Unter Normalbedingung tritt Sauerstoff in Form eineskovalentenHomodimers auf, also einer Verbindung aus zwei Sauerstoff-Atomen und mit derSummenformelO2, bezeichnet alsmolekularer Sauerstoff,Dioxygen oderDisauerstoff. Es ist ein farb- und geruchloses Gas, das in derLuft zu 20,942 % enthalten ist. Es ist an vielenVerbrennungs- undKorrosionsvorgängen beteiligt. Fast alle Lebewesen benötigen Sauerstoff zum Leben (in der Regel geben Pflanzen aber während derPhotosynthese mehr Sauerstoff ab, als sie verbrauchen). Sie entnehmen ihn meistens durchAtmung aus der Luft oder durchResorption aus Wasser (gelöster Sauerstoff). In hohen Konzentrationen dagegen ist er für die meisten Lebewesengiftig.
Die metastabile, energiereiche und reaktiveallotrope Form aus drei Sauerstoffatomen (O3) wirdOzon genannt.
Atomarer Sauerstoff, das heißt Sauerstoff in Form freier, einzelner Sauerstoffatome, kommt stabil nur unter extremen Bedingungen vor, beispielsweise imVakuum des Weltalls oder in heißen Sternatmosphären. Er hat jedoch eine wesentliche Bedeutung als reaktives Zwischenprodukt in vielen Reaktionen derAtmosphärenchemie.
Geschichte
Carl Wilhelm Scheele, einer der Entdecker des Sauerstoffs
Im 18. Jahrhundert habenCarl Wilhelm Scheele (um 1772, veröffentlicht 1777) in Schweden undJoseph Priestley in England (1771, öffentlich beschrieben 1774) unabhängig voneinander im Zusammenhang mit der Erforschung vonVerbrennungsvorgängen den Sauerstoff entdeckt.[13][14] Der Entdeckung sehr nahe kam auchPierre Bayen (1774).
Mit der Entdeckung des Sauerstoffs wurde die vonGeorg Ernst Stahleingeführte Hypothese vomPhlogiston, das bei Verbrennungsprozessen entweichen sollte, zu Fall gebracht.[15] Von der Steinzeit bis über das Mittelalter hinaus war dasFeuer 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 denAlchimisten. Das Feuer wurde auch als ein Grundstoff derVier-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-schwedischeApotheker Carl Wilhelm Scheele stellte Versuche dazu an. Beim Erhitzen von Braunstein (Mangandioxid) oderKaliumpermanganat 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 Gas (dem Sauerstoff) und „verdorbener Luft“ besteht. Gänzlich unabhängig konnte der Engländer Joseph Priestley zwei Jahre später durch Erhitzen vonQuecksilberoxid Sauerstoffgas herstellen. Der Brite veröffentlichte seine Erkenntnisse im Jahr 1774, Scheele publizierte sein BuchChemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer allerdings erst 1777.[16]
Mit der Entdeckung des Sauerstoffs war seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklärt. Der FranzoseAntoine de Lavoisier, der von 1777 bis 1789 seine Sauerstoffverbrennungstheorie[17] entwickelte, 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.Henry Cavendish erkannte 1783 Luft als Gemisch von Sauerstoff undStickstoff im konstanten Verhältnis von etwa 1:4.[18] Anfangs wurde der Sauerstoff als Grundbestandteil für die Bildung vonSäuren angenommen. Deshalb wurde 1779 von Lavoisier die BezeichnungOxygenium („Säurebildner“) für Sauerstoff vorgeschlagen. Tatsächlich enthalten die meistenanorganischen Säuren bei derLösung von Nichtmetalloxiden inWasser Sauerstoff. DieHalogene, wieChlor undBrom, 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 esKarol Olszewski undZygmunt Wróblewski erstmals,Flüssigsauerstoff herzustellen.
