Sauerstoff

Was ist Sauerstoff?

Sauerstoff (englisch: oxygen) kommt von dem lateinischen Begriff Oxygenium, was „Säurebildner“ bedeutet. Die Sauerstoff-Formel ist O₂. 

Das Element hat für alle Lebewesen eine große biologische Bedeutung, da es der zweitgrößte Bestandteil unserer Luft ist. 

Sauerstoff liegt unter Normalbedingungen als farbloses, geruchloses Gas vor. Eine Besonderheit ist allerdings, dass er auch als flüssiger Sauerstoff vorkommen kann.

Sauerstoff Steckbrief

Wir haben dir einige physikalische und chemische Eigenschaften von Sauerstoff in einem Steckbrief zusammengestellt:

Geschichtliches

Der elementare Sauerstoff wurde um 1772 von Carl Wilhelm Scheele entdeckt. Weil der Sauerstoff Verbrennungen förderte, gab Scheele ihm den Namen „Feuerluft“. Unabhängig von Scheele entdeckte der Chemiker Joseph Priestley ebenfalls im Zusammenhang einer Verbrennungsreaktion das farblose Gas. Er nannte es „dephlogistisierte Luft“. Erst 1775 konnte Antoine Lavoisier Sauerstoff im Zusammenhang mit Oxidationen erklären. Von ihm stammt der Name Oxygéne (= Säurebildner).

Nachweis von Sauerstoff

Im Labor kannst du das chemische Element O mit der Glimmspanprobe nachweisen. Dafür brauchst du einen Holzspan und ein Reagenzglas. Den Holzspan zündest du an und lässt ihn eine Weile glühen. Dann bläst du die Flamme wieder aus. Jetzt hältst du den Span in dein Reagenzglas. Wenn dort reiner Sauerstoff enthalten ist, fängt der Holzspan wieder an zu brennen. Durch die Reaktion mit Sauerstoff wird die Verbrennungsreaktion also angetrieben. Das liegt daran, dass Sauerstoff hier als Brennstoff fungiert.

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Vorkommen von Sauerstoff 

Das Element kommt in der Natur unterschiedlich vor: Als O₂–Molekül , als Ozon (O₃) in der Atmosphäre und als freies Radikal. Generell existiert Sauerstoff sehr häufig im Universum. Nach Wasserstoff und Helium ist es das dritthäufigste Element. 

Viele Mineralien in der Erdkruste (z.B. Eisenerz, Kalk) enthalten Sauerstoff-Atome . In unserer Erdhülle sind sie mit über 50 % Massenanteil sogar die häufigste Atomsorte. Auch im Wasser-Molekül machen sie den Hauptbestandteil der Masse aus. Der Sauerstoff in der Luft beträgt ungefähr 21 Volumenprozent und ist damit das zweithäufigste Element der Luft . 

Herstellung von Sauerstoff

Aber wie entsteht Sauerstoff? Du kannst ihn auf mehrere Arten herstellen. Im Labor wird oft die Elektrolyse angewendet. Wenn du zwei Platinelektroden und Wasser als Elektrolytlösung verwendest, bekommst du Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) im Verhältnis 2:1:

2 H₂O 2 H₂ + O₂

Statt Platinelektroden kannst du aber auch Nickelelektroden benutzen. Die dazugehörige Elektrolytlösung ist dann Kalilauge (KOH). Auf die Weise entstehen Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander.

An der Kathode reagiert Wasser durch Elektronenaufnahme zu Wasserstoff: 

2 H₂O + 2e^– H₂ + 2 OH^–

Und an der Anode entsteht dann Sauerstoff:

4 OH^– O₂ + 2 H₂O + 4 e^–

Auch durch thermische Zersetzung sauerstoffreicher Verbindungen wie Kaliumchlorat (KClO₃), Kaliumpermanganat (KMnO₄) oder Silberoxid (Ag₂O) kann O₂ gewonnen werden.

Da in der Industrie deutlich größere Mengen Sauerstoff gebraucht werden, wird hier ein anderes Verfahren angewendet. Und zwar das Lindeverfahren, in dem Luft verflüssigt wird. Um dann O₂-Moleküle zu erhalten, muss im Anschluss noch eine fraktionierte Destillation durchgeführt werden. In unserem Video zur fraktionierten Destillation erklären wir dir diesen Ablauf genau!

