Ionenbindung

Ionenbindung 9

9 Redoxpotentiale

Ein sehr einfaches Experiment mit einem Nagel		Das rechts abgebildete Experiment hat wohl schon jeder einmal im Chemieunterricht gemacht: ein Eisennagel (vorher schön blank geschmirgelt) wird in eine Lösung des blauen Salzes Kupfersulfat gestellt. Nach einiger Zeit (5 Minuten bis 10 Minuten) bildet sich ein rotbrauner Überzug. Die meisten Schüler glauben, dass der Eisennagel gerostet ist: Eisen + Feuchtigkeit = Rost, vielleicht wirkt das Kupfersulfat ja wie ein Katalysator, beschleunigt die Reaktion. Natürlich ist dem nicht so, es bildet sich eine Schicht von reinem Kupfer. Das kann man ganz leicht mit Salpetersäure beweisen: man nimmt den Eisennagel mit dem roten Überzug aus der Lösung, reinigt ihn kurz unter fließendem Wasser und hält ihn dann in eine ca. 20%ige Salpetersäure. Sofort bildet sich eine blaue Lösung. Das Kupfer aus dem Belag hat mit der Salptersäure zu Kupfernitrat reagiert. Hätte der Belag aus Eisenoxid (Rost) bestanden, so wäre eine gelbe Lösung aus Eisennitrat entstanden. Die zugrundeliegende chemischen Reaktion dürfte jedem klar sein, der die vorherige Seite aufmerksam gelesen hat.
Eine einfache Frage		Genau, diese Reaktion ist abgelaufen. Die Eisenatome des Eisennagels haben Elektronen abgegeben, und die Kupferionen der Lösung haben diese Elektronen aufgenommen. Es handelt sich um eine Redoxreaktion. Die entscheidende Frage ist nun aber folgende: Was geschieht eigentlich, wenn man ein Kupferblech in eine Eisensulfatlösung stellt? Läuft die Reaktion jetzt umgekehrt ab? Geben die Kupferatome Elektronen ab und werden zu Kupferionen, und nehmen die Eisenionen der Lösung diese Elektronen auf und werden zu Eisenatomen. Bildet sich etwa ein Eisenbelag auf dem Kupferblech? Mitnichten! Aber wieso nicht? Offensichtlich ist das Fließen der Elektronen oder der Elektronentransfer eine Art Einbahnstraße: die Elektronen können vom Eisen ohne weiteres abgegeben und auf Kupfer übertragen werden, aber nicht umgekehrt.
Redoxpotential
		Die obige Abbildung zeigt das Phänomen noch einmal recht deutlich. Unter dem Redoxpotential versteht man die Neigung oder Fähigkeit eines Stoffes, Außenelektronen abzugeben. Beim Eisen ist diese Fähigkeit ausgeprägter als beim Kupfer, daher kann das Eisen seine Elektronen wohl an das Kupfer abgeben (genau: an Kupferkationen), umgekehrt kann das Kupfer aber keine Elektronen an Eisen (genauer: an Eisenkationen) abgeben. Und wie sieht es eigentlich mit den anderen Metallen aus? Mit Zink, Magnesium, Gold und Silber? Betrachten wir dazu die folgende Graphik:
Redoxreihe
		Solche "Redoxreihen" kann man ganz leicht mit einfachen Schülerübungen selbst aufstellen: Fünf Metallbleche und fünf Metallsalzlösungen braucht man dazu, dann werden die Metallbleche einfach in die verschiedenen Lösungen gestellt, man geht einen Kaffee trinken, und wenn man wiederkommt, sieht man das Ergebnis direkt vor Augen: Zinkblech bildet z.B. in einer Eisenchloridlösung einen Belag, in einer Magnesiumchloridlösung dagegen nicht. Also muss Mg über dem Zn stehen, und dieses wiederum über dem Fe. Kupferblech reagiert nicht mit Eisensulfatlösung, wohl aber mit Silbernitratlösung. Also steht das Ag unter dem Cu, das Cu wieder unter dem Fe. Und so weiter... Normale Schüler können hier jetzt mit dem Lesen aufhören! Und die Freaks und Cracks, die unbedingt eine Eins oder besser haben wollen, können sich ja die folgenden Überlegungen reinziehen:
Ionisierungs -energien		Warum haben die verschiedenen Metalle nun so unterschiedliche Redoxpotentiale. Möglichkeit 1: Damit Schüler was zu lernen haben Möglichkeit 2: Das hängt mit Ionisierungsenergien und Elektronenaffinitäten zusammen. Nach langem Überlegen entscheiden wir uns mal für die zweite Möglichkeit. Die müssen wir natürlich verifizieren. Also suchen wir uns ein Buch und schlagen einmal die Ionisierungsenergien der Metalle nach. Und wir finden: Magnesium: 0,744 Zink: 0,913 Eisen: 0,766 Kupfer: 0,752 Silber: 0,737 Gold: 0,896 Irgendwie passt das gar nicht in unsere Theorie. Zink müsste demnach edler sein als Gold.Vielleicht sollte man alte Zinkbadewannen aufkaufen und horten... Naja, wenigsten haben die Alkalimetalle die niedrigsten Ionisierungsenergien, und gleichzeitig sind sie am unedelsten und haben die höchsten Redoxpotentiale. Wenn eine Hypothese zusammenfällt wie ein Kartenhaus, so kann das mehrere Ursachen haben. Sie könnte z.B. völlig falsch sein. Vielleicht hat man aber auch nur monokausal gedacht, sich also nur auf eine Ursache konzentriert, während in Wirklichkeit mehrere Faktoren für den beobachteten Sachverhalt verantwortlich sind. Also suchen wir nach weiteren Faktoren, die für die Höhe des Redoxpotentials verantwortlich sein könnten. Ein Blick in ein gutes Periodensystem führt uns zu einem Begriff, den wir bisher noch gar nicht behandelt hatten: die Elektronegativität . Eigentlich wollte ich diesen Begriff erst im nächsten Kapitel einführen. Also ist eine Vorab-Definition erforderlich: Elektronegativität = Maß für die Neigung eines Atoms, die Elektronen an sich zu ziehen. Ja, ja, ich weiß, das ist noch nicht die korrekte (amtliche) Definition, aber für unsere Zwecke sollte das erst mal reichen. Und wie sehen die Elektronegativitätswerte (EN-Werte) für unsere sechs Metalle aus? Magnesium: 1,2 Zink: 1,6 Eisen: 1,8 Kupfer: 1,9 Silber: 1,9 Gold: 2,4 Wahnsinn, das passt ja genau! Also haben wir endlich die wichtigste Ursache für die Redoxpotentiale gefunden. Vorsicht, Vorsicht! Es könnte sich hier um die wichtigste Ursache handeln, aber ganz sicher wissen wir das natürlich nicht. Dazu müsste man erst einmal alle anderen möglichen Ursachen untersuchen und ausschließen. Und dazu haben wir an dieser Stelle (und auch an keiner anderen) Zeit.
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