Sauerstoff ist das häufigste und am weitesten verbreitete Element auf der Erde.[19] Es kommt sowohl in derErdatmosphäre als auch in derLithosphäre, derHydrosphäre und derBiosphäre vor. Sauerstoff hat einenMassenanteil von 50,5 %[20] an derErdhülle (bis 16 km Tiefe, einschließlich Hydro- und Atmosphäre). An der Luft beträgt sein Massenanteil 23,16 %[21] (Volumenanteil: 20,95 %[21]), im Wasser 88,8 %[21] (im Meerwasser allerdings nur 86 %,[21] da dort größere Mengen nichtsauerstoffhaltiger Salze, z. B. Natriumchlorid, gelöst sind).
Im elementaren 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 einemFließgleichgewicht. Die Entwicklung der Sauerstoffkonzentration in der Erdatmosphäre ist im ArtikelEntwicklung der Erdatmosphäre beschrieben. Das Sauerstoff-Allotrop O3Ozon ist in der Atmosphäre nur in geringer Konzentration vorhanden.
Vorkommen im Weltall
ImWeltall ist Sauerstoff nachWasserstoff undHelium das dritthäufigste Element. Der Massenanteil von Sauerstoff beträgt im Sonnensystem etwa 0,8 % (dies entspricht einem (Atom-)Anzahlanteil von etwa 500 ppm).[22][23]
Hubble ultra deep field (Weltall)
Sauerstoff istnicht in derprimordialen Nukleosynthese entstanden, entsteht aber in verhältnismäßig großen Mengen inRiesensternen durchHeliumbrennen. Dabei wird zunächst aus drei Heliumkernen12C gebildet (Drei-Alpha-Prozess), das anschließend mit einem weiteren Heliumkern zu16O fusioniert.18O wird durch Fusion eines4He- mit einem14N-Kern gebildet. Auch in so genanntenHauptreihensternen wie der Sonne spielt Sauerstoff bei der Energiegewinnung eine Rolle. BeimCNO-Zyklus (Bethe-Weizsäcker-Zyklus) stellt Sauerstoff ein Zwischenprodukt der Kernreaktion dar, bei der durch Protoneneinfang eines12C-Kerns, der als Katalysator wirkt, ein4He-Kern (Alpha-Teilchen) entsteht. In extrem schweren Sternen kommt es in der Spätphase ihrer Entwicklung zumSauerstoffbrennen, bei dem der Sauerstoff als nuklearer Brennstoff für Reaktionen dient, die zum Aufbau noch schwererer Kerne führen.
Die meistenWeißen Zwerge, die nach Stand der Theorie den Endzustand von 97 % aller Sterne darstellen, bestehen nebenHelium undKohlenstoff zu einem großen Teil aus Sauerstoff.[24]
Gewinnung und Darstellung
Verfahren zur industriellen Sauerstoff-Gewinnung nach Linde.
Technisch wird Sauerstoff heute fast ausschließlich durchRektifikation vonLuft gewonnen. Das Verfahren wurde 1902[20] zunächst vonCarl von Linde entwickelt (Linde-Verfahren) und vonGeorges 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 vonVerdichtern auf 5–6 bar verdichtet, abgekühlt und dann zunächst durch Filter vonKohlenstoffdioxid,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.[25] Dadurch wird das Verfahren – im Gegensatz zumLinde-Verfahren, bei dem keine Energie zurückgewonnen wird – deutlich wirtschaftlicher.
Die eigentliche Trennung von Stickstoff und Sauerstoff erfolgt durchDestillation in zweiRektifikationskolonnen mit unterschiedlichen Drücken. Die Destillation erfolgt dabei im Gegenstromprinzip, das heißt, das durch die freiwerdendeKondensationsenthalpie verdampfte Gas strömt nach oben, während kondensierte Flüssigkeit nach unten tropft. 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[26] in der sogenannten Mitteldruckkolonne.[25] Die dabei entstehende sauerstoffangereicherte Flüssigkeit wird anschließend in der Niederdruckkolonne (Druck etwa 0,5 bar[26]) weiter getrennt. Durch den flüssigen Sauerstoff der Niederdruckkolonne wird gasförmiger Stickstoff der Hochdruckkolonne geleitet. Dabei verflüssigt sich dieser und erwärmt mit der abgegebenen Kondensationsenthalpie die Flüssigkeit. Der leichter flüchtige Stickstoff wird bevorzugt abgegeben und es bleibt gereinigter flüssiger Sauerstoff zurück. Dieser enthält noch die EdelgaseKrypton undXenon, die in einer separaten Kolonne abgetrennt werden.
