Sauerstoff Stefan Dönges

Präsentation zum Thema: "Sauerstoff Stefan Dönges"—  Präsentation transkript:

1 Sauerstoff Stefan Dönges
Philipps Universität Marburg Fachbereich Chemie (15) Experimentalvortrag Sommersemester 2007 Sauerstoff Referent: Stefan Dönges

2 Periodensystem der Elemente

3 Gliederung Allgemeines Entstehung Vorkommen Darstellung Verwendung
Eigenschaften Schulische Relevanz

4 Allgemeines Farb- und geruchloses Gas Typisches Nichtmetall
Reagiert mit den meisten Elementen des PSE direkt Oxidationsmittel Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

5 Gasf. Sauerstoff: reaktionsträge
Fl. Sauerstoff: wirkt stark oxidierend Oxidationsprozesse: exotherm (Bsp.: „Verbrennungsprozesse“) Diradikal Paramagnetisch Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

6 Ende des Sternenlebens
Entstehung Durch Kernfusionsprozesse in Sonnen Ende des Sternenlebens Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

7 Verteilung der Elemente im Weltraum:
Durch Sonneneruptionen Durch Supernovae Explosionen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

8 Am häufigsten vorkommendes Element (48,9%)
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

9 Bsp.: Erdkruste Bsp.: Wasser Bsp.: Atmosphäre Massenanteil: 50,5 %
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

10 Bsp.: Atmosphäre: Prozent Name 78,08 Stickstoff [N2] 20,95
Sauerstoff [O2] 0,93 Argon [Ar] 0,34 Kohlendioxid [CO2] 0,0018 Neon [Ne] 0,0005 Helium [He] Volumenprozent Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

11 Elementar Trisauerstoff (Ozon) Disauerstoff Umgebungsluft
Gelöst im Wasser Ozonschicht 11 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

12 Singulett - Sauerstoff
Disauerstoff Triplett - Sauerstoff Singulett - Sauerstoff 3O2 ( ) 1O2 ( ) Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

13 MO –Diagramm 1O2 3O2 Bindungsordnung: 2
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften - Schulische Relevanz Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

14 Namensgebung durch Formel zur Spinmultiplizität
Sauerstoff Woher stammen die Namen? Namensgebung durch Formel zur Spinmultiplizität (2 * n + 1) Singulett: ( ) O2, da Gesamtspin = 2 * [+½ + (-½)] = 1 Triplett: ( ) O2, da Gesamtspin = 2 * [+½ + (+½)] +1 = 3 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

15 Versuch 1: Darstellung von Singulett - Sauerstoff
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

16 MnO2 (s) + 4 HCl (aq) MnCl2 (aq) + Cl2 (g) + 2 H2O (l)
Reaktionsgleichung Chlorgasentwicklung: +4 – – MnO2 (s) + 4 HCl (aq) MnCl2 (aq) + Cl2 (g) + 2 H2O (l) Chlor disporportioniert zu Hypochlorit und Chlorid Cl2 (g) + 2 OH - (aq) ClO - (aq) + Cl - (aq) + H2O (l) Bildung von Singulett - Sauerstoff rasch + OCl- H2O2 (aq) HOOCl (aq) 1O2 (aq) - HCl - OH- Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

17 1-Photon-2- Molekül-Prozess
Woher stammt das rote Schimmern, die „Chemolumineszenz“ ? 1 g 1-Photon-2- Molekül-Prozess 1 g 3 g 1. Übergang 1 g 1 g 3 g 3 g 1.ÜG Stoß 1O2 ( ) + 1O2 ( ) O2 ( ) + 3O2 ( ) geht über zu: Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

18 2. Übergang 3 g 1 g + 759 nm 1 g geht über zu: 1 g 3 g 2.ÜG
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

19 Gebunden: Oxide (H2O, CO2, SiO2) Carbonate (CO32-) Silikate (SxOyz-)
19 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

20 Versuch 2: Luftanalyse Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

21 0 0 +2 -2 2 Cu (s) + O2 (g) 2 CuO (s) vorher nachher kupferfarben
grau-schwarz 2 Cu (s) + O2 (g) 2 CuO (s) Volumenabnahme 100 mL ca. 80 mL Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

22  ca. 20 % O2 in der Umgebungsluft
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

23 Woher dieser hohe Massenanteil Sauerstoff in der Umgebungsluft?
Aus Photosyntheseprozessen Durch chlorophyllhaltige Pflanzen aus CO2 und H2O gewonnen 23 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

24 Ein Baum (200.000 Blättern) produziert pro Sonnentag:
Photosynthese Bsp.: Bildung von Glucose (schematisch) Lichteinwirkung C6H12O6 + 6 O2 6 H2O + 6 CO2 Chlorophyll Ein Baum ( Blättern) produziert pro Sonnentag: 9,4 m3 O2 24 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

25 Energieprofil des Photosyntheseprozesse
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) Energie 6 H2O(l) + 6 CO2 (g) Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

26 Demo 1: Photosyntheseprozess bei Wasserpest
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

27 Sauerstoffgewinnung Großtechnisch: Im Labor:
Linde Verfahren zur Luftverflüssigung + fraktionierte Destillation Im Labor: Katalytische Zersetzung von H2O2 Thermische Zersetzung von Oxiden 27 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

