Oxidation und Reduktion - Lösungsvorschlag

– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
„Oxidation und Reduktion“
- Lösungsvorschlag Das Bild zeigt einen Feuerlöscher, wie du ihn bestimmt auch an deiner Schule finden kannst.
a) Nenne zwei Beispiele für Stoffe, die in Feuerlöschern zur
Brandbekämpfung eingesetzt werden.
Kohlenstoffdioxid, Wasser
b) Erkläre nun die Funktionsweise eines dieser Löschmittel.
Verwende hierzu deine chemischen Fachkenntnisse.
Kohlenstoffdioxid ist schwerer als Luft (Dichte) und unterbricht die
Sauerstoffzufuhr.
Wasser kühlt den Brandherd unter die Entzündungstemperatur ab
und der entstehende Wasserdampf verdrängt den Sauerstoff.
c) Kannst du dir erklären, weshalb Feuerlöscher, Löschdecken
und Hydranten rot lackiert werden?
Durch ihre auffällige Lackierung können sie im Notfall schnell als
Brandbekämpfungsmittel identifiziert werden (Signalfarbe).
Elli, Martin und Alex diskutieren:
Das Löschwasser verdrängt das
Kohlenstoffdioxid aus dem Bereich um den
Brandherd.
Löschwasser kühlt bei
der Brandbekämpfung
den Brennstoff ab.
Martin
Alles falsch, das Löschwasser
reagiert mit dem Brennstoff.
Das Feuer erlischt so.
Elli
Alex
Entscheide, welche Aussage richtig ist und begründe deine Antwort.
Martin hat recht. Trifft kaltes Wasser auf einen heißen, brennenden Gegenstand, so wird dessen
Temperatur unter die Entzündungstemperatur verringert, d. h. die Bildung von brennbaren Gasen
unterbleibt, das Feuer erlischt. Durch den entstehenden Wasserdampf wird zudem der Sauerstoff
aus dem Bereich um den Brandherd verdrängt.
„Trockenes Holz besitzt eine Entzündungstemperatur von ca. 300 °C“.
Erkläre mithilfe dieser Aussage und deiner chemischen Fachkenntnisse,
wie demnach ein Streichholz funktioniert.
Das Streichholz besitzt einen Streichholzkopf, welcher eine sehr viel
geringere Entzündungstemperatur aufweist. Die Reibungswärme reicht aus,
damit sich dieser entzündet. So wird die Entzündungstemperatur des Holzes erreicht, das Streichholz
brennt.
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In deinem Schulhaus findest du an einer Wand den unten abgebildeten Feuerlöscher montiert.
Als du ihn dir genauer anschaust, entdeckst du auf seiner Vorderseite verschiedene Informationen.
Info 1:
Info 2:
a) Finde die Bedeutung des Symbols (Info 2) mithilfe geeigneter Quellen heraus.
Symbol
Brandklasse
A
Brennstoffe
Beispiele
Löschmittel
feste Stoffe
Holz, Papier, Kohle,
Heu, Stroh, Kunststoffe, Textilien usw.
Wasser, wässrige
Lösungen, Schaum, ABCPulver, Gase
b) Ergänze die fehlenden Informationen in der Tabelle und gib an, auf welchen Löschmitteln die
unten dargestellten Symbole zu finden sind.
Symbol
Brandklasse
Brennstoffe
Beispiele
Löschmittel
B
flüssige oder
flüssig
werdende
Stoffe
Benzin, Alkohol, Teer,
Wachs, viele Lacke,
Kunststoffe, Ether,
Harz
Schaum, ABCPulver, BC-Pulver,
Kohlenstoffdioxid
C
gasförmige
Stoffe
Erdgas, Butan,
Propan, Ethin
(Acetylen),
Wasserstoff,
ABC-Pulver,
BC-Pulver,
Kohlenstoffdioxid nur
in Ausnahmefällen
c) Beschreibe mithilfe deiner Chemiekenntnissen, wie der oben dargestellte Feuerlöscher
funktioniert. (Tipp: Info 1 kann dir dabei helfen.)
