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Sauerstoff

Carl Wilhelm Scheele, einer der Entdecker des Sauerstoffs

Im 18. Jahrhundert haben Carl Wilhelm Scheele (zwischen 1771 und 1773, veröffentlicht 1777) in Schweden und Joseph Priestley in England (1771, öffentlich beschrieben 1774) unabhängig voneinander im Zusammenhang mit der Erforschung von Verbrennungsvorgängen den Sauerstoff entdeckt. Der Entdeckung sehr nahe kam auch Pierre Bayen 1774.

Von der Steinzeit bis über das Mittelalter hinaus war das Feuer für den Menschen eine Erscheinung, die als Gabe des Himmels hingenommen wurde. Über das Wesen des Feuers entstanden verschiedene Vorstellungen durch die Naturphilosophen der Antike bis zu den Alchimisten. Das Feuer wurde als ein Grundstoff der Vier-Elemente-Lehre verstanden. Im 17. Jahrhundert entstand die Vorstellung eines „leichten geheimnisvollen Stoffs“. Dieses Phlogiston würde aus dem brennenden Stoff entweichen, Wärme wurde als Stoff verstanden. Der deutsch-schwedische Apotheker Carl Wilhelm Scheele stellte Versuche an. Beim Erhitzen von Braunstein (Mangandioxid) oder Kaliumpermanganat mit konzentrierter Schwefelsäure (Vitriol) erhielt er ein farbloses Gas. Dieses Gas förderte die Verbrennung und Scheele nannte es „Feuerluft“ oder nach der Herkunft „Vitriolluft“. Er fand, dass Luft aus diesem Sauerstoff und „verdorbener Luft“ besteht. Gänzlich unabhängig konnte der Engländer Joseph Priestley zwei Jahre später durch Erhitzen von Quecksilberoxid Sauerstoffgas herstellen. Der Brite veröffentlichte seine Erkenntnisse im Jahr 1774, Scheele publizierte sein Buch Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer allerdings erst 1777.

Mit der Entdeckung des Sauerstoffs war seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklärt. Der Franzose Antoine de Lavoisier fand bei seinen Experimenten, dass bei der Verbrennung nicht Phlogiston entweicht, sondern Sauerstoff gebunden wird. Durch Wägung wies er nach, dass ein Stoff nach der Verbrennung nicht leichter, sondern schwerer war. Ursache war das zusätzliche Gewicht des während des Verbrennungsprozesses aufgenommenen Sauerstoffs. Anfangs wurde der Sauerstoff als Grundbestandteil für die Bildung von Säuren angenommen. Deshalb wurde 1779 von Lavoisier die Bezeichnung Oxygenium („Säurebildner“) für Sauerstoff vorgeschlagen. Tatsächlich enthalten die meisten anorganischen Säuren bei der Lösung von Nichtmetalloxiden in Wasser Sauerstoff. Die Halogene, wie Chlor und Brom, hielt man daher lange Zeit für Oxide unbekannter Elemente. Erst später wurde erkannt, dass Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich ist (Humphry Davy, ab 1808). 1883 gelang es Karol Olszewski und Zygmunt Wróblewski erstmals, Flüssigsauerstoff herzustellen.

Vorkommen auf der Erde

Sauerstoff ist das häufigste und am weitesten verbreitete Element auf der Erde. Es kommt sowohl in der Erdatmosphäre als auch in der Lithosphäre, der Hydrosphäre und der Biosphäre vor. Sauerstoff hat einen Massenanteil von 50,5 % an der Erdhülle (bis 16 km Tiefe, einschließlich Hydro- und Atmosphäre). An der Luft beträgt sein Massenanteil 23,16 % (Volumenanteil: 20,95 %), im Wasser 88,8 % (im Meerwasser allerdings nur 86 %, da dort größere Mengen nichtsauerstoffhaltiger Salze, z. B. Natriumchlorid, gelöst sind).

Zumeist kommt Sauerstoff in seinen Verbindungen auf und in der Erde vor. In der Erdhülle sind neben Wasser fast alle Minerale und damit Gesteine sauerstoffhaltig. Zu den wichtigsten Sauerstoff enthaltenden Mineralen zählen Silicate wie Feldspate, Glimmer und Olivine, Carbonate wie das Calciumcarbonat im Kalkstein sowie Oxide wie Siliciumdioxid als Quarz.

Im elementarem Zustand befindet sich Sauerstoff in Form von O2 gasförmig in der Atmosphäre und gelöst in Gewässern. Die Menge des relativ reaktionsfreudigen elementaren Sauerstoffs bleibt auf Dauer nur konstant, weil Sauerstoff produzierende Pflanzen so viel nachliefern, wie von aerob atmenden Lebewesen sowie durch andere Verbrennungsprozesse wieder verbraucht wird. Ohne diesen biologischen Kreislauf würde Sauerstoff nur in Verbindungen vorkommen, elementarer Sauerstoff existiert also in einem Fließgleichgewicht. Die Entwicklung der Sauerstoffkonzentration in der Erdatmosphäre ist im Artikel Entwicklung der Erdatmosphäre beschrieben. Das Sauerstoff-Allotrop O3 Ozon ist in der Atmosphäre nur in geringer Konzentration vorhanden.

Vorkommen im Weltall

Im Weltall ist Sauerstoff nach Wasserstoff und Helium das dritthäufigste Element. Der Massenanteil von Sauerstoff beträgt im Sonnensystem etwa 0,8 % (dies entspricht einem (Atom-)Anzahlanteil von etwa 500 ppm).

Sauerstoff ist nicht in der primordialen Nukleosynthese entstanden, entsteht aber in verhältnismäßig großen Mengen in Riesensternen durch Heliumbrennen. Dabei wird zunächst aus drei Heliumkernen 12C gebildet (Drei-Alpha-Prozess), das anschließend mit einem weiteren Heliumkern zu 16O fusioniert. 18O wird durch Fusion eines 4He- mit einem 14N-Kern gebildet. Auch in so genannten Hauptreihensternen wie der Sonne spielt Sauerstoff bei der Energiegewinnung eine Rolle. Beim CNO-Zyklus (Bethe-Weizsäcker-Zyklus) stellt Sauerstoff ein Zwischenprodukt der Kernreaktion dar, bei der durch Protoneneinfang eines 12C-Kerns, der als Katalysator wirkt, ein 4He-Kern (Alpha-Teilchen) entsteht. In extrem schweren Sternen kommt es in der Spätphase ihrer Entwicklung zum Sauerstoffbrennen, bei dem der Sauerstoff als nuklearer Brennstoff für Reaktionen dient, die zum Aufbau noch schwererer Kerne führen.

Die meisten Weißen Zwerge, die nach Stand der Theorie den Endzustand von 97 % aller Sterne darstellen, bestehen neben Helium und Kohlenstoff zu einem großen Teil aus Sauerstoff.

Verfahren zur industriellen Sauerstoff-Gewinnung nach Linde.

Technisch wird Sauerstoff heute fast ausschließlich durch Rektifikation von Luft gewonnen. Das Verfahren wurde 1902 zunächst von Carl von Linde entwickelt (Linde-Verfahren) und von Georges Claude wirtschaftlich rentabel gestaltet. Technisch unbedeutende Mengen ergeben sich als Nebenprodukt bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser.

Zur Sauerstoffgewinnung nach dem Claude-Verfahren wird Luft mit Hilfe von Verdichtern auf 5–6 bar verdichtet, abgekühlt und dann zunächst durch Filter von Kohlenstoffdioxid, Luftfeuchtigkeit und anderen Gasen befreit. Die verdichtete Luft wird durch vorbeiströmende Gase aus dem Prozess auf eine Temperatur nahe dem Siedepunkt abgekühlt. Danach wird sie in Turbinen expandiert. Dabei kann ein Teil der zur Kompression eingesetzten Energie wieder zurückgewonnen werden. Dadurch wird das Verfahren – im Gegensatz zum Linde-Verfahren, bei dem keine Energie zurückgewonnen wird – deutlich wirtschaftlicher.

Die eigentliche Trennung von Stickstoff und Sauerstoff erfolgt durch Destillation in zwei Rektifikationskolonnen mit unterschiedlichen Drücken. Die Destillation erfolgt dabei im Gegenstromprinzip, das heißt durch die Kondensationswärme verdampftes Gas strömt nach oben, kondensierte Flüssigkeit tropft nach unten. Da Sauerstoff einen höheren Siedepunkt als Stickstoff besitzt, kondensiert er leichter und sammelt sich so am Boden, Stickstoff am Kopf der Kolonne. Die Trennung erfolgt zunächst bei 5–6 bar in der sogenannten Mitteldruckkolonne. Die dabei entstehende sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird anschließend in der Niederdruckkolonne (Druck etwa 0,5 bar) weiter getrennt. Durch den flüssigen Sauerstoff der Niederdruckkolonne wird gasförmiger Stickstoff der Hochdruckkolonne geleitet. Dabei verflüssigt sich dieser und erwärmt mit der abgegebenen Kondensationswärme die Flüssigkeit. Der leichter flüchtige Stickstoff wird bevorzugt abgegeben und es bleibt gereinigter flüssiger Sauerstoff zurück. Dieser enthält noch die Edelgase Krypton und Xenon, die in einer separaten Kolonne abgetrennt werden.

Um mittlere oder kleine Mengen Sauerstoff zu produzieren, kann Sauerstoff aus der Luft durch Druckwechsel-Adsorption von anderen Gasen getrennt werden. Dazu strömt Luft durch Molekularsiebe, wobei Stickstoff und Kohlenstoffdioxid adsorbiert werden und nur Sauerstoff und Argon hindurch gelangen. Dies wird im überwiegend medizinisch verwendeten Sauerstoffkonzentrator genutzt.

Ein älteres Verfahren ist das auf chemischen Reaktionen beruhende Bariumoxid-Verfahren. Es ist infolge des hohen Energieaufwandes unwirtschaftlich. Dafür wird Bariumoxid unter Luftzufuhr auf 500 °C erhitzt, wobei sich Bariumperoxid bildet. Beim Erhitzen auf 700 °C wird der zuvor aufgenommene Sauerstoff durch Thermolyse wieder freigesetzt. Vor Entwicklung des Linde-Verfahrens war dieses Verfahren die einzige Möglichkeit, reinen Sauerstoff darzustellen.

2 B a O + O 2 500 C 2 B a O 2 {\displaystyle \mathrm {2\,BaO+O_{2}\ {\xrightarrow {500\,^{\circ }C}}\ 2\,BaO_{2}} }
Bildung des Bariumperoxids
2 B a O 2 700 C 2 B a O + O 2 {\displaystyle \mathrm {2\,BaO_{2}\ {\xrightarrow {700\,^{\circ }C}}\ 2\,BaO+O_{2}} }
Freisetzung von Sauerstoff und Rückgewinnung des Bariumoxids

Einige sauerstoffreiche anorganische Verbindungen wie Kaliumpermanganat, Kaliumnitrat (Salpeter), Kaliumchlorat und Kaliumchromat geben bei Erwärmung oder Reaktion mit Reduktionsmitteln Sauerstoff ab.

Eine weitere Möglichkeit, Sauerstoff im Labor zu erzeugen, ist die Zersetzung von Wasserstoffperoxid an platinierter Nickelfolie.

Reinen Sauerstoff kann man mittels Elektrolyse von 30%iger Kalilauge an Nickelelektroden erhalten. Dabei entstehen Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander.

2 H 2 O + 2 e H 2 + 2 O H {\displaystyle \mathrm {2\,H_{2}O+2\,e^{-}\longrightarrow H_{2}+2\,OH^{-}} }
Kathodenreaktion
4 O H O 2 + 2 H 2 O + 4 e {\displaystyle \mathrm {4\,OH^{-}\longrightarrow O_{2}+2\,H_{2}O+4\,e^{-}} }
Anodenreaktion

Physikalische Eigenschaften

Molekularer Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei 90,15 K (−183 °C) zu einer bläulichen Flüssigkeit kondensiert. In dicken Schichten zeigt gasförmiger und flüssiger Sauerstoff eine blaue Farbe. Unterhalb von 54,4 K (−218,75 °C) erstarrt Sauerstoff zu blauen Kristallen. Im Feststoff liegen paramagnetische O2-Moleküle mit einem O–O-Abstand von 121 pm (Doppelbindung) vor. Das Element kommt fest in mehreren Modifikationen vor. Zwischen 54,4 K und 43,8 K liegt Sauerstoff in der kubischen γ-Modifikation und zwischen 43,8 K und 23,9 K in einer rhomboedrischen β-Modifikation vor. Unterhalb von 23,9 K ist schließlich die monokline α-Modifikation am stabilsten. Es ist – im Gegensatz zu anderen Nichtmetallen – paramagnetisch und besitzt diradikalischen Charakter. Der Tripelpunkt liegt bei 54,36 K (−218,79 °C) und 0,1480 kPa. Der kritische Punkt liegt bei einem Druck von 50,4 bar und einer Temperatur von 154,7 K (−118,4 °C). Die kritische Dichte beträgt 0,436 g/cm3. Die Dichte als Flüssigkeit bei Normaldruck beträgt 1,142 g/cm3.

Sauerstoff ist in Wasser wenig löslich. Die Löslichkeit ist abhängig vom Druck und der Temperatur. Sie steigt mit abnehmender Temperatur und zunehmendem Druck. Bei 0 °C lösen sich aus Luft unter Normaldruck (Sauerstoffpartialdruck von 212 hPa) im Gleichgewicht 14,16 mg/l Sauerstoff.

Sauerstoff in einer Entladungsröhre

In der Sauerstoff-Gasentladungs-Spektralröhre werden die Molekülorbitale des Sauerstoffs zum Leuchten angeregt. Die Betriebsbedingungen sind dabei ein Druck von ca. 5–10 mBar, eine Hochspannung von 1,8 kV, eine Stromstärke von 18 mA und eine Frequenz von 35 kHz. Bei der Rekombination der ionisierten Gasmoleküle wird das charakteristische Farbspektrum abgestrahlt. Hierbei wird zum kleinen Teil, bedingt durch die Zuführung von Energie, reversibel Ozon gebildet.

Molekülorbitale

Die Bindung und die Eigenschaften des Sauerstoff-Moleküls können sehr gut mit dem Molekülorbital-Modell erklärt werden. Dabei werden die s- und p-Atomorbitale der einzelnen Atome zu bindenden und antibindenden Molekülorbitalen zusammengesetzt. Die 1s- und 2s-Orbitale der Sauerstoffatome werden jeweils zu σs und σs*- bindenden und antibindenden Molekülorbitalen. Da diese Orbitale vollständig mit Elektronen gefüllt sind, tragen sie nicht zur Bindung bei. Aus den 2p-Orbitalen werden insgesamt sechs Molekülorbitale mit unterschiedlichem Energieniveau. Dies sind die bindenden σp-, πx- und πy-, sowie die entsprechenden antibindenden σp*-, πx*- und πy*-Molekülorbitale.

