Oxidation und Reduktion – Energiegewinnung im Körper

Oxidation und Reduktion – Energiegewinnung im Körper Übung

• Definiere ausgewählte Begriffe zur Oxidation und Reduktion.

  Tipps

  Ein Oxidationsmittel nimmt Elektronen auf. Es ist ein Elektronenakzeptor, weil es Elektronen „akzeptiert“.

  Ein Reduktionsmittel gibt Elektronen ab. Es ist ein Elektronendonator, weil es Elektronen „spendet“.

  Bei einer Redoxreaktion sind Reduktion und Oxidation gekoppelt. Stoff $A$ wird oxidiert und gibt ein $e^-$ ab. Stoff $B$ wird reduziert und nimmt ein $e^-$ auf:
  $A$ $+$ $B$ $\longrightarrow$ $A^+$ $+$ $B^-$.

  Im Beispiel $A$ $+$ $B$ $\longrightarrow$ $A^+$ $+$ $B^-$ sind
  $A$ & $A^+$ bzw.
  $B$ & $B^-$
  Redoxsysteme, also korrespondierende Redoxpaare.

  Lösung

  Rechts siehst du eine bildliche Darstellung einer Reduktion bzw. Oxidation. Der Beutel soll dabei die Elektronen symbolisieren.

  Bei einer Redoxreaktion laufen gleichzeitig eine Reduktion und eine Oxidation ab (deshalb auch Reduktions-Oxidations-Reaktion).

  Betrachten wir so eine Redoxreaktion anhand einer Gleichung:
  $A$ $+$ $B$ $\longrightarrow$ $A^+$ $+$ $B^-$.

  Stoff $A$ gibt als Reduktionsmittel bzw. Elektronendonator ein Elektron ($e^-$) ab und wird oxidiert.
  Die Teilgleichung dieser Oxidation heißt: $A~\longrightarrow~A^+~+~e^-$.

  Stoff $B$ nimmt als Oxidationsmittel bzw. Elektronenakzeptor ein $e^-$ auf und wird reduziert.
  Die Teilgleichung dieser Reduktion heißt: $B~+~e^-~\longrightarrow~B$.

  In unserem Beispiel sind $A$ und $A^+$ ein korrespondierendes Redoxpaar und $B$ und $B^-$ sind ebenfalls ein korrespondierendes Redoxpaar. Eine andere Bezeichnung dafür ist Redoxsystem.

• Stelle eine Redoxreaktion grafisch dar.

  Tipps

  Die vier Begriffe sind: Oxidation, Reduktion, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel.

  Bei einer Reduktion wird in der Regel Sauerstoff abgegeben.

  Die Reaktion von $C$ zu $CO_2$ ist eine Oxidation. Das Oxidationsmittel ist $FeO$.

  Lösung

  Auf der Abbildung kannst du erkennen, dass die Reaktion von $FeO$ zu $Fe$ eine Reduktion darstellt. Das ist gut erkennbar, da hier der Sauerstoff wegfällt (reduziert).

  Die Reaktion von $C$ zu $CO_2$ ist eine Oxidation. Du kannst sehen, dass das Kohlenstoffatom $O_2$ (oxi) erhält.
  Der Stoff, der diese Oxidation ermöglicht, ist das $FeO$. Es ist also das Oxidationsmittel.
  Das Reduktionsmittel ist $C$.

  Die Redoxreaktion kann auch in die beiden Einzelreaktionen zerlegt werden:
  Reduktion: $Fe^{2+}~+~2~e^-~\longrightarrow~Fe$
  Oxidation: $C~\longrightarrow~C^{2+}~+~2~e^-$.

• Begründe, warum ein Wasserstoff-Ion auch als Proton bezeichnet wird.

  Tipps

  Das Wasserstoff-Atom $(H)$ besitzt, wie du rechts erkennen kannst, ein Proton im Atomkern und ein Elektron.

  Das Proton heißt in der offiziellen chemischen Nomenklatur auch Hydron. Das Symbol von Wasserstoff $(H)$ steht für das Wort hydrogenium.

