Hast du dich schon einmal gefragt, warum ein Nagel rostet? Oder warum Kupfer und Aluminium mit der Zeit eine merkwürdige Schicht entwickeln?
Die Antwort auf diese Rätsel ist Chemie – genauer gesagt, die Prozesse der Oxidation und Reduktion. Ja, ich weiß, Chemie kann erstmal abschreckend klingen, aber glaub mir, es ist halb so wild.
Oxidation
Was ist Oxidation? Im eigentlichen Sinn ist es jegliche Reaktion von Sauerstoff mit anderen Elementen. Dabei wird immer Energie frei, denn es werden Elektronen abgegeben. Verbrennung beispielsweise ist eine Oxidation, bei der die Energie in Form von Feuer freigesetzt wird.
Aus der Oxidation von Eisen mit Sauerstoff und Wasser entsteht Eisenoxid, also Rost. Rost ist wohl eines der bekanntesten Oxide. Auch hier entsteht Wärme, allerdings geht der Vorgang so langsam vor sich, dass diese nicht spürbar ist. Wenn Kupfer oder Aluminium oxidieren, bildet sich auf dem Metall eine schützende Schicht.
Reduktion
Reduktion ist genau das Gegenteil von Oxidation. Wenn ein Stoff Elektronen abgibt, muss ihn ein anderer aufnehmen. Das nennt sich Reduktion. Beide Vorgänge laufen immer zusammen ab.
Die Reduktion wird beispielsweise bei der Herstellung von Eisen genutzt. Durch den Übergang des Elektrons verändert sich die Ladung der Elemente. Das kann zur Folge haben, dass komplett neue Stoffe entstehen.
Dazu muss ein Element gesucht werden, das dem Eisenerz Sauerstoff entziehen kann, beispielsweise Aluminium. Dieser Stoff bildet somit das Reduktionsmittel. Unter Wärmeeinwirkung – beispielsweise in einem Hochofen, kann dann die Reaktion stattfinden.
Redox-Reaktion/Vorgang
Der Redox-Vorgang ist die Gesamtheit aus Oxidation und Reduktion. Auch in der Natur gibt es Redox-Reaktionen. Die Atmung und Photosynthese beispielsweise bilden eine Redox-Reaktion.
Warum rosten einige Metalle und andere nicht?
Wenn du auf einer Baustelle unterwegs bist, fällt dir bestimmt auf, dass einige Metalle rosten und andere nicht. Schon mal gefragt, warum? Das hat alles mit Oxidation zu tun.
Wenn Eisen rostet, hat es sich mit Sauerstoff angelegt und Eisenoxid, also Rost, gebildet. Das ist ärgerlich, weil Rost das Metall schwächt. Niemand will einen wackeligen Dachstuhl, weil die Nägel rosten.
Warum rostet nicht alles? Das hat mit der Art und Weise zu tun, wie verschiedene Metalle auf Sauerstoff reagieren.
Da ist zum Beispiel Kupfer. Wenn es oxidiert, also mit Sauerstoff reagiert, entsteht Kupferoxid. Das bildet eine grünliche Schicht auf dem Metall – die Patina. Aber anstatt es zu schwächen, schützt diese Schicht das Kupfer darunter vor weiterer Oxidation.
Aluminium macht etwas Ähnliches. Wenn es auf Sauerstoff trifft, bildet es eine feste, undurchlässige Schicht aus Aluminiumoxid. Die schützt das darunterliegende Metall vor weiterer Oxidation. Also kein Rost, keine Schwächung. Deswegen ist Aluminium super für Außenarbeiten. Es ist leicht, stark und rostet nicht. Perfekt für eine solide Konstruktion, die Wind und Wetter trotzt.
Aber warum ist das bei Eisen anders?
Eisenoxid ist locker und porös. Es bildet keine schützende Schicht, sondern zerbröselt und lässt neues Eisen mit dem Sauerstoff in Kontakt kommen. Deswegen rostet Eisen immer weiter, bis nichts mehr übrig ist.
Da stehst du nun mit deinen rostigen Nägeln und fragst dich, was du tun kannst? 🙂
Zum Glück gibt es Möglichkeiten, Eisen vor Rost zu schützen. Eine davon ist, es zu verzinken. Dabei wird eine Schicht Zink auf das Eisen aufgebracht. Das Zink oxidiert, bevor das Eisen es tut und schützt es so vor Rost.
Fazit
- Oxidation ist also die Reaktion von Sauerstoff mit anderen Elementen. Dadurch entsteht Wärme. Ein Stoff, der bei der Reaktion mit Sauerstoff Elektronen abgibt, wird oxidiert.
- Reduktion entsteht immer unter Wärmezufuhr und ist der Entzug von Sauerstoff. Ein Stoff, der bei der Reaktion mit Sauerstoff Elektronen aufnimmt, wird reduziert.
