Metalloxide und Sauerstoffübertragung (Donator-Akzeptor)
Auf der Bahnstrecke zwischen Köln und Düsseldorf werden Schienen oft mit einem Gemisch aus Eisenoxid und Aluminiumpulver verschweißt. Es entsteht flüssiges Eisen, das die Lücke zwischen den Schienen füllt. Woher kommt dieses Eisen, und warum reagiert ausgerechnet Aluminium mit dem Eisenoxid?
Metalloxide zerlegen
Ein Metalloxid ist eine Verbindung aus einem Metall und Sauerstoff. Es entsteht, wenn ein Metall mit Sauerstoff reagiert (Oxidbildung, wie bei der Verbrennung von Magnesium). Kann man diesen Weg auch rückwärts gehen?
Bei manchen Oxiden ja: Silberoxid zerfällt beim starken Erhitzen in Silber und Sauerstoff. Den Sauerstoff weist man mit der Glimmspanprobe nach.
$$\text{Silberoxid} \;\xrightarrow{\text{Wärme}}\; \text{Silber} + \text{Sauerstoff}$$Magnesiumoxid dagegen bleibt auch bei sehr hoher Temperatur unverändert. Der Unterschied liegt im Metall: Magnesium bindet Sauerstoff sehr fest, Silber nur schwach.
Silberoxid zerfällt beim starken Erhitzen in Silber und Sauerstoff. a) Stelle das Reaktionsschema in Worten auf. b) Erkläre, warum sich Silberoxid so leicht zerlegen…
Silberoxid zerfällt beim starken Erhitzen in Silber und Sauerstoff.
- a) Stelle das Reaktionsschema in Worten auf.
- b) Erkläre, warum sich Silberoxid so leicht zerlegen lässt, während Magnesiumoxid beim Erhitzen stabil bleibt.
Edle und unedle Metalle
Metalle reagieren sehr unterschiedlich mit Sauerstoff:
-
Unedle Metalle (z. B. Magnesium, Zink, Eisen) reagieren leicht mit Sauerstoff. Ihre Oxide sind stabil.
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Edle Metalle (z. B. Gold, Silber) reagieren kaum oder gar nicht. Kupfer zählt zu den edleren Metallen: Es reagiert nur beim Erhitzen mit Sauerstoff und hat eine deutlich kleinere Sauerstoffaffinität als Eisen oder Zink. Ihre Oxide zerfallen leicht oder entstehen gar nicht erst.
Gold findet man deshalb in der Natur als reines Metall, Eisen dagegen nur als Oxid (Eisenerz). Die Neigung eines Metalls, Sauerstoff zu binden, nennt man Sauerstoffaffinität. Unedle Metalle haben eine hohe, edle eine niedrige.
Eine Reihenfolge, die du für die Aufgaben brauchst (zunehmende Sauerstoffaffinität):
$$\text{Gold, Silber} < \text{Kupfer} < \text{Eisen} < \text{Zink} < \text{Magnesium} < \text{Aluminium}$$Auch Kohlenstoff kann Sauerstoff aufnehmen: Bei hoher Temperatur liegt er zwischen Eisen und Magnesium, sein Platz hängt von der Temperatur ab. Für die Aufgaben hier gilt: Mg > C > Fe > Cu. Seine Stellung gegenüber Zink wird hier nicht festgelegt.
Ordne die Metalle Gold, Zink, Silber, Eisen und Magnesium in die Gruppen „edle Metalle“ und „unedle Metalle“ ein. Begründe deine Einteilung mit der Reaktionsfähigkeit…
Ordne die Metalle Gold, Zink, Silber, Eisen und Magnesium in die Gruppen „edle Metalle“ und „unedle Metalle“ ein. Begründe deine Einteilung mit der Reaktionsfähigkeit gegenüber Sauerstoff.
Sauerstoffübertragung: Donator und Akzeptor
Erhitzt man Kupferoxid mit Kohlenstoff, passiert Folgendes: Das schwarze Pulver wird rotbraun (Kupfer entsteht), und das entstehende Gas trübt Kalkwasser (Kohlenstoffdioxid).
$$\text{Kupferoxid} + \text{Kohlenstoff} \;\to\; \text{Kupfer} + \text{Kohlenstoffdioxid}$$Der Sauerstoff wandert also vom Kupfer zum Kohlenstoff. Man sagt:
Warum läuft die Reaktion ab? Kohlenstoff hat eine höhere Sauerstoffaffinität als Kupfer. Das stärkere „Sauerstoff-Bindemetall“ nimmt dem schwächeren den Sauerstoff weg.