Die Löschwirkung des Wasserlöschers beruht im Wesentlichen darauf, dass das Brandgut abgekühlt und die Entzündungstemperatur unterschritten wird. Zusätzlich verdrängt der entstehende
Wasserdampf den sich um den Brandherd herum befindlichen Sauerstoff, wodurch eine zweite
Voraussetzung für die Verbrennung nicht mehr erfüllt ist.
d) Bestimmte brennende Stoffe sollten nicht mit dem abgebildeten Feuerlöscher bekämpft werden.
Welche Brände sind dies und welches Löschmittel sollte hierbei zum Einsatz kommen?
Fettbrände mit Temperaturen über 100 °C sollten nicht mit dem Wasserlöscher bekämpft werden,
da das Wasser bei Kontakt mit den heißen Flüssigkeiten sofort verdampfen würde.
Durch die große Oberfläche des entstehenden Ölnebels, würde das Fett sodann explosionsartig
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verbrennen (=Fettexplosion).
Wasser darf auch nicht bei Metallbränden zum Einsatz kommen, da die enorme Hitze von
brennenden Metallen das Wasser chemisch in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten würde.
Sauerstoff: Feuer wird explosionsartig angefacht.
Wasserstoff: Weiterer Brennstoff, der in Kombination mit dem Sauerstoff auch gefährliches
Knallgas bilden kann.
Schüler diskutieren:
Fe + O2
Hanna
Hierbei handelt es sich um eine
exotherme Reaktion.
Fe2O3 + E
Maxi
Die Reaktionsgleichung ist
chemisch korrekt.
Hierbei handelt es sich
um eine Reduktion.
Chris
a) Worum geht es in der Diskussion?
Lisa
z. B.: Es geht um die Oxidation von Eisen.
b) Stelle alle fachlich falschen Aussagen von Hanna, Lisa, Maxi und Chris richtig.
Chris hat unrecht, da es sich bei dieser Reaktion um eine Oxidation handelt.
Die Aussagen von Hanna und Lisa stimmen auch nicht, da die Reaktionsgleichung noch auszugleichen ist.
Sie lautet sodann:
4 Fe + 3 O2
2 Fe2O3 + E
c) Formuliere eine weitere, zu obigem Thema passende Aussage.
z. B.: Das Produkt Dieisentrioxid (Eisen(III)oxid) ist energieärmer als die Edukte Sauerstoff und
Eisen.
Wähle ein chemisches Element aus dem Periodensystem der Elemente aus,
bei dem das Verbrennungsprodukt eine Ionenverbindung ist.
Formuliere die Reaktionsgleichung und begründe kurz deine Wahl.
z. B.:
4 Al + 3 O2
2 Al2O3 + E
Für die Entstehung einer Ionenverbindung muss ein Metall (hier: Aluminium)
mit einem Nichtmetall (hier: Sauerstoff) reagieren.
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a) Kreuze an, ob die folgenden chemischen Stoffe brennbar oder nicht brennbar sind.
Chemischer Stoff
Kohlenstoff
Helium
Magnesium
Wasser
brennbar
X
nicht brennbar
X
X
X
b) Erstelle für alle Stoffe, die du als brennbar markiert hast, die zugehörige Reaktionsgleichung und
benenne das Reaktionsprodukt eindeutig.
C + O2
CO2 + E
Kohlenstoffdioxid
2 Mg + O2
2 MgO + E
Magnesiummonooxid
c) Nenne und erläutere den zugrunde liegenden Reaktionstyp aus Teilaufgabe b) in stofflicher und
energetischer Hinsicht.
Die Oxidation stellt eine Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff dar.
Die entstehenden Produkte heißen Oxide. Viele Oxidationen verlaufen exotherm.
d) Begründe bei den übrigen Stoffen, warum diese nicht brennen.