Die π-Orbitale besitzen dabei gleiche Energie. Werden Elektronen in die Molekülorbitale verteilt, kommt es zur folgenden Aufteilung der acht p-Elektronen: sechs füllen die bindenden und zwei in die antibindenden π*-Orbitale; die Bindungsordnung beträgt also (6–2)/2 = 2. Diese beiden bestimmen als Valenzelektronen die Eigenschaften des O2-Moleküls. Sauerstoff besitzt für die Verteilung dieser Elektronen insgesamt drei erlaubte und energetisch erreichbare quantenmechanische Zustände.

Besetzung der Energieniveaus der Molekülorbitale des Sauerstoffs in Grund- und angeregten Zuständen

Im Grundzustand sind die Spins der beiden Valenzelektronen der Hundschen Regel gehorchend parallel angeordnet. Es handelt sich also um einen Triplett-Zustand mit dem Termsymbol 3Σg. Er ist der Zustand mit der niedrigsten Energie. Durch die beiden ungepaarten Elektronen sind die zwei π*-Orbitale nur halb besetzt. Diese verursacht einige charakteristische Eigenschaften, wie den diradikalischen Charakter und den Paramagnetismus des Sauerstoff-Moleküls.

Trotz der formalen Bindungsordnung „zwei“ lässt sich keine entsprechende korrekte Valenzstrichformel für O2 angeben. <O=O> bringt den Doppelbindungscharakter zum Ausdruck, ignoriert aber sowohl die besetzten antibindenden Orbitale als auch den Radikalcharakter. Die Schreibweise ·O̲̅-O̲̅· wird verwendet, um die biradikalischen Eigenschaften hervorzuheben, deutet jedoch nur eine Bindungsordnung von eins an. Um die Bindungsordnung zwei und den radikalischen Charakter anzudeuten, sollte die Darstellung <O÷O> mit Radikalpunkten auf dem Bindungsstrich verwendet werden.

Singulett-Sauerstoff

Sauerstoff besitzt zwei unterschiedliche angeregte Zustände, die beide eine deutlich größere Energie als der Grundzustand besitzen. Bei beiden Zuständen sind die Spins der Elektronen entgegen der Hundschen Regel antiparallel ausgerichtet. Der stabilere angeregte Sauerstoff wird nach der quantenmechanischen Bezeichnung für diesen Zustand auch Singulett-Sauerstoff (1O2) genannt. Die beiden Singulett-Zustände unterscheiden sich dadurch, ob sich die beiden Elektronen in einem (Termsymbol: 1Δg) oder beiden π*-Orbitalen (Termsymbol: 1Σg) befinden. Der 1Σg-Zustand ist energetisch ungünstiger und wandelt sich sehr schnell in den 1Δg-Zustand um. Der 1Σg-Zustand ist diamagnetisch, der energetisch stabilere 1Δg-Zustand zeigt jedoch aufgrund des vorhandenen Bahnmomentes (die der Projektion des Bahndrehimpulses auf die Kern-Kern-Verbindungsachse entsprechende Quantenzahl – symbolisiert durch Σ, Π, Δ etc. – hat im 1Δg-Zustand den Wert ±2) Paramagnetismus vergleichbarer Stärke wie der von Triplett-Sauerstoff.

Die Bildung von Singulett-Sauerstoff ist auf verschiedenen Wegen möglich: sowohl photochemisch aus Triplett-Sauerstoff, als auch chemisch aus anderen Sauerstoffverbindungen. Eine direkte Gewinnung aus Triplett-Sauerstoff durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung (z. B. Licht) ist allerdings aus quantenmechanischen Gründen, in Form der Auswahlregeln für die Emission oder Absorption von elektromagnetischer Strahlung, ausgeschlossen. Eine Möglichkeit, dieses Verbot zu umgehen, ist die gleichzeitige Bestrahlung mit Photonen und Kollision zweier Moleküle. Durch diesen unwahrscheinlichen Vorgang, der in der flüssigen Phase wahrscheinlicher ist, entsteht die blaue Farbe des flüssigen Sauerstoffs (Absorption im roten Spektralbereich). Auch mit Hilfe geeigneter Farbstoffe, wie Methylenblau oder Eosin, lässt sich auf photochemischem Weg Singulett-Sauerstoff darstellen. Chemisch wird er aus Peroxiden gewonnen. Bei der Umsetzung von Wasserstoffperoxid mit Natriumhypochlorit entsteht zunächst die instabile Peroxohypochlorige Säure, die schnell in Chlorwasserstoff bzw. Chlorid und Singulett-Sauerstoff zerfällt. Experimentell kann man auch Chlor in eine alkalische Wasserstoffperoxidlösung einleiten, wobei dann zunächst Hypochlorit entsteht, das dann weiter reagiert. Der Singulett-Sauerstoff reagiert schnell mit Emissionen im roten Bereich bei 633,4 nm und 703,2 nm zu Triplett-Sauerstoff.

N a O C l + H 2 O 2 N a C l + H 2 O + 1 O 2 {\displaystyle \mathrm {NaOCl+H_{2}O_{2}\ \longrightarrow NaCl+H_{2}O\ +\ ^{1}O_{2}} }

Diese Form von Sauerstoff ist ein starkes und selektives Oxidationsmittel und wird in der organischen Chemie häufig verwendet. So reagiert er im Gegensatz zu normalen Sauerstoff mit 1,3-Dienen in einer [4+2]-Cycloaddition zu Peroxiden. Mit Alkenen und Alkinen reagiert Singulett-Sauerstoff in einer [2+2]-Cycloaddition.

Chemische Eigenschaften

Sauerstoff reagiert mit den meisten anderen Elementen direkt und bildet Oxide. Es gibt einige Ausnahmen, insbesondere unter den Nichtmetallen und Edelmetallen. Mit einigen Elementen, zum Beispiel Kohlenstoff und Schwefel, reagiert Sauerstoff nur bei hohen Temperaturen. Bei der Verbrennung wird sehr viel Energie frei und es entstehen Flammen.

C + O 2 C O 2 {\displaystyle \mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}} }
Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid
S + O 2 S O 2 {\displaystyle \mathrm {S+O_{2}\longrightarrow SO_{2}} }
Verbrennung von Schwefel zu Schwefeldioxid

Mit Stickstoff sind Reaktionen nur unter speziellen Bedingungen, etwa bei Blitzen, aber auch im Verbrennungsmotor möglich. Dabei entstehen Stickoxide. Fluor bildet nur bei tiefen Temperaturen unter elektrischen Entladungen die instabile Verbindung Disauerstoffdifluorid (O2F2).

F 2 + O 2 O 2 F 2 {\displaystyle \mathrm {F_{2}+O_{2}\longrightarrow O_{2}F_{2}} }
Oxidation von Fluor zu Disauerstoffdifluorid

Das edelste Metall Gold, die Halogene Chlor, Brom und Iod, sowie die Edelgase reagieren nicht direkt mit Sauerstoff. Einige weitere Edelmetalle wie Platin und Silber reagieren nur schlecht mit Sauerstoff.

Elementarer, gasförmiger Sauerstoff ist relativ reaktionsträge, viele Reaktionen finden bei Normalbedingungen gar nicht oder nur langsam statt. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Reaktionen mit anderen Stoffen kinetisch gehemmt sind. Zur Reaktion werden entweder eine hohe Aktivierungsenergie oder sehr reaktive Radikale benötigt. Diese Barriere kann durch Temperaturerhöhung, Licht oder Katalysatoren, beispielsweise Platin, überschritten werden. Zusätzlich wird bei vielen Metallen die Reaktion dadurch gehindert, dass das Material mit einer dünnen Metalloxidschicht überzogen ist und dadurch passiviert wird. Bei einigen Reaktionen wie der Knallgasreaktion reichen wenige Radikale für eine Reaktion aus, da diese nach einem Kettenreaktions-Mechanismus weiterreagieren.

2 H 2 + O 2 2 H 2 O {\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}+O_{2}\longrightarrow 2\ H_{2}O} }
Verbrennung von Wasserstoff zu Wasser

Deutlich stärker oxidierend als gasförmiger Sauerstoff wirkt trotz der tiefen Temperaturen flüssiger Sauerstoff. In diesem bildet sich der reaktive Singulett-Sauerstoff leicht. Auch in Gegenwart von Wasser oder Wasserdampf verlaufen viele Oxidationen mit Sauerstoff leichter.

Reaktionen mit Sauerstoff sind fast immer Redox-Reaktionen, bei denen Sauerstoff in der Regel zwei Elektronen aufnimmt und so zum Oxid reduziert wird. Das Element zählt somit zu den Oxidationsmitteln. Häufig verlaufen diese Reaktionen bedingt durch die große freiwerdende Bindungs- oder Gitterenergie unter starker Wärmeabgabe. Es gibt auch explosionsartig verlaufende Reaktionen, wie die Knallgasreaktion oder Staubexplosionen von feinverteilten Stoffen in Luft oder reinem Sauerstoff.

Neben dem in diesem Artikel beschriebenen Disauerstoff O2 bildet Sauerstoff mehrere Allotrope, die nach der Anzahl Sauerstoffatome zu unterscheiden sind. Das wichtigste Allotrop ist dabei Ozon O3, daneben sind die selteneren Allotrope Tetrasauerstoff (O4) und Oktasauerstoff (O8) bekannt.

Ozon

Hauptartikel: Ozon

Ozon (O3) ist ein blaues, charakteristisch riechendes Gas, das aus drei Sauerstoff-Atomen besteht. Es ist instabil, sehr reaktiv und ein starkes Oxidationsmittel. Gebildet wird es aus molekularem Sauerstoff und Sauerstoff-Atomen, aber auch z. B. durch Reaktion von Stickstoffdioxid mit Sauerstoff unter UV-Strahlung.

Aufgrund seiner hohen Reaktivität ist es in Bodennähe der menschlichen Gesundheit eher abträglich – in der Ozonschicht der Erdatmosphäre dagegen spielt das Ozon eine wichtige Rolle bei der Absorption der auf die Erde treffenden UV-Strahlung.

Andere Allotrope

Eine Hochdruckphase des Sauerstoffs entsteht bei Drücken größer 10 GPa als roter Feststoff. Nach kristallographischen Untersuchungen wird angenommen, dass es sich um Oktasauerstoff O8-Ringe handelt. Daneben existiert Tetrasauerstoff als ein sehr seltenes und instabiles Allotrop des Sauerstoffs. Es konnte 2001 im Massenspektrometer nachgewiesen werden. In geringer Konzentration kommt es in flüssigem Sauerstoff vor.

Das häufigste stabile Sauerstoffisotop ist 16O (99,76 %), daneben kommt noch 18O (0,20 %) sowie 17O (0,037 %) vor. Neben den stabilen Sauerstoffisotopen sind noch insgesamt 13 instabile, radioaktive Nuklide von 12O bis 28O bekannt, die nur künstlich herstellbar sind. Ihre Halbwertszeiten betragen meist nur Millisekunden bis Sekunden, 15O besitzt dabei mit zwei Minuten die längste Halbwertszeit und wird häufig in der Positronen-Emissions-Tomographie verwendet.

Als einziges stabiles Isotop besitzt das seltene 17O einen Kernspin von 5/2 und kann damit für NMR-Untersuchungen verwendet werden. Die anderen stabilen Isotope besitzen den Kernspin 0 und sind damit NMR-inaktiv.

Indirekte Temperaturmessung über das δ18O-Signal

Hauptartikel: δ18O

Wassermoleküle mit dem um 12 % leichteren 16O verdunsten schneller. Deshalb müssen Eisschichten mit einem höheren relativen Anteil an 18O aus wärmeren Zeiten stammen, da nur bei der starken Verdunstung wärmerer Perioden vermehrt 18O-Wasser mit zur Wolkenbildung beiträgt. Je höher die globale Temperatur ist, desto weiter können mit schweren Sauerstoffisotopen beladene Wolken in die Polarregionen vordringen, ohne vorher abzuregnen.

In kälteren Perioden befindet sich mehr 18O in Meeressedimenten. Meereis besteht hauptsächlich aus den leichteren Wassermolekülen aus 16O. Wenn es in einer Kaltphase zu einer starken Neubildung von Meereis kommt, bleibt vermehrt Meerwasser aus 18O zurück, welches durch die permanente Einlagerung von Sauerstoff in die Kalkschalen der Meerestiere (Calciumcarbonat) verstärkt in Sedimentschichten dieser Zeit nachweisbar ist. Auch gibt es regionale Unterschiede in der 18O-Anreicherung in Organismen nach Art ihrer Trinkwasserquelle.

Durch eine Isotopenuntersuchung von Eisbohrkernen oder Sedimentproben und die Bestimmung des 18O-/16O-Verhältnisses mit Hilfe eines Massenspektrometers lassen sich Informationen über die Durchschnittstemperatur und damit die Klimaerwärmung und -abkühlung in früheren Zeiten gewinnen. Daneben kann durch Bestimmung der Zahl der Oszillationen zwischen warm (Sommer) und kalt (Winter) das Alter des Bohrkerns exakt bestimmt werden.

Sauerstoff wird für industrielle Verbrennungs-, Oxidations- und Heizprozesse, in der Medizin und in Luft- und Raumfahrt verwendet.

Medizin

Sauerstoff zur Anwendung in der Humanmedizin unterliegt aufgrund gesetzlicher Regelungen einer strengen Kontrolle. Der in weiß gekennzeichneten Flaschen abgefüllte medizinische Sauerstoff gilt in Deutschland als Fertigarzneimittel im Sinne des Arzneimittelgesetzes (AMG).

Vorsicht ist bei der Sauerstoffgabe geboten, wenn Patienten an einer chronischen Lungenerkrankung (siehe COPD) mit erhöhtem CO2-Partialdruck leiden. Bei ihnen kann das plötzliche „Überangebot“ an Sauerstoff zu einer CO2-Narkose mit Atemstillstand führen.

Notfallmedizin

Verletzungen und viele Erkrankungen der Lunge sowie einige Herzkrankheiten und insbesondere Schockzustände können zu einem Sauerstoffmangel (Hypoxie) in den Schlagadern (Arterien) und im Gewebe lebenswichtiger Organe führen. Aus diesem Grund wird Patienten in der Notfall- und Intensivmedizin sehr häufig zusätzlicher Sauerstoff verabreicht. Bei selbstständig atmenden Patienten wird die Umgebungsluft mit Hilfe verschiedener Sonden und Masken mit Sauerstoff angereichert, bei künstlich beatmeten Patienten wird der Sauerstoff im Beatmungsgerät zugemischt. Der Effekt der Sauerstoffanreicherung im Blut ist mit Hilfe der Pulsoxymetrie oder anhand von Blutgasanalysen messbar.

