Sauerstoff (Expertenwissen)

Sauerstoff – Chemie

Ohne Sauerstoff ist unser Leben auf dieser Erde nicht möglich! Ein Mensch kann ohne den Sauerstoff in der Atemluft nur wenige Minuten überleben. Im Sinne einer Definition könnte man Sauerstoff ganz kurz beschreiben:
Sauerstoff ist das chemische Element mit dem Symbol $O$.
Das wäre aber zum Kennenlernen des Elements viel zu wenig! Du wirst sehen, dass die Chemie des Sauerstoffs sehr vielfältig ist.

Entdeckung und Vorkommen von Sauerstoff

Im 18. Jahrhundert gab es gleich drei berühmte Chemiker, die den Sauerstoff „entdeckt” haben: Carl Wilhelm Scheele und Joseph Priestley haben Sauerstoff bereits 1771 und 1774 im Labor hergestellt. Antoine Lavoisier gab dem Element 1779 den Namen „Sauerstoff“, denn er glaubte, dass alle Säuren ihn enthalten. Das Elementsymbol $O$ ist abgeleitet vom griechischen Oxygenium, das übersetzt so viel bedeutet wie säurebildend.

Etwa die Hälfte der Erdhülle enthält das chemische Element Sauerstoff. Die Erdatmosphäre besteht zu mehr als 20 Prozent aus elementarem Sauerstoff, zumeist als zweiatomiges Molekül $\ce{O2}$ und in sehr geringen Mengen auch als Ozon, das als dreiatomiges Molekül $\ce{O3}$ vorliegt. Die Landmassen enthalten Sauerstoff in gebundener Form, zumeist als Oxide des Siliciums und der Metalle. Die Ozeane, die Binnenseen und die Eisflächen bestehen aus Wasser – $\ce{H2O}$ – und damit zum größten Teil aus gebundenem Sauerstoff.

Die Stellung von Sauerstoff im Periodensystem

Sauerstoff hat die Ordnungszahl 8. Es steht im Periodensystem der Elemente in der VI. Hauptgruppe, der Sauerstoff-Gruppe, und in der 2. Periode über Schwefel. Damit zählt es zu den Nichtmetallen. Als Element der VI. Hauptgruppe hat Sauerstoff sechs Valenzelektronen. In Verbindungen mit anderen Elementen nimmt Sauerstoff meistens zwei Elektronen auf und hat damit die Oxidationszahl $-II$. In Peroxiden tritt Sauerstoff in der Oxidationszahl $-I$ auf. In sehr speziellen Sauerstoff‑Fluor‑Verbindungen kann es auch die Oxidationszahlen $+I$ und $+II$ annehmen.

Sauerstoff – Eigenschaften

Sauerstoff ist ein farbloses und geruchloses Gas. Seine Dichte ist etwas größer als die Dichte der Luft. Er löst sich in Wasser nur wenig, etwa 10‑20 Milligramm lösen sich in einem Liter Wasser.
Mit seiner hohen Elektronegativität von 3,5 (nach der Rochow‑Skala) ist Sauerstoff ein starkes Oxidationsmittel. Näheres dazu findest du in dem Video Oxidation und Reduktion.

Sauerstoff liegt normalerweise nicht atomar, sondern als zweiatomiges Molekül $\ce{O2}$ vor. Da die Erklärung der Verteilung der Elektronen (in den sogenannten Orbitalen) im Sauerstoff etwas komplizierter ist, behilft man sich mit unterschiedlichen Strukturformeln. Die folgende Strukturformel $\color{red}\cdot$ $ \overline {\underline {O}} –$ $\overline {\underline {O}}$$\color{red} \cdot$ zeigt, dass in $\ce{O2}$ zwei ungepaarte Elektronen vorliegen. Sauerstoff kann demnach als zweifaches Radikal beschrieben werden, man nennt diesen Sauerstoff auch Triplett‑Sauerstoff. Oft wird aber $O_2$ in seiner Struktur auch mit der Doppelbindung $O=O$ gezeigt. Beides ist richtig.

Sauerstoff kann in einer zweiten Modifikation als Ozon vorliegen. Ozon tritt als dreiatomiges Molekül $O_3$ auf. Die Molekülstruktur des Ozons kann man ebenfalls nicht einfach mit nur einer Strukturformel wiedergeben. Die Struktur stellt man am besten mit zwei Ladungen – in der Mitte positiv und außen negativ – dar. Es gibt dann zwei mögliche Grenzstrukturen: Die negative Ladung kann man entweder links oder rechts anordnen. Man spricht dann von Mesomerie. Moleküle, die Mesomerie aufweisen, sind besonders stabil.

$\color{red}^-$|$\overline {\underline {O}} –$ ${\underline {O}}^{+}= \overline {\underline {O}}$ $~~~\color{blue}\longleftrightarrow~~~$ $\overline {\underline {O}} =$ ${\underline {O}}^{+} –~ \overline {\underline {O}}$|$\color{red}^-$

Ozon ist bei größeren Konzentrationen im Gegensatz zum farblosen Sauerstoff himmelblau. Die Ozonschicht in der Erdatmosphäre ist sehr wichtig, da sie uns vor ultravioletter Strahlung der Sonne schützt. Abgase können die Bildung von bodennahem Ozon verursachen, das dann jedoch ein Umweltschadstoff ist.