Um mittlere oder kleine Mengen Sauerstoff zu produzieren, kann Sauerstoff aus der Luft durchDruckwechsel-Adsorption von anderen Gasen getrennt werden. Dazu strömt Luft durchMolekularsiebe, wobei Stickstoff und Kohlenstoffdioxid adsorbiert werden und nur Sauerstoff und Argon hindurch gelangen.[27] Dies wird im überwiegend medizinisch verwendetenSauerstoffkonzentrator genutzt.
Ein älteres Verfahren ist das auf chemischen Reaktionen beruhende Bariumoxid-Verfahren. Es ist infolge des hohen Energieaufwandes unwirtschaftlich. Dafür wirdBariumoxid unter Luftzufuhr auf 500 °C erhitzt, wobei sichBariumperoxid bildet. Beim Erhitzen auf 700 °C wird der zuvor aufgenommene Sauerstoff durchThermolyse wieder freigesetzt. Vor Entwicklung des Linde-Verfahrens war dieses Verfahren die einzige Möglichkeit, reinen Sauerstoff darzustellen.
Bildung des Bariumperoxids
Freisetzung von Sauerstoff und Rückgewinnung des Bariumoxids
Eine weitere Möglichkeit, Sauerstoff im Labor zu erzeugen, ist die Zersetzung von Wasserstoffperoxid an platinierterNickelfolie.[26]
Reinen Sauerstoff kann man mittelsElektrolyse von 30%igerKalilauge an Nickelelektroden erhalten. Dabei entstehen Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander.
Molekularer Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmacklosesGas, welches bei 90,15 K (−183 °C) zu einer bläulichen Flüssigkeit kondensiert. In dicken Schichten zeigt gasförmiger undflüssiger 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 mehrerenModifikationen vor. Zwischen 54,4 K und 43,8 K[21] liegt Sauerstoff in derkubischen γ-Modifikation und zwischen 43,8 K und 23,9 K[21] in einerrhomboedrischen β-Modifikation vor. Unterhalb von 23,9 K ist schließlich diemonokline α-Modifikation am stabilsten. Es ist – im Gegensatz zu anderen Nichtmetallen –paramagnetisch und besitztdiradikalischen Charakter. DerTripelpunkt liegt bei 54,36 K (−218,79 °C) und 0,1480 kPa.[28] Derkritische Punkt liegt bei einemDruck von 50,4 bar und einerTemperatur von 154,7 K (−118,4 °C).[29] Diekritische Dichte beträgt 0,436 g/cm3.[30] Die Dichte als Flüssigkeit bei Normaldruck beträgt 1,142 g/cm3.[31]
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.
In der Sauerstoff-Gasentladungs-Spektralröhre werden die Molekülorbitale des Sauerstoffs zum Leuchten angeregt. Die Betriebsbedingungen sind dabei ein Druck von ca. 5–10 mBar, eineHochspannung von 1,8 kV, eineStromstärke von 18 mA und eineFrequenz von 35 kHz. Bei derRekombination der ionisierten Gasmoleküle wird das charakteristische Farbspektrumabgestrahlt.[32] 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 demMolekülorbital-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 mitElektronen 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 alsValenzelektronen die Eigenschaften des O2-Moleküls. Sauerstoff besitzt für die Verteilung dieser Elektronen insgesamt drei erlaubte und energetisch erreichbarequantenmechanischeZustände.
