Metalle und ihre Affinität zu Sauerstoff
Erfahre, warum Metalle wie Gold rostfrei bleiben und andere rosten. Entdecke die Affinitätsreihe der Metalle und warum einige Metalle schneller mit Sauerstoff reagieren als andere. Interessiert? Das und mehr im Text!
- Sauerstoffaffinität der Metalle in der Chemie
- Sauerstoffaffinität der Metalle – einfach erklärt
- Sauerstoffaffinität der Metalle – Beispiele
- Die Affinitätsreihe der Metalle
- Anwendung der Affinitätsreihe der Metalle
- Ausblick – das lernst du nach Metalle und ihre Affinität zu Sauerstoff
- Zusammenfassung der Metalle und ihrer Affinität zu Sauerstoff
- Häufig gestellte Fragen zum Thema Sauerstoffaffinität der Metalle
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Grundlagen zum Thema Metalle und ihre Affinität zu Sauerstoff
Sauerstoffaffinität der Metalle in der Chemie
Hast du dich schon einmal gefragt, warum Eisen rostet oder warum im Gegensatz dazu Schmuck häufig nur aus bestimmten Metallen wie Gold oder Platin gefertigt wird? Anscheinend reagieren manche Metalle schneller mit dem Sauerstoff aus der Luft, wohingegen andere unverändert bleiben. Doch woran liegt das?
Um dies zu klären, schauen wir uns den Begriff der Sauerstoffaffinität genauer an und erläutern, welche Auswirkungen diese spezielle Eigenschaft auf Metalle und Metalloxide hat.
Zum besseren Verständnis solltest du bereits etwas über Metalle, Sauerstoff, Oxidation und Oxide wissen. Das Video Oxidation und Reduktion hilft dir dabei.
Sauerstoffaffinität der Metalle – einfach erklärt
Das Wort Affinität stammt vom lateinischen Wort affinitas und bedeutet Verwandtschaft. Dies ist ein wenig irreführend, da es sich hierbei nicht wirklich um eine Verwandtschaft zwischen zwei Elementen handelt, sondern die Reaktionsaffinität vielmehr eine Art Reaktionsfreudigkeit beschreibt. Ganz allgemein geht es also darum, wie stark die Triebkraft zwischen zwei Reaktionspartnern ausgeprägt ist, eine Reaktion miteinander einzugehen. Handelt es sich dabei um eine Reaktion von einem Metall mit Sauerstoff, sprechen wir von der Sauerstoffaffinität der Metalle.
Schlaue Idee
Hast du schon mal bemerkt, dass alte Fahrräder rosten? Das passiert, weil das Eisen im Stahl des Fahrrads mit Sauerstoff und Wasser aus der Luft reagiert. So entsteht Rost, eine Form von Eisenoxid.
Sauerstoffaffinität der Metalle – Beispiele
Schauen wir uns dazu zwei Beispiele an:
Magnesium ($\ce{Mg}$) verbrennt sofort, wenn wir es mit einer offenen Flamme in Verbindung bringen. Es reagiert mit dem Luftsauerstoff zu Magnesiumoxid nach folgender Reaktionsgleichung:
$\ce{2 Mg + O2 -> 2 MgO}$
Oder als verallgemeinerte Wortgleichung dargestellt:
$\ce{\text{Metall} + \text{Sauerstoff} -> \text{Metalloxid}}$
Aber trifft dies nun für alle Metalle gleichermaßen zu? Ein Blick auf das nächste Beispiel schafft Klarheit. Bringen wir Silber ($\ce{Ag}$) mit einer offenen Flamme in Verbindung, lässt sich dieses nicht entzünden, das bedeutet also, dass nicht alle Metalle mit Sauerstoff reagieren.
Gibt es nun eine Systematik, die uns sagt, welche Metalle leicht und welche gar nicht mit Sauerstoff reagieren?
