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Reduktion (Chemie)
Eine Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der ein Ion oder ein Atom als solches oder als Bestandteil eines Moleküls ein oder mehrere Elektronen …
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Kernbegriff
Eine Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der ein Ion oder ein Atom, entweder frei oder als Teil eines Moleküls, ein oder mehrere Elektronen aufnimmt. Dadurch verringert sich sein Oxidationszustand. Formal erkennt man das an einer Verringerung der Oxidationszahl. Die Abnahme der Oxidationszahl entspricht der Anzahl der aufgenommenen Elektronen.
Eine Reduktion tritt immer zusammen mit einer Oxidation auf. Die Oxidation ist die Abgabe von Elektronen und führt zu einer Erhöhung der Oxidationszahl. Zusammen bilden beide Teilreaktionen eine Redoxreaktion. Das Reduktionsmittel ist die Substanz, das Atom, Ion oder Molekül, das Elektronen abgibt und dabei selbst oxidiert wird.
Allgemeine Definition
Allgemein lässt sich eine Reduktion so schreiben: Ox + n e⁻ → Red. Dabei nimmt das Teilchen Ox ein oder mehrere Elektronen auf und wird zu Red. Ox wirkt als Elektronenakzeptor, also als Teilchen, das Elektronen aufnimmt. Ox und Red bilden zusammen ein Redox-Paar.
Die Elektronen stammen von einem zweiten Redox-Paar, bei dem gleichzeitig eine Oxidation stattfindet. In der Elektrochemie, zum Beispiel bei einer Elektrolyse oder in einer galvanischen Zelle, ist dieser Elektronentransfer zwischen zwei Redox-Paaren messbar. In anderen Fällen erkennt man die Reduktion vor allem daran, dass die Oxidationszahl des reduzierten Teilchens sinkt.
Wird eine Reduktion als Gleichgewichtsreaktion betrachtet, ist die Rückreaktion eine Oxidation. Ein Beispiel dafür sind Gleichgewichte in einem nicht genutzten Akkumulator: Beim Entladen läuft die Teilreaktion in die eine Richtung, beim Laden wird die Reaktionsrichtung umgekehrt. Obwohl Reduktion nie ohne Oxidation abläuft, spricht man oft verkürzt von einer Reduktion, wenn das gewünschte Produkt im Mittelpunkt steht, etwa bei der Reduktion von Eisenerz zu elementarem Eisen oder bei der kathodischen Reduktion von Aluminiumoxid zu Aluminium.
Elektronenaufnahme und Oxidationszahl
Ein typisches Beispiel ist ein Eisennagel in einer wässrigen Kupfer(II)-sulfatlösung. Auf dem Nagel bildet sich ein rotbrauner Belag aus metallischem Kupfer. Dabei wird Kupfer reduziert: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu. Das Eisen wird gleichzeitig oxidiert: Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻. Insgesamt gilt: Fe + Cu²⁺ → Cu + Fe²⁺.
In diesem Beispiel ist Eisen das Reduktionsmittel, weil es die Reduktion des Kupfers ermöglicht und selbst oxidiert wird. Die Ladungen der Teilchen entsprechen hier ihren Oxidationszahlen: Kupfer geht von +2 auf ±0 über, Eisen von ±0 auf +2.
Auch die thermische Zersetzung von Silber(I)-oxid ist eine Redoxreaktion. Beim Erhitzen entsteht aus Silber(I)-oxid elementares Silber und Sauerstoff: 2 Ag₂O → 4 Ag + O₂. Silber wird dabei reduziert, weil Ag⁺ Elektronen aufnimmt und zu Ag mit Oxidationszahl ±0 wird. Sauerstoff wird oxidiert, weil O²⁻ zu O₂ mit Oxidationszahl ±0 wird.
Reduktion mit Wasserstoff
Bei der Umsetzung von Kupfer(II)-oxid mit Wasserstoff wird Kupfer reduziert. Die Reaktion lautet: CuO + H₂ → Cu + H₂O. Wasserstoff wirkt als Reduktionsmittel. Die Oxidationsstufe des Kupfers sinkt von +2 auf ±0. Wasserstoff wird dabei formal oxidiert: H₂ gibt Elektronen ab und bildet formal H⁺-Ionen, die mit O²⁻ zu Wasser reagieren.
Entsprechend wird bei der Umsetzung von Eisen(III)-oxid mit Wasserstoff Eisen reduziert: Fe₂O₃ + 3 H₂ → 2 Fe + 3 H₂O. Der Sauerstoff wird in Form von Wasser gebunden, während elementares Eisen entsteht. Diese Reaktionen zeigen die ältere Vorstellung der Reduktion als Entzug von Sauerstoff, lassen sich aber heute mit Elektronenübertragung und Oxidationszahlen erklären.
Addition von Wasserstoff
Auch die Aufnahme von Wasserstoff durch organische Verbindungen kann eine Reduktion sein. Dabei verringert sich die Oxidationszahl eines oder mehrerer Kohlenstoffatome. Bei der katalytischen Hydrierung von 2-Buten entsteht Butan. Die ehemals durch eine Doppelbindung verbundenen Kohlenstoffatome ändern ihre Oxidationszahlen von −1 auf −2. Formal nehmen sie jeweils ein Elektron und ein Proton auf.
Aus Sicht des Edukts 2-Buten ist die Reaktion eine Reduktion zu Butan. Oft wird sie aber auch als Additionsreaktion betrachtet; aus dieser Perspektive stehen nicht die Oxidationsstufen, sondern das Anlagern von Wasserstoff im Vordergrund.
Besonders häufig spricht man bei sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen von Reduktion, zum Beispiel bei der Umsetzung von Ketonen oder Aldehyden zu Alkoholen. Nimmt Acetaldehyd Wasserstoff auf, entsteht Ethanol; dabei ändert sich die Oxidationsstufe der Carbonylgruppe von +1 nach −1. In der Biochemie sind Reduktionen wichtig, weil in vielen Stoffwechselwegen Wasserstoff übertragen wird. Coenzyme wie NADH, NADPH oder FADH können formal ein Hydridion oder Wasserstoff auf eine andere Verbindung übertragen.
Historische Entwicklung
Der ursprüngliche Reduktionsbegriff ist älter als der Oxidationsbegriff und geht auf Joachim Jungius (1587–1657) zurück. Damals bedeutete Reduktion vor allem die Rückgewinnung von Metallen aus Erzen. Ein Beispiel ist die Gewinnung von Quecksilber aus Zinnober, der im Wesentlichen aus Quecksilbersulfid besteht. Beim Erhitzen entstehen Quecksilber und Schwefel.
Später wurde Reduktion enger verstanden: als Reaktion, bei der eine Oxidation rückgängig gemacht wird. Oxidation bedeutete nach den Erkenntnissen von Antoine Laurent de Lavoisier die Vereinigung eines Elements oder einer Verbindung mit Sauerstoff. Beispiele sind der Zerfall von Silber(I)-oxid beim Erhitzen oder der Sauerstoffentzug aus Kupfer(II)-oxid und Eisen(III)-oxid durch Wasserstoff.
Heute ist der Begriff breiter. Reduktion ist nicht mehr auf sauerstoffhaltige Verbindungen beschränkt, sondern wird allgemein über Elektronenaufnahme und Verringerung der Oxidationszahl definiert. Die ältere Sicht, etwa der Sauerstoffentzug aus Metalloxiden, ist darin als Spezialfall enthalten.
