Lexikon: Sauerstoff

 

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Eigenschaften
- Sauerstoff -
S  
 
 
He2s22p4
16
8
O
Allgemein
Name, Liste der chemischen Elemente nach Symbol|Symbol, Liste der chemischen Elemente nach der Ordnungszahl|Ordnungszahl Sauerstoff, O, 8
Serie
Gruppe, Periode des Periodensystems|Periode, Block des Periodensystems|Block 16 (VIA), Periode-2-Element|2, p-Block|p
Aussehen farblos
Massenanteil an der Erdhülle 49,4 %
Atomar
15,9994
(berechnet) pm
Kovalenter Radius 73 pm
van der Waals-Radius 152 pm
[[Helium|He]2s22p4
pro 2, 6
1. 1313,9 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 3388,3 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 5300,5 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 7469,2 kJ/mol
Physikalisch
gasförmig (Raumtemperatur)
Modifikationen -
kubisch
Dichte () kg/m3 (-)
PM
K (-218,75 °Celsius|C)
90,18 K (-182,97 °C)
Molares Volumen m3/mol
kJ/mol
0,22259 kJ/mol
-
m/s bei 293 K
Spezifische Wärmekapazität J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit -
W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände -2, -1, 0, +1, +2
Normalpotential V (½O2 + 2H+ + 2e- → H2O)
3,44 ()
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE mega|MElektronenvolt|eV ZP
14O {syn.} 70,606 s ε 5,143 14N
15O {syn.} 122,24 s ε 2,754 15N
16O 99,762 % O ist Stabiles Isotop|stabil mit 8 en
17O 0,038 % O ist stabil mit 9 Neutronen
18O 0,2 % O ist stabil mit 10 Neutronen
19O {syn.} 26,91 s β- 4,820 19F
20O {syn.} 13,51 s β- 3,814 20F
NMR-Eigenschaften
16O 17O 18O
0 5/2 0
T _,_ · 10_ -3,628 · 107 _,_ · 10_
Empfindlichkeit _,_ _,_ _,_
T MHertz (Einheit)|Hz MHertz (Einheit)|Hz MHertz (Einheit)|Hz
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheitensystem|SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Sauerstoff (auch Oxygenium; von Griechische Sprache|griech. oxýs „scharf, spitz, sauer“ und genese „erzeugen“) ist ein chemisches Element im Periodensystem|Periodensystem der Elemente mit dem Symbol O und der 8. Atomarer Sauerstoff, das heißt Sauerstoff in Form freier, einzelner Sauerstoffatome, kommt in der Natur nicht vor. Elementar tritt Sauerstoff überwiegend in Form eines kovalenten Homodimers, einer Chemische Verbindung|chemischen Verbindung aus zwei Sauerstoff-en, auf (molekularer Sauerstoff, auch Dioxygen, Disauerstoff, O2). Die wenig stabile Allotropie|allotrope Form aus drei Sauerstoffatomen (O3) wird genannt.

Geschichte

Sauerstoff wurde 1774 unabhängig voneinander durch Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele entdeckt.

Von der Urzeit bis über das hinaus war das für den Menschen eine unerklärliche Erscheinung. Lange Zeit wurde es von den Menschen als Gabe des Himmels hingenommen. Die Chemiker des Mittelalters, die sog. Alchimisten, fingen an, sich über das Wesen des Feuers Gedanken zu machen. Sie kamen dabei zu der Ansicht, das Feuer sei ein Grundstoff. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts suchte man eine Erklärung für die Verbrennung. Die Forscher vermuteten einen „leichten geheimnisvollen Stoff“, der aus dem brennenden Stoff entweicht. Bei dieser Annahme blieb man auch dann noch, als der schwedische Apotheker Carl Wilhelm Scheele 1772 den Sauerstoff entdeckte. Er nannte ihn lange Zeit Feuerluft. Neben dem Sauerstoff erforschte der Deutsch-Schwede mit einfachsten Hilfsmitteln aus seiner Apotheke , und andere chemische Stoffe. Er konnte sich aber nicht erklären, wie Verbrennung mit Sauerstoff zusammenhängt. Völlig unabhängig von Scheeles Entdeckungen kam der Engländer Joseph Priestley zu gleichen Forschungsergebnissen, allerdings 2 Jahre später.
Obwohl Scheele zeitlich früher als Priestley den Sauerstoff entdeckte, kamen seine Ergebnisse später an die Öffentlichkeit. Die Ursache dafür war die schleppende Veröffentlichung durch die Presse. Der Sauerstoff war erforscht, doch seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklärt. Dafür sorgte der Franzose Antoine Lavoisier. Beim Experimentieren kam er zu dem Ergebnis, dass sich bei der Verbrennung ein Stoff mit Sauerstoff verbindet. Er konnte mit einer Waage nachweisen, dass ein Stoff beim Brennen nicht leichter, sondern schwerer wird. Der Grund dafür ist das Gewicht des Sauerstoff, der während der Verbrennung aufgenommen wird. Die Erklärung der Verbrennung, die uns heute selbstverständlich, notwendig und unabkömmlich erscheint, ist also das Ergebnis langen Forschens.