Sauerstoff-Langzeittherapie

Bei Krankheiten mit einem schweren chronischen Sauerstoffmangel im Blut werden durch eine langfristige und täglich mehrstündige Zufuhr von Sauerstoff (Sauerstoff-Langzeittherapie) sowohl die Lebensqualität als auch die Überlebensdauer verbessert. Der reine Sauerstoff kann bei der Beatmung zu Problemen wegen Verdrängens des Kohlenstoffdioxid aus den Gefäßen sowie zur unerwünschten Erhöhung der Hirnaktivität in Hypothalamus, der Insula sowie im Hippocampus führen. Diese negativen Folgen werden durch den Zusatz von Kohlenstoffdioxid vermieden.

Cluster-Kopfschmerz

Hochkonzentrationsmaske

Nach den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation ist das Einatmen von Sauerstoff zur Behandlung von Cluster-Kopfschmerz-Attacken geeignet. Die Anwendung von hochkonzentriertem Sauerstoff mittels spezieller Maskensysteme lindert die Beschwerden in der Regel innerhalb von Minuten effektiv.

Technik

Industriell verwendet wird Sauerstoff hauptsächlich in der Metallurgie zur Herstellung von Roheisen und Stahl, sowie bei der Kupfer-Raffination. Reiner Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft dient hier einerseits zum Erreichen hoher Temperaturen, andererseits zum Frischen des Rohstahls, d. h. zum Entfernen unerwünschter Beimengungen von Kohlenstoff, Silicium, Mangan und Phosphor, die oxidiert und abgetrennt werden. Reiner Sauerstoff hat im Vergleich zu Luft den Vorteil, dass kein Stickstoff in die Schmelze eingetragen wird. Stickstoff hat einen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl (siehe auch Thomas-Verfahren). In chemischen Prozessen wird Sauerstoff meist zur Oxidation von verschiedenen Grundstoffen, wie bei der Olefin-Oxidation von Ethen zu Ethylenoxid und bei der teilweisen (partiellen) Oxidation von Schweröl und Kohle verwendet. Benötigt wird Sauerstoff außerdem zur Erzeugung von Wasserstoff- und Synthesegas und der Herstellung von Schwefel- und Salpetersäure. Weitere durch Oxidation mit Sauerstoff hergestellte wichtige Produkte sind Acetylen (Ethin), Acetaldehyd, Essigsäure, Vinylacetat und Chlor.

Verschiedene Brenngase (Propan, Wasserstoff, Ethin u. a.) erzielen erst durch Mischen mit Sauerstoff ausreichend heiße und rußfreie Flammen zum Schweißen und Hartlöten oder Erschmelzen und Formbarmachen von Glas. Nach Aufheizen und Zünden erfolgt das Schneiden von Beton mit einer (selbst abbrennenden) Sauerstofflanze oder das Brennschneiden von Eisen alleine durch einen scharfen Sauerstoffstrahl.

Sauerstoff wird ebenso verwendet zur Darstellung von Ozon, als Oxidationsmittel in Brennstoffzellen und in der Halbleitertechnik. In der Raketentechnik wird flüssiger Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet und mit LOX (liquid oxygen) abgekürzt.

In der Umwelttechnik werden Abwässer durch Einleitung von Sauerstoffgas schneller durch Bakterien von organischen Schadstoffen und Giften befreit. In vielen Trinkwasserwerken dient die Trinkwasseraufbereitung mit Ozon (Ozonierung) zur Oxidation von organischen Stoffen oder etwa Eisen und der Entkeimung und kann zu einer deutlich besseren Reinigungswirkung der Filteranlagen führen.

Für die Lebensmitteltechnik ist Sauerstoff als Lebensmittelzusatzstoff als E 948 zugelassen und wird – neben Stickstoff, Kohlendioxid und Lachgas als Treibgas, Packgas, Gas zum Aufschlagen von Sahne (Schlagobers) u. ä. verwendet.

Wellness

In der Wellness- und Lebensmittelindustrie wird gelegentlich für Produkte geworben, die mit Sauerstoff angereichert seien. So wird etwa abgepacktes Wasser verkauft, das einen erhöhten Sauerstoffgehalt haben soll. Eine positive Wirkung auf Gesundheit und Wohlbefinden ist nicht zu erwarten, denn Sauerstoff löst sich nur in geringer Menge in Wasser und wird in vielen Größenordnungen mehr – nämlich mit jedem Atemzug – über die Lunge als via Magen aufgenommen.

Batterietechnik

Die Zink-Luft-Zelle ist ein Primärelement, das Luft aus der umgebenden Atmosphäre aufnimmt und den Sauerstoff chemisch mit dem Metall Zink umsetzt, um elektrische Spannung und Strom zu erzeugen. Der Vorzug dieses Batterietyps ist, dass er seine relativ hohe Energiedichte (bei geringer Stromentnahme) über einen ausgedehnten Zeitraum erstreckt abgeben kann. Das Verschlossenhalten der Ventilationsöffnung etwa durch einen Klebstreifen (Siegel) vor Gebrauch hilft die Alterung der Zelle bei Lagerung zu reduzieren. Gut faustgroße quaderförmige Zellen dieses Typs im Kunststoffgehäuse wurden um 1980 in Blinkleuchten zur Baustellenabsicherung eingesetzt und sind bis heute als Knopfzellen für Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte üblich.

Forschung und Entwicklung gehen auch in Richtung Metall-Sauerstoff-Akkus auf Basis von Alkalimetallen. Ziel ist es, die Energiedichte (Wattstunden pro Masse) von Lithium-Ionen-Akkus zu übertreffen.

Aufbau eines Mitochondriums

Sauerstoff befindet sich in der Natur in einem steten Kreislauf. Er wird ständig von autotrophen Lebewesen wie Cyanobakterien („Blaualgen“), Algen und Pflanzen bei der oxygenen Photosynthese durch Photolyse aus Wasser freigesetzt. Er ist ein Endprodukt dieser biochemischen Reaktion und wird an die Umwelt abgegeben. Cyanobakterien waren wahrscheinlich die ersten Organismen, die molekularen Sauerstoff als Abfallprodukt in der Atmosphäre anreicherten. Zuvor existierte eine praktisch sauerstofffreie, anaerobe Atmosphäre auf der Erde.

6 C O 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 {\displaystyle \mathrm {6\ CO_{2}+6\ H_{2}O\longrightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}} }
vereinfachte Netto-Reaktionsgleichung für die oxygene Photosynthese

Die meisten aeroben Organismen, darunter die meisten Eukaryoten, einschließlich des Menschen und der Pflanzen, und viele Bakterien, benötigen diesen Sauerstoff zum Leben. Eukaryoten brauchen ihn zur Energiegewinnung durch Oxidation in den Mitochondrien. Der Sauerstoff wird dabei in der Atmungskette wieder zu Wasser reduziert. Die Oxygenierung von Stoffwechselprodukten mithilfe von Enzymen (Oxygenasen) wird oft beim Abbau von Stoffen angewendet. Die Reaktion benötigt Sauerstoff und findet in allen aeroben Lebewesen statt.

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 C O 2 + 6 H 2 O {\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}+6\ O_{2}\longrightarrow 6\ CO_{2}+6\ H_{2}O} }
vereinfachte Netto-Reaktionsgleichung für die aerobe Atmung

Da Sauerstoff und einige seiner Verbindungen sehr reaktiv sind und Zellstrukturen zerstören können, besitzen Organismen Schutzenzyme wie Katalase und Peroxidase. Für Organismen, denen diese Enzyme fehlen, wirkt Sauerstoff toxisch. Beim Abbau des Sauerstoffs entstehen reaktive Sauerstoffspezies, wie freie Radikale, die ebenfalls biologische Moleküle zerstören können. Werden sie nicht schnell genug abgefangen, entsteht sogenannter oxidativer Stress, der für Alterungsprozesse verantwortlich gemacht wird.

In den Phagozyten (Fresszellen) des Immunsystems dienen diese reaktiven Sauerstoffspezies (Wasserstoffperoxid und Hyperoxidionen) neben Enzymen dazu, aufgenommene Krankheitserreger zu zerstören.

Problematische Auswirkungen

Wird reiner Sauerstoff oder Luft mit einem höheren Sauerstoffanteil über längere Zeit eingeatmet, kann es zur Vergiftung der Lunge, dem sogenannten Lorrain-Smith-Effekt kommen. Dabei werden die Lungenbläschen (Lungenalveolen) durch Anschwellen in ihrer normalen Funktion gehindert.

Der Paul-Bert-Effekt bezeichnet eine Sauerstoffvergiftung des Zentralnervensystems. Diese kann bei Hochdruckatmung jeglicher Sauerstoff-Stickstoff-Gemische auftreten, das Risiko erhöht sich jedoch mit Erhöhung des Sauerstoffanteils und des Gesamtdrucks. Bei Sauerstoff-Teildrücken oberhalb 1,6 bar kommt es innerhalb relativ kurzer Zeit zu einer Vergiftung. Dies spielt beispielsweise beim Tauchen eine Rolle, da es die maximale Tauchtiefe abhängig vom Sauerstoffpartialdruck begrenzt.

In der Raumfahrt wird beispielsweise in Raumanzügen reiner Sauerstoff geatmet, allerdings unter stark vermindertem Druck, um gesundheitliche Folgen zu minimieren und weil der Raumanzug unter normalem Druck zu steif würde.

Hyperoxidanionen im Stoffwechsel

Hyperoxidanionen (alte Bezeichnung: Superoxidanionen) sind einfach negativ geladene und radikalische Sauerstoffionen (O2), die durch Elektronenübertragung auf molekularen Sauerstoff entstehen. Diese sind äußerst reaktiv. Mitunter werden sie als Nebenprodukt des Stoffwechsels (Metabolismus) wie durch Nebenreaktionen bei einigen Oxidasen (Xanthin-Oxidase) gebildet. Hyperoxidanionen entstehen ebenfalls beim Photosynthese-Komplex I und als Nebenprodukt der Atmungskette (mitochondriale Atmung). Xenobiotika und cytostatische Antibiotika fördern dabei ihre Entstehung. Beim Auftreten einer Entzündung wird durch eine membranständige NADPH-abhängige Oxidase Hyperoxidanionen ins extrazelluläre Milieu abgegeben. Sie führen zu oxidativem Stress. Beispielsweise kommt es beim Fettsäureabbau in den Peroxisomen zur Übertragung von Elektronen von FADH2 auf molekularen Sauerstoff. Die entstandenen Hyperoxidanionen können zum Zellgift Wasserstoffperoxid weiterreagieren. Beim Ablauf der Atmungskette entstehen diese radikalischen Sauerstoffspezies in geringen Mengen. Es bestehen Vermutungen, dass die Erbgutschädigungen, die solche Sauerstoffspezies hervorrufen, an Alterungsprozessen beteiligt sind. Es ist daher für den Organismus von essentieller Bedeutung, diese Hyperoxidanionen zügig abzubauen. Dies geschieht mittels der Superoxid-Dismutase.

Klassische Analytik

Gelöster Sauerstoff oxidiert zweiwertiges Mangan zu höheren Oxidationsstufen. Dieses wird nach der Methode von Winkler durch Iodid wieder vollständig reduziert. Die Stoffmenge des dabei gebildeten Iods steht in einem stöchiometrischen Verhältnis von 1:2 zu der Stoffmenge des ursprünglich gelösten Sauerstoffs und kann iodometrisch mit Thiosulfat rücktitriert werden.

Als einfacher Nachweis für das Vorhandensein von Sauerstoff wird die Glimmspanprobe angewandt.

Instrumentelle quantitative Analytik

Die zur Verbrennungssteuerung von Otto-Motoren verwendete Lambdasonde misst den Sauerstoffgehalt im Autoabgas in Bezug zum O2-Gehalt in der Umgebungsluft. Dazu wird der Abgasstrom durch ein Yttrium-dotiertes Zirconiumdioxidröhrchen geleitet, welches innen und außen mit Platinelektroden versehen ist. Dabei steht die äußere Elektrode in Kontakt mit der Umgebungsluft. Unterschiedliche O2-Partialdrücke an den Elektroden führen zu einer elektrischen Potentialdifferenz, die gemessen wird. Die Vorteile dieser Messtechnik liegen in der niedrigen Nachweisgrenze von wenigen ppm und der großen Betriebstemperaturspanne (300 °C bis 1500 °C).

Die Clark-Elektrode ist ein amperometrischer Sensor zur elektrochemischen Bestimmung von gelöstem, gasförmigem Sauerstoff. Platin- und Ag/AgCl-Referenzelektrode befinden sich in einem Elektrolytsystem, welches durch eine gaspermeable Teflonmembran von der Probelösung getrennt ist. Gelöster Sauerstoff kann durch die Membran in die Elektrolytlösung diffundieren und wird in einem Potentialbereich von −600 mV bis −800 mV kathodisch reduziert. Der gemessene Strom ist dabei proportional zur Sauerstoffkonzentration in der Probelösung.

Bei den optischen Methoden bedient man sich der Tatsache, dass Sauerstoff die Fluoreszenz von angeregten Molekülen zu löschen vermag. Auf Basis von fluoreszenten Übergangsmetallkomplexen wurden sog. Optroden entwickelt, die den Sauerstoffgehalt über die Fluoreszenzlöschung von Sondenmolekülen bestimmen. Als Sondenmoleküle kommen häufig Metall-Liganden-Komplexe zum Einsatz. Als Metallionen haben sich Ru(II), Ir(II), Pt(II) und Pd(II) bewährt, als Liganden verschiedene Bipyridine, Phenanthroline und (fluorierte) Porphyrine. Die Sonden werden in Polymermatrices eingebettet. Die Anregung erfolgt zumeist mit LEDs oder Laserdioden. Man unterscheidet zwischen punktuellen Messungen z. B. mittels optischer Lichtleiterfasern und bildgebenden Messverfahren mittels planarer Sensorfilme. Mit Optroden konnten Nachweisgrenzen von 5 ppbv (O2, ≈ 5,1 · 10−6 hPa) erzielt werden, was einer Konzentration in Wasser von 7 pM entspricht.

Sauerstoff bildet Verbindungen mit fast allen Elementen – außer mit den Edelgasen Helium, Neon und Argon. Da Sauerstoff sehr elektronegativ ist, kommt es in fast allen seinen Verbindungen in den Oxidationsstufen −II vor, nur in Peroxiden −I. Diese Ionen werden auch als Closed-shell-Ionen bezeichnet. Peroxide sind meist instabil und gehen leicht in Oxide über.

Positive Oxidationszahlen besitzt Sauerstoff nur in Verbindungen mit dem noch elektronegativeren Element Fluor, mit dem es Verbindungen mit der Oxidationsstufe +I (Disauerstoffdifluorid O2F2) und +II (Sauerstoffdifluorid OF2) bildet. Da bei ihnen die negative Polarisierung beim Fluor vorliegt, werden diese nicht als Oxide, sondern als Fluoride, genauer gesagt Sauerstofffluoride, bezeichnet.

