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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Edle und unedle Elemente

Ich würde jetzt gerne ein Bild von meinem Goldschatz hier zeigen, um Dir einen Eindruck von "edel" zu geben, aber leider .... nun, es gibt keinen Goldschatz in meinem Keller. Obwohl das bei den meisten Menschen so sein dürfte, verbinden wohl beinahe alle das Metall Gold mit dem Begriff des Edelmetalls und haben damit, womöglich ohne es zu wissen, eine ungefähre Vorstellung vom chemischen Begriff "edel". Allerdings ist der zweite Gedanke hier der richtige, denn es geht bei "edel" in der Chemie nicht um teuer, sondern um die Beständigkeit gegenüber chemischen Einflüssen. Omas Goldschmuck korrodiert niemals, während Opas erstes Auto schon vor langer Zeit dem Rost zum Opfer gefallen ist. Gold ist edel, Eisen eher nicht. Im Prinzip ist das schon alles, worum es auf dieser Seite gehen wird.

Edle und unedle Metalle

Gold ist eines von ganz wenigen Metallen, die auf der Erde tatsächlich in metallischer Form gefunden werden. Goldsucher, die man z.B. aus dem Fernsehen kennt, suchen kleine Goldklumpen. Die meisten anderen Metalle kommen auf der Erde nur in Form von Verbindungen vor. Um z.B. Eisen für ein Auto zu bekommen, muss man zunächst durch eine chemische Reaktion das Eisen aus seiner Verbindung "befreien".

Die häufigsten Verbindungen des Eisens sind Oxide und Sulfide - Eisenerze, aus denen wir eines der für uns wichtigsten Metalle gewinnen, sind Eisenoxide oder Eisensulfide, in denen das Eisenatom in oxidierter Form vorliegt. Praktisch alle Eisenatome auf unserer Erde haben also irgendwann in der Vergangenheit mit Sauerstoff oder Schwefel reagiert und wurden dabei oxidiert. d.h. sie haben Elektronen abgegeben (vgl. Oxidation als Elektronenabgabe).

Alle Eisenatome der Welt sind irgendeine Reaktion eingegangen, sehr viele Goldatome haben das niemals getan und kommen bis heute als metallisches Gold auf der Erde vor. Das Eisenatom gibt seine Elektronen also deutlich leichter ab, als das Goldatom. Eisen ist unedler als Gold. Gold ist so edel, dass es kaum chemische Reaktionen eingeht und nur unter sehr drastischen Bedingungen oxidiert werden kann.

Je edler ein Metall ist, desto schlechter kann es oxidiert werden.

In Wikipedia gibt es einen Artikel zu Edelmetallen, wo Du nachlesen kannst, welche Metalle des Periodensystems zu den Edelmetallen zählen. Außerdem wird der Begriff des Edelmetalls genauer erklärt - ein lesenswerter Artikel.

Das Edle oxidiert das Unedle

Eisen, Eisensulfat, Kupfersulfat und Kupfer
von links nach rechts: Eisennagel, Eisensulfat, Kupfersulfat und Kupfer

Machen wir ein kleines Experiment: Kupfersulfat (CuSO4) und Eisensulfat (FeSO4) sind Salze, die jeweils zweifach positive Ionen der Metalle Kupfer (Cu2+) und Eisen (Fe2+) enthalten. Diese Ionen sind mit den Sulfationen (SO42-) durch eine Ionenbindung verbunden. Beim Lösen in Wasser dissoziieren die Ionen und die Lösung enthält danach die freien Kupfer- bzw. Eisenionen sowie jeweils Sulfationen. Wir nehmen von beiden Salzen etwa gleich viel und lösen sie jeweils in etwa gleich viel Wasser. Dadurch erhalten wir zwei Lösungen mit jeweils freien Metallionen, also dem Metall in seiner oxidierten Form. In die Kupfersulfatlösung geben wir einen Eisennagel und in die Eisensulfatlösung ein Stück Kupferblech. Hierdurch ist also jeweils ein Metall in direktem Kontakt mit der oxidierten Form des anderen.

Eisen, Eisensulfatlösung, Kupfersulfatlösung und Kupfer
Eisensulfat (links) und Kupfersulfat (rechts wurden in Wasser gelöst)
Eisen in Kupfersulfatlösung und Kupfer in Eisensulfatlösung nach wenigen Sekunden
Gerade wurde das Kupferblech in die Eisensulfatlösung (links) gegeben und der Eisennagel in die Kupfersulfatlösung (rechts)
Eisen in Kupfersulfatlösung und Kupfer in Eisensulfatlösung nach einigen Minuten
Einige Minuten später: Das Kupferblech ist unverändert aber auf dem Eisennagel hat sich eine deutlich sichtbare Kupferschicht gebildet.