Helium ist ein Edelgas. Die Heliumatome besitzen eine mit Elektronen voll besetzte Außenschale. Durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff würde dieser energetisch günstige Zustand
zerstört.
Bei Wasser handelt es sich um ein Oxid (Diwasserstoffmonooxid), das keinen weiteren Sauerstoff
mehr aufnehmen kann, da es bereits vollständig oxidiert ist.
Schwefel verbrennt in Sauerstoff mit einer leuchtend blauen Flamme.
Vervollständige und beschrifte das Energie-Zeit-Diagramm für die Verbrennung von Schwefel
(Schwefel ist in der entstanden Verbindung IV-wertig.).
E
Aktivierungsenergie
(EA)
S + O2
freiwerdende
Energie
SO2
t
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Die Atmung des Menschen ist unter anderem ein Stoffaustausch mit der Umgebung.
Gegeben ist die folgende Tabelle:
Gas
Sauerstoff
Einatmungsluft
(Anteile in %)
21
Ausatmungsluft
(Anteile in %)
17
Kohlenstoffdioxid
0,04
4
Stickstoff
78
78
Edelgase
0,96
0,96
a) Interpretiere die Werte in der Tabelle.
Beim Atmen sinkt der Anteil des Sauerstoffs von 21% auf 4%. In der Ausatmungsluft befindet sich
100-mal so viel Kohlenstoffdioxid als in der Einatmungsluft. Sauerstoff wird also aufgenommen,
Kohlenstoffdioxid abgegeben. Stickstoff und Edelgase spielen bei der Atmung keine Rolle.
b) Eine Erste-Hilfe-Maßnahme ist die Mund-zu-Mund-Beatmung.
Begründe mithilfe der Tabelle, weshalb dies möglich ist.
Die Ausatmungsluft enthält immer noch 17% Sauerstoff. Dies ist genug um einen anderen
Menschen zu beatmen.
c) Zur Energiegewinnung verbrennt der Mensch in seinen Zellen Traubenzucker (C6H12O6)
vollständig.
Ergänze die vereinfachte Reaktionsgleichung.
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O +
E
„Ist Holz tatsächlich gefährlich?“
An der Eingangstüre zu einer Schreinerei hängt dieses Warnschild.
a) Ist diese Warnung sinnvoll? Begründe deine Entscheidung ausführlich.
Ja, die Warnung „Staubaufwirbelungen vermeiden“ ist sinnvoll. Holzstaub in feiner Zerteilung in
der Luft, wie er beispielsweise beim Kehren mit einem Besen entstehen kann, ist explosionsgefährlich. Grund hierfür ist die sehr große Oberfläche des Holzes, die Verbrennung kann dann sehr
rasch ablaufen (Staubexplosion).
b) Nenne zwei weitere Betriebe, in denen dieses Schild hängen müsste.
z. B.: Getreidemühle, Bäckerei
c) Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit ein Stoff überhaupt explodieren kann?
z. B.: Der Stoff muss brennbar sein und eine sehr große Oberfläche aufweisen.
Die Oxidation (bzw. Redox-Reaktion) muss also genügend schnell ablaufen können.
d) Die Explosion ist ein Verbrennungsvorgang, der vollständig abläuft. Formuliere die chemische
Reaktionsgleichung für die Explosion von Holz (vereinfacht: Hauptbestandteil Cellubiose,
Formel: C12H22O11).
2 C12H22O11 + 29 O2
24 CO2 + 22 H2O + E
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„Brände und Korrosionen verursachen jährlich
Milliardenschäden in Deutschland.“
Brandschäden und
Korrosionsschäden
in Mrd. EUR
Interpretiere dazu die nebenstehende Grafik.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Korrosion
50 Mrd €
Die Schäden, die jährlich in Deutschland durch Korrosion
Brand
3,5 Mrd €
entstehen (50 Mrd. €), sind wesentlich größer als die Schäden,
die durch Brände verursacht werden (3,5 Mrd. €). Bei einem
Brand entsteht zwar ein großer lokaler Schaden, die Anzahl der
Brände ist jedoch gering. Korrosion tritt hingegen überall auf. Vom Briefkasten über Autos bis hin zu
Gebäuden richtet die Korrosion Schäden an. Diese können individuell zwar gering sein, aufgrund der
großen Anzahl summiert sich die Schadenssumme jedoch zu einem enormen Betrag.