Ja, diese Systematik nennt sich Affinitätsreihe der Metalle.
Die Affinitätsreihe der Metalle
Häufig hörst du bei Metallen die Bezeichnungen edel und unedel. Dies hat in erster Linie nichts mit dem Geldwert der Metalle zu tun, sondern bezieht sich auf die schon beschriebene chemische Eigenschaft, wie leicht jenes Metall eine Verbindung mit Sauerstoff eingeht. Sehr edle Metalle sind z. B. Gold ($\ce{Au}$) und Platin ($\ce{Pt}$), das heißt, sie sind sehr stabil. Auch Kupfer ist ein vergleichsweise edles Metall. Kalium ($\ce{K}$) und Natrium ($\ce{Na}$) hingegen suchen begierig nach dem Luftsauerstoff und bilden sehr stabile Metalloxide. Als reine Metalle sind sie hingegen nicht sehr beständig. Wir bezeichnen sie daher als unedel.
Fehleralarm
Ein verbreiteter Irrtum ist die Annahme, dass alle Metalle gleich stark mit Sauerstoff reagieren. Tatsächlich hat jedes Metall eine unterschiedliche Affinität zu Sauerstoff, abhängig von seiner Position im Periodensystem.
Die abgebildete Affinitätsreihe oder auch Oxidationsreihe zeigt dir die wichtigsten Metalle, aufgelistet in der Reihenfolge ihrer Reaktionsfreudigkeit mit Sauerstoff von links nach rechts. Dabei ist zu beachten, dass es je nach Anschauung in der Literatur leichte Abweichungen in der Reihenfolge geben kann.
Später lernst du im Chemieunterricht, dass die Oxidation von Metallen nicht nur mit Sauerstoff, sondern auch mit anderen chemischen Verbindungen erfolgen kann. Die hier gelernte Affinitätsreihe kannst du auch dann noch anwenden.
Wusstest du schon?
Gold ist nicht nur ein wertvolles Schmuckmetall, sondern auch extrem reaktionsträge. Das bedeutet, dass es kaum mit Sauerstoff reagiert und deshalb nicht rostet oder anläuft. Deshalb sehen die Goldmünzen und Schmuckstücke, die vor Jahrhunderten hergestellt wurden, oft noch aus wie neu!
Anwendung der Affinitätsreihe der Metalle
Wie du die Affinitätsreihe anwenden kannst, lässt sich gut am Thermitverfahren erklären. Dieses Verfahren wird unter anderem genutzt, um Eisen aus Eisenerz zu gewinnen. Eisenerze sind Verbindungen von Eisen mit z. B. Schwefel oder Sauerstoff.
Handelt es sich bei einem Eisenerz um eine oxidische Verbindung, beispielsweise Hämatit
Dem Eisenoxid wird Aluminium zugesetzt und das Gemisch anschließend entzündet. Aluminium steht in der Affinitätsreihe in unserer Abbildung rechts vom Eisen – es ist also unedler und viel reaktiver als dieses. Daher entreißt es dem Eisenoxid den Sauerstoff unter Bildung von Aluminiumoxid, wie folgende Reaktionsgleichung zeigt:
$\ce{Fe2O3 + 2 Al -> Al2O3 + 2 Fe}$
Die Thermitreaktion ist eine Redoxreaktion – Eisenoxid wird reduziert und Aluminium wird oxidiert.