Verwendung von Sauerstoff

Wofür wird Sauerstoff eigentlich verwendet? Im Folgenden haben wir einige Beispiele für dich aufgelistet:

• Medizin: Wenn Patienten Sauerstoffmangel haben, wird er ihnen zugeführt (medizinischer Sauerstoff). Der Sauerstoff wird dabei in Flaschen gelagert.
• Schweißen: Da das Element Verbrennungsreaktionen fördert, kann es gut zum Schweißen benutzt werden. Dabei wird der Sauerstoff mit Acetylen kombiniert.
• Herstellung chemischer Verbindungen: Das Element spielt beispielsweise im Ostwald-Verfahren eine wichtige Rolle. Denn es oxidiert Ammoniak (NH₃), sodass Salpetersäure (HNO₃) entstehen kann. Durch Oxidation von Schwefel (S) und Schwefeldioxid (SO₃) entsteht Schwefelsäure (H₂SO₄).
• Technik: In der Metallurgie wird Sauerstoff hauptsächlich zur Herstellung von Roheisen und Stahl verwendet. Um Stahl umzuformen, kannst du einen Propan-Sauerstoff-Brenner benutzen.
• Lebensmittelindustrie: Hier dient das Element als Lebensmittelzusatzstoff und fungiert beispielsweise als Gas zum Aufschlagen von Sahne.

Besonderheiten

Werfen wir jetzt noch einen Blick auf die Besonderheiten von Sauerstoff.

Körper

Sauerstoff ist für alle Lebewesen von großer Bedeutung. Wir Menschen brauchen Luftsauerstoff, um überleben zu können. In unserem Körper ist es das bedeutendste Bioelement, denn es macht ca. 63 % unserer Gesamtmasse aus. Das heißt, wenn du davon ausgehst, dass ein Mensch 70 kg wiegt, sind 44 kg davon Sauerstoff.

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Luftsauerstoff ist also lebensnotwendig für uns und alle anderen Sauerstoff benötigenden Lebewesen. Wir nehmen ihn durch die Atmung auf, wodurch der Sauerstoff in unser Blut gelangt. So können alle Organe damit versorgt werden. Aber Vorsicht: Würdest du reinen Sauerstoff einatmen, wäre er für dich giftig. Dabei würde nämlich der Gasaustausch in der Lunge gestört werden und die Lungenbläschen würden anschwellen. 

Auch das Gas Ozon, also der dreiatomige Sauerstoff (O₃), ist gesundheitsschädlich. Es kommt in unserer Atmosphäre vor. Atmest du Luft mit erhöhter Ozon-Konzentration ein, bist du evtl. anfälliger für Atemwegserkrankungen. Ozon steht auch im Verdacht, Krebs auszulösen. 

Sauerstoff kann auch als Radikal vorkommen. Radikale haben immer mindestens ein ungepaartes Elektron (z.B. das Sauerstoffion O₂ • ^–). Sie schützen dich vor Infektionen, indem sie Infekte abwehren. Da Radikale aber sehr reaktionsfähig sind, kann es auch sein, dass sie die Entstehungen von Tumoren oder Allergien begünstigen.

Pflanzen

Pflanzen sorgen dafür, dass genug Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden ist. Sie stellen ihn nämlich in der Photosynthese her. Dafür benötigen sie lediglich Sonnenlicht, Kohlenstoffdioxid und Wasser. Welche Pflanze am meisten Sauerstoff produziert, ist schwer zu sagen. Fakt ist aber, dass wir gut auf alle Pflanzen Acht geben sollten. 

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Flüssiger Sauerstoff

Bei -182,97°C wird aus gasförmigem Sauerstoff flüssiger Sauerstoff. Du erkennst ihn an einer blauen Farbe.

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Flüssiger Sauerstoff ist reaktiver als gasförmiger Sauerstoff. Das kommt daher, dass sich der reaktive Singulett-Sauerstoff in der Flüssigkeit leichter bildet als im gasförmigen Zustand. 

