Redoxreihe – Reaktivität von edlen und unedlen Metallen

Redoxreihe – Reaktivität von edlen und unedlen Metallen Übung

• Definiere, was ein edles und ein unedles Metall ist.

  Tipps

  Hier siehst du ein typisches Edelmetall.

  Edel bedeutet in der Chemie so viel wie chemisch inaktiv.

  Lösung

  In der Chemie bedeutet edel so viel wie chemisch wenig reaktiv oder auch reaktionsträge. Das kennst du bereits von den Edelgasen.
  
  Das trifft auch auf Edelmetalle zu. Sie heißen nicht edel, weil sie glänzen und teuer sind, sondern weil sie sehr selten mit anderen Stoffen reagieren. Wobei ihr Glanz auch damit zusammenhängt, denn sie glänzen deshalb so schön, weil sie nicht so leicht oxidieren (kaum mit Sauerstoff reagieren), also rosten oder anlaufen wie andere Metalle.
  
  Die meisten Metalle findet man in der Natur gebunden in Erzen. Edelmetalle wie Gold und Silber kommen jedoch auch in elementarer Form vor – man nennt das gediegen.
  
  Edelmetalle sind ziemlich nützlich, denn man muss sie nur schmelzen – schon kann man Schmuck und andere Gegenstände daraus gießen.
  Bei unedleren Metallen ist das schwieriger – je unedler ein Metall, desto aufwendiger und energieintensiver ist die Gewinnung.
  
  Edelmetalle wie Gold sind also reaktionsträge, während unedle Metalle wie Lithium sehr reaktionsfreudig sind.

• Bestimme die Reihenfolge der Metalle in der Redoxreihe.

  Tipps

  Lithium und Natrium sind sehr reaktiv, d. h., sie geben gerne Elektronen ab.

  Je lieber ein Metall seine Elektronen abgibt, desto leichter ist es zu oxidieren und umso unedler ist es.

  Kupfer kann leichter aus seinen Erzen gewonnen werden als Eisen, das bedeutet, dass es weniger reaktiv ist und damit edler als Eisen.

  Die Redoxreihe hilft dir, die Metalle in edel und unedel zu unterteilen.

  Lösung

  Die Redoxreihe der Metalle zeigt, wie leicht Metalle Elektronen abgeben und dadurch oxidiert werden. Gleichzeitig lässt sich daraus ablesen, wie schwer es ist, Metallionen wieder zu Metallatomen zu reduzieren.
  
  Oxidieren bedeutet Elektronen abgeben und reduzieren bedeutet Elektronen aufnehmen.
  
  Edle Metalle wie Gold geben ihre Elektronen nur sehr ungern ab – Gold fast gar nicht.
  Unedle Metalle wie Lithium hingegen geben leicht Elektronen ab. Dabei entstehen Kationen, also positiv geladene Metallionen, z. B.: $\ce{Li -> Li^{+} + e-}$
  Diese Kationen sind sehr reaktiv. Gleichzeitig ist es schwer, sie wieder zu neutralen Atomen zu reduzieren.
  
  Goldionen können leicht wieder zu elementarem Gold werden, nehmen also gerne Elektronen auf: $\ce{Au^{3+} + 3e- -> Au}$
  Auch Kupfer konnte früher schon vergleichsweise einfach aus Kupfererzen gewonnen werden:$\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$
  Dagegen hat es deutlich länger gedauert, bis man auch die Gewinnung von Eisen aus seinen Verbindungen im Griff hatte; Eisen gibt also im Vergleich zu Kupfer lieber Elektronen ab:
  $\ce{Fe -> Fe^{2+} + 2e-}$
  Die Gewinnung von Aluminium gelang sogar erst viel später, da es sehr reaktionsfreudig ist.
  Und es erklärt auch, warum Gold nicht rostet, selbst wenn es nass wird, während Natrium so stark reagiert, dass es quasi in Wasser verbrennt und Wasserstoff und Natronlauge entsteht:
  $\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2}$

• Erläutere die Redoxreaktion des Eisennagels in einer Kupfersulfatlösung.

  Tipps

  Eisen ist unedler als Kupfer und gibt daher lieber Elektronen ab, während Kupfer lieber Elektronen aufnimmt.

  Eine exotherme Reaktion läuft von selbst ab; dabei wird Energie, beispielsweise in Form von Wärme, frei.

  Drei Antworten sind falsch und bleiben übrig.

  Lösung

  In einer Redoxreaktion findet eine Übertragung von Elektronen zwischen zwei Reaktionspartnern statt:
  
  

  • Die unedlen Metalle geben gerne Elektronen ab.
  • Die edlen Metalle nehmen gerne Elektronen auf.

  
  
  Im Versuch wird ein Eisennagel in eine Kupfersulfatlösung (blau) gestellt.
  Die Eisenatome (Fe) geben jeweils zwei Elektronen ab, es kommt zur Oxidationsreaktion:
  $\ce{Fe -> Fe^{2+} + 2e-}$
  Die Eisensulfatlösung verfärbt sich aufgrund der Eisen(II)-Ionen grün.
  
