir dir hier anhand von Beispielen. %Damit du das Thema noch schneller verstehst, haben wir ein kurzes Video für dich vorbereitet!

Was ist eine Oxidation?

An Silvester schaust du dir vielleicht gerne das Feuerwerk an. Ein Feuerwerk entsteht durch sogenannte Oxidationsreaktionen.

Darunter verstehst du eine chemische Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt. Deshalb bezeichnest du ihn als Elektronendonator. Der Elektronendonator wird dabei meistens von einem Oxidationsmittel (Stoff, der andere Stoffe oxidiert) unterstützt. 

Die allgemeine Oxidationsgleichung sieht so aus:

A \longrightarrow An+ + n e

Der Stoff A gibt also n Elektronen (e) ab. Dadurch steigt auch seine Oxidationszahl. Das n steht dabei für eine natürliche Zahl wie 1, 2, 3 etc. Die abgegebenen Elektronen werden bei der Gegenreaktion zur Oxidation von einem Stoff aufgenommen. Du bezeichnest die Gegenreaktion als Reduktion. Beide Reaktionen laufen immer gemeinsam ab und werden als Teilreaktionen einer Redoxreaktion bezeichnet. 

Oxidation Definition

Eine Oxidation (auch Oxydation) ist eine chemische Reaktion, bei der ein oxidierender Stoff Elektronen abgibt. Eine Oxidation kann mit und ohne Sauerstoff stattfinden.

Geschichte des Oxidationbegriffs

Der Begriff Oxidation stammt von Antoine Laurent de Lavoisier. Unter Oxidation verstand Lavoisier zunächst die Vereinigung von chemischen Elementen oder Verbindungen mit Sauerstoff. Später wurde der Begriff dann erweitert und die Abspaltung eines Wasserstoffatoms von einem Element oder einer Verbindung galt auch als Oxidation. 

Erst als man die Grundlagen eines Atomaufbaus (Bohrsches Atommodell ) und die Bildung von Ionen (geladene Teilchen) verstanden hatte, kamen auch die Elektronen ins Spiel. Ab dem Zeitpunkt wurde die Oxidation auch als Elektronenabgabe verstanden.

Oxidation mit Sauerstoff

Oxidationen finden in vielen Bereichen deines Alltags statt. Das liegt daran, dass auch alle Verbrennungsreaktionen eine Oxidation sind. Also wenn du zum Beispiel eine Kerze anzündest, Holz im Kamin verbrennst oder dein Automotor Benzin verbrennt, beobachtest du eine Oxidation. Dabei sind immer Kohlenstoff- und Sauerstoffatome beteiligt. Die Kohlenstoffatome geben dann ihre vier Valenzelektronen an den Sauerstoff ab. Durch die Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff entsteht Kohlenstoffdioxid:

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Kohlenstoff Oxidation

 

Die Verbrennung ist aber nur eines von vielen Beispielen für die Oxidation. Auch Alkohole, Aldehyde, Metalle, Zucker und Atome können oxidiert werden. Das schauen wir uns im Folgenden genauer an. 

Oxidation von Alkoholen

Bei Alkoholen unterscheidest du zwischen primären, sekundären und tertiären Alkoholen. Je nachdem, um welchen Alkohol es sich handelt, erhältst du durch das Oxidieren eine andere chemische Verbindung.

Merkkasten für die Oxidation von Alkoholen

Primäre Alkohole oxidieren zu Aldehyden, während sekundäre Alkohole zu Ketonen oxidieren. Tertiäre Alkohole können weder zu Aldehyden noch zu Ketonen reagieren, weil sie bereits mit drei anderen C-Atomen verbunden sind.

Meistens benötigst du für die Oxidationsreaktionen ein Oxidationsmittel %Verweis. Darunter verstehst du einen Stoff, der andere Stoffe oxidiert.