Chemische Eigenschaften von Sauerstoff

Im Folgenden betrachten wir die Chemie hinter dem Element Sauerstoff etwas genauer.

Isotope

Unter einem Isotop verstehst du eine Atomsorte, bei der sich die Anzahl an Neutronen im Atomkern unterscheidet. Auch bei Sauerstoff gibt es Isotope. Zu den stabilen Isotopen gehören ¹⁶O, ¹⁸O und ¹⁷O. Daneben gibt es noch ungefähr 13 instabile Sauerstoff Isotope . Die instabilen Isotope zerfallen früher oder später, während die stabilen Isotope in ihrem Zustand bleiben.

Schalenmodell Sauerstoff

Anhand des Schalenmodells kannst du sofort sehen, wie viele Valenzelektronen ein Element besitzt. Zudem siehst du auch, wie die Elektronen generell auf die vier Hauptschalen K, L, M und N verteilt sind. Sauerstoff hat insgesamt 8 Elektronen. Davon sind zwei auf der ersten Schale (K) und sechs auf der zweiten Schale (L).

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Molekülorbital-Modell

Um die unterschiedlichen Zustände von Sauerstoff zu erkennen, dient das Molekül-Orbitalmodell . In dem Modell schaust du dir an, welchen Spin die Elektronen in welchem Molekülorbital haben. Unter Spin verstehst du eine Art Drehimpuls . Der Spin kann für jedes Elektron entweder den Wert +1/2 oder -1/2 haben.

Du kannst hier zwischen dem Triplett- und dem Singulett-Sauerstoff unterscheiden. Der Unterschied liegt dabei in den beiden energetisch höchsten Orbitalen. Beim Triplett-Sauerstoff sind beide Orbitale mit nur einem Elektron besetzt. Beide Elektronen haben denselben Spin und sind parallel angeordnet (Spin: +1/2). 

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Beim Singulett-Sauerstoff gibt es prinzipiell zwei Formen. Beide haben gemeinsam, dass die Elektronen jeweils antiparallel (entgegengesetzt) angeordnet sind (+1/2 und -1/2). Beim Singulett-1 befinden sich allerdings beide Elektronen in nur einem Orbital. Im Singulett-2 sind die zwei Elektronen auf beide Orbitale aufgeteilt (pro Orbital ein Elektron).

Wichtige Sauerstoff Verbindungen

Grundsätzlich kannst du zwischen anorganischen und organischen Sauerstoffverbindungen unterscheiden. Schauen wir uns für beide ein paar Beispiele an.

Anorganische Sauerstoff Verbindungen

• Oxide: Hier ist der Sauerstoff ionisch (über Ladung) oder kovalent (fest) gebunden. Viele natürlich vorkommende Salze sind Oxide. Beispiele sind Zinkoxid ZnO oder Calciumoxid CaO.
• Hydroxide: Bei Hydroxiden ist Wasserstoff beteiligt. Dazu kannst du beispielsweise Natriumhydroxid NaOH oder Kaliumhydroxid KOH zählen.
• Sauerstoffsäuren: Sauerstoff findest du auch in einigen Säuren wie Schwefelsäure H₂SO₄ oder Kohlensäure H₂CO₃.

Organische Sauerstoff Verbindungen

• Alkohole : Hier kommt Sauerstoff in der Hydroxy-Gruppe OH vor. Beispiele für Alkohole sind Methanol CH₃OH oder Ethanol C₂H₅OH. 
• Phenole: Diese Moleküle enthalten mindestens eine Hydroxy-Gruppe , die mit einem aromatischen Ring verbunden ist.
• Aldehyde : Die Gruppe ist vielseitig funktionell. Dazu gehört beispielsweise Ethanal C₂H₄O.
• Carbonsäureamide: Hier ist die OH-Gruppe durch eine Aminogruppe ausgetauscht. Zu der Gruppe kannst du z.B. das Formamid CH₃NO zählen. In einem Amid ist also das Element Stickstoff enthalten.

Schau dir jetzt unser Video zu Stickstoff an und lerne alles über seine Eigenschaften, Herstellung und Verwendung!