28 Linde Verfahren zur Luftverflüssigung:
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

29 1. Schritt: Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

30 2. Schritt: Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

31 3. Schritt: Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

32 4. Schritt: Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

33 Auftrennung der verflüssigten Gase durch: Fraktionierte Destillation
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

34 Darstellung im Labor: 34 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

35 Versuch 3: Katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

36 2 H2O2 (aq) <Kat> O2 (g) + 2 H2O (l) (exotherm)
Reaktionsgleichung: ∆H° = - 98 kJ/mol 2 H2O2 (aq) <Kat> O2 (g) + 2 H2O (l) (exotherm) H2O (l) H2O (g) Wirkungsweise des Katalysators: MnO2 (s) + H2O2 (aq) “MnO3“(s) + H2O (l) “MnO3“(s) + H2O2 (aq) MnO2 (s) + H2O (l) + O2 (g) ↑ Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

37 Energieprofil der H2O2 Zersetzung - ohne MnO2 -
EAkt / hin 2 H2O2 Hohe Aktivierungsenergie  läuft bei Raumtemperatur nur gehemmt ab KINETISCH GEHEMMT 2 H2O + O2 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

38 Energieprofil der H2O2 Zersetzung - mit MnO2 -
Herabsetzung der Aktivierungsenergie  Reaktion verläuft schon bei Zimmertemperatur 2 H2O2 EAkt 2 H2O + O2 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

39 Sauerstoffnachweis Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

40 Demo 2: Verbrennung eines glimmenden Spanes
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

41 Verwendung Energiegewinnung in Organismen Stahlerzeugung
Schweißtechnik Medizinischen Zwecken Erzeugung hoher Temperaturen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

42 Verwendung: Atmung 2.500 Liter O2 am Tag Verbrauch eines Menschen
Pro Atemzug: 0,5 – 2,0 L (Luft) Atemvolumen / min: 4,7 L (Schlaf) – 60 L (Sport) (Luft) L Luft pro Tag = 2.500 Liter O2 am Tag Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

43 Oxidationsvermögen: Schnelle, heftige Prozesse mit großer Energieabgabe
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

44 Versuch 4: Verbrennung von Stahlwolle
44 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

45 Reaktionsgleichung: 2 Fe (s) + O2 (g) 2 FeO (s) 0 0 +2 -2 nachher
2 Fe (s) + O2 (g) 2 FeO (s) nachher vorher Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

46 Oxidationsvermögen: Langsame Oxidationsprozesse
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

47 Versuch 5: Stille Verbrennung (Sauerstoffkorrosion)
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

48 2 H2O (l) + O2 (g) + 4 e- 4 OH- (aq)
Vorher: Nachher: Reaktionsgleichung 2 Fe (s) Fe 2+ (aq) + 4 e- 2 H2O (l) + O2 (g) + 4 e OH- (aq) (aq) 2 Fe 2+ (aq) + 4 OH- (aq) Fe(OH)2 (s) Volumenabnahme im Reagenzglas Ansteigen der Wassersäule 48 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

49 4 Fe(OH)2 (s) + O2 (g) + 2 H2O (l) 4 Fe(OH)3 (s)
Folgereaktion: 4 Fe(OH)2 (s) + O2 (g) + 2 H2O (l) 4 Fe(OH)3 (s) Fe(OH)3 (aq) FeO(OH) (s) + H2O (l) Rostbildung: 2 FeO(OH) (s) „Fe2O3* H2O“ (s) rotbraun Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

50 Flugzeugpark, Mojave Wüste
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

51 Grund für die langsam ablaufende Oxidation:
Hohe Dissoziationsenergie (498,34 kJ / mol) „Zündungsenergie“ fehlt Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

52 Demo 3: Flüssiger Sauerstoff
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

53 Magnetische Eigenschaften von Sauerstoff?
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

54 Versuch 6: Paramagnetismus von Sauerstoff
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

55 Paramagnetismus Stoffe mit ungepaarten Elektronen besitzen ein magnetisches Moment Grund: magnetisches Einzelmoment kann nicht ausgeglichen werden Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

56 Vergrößerung der Kraftflussdichte der Feldlinien im Inneren
Daraus folgt: Vergrößerung der Kraftflussdichte der Feldlinien im Inneren Stoff wird in ein Magnetfeld hineingezogen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

57 MO – Schema des Disauerstoffs
Diradikal  paramagnetisch Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

58 Reaktion mit flüssigem Sauerstoff
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

59 Demo 4: Verbrennung einer sauerstoffgetränkten Zigarre
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

60 Schulische Relevanz Jahrgangsstufe 7: Einführung in die Chemischen Reaktionen (V 2, V 3, V 4) Reaktionen von Metallen und Nichtmetallen mit Sauerstoff (V 2, V 4, V 5, Demo 4) Gesetz zur Erhaltung der Masse (V 4) Quantitative Zusammensetzung der Luft (V 2) Jahrgangsstufe 10: Redoxreaktionen (V 2, V 3, V 4, V 5) Ausgewählte Redoxreaktionen (V 4) (V 5) Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

61 Schulische Relevanz Jahrgangsstufe 12:
Geschwindigkeit chemischer Reaktionen (Anwendung von Katalysatoren (V 3)) Jahrgangsstufe 12: GK / LK Wahlthema angewandte Chemie Korrosion (V 5) Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

62 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
-Ende-