Das Lösen in Wasser ist nötig, damit sich die Metallionen (Fe2+, Cu2+) bewegen können und überhaupt Kontakt zum Metall haben können. Auf den Bildern sieht man, dass die Kupfersulfatlösung durch die Kupferionen hellblau ist, während die Eisensulfat-Lösung grün-gelb ist. Eigentlich wäre sie hellgrün durch die Fe2+-Ionen. Leider wird das Eisen(II) aber sehr leicht zu Eisen(III) (Fe3+) oxidiert, was eine eher gelb-braune Farbe zur Folge hat.

Nach einigen Minuten hat sich auf dem Eisennagel eine deutlich sichtbare Schicht aus Kupfer gebildet, während das Kupferblech unverändert geblieben ist. Die beiden Lösungen haben sich nicht sichtbar verändert. Hätte ich den Versuch einige Tage stehen lassen, wäre aber die blaue Farbe aus der Kupfersulfatlösung verschwunden und beide Lösungen hätten den gleichen gelb-braunen Farbton durch die Eisenionen gehabt.

Das Kupferblech reagiert in der Eisensulfatlösung also nicht, während das Eisen in der Kupfersulfatlösung zur Bildung von metallischem Kupfer führt. Die Kupferionen werden also durch das Eisen reduziert, sie nehmen zwei Elektronen auf:

Reduktion: Cu2+ + 2e- → Cu

Wenn es eine Reduktion gibt, muss es immer auch eine Oxidation geben, denn irgendwoher müssen die Elektronen ja gekommen sein. Als einzige oxidierbare Substanz ist das Eisen im Reagenzglas, dass durch die Kupferionen zu Eisen(II) (Fe2+) oxidiert wird.

Oxidation: Fe → Fe2+ + 2 e-

Daraus ergibt sich die folgende Redox-Reaktion:

Redox: Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+

Die Kupferionen oxidieren also das Eisen. Die umgekehrte Reaktion läuft nicht freiwillig ab. Eisenionen sind nicht in der Lage Kupfer zu oxidieren. Kuper ist demnach edler als Eisen, denn es wird schwerer oxidiert.

Die Spannungsreihe der Metalle

Ähnliche Experimente könnte man nun mit allen Metallen machen und würde feststellen, dass die Redox-Reaktion immer nur in einer der beiden möglichen Richtungen abläuft. Wenn das edlere Metall in seiner oxidierten Form vorkommt, gibt es eine Reaktion und sonst eben nicht. Daraus lässt sich dann eine Rangfolge der Metalle sortiert nach Edelkeit erstellen, die Spannungsreihe.

Alle Metalle M reagieren dabei in der Oxidation in der gleichen Weise unter Abgabe von x Elektronen:

Oxidation: M → Mx+ + x e-

Einige Metalle sind beispielhaft in der folgenden Tabelle in oxidierter und reduzierter Form angegeben. Je weiter unten ein Element in der Tabelle steht, desto edler ist es.

Die Tabelle zeigt einige Metalle in ihrer oxidierten und ihrer reduzierten Form, wobei die edleren Metalle weiter unten stehen.
Reduzierte Form Oxidierte Form
1 Lithium Li Li+ + e-
2 Kalium K K+ + e-
3 Calcium Ca Ca2+ + 2e-
4 Natrium Na Na+ + e-
5 Magnesium Mg Mg2+ + 2e-
6 Titan Ti Ti2+ + 2e-
7 Aluminium Al Al3+ + 3e-
8 Titan Ti Ti3+ + 3e-
9 Mangan Mn Mn2+ + 2e-
10 Zink Zn Zn2+ + 2e-
11 Chrom Cr Cr3+ + 3e-
13 Eisen Fe Fe2+ + 2e-
14 Nickel Ni Ni2+ + 2e-
15 Zinn Sn Sn2+ + 2e-
16 Blei Pb Pb2+ + 2e-
17 Eisen Fe Fe3+ + 3e-
19 Kupfer Cu Cu2+ + 2e-
21 Silber Ag Ag+ + e-
22 Quecksilber Hg Hg2+ + 2e-
23 Palladium Pd Pd2+ + 2e-
25 Iridium Ir Ir3+ + 3e-
26 Platin Pt Pt2+ + 2e-
29 Gold Au Au3+ + 3e-

In der Tabelle steht das beste Reduktionsmittel also ganz oben in der Spalte "reduzierte Form" und das beste Oxidationsmittel ganz unten in der Spalte "oxidierte Form". Eine Redoxreaktion zwischen einer reduzierten und einer oxidierten Form aus der Tabelle läuft also immer dann freiwillig ab, wenn die oxidierte Form in der Tabelle weiter unten steht. Man sieht, dass Eisen weiter oben steht, als das Kupfer - Kupfer ist demnach edler und wie oben schon beschrieben, können die Kupferionen das Eisen oxidieren die Eisenionen das Kupfer hingegen nicht.