Hieran siehst du auch, wofür es nützlich ist, die Affinitätsreihe der Metalle zu kennen. So verstehst du nun auch, dass unedlere Metalle weniger stabil sind, ihre Oxide hingegen sehr stabile Verbindungen darstellen können. Im Fall von Eisen ist dies leicht durch den entstehenden Rost (verschiedene Eisenoxide und Eisenhydroxide) zu erkennen. Während Eisenoxid jedoch sehr spröde und bröselig ist und sich die Oxidation langsam durch das gesamte vorhandene Eisen frisst, sieht das bei Aluminiumoxid ein bisschen anders aus. Auf reinem Aluminium bildet sich nur eine sehr dünne Oxidschicht, die allerdings sehr kompakt und stabil ist. Diese Oxidschicht wirkt wie eine Schutzschicht, die das darunterliegende reine Aluminium vor weiterer Oxidation schützt, da dieses nun nicht mehr mit Luftsauerstoff in Kontakt kommen kann. Die dünne Schicht Aluminiumoxid ist zwar kaum zu erkennen, aber sie stellt sozusagen einen perfekten Rostschutz dar – und das, obwohl Aluminium ein so unedles Metall ist! In der Chemie gibt es für diesen Vorgang (die Bildung einer schützenden Metalloxidschicht) den Begriff der Passivierung.
Ausblick – das lernst du nach Metalle und ihre Affinität zu Sauerstoff
Vertiefe dein Wissen über die Eigenschaften der Metalle! Bei der Metallbindung lernst du außerdem wie sich die besonderen Eigenschaften erklären lassen. Hast du Lust mehr darüber zu erfahren?
Nun fassen wir nochmals die wichtigsten Infos zur Affinitätsreihe der Metalle zusammen.
Zusammenfassung der Metalle und ihrer Affinität zu Sauerstoff
- Metalle weisen eine unterschiedliche Affinität bzw. Reaktionsfreudigkeit zu Sauerstoff auf.
- Unedle Metalle reagieren leichter und schneller mit Sauerstoff als edle Metalle.
- Daraus lässt sich eine Reihenfolge der Metalle ableiten: die Affinitätsreihe.
- Für das Aufstellen von Redoxreaktionen ist es nützlich, die Affinitätsreihe der Metalle zu kennen.
- Die allgemeine Reaktion von Metallen mit Sauerstoff (als Wortgleichung dargestellt) lautet: $\ce{\text{Metall} + \text{Sauerstoff} -> \text{Metalloxid}}$
Im Anschluss kannst du nun dein neu erworbenes Wissen anhand von Übungen und Arbeitsblättern überprüfen.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Sauerstoffaffinität der Metalle
Transkript Metalle und ihre Affinität zu Sauerstoff
Hallo und herzlich Willkommen. Das Video heißt "Affinitätsreihe: Metalle und ihre Affinität zu Sauerstoff". Du kennst bereits Metalle, Sauerstoff, die Verbrennung, die Oxidation und Oxide. Nachher kannst du die Metalle hinsichtlich ihrer Fähigkeit mit Sauerstoff zu reagieren in einer Rangfolge anordnen. Der Film besteht aus sechs Abschnitten. Metalle verbrennen. Oder etwa nicht? Die Idee der Affinitätsreihe. Edle und unedle Metalle. Wenn es knifflig wird. Die Affinitätsreihe. Metalle verbrennen: Hier habe ich ein Stück Magnesium. Ich versuche nun, das Metall mit der Kerze zu entzünden und tatsächlich, es gelingt. Zurück bleiben Magnesiumreste und ein weißes Pulver. Wir können formulieren: Magnesium plus Sauerstoff reagieren zu Magnesiumoxid. Wir verallgemeinern: Metall plus Sauerstoff reagieren zu Metalloxid. Ein Beispiel haben wir nun, wo ein Metall verbrennt. Verbrennen nun alle Metalle? Oder nicht? Nun versuche ich, ein Stückchen Silber zu entzünden, aber so sehr ich mich auch bemühe, es will mir einfach nicht gelingen. Rußig wird das Silber, aber es brennt nicht. Wir halten fest: Silber reagiert