1
2
Magnesiumchlorid ist ein chemischer Stoff, der in vielen Bereichen unseres Lebens verwendet wird,
beispielsweise als Geschmacksverstärker in Lebensmitteln oder als zusätzliches Streusalz im Winter.
a) Skizziere einen möglichen Versuchsaufbau, mit dem man im Labor Magnesiumchlorid aus den
Elementen herstellen kann.
Chlorgas
brennendes
Magnesiumband
b) Gib die chemischen Gleichungen für die Teil- und die Gesamtreaktion an.
Oxidation:
Mg
Reduktion: Cl2 + 2e
Mg2+ + 2e
2 Cl
Gesamt:
Mg2+ + 2 Cl
Mg + Cl2
MgCl2
c) Vervollständige den folgenden Satz durch Ankreuzen der richtigen Antworten und begründe deine
Entscheidung.
Es handelt sich bei dieser Reaktion um eine …
 … Katalyse.
 … Analyse.
x … Redoxreaktion.

x … Synthese.

Begründung:
Bei dieser chemischen Reaktion geben Magnesiumatome Elektronen ab (sie werden oxidiert),
Chloratome nehmen Elektronen auf (sie werden reduziert). Es handelt sich also um eine Redoxreaktion. Dabei wird ein neuer Stoff (Magnesiumchlorid) gebildet.
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
In einem Chemiebuch findest du folgende Abbildung:
Magnesium
Aluminium
Zink
Eisen
Kupfer
Silber
Gold
unedel
Platin
edel
Welche Informationen kannst du aus dieser Abbildung herauslesen?
Es gibt edle und unedle Metalle. In der Reihe von Magnesium bis Platin nimmt der edle Charakter der
Metalle zu.
Um der Korrosion vorzubeugen, werden die Eisenkarosserien moderner Autos u. a. mit Schichten
aus Zink überzogen.
a) Erkläre anhand der Skizze, wie dieser Rostschutz chemisch funktioniert.
Wassertropfen
„Kratzer im Blech eines
verzinkten Autos“
Zn
Zn
Fe
Zink ist unedler als Eisen und hat ein größeres Bestreben, als Ion (Zn2+) vorzuliegen. Bei dieser
Oxidation geben die Zinkatome ihre beiden Außenelektronen an das Eisen ab. Das Eisen bleibt
so lange vor Korrosion geschützt, bis die Zinkschicht vollständig oxidiert ist.
b) Nenne ein weiteres Metall, das theoretisch als Ersatz für das Zink in Frage kommen könnte, und
begründe deine Wahl.
Magnesium. Es ist ebenfalls unedler als Eisen.
c) Ein Warmwasser-Boiler soll durch die geschickte Kombination verschiedener Metalle vor Durchrostung geschützt werden. Fertige eine Skizze (evtl. Querschnitt) eines solchen Aufbaus an und
beschrifte die wesentlichen Bauteile.
Wassertank aus
Eisen
Wasser
Stab aus Magnesium
(austauschbar);
„Opfermetall“
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
Die Anzahl an mobilen Elektrogeräten nimmt ständig zu. Zum Betrieb werden verschiedene AkkuTypen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen eingesetzt.
Vergleich der verschiedenen Akkutypen
Akku-Typ
Energiedichte
Spannung
[Wh/kg]
[V]
Pb-Akku
30-40
2,0
Li-Ionen-Akku
120-180
3,6
NiCd-Akku
40-50
1,2
NiMH-Akku
60-80
1,2
Lebensdauer
(Anzahl der
Ladezyklen)
Selbstentladung
4-8 Jahre
(300-600)
10-15 Jahre
(500-800)
15 Jahre
(800-1500)
7-10 Jahre
(350-500)
5-10%
pro Monat
1-2%
10-15%
15-20%
a) Welche Informationen liefert die Tabelle?