  Lösung

  Das Wasserstoff-Ion wird auch als Proton bezeichnet. Dies kommt daher, da das Wasserstoffatom nur ein Elektron besitzt. Wird dieses abgegeben, entsteht das Wasserstoff-Ion, es bleibt also theoretisch nur der positiv geladene Atomkern übrig. Dies ist allerdings nur in der Theorie möglich, da freie Atomkerne ganz ohne Elektronen nicht existieren.

  Im chemischen Sinne kann ein Proton neben dem eigentlichen Proton auch bis zu zwei Neutronen enthalten, da die Masse des Kerns für den Protonenbegriff unerheblich ist.

  Also: Wenn du $H^+$ liest, kannst du dazu entweder Wasserstoff-Ion oder Proton sagen.

• Analysiere den Citratzyklus hinsichtlich einer Oxidationsreaktion.

  Tipps

  Bei einer Reduktion werden Elektronen $(e^-)$ aufgenommen, bei einer Oxidation werden Elektronen abgegeben.

  Schaue dir das Beispiel für eine Redoxreaktion an.

  Bei der Reaktion von $NAD^+$ zu $NADH+H^+$ handelt es sich um eine Reduktion.

  Lösung

  Beginnen wir mit dem Beispiel aus dem Citratzyklus.
  Malat wird zu Oxalacetat oxidiert. Das bedeutet, dass Malat Elektronen abgibt. Dies passiert in Form von zwei Wasserstoffatomen (bzw. $2~e^-$ und $2~H^+$). Sie werden auf das $NAD^+$ übertragen. $NAD^+$ ist also das Oxidationsmittel, da es die Oxidation von Malat zu Oxalacetat ermöglicht. Malat ist dementsprechend das Reduktionsmittel.

  Nun zum zweiten Beispiel, das wir bei alkoholischen Gärungsprozessen finden:
  Ethanal (Acetaldehyd) wird zu Ethanol reduziert. Dies wird ermöglicht durch $NADH+H^+$, welches 2 Wasserstoffatome (bzw. $2~e^-$ und $2~H^+$) abgibt und so die Reduktion ermöglicht. Deshalb ist $NADH+H^+$ das Reduktionsmittel. Ethanal ist das Oxidationsmittel, da es die Oxidation von $NADH+H^+$ zu $NAD^+$ ermöglicht, indem es die beiden Wasserstoffatome aufnimmt.

• Benenne die funktionellen Gruppen.

  Tipps

  Hier siehst du die vollständige Strukturformel der Essigsäure. Bestimmt ist dir die $COOH$-Gruppe aufgefallen, die jede Carbonsäure mindestens einmal enthält. Die funktionelle Gruppe heißt Carboxygruppe.

  Aceton ist das einfachste Keton. Das entscheidende Strukturmerkmal ist die Carbonylgruppe $(C=O)$.

  Hier findest du die Strukturformel von Acetaldehyd (auch Ethanal). Wie der erste Name schon vermuten lässt, finden wir hier eine Aldehydgruppe. Hast du sie auch gefunden?

  Lösung

  Funktionelle Gruppen bestimmen verschiedene Stoffeigenschaften und auch das Reaktionsverhalten der entsprechenden Verbindungen. Verbindungen mit gleichen funktionellen Gruppen werden oft zu Stoffklassen zusammengefasst, eben aufgrund der ähnlichen Eigenschaften.

  Oben findest du vier ausgewählte funktionelle Gruppen, von denen du drei im Video kennengelernt hast.