Neben den Oxidverbindungen tritt Sauerstoff noch in ionischen Verbindungen und Radikalen als Peroxid- (O22−), Hyperoxid- (O2 (Oxidationsstufe −1/2)) und Ozonidanion (O3 (Oxidationsstufe −1/3)) sowie als Dioxygenylkation (O2+) auf.

Sauerstoff bildet abhängig vom Bindungspartner sowohl ionisch als auch kovalent aufgebaute Verbindungen.

Anorganische Sauerstoffverbindungen

Zu den anorganischen Sauerstoffverbindungen zählen die Verbindungen von Sauerstoff mit Metallen, Halbmetallen, Nichtmetallen wie Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und den Halogenen. Sie gehören zu den wichtigsten Verbindungen überhaupt.

Oxide

Hauptartikel: Oxide

Die meisten Sauerstoffverbindungen sind Oxide. In ihnen tritt der Sauerstoff, ionisch oder kovalent gebunden, in der Oxidationsstufe −II auf. Viele natürlich vorkommende Salze, die oft wichtige Quellen zur Herstellung von Metallen sind, sind Oxide.

Mit den Metallen bildet Sauerstoff in niedrigen Oxidationsstufen ionisch aufgebaute und in der Regel basische Oxide.

2 C a + O 2 2 C a O {\displaystyle \mathrm {2\ Ca+O_{2}\longrightarrow 2\ CaO} }
Bei der Verbrennung von Calcium in Anwesenheit von Sauerstoff entsteht Calciumoxid.
C a O + H 2 O C a ( O H ) 2 {\displaystyle \mathrm {CaO+H_{2}O\longrightarrow Ca(OH)_{2}} }
Bei der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser entsteht Calciumhydroxid.

Mit steigender Oxidationsstufe haben die Oxide zunehmend amphoteren (Zink(II)-oxid, Aluminium(III)-oxid) und schließlich sauren Charakter (Chrom(VI)-oxid).

C r O 3 + H 2 O H 2 C r O 4 {\displaystyle \mathrm {CrO_{3}+H_{2}O\longrightarrow H_{2}CrO_{4}} }
Chrom(VI)-oxid reagiert mit Wasser zu Chromsäure

Mit Nichtmetallen bildet Sauerstoff ausschließlich kovalente Oxide. Die Oxide von Nichtmetallen in niedrigen Oxidationsstufen reagieren meist neutral (Distickstoffmonoxid), mit steigender Oxidationsstufe zunehmend sauer.

festes Kohlenstoffdioxid (Trockeneis)

Unter den Sauerstoffverbindungen der Nichtmetalle spielen die mit Wasserstoff eine gesonderte Rolle. Sauerstoff bildet mit Wasserstoff zwei Verbindungen. An erster Stelle ist das Wasser zu nennen, ohne das es kein Leben auf der Erde gäbe. Die zweite Verbindung ist das Wasserstoffperoxid (H2O2), eine thermodynamisch instabile Verbindung, die als Oxidations- und Bleichmittel Verwendung findet.

Obwohl die meisten sauerstoffhaltigen Kohlenstoffverbindungen in den Bereich der organischen Chemie eingeordnet werden, gibt es einige wichtige Ausnahmen. Die einfachen Oxide des Kohlenstoffs Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO2), sowie die Kohlensäure und deren Salze, die Carbonate, werden als anorganische Verbindungen angesehen.

Sind in einer salzartigen Verbindung geringere Mengen Oxidionen bekannt als nach der Stöchiometrie und Wertigkeit des Sauerstoffs zu erwarten, spricht man von Suboxiden. In diesen kommen Element-Element-Bindungen vor, die formale Oxidationsstufe des Elements liegt bei unter +1. Elemente, die Suboxide bilden, sind die Alkalimetalle Rubidium und Caesium, aber auch Bor oder Kohlenstoff.

Sauerstoffverbindungen mit Sauerstoff-Sauerstoff-Bindungen

Vor allem mit Alkalimetallen bildet Sauerstoff Verbindungen mit Sauerstoff-Sauerstoff-Bindungen. Hierzu zählen die Peroxide, die Hyperoxide und die Ozonide. Peroxide wie Wasserstoffperoxid besitzen das O22−-Ion und eine formale Oxidationsstufe des Sauerstoffs von −1. Durch die leichte Spaltung der Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung bilden sie leicht Radikale, die auf organische Substanzen bleichend wirken und dementsprechend als Bleichmittel eingesetzt werden. Es sind auch organische Peroxide bekannt.

In Hyperoxiden kommt das radikalische Dioxid(1−)-Anion O2 vor, die formale Oxidationsstufe ist −½ für jedes Sauerstoffatom. Hyperoxid-Ionen bilden sich im Stoffwechsel und zählen dabei zu den Reaktiven Sauerstoffspezies, salzartige Hyperoxide sind lediglich von den Alkalimetallen außer Lithium bekannt. Ozonide leiten sich vom Ozon ab und haben dementsprechend das O3-Anion. Salzartige Ozonide sind wie Hyperoxide von allen Alkalimetallen außer Lithium bekannt, dazu gibt es auch organische Ozonide, die durch Addition von Ozon an Alkene entstehen.

Hydroxide

Eine weitere große Gruppe der Sauerstoffverbindungen stellen die Hydroxide unter Beteiligung von Wasserstoff dar. Bei diesen handelt es sich um überwiegend ionische Verbindungen, denen das Hydroxidion gemein ist. Bis auf die Hydroxide der Alkalimetalle wie Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) sind sie im Allgemeinen wenig löslich in Wasser.

Sauerstoffsäuren

Bei der Reaktion von Nichtmetalloxiden sowie Metalloxiden von Metallen in hohen Oxidationsstufen mit Wasser bilden sich die sogenannten Sauerstoffsäuren, die für die Namensgebung des Sauerstoffs verantwortlich sind.

S O 3 + H 2 O H 2 S O 4 {\displaystyle \mathrm {SO_{3}+H_{2}O\longrightarrow H_{2}SO_{4}} }
Beim Lösen von Schwefeltrioxid in Wasser bildet sich Schwefelsäure.

Die stärksten anorganischen Sauerstoffsäuren leiten sich von den Nichtmetallen Stickstoff (Salpetersäure) und Schwefel (Schwefelsäure) sowie den Halogenen ab (Halogensauerstoffsäuren). Dabei gilt die Regel, dass die Säurestärke (pKs-Wert) mit zunehmender Anzahl von Sauerstoffatomen zunimmt:

Name der Säure Formel Name der Salze Säurekonstante (pKs)
Kohlensäure H2CO3 Carbonate 6,35
Orthokieselsäure H4SiO4 Silicate 9,51
Cyansäure HOCN Cyanate 3,7
Isocyansäure HNCO Cyanate 3,92
Hyposalpetrige Säure H2N2O2 Hyponitrite 7,21
Salpetrige Säure HNO2 Nitrite 3,29
Salpetersäure HNO3 Nitrate −1,37
Phosphinsäure H3PO2 Phosphinate 2,0
Phosphonsäure H3PO3 Phosphonate 2,0
Phosphorsäure H3PO4 Phosphate 2,16
Thioschwefelsäure H2S2O3 Thiosulfate 0,6
Schweflige Säure H2SO3 Sulfite 1,81
Schwefelsäure H2SO4 Sulfate −3
Hypochlorige Säure HClO Hypochlorite 7,54
Chlorige Säure HClO2 Chlorite 1,97
Chlorsäure HClO3 Chlorate −2,7
Perchlorsäure HClO4 Perchlorate −10

Organische Sauerstoffverbindungen

Sauerstoff ist – neben Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff – eines der wichtigsten Elemente der organischen Chemie. Er bildet eine Vielzahl wichtiger funktioneller Gruppen, die sowohl Kohlenstoff-Sauerstoff-Einfachbindungen, als auch – in der Carbonylgruppe – Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen enthalten.

Zu den einfachsten organischen Verbindungen, die Sauerstoff enthalten, gehört Methanal (H2CO), das sich formal von Kohlenstoffdioxid (CO2) nur darin unterscheidet, dass statt des zweiten Sauerstoffatoms zwei Wasserstoffatome am Kohlenstoff gebunden sind. Wichtig für die Einteilung in die organische Chemie ist jedoch, dass sich Methanal von dem organischen Alkohol Methanol (CH3OH) ableitet, welcher wiederum ein Derivat des einfachsten Alkans Methan (CH4) ist.

Die wichtigsten Verbindungklassen:

  • Alkohole: Von der Kohlenstoff-Sauerstoff-Einfachbindung leiten sich einige wichtige Verbindungsklassen ab. Die erste sind die Alkohole, bei denen am Sauerstoffatom ein Kohlenstoff- und ein Wasserstoffatom (Hydroxygruppe) gebunden sind. Die bekanntesten und gleichzeitig einfachsten Vertreter dieser Gruppe sind Methanol CH3OH und Ethanol C2H5OH.
  • Phenole: Diese Moleküle enthalten mindestens eine Hydroxygruppe, die mit einem aromatischen Ring verbunden ist.
Diethylether
  • Ether: Sind am Sauerstoffatom zwei Kohlenstoffatome gebunden, wird die Gruppe Ethergruppe genannt und die Stoffklasse entsprechend Ether. Ein bekannter Vertreter der Ether ist das wichtige Lösungsmittel Diethylether (C2H5)2O.
  • Aldehyde: Die Carbonylgruppe ist eine sehr vielseitige funktionelle Gruppe, die in vielen Stoffklassen enthalten ist. Diese unterscheiden sich darin, welche zusätzlichen Gruppen am Kohlenstoffatom gebunden sind. Die Aldehydgruppe R–CHO, bei der am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe ein Wasserstoffatom gebunden ist, kommt in Aldehyden wie Acetaldehyd vor.
  • Ketone: Sie enthalten die Ketogruppe, R–CO–R, bei der am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe zwei Kohlenwasserstoffreste gebunden sind. Ein Beispiel ist Aceton.
Essigsäure
  • Carbonsäuren: Die Carboxygruppe R–COOH der Carbonsäuren besitzt an einem Kohlenstoffatom sowohl eine Carbonylgruppe, als auch eine Hydroxygruppe. Die wichtigsten Carbonsäuren sind die Ameisen- und die Essigsäure.
  • Ester: Ähnlich der Carboxygruppe ist die Estergruppe R–CO–O–R′ aufgebaut. Bei ihr ist das Proton der Carbonsäure durch einen weiteren Kohlenwasserstoffrest ausgetauscht. Die aus Carbonsäuren und Alkoholen gebildeten Ester werden entsprechend benannt. Ein Beispiel ist Essigsäureethylester aus Essigsäure und Ethanol (Ethylalkohol).
  • Carbonsäureamide: In ihnen ist die Hydroxygruppe der Carboxygruppe durch eine Aminogruppe ausgetauscht.

Eine weitere wichtige Gruppe organischer Sauerstoffverbindungen sind die Kohlenhydrate oder Saccharide. Chemisch sind dies Polyhydroxycarbonylverbindungen (Hydroxyaldehyde oder Hydroxyketone). Sie kombinieren also Eigenschaften der Alkohole mit denen der Aldehyde und Ketone.

Daneben existieren noch eine Reihe weiterer Verbindungen mit funktionellen Gruppen, bei denen der Sauerstoff an ein weiteres Heteroatom, wie etwa Stickstoff, Schwefel oder Phosphor, beispielsweise bei organischen Phosphaten (etwa ATP oder innerhalb der DNA-Moleküle) gebunden ist.