Einige Metalle wie Titan und Eisen kommen in der Tabelle mehrmals vor. Wäre die Tabelle vollständig, wäre das für alle Übergangsmetalle und auch etliche Hauptgruppenmetalle der Fall. Sehr viele Metallionen können in unterschiedlichen Oxidationsstoffen vorkommen. Betrachten wir beispielhaft die beiden dargestellten Reaktionen des Eisens:

In der Tabelle findet sich die zweite Reaktion weiter unten, was bedeutet, dass sie weniger leicht abläuft. Eigentlich logisch, denn einem Atom gegen die Anziehungskraft zwischen Kern und Hülle drei Elektronen weg zu nehmen ist augenscheinlich schwieriger als nur zwei. Umgekehrt läuft bei der unteren Reaktion die Rückreaktion, also die Reduktion entsprechend aus dem gleichen Grund leichter ab.

Überraschend mag für viele sein, dass man viele relativ beständige Alltagsmetalle relativ weit oben findet. Sie sind also eigentlich ziemlich unedel und werden leicht oxidiert. Trotzdem muss man z.B: Aluminium oder Magnesium anders als das deutlich edlere Eisen nicht durch eine Lackierung oder einen Anstrich vor Korrosion schützen - überraschend. Der Grund hierfür ist fast eher physikalischer als chemischer Art. Eisenoxid ist sehr voluminös und "porös", bindet Wasser in seinem Innern und ist durchlässig für Sauerstoff. Rost begünstigt somit durch die große Oberfläche und die Bindung des "Beschleunigers" Wasser direkt auf dem Eisen die weitere Korrosion. Die Oxide von Aluminum und Magnesium machen das nicht. Sie bilden stattdessen eine relativ feste und weitestgehend undurchlässige Schicht auf der Oberseite der Metalle, die der weiteren Korrosion ähnlich wie eine Lackschicht im Wege stehen und so die Korrosion verlangsamen. Deshalb sind Magnesium und insbesondere auch Aluminium auch ohne Versiegelung der Oberfläche relativ beständig, obwohl sie eher unedel sind.

Erwartungsgemäß stehen die Edelmetalle ziemlich weit unten in der Tabelle - sie sind die edelsten Metalle und sind am schwersten oxidierbar.

Einordnung der Nichtmetalle

Natürlich können auch Nichtmetalle an Redoxreaktionen beteiligt sein - historischen stammt der Begriff der Oxidation ja sogar von der Reaktion mit dem Nichtmetall Sauerstoff. Die Nichtmetalle müssten sich also in die obige Tabelle einsortieren lassen. Leider ist die Systematik dabei nicht mehr so hübsch, weil die Nichtmetalle i.d.R. Elektronen aufnehmen und danach Anionen bilden. Kationen der Nichtmetalle sind eher die Ausnahme, doch dazu später mehr. Starten wir erstmal mit einem kleinen Experiment:

Magnesium oder Wasserstoff - was ist edler?

Ein Stück Magnesium neben einem Reagenzglas mit Wasser
Ein Stück Magnesium neben einem Reagenzglas mit Wasser
Ein Stük Magnesium in einem Reagenzglas mit Wasser
Ein Stück Magnesium in einem Reagenzglas mit Wasser
Eine Großaufnahme des im Wasser befindlichen Magnesiums
Eine Großaufnahme des im Wasser befindlichen Magnesiums

Wie oben beim Vergleich von Kupfer und Eisen müsste man wieder ausprobieren, ob die oxidierte Form des einen Elements die reduzierte Form des Anderen oxidieren kann. Die oxidierte Form des Wasserstoffs ist als Wasser allgegenwärtig. Wir geben ein Stück Magnesium (die reduzierte Form) in Wasser. Auf dem obersten Bild liegt das Stück Magnesium vor dem Reagenzglas. Man sieht deutlich den silbrig-metallischen Glanz aber auch die etwas matten Stellen, an denen das Magnesium bereits oxidiert wurde, denn als unedles Metall wird Magnesium an der Luft recht schnell oxidiert (s.o.).