nicht mit Sauerstoff. Wir verallgemeinern: Nicht alle Metalle reagieren mit Sauerstoff. Die Idee der Affinitätsreihe: Was bedeutet Affinität? Affinität heißt Verwandtschaft. Ein Metall ist mit Sauerstoff verwandt. Es sucht den Sauerstoff, möchte mit ihm reagieren. Die Idee der Affinitätsreihe besteht darin, die Affinität der einzelnen Metalle an einem großen Pfeil anzuordnen. Es geht hier, wie schon gesagt, um die Affinität zu Sauerstoff. Links soll sie niedrig sein und an der Pfeilspitze hoch. Es gibt sehr viele Metalle auf unserer Erde und wir fragen uns, wie müssen wir die Metalle in der Affinitätsreihe anordnen? Edle und unedle Metalle: Es zeigte sich, dass zwei Metalle eine sehr niedrige Affinität zu Sauerstoff aufweisen. Das sind Gold und Silber. Eine recht hohe Affinität zu Sauerstoff besitzen die Metalle Aluminium, Eisen und Zink. Wir merken uns: Edle Metalle haben eine niedrige Affinität zu Sauerstoff, unedle Metalle dagegen eine hohe. Wenn es knifflig wird: Der Begriff der Stabilität ist fest verbunden mit dem Begriff der Affinität zu Sauerstoff. Die Stabilität eines Elements oder eines Oxids kann hoch oder niedrig sein. Quecksilber, das eine relativ niedrige Affinität zu Sauerstoff besitzt, hat eine hohe Stabilität. Sein Oxid hingegen hat eine niedrige Stabilität. Bei Magnesium ist es umgekehrt. Magnesium hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff, das Oxid hat eine hohe Stabilität, das Magnesium selbst ist weniger stabil. Wie sind nun zum Beispiel Aluminium und Eisen anzuordnen? Um das zu entscheiden, hilft uns die Thermitreaktion. Bei dieser Reaktion reagieren Aluminium und Eisenoxid zu Aluminiumoxid und Eisenoxid. Aus dem Eisenoxid entsteht Eisen und Aluminium bildet Aluminiumoxid. Folglich hat Aluminium eine höhere Affinität zu Sauerstoff als Eisen. Frage: Spricht der Rost denn nicht dagegen? Nein, denn auch Aluminium bildet eine Oxidschicht. Sie schützt das Metall und blättert nicht ab, wie beim Eisen. Niedrige Affinität zu Sauerstoff heißt edel. Hohe Affinität zu Sauerstoff bedeutet unedel. Im Vergleich zum Aluminium ist Eisen edel. Im Vergleich zum Eisen ist Aluminium unedel. Die Affinitätsreihe: Von edel bis unedel sind wichtige Metalle in etwa so angeordnet. Gold und Platin sind sehr edel, darauf folgen die Halbedelmetalle Quecksilber und Kupfer. Dann kommen Zinn und Blei, sie sind schon unedler, Zink und Eisen, gefolgt von Aluminium, Magnesium und Natrium. Um mehr Übersichtlichkeit zu erzielen, möchte ich nun chemische Symbole verwenden. Wir beginnen wieder mit den sehr edlen Metallen Gold und Platin, darauf folgen die Halbedelmetalle Quecksilber und Kupfer. Danach kommen Zinn, Blei, Zink und Eisen. Aluminium und Magnesium sind schon recht unedel. Die höchsten Affinitäten zu Sauerstoff besitzen Calcium, Natrium und Kalium. Dabei handelt es sich um sehr unedle Metalle. Achtung: Diese Reihe ist im Wesen richtig. Über vereinzelte Anordnungen lässt sich streiten. Ich hoffe, ihr hattet wie immer etwas Spaß bei meinem Video. Ich wünsch euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!
Metalle und ihre Affinität zu Sauerstoff Übung
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Nenne die allgemeine Gleichung für die Reaktion von Metallen und Sauerstoff.
TippsÜberlege, wie die Stoffe heißen, die bei einer Reaktion mit Sauerstoff entstehen.
Recherchiere den lateinischen Begriff für Sauerstoff.
