Vorkommen

Sauerstoff ist das am weitesten verbreitete Element auf der Erde. Reine Luft enthält 20,95 Vol.-% elementaren Sauerstoff, der in der Luft aus zweiatomigen Sauerstoffmolekülen (O₂) besteht. Wasser besteht zu 88,81 Gewichtsprozent aus Sauerstoff, der hier an Wasserstoff gebunden ist. Am Aufbau der Erdrinde ist er bis in eine Tiefe von 16 km (einschließlich Hydro- und Atmosphäre) in Form von Oxiden und anderen sauerstoffhaltigen Verbindungen mit 50,5 Gewichtsprozent beteiligt.

Darstellung und Nachweis von Sauerstoff

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. (vgl. Abb. 15.3, Kapitel 15). Um kleinere Mengen Sauerstoff zu produzieren, kann Sauerstoff aus der Luft durch Adsorption von anderen Gasen getrennt werden. Dazu strömt Luft durch Molekularsiebe. Dabei werden Stickstoff und Kohlenstoffdioxid adsorbiert und nur Sauerstoff und Argon gelangen hindurch.

Bild 1. Im Labor können kleinere Sauerstoffmengen durch Zersetzung von Wasserstoffperoxid dargestellt werden. Erklärung siehe Kap 24!

Man erhitzt Kaliumpermanganat in einem Reagenzglas und weist das entweichende Gas mit der Glimmspanprobe nach.

Nach Bild 1 wird eine Versuchsanordnung aufgebaut. Auf den Braunstein läßt man Wasserstoffperoxid (10%ig) auftropfen und führt mit dem ausströmenden Sauerstoff die Glimmspanprobe durch. Anschließend füllt man einige Standzylinder in der pneumatischen Wanne mit Sauerstoff. Wenn eine Stahlflasche mit Sauerstoff zur Verfügung steht, kann man sich auf einen Reagenzglasversuch zur Demonstration der Sauerstoffentwicklung beschränken.

Der technisch hergestellte Sauerstoff wird in blauen Stahlflaschen unter hohem Druck abgefüllt. Um mit unterschiedlichen Drücken arbeiten zu können, bedient man sich eines Druckreduzierventils an der Stahlflasche. Im Labor kann Sauerstoff leicht aus Sauerstoffverbindungen dargestellt werden (Versuch und ). Die Grlimmspanprobe, bei der ein glühender Holzspan entflammt, gilt als Nachweis für elementaren Sauerstoff ().

Eigenschaften und Verwendung

In zwei Gefäße mit Sauerstoff führt man in das erste mit einem Verbrennungslöffel brennenden Schwefel ein. In das zweite Gefäß führt man mit einer Tiegelzange glühende Stahlwolle ein. Führe die Versuche auch an der Luft durch und vergleiche beide Verbrennungsvorgänge. Arbeite im Abzug!

Im Sauerstoff kommt es zu starken Verbrennungserscheinungen

Labordarstellung aus Wasserstoffper-
oxid und Braunstein

Nachweis mit Glimmspanprobe

Sauerstoff, ein lebensnotwendiges Element, wird bei der Atmung verbraucht

Atemfrequenz von Menschen

Alter	Atemzüge pro Minute
Erwachsene	12-15
Jugendliche	16-19
Schulkind	20
Kleinkind	25
Säugling	30
Neugeborene	40-50

Bild 2. Start eines Space Shuttle. Hier wird der Treibstoff mit reinem Sauerstoff verbrannt und jene Energie erzeugt, die notwendig ist, um die Erdanziehung zu überwinden.

Welche Eigenschaften des Sauerstoffs kannst du aus Versuch ableiten? Denke an Farbe, Geruch, relative Dichte.

Alle Tiere und die meisten Pflanzen benötigen Sauerstoff zum Leben. Sie entnehmen ihn meistens durch Atmung aus der Luft oder durch Resorption aus in Wasser gelöstem Sauerstoff. In hohen Konzentrationen dagegen ist er für die meisten Lebewesen giftig. Der Sauerstoffverbrauch eines Erwachsenen beträgt in Ruhe etwa 250 ml/min.

Verletzungen und viele Erkrankungen der Lunge können zu einem Sauerstoffmangel in den Schlagadern (Arterien) und im Gewebe lebenswichtiger Organe führen. Beispielsweise kann unser Gehirn kann eine Unterbrechung der Sauerstoffversorgung höchstens 4 Minuten ohne bleibende Schädigung überstehen. 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.

