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

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Präsentation zum Thema: "Philipps Universität Marburg Fachbereich Chemie (15) Experimentalvortrag Sommersemester 2007 Sauerstoff Referent: Stefan Dönges."—  Präsentation transkript:

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

2 2 Periodensystem der Elemente

3 3 Gliederung Allgemeines Entstehung Vorkommen Darstellung Verwendung Eigenschaften Schulische Relevanz

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

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

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

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

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

9 9 Bsp.: Erdkruste Massenanteil: 50,5 % Massenanteil: 88,8 % Massenanteil: 23,16 % Bsp.: Wasser Bsp.: Atmosphäre Vorkommen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

10 10 Bsp.: Atmosphäre: ProzentName 78,08 [N 2 ] Stickstoff [N 2 ] 20,95Sauerstoff [O 2 ] 0,93Argon [Ar] 0,34Kohlendioxid [CO 2 ] 0,0018Neon [Ne] 0,0005Helium [He] Volumenprozent Vorkommen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

12 12 Vorkommen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz Disauerstoff Triplett - Sauerstoff Singulett - Sauerstoff 3 O 2 ( ) 1 O 2 ( )

13 13 MO –Diagramm Eigenschaften Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften - Schulische Relevanz 3 O 2 1O21O2 2 Bindungsordnung: 2 Vorkommen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

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

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

19 19 Gebunden: Oxide(H 2 O, CO 2, SiO 2 ) Carbonate (CO 3 2- ) Silikate (S x O y z- ) Vorkommen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

21 21 vorhernachher kupferfarben grau-schwarz 100 mLca. 80 mL Volumenabnahme 2 CuO (s) 2 Cu (s) + O 2 (g) Vorkommen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

22 22 20 % ca. 20 % O 2 in der Umgebungsluft Vorkommen Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

23 23 Woher dieser hohe Massenanteil Sauerstoff in der Umgebungsluft? Aus Photosyntheseprozessen Darstellung Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz Durch chlorophyllhaltige Pflanzen aus CO 2 und H 2 O gewonnen

24 24 6 H 2 O + 6 CO 2 Lichteinwirkung C 6 H 12 O O 2 Photosynthese Bsp.: Bildung von Glucose (schematisch) Ein Baum ( Blättern) produziert pro Sonnentag: 9,4 m 3 O 2 Chlorophyll Darstellung Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

25 25 Energieprofil des Photosyntheseprozesse 6 H 2 O (l) + 6 CO 2 (g) Energie 6 O 2 (g) C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) Energie Darstellung Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

27 27 Sauerstoffgewinnung Großtechnisch: Linde Verfahren zur Luftverflüssigung + fraktionierte Destillation Im Labor: Katalytische Zersetzung von H 2 O 2 Thermische Zersetzung von Oxiden Darstellung Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

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

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

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

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

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

36 36 H° = - 98 kJ/mol 2 H 2 O 2 (aq) O 2 (g) + 2 H 2 O (l) (exotherm) Wirkungsweise des Katalysators: MnO 2 (s) + H 2 O 2 (aq) MnO 3 (s) + H 2 O (l) MnO 3 (s) + H 2 O 2 (aq) MnO 2 (s) + H 2 O (l) + O 2 (g) H 2 O (l) H 2 O (g) Reaktionsgleichung Reaktionsgleichung: Darstellung Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

37 37 Energie Energieprofil der H 2 O 2 Zersetzung - ohne MnO H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 E Akt / hin Hohe Aktivierungsenergie läuft bei Raumtemperatur nur gehemmt ab KINETISCH GEHEMMT Darstellung Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

38 38 Energie 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 E Akt Herabsetzung der Aktivierungsenergie Reaktion verläuft schon bei Zimmertemperatur Darstellung Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz Energieprofil der H 2 O 2 Zersetzung - mit MnO 2 -

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

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

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

42 42 Atmung Verwendung: Atmung 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 = Verwendung Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz Liter O 2 am Tag

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

60 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) Schulische Relevanz Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

62 62 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! -Ende-


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