Kurz nach dem Eintauchen des Magnesiums in das Wasser sieht man auf der Oberfläche des Magnesiums kleine Gasblasen, die langsam größer werden, vom Metall abreißen und nach oben steigen. Die Gasblasen bilden sich ständig neu und wenn man lange genug wartet, sieht man, wie das Magnesiumstück immer kleiner wird und sich schließlich vollständig auflöst, zumindest wenn man genug Wasser nimmt.

Das sich entwickelnde Gas ist Wasserstoff. Magnesium reagiert mit der oxidierten Form des Wasserstoffs und wird dabei selbst oxidiert.

Oxidation: Mg → Mg2+ + 2 e-

Die in der Oxidation abgegebenen Elektronen werden vom Wasser aufgenommen und führen zur Reduktion der Wasserstoffatom und damit zur Bildung von gasförmigem Wasserstoff entsprechend folgender Reaktion:

Reduktion: 2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OH-

Redox: Mg + 2 H2O → Mg2+ + H2 + 2 OH-

Demnach ist das Magnesium also unedler als der Wasserstoff, denn die reduzierte Form des Magnesiums (Mg) wird von der oxidieren Form des Wasserstoffs (Wasserstoffoxid, H2O) oxidiert. Die umgekehrte Reaktion zwischen Magnesiumoxid und Wasserstoff würde entsprechend nicht freiwillig ablaufen. Die oxidierte Form des unedleren Magnesiums ist nicht in der Lage den edleren Wasserstoff zu oxidieren.

Tatsächlich müsste man den Wasserstoff in obigen Tabelle zwischen Eisen und Kupfer wie folgt einsortieren:

Eisen: Fe → Fe3+ + 3 e-
Wasserstoff: H2 → 2 H+ + 2 e-
Kupfer: Cu → Cu2+ + 2 e-

Die Nichtmetalle

Oben habe ich es ja schon erwähnt: Die Nichtmetalle sind insgesamt etwas komplizierter. Zum einen bilden sie in elementarer Form genau wie der Wasserstoff Moleküle. Zum Anderen reagieren sie oft zu Anionen, sodass anders als bei den Metallen das Nichtmetall in elementarer Form das Oxidationsmittel bzw. die "oxidierte Form" ist.

Die Tabelle zeigt einige Nichtmetalle in oxidierten und ihrer reduzierten Form, wobei die edleren Elemente weiter unten stehen.
Reduzierte Form Oxidierte Form
12 Schwefel S2- S + 2 e-
18 Wasserstoff H2 2 H+ + 2 e-
20 Iod 2 I- I2 + 2 e -
24 Brom 2 Br- Br2 + 2 e -
27 Sauerstoff 2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e-
28 Chlor 2 Cl- Cl2 + 2 e -
30 Fluor 2 F- F2 + 2 e -

Die Ziffern in der ersten Spalte der Tabelle erlauben die Einsortierung in die erste Tabelle zur Edelkeit der Metalle. Wie man schon an dieser kleinen Auswahl an Elementen sieht, sind die Metalle i.d.R. unedler als die Nichtmetalle. Nur die Edelmetalle bilden hier teilweise eine Ausnahme. Deshalb kommen die Edelmetalle in elementarer Form auf der Erde vor. Sie können einfach nicht durch die Nichtmetalle oxidiert werden. Die meisten Metalle sind aber unedler als die Nichtmetalle und haben deshalb irgendwann in der Vergangenheit ihre Elektronen in einer Redoxreaktion an irgendein Nichtmetall abgegeben.

Unter den angegebenen Nichtmetallen ist Wasserstoff eines der unedelsten Elemente. Hinzu kommt, dass der Wasserstoff als einziges Nichtmetall in der Tabelle in seiner reduzierten Form nicht als Anion vorliegt, sondern in der oxidierten Form wie die Metalle ein Kation bildet. Tatsächlich ist Wasserstoff für ein Nichtmetall sehr leichtt oxidierbar.

Wenig überraschend ist, dass das Fluor das edelste Nichtmetall in der Tabelle ist. Fluor ist das stärkste Oxidationsmittel unter den Elementen und Fluoridionen (F-) sind unglaublich schwierig zu oxidieren. Elementares Fluor (F2) ist deshalb eine wirklich unangenehme Substanz, die auch nur schwer gelagert werden kann, da sie im Prinzip immer das Material des Gefäßes oxidiert.

Edel und unedel im Periodensystem

Im Periodensystem lässt sich grob abschätzen, welches von zwei Elementen edler sein könnte, wenn gleich es von der folgenden Regel zahlreiche Ausnahmen gibt.

In den Hauptgruppen des Periodensystems steht das eldere Element weiter oben, in den Nebengruppen weiter unten. In den Hauptgruppen steht das edelere Element weiter rechts.