Sauerstoff

Die Luft, die wir atmen, ist ein Gasgemisch, das hauptsächlich aus Stickstoff (75 %) besteht. Der Sauerstoffgehalt beträgt dagegen nur 21 %. Diese Menge reicht für den Menschen aus, um das Blut mit Sauerstoff zur Energiegewinnung anzureichern.

Es ist das am häufigsten vorkommende Element auf unserem Planeten und das dritthäufigste im Universum nach Wasserstoff und Helium. Fast der gesamte Sauerstoff in der Luft wird von Pflanzen durch Photosynthese produziert.

Das Element kann industriell aus dem Gasgemisch gewonnen werden (Linde-Prozess). Ohne diesen wichtigen Teil der Luft, den Wilhelm Scheele 1771 entdeckte, könnten wir nicht leben. Im Periodensystem hat Sauerstoff das chemische Symbol O und die Ordnungszahl 8.

Wie kam der Sauerstoff in die "Luft"?

Luft ist ein Gemisch verschiedener Gase. Sauerstoff ist mit knapp 21 Prozent vertreten. Stickstoff hat mit 78 Prozent den größten Anteil. Es gibt auch Spuren anderer Gase, einschließlich Kohlendioxid, die Pflanzen für die Photosynthese benötigen.

Luft, wie wir sie heute kennen, existiert erst seit etwa 350 Millionen Jahren. Nach der Entstehung der Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren war Sauerstoff zunächst an Mineralien und Kohlendioxid gebunden und wurde somit nicht in der Uratmosphäre produziert.

Erst als sich vor 3,5 Milliarden Jahren Blaualgen im Wasser bildeten und durch Photosynthese Sauerstoff aus dem Wasser freisetzten, entstand gasförmiger Sauerstoff auf der Erde .

Als dieser Prozess vor etwa 2,3 Milliarden Jahren aufhörte, wurde Gas aus den Ozeanen in die Atmosphäre freigesetzt. Nach und nach stieg die Konzentration von Sauerstoff an. Dieser Prozess war nach einigen hundert Millionen Jahren abgeschlossen.

Vor 1,5 Milliarden Jahren entstanden die ersten Lebewesen im Wasser, die Sauerstoff verwenden konnten, um durch Atmung Energie zu erzeugen.

Die Geschichte des Sauerstoffs

Dass nur ein Teil der Luft die Verbrennung unterstützt, während der Rest die Flamme einer Kerze erstickt oder Tiere darin sterben, wurde schon vom Gelehrten Leonardo da Vinci entdeckt.< /p>

1772 erkannte Carl Wilhelm Scheele, dass dieser Luftbestandteil ("Feuerluft") auch Bestandteil von Mangandioxid (Mangandioxid, MnO2 ) und Montroydit (Manganoxid) Quecksilber ist (II), HgO).

Im Jahr 1774 isolierte Joseph Priestley unabhängig von Scheele Sauerstoff, den er, als überzeugter Anhänger der Phlogiston-Theorie, "dephlogistische Luft" nannte, den Zinnober ( HgO), das zuvor aus Luft und Quecksilber gewonnen wurde.

Da er seine Thesen jedoch vor Scheele veröffentlichte, wurde er zunächst nur als Entdecker des Sauerstoffs erwähnt.

1777 erklärte Antoine-Laurent de Lavoisier die elementare Natur des Sauerstoffs und führte mit diesem Postulat die Phlogiston-Theorie ad absurdum. Da er es (wenn auch irrtümlich) für den essentiellen Bestandteil von Säuren hielt, nannte er es "Oxygène" (= Säurebildner).

Lavoisier erkannte die wichtige Rolle, die Sauerstoff bei der Atmung spielte, und wurde so zu einem der Begründer der modernen Chemie.

Die Entdeckung von Ozon: Ozon wurde 1785 von Martinus van Marum entdeckt, als er einen Geruch wahrnahm Morgen Funkentladungen in "dephlogistischer Luft".

1864 erkannte der Schweizer Chemiker Jacques Louis Soret Ozon als trimolekularen Sauerstoff und gab ihm die Formel O3.