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Wiktionary: Sauerstoff – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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Sauerstoff
sauerstoff, chemisches, element, ordnungszahl, sprache, beobachten, bearbeiten, oxygenium, eine, weiterleitung, diesen, artikel, gleichnamigen, erdgeschichtlichen, periode, siehe, oxygenium, periode, historisch, auch, oxygenium, kurz, oxygen, genannt, gebildet. Sauerstoff chemisches Element mit der Ordnungszahl 8 Sprache Beobachten Bearbeiten Oxygenium ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel Zur gleichnamigen erdgeschichtlichen Periode siehe Oxygenium Periode Sauerstoff historisch auch Oxygenium kurz Oxygen genannt gebildet aus altgriechisch ὀ3ys oxys scharf spitz sauer und gen zusammen Saureerzeuger Saurebildner ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol O Entsprechend seiner Ordnungszahl 8 steht es an achter Stelle im Periodensystem und dort zusammen mit den Elementen Schwefel Selen Tellur Polonium und Livermorium die die Chalkogene bilden in der sechsten Hauptgruppe bzw 16 IUPAC Gruppe Sauerstoff ist bezuglich der Masse mit 48 9 11 das haufigste Element der Erdkruste das haufigste Element der Erdhulle und mit rund 30 das zweithaufigste Element der Erde insgesamt Eisen ist an 1 Stelle 12 Eigenschaften He 2s2 2p4 8 O PeriodensystemAllgemeinName Symbol Ordnungszahl Sauerstoff O 8Elementkategorie NichtmetalleGruppe Periode Block 16 2 pAussehen Farbloses GasCAS Nummer 7782 44 7 O2 EG Nummer 231 956 9ECHA InfoCard 100 029 051ATC Code V03 AN01Massenanteil an der Erdhulle 49 4 1 Atomar 2 Atommasse 15 999 15 99903 15 99977 3 4 uAtomradius berechnet 60 48 pmKovalenter Radius 73 pmVan der Waals Radius 152 pmElektronenkonfiguration He 2s2 2p41 Ionisierungsenergie 13 618 055 7 eV 5 1 313 94 kJ mol 6 2 Ionisierungsenergie 35 12112 6 eV 5 3 388 67 kJ mol 6 3 Ionisierungsenergie 54 93554 12 eV 5 5 300 47 kJ mol 6 4 Ionisierungsenergie 77 41350 25 eV 5 7 469 27 kJ mol 6 5 Ionisierungsenergie 113 8990 5 eV 5 10 989 6 kJ mol 6 6 Ionisierungsenergie 138 1189 21 eV 5 13 326 4 kJ mol 6 Physikalisch 2 Aggregatzustand gasformig O2 Kristallstruktur kubischDichte 1 429 kg m 3 7 bei 273 15 KMagnetismus paramagnetisch Xm 1 9 10 6 8 Schmelzpunkt 54 8 K 218 3 C Siedepunkt 90 15 K 9 183 C Verdampfungswarme 6 82 kJ mol 9 Schmelzwarme 0 222 kJ mol 1Schallgeschwindigkeit 317 5 m s 1 bei 293 KSpezifische Warmekapazitat 920 J kg 1 K 1 bei 298 KWarmeleitfahigkeit 0 02658 W m 1 K 1Chemisch 2 Oxidationszustande 2 1 0 1 2Normalpotential 1 23Elektronegativitat 3 44 Pauling Skala IsotopeIsotop NH t1 2 ZA ZE MeV ZP15O syn 122 24 s b 2 754 15N16O 99 762 Stabil17O 0 038 Stabil18O 0 2 StabilWeitere Isotope siehe Liste der IsotopeNMR Eigenschaften Spin Quanten zahl I g in rad T 1 s 1 Er 1H fL bei B 4 7 T in MHz17O 5 2 3 628 107 0 029 0 27 1SicherheitshinweiseGHS Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung EG Nr 1272 2008 CLP 10 ggf erweitert 7 GefahrH und P Satze H 270 280P 244 220 370 376 403 7 Soweit moglich und gebrauchlich werden SI Einheiten verwendet Wenn nicht anders vermerkt gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen Unter Normalbedingung tritt Sauerstoff in Form eines kovalenten Homodimers auf also einer Verbindung aus zwei Sauerstoff Atomen und mit der Summenformel O2 bezeichnet als molekularer Sauerstoff Dioxygen oder Disauerstoff Es ist ein farb und geruchloses Gas das in der Luft zu 20 942 enthalten ist Es ist an vielen Verbrennungs und Korrosionsvorgangen beteiligt Fast alle Lebewesen benotigen Sauerstoff zum Leben in der Regel geben Pflanzen aber wahrend der Photosynthese mehr Sauerstoff ab als sie verbrauchen Sie entnehmen ihn meistens durch Atmung aus der Luft oder durch Resorption aus Wasser geloster Sauerstoff In hohen Konzentrationen dagegen ist er fur die meisten Lebewesen giftig Die metastabile energiereiche und reaktive allotrope Form aus drei Sauerstoffatomen O3 wird Ozon genannt Atomarer Sauerstoff das heisst Sauerstoff in Form freier einzelner Sauerstoffatome kommt stabil nur unter extremen Bedingungen vor beispielsweise im Vakuum des Weltalls oder in heissen Sternatmospharen Er hat jedoch eine wesentliche Bedeutung als reaktives Zwischenprodukt in vielen Reaktionen der Atmospharenchemie Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Vorkommen 2 1 Vorkommen auf der Erde 2 2 Vorkommen im Weltall 3 Gewinnung und Darstellung 4 Eigenschaften 4 1 Physikalische Eigenschaften 4 1 1 Molekulorbitale 4 1 2 Singulett Sauerstoff 4 2 Chemische Eigenschaften 5 Allotrope 5 1 Ozon 5 2 Andere Allotrope 6 Isotope 6 1 Indirekte Temperaturmessung uber das d18O Signal 7 Verwendung 7 1 Medizin 7 1 1 Notfallmedizin 7 1 2 Sauerstoff Langzeittherapie 7 1 3 Cluster Kopfschmerz 7 2 Technik 7 3 Wellness 7 4 Batterietechnik 8 Biologische Bedeutung 8 1 Problematische Auswirkungen 8 2 Hyperoxidanionen im Stoffwechsel 9 Analytik 9 1 Klassische Analytik 9 2 Instrumentelle quantitative Analytik 10 Verbindungen 10 1 Anorganische Sauerstoffverbindungen 10 1 1 Oxide 10 1 2 Sauerstoffverbindungen mit Sauerstoff Sauerstoff Bindungen 10 1 3 Hydroxide 10 1 4 Sauerstoffsauren 10 2 Organische Sauerstoffverbindungen 11 Siehe auch 12 Literatur 13 Weblinks 14 EinzelnachweiseGeschichte Carl Wilhelm Scheele einer der Entdecker des Sauerstoffs Im 18 Jahrhundert haben Carl Wilhelm Scheele zwischen 1771 und 1773 veroffentlicht 1777 in Schweden und Joseph Priestley in England 1771 offentlich beschrieben 1774 unabhangig voneinander im Zusammenhang mit der Erforschung von Verbrennungsvorgangen den Sauerstoff entdeckt 13 14 Der Entdeckung sehr nahe kam auch Pierre Bayen 1774 Von der Steinzeit bis uber das Mittelalter hinaus war das Feuer fur den Menschen eine Erscheinung die als Gabe des Himmels hingenommen wurde Uber das Wesen des Feuers entstanden verschiedene Vorstellungen durch die Naturphilosophen der Antike bis zu den Alchimisten Das Feuer wurde als ein Grundstoff der Vier Elemente Lehre verstanden Im 17 Jahrhundert entstand die Vorstellung eines leichten geheimnisvollen Stoffs Dieses Phlogiston wurde aus dem brennenden Stoff entweichen Warme wurde als Stoff verstanden Der deutsch schwedische Apotheker Carl Wilhelm Scheele stellte Versuche an Beim Erhitzen von Braunstein Mangandioxid oder Kaliumpermanganat mit konzentrierter Schwefelsaure Vitriol erhielt er ein farbloses Gas Dieses Gas forderte die Verbrennung und Scheele nannte es Feuerluft oder nach der Herkunft Vitriolluft Er fand dass Luft aus diesem Sauerstoff und verdorbener Luft besteht Ganzlich unabhangig konnte der Englander Joseph Priestley zwei Jahre spater durch Erhitzen von Quecksilberoxid Sauerstoffgas herstellen Der Brite veroffentlichte seine Erkenntnisse im Jahr 1774 Scheele publizierte sein Buch Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer allerdings erst 1777 15 Mit der Entdeckung des Sauerstoffs war seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklart Der Franzose Antoine de Lavoisier fand bei seinen Experimenten dass bei der Verbrennung nicht Phlogiston entweicht sondern Sauerstoff gebunden wird Durch Wagung wies er nach dass ein Stoff nach der Verbrennung nicht leichter sondern schwerer war Ursache war das zusatzliche Gewicht des wahrend des Verbrennungsprozesses aufgenommenen Sauerstoffs Anfangs wurde der Sauerstoff als Grundbestandteil fur die Bildung von Sauren angenommen Deshalb wurde 1779 von Lavoisier die Bezeichnung Oxygenium Saurebildner fur Sauerstoff vorgeschlagen Tatsachlich enthalten die meisten anorganischen Sauren bei der Losung von Nichtmetalloxiden in Wasser Sauerstoff Die Halogene wie Chlor und Brom hielt man daher lange Zeit fur Oxide unbekannter Elemente Erst spater wurde erkannt dass Wasserstoff fur den Saurecharakter verantwortlich ist Humphry Davy ab 1808 1883 gelang es Karol Olszewski und Zygmunt Wroblewski erstmals Flussigsauerstoff herzustellen VorkommenVorkommen auf der Erde Feldspat Wasser Sauerstoff ist das haufigste und am weitesten verbreitete Element auf der Erde 16 Es kommt sowohl in der Erdatmosphare als auch in der Lithosphare der Hydrosphare und der Biosphare vor Sauerstoff hat einen Massenanteil von 50 5 17 an der Erdhulle bis 16 km Tiefe einschliesslich Hydro und Atmosphare An der Luft betragt sein Massenanteil 23 16 18 Volumenanteil 20 95 18 im Wasser 88 8 18 im Meerwasser allerdings nur 86 18 da dort grossere Mengen nichtsauerstoffhaltiger Salze z B Natriumchlorid gelost sind Zumeist kommt Sauerstoff in seinen Verbindungen auf und in der Erde vor In der Erdhulle sind neben Wasser fast alle Minerale und damit Gesteine sauerstoffhaltig Zu den wichtigsten Sauerstoff enthaltenden Mineralen zahlen Silicate wie Feldspate Glimmer und Olivine Carbonate wie das Calciumcarbonat im Kalkstein sowie Oxide wie Siliciumdioxid als Quarz Im elementarem Zustand befindet sich Sauerstoff in Form von O2 gasformig in der Atmosphare und gelost in Gewassern Die Menge des relativ reaktionsfreudigen elementaren Sauerstoffs bleibt auf Dauer nur konstant weil Sauerstoff produzierende Pflanzen so viel nachliefern wie von aerob atmenden Lebewesen sowie durch andere Verbrennungsprozesse wieder verbraucht wird Ohne diesen biologischen Kreislauf wurde Sauerstoff nur in Verbindungen vorkommen elementarer Sauerstoff existiert also in einem Fliessgleichgewicht Die Entwicklung der Sauerstoffkonzentration in der Erdatmosphare ist im Artikel Entwicklung der Erdatmosphare beschrieben Das Sauerstoff Allotrop O3 Ozon ist in der Atmosphare nur in geringer Konzentration vorhanden Vorkommen im Weltall Im Weltall ist Sauerstoff nach Wasserstoff und Helium das dritthaufigste Element Der Massenanteil von Sauerstoff betragt im Sonnensystem etwa 0 8 dies entspricht einem Atom Anzahlanteil von etwa 500 ppm 19 20 Sauerstoff ist nicht in der primordialen Nukleosynthese entstanden entsteht aber in verhaltnismassig grossen Mengen in Riesensternen durch Heliumbrennen Dabei wird zunachst aus drei Heliumkernen 12C gebildet Drei Alpha Prozess das anschliessend mit einem weiteren Heliumkern zu 16O fusioniert 18O wird durch Fusion eines 4He mit einem 14N Kern gebildet Auch in so genannten Hauptreihensternen wie der Sonne spielt Sauerstoff bei der Energiegewinnung eine Rolle Beim CNO Zyklus Bethe Weizsacker Zyklus stellt Sauerstoff ein Zwischenprodukt der Kernreaktion dar bei der durch Protoneneinfang eines 12C Kerns der als Katalysator wirkt ein 4He Kern Alpha Teilchen entsteht In extrem schweren Sternen kommt es in der Spatphase ihrer Entwicklung zum Sauerstoffbrennen bei dem der Sauerstoff als nuklearer Brennstoff fur Reaktionen dient die zum Aufbau noch schwererer Kerne fuhren Die meisten Weissen Zwerge die nach Stand der Theorie den Endzustand von 97 aller Sterne darstellen bestehen neben Helium und Kohlenstoff zu einem grossen Teil aus Sauerstoff 21 Gewinnung und Darstellung Verfahren zur industriellen Sauerstoff Gewinnung nach Linde Technisch wird Sauerstoff heute fast ausschliesslich durch Rektifikation von Luft gewonnen Das Verfahren wurde 1902 17 zunachst von Carl von Linde entwickelt Linde Verfahren und von Georges Claude wirtschaftlich rentabel gestaltet Technisch unbedeutende Mengen ergeben sich als Nebenprodukt bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser Zur Sauerstoffgewinnung nach dem Claude Verfahren wird Luft mit Hilfe von Verdichtern auf 5 6 bar verdichtet abgekuhlt und dann zunachst durch Filter von Kohlenstoffdioxid Luftfeuchtigkeit und anderen Gasen befreit Die verdichtete Luft wird durch vorbeistromende Gase aus dem Prozess auf eine Temperatur nahe dem Siedepunkt abgekuhlt Danach wird sie in Turbinen expandiert Dabei kann ein Teil der zur Kompression eingesetzten Energie wieder zuruckgewonnen werden 22 Dadurch wird das Verfahren im Gegensatz zum Linde Verfahren bei dem keine Energie zuruckgewonnen wird deutlich wirtschaftlicher Die eigentliche Trennung von Stickstoff und Sauerstoff erfolgt durch Destillation in zwei Rektifikationskolonnen mit unterschiedlichen Drucken Die Destillation erfolgt dabei im Gegenstromprinzip das heisst durch die Kondensationswarme verdampftes Gas stromt nach oben kondensierte Flussigkeit tropft nach unten Da Sauerstoff einen hoheren Siedepunkt als Stickstoff besitzt kondensiert er leichter und sammelt sich so am Boden Stickstoff am Kopf der Kolonne Die Trennung erfolgt zunachst bei 5 6 bar 23 in der sogenannten Mitteldruckkolonne 22 Die dabei entstehende sauerstoffangereicherte Flussigkeit wird anschliessend in der Niederdruckkolonne Druck etwa 0 5 bar 23 weiter getrennt Durch den flussigen Sauerstoff der Niederdruckkolonne wird gasformiger Stickstoff der Hochdruckkolonne geleitet Dabei verflussigt sich dieser und erwarmt mit der abgegebenen Kondensationswarme die Flussigkeit Der leichter fluchtige Stickstoff wird bevorzugt abgegeben und es bleibt gereinigter flussiger Sauerstoff zuruck Dieser enthalt noch die Edelgase Krypton und Xenon die in einer separaten Kolonne abgetrennt werden Um mittlere oder kleine Mengen Sauerstoff zu produzieren kann Sauerstoff aus der Luft durch Druckwechsel Adsorption von anderen Gasen getrennt werden Dazu stromt Luft durch Molekularsiebe wobei Stickstoff und Kohlenstoffdioxid adsorbiert werden und nur Sauerstoff und Argon hindurch gelangen 