- Die Redox-Reaktion, auch Redox-Vorgang genannt, bezeichnet die Wechselwirkung von Oxidation und Reduktion.
Hier noch ein paar Punkte, die dich zu diesem Thema auch interessieren werden:
Schon wenn du aus Eisenerz reines Eisen machen möchtest, brauchst du Reduktion.
Eisenerz ist eine Art von Gestein, das Eisen und Sauerstoff enthält. Aber das Eisen ist darin gebunden, es lässt sich nicht einfach herausziehen.
Hier kommt die Reduktion ins Spiel. In einem Hochofen wird das Eisenerz mit Kohle gemischt und erhitzt. Die Kohle nimmt den Sauerstoff auf, das Eisen bleibt zurück. Das ist Reduktion in Aktion, und ohne sie hätten wir kein Eisen für unsere Zimmererarbeiten.
Reduktion spielt auch in der Elektronik eine wichtige Rolle. In Batterien findet eine Redox-Reaktion statt, bei der Elektronen von einem Material zu einem anderen wandern. Das erzeugt einen elektrischen Strom, der unsere Geräte mit Energie versorgt. Ohne Reduktion kein Smartphone, kein Laptop, kein Elektrowerkzeug.
Und dann ist da noch die Umwelttechnologie. Viele industrielle Prozesse erzeugen Abgase, die schädliche Stoffe enthalten. Mithilfe von Reduktionsreaktionen können diese Stoffe in unschädliche umgewandelt werden. Das ist eine der Techniken, die in modernen Abgasreinigungsanlagen eingesetzt werden.
Ob es nun die Nägel in deinem Carport sind, die Werkzeuge in deiner Werkstatt oder die Gartenmöbel auf deiner Terrasse, Rost kann überall auftreten. Aber keine Sorge, es gibt Wege, das zu verhindern.
Vermeide Feuchtigkeit. Klingt einfach, oder? Aber denk mal an dein Werkzeug, das du draußen lässt, oder an die Nägel, die du in feuchtem Holz verwendest. Da ist Rost vorprogrammiert. Also, immer schön trocken halten!
Schutzschichten. Du kannst das Eisen vor Feuchtigkeit und Sauerstoff schützen, indem du es lackierst oder ölst. Es gibt sogar spezielle Rostschutzfarben und -öle. Und denk daran, den Schutz regelmäßig zu erneuern, besonders wenn das Eisen stark beansprucht wird.
Verwende rostfreien Stahl. Rostfreier Stahl enthält Chrom, das eine schützende Oxidschicht bildet. Diese Schicht verhindert, dass Sauerstoff und Feuchtigkeit das darunter liegende Eisen erreichen. Rostfreier Stahl ist teurer als normaler Stahl, aber er hält auch länger.
Und was ist mit Rost, der schon da ist? Keine Panik, auch da gibt es Lösungen. Du kannst Rost entfernen, indem du die betroffene Stelle abschleifst oder mit speziellen Rostentfernern behandelst. Wichtig ist, dass du danach eine neue Schutzschicht aufträgst, sonst ist der Rost schnell wieder da.
Oxidation und Reduktion sind nicht nur Begriffe, die du in der Werkstatt oder im Chemieunterricht hörst. Sie spielen auch eine riesige Rolle in der Natur.
Zum Beispiel bei der Photosynthese. Das ist der Prozess, den Pflanzen nutzen, um ihre „Nahrung“ zu produzieren. Was sie dafür brauchen, ist Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid aus der Luft. Das Ganze läuft so ab, dass das Wasser oxidiert wird.
Was bedeutet das?
Beim Oxidieren werden Elektronen abgegeben. Und genau diese Elektronen werden dann genutzt, um das Kohlendioxid zu reduzieren – also Elektronen aufzunehmen – und daraus entsteht Glukose, also Zucker. Das ist die Nahrungsquelle der Pflanze. Und als Nebenprodukt wird Sauerstoff freigesetzt, den wir zum Atmen brauchen.
Ein anderes Beispiel ist der Kohlenstoffkreislauf. Kohlenstoff ist in der Atmosphäre in Form von Kohlendioxid vorhanden. Pflanzen nehmen das Kohlendioxid während der Photosynthese auf und bauen es in ihre Pflanzen-Körper ein. Wenn die Pflanzen sterben und verrotten, wird der Kohlenstoff zurück in die Atmosphäre freigesetzt.
Und wie passiert das?
Richtig, durch Oxidation. Denn bei der Zersetzung der Pflanzen wird Kohlenstoff mit Sauerstoff reagieren und dabei Kohlendioxid produzieren. Und das ist dann wieder der Kohlenstoff, den andere Pflanzen für die Photosynthese nutzen können.