Besetzung der Energieniveaus der Molekülorbitale des Sauerstoffs in Grund- und angeregten Zuständen
ImGrundzustand sind dieSpins der beiden Valenzelektronen derHundschen Regel gehorchend parallel angeordnet. Es handelt sich also um einenTriplett-Zustand mit demTermsymbol3Σg. 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 dendiradikalischen Charakter und denParamagnetismus des Sauerstoff-Moleküls.
Trotz der formalenBindungsordnung „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 unterschiedlicheangeregte 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. Der1Σg-Zustand ist energetisch ungünstiger und wandelt sich sehr schnell in den1Δg-Zustand um. Der1Σg-Zustand ist diamagnetisch, der energetisch stabilere1Δg-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 im1Δg-Zustand den Wert ±2) Paramagnetismus vergleichbarer Stärke wie der von Triplett-Sauerstoff.[33][34]
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 mitelektromagnetischer Strahlung (z. B.Licht) ist allerdings aus quantenmechanischen Gründen, in Form derAuswahlregeln für die Emission oder Absorption von elektromagnetischer Strahlung, ausgeschlossen. Eine Möglichkeit, dieses Verbot zu umgehen, ist die gleichzeitige Bestrahlung mitPhotonen 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 geeigneterFarbstoffe, wieMethylenblau oderEosin, lässt sich auf photochemischem Weg Singulett-Sauerstoff darstellen.[35] Chemisch wird er ausPeroxiden gewonnen. Bei der Umsetzung vonWasserstoffperoxid mitNatriumhypochlorit entsteht zunächst die instabile Peroxohypochlorige Säure, die schnell inChlorwasserstoff bzw.Chlorid und Singulett-Sauerstoff zerfällt. Experimentell kann man auchChlor 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.[36][37]
Das edelste MetallGold, dieHalogeneChlor,Brom undIod, sowie dieEdelgase reagieren nicht direkt mit Sauerstoff. Einige weitere Edelmetalle wiePlatin undSilber reagieren nur schlecht mit 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 (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 vonStickstoffdioxid mit Sauerstoff unterUV-Strahlung.
Aufgrund seiner hohen Reaktivität ist es in Bodennähe der menschlichen Gesundheit eher abträglich – in derOzonschicht derErdatmosphäre 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 umOktasauerstoff O8-Ringe handelt. Daneben existiertTetrasauerstoff als ein sehr seltenes und instabiles Allotrop des Sauerstoffs. Es konnte 2001 im Massenspektrometer nachgewiesen werden.[46][47] In geringer Konzentration kommt es in flüssigem Sauerstoff vor.
Isotope
Das häufigste stabile Sauerstoffisotop ist16O (99,76 %), daneben kommt noch18O (0,20 %) sowie17O (0,037 %) vor. Neben den stabilen Sauerstoffisotopen sind noch insgesamt 13 instabile,radioaktive Nuklide von12O bis28O[48] bekannt, die nur künstlich herstellbar sind. IhreHalbwertszeiten betragen meist nur Millisekunden bis Sekunden,15O besitzt dabei mit zwei Minuten die längste Halbwertszeit[48] und wird häufig in derPositronen-Emissions-Tomographie verwendet.
Als einziges stabiles Isotop besitzt das seltene17O einenKernspin von5/2[49] und kann damit fürNMR-Untersuchungen verwendet werden. Die anderen stabilen Isotope besitzen den Kernspin 0 und sind damit NMR-inaktiv.
Wassermoleküle mit dem um 12 % leichteren16Overdunsten schneller. Deshalb müssen Eisschichten mit einem höheren relativen Anteil an18O aus wärmeren Zeiten stammen, da nur bei der starken Verdunstung wärmerer Perioden vermehrt18O-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 mehr18O inMeeressedimenten. Meereis besteht hauptsächlich aus den leichteren Wassermolekülen aus16O. Wenn es in einer Kaltphase zu einer starken Neubildung von Meereis kommt, bleibt vermehrt Meerwasser aus18O 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 der18O-Anreicherung in Organismen nach Art ihrer Trinkwasserquelle.