Eine wichtige Eigenschaft des Elements Sauerstoff ist, dass in reinem Sauerstoff Verbrennungsvorgänge viel heftiger als an Luft ablaufen, das zeigt uns die Glimmspanprobe. Die Stahlindustrie ist in Deutschland der größte Sauerstoffverbraucher. Beim »Sauerstoffaufblas-Verfahren« wird reiner Sauerstoff zur Verbrennung der Verunreinigungen in die Eisenschmelze geblasen (Kapitel 58).

Man schmilzt Kaliumnitrat (»Salpeter«) solange in einem Reagenzglas, bis Blasen aufsteigen. Danach wirft man ein kleines Stück angeglühte Holzkohle darauf.

Bild 4. Der Salpeter (Kaliumnitrat) ist ein starkes Oxidationsmittel

Die heftige Verbrennung in reinem Sauerstoff nutzt man natürlich technisch aus, nicht nur bei Raketenstarts. Beim autogenen Brennschneiden erwärmt eine ringförmige Brenngas-Sauerstoff-Flamme (Heizflamme) das Werkstück (beispielsweise Eisen) lokal bis auf Zündtemperatur. In der Mitte der Brennerdüse tritt Sauerstoff unter hohem Druck aus, verbrennt das Eisen und bläst die Schneidschlacke (Oxide und Schmelze) weg. In der Industrie werden Brennschneidmaschinen oder auch Roboter zum automatisierten, autogenen Brennschneiden verwendet.

Beim Autogenschweißen wird im Schweißbrenner Sauerstoff mit Acetylen (Ethin, gelbe Flaschen) vermischt und verbrannt. Es entstehen dann so hohe Temperaturen, dass Eisen schmilzt und mit einem anderen Eisenteil verbunden werden kann.

Bild 3. Die zuverlässige Sauerstoffversorgung ist eine unerläßliche Voraussetzung fürAussenarbeiten an der Internationalen Raumstation ISS

Gib in ein Reagenzglas mit Kaliumnitratschmelze ein kleines Stückchen Schwefel. Wie das Video unten zeigt, kommt es zu einer heftigen Reaktion, richte daher das Reagenzglas nicht auf Personen. Formuliere den Vorgang (Schwefel ist vierwertig).

Reaktion von Kaliumnitrat mit Schwefel

Verwendung: Schweißen, Schneiden, Raketentreibstoff; Stahlgewinnung

Sauerstoff ist in blauen Stahlflaschen im Handel

Bei allen Verbrennungsvorgängen gilt: Sauerstoff unterhält die Verbrennung; er selbst brennt aber nicht.

Salpeter ist ein Oxidationsmittel

Erhitzt man Salpeter, dann spaltet sich Sauerstoff ab und verbindet sich mit Kohlenstoff (Holzkohle) bzw. Schwefel in einer stark exothermen Reaktion zu den entsprechenden Oxiden, die als gasförmige Verbindungen entweichen (Versuch ); Stoffe, die andere oxidieren können, nennt man Oxidationsmittel.

Folgende Gleichung gibt wieder, was bei der Sauerstoffabspaltung aus Kaliumnitrat vor sich geht:

$ \mathrm { 2 \ KNO_{3} \quad \xrightarrow { Hitze } \quad 2 \ KNO_{2} \ + \ O_{2} \uparrow } $

Wenn man Holzkohle (Kohlenstoff C, vierwertig) auf die Schmelze gibt, so verbinden sich Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid.

$ \mathrm { C \ + \ O_{2} \ \longrightarrow \ CO_{2} \uparrow } $

Sauerstoffabgebende Stoffe sind Oxidationsmittel

Die Gesamtgleichung für Versuch läßt sich also jetzt so formulieren:

$ \mathrm { 2 \ KNO_{3} \ + \ C \; \longrightarrow \; 2 \ KNO_{3} \ + \ CO_{2} \ \uparrow } $
Kaliumnitrat + Kohlenstoff   →   Kaliumnitrit + Kohlenstoffdioxid

Bild 5. Sauerstoff kommt in blauen Stahlflaschen in den Handel. Der Flaschendruck beträgt nach der Füllung 150 bar. Rechts: Schema der Armaturen, Grafik von RainerB,