Früher machte man den Sauerstoff für die Bildung von Säuren verantwortlich. Tatsächlich entstehen die meisten anorganische Chemie|anorganischen Säuren bei der Lösung (Chemie)|Lösung von Oxid|Nichtmetalloxiden in , welches aus und Sauerstoff besteht. Dass aber nicht der Sauerstoff, sondern der Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich war, erkannte man erst später; ein Beweis ist die , sie ist auch als Gas eine Säure und besteht aus der Verbindung von mit und enthält keinen Sauerstoff. So müsste eigentlich der Sauerstoff Wasserstoff und der Wasserstoff Sauerstoff heißen.

Vorkommen

Das Element Sauerstoff stellt in der Erdhülle mit 49,4 Masse-% das häufigste, im das dritthäufigste Element dar.

Eine bedeutende Form des Sauerstoffs ist O2, unter Normalbedingungen ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Es ist ein Bestandteil der (etwa 21 ) und in Gewässern gelöst. In der Luft hält sich der relativ reaktionsfreudige Sauerstoff auf Dauer nur wegen der Tatsache, dass die Erde beherbergt, die Sauerstoff produzieren - ansonsten würde er nur in Verbindungen vorkommen.

Häufig kommt Sauerstoff in Verbindungen mit anderen Elementen als Oxid vor. (z.B.: als SiO2 - Sand oder H2O - Wasser)

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Singulett-Sauerstoff

Stellt eine Modifikation des normalen oder Triplett-Sauerstoffs 3O2 dar. Es handelt sich beim Singulett-Sauerstoff 1O2 um kurzlebige, energiereiche Zustände des O2-Moleküls.

Singulett-Sauerstoff ist

  • reaktionsfähiger als Triplett-Sauerstoff
  • ein wirkungsvolles smittel und kommt vor allem in der organischen Chemie als selektives Oxidationsmittel zur Anwendung
  • im Gegensatz zum Paramagnetismus|paramagnetischen Triplett-Sauerstoff Diamagnetismus|diamagnetisch. Man kann ihn photochemisch, aber auch chemisch herstellen. Letzteres gelingt durch Abspalten von O2 aus Peroxogruppen enthaltenden Verbindungen (beispielsweise Umsetzung von H2O2 mit ClO-).

Wenn sich zwei 1O2 durch entausch wieder in zwei 3O2 umwandeln, wird Lichtenergie abgegeben. Man beobachtet ein orangerotes Leuchten (Wellenlänge \lambda = 633nm).

Sauerstoff-Ionen

Von Sauerstoff sind folgende Radikalionen bekannt: Dioxygenyl O2+, Hyperoxid (veraltet: Superoxid) O2- und Ozonid O3-. Closed-shell-Ionen sind das Oxid O2- sowie das Peroxid O22-.

Chemische Eigenschaften

Die bekannteste chemische Reaktion ist die .

Isotope

Das häufigste stabile Sauerstoff ist 16O, daneben kommt natürlich noch 18O vor. Ihr Anteilsverhältnis in Eisbohrkernen kann zur Schätzung der Durchschnittstemperatur früherer Zeiten dienen, da e mit dem leichteren 16O schneller Verdunstung|verdunsten. Eisschichten mit einem höheren relativen Anteil an 18O stammen demnach aus wärmeren Zeiten. Umgekehrt regnen Wassermoleküle mit dem schwereren Isotop schneller ab, so dass Regenwasser einen höheren 18O-Gehalt aufweist als z.B. See- oder Meerwasser. Auch gibt es regionale Unterschiede in der 18O-Anreicherung in Organismen nach Art ihrer Trinkwasserquelle.

