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Textaufgaben: Reduktion als Elektronenaufnahme

Zwei Sachaufgaben vom glühenden Thermit bis zum Silberbad in der Küche.

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1

Schienen schweißen mit Thermit

AFB I–II

Bahngleise werden oft mit dem Thermit-Verfahren verschweißt. Ein Gemisch aus Aluminiumgrieß und Eisen(III)-oxid wird gezündet und reagiert so heftig, dass flüssiges Eisen mit über 2000 °C entsteht: \(\mathrm{2\,Al+Fe_2O_3\longrightarrow Al_2O_3+2\,Fe}\).

Thermit-Schweißen an der Schiene
Tiegel Schiene Schiene Aluminium + Eisenoxid flüssiges Eisen
Das Reaktionsgemisch im Tiegel wird gezündet; das entstehende Eisen fließt in die Lücke zwischen den Schienen.
  1. Gib an, welcher Stoff oxidiert und welcher reduziert wird.
  2. Stelle die Teilgleichungen für die Oxidation und die Reduktion auf (Ionen: \(\mathrm{Al^{3+}}\), \(\mathrm{Fe^{3+}}\)).
  3. Erläutere die Begriffe Oxidationsmittel und Reduktionsmittel am Beispiel dieser Reaktion.
  4. Für eine Schweißstelle werden 54 g Aluminium eingesetzt. Ermittle die Masse Eisen, die höchstens entstehen kann \((M(\mathrm{Al})=27\ \mathrm{g/mol},\ M(\mathrm{Fe})=55{,}8\ \mathrm{g/mol})\).

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Vergleiche, ob Aluminium und Eisen links und rechts als Atom oder als Ion vorliegen.Angeben: ohne Begründung nennen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Aluminium gibt drei Elektronen ab; das Eisen-Ion im Oxid nimmt so viele auf, wie es positive Ladungen hat.
Hinweis zu Aufgabe c)
Wer gibt Elektronen ab, wer nimmt sie auf? Das Mittel ist nach dem benannt, was es beim Partner bewirkt.
Hinweis zu Aufgabe d)
Nutze das Stoffmengenverhältnis aus der Reaktionsgleichung: 2 Al liefern 2 Fe.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Aluminium wird oxidiert (Atom → \(\mathrm{Al^{3+}}\)). Die Eisen(III)-Ionen werden reduziert (\(\mathrm{Fe^{3+}}\) → Atom).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Oxidation: \(\mathrm{Al\longrightarrow Al^{3+}+3\,e^-}\)

Reduktion: \(\mathrm{Fe^{3+}+3\,e^-\longrightarrow Fe}\)

Beide Teilgleichungen übertragen 3 Elektronen; mit dem Faktor 2 (zwei Al, zwei \(\mathrm{Fe^{3+}}\) in \(\mathrm{Fe_2O_3}\)) ergibt sich die angegebene Gesamtgleichung.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Aluminium ist das Reduktionsmittel: Es gibt Elektronen ab (Elektronendonator), reduziert damit die Eisen-Ionen und wird selbst oxidiert.

Die Eisen(III)-Ionen sind das Oxidationsmittel: Sie nehmen Elektronen auf (Elektronenakzeptor), oxidieren das Aluminium und werden selbst reduziert.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

\(n(\mathrm{Al})=\dfrac{54\ \mathrm{g}}{27\ \mathrm{g/mol}}=2\ \mathrm{mol}\); laut Gleichung gilt \(n(\mathrm{Fe})=n(\mathrm{Al})=2\ \mathrm{mol}\).

\(m(\mathrm{Fe})=2\ \mathrm{mol}\cdot 55{,}8\ \mathrm{g/mol}=111{,}6\ \mathrm{g}\) — es entstehen höchstens rund 112 g Eisen.

2

Silber im Salzbad

AFB II–III

Angelaufenes Silber (Belag aus \(\mathrm{Ag_2S}\), also \(\mathrm{Ag^+}\)-Ionen) lässt sich ohne Polieren reinigen: Man legt es in einer Schüssel mit heißer Kochsalzlösung auf Aluminiumfolie. Nach wenigen Minuten glänzt das Silber wieder, und die Folie ist an den Berührungsstellen angegriffen.

  1. Deute die Beobachtungen im Elektronenbild: Was geschieht mit den Silber-Ionen, was mit dem Aluminium?
  2. Ordne Aluminium und die Silber-Ionen den Begriffen Elektronendonator, Elektronenakzeptor, Oxidationsmittel und Reduktionsmittel zu.
  3. Leite aus den Teilgleichungen die Gesamtgleichung für die Reaktion von Aluminium mit Silber-Ionen her.
  4. Bewerte das Salzbad-Verfahren im Vergleich zum Polieren mit einem Putztuch.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Der Glanz stammt von Silber-Atomen, die angegriffene Folie von Aluminium, das in Lösung geht.Deuten: Beobachtung mit dem Modell verbinden.
Hinweis zu Aufgabe b)
Wer gibt Elektronen ab, wer nimmt sie auf?
Hinweis zu Aufgabe c)
Aluminium gibt 3 Elektronen ab, ein Silber-Ion nimmt 1 Elektron auf. Bilde das kgV.
Hinweis zu Aufgabe d)
Wohin gelangt das Silber des Belags bei jedem Verfahren? Denke auch an Aufwand und Nebenprodukte.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Silber-Ionen im Belag nehmen Elektronen auf und werden wieder zu Silber-Atomen: \(\mathrm{Ag^{+}+e^-\longrightarrow Ag}\) — der Belag verschwindet, das Silber glänzt.

Aluminium-Atome geben Elektronen ab und gehen als \(\mathrm{Al^{3+}}\)-Ionen in Lösung: \(\mathrm{Al\longrightarrow Al^{3+}+3\,e^-}\) — die Folie wird angegriffen. Die Salzlösung leitet und ermöglicht den Elektronenübergang über die Berührungsstellen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Aluminium: Elektronendonator und Reduktionsmittel (wird oxidiert).

Silber-Ionen: Elektronenakzeptor und Oxidationsmittel (werden reduziert).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Oxidation: \(\mathrm{Al\longrightarrow Al^{3+}+3\,e^-}\;\;|\cdot 1\)

Reduktion: \(\mathrm{Ag^{+}+e^-\longrightarrow Ag}\;\;|\cdot 3\) (kgV(3, 1) = 3)

Gesamt: \(\mathrm{Al+3\,Ag^{+}\longrightarrow Al^{3+}+3\,Ag}\)

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Vorteil Salzbad: Die Silber-Ionen des Belags werden zu Silber zurückverwandelt und bleiben am Besteck — es geht kein Silber verloren. Beim Polieren wird der Belag samt Silber-Ionen abgerieben.

Nachteile: Aluminiumfolie wird verbraucht, es entsteht übelriechender Schwefelwasserstoff, und das Silber wirkt danach eher matt-hell als hochglänzend. Insgesamt ist das Salzbad für wertvolles oder dünn versilbertes Besteck die schonendere Wahl; für hochglänzende Oberflächen kann ein sanftes Nachpolieren sinnvoll sein.