Durch eineIsotopenuntersuchung vonEisbohrkernen oder Sedimentproben und die Bestimmung des18O-/16O-Verhältnisses mit Hilfe einesMassenspektrometers 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.
Verwendung
Sauerstoff wird für industrielle Verbrennungs-, Oxidations- und Heizprozesse, in der Medizin und in Luft- und Raumfahrt verwendet.
Vorsicht ist bei der Sauerstoffgabe geboten, wenn es sich um Neugeborene handelt (Risiko derretrolentalen Fibroplasie[51]) sowie bei Patienten, die an einer chronischen Lungenerkrankung (sieheCOPD) mit erhöhtem CO2-Partialdruck leiden. Bei letzteren kann das plötzliche „Überangebot“ an Sauerstoff zu einerCO2-Narkose mit Atemstillstand führen.[52]
Notfallmedizin
Verletzungen und viele Erkrankungen der Lunge sowie einige Herzkrankheiten und insbesondereSchockzustände können zu einem Sauerstoffmangel (Hypoxie) in den Schlagadern (Arterien) und im Gewebe lebenswichtiger Organe führen. Aus diesem Grund wird Patienten in derNotfall- undIntensivmedizin 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 imBeatmungsgerät zugemischt. Der Effekt der Sauerstoffanreicherung im Blut ist mit Hilfe derPulsoxymetrie oder anhand vonBlutgasanalysen messbar.[53]
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.[54] Der reine Sauerstoff kann bei derBeatmung zu Problemen wegen Verdrängens desKohlenstoffdioxid aus den Gefäßen[55] sowie zur unerwünschten Erhöhung der Hirnaktivität inHypothalamus, derInsula sowie imHippocampus führen. Diese negativen Folgen werden durch den Zusatz von Kohlenstoffdioxid vermieden.[56]
Cluster-Kopfschmerz
Hochkonzentrationsmaske
Nach den Empfehlungen derWeltgesundheitsorganisation ist das Einatmen von Sauerstoff zur Behandlung vonCluster-Kopfschmerz-Attacken geeignet.[57] Die Anwendung von hochkonzentriertem Sauerstoff mittels spezieller Maskensysteme lindert die Beschwerden in der Regel innerhalb von Minuten effektiv.[58]
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 zumFrischen des Rohstahls, d. h. zum Entfernen unerwünschter Beimengungen vonKohlenstoff,Silicium,Mangan undPhosphor, 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 auchThomas-Verfahren).In chemischen Prozessen wird Sauerstoff meist zur Oxidation von verschiedenen Grundstoffen, wie bei der Olefin-Oxidation vonEthen 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 vonSchwefel- undSalpetersäure. Weitere durch Oxidation mit Sauerstoff hergestellte wichtige Produkte sindAcetylen (Ethin),Acetaldehyd,Essigsäure,Vinylacetat undChlor.
VerschiedeneBrenngase (Propan,Wasserstoff, Ethin u. a.) erzielen erst durch Mischen mit Sauerstoff ausreichend heiße und rußfreie Flammen zumSchweißen undHartlöten oder Erschmelzen und Formbarmachen vonGlas. 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 vonOzon, als Oxidationsmittel in Brennstoffzellen und in der Halbleitertechnik. In derRaketentechnik wird flüssiger Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet und mit LOX(liquid oxygen) abgekürzt.
