Oxidation

Kernbegriff und Redoxreaktion

Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Ion oder ein Atom ein oder mehrere Elektronen abgibt. Das Atom kann einzeln vorliegen oder Teil eines Moleküls sein. Durch die Elektronenabgabe erhöht sich sein Oxidationszustand. Formal erkennt man das an der Erhöhung der Oxidationszahl; die Erhöhung entspricht der Anzahl der abgegebenen Elektronen.

Allgemein lässt sich eine Oxidation so schreiben: A → A^{n+} + n e^-. Der Stoff A gibt dabei n Elektronen ab.

Zu jeder Oxidation gehört in einer Redoxreaktion eine Reduktion. Das Oxidationsmittel ist der Stoff, das Atom, Ion oder Molekül, das die abgegebenen Elektronen aufnimmt und dadurch selbst reduziert wird. Oxidation und Reduktion sind also die zwei Teilreaktionen einer Redoxreaktion.

Eine Oxidation ist gewöhnlich exotherm, das heißt, sie gibt Energie ab. Für die umgekehrte Reaktion, die Reduktion, muss gewöhnlich Energie aufgewendet werden. Es gibt aber Ausnahmen: Die Oxidation von Wasser zu Wasserstoffperoxid ist endotherm, die Rückreaktion entsprechend exotherm.

Eine besondere Redoxreaktion ist die Disproportionierung. Dabei gehen Elemente mit mittlerer Oxidationsstufe in Formen mit niedrigerer und höherer Oxidationsstufe über. Ein Beispiel ist die Reaktion 2 H2O2 → 2 H2O + O2: Zwei Moleküle Wasserstoffperoxid disproportionieren zu Wasser und Sauerstoff.

Entwicklung des Begriffs

Der Begriff Oxidation wurde ursprünglich von Antoine Laurent de Lavoisier geprägt. Er meinte damit die Vereinigung von Elementen und chemischen Verbindungen mit Sauerstoff, also die Bildung von Oxiden. Sauerstoff hieß dabei Oxygenium, französisch oxygène.

Später wurde der Begriff erweitert. Man bezog auch Reaktionen ein, bei denen einer Verbindung Wasserstoffatome entzogen werden. Diese Abspaltung von Wasserstoff heißt Dehydrierung. In vielen biochemischen Vorgängen entziehen bestimmte Coenzyme wie NAD, NADP und FAD organischen Verbindungen Wasserstoffatome.

Mit der Ionentheorie und dem Bohrschen Atommodell wurde Oxidation schließlich elektronentheoretisch verstanden. Seitdem gilt als entscheidendes Merkmal: Ein chemischer Stoff gibt Elektronen ab und wird dadurch oxidiert.

Oxidation mit Sauerstoff

Früher nannte man vor allem Reaktionen mit Sauerstoff Oxidation. Eine Oxidation, bei der Wärme und Licht ausgesendet werden, heißt Verbrennung oder Feuer. Dazu gehören zum Beispiel Feuerwerk und die Verbrennung von Stoffen an der Luft.

Klassische Beispiele sind Verbrennungen kohlenstoffhaltiger Stoffe mit Luftsauerstoff, etwa Kohle, Holz, Erdgas, Flüssiggas, Benzin im Motor oder Kerzenwachs. Dabei gibt jedes Kohlenstoff-Atom vier Elektronen an zwei Sauerstoff-Atome ab. Es bilden sich zwei Doppelbindungen zwischen dem Kohlenstoff-Atom und den beiden Sauerstoff-Atomen; es entsteht Kohlenstoffdioxid, CO2. Die Reaktionsgleichung lautet: C + O2 → CO2.

Auch im Körper werden Nahrungsbestandteile in vielen Schritten des biochemischen Stoffwechsels oxidiert. Dabei entstehen unter anderem körpereigene Stoffe und am Ende auch Kohlenstoffdioxid unter Bildung von Wasser. Ein genanntes Beispiel ist die β-Oxidation von Fettsäuren. Bei der enzymatischen Bräunung werden ebenfalls Bestandteile eines Lebensmittels oxidiert.

