Grundlagen und Prinzipien
Wir nähern uns langsam der Oxidation. Das Periodensystem der Elemente (PSE) ist eine Anordnung der chemischen Elemente nach steigender Kernladungszahl. Es dient überwiegend der Darstellung von Elektronenniveaus und damit der Systematisierung chemischer Eigenschaften von Atomen. Die Anordnung der Elemente in waagerechten Perioden und senkrechten Gruppen spiegelt die Elektronenbesetzung der Atomorbitale wider. Der Einbau der Elektronen in die Atomhülle erfolgt nach einem minimierenden Energieprinzip. Von allen möglichen Energieniveaus wird jeweils das niederste mit zunächst einem Elektron besetzt. Weil die Elemente nur mit Hilfe dieser Elektronen miteinander verknüpft werden können, d.h. Bindungen (Valenzen) ausbilden können, werden diese Außenelektronen auch Valenzelektronen genannt. Ihre Anordnung ist die Valenzelektronenkonfiguration. Ein weiteres Konzept, das als Basis in der Chemie gilt, ist die Wertigkeit. Die Wertigkeit ermöglicht es, einer Vielzahl von chemischen Verbindungen ein erstes, ordnendes Prinzip bezüglich der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung ihrer Moleküle zugrunde zu legen. Die Begriffe Oxidationsstufe (oder Oxidationszahl) haben sich in die moderne Chemie statt Valenz und Wertigkeit geprägt.
Definition von Oxidation
Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der eine oder meist mehrere chemische Verbindungen in andere umgewandelt werden. Der französische Chemiker und Naturwissenschaftler Antoine Laurent Lavoisier beschäftigte sich gründlich mit dem Vorgang. Er ist bekannt für seine erfolgreiche Einführung von Messmethoden in der Chemie. Er bemerkte zum ersten Mal, dass bei allen Verbrennungen Sauerstoff verbraucht wird. Die Bezeichnungen gehen auf seine Zeiten zurück, in denen die Aufnahme von Sauerstoff „Oxydation“ und die Abgabe von Sauerstoff „Reduktion“ genannt wurden. Unter Oxidationszahl versteht sich heutzutage im Allgemeinen beide Vorgänge.
Die Oxidationszahl
Bei einer chemischen Reaktion bleiben keine Elektronen frei, d.h. der dynamische Prozess wird immer mit einem Gleichgewicht vollendet. In anderen Worten sind die Reduktion und die Oxidation miteinander verbunden. Die Zahl der Elektronen, die zum Erreichen einer stabilen Elektronenkonfiguration aufgenommen oder abgegeben werden, wird Oxidationszahl genannt. Wenn bei einer Oxidation Elektronen abgegeben werden, erhöht sich die Oxidationszahl. Während dabei Elektronen aufgenommen werden, erniedrigt sich die Oxidationszahl. Atome mit relativ hohen Oxidationszahlen nehmen leicht Elektronen auf, sie sind deshalb gute Oxidationsmittel.
Chemiestunde leicht gemacht
In vielen Schulprogramme und auch in den meisten Schulbüchern werden Reaktionen mit Sauerstoff als Verbrennungsreaktionen klassifiziert und der Begriff Oxidation synonym gesetzt. Im späteren Unterrichtsverlauf erfährt der Begriff Oxidation, wie auch die beigestellten Begriffe Reduktion und Redoxreaktion einen Konzept- und Ebenenwechsel, der nach empirischen Befunden als schwierigkeitsgenerierend und lernhinderlich gilt: Oxidation ist auf der Teilchenebene die Abgabe von Elektronen. Um den empirisch belegten Lernschwierigkeiten durch einen späteren Konzept- und Ebenenwechsel vorzubeugen, ist es ratsam, nicht den Begriff Oxidation für die Reaktion mit Sauerstoff zu früh in Chemie Unterrichten einzuführen (und später auch nicht den Begriff Reduktion bzw. Redoxreaktion), sondern stattdessen Begriffe wie Oxidbildung oder Oxidbildungsreaktion zu verwenden. Verzichtet an dieser Stelle auf den Begriff der Oxidation und klassifiziert die einfachen chemischen Synthesen nach den entstehenden Produkten, ergibt sich ein klareres Bild: Reagiert ein elementarer Stoff mit Sauerstoff, bildet sich ein Oxid. Für eine solche Reaktion wird der Begriff Oxidbildung oder Oxidbildungsreaktion eingeführt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Klassifizierung ist, dass Reaktionen mit Sauerstoff nur ein individuelles Beispiel für chemische Reaktionen darstellen.
Oxidation in technischen Prozessen
Eisen rostet bei Gegenwart von Luft und Wasser, was auch als Korrosion genannt wird. Dichthaftende Oxidschichten bilden sich auf seiner Oberfläche, um vor weitere Oxidation zu schützen. Dabei entstehen unterschiedliche Eisenoxide, weil der Vorgang sich nicht einheitlich entwickelt. In der Industrie wird Metallveredelung durch einen chromreichen Oxidschicht Edelstahl produziert, um dieser vor Korrosion zu schützen. Zur Bestimmung der Eigenschaften von Materialien ist die Messung der Oxidation von größer Bedeutung. Bei thermischen Analysen werden Messgeräte und Instrumente der Firma Linseis wegen ihrer höheren Präzision eingesetzt, mit denen Materialien unter bestimmten thermischen Bedingungen untersucht werden können. Die Beständigkeit der Oxidschicht kann durch Messgeräte wie diese getestet und geprüft werden.
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