24 Dies wird im uberwiegend medizinisch verwendeten Sauerstoffkonzentrator genutzt Ein alteres Verfahren ist das auf chemischen Reaktionen beruhende Bariumoxid Verfahren Es ist infolge des hohen Energieaufwandes unwirtschaftlich Dafur wird Bariumoxid unter Luftzufuhr auf 500 C erhitzt wobei sich Bariumperoxid bildet Beim Erhitzen auf 700 C wird der zuvor aufgenommene Sauerstoff durch Thermolyse wieder freigesetzt Vor Entwicklung des Linde Verfahrens war dieses Verfahren die einzige Moglichkeit reinen Sauerstoff darzustellen 2 B a O O 2 500 C 2 B a O 2 displaystyle mathrm 2 BaO O 2 xrightarrow 500 circ C 2 BaO 2 Bildung des Bariumperoxids dd 2 B a O 2 700 C 2 B a O O 2 displaystyle mathrm 2 BaO 2 xrightarrow 700 circ C 2 BaO O 2 Freisetzung von Sauerstoff und Ruckgewinnung des Bariumoxids dd Einige sauerstoffreiche anorganische Verbindungen wie Kaliumpermanganat Kaliumnitrat Salpeter Kaliumchlorat und Kaliumchromat geben bei Erwarmung oder Reaktion mit Reduktionsmitteln Sauerstoff ab Eine weitere Moglichkeit Sauerstoff im Labor zu erzeugen ist die Zersetzung von Wasserstoffperoxid an platinierter Nickelfolie 23 Reinen Sauerstoff kann man mittels Elektrolyse von 30 iger Kalilauge an Nickelelektroden erhalten Dabei entstehen Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander 2 H 2 O 2 e H 2 2 O H displaystyle mathrm 2 H 2 O 2 e longrightarrow H 2 2 OH Kathodenreaktion4 O H O 2 2 H 2 O 4 e displaystyle mathrm 4 OH longrightarrow O 2 2 H 2 O 4 e AnodenreaktionEigenschaftenPhysikalische Eigenschaften Molekularer Sauerstoff ist ein farb geruch und geschmackloses Gas welches bei 90 15 K 183 C zu einer blaulichen Flussigkeit kondensiert In dicken Schichten zeigt gasformiger und flussiger Sauerstoff eine blaue Farbe Unterhalb von 54 4 K 218 75 C erstarrt Sauerstoff zu blauen Kristallen Im Feststoff liegen paramagnetische O2 Molekule mit einem O O Abstand von 121 pm Doppelbindung vor Das Element kommt fest in mehreren Modifikationen vor Zwischen 54 4 K und 43 8 K 18 liegt Sauerstoff in der kubischen g Modifikation und zwischen 43 8 K und 23 9 K 18 in einer rhomboedrischen b Modifikation vor Unterhalb von 23 9 K ist schliesslich die monokline a Modifikation am stabilsten Es ist im Gegensatz zu anderen Nichtmetallen paramagnetisch und besitzt diradikalischen Charakter Der Tripelpunkt liegt bei 54 36 K 218 79 C und 0 1480 kPa 25 Der kritische Punkt liegt bei einem Druck von 50 4 bar und einer Temperatur von 154 7 K 118 4 C 26 Die kritische Dichte betragt 0 436 g cm3 27 Die Dichte als Flussigkeit bei Normaldruck betragt 1 142 g cm3 28 Sauerstoff ist in Wasser wenig loslich Die Loslichkeit ist abhangig vom Druck und der Temperatur Sie steigt mit abnehmender Temperatur und zunehmendem Druck Bei 0 C losen sich aus Luft unter Normaldruck Sauerstoffpartialdruck von 212 hPa im Gleichgewicht 14 16 mg l Sauerstoff Sauerstoff in einer Entladungsrohre In der Sauerstoff Gasentladungs Spektralrohre werden die Molekulorbitale des Sauerstoffs zum Leuchten angeregt Die Betriebsbedingungen sind dabei ein Druck von ca 5 10 mBar eine Hochspannung von 1 8 kV eine Stromstarke von 18 mA und eine Frequenz von 35 kHz Bei der Rekombination der ionisierten Gasmolekule wird das charakteristische Farbspektrum abgestrahlt 29 Hierbei wird zum kleinen Teil bedingt durch die Zufuhrung von Energie reversibel Ozon gebildet Molekulorbitale Die Bindung und die Eigenschaften des Sauerstoff Molekuls konnen sehr gut mit dem Molekulorbital Modell erklart werden Dabei werden die s und p Atomorbitale der einzelnen Atome zu bindenden und antibindenden Molekulorbitalen zusammengesetzt Die 1s und 2s Orbitale der Sauerstoffatome werden jeweils zu ss und ss bindenden und antibindenden Molekulorbitalen Da diese Orbitale vollstandig mit Elektronen gefullt sind tragen sie nicht zur Bindung bei Aus den 2p Orbitalen werden insgesamt sechs Molekulorbitale mit unterschiedlichem Energieniveau Dies sind die bindenden sp px und py sowie die entsprechenden antibindenden sp px und py Molekulorbitale Die p Orbitale besitzen dabei gleiche Energie Werden Elektronen in die Molekulorbitale verteilt kommt es zur folgenden Aufteilung der acht p Elektronen sechs fullen die bindenden und zwei in die antibindenden p Orbitale die Bindungsordnung betragt also 6 2 2 2 Diese beiden bestimmen als Valenzelektronen die Eigenschaften des O2 Molekuls Sauerstoff besitzt fur die Verteilung dieser Elektronen insgesamt drei erlaubte und energetisch erreichbare quantenmechanische Zustande Besetzung der Energieniveaus der Molekulorbitale des Sauerstoffs in Grund und angeregten Zustanden Im Grundzustand sind die Spins der beiden Valenzelektronen der Hundschen Regel gehorchend parallel angeordnet Es handelt sich also um einen Triplett Zustand mit dem Termsymbol 3Sg Er ist der Zustand mit der niedrigsten Energie Durch die beiden ungepaarten Elektronen sind die zwei p Orbitale nur halb besetzt Diese verursacht einige charakteristische Eigenschaften wie den diradikalischen Charakter und den Paramagnetismus des Sauerstoff Molekuls Trotz der formalen Bindungsordnung zwei lasst sich keine entsprechende korrekte Valenzstrichformel fur O2 angeben lt O O gt bringt den Doppelbindungscharakter zum Ausdruck ignoriert aber sowohl die besetzten antibindenden Orbitale als auch den Radikalcharakter Die Schreibweise O O wird verwendet um die biradikalischen Eigenschaften hervorzuheben deutet jedoch nur eine Bindungsordnung von eins an Um die Bindungsordnung zwei und den radikalischen Charakter anzudeuten sollte die Darstellung lt O O gt mit Radikalpunkten auf dem Bindungsstrich verwendet werden Singulett Sauerstoff Sauerstoff besitzt zwei unterschiedliche angeregte Zustande die beide eine deutlich grossere Energie als der Grundzustand besitzen Bei beiden Zustanden sind die Spins der Elektronen entgegen der Hundschen Regel antiparallel ausgerichtet Der stabilere angeregte Sauerstoff wird nach der quantenmechanischen Bezeichnung fur diesen Zustand auch Singulett Sauerstoff 1O2 genannt Die beiden Singulett Zustande unterscheiden sich dadurch ob sich die beiden Elektronen in einem Termsymbol 1Dg oder beiden p Orbitalen Termsymbol 1Sg befinden Der 1Sg Zustand ist energetisch ungunstiger und wandelt sich sehr schnell in den 1Dg Zustand um Der 1Sg Zustand ist diamagnetisch der energetisch stabilere 1Dg Zustand zeigt jedoch aufgrund des vorhandenen Bahnmomentes die der Projektion des Bahndrehimpulses auf die Kern Kern Verbindungsachse entsprechende Quantenzahl symbolisiert durch S P D etc hat im 1Dg Zustand den Wert 2 Paramagnetismus vergleichbarer Starke wie der von Triplett Sauerstoff 30 31 Die Bildung von Singulett Sauerstoff ist auf verschiedenen Wegen moglich sowohl photochemisch aus Triplett Sauerstoff als auch chemisch aus anderen Sauerstoffverbindungen Eine direkte Gewinnung aus Triplett Sauerstoff durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung z B Licht ist allerdings aus quantenmechanischen Grunden in Form der Auswahlregeln fur die Emission oder Absorption von elektromagnetischer Strahlung ausgeschlossen Eine Moglichkeit dieses Verbot zu umgehen ist die gleichzeitige Bestrahlung mit Photonen und Kollision zweier Molekule Durch diesen unwahrscheinlichen Vorgang der in der flussigen Phase wahrscheinlicher ist entsteht die blaue Farbe des flussigen Sauerstoffs Absorption im roten Spektralbereich Auch mit Hilfe geeigneter Farbstoffe wie Methylenblau oder Eosin lasst sich auf photochemischem Weg Singulett Sauerstoff darstellen Chemisch wird er aus Peroxiden gewonnen Bei der Umsetzung von Wasserstoffperoxid mit Natriumhypochlorit entsteht zunachst die instabile Peroxohypochlorige Saure die schnell in Chlorwasserstoff bzw Chlorid und Singulett Sauerstoff zerfallt Experimentell kann man auch Chlor in eine alkalische Wasserstoffperoxidlosung einleiten wobei dann zunachst Hypochlorit entsteht das dann weiter reagiert Der Singulett Sauerstoff reagiert schnell mit Emissionen im roten Bereich bei 633 4 nm und 703 2 nm zu Triplett Sauerstoff 32 33 N a O C l H 2 O 2 N a C l H 2 O 1 O 2 displaystyle mathrm NaOCl H 2 O 2 longrightarrow NaCl H 2 O 1 O 2 Diese Form von Sauerstoff ist ein starkes und selektives Oxidationsmittel und wird in der organischen Chemie haufig verwendet So reagiert er im Gegensatz zu normalen Sauerstoff mit 1 3 Dienen in einer 4 2 Cycloaddition zu Peroxiden Mit Alkenen und Alkinen reagiert Singulett Sauerstoff in einer 2 2 Cycloaddition Chemische Eigenschaften Sauerstoff reagiert mit den meisten anderen Elementen direkt und bildet Oxide Es gibt einige Ausnahmen insbesondere unter den Nichtmetallen und Edelmetallen Mit einigen Elementen zum Beispiel Kohlenstoff und Schwefel reagiert Sauerstoff nur bei hohen Temperaturen Bei der Verbrennung wird sehr viel Energie frei und es entstehen Flammen 34 35 C O 2 C O 2 displaystyle mathrm C O 2 longrightarrow CO 2 Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid S O 2 S O 2 displaystyle mathrm S O 2 longrightarrow SO 2 Verbrennung von Schwefel zu Schwefeldioxid Mit Stickstoff sind Reaktionen nur unter speziellen Bedingungen etwa bei Blitzen aber auch im Verbrennungsmotor 36 moglich Dabei entstehen Stickoxide Fluor bildet nur bei tiefen Temperaturen unter elektrischen Entladungen die instabile Verbindung Disauerstoffdifluorid O2F2 37 F 2 O 2 O 2 F 2 displaystyle mathrm F 2 O 2 longrightarrow O 2 F 2 Oxidation von Fluor zu Disauerstoffdifluorid Das edelste Metall Gold die Halogene Chlor Brom und Iod sowie die Edelgase reagieren nicht direkt mit Sauerstoff Einige weitere Edelmetalle wie Platin und Silber reagieren nur schlecht mit Sauerstoff Elementarer gasformiger Sauerstoff ist relativ reaktionstrage viele Reaktionen finden bei Normalbedingungen gar nicht oder nur langsam statt Der Grund hierfur liegt darin dass die Reaktionen mit anderen Stoffen kinetisch gehemmt sind Zur Reaktion werden entweder eine hohe Aktivierungsenergie oder sehr reaktive Radikale benotigt Diese Barriere kann durch Temperaturerhohung Licht oder Katalysatoren beispielsweise Platin uberschritten werden Zusatzlich wird bei vielen Metallen die Reaktion dadurch gehindert dass das Material mit einer dunnen Metalloxidschicht uberzogen ist und dadurch passiviert wird Bei einigen Reaktionen wie der Knallgasreaktion reichen wenige Radikale fur eine Reaktion aus da diese nach einem Kettenreaktions Mechanismus weiterreagieren 2 H 2 O 2 2 H 2 O displaystyle mathrm 2 H 2 O 2 longrightarrow 2 H 2 O Verbrennung von Wasserstoff zu Wasser Deutlich starker oxidierend als gasformiger Sauerstoff wirkt trotz der tiefen Temperaturen flussiger Sauerstoff In diesem bildet sich der reaktive Singulett Sauerstoff leicht Auch in Gegenwart von Wasser oder Wasserdampf verlaufen viele Oxidationen mit Sauerstoff leichter Reaktionen mit Sauerstoff sind fast immer Redox Reaktionen bei denen Sauerstoff in der Regel zwei Elektronen aufnimmt und so zum Oxid reduziert wird Das Element zahlt somit zu den Oxidationsmitteln Haufig verlaufen diese Reaktionen bedingt durch die grosse freiwerdende Bindungs oder Gitterenergie unter starker Warmeabgabe Es gibt auch explosionsartig verlaufende Reaktionen wie die Knallgasreaktion oder Staubexplosionen von feinverteilten Stoffen in Luft oder reinem Sauerstoff Allotrope Hauptartikel Allotrope Formen von Sauerstoff Neben dem in diesem Artikel beschriebenen Disauerstoff O2 bildet Sauerstoff mehrere Allotrope die nach der Anzahl Sauerstoffatome zu unterscheiden sind Das wichtigste Allotrop ist dabei Ozon O3 daneben sind die selteneren Allotrope Tetrasauerstoff O4 und Oktasauerstoff O8 bekannt Ozon Hauptartikel Ozon Ozon O3 ist ein blaues charakteristisch riechendes Gas das aus drei Sauerstoff Atomen besteht Es ist instabil sehr reaktiv und ein starkes Oxidationsmittel Gebildet wird es aus molekularem Sauerstoff und Sauerstoff Atomen aber auch z B durch Reaktion von Stickstoffdioxid mit Sauerstoff unter UV Strahlung Aufgrund seiner hohen Reaktivitat ist es in Bodennahe der menschlichen Gesundheit eher abtraglich in der Ozonschicht der Erdatmosphare dagegen spielt das Ozon eine wichtige Rolle bei der Absorption der auf die Erde treffenden UV Strahlung Andere Allotrope Eine Hochdruckphase des Sauerstoffs entsteht bei Drucken grosser 10 GPa als roter Feststoff Nach kristallographischen Untersuchungen wird angenommen dass es sich um Oktasauerstoff O8 Ringe handelt Daneben existiert Tetrasauerstoff als ein sehr seltenes und instabiles Allotrop des Sauerstoffs Es konnte 2001 im Massenspektrometer nachgewiesen werden 38 39 In geringer Konzentration kommt es in flussigem Sauerstoff vor IsotopeDas haufigste stabile Sauerstoffisotop ist 16O 99 76 daneben kommt noch 18O 0 20 sowie 17O 0 037 vor Neben den stabilen Sauerstoffisotopen sind noch insgesamt 13 instabile radioaktive Nuklide von 12O bis 28O 40 bekannt die nur kunstlich herstellbar sind Ihre Halbwertszeiten betragen meist nur Millisekunden bis Sekunden 15O besitzt dabei mit zwei Minuten die langste Halbwertszeit 40 und wird haufig in der Positronen Emissions Tomographie verwendet Als einziges stabiles Isotop besitzt das seltene 17O einen Kernspin von 5 2 41 und kann damit fur NMR Untersuchungen verwendet werden Die anderen stabilen Isotope besitzen den Kernspin 0 und sind damit NMR inaktiv Siehe auch