In derUmwelttechnik werden Abwässer durch Einleitung von Sauerstoffgas schneller durch Bakterien von organischen Schadstoffen und Giften befreit. In vielen Trinkwasserwerken dient dieTrinkwasseraufbereitung mit Ozon (Ozonierung) zur Oxidation von organischen Stoffen oder etwa Eisen und der Entkeimung und kann zu einer deutlich besseren Reinigungswirkung derFilteranlagen führen.[59]
Für dieLebensmitteltechnik ist Sauerstoff alsLebensmittelzusatzstoff als E 948 zugelassen und wird – neben Stickstoff, Kohlendioxid und Lachgas als Treibgas, Packgas, Gas zum Aufschlagen von Sahne (Schlagobers) u. ä. verwendet.[60]
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.[61]
Batterietechnik
DieZink-Luft-Zelle ist einPrimärelement, 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 faustgroßequaderförmige 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 RichtungMetall-Sauerstoff-Akkus auf Basis von Alkalimetallen. Ziel ist es, die Energiedichte (Wattstunden pro Kilogramm) vonLithium-Ionen-Akkus zu übertreffen.[62][63]
Wird reiner Sauerstoff oder Luft mit einem höheren Sauerstoffanteil über längere Zeit eingeatmet, kann es zur Vergiftung der Lunge, dem sogenanntenLorrain-Smith-Effekt kommen. Dabei werden die Lungenbläschen (Lungenalveolen) durch Anschwellen in ihrer normalen Funktion gehindert.
DerPaul-Bert-Effekt bezeichnet eine Sauerstoffvergiftung desZentralnervensystems. 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 einerVergiftung. Dies spielt beispielsweise beimGerätetauchen eine Rolle, da es diemaximale Tauchtiefe abhängig vom Sauerstoffpartialdruck begrenzt.
In derRaumfahrt wird beispielsweise inRaumanzügen 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 durchElektronenübertragung auf molekularen Sauerstoff entstehen. Diese sind äußerst reaktiv. Mitunter werden sie alsNebenprodukt desStoffwechsels (Metabolismus) wie durch Nebenreaktionen bei einigenOxidasen (Xanthin-Oxidase) gebildet. Hyperoxidanionen entstehen ebenfalls beimPhotosynthese-Komplex I und als Nebenprodukt der Atmungskette (mitochondriale Atmung).Xenobiotika und cytostatische Antibiotika fördern dabei ihre Entstehung. Beim Auftreten einerEntzündung wird durch eine membranständigeNADPH-abhängige Oxidase Hyperoxidanionen ins extrazelluläre Milieu abgegeben. Sie führen zuoxidativem Stress. Beispielsweise kommt es beimFettsäureabbau in denPeroxisomen zur Übertragung von Elektronen vonFADH2 auf molekularen Sauerstoff. Die entstandenen Hyperoxidanionen können zumZellgiftWasserstoffperoxid weiterreagieren. Beim Ablauf derAtmungskette entstehen diese radikalischen Sauerstoffspezies in geringen Mengen. Es bestehen Vermutungen, dass dieErbgutschädigungen, die solche Sauerstoffspezies hervorrufen, an Alterungsprozessen beteiligt sind. Es ist daher für denOrganismus von essentieller Bedeutung, diese Hyperoxidanionen zügig abzubauen. Dies geschieht mittels derSuperoxid-Dismutase.
Analytik
Klassische Analytik
Gelöster Sauerstoff oxidiert zweiwertigesMangan zu höheren Oxidationsstufen. Dieses wird nach der Methode vonWinkler durchIodid 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 kanniodometrisch mitThiosulfat rücktitriert werden.[67]
Als einfacher Nachweis für das Vorhandensein von Sauerstoff wird dieGlimmspanprobe angewandt.