Organische Stoffe können auch außerhalb von Lebewesen mit Sauerstoff reagieren. Ein primärer Alkohol, also ein Alkanol, kann schrittweise sanft oxidiert werden: Zuerst entsteht ein Aldehyd, auch Alkanal genannt, und bei weiterer Oxidation eine Carbonsäure, auch Alkansäure. Bei energischer Oxidation primärer Alkohole entstehen direkt Carbonsäuren. Wird ein sekundärer Alkohol oxidiert, entsteht ein Keton, also ein Alkanon. Tertiäre Alkohole können wegen ihrer bereits vorhandenen drei C-Bindungen nicht zu Carbonylverbindungen oxidiert werden.

Weitere bekannte Beispiele sind Korrosion und Schutzschichten: Eisen bildet unter dem Einfluss von Sauerstoff verschiedene Eisenoxide, also Rost, darunter Fe2O3, Fe3O4 und FeO. Reines, blankes Aluminium bildet an der Luft schnell eine sehr dünne, aber fest haftende Schutzschicht aus Aluminiumoxid. Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht Wasser, auch Wasserstoffoxid genannt: 2 H2 + O2 → 2 H2O.

Moderne Definition mit Elektronen

Auch heute verbindet man Oxidation häufig mit der Reaktion mit Luftsauerstoff und der Bildung von Oxiden. Nach der allgemeineren modernen Definition ist die Reaktion mit Sauerstoff aber nur ein Typ von vielen Oxidationsreaktionen. Entscheidend ist die Elektronenabgabe; sie wird mit der Valenzelektronentheorie erklärt.

Bei der Reaktion eines Metallatoms mit Sauerstoff lässt sich die Bildung eines Metalloxids in Teilreaktionen beschreiben. Die Oxidation lautet: M → M^{2+} + 2 e^-. Das Metall M gibt zwei Elektronen ab und wird zum Metall-Kation oxidiert.

Die Reduktion lautet: O2 + 4 e^- → 2 O^{2-}. Sauerstoff nimmt pro Atom zwei Elektronen auf und wird zum Oxid-Anion reduziert. Zusammen ergibt sich die Redoxreaktion: 2 M + O2 → 2 M^{2+} + 2 O^{2-}. Sauerstoff oxidiert das Metall und wird dabei selbst reduziert.

Der Grund liegt in der Elektronenstruktur: Sauerstoff ist bestrebt, durch Aufnahme von zwei Elektronen eine stabile Valenzelektronenschale mit insgesamt acht Elektronen aufzubauen. Das nennt man Oktettregel. Das Metall kann durch Abgabe von Elektronen teilbesetzte Schalen auflösen und so die nächstniedrigere stabile Elektronenkonfiguration erreichen.

Oxidation ohne Sauerstoff

Der erweiterte Begriff der Oxidation gilt auch für Reaktionen, an denen kein Sauerstoff beteiligt ist. In diesem Sinn bedeutet Oxidation nur: Elektronen werden abgegeben.

Ein Beispiel ist die Reaktion von Natrium mit Chlor. Das Natriumatom gibt ein Elektron an das Chloratom ab. Dadurch wird Natrium zum Natrium-Kation oxidiert: Na → Na+ + e^-. Gleichzeitig wird Chlor durch Aufnahme des Elektrons zum Chlorid-Anion reduziert: Cl + e^- → Cl^-.

Die Gesamtreaktion kann zunächst so geschrieben werden: Na + Cl → Na+ + Cl^-. Natrium und Chlor reagieren also in einer Redoxreaktion miteinander und bilden Natriumchlorid.

Da Chlor in der Natur als zweiatomiges Molekül Cl2 vorkommt und so in die Reaktion eingeht, muss die Reaktionsgleichung stöchiometrisch richtig lauten: 2 Na + Cl2 → 2 Na+ + 2 Cl^- (2 NaCl).