Und dann ist da noch die Reduktion von Nitrat zu Stickstoff in den Böden. Das ist ein wichtiger Schritt im Stickstoffkreislauf.
Stickstoff ist ein wesentliches Element, das Pflanzen für ihr Wachstum benötigen. Aber sie können den Stickstoff nicht direkt aus der Luft aufnehmen, weil er in einer Form vorliegt, die sie nicht nutzen können. Deshalb sind sie auf Bakterien im Boden angewiesen. Sie wandeln den Stickstoff in eine für die Pflanzen nutzbare Form um. Und das machen die Bakterien, indem sie Nitrat, eine Verbindung von Stickstoff und Sauerstoff, reduzieren, also Elektronen hinzufügen, und dabei entsteht molekularer Stickstoff. Dieser wird dann in die Atmosphäre abgegeben.
Ohne diesen Prozess hätten wir ein massives Problem mit zu viel Nitrat im Boden.
Machen wir noch einen Abstecher in die Küche. Es geht aber immer noch um Oxidation, nur diesmal an Äpfeln.
Jeder kennt das: Du schneidest einen Apfel auf und lässt ihn eine Weile liegen. Was passiert? Der Apfel wird braun. Warum passiert das eigentlich? Die Antwort lautet: Oxidation.
Wenn du einen Apfel aufschneidest, tritt Sauerstoff in Kontakt mit bestimmten Stoffen im Fruchtfleisch. Das setzt eine chemische Reaktion in Gang, bei der diese Stoffe Elektronen abgeben und oxidiert werden. Das Ergebnis ist eine bräunliche Verfärbung.
Tipp: Du kannst diese Oxidation verlangsamen, indem du die geschnittene Äpfel mit etwas Zitronensaft beträufelst. Der Saft enthält Ascorbinsäure (Vitamin C), ein natürliches Antioxidans. Es „fängt“ die freien Elektronen ein und verhindert so, dass die Oxidation stattfindet. So bleiben die Äpfel länger frisch und appetitlich.
Das gleiche Prinzip gilt übrigens auch für viele andere Lebensmittel wie Avocados oder Kartoffeln. Auch sie verfärben sich nach dem Aufschneiden, und auch hier kann Zitronensaft helfen.
Oxidation ist also nicht nur ein Thema für uns Handwerker. Es betrifft uns alle, jeden Tag, ob in der Küche oder beim Bauen. Mit ein bisschen Wissen und den richtigen Tricks können wir sie aber zu unserem Vorteil nutzen.
Hallo Samuel,
dieses Semester habe ich in meinem Studium den Kurs Technische Mechanik belegt. Ich studiere Produktdesign und bin technisch nicht der hellste Stern am Himmel.
Nun muss ich ein Referat über die Verbindungen von Metall und Holz halten. Jedoch findet man dazu leider nicht sehr viel. Klar ist das es viele Schwierigkeiten allein durch die chemischen Eigenschaften gibt. Könntest du mir mit ein wenig Input weiter helfen? Oder hast du Vorschläge wo ich dazu evtl. doch noch mehr Informationen finden könnte?
Vielen Dank und liebe Grüße!
Hallo Ramona,
bei dem Thema Oxidation bist du schon auf dem richtigen Weg. Ich denke da zum Beispiel an Zinkdächer oder Metall die nicht legiert sind. Was genau ist denn die Aufgabenstellung?
Hallo Samuel,
dein Beitrag ist in dieser Form nicht ganz richtig. Eine Oxidation ist eine Reaktion, bei der Elektronen abgegeben werden, während bei der Reduktion Elektronen aufgenommen werden. Sauerstoff muss dabei nicht zwangsläufig beteiligt sein. Beispiele für solche Redoxreaktionen wäre Cu2+ mit Fe0 zu Cu0 und Fe2+ oder die Darstellung von Eisen(III)Chlorid aus Eisen und Chlor (2Fe + 3Cl2 zu 2FeCl3). Auch das bei einer Reduktion Energie in Form von Wärme zugeführt werden muss ist ebenfalls nicht richtig. Beispielsweise ist die Reduktion von Blei(II)Oxid mit Kohlenstoff zu Blei(0) endotherm, es wird also Energie frei.
Hoffe du nimmst mir die Korrektur nicht krumm 😉
Muss mich selbst korrigieren 😉 die Reduktion von Blei(II)Oxid ist nicht endotherm. Eine Reaktion, bei der Energie frei wird heißt exotherm….
Hallo Lukas,
nein das nehme ich dir nicht krum. Ich sag eher danke dafür. 😉 Es geht also um die Energie und die Beispiele von „Cu2+ mit Fe0 zu Cu0 und Fe2+“. Danke für die Ergänzung.