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

Periodensystem der Elemente

Gliederung Allgemeines Entstehung Vorkommen Darstellung Verwendung Eigenschaften Schulische Relevanz

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

MnO2 (s) + 4 HCl (aq) MnCl2 (aq) + Cl2 (g) + 2 H2O (l) Reaktionsgleichung Chlorgasentwicklung: +4 –2 +1 –1 +2 -1 0 +1 -2 MnO2 (s) + 4 HCl (aq) MnCl2 (aq) + Cl2 (g) + 2 H2O (l) Chlor disporportioniert zu Hypochlorit und Chlorid 0 -2 +1 +1 -2 -1 +1 -2 Cl2 (g) + 2 OH - (aq) ClO - (aq) + Cl - (aq) + H2O (l) Bildung von Singulett - Sauerstoff +1 -1 +1 -1 -1 +1 0 rasch + OCl- H2O2 (aq) HOOCl (aq) 1O2 (aq) - HCl - OH- Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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 ( ) 3O2 ( ) + 3O2 ( ) geht über zu: Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

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

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

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

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 (200.000 Blättern) produziert pro Sonnentag: 9,4 m3 O2 24 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2 H2O2 (aq) <Kat> O2 (g) + 2 H2O (l) (exotherm) Reaktionsgleichung: +1 -1 0 +1 -2 ∆H° = - 98 kJ/mol 2 H2O2 (aq) <Kat> O2 (g) + 2 H2O (l) (exotherm) H2O (l) H2O (g) Wirkungsweise des Katalysators: + 4 -2 +1 -1 +6 -2 +1 -2 MnO2 (s) + H2O2 (aq) “MnO3“(s) + H2O (l) +6 -2 +1 -1 +4 -2 +1 -2 0 “MnO3“(s) + H2O2 (aq) MnO2 (s) + H2O (l) + O2 (g) ↑ Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

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

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

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) 12.000 L Luft pro Tag = 2.500 Liter O2 am Tag Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

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

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

2 H2O (l) + O2 (g) + 4 e- 4 OH- (aq) Vorher: Nachher: Reaktionsgleichung 0 +2 2 Fe (s) 2 Fe 2+ (aq) + 4 e- +1 -2 0 -2 +1 2 H2O (l) + O2 (g) + 4 e- 4 OH- (aq) +2 -2 +1 - 6 (aq) +2 -2 +1 2 Fe 2+ (aq) + 4 OH- (aq) 2 Fe(OH)2 (s) Volumenabnahme im Reagenzglas Ansteigen der Wassersäule 48 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

4 Fe(OH)2 (s) + O2 (g) + 2 H2O (l) 4 Fe(OH)3 (s) Folgereaktion: +2 -2 +1 0 +1 -2 +3 -2 +1 4 Fe(OH)2 (s) + O2 (g) + 2 H2O (l) 4 Fe(OH)3 (s) +3 -2 +1 +3 -2 -2 +1 +1 -2 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! -Ende-