Liste der Sauerstoff Isotope Indirekte Temperaturmessung uber das d18O Signal Hauptartikel d18O Wassermolekule mit dem um 12 leichteren 16O verdunsten schneller Deshalb mussen Eisschichten mit einem hoheren relativen Anteil an 18O aus warmeren Zeiten stammen da nur bei der starken Verdunstung warmerer Perioden vermehrt 18O Wasser mit zur Wolkenbildung beitragt Je hoher die globale Temperatur ist desto weiter konnen mit schweren Sauerstoffisotopen beladene Wolken in die Polarregionen vordringen ohne vorher abzuregnen In kalteren Perioden befindet sich mehr 18O in Meeressedimenten Meereis besteht hauptsachlich aus den leichteren Wassermolekulen aus 16O Wenn es in einer Kaltphase zu einer starken Neubildung von Meereis kommt bleibt vermehrt Meerwasser aus 18O zuruck welches durch die permanente Einlagerung von Sauerstoff in die Kalkschalen der Meerestiere Calciumcarbonat verstarkt in Sedimentschichten dieser Zeit nachweisbar ist Auch gibt es regionale Unterschiede in der 18O Anreicherung in Organismen nach Art ihrer Trinkwasserquelle Durch eine Isotopenuntersuchung von Eisbohrkernen oder Sedimentproben und die Bestimmung des 18O 16O Verhaltnisses mit Hilfe eines Massenspektrometers lassen sich Informationen uber die Durchschnittstemperatur und damit die Klimaerwarmung und abkuhlung in fruheren Zeiten gewinnen Daneben kann durch Bestimmung der Zahl der Oszillationen zwischen warm Sommer und kalt Winter das Alter des Bohrkerns exakt bestimmt werden VerwendungSauerstoff wird fur industrielle Verbrennungs Oxidations und Heizprozesse in der Medizin und in Luft und Raumfahrt verwendet Medizin Sauerstoff zur Anwendung in der Humanmedizin unterliegt aufgrund gesetzlicher Regelungen einer strengen Kontrolle Der in weiss gekennzeichneten Flaschen abgefullte medizinische Sauerstoff gilt in Deutschland als Fertigarzneimittel im Sinne des Arzneimittelgesetzes AMG 42 Vorsicht ist bei der Sauerstoffgabe geboten wenn Patienten an einer chronischen Lungenerkrankung siehe COPD mit erhohtem CO2 Partialdruck leiden Bei ihnen kann das plotzliche Uberangebot an Sauerstoff zu einer CO2 Narkose mit Atemstillstand fuhren 43 Notfallmedizin Verletzungen und viele Erkrankungen der Lunge sowie einige Herzkrankheiten und insbesondere Schockzustande konnen zu einem Sauerstoffmangel Hypoxie in den Schlagadern Arterien und im Gewebe lebenswichtiger Organe fuhren Aus diesem Grund wird Patienten in der Notfall und Intensivmedizin sehr haufig zusatzlicher Sauerstoff verabreicht Bei selbststandig atmenden Patienten wird die Umgebungsluft mit Hilfe verschiedener Sonden und Masken mit Sauerstoff angereichert bei kunstlich beatmeten Patienten wird der Sauerstoff im Beatmungsgerat zugemischt Der Effekt der Sauerstoffanreicherung im Blut ist mit Hilfe der Pulsoxymetrie oder anhand von Blutgasanalysen messbar 44 Sauerstoff Langzeittherapie Bei Krankheiten mit einem schweren chronischen Sauerstoffmangel im Blut werden durch eine langfristige und taglich mehrstundige Zufuhr von Sauerstoff Sauerstoff Langzeittherapie sowohl die Lebensqualitat als auch die Uberlebensdauer verbessert 45 Der reine Sauerstoff kann bei der Beatmung zu Problemen wegen Verdrangens des Kohlenstoffdioxid aus den Gefassen 46 sowie zur unerwunschten Erhohung der Hirnaktivitat in Hypothalamus der Insula sowie im Hippocampus fuhren Diese negativen Folgen werden durch den Zusatz von Kohlenstoffdioxid vermieden 47 Cluster Kopfschmerz Hochkonzentrationsmaske Nach den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation ist das Einatmen von Sauerstoff zur Behandlung von Cluster Kopfschmerz Attacken geeignet 48 Die Anwendung von hochkonzentriertem Sauerstoff mittels spezieller Maskensysteme lindert die Beschwerden in der Regel innerhalb von Minuten effektiv 49 Technik Industriell verwendet wird Sauerstoff hauptsachlich in der Metallurgie zur Herstellung von Roheisen und Stahl sowie bei der Kupfer Raffination Reiner Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft dient hier einerseits zum Erreichen hoher Temperaturen andererseits zum Frischen des Rohstahls d h zum Entfernen unerwunschter Beimengungen von Kohlenstoff Silicium Mangan und Phosphor die oxidiert und abgetrennt werden Reiner Sauerstoff hat im Vergleich zu Luft den Vorteil dass kein Stickstoff in die Schmelze eingetragen wird Stickstoff hat einen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl siehe auch Thomas Verfahren In chemischen Prozessen wird Sauerstoff meist zur Oxidation von verschiedenen Grundstoffen wie bei der Olefin Oxidation von Ethen zu Ethylenoxid und bei der teilweisen partiellen Oxidation von Schwerol und Kohle verwendet Benotigt wird Sauerstoff ausserdem zur Erzeugung von Wasserstoff und Synthesegas und der Herstellung von Schwefel und Salpetersaure Weitere durch Oxidation mit Sauerstoff hergestellte wichtige Produkte sind Acetylen Ethin Acetaldehyd Essigsaure Vinylacetat und Chlor Verschiedene Brenngase Propan Wasserstoff Ethin u a erzielen erst durch Mischen mit Sauerstoff ausreichend heisse und russfreie Flammen zum Schweissen und Hartloten oder Erschmelzen und Formbarmachen von Glas Nach Aufheizen und Zunden erfolgt das Schneiden von Beton mit einer selbst abbrennenden Sauerstofflanze oder das Brennschneiden von Eisen alleine durch einen scharfen Sauerstoffstrahl Sauerstoff wird ebenso verwendet zur Darstellung von Ozon als Oxidationsmittel in Brennstoffzellen und in der Halbleitertechnik In der Raketentechnik wird flussiger Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet und mit LOX liquid oxygen abgekurzt In der Umwelttechnik werden Abwasser durch Einleitung von Sauerstoffgas schneller durch Bakterien von organischen Schadstoffen und Giften befreit In vielen Trinkwasserwerken dient die Trinkwasseraufbereitung mit Ozon Ozonierung zur Oxidation von organischen Stoffen oder etwa Eisen und der Entkeimung und kann zu einer deutlich besseren Reinigungswirkung der Filteranlagen fuhren 50 Fur die Lebensmitteltechnik ist Sauerstoff als Lebensmittelzusatzstoff als E 948 zugelassen und wird neben Stickstoff Kohlendioxid und Lachgas als Treibgas Packgas Gas zum Aufschlagen von Sahne Schlagobers u a verwendet 51 Wellness In der Wellness und Lebensmittelindustrie wird gelegentlich fur Produkte geworben die mit Sauerstoff angereichert seien So wird etwa abgepacktes Wasser verkauft das einen erhohten Sauerstoffgehalt haben soll Eine positive Wirkung auf Gesundheit und Wohlbefinden ist nicht zu erwarten denn Sauerstoff lost sich nur in geringer Menge in Wasser und wird in vielen Grossenordnungen mehr namlich mit jedem Atemzug uber die Lunge als via Magen aufgenommen 52 Batterietechnik Die Zink Luft Zelle ist ein Primarelement das Luft aus der umgebenden Atmosphare aufnimmt und den Sauerstoff chemisch mit dem Metall Zink umsetzt um elektrische Spannung und Strom zu erzeugen Der Vorzug dieses Batterietyps ist dass er seine relativ hohe Energiedichte bei geringer Stromentnahme uber einen ausgedehnten Zeitraum erstreckt abgeben kann Das Verschlossenhalten der Ventilationsoffnung etwa durch einen Klebstreifen Siegel vor Gebrauch hilft die Alterung der Zelle bei Lagerung zu reduzieren Gut faustgrosse quaderformige Zellen dieses Typs im Kunststoffgehause wurden um 1980 in Blinkleuchten zur Baustellenabsicherung eingesetzt und sind bis heute als Knopfzellen fur Hinter dem Ohr Horgerate ublich Forschung und Entwicklung gehen auch in Richtung Metall Sauerstoff Akkus auf Basis von Alkalimetallen Ziel ist es die Energiedichte Wattstunden pro Masse von Lithium Ionen Akkus zu ubertreffen 53 54 Biologische Bedeutung Sauerstoffkreislauf rechts im Stoffwechsel Photosynthese betreibender Pflanzen Mikrofoto von Cyanobakterien Aufbau eines Mitochondriums Sauerstoff befindet sich in der Natur in einem steten Kreislauf Er wird standig von autotrophen Lebewesen wie Cyanobakterien Blaualgen Algen und Pflanzen bei der oxygenen Photosynthese durch Photolyse aus Wasser freigesetzt Er ist ein Endprodukt dieser biochemischen Reaktion und wird an die Umwelt abgegeben Cyanobakterien waren wahrscheinlich die ersten Organismen die molekularen Sauerstoff als Abfallprodukt in der Atmosphare anreicherten Zuvor existierte eine praktisch sauerstofffreie anaerobe Atmosphare auf der Erde 6 C O 2 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 6 O 2 displaystyle mathrm 6 CO 2 6 H 2 O longrightarrow C 6 H 12 O 6 6 O 2 vereinfachte Netto Reaktionsgleichung fur die oxygene Photosynthese 55 Die meisten aeroben Organismen darunter die meisten Eukaryoten einschliesslich des Menschen und der Pflanzen und viele Bakterien benotigen diesen Sauerstoff zum Leben Eukaryoten brauchen ihn zur Energiegewinnung durch Oxidation in den Mitochondrien Der Sauerstoff wird dabei in der Atmungskette wieder zu Wasser reduziert Die Oxygenierung von Stoffwechselprodukten mithilfe von Enzymen Oxygenasen wird oft beim Abbau von Stoffen angewendet Die Reaktion benotigt Sauerstoff und findet in allen aeroben Lebewesen statt C 6 H 12 O 6 6 O 2 6 C O 2 6 H 2 O displaystyle mathrm C 6 H 12 O 6 6 O 2 longrightarrow 6 CO 2 6 H 2 O vereinfachte Netto Reaktionsgleichung fur die aerobe Atmung 56 Da Sauerstoff und einige seiner Verbindungen sehr reaktiv sind und Zellstrukturen zerstoren konnen besitzen Organismen Schutzenzyme wie Katalase und Peroxidase Fur Organismen denen diese Enzyme fehlen wirkt Sauerstoff toxisch Beim Abbau des Sauerstoffs entstehen reaktive Sauerstoffspezies wie freie Radikale die ebenfalls biologische Molekule zerstoren konnen Werden sie nicht schnell genug abgefangen entsteht sogenannter oxidativer Stress der fur Alterungsprozesse verantwortlich gemacht wird In den Phagozyten Fresszellen des Immunsystems dienen diese reaktiven Sauerstoffspezies Wasserstoffperoxid und Hyperoxidionen neben Enzymen dazu aufgenommene Krankheitserreger zu zerstoren Problematische Auswirkungen Wird reiner Sauerstoff oder Luft mit einem hoheren Sauerstoffanteil uber langere Zeit eingeatmet kann es zur Vergiftung der Lunge dem sogenannten Lorrain Smith Effekt kommen Dabei werden die Lungenblaschen Lungenalveolen durch Anschwellen in ihrer normalen Funktion gehindert Der Paul Bert Effekt bezeichnet eine Sauerstoffvergiftung des Zentralnervensystems Diese kann bei Hochdruckatmung jeglicher Sauerstoff Stickstoff Gemische auftreten das Risiko erhoht sich jedoch mit Erhohung des Sauerstoffanteils und des Gesamtdrucks Bei Sauerstoff Teildrucken oberhalb 1 6 bar kommt es innerhalb relativ kurzer Zeit zu einer Vergiftung Dies spielt beispielsweise beim Tauchen eine Rolle da es die maximale Tauchtiefe abhangig vom Sauerstoffpartialdruck begrenzt In der Raumfahrt wird beispielsweise in Raumanzugen reiner Sauerstoff geatmet allerdings unter stark vermindertem Druck um gesundheitliche Folgen zu minimieren und weil der Raumanzug unter normalem Druck zu steif wurde Hyperoxidanionen im Stoffwechsel Hyperoxidanionen alte Bezeichnung Superoxidanionen sind einfach negativ geladene und radikalische Sauerstoffionen O2 die durch Elektronenubertragung auf molekularen Sauerstoff entstehen Diese sind ausserst reaktiv Mitunter werden sie als Nebenprodukt des Stoffwechsels Metabolismus wie durch Nebenreaktionen bei einigen Oxidasen Xanthin Oxidase gebildet Hyperoxidanionen entstehen ebenfalls beim Photosynthese Komplex I und als Nebenprodukt der Atmungskette mitochondriale Atmung Xenobiotika und cytostatische Antibiotika fordern dabei ihre Entstehung Beim Auftreten einer Entzundung wird durch eine membranstandige NADPH abhangige Oxidase Hyperoxidanionen ins extrazellulare Milieu abgegeben Sie fuhren zu oxidativem Stress Beispielsweise kommt es beim Fettsaureabbau in den Peroxisomen zur Ubertragung von Elektronen von FADH2 auf molekularen Sauerstoff Die entstandenen Hyperoxidanionen konnen zum Zellgift Wasserstoffperoxid weiterreagieren Beim Ablauf der Atmungskette entstehen diese radikalischen Sauerstoffspezies in geringen Mengen Es bestehen Vermutungen dass die Erbgutschadigungen die solche Sauerstoffspezies hervorrufen an Alterungsprozessen beteiligt sind Es ist daher fur den Organismus von essentieller Bedeutung diese Hyperoxidanionen zugig abzubauen Dies geschieht mittels der Superoxid Dismutase AnalytikKlassische Analytik Geloster Sauerstoff oxidiert zweiwertiges Mangan zu hoheren Oxidationsstufen Dieses wird nach der Methode von Winkler durch Iodid wieder vollstandig reduziert Die Stoffmenge des dabei gebildeten Iods steht in einem stochiometrischen Verhaltnis von 1 2 zu der Stoffmenge des ursprunglich gelosten Sauerstoffs und kann iodometrisch mit Thiosulfat rucktitriert werden 57 Als einfacher Nachweis fur das Vorhandensein von Sauerstoff wird die Glimmspanprobe angewandt Instrumentelle quantitative Analytik Die zur Verbrennungssteuerung von Otto Motoren verwendete Lambdasonde misst den Sauerstoffgehalt im Autoabgas in Bezug zum O2 Gehalt in der Umgebungsluft Dazu wird der Abgasstrom durch ein Yttrium dotiertes Zirconiumdioxidrohrchen geleitet welches innen und aussen mit Platinelektroden versehen ist Dabei steht die aussere Elektrode in Kontakt mit der Umgebungsluft Unterschiedliche O2 Partialdrucke an den Elektroden fuhren zu einer elektrischen Potentialdifferenz die gemessen wird Die Vorteile dieser Messtechnik liegen in der niedrigen Nachweisgrenze von wenigen