Die Tabelle gibt einen Überblick über die Leistungsmerkmale verschiedener Typen von Akkus,
die auf unterschiedliche chemische Reaktionen und Stoffe (z.B. Nickel und Cadmium) zurückzuführen sind.
b) Welcher Akku-Typ scheint nach diesen Daten insgesamt der effektivste zu sein?
Begründe deine Aussage mithilfe der Tabelle.
Aufgrund der hohen Energiedichte und der geringen Selbstentladung scheint der
Lithium-Ionen-Akku der effektivste Akku zu sein.
c) Nenne Gründe, warum in der Praxis in vielen Geräten auch die vermeintlich „schlechteren“ AkkuTypen zum Einsatz kommen.
Der Nickel-Cadmium-Akku kann mit bis zu 1 500 Ladezyklen mit Abstand am öftesten aufgeladen
werden, das kann für bestimmte Geräte, die häufig geladen werden müssen, von Vorteil sein.
Zudem sind die anderen Akku-Typen überall dort ausreichend, wo die Energiedichte und
Selbstentladung nicht von so entscheidender Bedeutung ist.
Silberschmuck oder -besteck überzieht sich im Laufe der Zeit mit einer schwarzen Schicht aus
Silbersulfid (Ag2S). Mit folgender einfacher Anleitung wird das Silber wieder glänzend rein:
Rezept:
Das angelaufene Silber in eine Schüssel legen. Man gibt
einen Esslöffel Salz und einige Schnipsel Alufolie dazu.
Anschließend wird alles mit heißem Wasser übergossen.
Nach kurzer Zeit ist das Silber wieder sauber.
a) Erkläre mithilfe von Reaktionsgleichungen, wie dieses alte Rezept funktioniert.
Oxidation: Al
Reduktion: Ag+ + e
Al3+ + 3e
Ag
| 3
Gesamt:
Al3+ + 3 Ag
Al + 3 Ag+
Das Kochsalz sorgt dafür, dass das Wasser eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt.
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– Aufgabenbeispiele zum Grundwissen im Fach Chemie –
b) Nenne bei dieser Reaktion auch das Oxidations- und das Reduktionsmittel.
Das relativ unedle Aluminium ist ein geeignetes Reduktionsmittel um die Silberionen (Oxidationsmittel) im Silbersulfid wieder zu Silberatomen zu reduzieren.
Petra möchte eine Batterie bauen. In ihrem alten Experimentierkasten findet sie diese Skizze
Metall 1:
Kupferblech
Metall 2:
Zinkstab
Cu2+ - Ion
Zn2+ - Ion
Kupfersulfat
-Lösung
Zinksulfat
-Lösung
sowie nachfolgende Materialien:
Graphitelektrode, Bleiblech, Zinkstab, Kupferblech, Elektrokabel, destilliertes Wasser,
Kochsalzlösung, Zitronensaft, Glühlampe, Elektromotor, Kupfersulfatlösung, Zinksulfatlösung,
Eisensulfatlösung.
a) Wähle aus dem Experimentierkasten geeignete Materialien aus und beschrifte die Skizze.
Siehe Skizze.
b) Begründe die Wahl der beiden Metalle.
Das unedle Zink löst sich auf und gibt die freiwerdenden Elektronen an das Edelmetall Kupfer ab.
Die entsprechenden Salzlösungen stehen zur Verfügung.
c) Warum endet der Stromfluss nach einiger Zeit?
Die Zinkelektrode wird bei diesem Vorgang aufgelöst. Damit liegen nach einiger Zeit praktisch nur
noch Zinkionen in Lösung vor und kein Zinkmetall mehr, welches Elektronen liefern könnte.
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