Instrumentelle quantitative Analytik
Die zur Verbrennungssteuerung vonOtto-Motoren verwendeteLambdasonde misst den Sauerstoffgehalt im Autoabgas in Bezug zum O2-Gehalt in der Umgebungsluft. Dazu wird der Abgasstrom durch einYttrium-dotiertesZirconiumdioxidröhrchen geleitet, welches innen und außen mitPlatinelektroden 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).[68][69][70]
DieClark-Elektrode ist einamperometrischer Sensor zur elektrochemischen Bestimmung von gelöstem, gasförmigem Sauerstoff.[71] 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.[70]
Bei den optischen Methoden bedient man sich der Tatsache, dass Sauerstoff dieFluoreszenz von angeregten Molekülen zu löschen vermag.[72] Auf Basis von fluoreszenten Übergangsmetallkomplexen wurden sog.Optroden entwickelt, die den Sauerstoffgehalt über dieFluoreszenzlöschung 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 verschiedeneBipyridine,Phenanthroline und (fluorierte)Porphyrine.[73] Die Sonden werden in Polymermatrices eingebettet. Die Anregung erfolgt zumeist mit LEDs oderLaserdioden. Man unterscheidet zwischen punktuellen Messungen z. B. mittels optischer Lichtleiterfasern[74] und bildgebenden Messverfahren mittels planarer Sensorfilme.[75] Mit Optroden konnten Nachweisgrenzen von 5 ppbv (O2, ≈ 5,1 · 10−6 hPa) erzielt werden, was einer Konzentration in Wasser von 7 pM entspricht.[76]
Positive Oxidationszahlen besitzt Sauerstoff nur in Verbindungen mit dem noch elektronegativeren ElementFluor, mit dem es Verbindungen mit der Oxidationsstufe +I (Disauerstoffdifluorid O2F2) und +II (Sauerstoffdifluorid OF2) bildet. Da bei ihnen die negativePolarisierung beim Fluor vorliegt, werden diese nicht als Oxide, sondern alsFluoride, genauer gesagtSauerstofffluoride, bezeichnet.
Neben den Oxidverbindungen tritt Sauerstoff noch in ionischen Verbindungen undRadikalen alsPeroxid- (O22−),Hyperoxid- (O2− (Oxidationsstufe −1/2)) undOzonidanion (O3− (Oxidationsstufe −1/3)) sowie als Dioxygenylkation (O2+) auf.
Sauerstoff bildet abhängig vom Bindungspartner sowohlionisch als auchkovalent aufgebaute Verbindungen.
Die meisten Sauerstoffverbindungen sindOxide. In ihnen tritt der Sauerstoff,ionisch oderkovalent gebunden, in derOxidationsstufe −II auf. Viele natürlich vorkommendeSalze, die oft wichtige Quellen zur Herstellung vonMetallen sind, sind Oxide.
MitNichtmetallen bildet Sauerstoff ausschließlich kovalente Oxide. Die Oxide von Nichtmetallen in niedrigen Oxidationsstufen reagieren meist neutral (Distickstoffmonoxid), mit steigender Oxidationsstufe zunehmend sauer.
Unter den Sauerstoffverbindungen der Nichtmetalle spielen die mitWasserstoff eine gesonderte Rolle. Sauerstoff bildet mit Wasserstoff zwei Verbindungen. An erster Stelle ist dasWasser zu nennen, ohne das es kein Leben auf der Erde gäbe. Die zweite Verbindung ist dasWasserstoffperoxid (H2O2), eine thermodynamisch instabile Verbindung, die alsOxidations- undBleichmittel Verwendung findet.
Obwohl die meisten sauerstoffhaltigen Kohlenstoffverbindungen in den Bereich der organischen Chemie eingeordnet werden, gibt es einige wichtige Ausnahmen. Die einfachen Oxide des KohlenstoffsKohlenstoffmonoxid (CO) undKohlenstoffdioxid (CO2), sowie dieKohlensäure und deren Salze, dieCarbonate, werden alsanorganische Verbindungen angesehen.
Sind in einer salzartigen Verbindung geringere Mengen Oxidionen bekannt als nach derStöchiometrie undWertigkeit des Sauerstoffs zu erwarten, spricht man vonSuboxiden. In diesen kommen Element-Element-Bindungen vor, die formale Oxidationsstufe des Elements liegt bei unter +1. Elemente, die Suboxide bilden, sind die AlkalimetalleRubidium undCaesium, aber auchBor oderKohlenstoff.