ppm und der grossen Betriebstemperaturspanne 300 C bis 1500 C 58 59 60 Die Clark Elektrode ist ein amperometrischer Sensor zur elektrochemischen Bestimmung von gelostem gasformigem Sauerstoff 61 Platin und Ag AgCl Referenzelektrode befinden sich in einem Elektrolytsystem welches durch eine gaspermeable Teflonmembran von der Probelosung getrennt ist Geloster Sauerstoff kann durch die Membran in die Elektrolytlosung diffundieren und wird in einem Potentialbereich von 600 mV bis 800 mV kathodisch reduziert Der gemessene Strom ist dabei proportional zur Sauerstoffkonzentration in der Probelosung 60 Bei den optischen Methoden bedient man sich der Tatsache dass Sauerstoff die Fluoreszenz von angeregten Molekulen zu loschen vermag 62 Auf Basis von fluoreszenten Ubergangsmetallkomplexen wurden sog Optroden entwickelt die den Sauerstoffgehalt uber die Fluoreszenzloschung von Sondenmolekulen bestimmen Als Sondenmolekule kommen haufig Metall Liganden Komplexe zum Einsatz Als Metallionen haben sich Ru II Ir II Pt II und Pd II bewahrt als Liganden verschiedene Bipyridine Phenanthroline und fluorierte Porphyrine 63 Die Sonden werden in Polymermatrices eingebettet Die Anregung erfolgt zumeist mit LEDs oder Laserdioden Man unterscheidet zwischen punktuellen Messungen z B mittels optischer Lichtleiterfasern 64 und bildgebenden Messverfahren mittels planarer Sensorfilme 65 Mit Optroden konnten Nachweisgrenzen von 5 ppbv O2 5 1 10 6 hPa erzielt werden was einer Konzentration in Wasser von 7 pM entspricht 66 VerbindungenSauerstoff bildet Verbindungen mit fast allen Elementen ausser mit den Edelgasen Helium Neon und Argon Da Sauerstoff sehr elektronegativ ist kommt es in fast allen seinen Verbindungen in den Oxidationsstufen II vor nur in Peroxiden I Diese Ionen werden auch als Closed shell Ionen bezeichnet Peroxide sind meist instabil und gehen leicht in Oxide uber Positive Oxidationszahlen besitzt Sauerstoff nur in Verbindungen mit dem noch elektronegativeren Element Fluor mit dem es Verbindungen mit der Oxidationsstufe I Disauerstoffdifluorid O2F2 und II Sauerstoffdifluorid OF2 bildet Da bei ihnen die negative Polarisierung beim Fluor vorliegt werden diese nicht als Oxide sondern als Fluoride genauer gesagt Sauerstofffluoride bezeichnet Neben den Oxidverbindungen tritt Sauerstoff noch in ionischen Verbindungen und Radikalen als Peroxid O22 Hyperoxid O2 Oxidationsstufe 1 2 und Ozonidanion O3 Oxidationsstufe 1 3 sowie als Dioxygenylkation O2 auf Sauerstoff bildet abhangig vom Bindungspartner sowohl ionisch als auch kovalent aufgebaute Verbindungen Anorganische Sauerstoffverbindungen Zu den anorganischen Sauerstoffverbindungen zahlen die Verbindungen von Sauerstoff mit Metallen Halbmetallen Nichtmetallen wie Wasserstoff Kohlenstoff Stickstoff Schwefel und den Halogenen Sie gehoren zu den wichtigsten Verbindungen uberhaupt Oxide Hauptartikel Oxide Die meisten Sauerstoffverbindungen sind Oxide In ihnen tritt der Sauerstoff ionisch oder kovalent gebunden in der Oxidationsstufe II auf Viele naturlich vorkommende Salze die oft wichtige Quellen zur Herstellung von Metallen sind sind Oxide Zinkoxid Mit den Metallen bildet Sauerstoff in niedrigen Oxidationsstufen ionisch aufgebaute und in der Regel basische Oxide 2 C a O 2 2 C a O displaystyle mathrm 2 Ca O 2 longrightarrow 2 CaO Bei der Verbrennung von Calcium in Anwesenheit von Sauerstoff entsteht Calciumoxid C a O H 2 O C a O H 2 displaystyle mathrm CaO H 2 O longrightarrow Ca OH 2 Bei der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser entsteht Calciumhydroxid Mit steigender Oxidationsstufe haben die Oxide zunehmend amphoteren Zink II oxid Aluminium III oxid und schliesslich sauren Charakter Chrom VI oxid C r O 3 H 2 O H 2 C r O 4 displaystyle mathrm CrO 3 H 2 O longrightarrow H 2 CrO 4 Chrom VI oxid reagiert mit Wasser zu Chromsaure Mit Nichtmetallen bildet Sauerstoff ausschliesslich kovalente Oxide Die Oxide von Nichtmetallen in niedrigen Oxidationsstufen reagieren meist neutral Distickstoffmonoxid mit steigender Oxidationsstufe zunehmend sauer festes Kohlenstoffdioxid Trockeneis Unter den Sauerstoffverbindungen der Nichtmetalle spielen die mit Wasserstoff eine gesonderte Rolle Sauerstoff bildet mit Wasserstoff zwei Verbindungen An erster Stelle ist das Wasser zu nennen ohne das es kein Leben auf der Erde gabe Die zweite Verbindung ist das Wasserstoffperoxid H2O2 eine thermodynamisch instabile Verbindung die als Oxidations und Bleichmittel Verwendung findet Obwohl die meisten sauerstoffhaltigen Kohlenstoffverbindungen in den Bereich der organischen Chemie eingeordnet werden gibt es einige wichtige Ausnahmen Die einfachen Oxide des Kohlenstoffs Kohlenstoffmonoxid CO und Kohlenstoffdioxid CO2 sowie die Kohlensaure und deren Salze die Carbonate werden als anorganische Verbindungen angesehen Sind in einer salzartigen Verbindung geringere Mengen Oxidionen bekannt als nach der Stochiometrie und Wertigkeit des Sauerstoffs zu erwarten spricht man von Suboxiden In diesen kommen Element Element Bindungen vor die formale Oxidationsstufe des Elements liegt bei unter 1 Elemente die Suboxide bilden sind die Alkalimetalle Rubidium und Caesium aber auch Bor oder Kohlenstoff Sauerstoffverbindungen mit Sauerstoff Sauerstoff Bindungen Vor allem mit Alkalimetallen bildet Sauerstoff Verbindungen mit Sauerstoff Sauerstoff Bindungen Hierzu zahlen die Peroxide die Hyperoxide und die Ozonide Peroxide wie Wasserstoffperoxid besitzen das O22 Ion und eine formale Oxidationsstufe des Sauerstoffs von 1 Durch die leichte Spaltung der Sauerstoff Sauerstoff Bindung bilden sie leicht Radikale die auf organische Substanzen bleichend wirken und dementsprechend als Bleichmittel eingesetzt werden Es sind auch organische Peroxide bekannt In Hyperoxiden kommt das radikalische Dioxid 1 Anion O2 vor die formale Oxidationsstufe ist fur jedes Sauerstoffatom Hyperoxid Ionen bilden sich im Stoffwechsel und zahlen dabei zu den Reaktiven Sauerstoffspezies salzartige Hyperoxide sind lediglich von den Alkalimetallen ausser Lithium bekannt Ozonide leiten sich vom Ozon ab und haben dementsprechend das O3 Anion Salzartige Ozonide sind wie Hyperoxide von allen Alkalimetallen ausser Lithium bekannt dazu gibt es auch organische Ozonide die durch Addition von Ozon an Alkene entstehen Hydroxide Eine weitere grosse Gruppe der Sauerstoffverbindungen stellen die Hydroxide unter Beteiligung von Wasserstoff dar Bei diesen handelt es sich um uberwiegend ionische Verbindungen denen das Hydroxidion gemein ist Bis auf die Hydroxide der Alkalimetalle wie Natriumhydroxid NaOH oder Kaliumhydroxid KOH sind sie im Allgemeinen wenig loslich in Wasser Sauerstoffsauren Bei der Reaktion von Nichtmetalloxiden sowie Metalloxiden von Metallen in hohen Oxidationsstufen mit Wasser bilden sich die sogenannten Sauerstoffsauren die fur die Namensgebung des Sauerstoffs verantwortlich sind S O 3 H 2 O H 2 S O 4 displaystyle mathrm SO 3 H 2 O longrightarrow H 2 SO 4 Beim Losen von Schwefeltrioxid in Wasser bildet sich Schwefelsaure Die starksten anorganischen Sauerstoffsauren leiten sich von den Nichtmetallen Stickstoff Salpetersaure und Schwefel Schwefelsaure sowie den Halogenen ab Halogensauerstoffsauren Dabei gilt die Regel dass die Saurestarke pKs Wert mit zunehmender Anzahl von Sauerstoffatomen zunimmt Name der Saure Formel Name der Salze Saurekonstante pKs 67 Kohlensaure H2CO3 Carbonate 6 35Orthokieselsaure H4SiO4 Silicate 9 51Cyansaure HOCN Cyanate 3 7Isocyansaure HNCO Cyanate 3 92Hyposalpetrige Saure H2N2O2 Hyponitrite 7 21Salpetrige Saure HNO2 Nitrite 3 29Salpetersaure HNO3 Nitrate 1 37Phosphinsaure H3PO2 Phosphinate 2 0Phosphonsaure H3PO3 Phosphonate 2 0Phosphorsaure H3PO4 Phosphate 2 16Thioschwefelsaure H2S2O3 Thiosulfate 0 6Schweflige Saure H2SO3 Sulfite 1 81Schwefelsaure H2SO4 Sulfate 3Hypochlorige Saure HClO Hypochlorite 7 54Chlorige Saure HClO2 Chlorite 1 97Chlorsaure HClO3 Chlorate 2 7Perchlorsaure HClO4 Perchlorate 10Organische Sauerstoffverbindungen Sauerstoff ist neben Kohlenstoff Wasserstoff und Stickstoff eines der wichtigsten Elemente der organischen Chemie Er bildet eine Vielzahl wichtiger funktioneller Gruppen die sowohl Kohlenstoff Sauerstoff Einfachbindungen als auch in der Carbonylgruppe Kohlenstoff Sauerstoff Doppelbindungen enthalten Zu den einfachsten organischen Verbindungen die Sauerstoff enthalten gehort Methanal H2CO das sich formal von Kohlenstoffdioxid CO2 nur darin unterscheidet dass statt des zweiten Sauerstoffatoms zwei Wasserstoffatome am Kohlenstoff gebunden sind Wichtig fur die Einteilung in die organische Chemie ist jedoch dass sich Methanal von dem organischen Alkohol Methanol CH3OH ableitet welcher wiederum ein Derivat des einfachsten Alkans Methan CH4 ist Die wichtigsten Verbindungklassen Alkohole Von der Kohlenstoff Sauerstoff Einfachbindung leiten sich einige wichtige Verbindungsklassen ab Die erste sind die Alkohole bei denen am Sauerstoffatom ein Kohlenstoff und ein Wasserstoffatom Hydroxygruppe gebunden sind Die bekanntesten und gleichzeitig einfachsten Vertreter dieser Gruppe sind Methanol CH3OH und Ethanol C2H5OH Phenole Diese Molekule enthalten mindestens eine Hydroxygruppe die mit einem aromatischen Ring verbunden ist Diethylether Ether Sind am Sauerstoffatom zwei Kohlenstoffatome gebunden wird die Gruppe Ethergruppe genannt und die Stoffklasse entsprechend Ether Ein bekannter Vertreter der Ether ist das wichtige Losungsmittel Diethylether C2H5 2O Aldehyde Die Carbonylgruppe ist eine sehr vielseitige funktionelle Gruppe die in vielen Stoffklassen enthalten ist Diese unterscheiden sich darin welche zusatzlichen Gruppen am Kohlenstoffatom gebunden sind Die Aldehydgruppe R CHO bei der am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe ein Wasserstoffatom gebunden ist kommt in Aldehyden wie Acetaldehyd vor Ketone Sie enthalten die Ketogruppe R CO R bei der am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe zwei Kohlenwasserstoffreste gebunden sind Ein Beispiel ist Aceton Essigsaure Carbonsauren Die Carboxygruppe R COOH der Carbonsauren besitzt an einem Kohlenstoffatom sowohl eine Carbonylgruppe als auch eine Hydroxygruppe Die wichtigsten Carbonsauren sind die Ameisen und die Essigsaure Ester Ahnlich der Carboxygruppe ist die Estergruppe R CO O R aufgebaut Bei ihr ist das Proton der Carbonsaure durch einen weiteren Kohlenwasserstoffrest ausgetauscht Die aus Carbonsauren und Alkoholen gebildeten Ester werden entsprechend benannt Ein Beispiel ist Essigsaureethylester aus Essigsaure und Ethanol Ethylalkohol Carbonsaureamide In ihnen ist die Hydroxygruppe der Carboxygruppe durch eine Aminogruppe ausgetauscht Eine weitere wichtige Gruppe organischer Sauerstoffverbindungen sind die Kohlenhydrate oder Saccharide Chemisch sind dies Polyhydroxycarbonylverbindungen Hydroxyaldehyde oder Hydroxyketone Sie kombinieren also Eigenschaften der Alkohole mit denen der Aldehyde und Ketone Daneben existieren noch eine Reihe weiterer Verbindungen mit funktionellen Gruppen bei denen der Sauerstoff an ein weiteres Heteroatom wie etwa Stickstoff Schwefel oder Phosphor beispielsweise bei organischen Phosphaten etwa ATP oder innerhalb der DNA Molekule gebunden ist Siehe auchErdatmosphare FlussigsauerstoffLiteraturA F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 S 497 540 N N Greenwood A Earnshaw Chemie der Elemente 1 Auflage VCH Verlagsgesellschaft Weinheim 1988 ISBN 3 527 26169 9 S 775 839 Ralf Steudel Chemie der Nichtmetalle de Gruyter Berlin 1998 ISBN 3 11 012322 3 Nick Lane Oxygen the molecule that made the world Oxford Univ Press Oxford 2003 ISBN 0 19 860783 0 Weblinks Commons Sauerstoff Album mit Bildern Videos und Audiodateien Wiktionary Sauerstoff Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Wikibooks Wikijunior Die Elemente Elemente Sauerstoff Lern und LehrmaterialienEinzelnachweise Harry H Binder Lexikon der chemischen Elemente S Hirzel Verlag Stuttgart 1999 ISBN 3 7776 0736 3 Die Werte fur die Eigenschaften Infobox sind wenn nicht anders angegeben aus www webelements com Sauerstoff entnommen Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements ortlich schwanken kann ergibt sich fur die mittlere Atommasse der in Klammern angegebene Bereich Siehe Michael E Wieser Tyler B Coplen Atomic weights of the elements 2009 IUPAC Technical Report In Pure and Applied Chemistry 2010 S 1 doi 10 1351 PAC REP 10 09 14 IUPAC Standard Atomic Weights Revised 2013 a b c d e f Eintrag zu oxygen in Kramida A Ralchenko Yu Reader J und NIST ASD Team 2019 NIST Atomic Spectra Database ver 5 7 1 Hrsg NIST Gaithersburg MD doi 10 18434 T4W30F https physics nist gov asd Abgerufen am 11 Juni 2020 a b c d e f Eintrag zu oxygen bei 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Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts OgAlkalimetalle Erdalkalimetalle Lanthanoide Actinoide Ubergangsmetalle Metalle Halbmetalle Nichtmetalle Halogene Edelgase Chemie unbekannt Dieser Artikel wurde am 5 Juli 2007 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen Normdaten Sachbegriff GND 4051803 6 OGND AKS LCCN sh85096329 NDL 00570181Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Sauerstoff amp oldid 214200127, wikipedia, wiki, deutsches

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