  Die beiden Elektronen der Eisenatome werden von den zweifach positiv geladenen Kupferionen in der Kupfersulfatlösung aufgenommen. Es bildet sich elementares Kupfer (Reduktionsreaktion):
  $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$
  Das gebildete Kupfer lagert sich rötlich am Nagel ab, da es nicht wasserlöslich ist.
  
  Diese Redoxreaktion ist exotherm, das heißt, es wird Energie frei, da die Reaktion für beide Metalle energetisch günstig ist. Dies kannst du daran erkennen, dass sich die Lösung leicht erwärmt. Die Redoxreaktion lautet:
  $\ce{Fe_{\text{(s)}} + Cu^{2+}_{\text{(aq)}} -> Fe^{2+}_{\text{(aq)}} + Cu_{\text{(s)}}}$
  
  Im umgekehrten Fall, mit einem Kupfernagel in einer Eisensulfatlösung, würde hingegen gar nichts passieren. Die zugehörige Redoxreaktion ist endotherm, da sie energetisch ungünstig für beide Metalle ist. Es müsste Energie zugeführt werden, damit die beiden Metalle Elektronen austauschen.

• Erkläre die Begriffe der Redoxreaktion am Beispiel eines Kupfernagels in einer Silbersalzlösung.

  Tipps

  Die Redoxreihe der Metalle beginnt hier links mit dem unedelsten Metall Lithium und endet rechts mit dem edelsten Metall Gold.

  Bei der Oxidationsreaktion werden die Elektronen abgegeben.

  Kupfer steht in der Redoxreihe der Metalle links von Silber und gibt daher lieber Elektronen ab.

  Eine Antwort ist falsch und bleibt übrig.

  Lösung

  Mit der Redoxreihe kannst du die Reaktivität verschiedener Metalle vergleichen.

  Der bekannte Eisennagelversuch hat verdeutlicht, dass Eisen ein gutes Reduktionsmittel für Kupferionen ist: Im Vergleich zu Kupfer gibt Eisen leichter Elektronen ab.
  
  Übertragen wir dieses Prinzip auf den Versuch eines Kupfernagels in einer Silbersalzlösung:

  In der Redoxreihe stehen Metalle mit höherer Reaktivität weiter links. Da Kupfer links von Silber steht, gibt es lieber Elektronen ab:

  • Kupfer ist also der Elektronendonator.

  • Silberionen sind die Elektronenakzeptoren.

  • Die zugehörige Oxidationsreaktion lautet: $\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-}$

  • Die Reduktionsreaktion ist demnach: $\ce{Ag^{+} + e- -> Ag}$

  • Daraus ergibt sich folgende Redoxreaktion: $\ce{Cu_{\text{(s)}} + 2 Ag^{+}_{\text{(aq)}} -> Cu^{2+}_{\text{(aq)}} + 2 Ag_{\text{(s)}}}$

  Im Versuch bildet sich elementares Silber als silbriger Belag auf dem Kupfernagel – ein sichtbarer Beweis für die Redoxreaktion.

• Benenne die Metalleigenschaften von Gold.

  Tipps

  Gold ist reaktionsträge.

  Eine Antwort ist falsch.

  Lösung

  Gold gehört zu den Edelmetallen, da es reaktionsträge ist. Gold ...
  
  

  • ... gibt meist keine Elektronen ab,
  • ... kann leicht Elektronen aufnehmen,
  • ... wird dabei leicht reduziert und
  • liegt vorwiegend in elementarer Form (nicht gebundener Form) vor.

• Entscheide, welches Metall für Eisen ein wichtiger Korrosionsschutz im Alltag ist.

  Tipps

  Drei Antworten sind falsch und bleiben übrig.

  Lösung

  Metallbeschichtungen dienen im Alltag häufig als Korrosionsschutz für Eisen.
  
  

  • Metallüberzüge aus Zink eignen sich im Alltag, um Eisen vor Korrosion zu schützen. Zink schützt Eisen vor Korrosion, weil es unedler als Eisen ist: Zink gibt Elektronen leichter ab als Eisen. Wenn beide Metalle in Kontakt mit Wasser oder Luftfeuchtigkeit kommen, reagiert zuerst das Zink (es opfert sich). Das nennt man Opferschutz-Prinzip. Derartige Überzüge findet man beispielsweise gerne bei Schrauben.

  
  

  • Metallüberzüge aus Aluminium sind im Alltag sehr beliebt, weil sie sehr leicht sind. Sie bilden eine dünne Oxidschicht, die undurchlässig für Wasser und Sauerstoff ist.

  
  

  • Gold und Silber würden sich zwar hervorragend als Korrosionsschutz eignen, sind aber im alltäglichen Gebrauch viel zu teuer.

  
  

  • Quecksilber eignet sich natürlich auch nicht, da es giftig ist. Zusätzlich dient es nicht als Korrosionsschutz, da es keine schützende Schicht bildet. Im Gegenteil, es fördert die Korrosion.