Stellen wir einmal die Oxidationsgleichung für Ethanol auf. Da Ethanol ein primärer Alkohol ist, entsteht durch Abgabe von zwei Elektronen ein Aldehyd, das du Ethanal nennst. Ethanol gibt zwei Elektronen ab, weil die Oxidationszahl beim Kohlenstoffatom des Alkohols bei -1 ist. Die Oxidationszahl beim C-Atom vom Aldehyd hingegen ist +1. Zusätzlich zu Ethanal entsteht bei der Oxidation auch noch Kupfer (Cu) und Wasser (H2O). Als Oxidationsmittel dient hier Kupferoxid (CuO).

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Ethanol Oxidation

 

Ein Beispiel für einen sekundären Alkohol ist Propan-2-ol. Der sekundäre Alkohol reagiert mithilfe von Permanganat (MnO4) zu Aceton. Dafür gibt Propan-2-ol zwei Elektronen ab, weil die Oxidationszahl von 0 auf +2 steigt. Neben Aceton entstehen auch noch Mangan-Ionen (Mn2+) und Wasser. 

Oxidation von sekundären Alkoholen
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Es handelt sich um einen sekundären Alkohol, wodurch ein Keton entsteht.

Als letztes betrachten wir noch die Oxidationsgleichung von 2-Methyl-2-Propanol. 

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Oxidation von tertiären Alkoholen

 

Es kann nicht vom Oxidationsmittel „angegriffen“ werden, da es bereits mit drei anderen C-Atomen verbunden ist. Es ist sozusagen kein „Platz“ für das Oxidationsmittel. Deswegen findet die Reaktion nicht statt und du erhältst weder ein Aldehyd noch ein Keton.  

Oxidation von Aldehyden

Bei der Oxidation von primären Alkoholen entsteht meistens ein Aldehyd. Das kann aber auch noch einmal oxidiert werden, wodurch oft eine Carbonsäure entsteht. 

Schauen wir uns dafür am besten das Aldehyd Ethanal an, welches durch die Oxidation von Ethanol entsteht.

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Oxidation von Aldehyden

 

Hier entsteht eine Carbonsäure – die Ethansäure bzw. Essigsäure – unter Abgabe von zwei Elektronen. Dafür wird ein starkes Oxidationsmittel nämlich Wasserstoffperoxid (H2O2) verwendet.

Oxidation von Metallen

Du kennst das bestimmt: Ein alter Nagel ist nicht mehr silberfarben, sondern braun. Er ist also verrostet. Das kannst du dir mit einer Oxidationsreaktion erklären. Häufig sind die Nägel aus Eisen (Symbol Fe) und werden durch den Regen nass. Dadurch wird Eisen oxidiert und gibt zwei Elektronen ab. Die Oxidationsgleichung dazu sieht so aus:

2 Fe + 2 H20 + O2 \longrightarrow 2 Fe2+ + 4 OH– + 2 e

Die hier entstandenen Produkte können dann mit dem Sauerstoff, der in der Luft vorhanden ist, weiter zu Eisen (III)-oxid (Fe2O3) und Eisen (II)-oxid (FeO) reagieren. Der Rost setzt sich aus den beiden Eisenoxiden zusammen. 

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Eisenoxidation

 

Ein anderes Beispiel für eine Eisenoxidation ist die Eisenwolle. Durch ein Experiment, in dem Eisenwolle verbrannt wurde, hat man festgestellt, dass die Eisenwolle nach der Verbrennung mehr wiegt als davor. Das liegt daran, dass auch hier Eisen mit Sauerstoff eine Verbindung eingeht,  wodurch Eisenoxide entstehen.

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Eisenwolle

Oxidation Glucose

Sogar in unserem Körper finden regelmäßig Oxidationen statt, die uns zur Energiegewinnung dienen. Wir nehmen nämlich über unsere Nahrung unter anderem Kohlenhydrate auf, die mithilfe von Enzymen zu Monosacchariden (Einfachzuckern) abgebaut werden. Die dadurch frei gewordene Energie können wir zum Beispiel für die Muskelkontraktion verwenden. Zu den Einfachzuckern gehört unter anderem der Traubenzucker Glucose mit der Summenformel C6H12O6.