  • $R-CO-R$: Die Carbonylgruppe ist charakteristisch für Ketone, wie z. B. Aceton.
  • $R-COOH$: Bei Carbonsäuren finden wir typischerweise die Carboxygruppe, die sich aus einer Carbonylgruppe und einer Hydroxygruppe zusammensetzt. Beispiele für Carbonsäuren sind Ameisensäure, Buttersäure oder Essigsäure.
  • $R-OH$: Typisch für Alkohole ist die Hydroxygruppe. Deshalb finden wir sie z. B. bei Methanol oder Ethanol.
  • $R-CO-H$: Die Aldehydgruppe finden wir bei den Aldehyden. Beispiele sind Formaldehyd oder Acetaldehyd

• Bestimme bei den dargestellten Redoxreaktionen die Oxidations- und Reduktionsmittel.

  Tipps

  Sauerstoff $(O_2)$ selbst ist ein Oxidationsmittel. Im Grunde kann man es sich so merken, dass der Stoff, der $O_2$ abgibt, das Oxidationsmittel ist.

  Schauen wir uns die vereinfachte Summenformel der Zellatmung an:
  $C_6H_{12}O_6~+~6~O_2~\longrightarrow~6~CO_2~+~6~H_2O$.

  Glucose wird zu $CO_2$ oxidiert. $O_2$ wird zu $H_2O$ reduziert. Wenn Glucose oxidiert wird, dann ist es das Reduktionsmittel. Wenn Sauerstoff reduziert wird, ist es das Oxidationsmittel.

  Lösung

  Puh, gar nicht so einfach, hier den Überblick zu behalten. Aber gehen wir die Oxidations- und Reduktionsmittel noch einmal durch.

  Jede Redoxreaktion kann man in die beiden Einzelreaktionen Oxidation und Reduktion aufgliedern. Das machen wir jetzt mit dem 1. Beispiel.
  Redoxreaktion: $2~Al~+~Fe_2O_3~\longrightarrow~Al_2O_3~+~2~Fe$
  Reduktion: $Fe^{3+}~+~6~e^-~\longrightarrow~2~Fe$
  Oxidation: $2~Al~\longrightarrow~2~Al^{3+}~+~6~e^-$

  Wie du siehst, wird der Sauerstoff an dieser Stelle ausgeblendet. Um herauszufinden, ob es sich bei dem vorliegenden Reaktionspartner um ein Reduktionsmittel oder ein Oxidationsmittel handelt, sollte man erstens schauen, ob Sauerstoff im Spiel ist. Wenn dem so ist, dann ist der Stoff das Oxidationsmittel, der den Sauerstoff abgibt (im 1. Beispiel also $Fe_2O_3$). Umgekehrt ist der Stoff, der Sauerstoff aufnimmt das Reduktionsmittel (im 1. Beispiel also $Al$).

  Findet die Reaktion ohne Sauerstoff statt, müssen wir uns der Oxidationszahlen bedienen. Dies möchte ich dir an Beispiel 7 kurz erläutern:
  $Zn~+~2~HCl~\longrightarrow~ZnCl_2~+~H_2$.

  $~~$
  Zuerst ein paar Worte zu Oxidationszahlen (OZ):

  • einzelne Teilchen haben die OZ $\pm 0$ (z. B. $Zn$, $H_2$)
  • Wasserstoffatome haben die OZ $+1$
  • Sauerstoffatome haben die OZ $-2$
  • Metallatome haben in einer Verbindung die OZ ihrer Wertigkeit im Periodensystem $(Zn=+2)$

  Daraus ergeben sich für Beispiel 7 folgende Oxidationszahlen:
  ${}_{\pm 0}~~~~~~~~~~{}_{+1}~{}_{-1}~~~~~~~~~{}_{+2}~~{}_{-1}~~~~~~~~{}_{\pm 0}$
  $Zn~+~2~HCl~\longrightarrow~ZnCl_2~+~H_2$.

  Wird die Oxidationszahl kleiner, handelt es sich um das Oxidationsmittel.
  Wird die Oxidationszahl größer, handelt es sich um das Reduktionsmittel.

  $Zn$ ist also das Reduktionsmittel, da sich die OZ von $\pm 0$ auf $+2$ erhöht.
  $HCl$ ist das Oxidationsmittel, da sich die OZ von $H$ von $+1$ auf $\pm 0$ erniedrigt.