Das entstehende Wasser weist man mit weißem Kupfersulfat nach, das sich blau färbt, oder mit Watesmo-Papier (Wassernachweispapier).
Kupferoxid wird mit Kohlenstoff (Holzkohlepulver) gemischt und im Reagenzglas stark erhitzt. Dabei entsteht rotbraunes Kupfer, und ein eingeleitetes Gas trübt…
Kupferoxid wird mit Kohlenstoff (Holzkohlepulver) gemischt und im Reagenzglas stark erhitzt. Dabei entsteht rotbraunes Kupfer, und ein eingeleitetes Gas trübt Kalkwasser.
- a) Stelle das Reaktionsschema in Worten auf.
- b) Nenne den Sauerstoff-Donator und den Sauerstoff-Akzeptor.
Beim Versuch „Kupferoxid und Wasserstoff“ wird Wasserstoff über erhitztes schwarzes Kupferoxid geleitet. Das Pulver wird rotbraun, am kalten Teil des Glasrohrs schlägt…
Beim Versuch „Kupferoxid und Wasserstoff“ wird Wasserstoff über erhitztes schwarzes Kupferoxid geleitet. Das Pulver wird rotbraun, am kalten Teil des Glasrohrs schlägt sich eine Flüssigkeit nieder.
- a) Gib an, wie du die Flüssigkeit nachweisen könntest.
- b) Stelle das Reaktionsschema in Worten auf.
- c) Nenne den Sauerstoffdonator und den Sauerstoffakzeptor und erkläre, warum Wasserstoff hier als Reduktionsmittel wirkt.
Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion
Bei einer Sauerstoffübertragung passieren zwei Dinge zugleich:
Warum immer gleichzeitig? Sauerstoff kann nicht „im Nichts“ verschwinden: Wenn ihn ein Stoff abgibt, muss ihn ein anderer aufnehmen.
Der Akzeptor wirkt dabei als Reduktionsmittel, denn er reduziert das Oxid (Wasserstoff und Kohlenstoff sind solche Reduktionsmittel). Das Oxid ist das Oxidationsmittel. Auch Kohlenstoffdioxid kann Oxidationsmittel sein: Sehr unedle Metalle wie Magnesium entreißen ihm den Sauerstoff, deshalb brennt Magnesium sogar in CO₂ weiter und ein CO₂-Löscher hilft bei einem Magnesiumbrand nicht.
| Kupferoxid + Kohlenstoff | |
|---|---|
| Kupferoxid | gibt Sauerstoff ab: Donator, wird reduziert |
| Kohlenstoff | nimmt Sauerstoff auf: Akzeptor, wird oxidiert, wirkt als Reduktionsmittel |
Im Versuch wird ein Gemisch aus Eisenoxid und Aluminiumpulver (Thermitgemisch) gezündet. Es entsteht flüssiges Eisen und Aluminiumoxid, dabei wird sehr viel Wärme frei.…
Im Versuch wird ein Gemisch aus Eisenoxid und Aluminiumpulver (Thermitgemisch) gezündet. Es entsteht flüssiges Eisen und Aluminiumoxid, dabei wird sehr viel Wärme frei.
- a) Formuliere das Reaktionsschema in Worten.
- b) Bestimme Donator und Akzeptor der Sauerstoffübertragung.
- c) Ordne die Reaktion als Oxidation, Reduktion bzw. Redoxreaktion ein und begründe.
- d) Nenne eine Anwendung dieses Verfahrens aus dem Alltag oder der Technik, zum Beispiel bei der Bahn.
Ein Schüler behauptet: „Bei der Reaktion von Kupferoxid mit Kohlenstoff wird das Kupferoxid oxidiert, weil es Sauerstoff abgibt.“ a) Beurteile die Aussage und korrigiere…
Ein Schüler behauptet: „Bei der Reaktion von Kupferoxid mit Kohlenstoff wird das Kupferoxid oxidiert, weil es Sauerstoff abgibt.“
- a) Beurteile die Aussage und korrigiere sie gegebenenfalls.
- b) Erkläre, warum Oxidation und Reduktion immer gleichzeitig ablaufen und deshalb von einer Redoxreaktion gesprochen wird.