Siehe auch: ,

Verbindungen

Einige bekannte Verbindungen, in denen Sauerstoff vorkommt:

  • Oxid|Oxide
    • , Kohlenmonoxid
  • peroxid|Peroxide
  • schweflige Säure
  • Silikate

Gewinnung/Darstellung von O2

Sauerstoff als O2 wird heutzutage durch die fraktionierte Destillation von flüssiger Luft (Linde-Verfahren nach Carl von Linde) hergestellt. Dieses beruht auf dem . Das Linde-Verfahren wird seit 1905 technisch eingesetzt. Davor war die von Bariumperoxid die einzige Möglichkeit, Sauerstoff großtechnisch aus Luft herzustellen:

2\,BaO_2 \rightarrow 2\,BaO + O_2 (bei 700°C)

BaO2 selbst kann man durch Einwirken von O2 auf BaO bei 500°C erzeugen.

Reinsten Sauerstoff erhält man durch die von :

nreaktion: 2K^++2e^-\rightarrow 2K

nreaktion 2: 2K+2H_2O\rightarrow 2KOH+H_2

nreaktion 1: 2\,OH^- \rightarrow 2\,OH + 2\,e^-

nreaktion 2: 2\,OH \rightarrow H_2O + 1/2\;O_2

O2 wird ebenfalls bei der Spaltung von Oxiden frei. Am leichtesten (mit geringster Temperatur) erreicht man dies durch Spaltung von Edelmetalloxiden. Z. B.:

2\,Ag_2O \rightarrow 4Ag + O_2 (bei T > 160°C)

Biologische Bedeutung

Sauerstoff wird von grünen bei der aus erzeugt. Alle Lebewesen außer den anaerob|anaeroben benötigen Sauerstoff in Form von O2 für ihren .

Sauerstoff ist für den Menschen einerseits lebenswichtig, andererseits unter bestimmten Bedingungen tödlich giftig. (Atmung bei Hochdruck, /siehe auch Apollo 1)

Nachweis und Konzentrationsmessung

Sauerstoff kann dadurch nachgewiesen werden, dass er Verbrennungen unterhält. Am einfachsten ist die sogenannte Glimmspanprobe, bei der ein leicht glühender Holzspan in das zu untersuchende Gasgemisch gehalten wird, ein Aufleuchten weist auf hohe Sauerstoffkonzentrationen hin.

Zur genaueren Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eines Gases finden unterschiedliche Meßverfahren Anwendung, die von dem jeweils zu erfassenden Konzentrationsbereich sowie den begleitenden Substanzen abhängen. Man kann alische und Chemie|chemische Meßverfahren unterscheiden.

Zu den physikalischen Meßverfahren zählt das Paramagnetismus|paramagnetische Verfahren. Es geht von der Tatsache aus, daß die Sauerstoffmoleküle auf Grund ihres permanenten magnetischen s paramagnetisch sind, alle anderen Gase mit geringen Ausnahmen Diamagnetismus|diamagnetisch sind. Bei der meßtechnischen Realisierung in sog. thermomagnetischen Geräten wird das Meßgas der Wirkung eines Magnetismus|Magnetfeldes und anschließend in einem Teilstrom einem Temperaturfeld ausgesetzt. Es entsteht in der Meßzelle eine Gasströmung, der sog. "magnetische Wind". Die Geräte können auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgebildet werden.

Ein weit verbreitetes Elektrochemie|elektrochemisches Meßverfahren nutzt die Elektrische Leitfähigkeit|Sauerstoffleitfähigkeit von Zirkondioxid aus. Leitet man das sauerstoffhaltige Meßgas beispielsweise durch ein auf über 700 °C erhitztes Zirkondioxid-Röhrchen, das innen und außen n trägt und außen der Umgebungsluft ausgesetzt ist, dann entsteht an den Elektroden eine elektrische Spannung, die nach dem Nernst-Gleichung|Nernstschen Gesetz von der absoluten Elektrodentemperatur und dem Verhältnis der Sauerstoffpartialdrücke an den beiden Elektroden abhängt. Der Sauerstoffpartialdruck der Luft dient hierbei als bekannte und konstante Vergleichsgröße.

Bevorzugte Anwendungen sind Rauchgasmeßsonden und die in den Kraftfahrzeugen verwendeten n.

Mit Hilfe von Zirkondioxid-Sensoren können ohne Probleme einerseits Sauerstoffpartialdrücke im ppm-Bereich (parts per million)und andererseits bei hohen Temperaturen (ca. 1.500 °C) gemessen werden.

Siehe auch

  • Rost (Korrosion)

Weblinks


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