Sauerstoffverbindungen mit Sauerstoff-Sauerstoff-Bindungen
Vor allem mit Alkalimetallen bildet Sauerstoff Verbindungen mit Sauerstoff-Sauerstoff-Bindungen. Hierzu zählen diePeroxide, dieHyperoxide und dieOzonide. Peroxide wieWasserstoffperoxid besitzen das O22−-Ion und eine formaleOxidationsstufe des Sauerstoffs von −1. Durch die leichte Spaltung der Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung bilden sie leichtRadikale, die auf organische Substanzen bleichend wirken und dementsprechend alsBleichmittel eingesetzt werden. Es sind auch organische Peroxide bekannt.
InHyperoxiden 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 denReaktiven Sauerstoffspezies, salzartige Hyperoxide sind lediglich von den Alkalimetallen außer Lithium bekannt. Ozonide leiten sich vomOzon 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 durchAddition von Ozon anAlkene entstehen.
Hydroxide
Eine weitere große Gruppe der Sauerstoffverbindungen stellen dieHydroxide unter Beteiligung vonWasserstoff dar. Bei diesen handelt es sich um überwiegend ionische Verbindungen, denen dasHydroxidion gemein ist. Bis auf die Hydroxide derAlkalimetalle wieNatriumhydroxid (NaOH) oderKaliumhydroxid (KOH) sind sie im Allgemeinen weniglöslich inWasser.
Sauerstoffsäuren
Bei der Reaktion von Nichtmetalloxiden sowie Metalloxiden vonMetallen in hohen Oxidationsstufen mit Wasser bilden sich die sogenanntenSauerstoffsäuren, die für die Namensgebung des Sauerstoffs verantwortlich sind.
Zu den einfachsten organischen Verbindungen, die Sauerstoff enthalten, gehörtMethanal (H2CO), das sich formal vonKohlenstoffdioxid (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 AlkoholMethanol (CH3OH) ableitet, welcher wiederum ein Derivat des einfachstenAlkansMethan (CH4) ist.
Die wichtigsten Verbindungsklassen:
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 sindMethanol CH3OH undEthanol C2H5OH.
Phenole: Diese Moleküle enthalten mindestens eine Hydroxygruppe, die mit einemaromatischen Ring verbunden ist.
Diethylether
Ether: Sind am Sauerstoffatom zwei Kohlenstoffatome gebunden, wird die GruppeEthergruppe genannt und die Stoffklasse entsprechend Ether. Ein bekannter Vertreter der Ether ist das wichtigeLösungsmittelDiethylether (C2H5)2O.
Aldehyde: DieCarbonylgruppe ist eine sehr vielseitige funktionelle Gruppe, die in vielen Stoffklassen enthalten ist. Diese unterscheiden sich darin, welche zusätzlichen Gruppen am Kohlenstoffatom gebunden sind. DieAldehydgruppe R–CHO, bei der am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe ein Wasserstoffatom gebunden ist, kommt in Aldehyden wieAcetaldehyd vor.
Ketone: Sie enthalten dieKetogruppe, R–CO–R, bei der am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe zwei Kohlenwasserstoffreste gebunden sind. Ein Beispiel istAceton.
Essigsäure
Carbonsäuren: DieCarboxygruppe R–COOH der Carbonsäuren besitzt an einem Kohlenstoffatom sowohl eine Carbonylgruppe, als auch eine Hydroxygruppe. Die wichtigsten Carbonsäuren sind dieAmeisen- und dieEssigsäure.
Ester: Ähnlich der Carboxygruppe ist dieEstergruppe 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 istEssigsäureethylester ausEssigsäure undEthanol (Ethylalkohol).
Eine weitere wichtige Gruppe organischer Sauerstoffverbindungen sind dieKohlenhydrate oderSaccharide. Chemisch sind dies Polyhydroxycarbonylverbindungen (Hydroxyaldehyde oderHydroxyketone). Sie kombinieren also Eigenschaften der Alkohole mit denen der Aldehyde und Ketone.
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