- c) Entwickle ein Beispiel einer Sauerstoffübertragung, bei der ein Metall als Sauerstoff-Akzeptor und ein anderes als Sauerstoff-Donator (als Oxid) auftritt.
Wer gewinnt den Sauerstoff? Vorhersagen und Experimentieren
Mit der Reihe der Sauerstoffaffinität kannst du Reaktionen vorhersagen:
Reihe der Metalle (steigend): Cu < Fe < Zn < Mg. Kohlenstoff liegt bei hoher Temperatur zwischen Eisen und Magnesium (Fe < C < Mg). Seine Stellung gegenüber Zink brauchst du hier nicht festzulegen.
Versuchsplanung: Reihenfolge ermitteln
Um die Reihenfolge von Zink, Eisen und Kupfer zu bestimmen, gehst du so vor (Versuchsprotokoll):
-
Fragestellung: Welches der Metalle nimmt Sauerstoff am stärksten auf?
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Vermutung: z. B. Zink > Eisen > Kupfer.
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Durchführung: Jedes Oxid wird in einem Reagenzglas mit jedem der beiden anderen Metallpulver gemischt und mit dem Gasbrenner erhitzt.
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Beobachtung: Aufglühen oder Farbänderung zeigt eine Reaktion.
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Auswertung: Ein Metall, das ein fremdes Oxid reduziert, steht in der Reihe weiter oben.
Sicherheit: Schutzbrille tragen, Reagenzglas schräg und mit der Öffnung von Personen weghalten, auf feuerfeste Unterlage achten (Haare zusammenbinden).
Ein Schüler erhitzt Kupferoxid zusammen mit Magnesiumpulver und beobachtet ein starkes Aufglühen. Mit Zinkoxid und Kupferpulver beobachtet er dagegen keine Reaktion. a)…
Ein Schüler erhitzt Kupferoxid zusammen mit Magnesiumpulver und beobachtet ein starkes Aufglühen. Mit Zinkoxid und Kupferpulver beobachtet er dagegen keine Reaktion.
- a) Formuliere für die Reaktion, die abläuft, das Wortschema.
- b) Erkläre die Beobachtungen mithilfe der Begriffe „unedel“ und „edel“.
- c) Ordne Magnesium, Zink und Kupfer nach zunehmender Sauerstoffaffinität (Neigung, Sauerstoff zu binden).
Drei Reagenzgläser enthalten jeweils ein Gemisch: (1) Eisenoxid + Kohlenstoff, (2) Eisenoxid + Kupfer, (3) Eisenoxid + Magnesium. Die Gemische werden stark erhitzt. a)…
Drei Reagenzgläser enthalten jeweils ein Gemisch: (1) Eisenoxid + Kohlenstoff, (2) Eisenoxid + Kupfer, (3) Eisenoxid + Magnesium. Die Gemische werden stark erhitzt.
- a) Sage begründet voraus, in welchen Fällen eine Reaktion eintritt. Nutze dafür die Sauerstoffaffinität der Elemente (Mg > C > Fe > Cu).
- b) Formuliere für jede ablaufende Reaktion das Wortschema und markiere Donator und Akzeptor.
- c) Beurteile, welches der Gemische sich für die technische Gewinnung von Eisen eignet, und berücksichtige dabei auch Kosten und Verfügbarkeit.
Du sollst experimentell die Reihenfolge der Sauerstoffaffinität von Zink, Eisen und Kupfer ermitteln. Dir stehen Zinkoxid, Eisenoxid, Kupferoxid und die drei…
Du sollst experimentell die Reihenfolge der Sauerstoffaffinität von Zink, Eisen und Kupfer ermitteln. Dir stehen Zinkoxid, Eisenoxid, Kupferoxid und die drei Metallpulver zur Verfügung.
- a) Plane einen Versuch: Formuliere Fragestellung und Vermutung und beschreibe Durchführung und Beobachtungen, die du erwartest.
- b) Nenne zwei Sicherheitsmaßnahmen.
- c) Erkläre, wie du aus den Ergebnissen die Reihenfolge ableitest.
Zurück zum Anfang: Beim Thermitverfahren gibt Eisenoxid seinen Sauerstoff an Aluminium ab, weil Aluminium unedler ist als Eisen. Es entstehen flüssiges Eisen und Aluminiumoxid, dabei wird viel Wärme frei. Mit dem heißen Eisen werden Schienen verschweißt.