Sauerstoff – Herstellung

Sauerstoff wird industriell aus flüssiger Luft nach dem Linde-Verfahren gewonnen.
Im Labor kann man Sauerstoff durch Erhitzen bestimmter Salze herstellen:

• Beim Erhitzen von Kaliumpermanganat $\ce{KMnO4}$ entsteht Braunstein $\ce{MnO2}$, Kaliummanganat und Sauerstoff:
  $\ce{2 KMnO4 ->[{erhitzen}] MnO2 + K2MnO4 + 2 O2}$

• Beim Erhitzen von Quecksilberoxid $\ce{HgO}$ entsteht elementares Quecksilber $\ce{Hg}$ und Sauerstoff:
  $\ce{2 HgO ->[{erhitzen}] 2 Hg + O2}$

• Beim Erhitzen von Bariumperoxid $\ce{BaO2}$ entsteht Bariumoxid $\ce{BaO}$ und Sauerstoff:
  $\ce{2 BaO2 ->[{erhitzen}] 2 BaO + O2}$

• Beim Erhitzen von Kaliumchlorat $\ce{KClO3}$ entsteht Kaliumchlorid $\ce{KCl}$ und Sauerstoff:
  $\ce{2 KClO3 ->[{erhitzen}] 2 KCl + 3 O2}$

• Man kann zur Gewinnung von Sauerstoff im Labor auch Chlorkalk $\ce{CaCl(ClO)}$ mit Wasserstoffperoxid $\ce{H2O2}$ reagieren lassen:
  $\ce{CaCl(ClO) + H2O2 -> CaCl2 + H2O + O2}$

Chemische Reaktionen von Sauerstoff – Beispiele

Die meisten Reaktionen des Oxidationsmittels Sauerstoff sind Oxidationen.

• Oxidation von Wasserstoff: Mit wenig zugeführter Aktivierungsenergie (ein Funke reicht) reagiert Sauerstoff explosionsartig mit Wasserstoff zu Wasserstoffoxid, $\ce{H2O}$, besser bekannt als Wasser:
  $\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}$

Auch andere Nichtmetallelemente wie Kohlenstoff oder Stickstoff lassen sich mit Sauerstoff oxidieren. Sauerstoff reagiert unter normalen Umständen jedoch nicht mit den Halogenen Chlor, Brom und Iod und auch nicht mit den Edelgasen.

• Oxidation von Alkalimetallen: Sauerstoff reagiert teilweise heftig mit den Alkalimetallen Lithium ($\ce{Li}$), Natrium ($\ce{Na}$), Kalium ($\ce{K}$), Rubidium ($\ce{Rb}$) und Cäsium ($\ce{Cs}$) unter Bildung der Alkalimetalloxide. Es folgt als Beispiel die Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Natrium zu Natriumoxid:
  $\ce{4 Na + O2 -> 2 Na2O}$

• Oxidation von Erdalkalimetallen: Die Erdalkalimetalle Berryllium ($\ce{Be}$), Magnesium ($\ce{Mg}$), Calcium ($\ce{Ca}$), Strontium ($\ce{Sr}$) und Barium ($\ce{Ba}$) werden ebenfalls leicht mit Sauerstoff zu den Oxiden oxidiert. Es folgt als Beispiel die Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Magnesium zu Magnesiumoxid:
  $\ce{2 Mg+ O2 -> 2 MgO}$

Auch die meisten Metalle der Nebengruppen reagieren mit Sauerstoff zu den Oxiden. Sauerstoff reagiert unter normalen Umständen jedoch nicht mit dem Edelmetall Gold ($\ce{Au}$).

• Reaktionen mit organischen Verbindungen: Sauerstoff reagiert auch mit organischen Verbindungen. Kohlenwasserstoffe reagieren bei vollständiger Verbrennung mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Es folgt als Beispiel die vollständige Verbrennung von Methan:
  $\ce{CH4 + 2 O2 -> 2 H2O + CO2}$

Biologische Bedeutung von Sauerstoff

Ohne Sauerstoff gäbe es kein Leben, so wie wir es kennen. Fast alle wichtigen Naturstoffe wie beispielsweise Proteine, Kohlenhydrate und Fette enthalten Sauerstoff. Das Hämoglobin ist das Protein, das in unserem Blut den eingeatmeten Sauerstoff über eine Eisen‑Sauerstoff‑Bindung im Hämoglobin zu den Organen transportiert.
Die Produzenten des Sauerstoffs sind Pflanzen, die mithilfe der Fotosynthese den Sauerstoff bilden. Die Anreicherung des Sauerstoffs in der Atmosphäre begann vor etwa drei Milliarden Jahren mit der Evolution der oxygenen Fotosynthese in Cyanobakterien.

Verwendung von Sauerstoff

In der Medizin verwendet man Sauerstoff für die Beatmung von Notfallpatienten, Frühgeborenen oder chronisch Lungenkranken.
Im Flugzeug befinden sich über den Sitzen Sauerstoffmasken für den Notfall.

In der Technik verwendet man Sauerstoff beim Schweißen, für die Kupferraffination und die Herstellung von Eisen und Stahl. Flüssiger Sauerstoff (LOX, Englisch für liquid oxygen) wird als Oxidationsmittel zum Raketenantrieb benutzt.

Hinweise zum Video

Das Video gibt dir eine Übersicht zum Element Sauerstoff mit seinen Eigenschaften, seiner Herstellung und wichtigen Chlor-Verbindungen. Um die Inhalte zu verstehen, solltest du schon über Vorkenntnisse in Chemie verfügen und dich in den Themen Basen, Säuren und Salze sowie bei der Oxidation und Reduktion auskennen. Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Sauerstoff aus dem Video zu testen.