Sauerstoffeigenschaften

Wenn wir von Sauerstoff sprechen, beziehen wir uns auf das Element Substanz, das aus zweiatomigen Molekülen besteht.Diese Substanz ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Die Dichte des Gases ist größer als die von Luft.

Die Schmelztemperatur beträgt -219 °C und die Siedetemperatur beträgt -183 °C. Sauerstoff ist in Wasser nur schwer löslich. Die Löslichkeit nimmt mit steigender Temperatur ab (bei Normaldruck/0°C: 49 ml/l Wasser; bei Normaldruck/20°C: 31 ml/l Wasser).

Der Sauerstoff selbst ist nicht brennbar, fördert aber die Verbrennung. Die Eigenschaft dient zur Verifizierung (Glühchiptest). Sauerstoffmoleküle sind inert, weil sie relativ stabil sind.

Allerdings reagiert molekularer Sauerstoff bei höheren Temperaturen manchmal heftig. Sauerstoff bildet Metalloxide (verschiedene Eisenoxide, Magnesiumoxid und andere). Sauerstoff reagiert mit Nichtmetallen zu Nichtmetalloxiden (ua Wasser, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid).

Diese Reaktionen sind Oxidationen. Sie werden oft von Flammen begleitet. Einige Oxidationen sind extrem heftig, wie z. B. die Reaktion von Oxyhydrogen (Reaktion von hydrogen mit sauerstoff).

Neben dieser wohlbekannten Form von elementarem Sauerstoff gibt es eine weitere Form, deren Moleküle aus drei Atomen bestehen: Ozon. Ozon ist ein farbloses Gas (es hat in flüssiger Form eine dunkelblaue Farbe) mit einem charakteristischen Geruch.

Die Siedetemperatur beträgt -112°C und die Schmelztemperatur beträgt -193°C. Beim Erhitzen explodiert Ozon. Dieser Stoff ist eines der stärksten Oxidationsmittel überhaupt, da selbst Edelmetalle oxidieren. Ozon ist sehr giftig.

Wofür wird Sauerstoff verwendet?

Für die Technik wird Sauerstoff industriell hergestellt. Nur so können die großen Mengen gewonnen werden, die nötig sind, um so hohe Temperaturen zu erzeugen, wie sie für Verbrennungsprozesse benötigt werden.

Bei Verwendung von reinem Sauerstoff können wesentlich höhere Temperaturen erreicht werden als bei Verwendung von normaler Luft, da der enthaltene Stickstoff nicht aufgeheizt werden muss. Wichtigster Abnehmer ist die Stahlindustrie.

Sauerstoff wird zusammen mit der organischen Substanz Acetylen beim Autogenschweißen verwendet. Sauerstoff reagiert explosionsartig mit Wasserstoff.

Diese Oxyhydrogen-Reaktion oder Oxyhydrogen-Flamme wird verwendet, um Quarz (SiO2) und Metalle mit hohen Schmelztemperaturen in der Metallurgie zu schmelzen.

Immer mehr Versuche werden auch unternommen, die bei der Reaktion frei werdende Energie technisch zu nutzen. Dadurch gewinnt die Energiefreisetzung in Brennstoffzellen immer mehr an Bedeutung.

Die Zugabe von Sauerstoff während der Verbrennung reduziert den Brennstoffbedarf, den Abfall und die CO2-Emissionen.

Der zweitgrößte Kunde, die chemische Industrie, die Bedeutung von Sauerstoff für die chemische Industrie ist groß, sie nutzt Sauerstoff auch zum Heizen ihre Produktionsprozesse.

Zum Beispiel zur Oxidation organischer Verbindungen, bei der Herstellung von Schwefel- und Salpetersäure, zur Herstellung von Synthesegas aus Kohle, beim Cracken oder zur Herstellung von Wasserstoff aus Schwerstoffen .

Öle, in der Raumfahrt wird flüssiger Sauerstoff als Oxidationsmittel für Raketentreibstoffe verwendet.

Der Sauerstoff der Atmosphäre stellt für die meisten heute existierenden Organismen eine wesentliche Lebensgrundlage dar, da er für alle Oxidationsprozesse (auch in lebenden Organismen) notwendig ist biologische Oxidation (Zellatmung)

Ärzte verwenden es, um Patienten zu beatmen und chronische Kopfschmerzen zu bekämpfen. Mit einem Jahresverbrauch von 80 Millionen Kubikmetern ist es das am weitesten verbreitete Medikament in Krankenhäusern.