Glucose dient als Brennstoff, der mithilfe des Sauerstoffs im Blut zu Kohlenstoffdioxid (CO2) oxidiert. Das Kohlenstoffdioxid geben wir dann durch Ausatmen wieder an die Luft ab. 

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Oxidation Glucose

Oxidation ohne Sauerstoff

Oxidationen können auch ohne Sauerstoff ablaufen. Deshalb gilt mittlerweile die Reaktion von Natrium (Na) und Chlor (Cl) zu Natriumchlorid (auch Kochsalz, NaCl) ebenfalls als Oxidation. 

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Oxidation ohne Sauerstoff

 

Bei der Reaktion wird Natrium zum Kation (Na+) oxidiert und gibt ein Elektron ab:

Na \longrightarrow Na+ + e.

Oxidationszahl

Um eine Oxidationsgleichung richtig aufstellen zu können, ist es hilfreich, wenn du die Oxidationszahlen bestimmen kannst. 

Dazu schauen wir uns die Oxidationszahl von Kohlenstoff an. Dabei kommt es darauf an, mit welchem anderen chemischen Element Kohlenstoff eine Verbindung eingeht. Dafür nehmen wir am besten zwei Beispiele: Methan und Methanol.

Methan hat die Summenformel CH4. In dem Molekül hat Kohlenstoff die Oxidationszahl -4.

Bei Methanol hat das C-Atom eine Oxidationszahl von -2. Das kommt daher, weil bei Methanol ein H-Atom durch eine Hydroxygruppe (OH) ausgetauscht wird. Du weißt nicht mehr, wie du die Oxidationszahlen bestimmen kannst? Dann schau dir einfach unser Video dazu an! Hier erklären wir dir anhand von vielen Beispielen und Übungen, wie du die Oxidationszahlen ganz leicht bestimmen kannst.

Zum Video: Oxidationszahlen bestimmen
Zum Video: Oxidationszahlen bestimmen

Oxidation Chemie

In der Chemie gibt es unterschiedliche Arten von Oxidationen. Wir haben hier ein paar für dich aufgelistet:

  • Beta-Oxidation (β-Oxidation): bezeichnet den biochemischen Abbaumechanismus von Fettsäuren. 
  • Swern-Oxidation: eine Reaktion, die nach dem Chemiker Daniel Swern benannt ist. Es handelt sich um eine Oxidation von primären oder sekundären Alkoholen zu Aldehyden oder Ketonen. Dazu werden organische Lösungsmittel benutzt.
  • Baeyer-Villiger-Oxidation: hier wird ein Keton zu einem Ester umgesetzt. 
  • Riley-Oxidation: die Reaktion erhielt ihren Namen von dem Chemiker Harry Lister Riley. Hier wird ein Keton oder ein Alken zu einem Aldehyd oxidiert. Dafür wird allerdings eine hochgiftige Verbindung (Selendioxid) verwendet.
  • Wacker-Oxidation: ermöglicht die Oxidation von Ethen zu Acetaldehyd.
  • Oppenauer-Oxidation: Ist nach dem Chemiker Rupert Viktor Oppenauer benannt und beschreibt die Herstellung von Ketonen aus sekundären Alkoholen.
  • Pinnick-Oxidation: wurde von Harold W. Pinnick entdeckt und bezeichnet die Oxidation von Aldehyden zu Carbonsäuren mithilfe von Natriumchlorit.

Oxidation Reduktion

Fassen wir noch einmal zusammen: Bei der Oxidation werden von einem Stoff ein oder mehrere Elektronen abgegeben. Deshalb kannst du den Stoff als Elektronendonator bezeichnen. 

Die abgegebenen Elektronen werden von einem anderen Stoff im selben Prozess wieder aufgenommen. Den Stoff kannst du dann als Elektronenakzeptor bezeichnen. Die dabei abgelaufene Reaktion – die Reduktion – ist das Gegenteil der Oxidation.

Die Gesamtreaktion aus Oxidation und Reduktion bezeichnest du als Redoxreaktion%Um die ganze Redoxreaktion zu verstehen, schau dir jetzt unbedingt unser Video zur Reduktion an! %Thumbnail Reduktion

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