Oxidation

chemische Reaktion, bei der Elektronen abgegeben werden

Die Oxidation (auch Oxydation) ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom oder ein Ion (als solches oder als Bestandteil eines Moleküls) ein oder mehrere Elektronen abgibt und dadurch seinen Oxidationszustand erhöht. Die Erhöhung des Oxidationszustandes wird formal durch die Erhöhung der sog. Oxidationszahl desjenigen Atoms im Molekül kenntlich gemacht, das für die Oxidation verantwortlich ist. Die Erhöhung der Oxidationszahl entspricht der Anzahl der abgegebenen Elektronen.[1] Als Oxidationsmittel bezeichnet man die Substanz (Atom, Ion, Molekül), die die Elektronen aufnimmt und dadurch reduziert wird. Beide Reaktionen zusammen werden als die zwei Teilreaktionen der ablaufenden Redoxreaktion bezeichnet.

Oxidiertes (verrostetes) Eisen
Oxidation:
Stoff A gibt n Elektronen ab.

Geschichte und ursprüngliche Bedeutung

Der Begriff Oxidation wurde ursprünglich von dem Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier geprägt. Er meinte damit die Vereinigung von Elementen und chemischen Verbindungen mit dem Element Sauerstoff (Oxygenium, franz.: oxygène) und wollte damit also die Bildung von Oxiden, beschreiben.

Später erfolgte eine Erweiterung des Begriffs, indem man Reaktionen mit einbezog, bei denen einer Verbindung Wasserstoffatome entzogen wurden (Dehydrierung). So werden z. B. bei vielen biochemischen Vorgängen organischen Verbindungen Wasserstoffatome durch bestimmte Coenzyme (NAD, NADP, FAD) „entrissen“.

Auf Grundlage der Ionentheorie und des Bohrschen Atommodells wurde die Oxidation schließlich unter elektronentheoretischen Gesichtspunkten interpretiert und verallgemeinert. Seitdem wird das Charakteristische an einer Oxidation in der Abgabe von Elektronen eines chemischen Stoffes gesehen, der durch Abgabe der Elektronen oxidiert wird.

 
Feuerwerk beim Japan-Tag in Düsseldorf

Klassische Beispiele

  • Als Oxidation bezeichnete man früher chemische Reaktionen mit Sauerstoff. Oxidationen unter Erscheinung von Flammen werden als Verbrennungen oder als Feuer bezeichnet. Dazu zählt auch das Feuerwerk.
  • Klassische Beispiele für Oxidationen durch Sauerstoff sind alle Arten von Verbrennungen, wie z. B. die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen unter Luftsauerstoff, beispielsweise Verbrennung von Kohle, Holz, Erdgas, Flüssiggas, Benzin im Motor, Kerzen usw. Bei diesen Verbrennungen gibt jedes Kohlenstoff-Atom seine vier Elektronen an zwei Sauerstoff-Atome ab, so dass es zur Ausbildung von zwei Doppelbindungen zwischen dem C-Atom und den beiden O-Atomen kommt. Es entsteht Kohlenstoffdioxid (CO2).
 
Kohlenstoff + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid
  • Eisen korrodiert unter dem Einfluss von Sauerstoff und bildet verschiedene Eisenoxide (Rost, Fe2O3, Fe3O4, FeO).
  • Aluminium überzieht sich durch Luftoxidation mit einer Schutzschicht aus Aluminiumoxid.
  • Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff (siehe Knallgas) entsteht Wasser (Wasserstoffoxid, H2O):
 
Wasserstoff + Sauerstoff (Knallgas) reagieren zu Wasser

Moderne Definition

 
Ein entzündetes Streichholz

Auch heute noch assoziiert man mit dem Begriff Oxidation häufig die Umsetzung mit (Luft-)Sauerstoff und die Bildung von Oxiden. Jedoch ist gemäß der allgemeineren, moderneren Definition die Oxidation mit Sauerstoff nur ein Typ von vielen möglichen Oxidationsreaktionen mit anderen Oxidationsmitteln, die sich mit Hilfe der Valenzelektronentheorie erklären lassen Reagiert z. B. ein Metallatom mit einem Sauerstoff-Atom, so kann man die Oxidation des Metalls und somit die Metalloxidbildung mit Hilfe folgender Reaktionsgleichungen beschreiben:

Oxidation:
 
Oxidation: Das Metall M gibt zwei Elektronen ab.
Reduktion:
 
Reduktion: Sauerstoff nimmt pro Atom je zwei Elektronen auf.
 
Redoxreaktion: Sauerstoff oxidiert das Metall und wird dabei selbst reduziert.

Sauerstoff hat in diesem Fall die Tendenz, durch Aufnahme von zwei Elektronen eine stabile Valenzelektronenschale mit insgesamt acht Elektronen aufzubauen (Oktettregel). Das Metall wiederum kann durch Abgabe der Elektronen teilbesetzte Schalen auflösen und so die nächstniedrigere stabile Elektronenkonfiguration erreichen.

Oxidation ohne Sauerstoff

Der erweiterte Begriff der Oxidation wird heute auf Reaktionen angewandt, die nach dem gleichen chemischen Prinzip ablaufen, auch wenn kein Sauerstoff daran beteiligt ist. In diesem Sinne bedeutet Oxidation das Abgeben von Elektronen. Zum Beispiel gibt bei der Reaktion von Natrium und Chlor zu Natriumchlorid das Natriumatom ein Elektron an das Chloratom ab, Natrium wird damit zum Natrium-Kation oxidiert und im Gegenzug wird Chlor zum Chlorid reduziert.

Teilreaktion Oxidation
 
Natrium gibt ein Elektron ab: Oxidation zum Natrium-Kation.
Teilreaktion Reduktion
 
Im Gegenzug wird Chlor durch Aufnahme eines Elektrons zum Chlorid-Anion reduziert.
Gesamtreaktion
 
Natrium und Chlor reagieren in einer Redoxreaktion miteinander und bilden Natriumchlorid.

Da Chlor nur molekular als Cl2 in die Reaktion eingeht, schreibt man stöchiometrisch richtig:

 

Weblinks

Commons: Oxidation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Oxidation – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wiktionary: Oxydation – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson, Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997), doi:10.1351/goldbook.O04362.
  2. Ulrich Lüning: Organische Reaktionen, 2. Auflage, Elsevier GmbH, München, 2007, S. 145, ISBN 978-3-8274-1834-0.
  3. Hans Beyer und Wolfgang Walter: Organische Chemie, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1984, S. 201, ISBN 3-7776-0406-2.