LösungManche Metalle besitzen die Eigenschaft, dass sie mit Sauerstoff, z.B. aus der Luft, reagieren können. Unterschiedliche Metalle haben auch unterschiedliche Formelzeichen. Chemiker haben deshalb eine allgemeine Reaktionsgleichung entwickelt, die man auf alle Metalle anwenden kann, ohne jede spezielle Gleichung zu formulieren zu müssen. Die allgemeine Gleichung für Reaktionen zwischen Metall und Sauerstoff lautet:
Metall + Sauerstoff $\longrightarrow$ Metalloxid.
Daraus lässt sich ableiten, dass alle Produkte, die durch die Reaktion mit Sauerstoff gebildet werden, Oxide sind.
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Ordne die Metalle nach ihrer Affinität zu Sauerstoff.
TippsLinks vom Pfeil stehen die Metalle, die eine sehr geringe bzw. keine Affinität zu Sauerstoff haben.
An der Pfeilspitze befinden sich die Metalle, die eine sehr hohe Affinität zu Sauerstoff haben.
Überlege, welche Art von Metallen sehr affin zu Sauerstoff sind.
LösungMithilfe der Affinitätsreihe kann man darstellen, wie gern ein bestimmtes Metall mit Sauerstoff reagiert. Dazu kann man z.B. einen Pfeil als Darstellung nutzen. Dabei befinden sich an der Pfeilspitze all diejenigen Metalle, die sehr gut mit Sauerstoff reagieren, und am anderen Ende befinden sich die Metalle, die kaum oder gar nicht mit Sauerstoff reagieren. Alle Metalle, die eine hohe Affinität zu Sauerstoff haben, sind sehr unedle Metalle. Im Gegensatz dazu heißen alle Metalle edel, wenn sie nicht mit Sauerstoff reagieren. Ob ein Metall mit Sauerstoff reagiert, hängt auch mit dem Begriff der Stabilität zusammen. So stellt sich immer die Frage, ob das reine Metall oder das Oxid stabiler ist. Bei Metallen mit hoher Affinität zu Sauerstoff sind daher die Oxide stabiler als die reinen Metalle.
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Erstelle eine Übersicht über Edelmetalle, Halbedelmetalle, undedle Metalle und sehr unedle Metalle.
TippsÜberlege, ob Edelmetalle eine hohe oder niedrige Affinität zu Sauerstoff haben.
LösungWenn du den Begriff Edelmetalle hörst, dann weißt du jetzt, dass sie eine sehr niedrige Affinität zu Sauerstoff haben. Das bedeutet, sie reagieren kaum oder gar nicht mit dem Element. Je unedler die Metalle werden, umso höher wird die Affinität der Metalle zu Sauerstoff. So sind unedle Metalle also sehr affin, was die Reaktion mit Sauerstoff angeht. Dazwischen gibt es noch die Halbedelmetalle, wie Quecksilber und Kupfer. Bei diesen kommt es auch immer auf die Umstände an, ob sie mit Sauerstoff reagieren oder nicht. Unedle Metalle neigen auf jeden Fall dazu, mit Sauerstoff zu reagieren. Sie sind ihm gegenüber also sehr affin.
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Erschließe, ob das Metall oder das Metalloxid stabiler ist.
TippsÜberlege, mit welcher Eigenschaft die Stabilität im Zusammenhang steht.
Kategorisiere die Metalle in zwei Gruppen.
Ordne die Metalle in edle und unedle Metallen ein.
LösungDer Begriff Affinität ist mit einem anderen Begriff stark verbunden. Die Stabilität eines Stoffes spielt dabei nämlich auch eine große Rolle. Ein Stoff wird dann als stabil bezeichnet, wenn er über eine lange Zeit unverändert vorliegt. Was hat das also mit der Affinität zu tun? Ist ein Metall sehr affin zu Sauerstoff, dann ist er in der oxidierten Form stabiler als in der reinen Form. So sind also unedle Metalle, wie Kalium, Calcium und Magnesium, sehr affin zu Sauerstoff und liegen deshalb in der oxidierten Form stabiler vor. Im Gegensatz dazu gibt es die Edelmetalle, bei denen die Affinität zu Sauerstoff sehr gering ist. Das heißt für sie, dass die stabilere Form die reine Form ist. Deshalb wird man auch kaum Gold-, Silber- oder Platinoxid antreffen.