Die Elektronikindustrie nutzt die Oxidation bei der Konstruktion von Flachbildschirmen, und Sauerstoff wird auch als Reaktionsgas bei der Herstellung von Glasfaserkabeln verwendet.

In der Rohölverarbeitung wird es zum Abbau langer Kohlenwasserstoffketten, in Kläranlagen zur Stimulierung von Mikroorganismen und in Farmen< verwendet t2> Aquakulturfische wachsen schneller, wenn das Wasser mit Sauerstoff in Form von Ozon angereichert wird.

Sauerstoff ermöglicht auch Luft- und Raumfahrt sowie Expeditionen in die Unterwasserwelt. All dies wäre ohne die mit Sauerstoff angereicherte Atemluft nicht möglich.

Ozon wird seit einiger Zeit als Desinfektionsmittel in der biologischen Wasseraufbereitung eingesetzt. Das Gas wird auch als Bleichmittel für Papier, Fasern, Zellulose und verschiedene Fette, Öle, Wachse und andere Stoffe verwendet.

Wo kommt Sauerstoff vor?

Sauerstoff ist das häufigste Element auf der Erde. Es kommt sowohl als Reinstoff als auch chemisch gebunden vor. Elementarer Sauerstoff in der Atmosphäre und die verschiedenen Verbindungen des Elements machen fast die Hälfte des gesamten Massenanteils aller Elemente im Periodensystem.

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Es gibt zwei elementare Formen, in denen Sauerstoff in der Natur vorkommt. Auf der einen Seite gibt es den „normalen“ Sauerstoff, das zweiatomige Molekül, das ungefähr 21 Volumenprozent der uns umgebenden Luft enthält.

Dagegen kommt Ozon, dreiatomiger Sauerstoff, in größeren Mengen in den oberen Schichten der Erdatmosphäre vor. Wasser (H2O) enthält viel gebundenen Sauerstoff.

Folglich gibt es enorme Mengen an wasserstoffgebundenem Sauerstoff in den Weltmeeren, Flüssen, Seen und Grundwasservorräten. Die Gewässer der Welt enthalten auch große Mengen an gelöstem Sauerstoff.

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass sowohl freier Luftsauerstoff als auch gelöster Sauerstoff im Wasser ausschließlich biologischen Ursprungs sind. Es ist in den letzten 3 Milliarden Jahren durch Photosynthese entstanden.

Die sauerstoffhaltige Atmosphäre bildet heute eine wesentliche Grundlage für die Existenz von Lebewesen auf unserer Erde. Zusätzlich zu den oben genannten Ereignissen gibt es in der Erdkruste große Mengen an Sauerstoff in Form verschiedener Oxide.

Zum Beispiel Quarz (SiO2) oder Eisenoxide und auch in Form von Salzen sauerstoffhaltiger Säuren. Dazu gehören Kohlensäuresalze, Carbonate, zB Kalkstein (CaCO3) oder Dolomit (CaCO3 x MgCO3).

Feldspat enthält auch gebundenen Sauerstoff in Form von Silikat. Bis Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Sauerstoff aus Bariumoxid (BaO) gewonnen.

Bei ca. 500°C wird dieses mit Luftsauerstoff in Bariumperoxid (BaO2) umgewandelt und wird heißer. Bei ca. 700°C zerfällt es unter Freisetzung von Sauerstoff.

Heute wird Sauerstoff aus Luft hergestellt.Dazu wird die Luft durch starkes Abkühlen unter Druck verflüssigt, die einzelnen Bestandteile werden dann nacheinander durch allmähliches Erhitzen vergast und können durch fraktionierte Destillation getrennt werden.

Der so erzeugte Sauerstoff wird in blauen Druckflaschen mit Rechtsgewinde gespeichert. Die elektrolytische Zersetzung von Wasser mit Hilfe des Hoffmann-Wasserzersetzungsapparates wird häufig im Labor eingesetzt.

Wasser wird mit Schwefelsäure vermischt und zerfällt dann unter dem Einfluss von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff.

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