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Erkläre folgenden Sachverhalt.
TippsÜberlege, was der Begriff Affinität bedeutet.
Affinität bedeutet, dass ein Metall mit dem Sauerstoff verwandt ist und mit ihm reagieren möchte.
LösungDas Experiment zeigt ganz deutlich: Es gibt Metalle, die mit Sauerstoff reagieren, aber es gibt auch Metalle, die keine Reaktion mit Sauerstoff eingehen. Magnesium gehört zu den Metallen, die eine sehr hohe Affinität zu Sauerstoff haben, d.h. Magnesium ist mit dem Sauerstoff verwandt und möchte mit ihm reagieren. Ein weiterer Grund, warum Magnesium gern diese Reaktion eingeht, liegt in der Stabilität begründet. Das Magnesiumoxid ist viel stabiler als reines Magnesium. Silber hingegen besitzt eine sehr niedrige Affinität zu Sauerstoff. Weiterhin ist das reine Silber viel stabiler als das zugehörige Oxid.
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Bilde die Reaktionsgleichung aus den folgenden Elementen.
TippsDie Verhältnisformeln für Sauerstoff und die entstehenden Produkte dürfen nicht verändert werden.
Auf der linken und auf der rechten Seite des Reaktionspfeiles muss die gleiche Anzahl an Mol vorhanden sein.
Nutze, wenn nötig, die Option des kleinsten gemeinsamen Vielfachen.
LösungReaktionsgleichungen stellen einen wichtigen Teil in der Chemie dar. Sie verdeutlichen, was bei einer Reaktion geschieht und welcher Stoff mit welchem reagiert, damit das Produkt entsteht. Bei der Oxidationsreaktion von Metallen reagiert immer ein Metall mit dem Sauerstoff ($O_2$). Zu beachten ist dabei, dass auf Edukt- und auf Produktseite die gleiche Molzahl vorhanden ist. Schaue dir nochmal das erste Beispiel an:
Magnesium bildet mit Sauerstoff Magnesiumoxid $MgO$. Sauerstoff kommt auf der linken Seite zwei Mal vor, deshalb muss das gesamte Oxidmolekül auf der rechten Seite verdoppelt werden. Dadurch verdoppelt sich auch die Molzahl von Mangesium auf der rechten Seite. Dies wird ausgeglichen, indem man eine 2 vor das Magnesium auf der rechten Seite schreibt. Etwas schwieriger war es mit der letzten Aufgabe. Aluminiumoxid hat die festgelegte Formel $Al_2O_3$. Diese darf nicht verändert werden. Es liegen also drei Mal Sauerstoff auf der rechten Seite vor. Auf der linken aber nur zwei. Deshalb muss hier das kleinste gemeinsame Vielfache von 2 und 3 gefunden werden. Das ist 6. Man schreibt also vor das $O_2$ auf der linken Seite eine 3 und vor das gesamte Oxidmolekül eine 2. Jetzt muss nur noch das Aluminium ausgeglichen werden.
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@Biro Kirbach,
Silber ist im Vergleich zu einem Metall wie Eisen, edel. Das bedeutet es ist reaktionsträge, hat damit auch eine niedrige Affinität zu Sauerstoff.
Reagiert das Silber nicht , da es eine zu niedriege Sauerstoff Affinität hat ?
Ich schreibe (fast) jeden Tag Chemie.
Alles Gute
Schreibe morgen chemie
@Telmen,
ja, das hat hier die gleiche Bedeutung.