Stickstoff  Schwefel Fluor  
 Sauerstoff                                           8O
 engl. oxygen, lat. oxygenium ("Säurebildner")
 

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Relat. Atommasse
Intervall (Hinweis)
Ordnungszahl
Schmelzpunkt
Siedepunkt
Oxidationszahlen
Dichte   
Elektronegativität
Elektronenkonfig.   
Natürl. Häufigkeit
   
 
15,999
[15,99903; 15,99977]
8
-218,80°C
-182,962°C
 
-2, -1, 0, +1, +2
1,42895 g/l
3,44 (Pauling)
[He]2s22p4
O-16: 99,757%
O-17: 0,038%
O-18: 0,205%
 
   
     

Film

14 sek
Ein brennendes Büschel Eisenwolle wird mit reinem Sauerstoff in Kontakt gebracht.
Film

16 sek
Brennender, roter Phosphor wird in ein Gefäß mit reinem Sauerstoff getaucht.
Film
 
14 sek
Brennender Schwefel wird in ein Gefäß mit reinem Sauerstoff gehalten.
    
GHS-Piktogramm  
  Gefahr
Gefahren (H-Sätze)  
  
H 270, 280   
CAS-Nummer  
  
7782-44-7 
 
 
 
 
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Sauerstoff ist bei Zimmertemperatur ein farb- und geruchloses Gas, das schwerer als Luft ist. Sauerstoff gehört zur Familie der Chalkogene und bildet zweiatomige Moleküle O2. Die Fähigkeit zur Molekülbildung zwischen gleichartigen Atomen kommt auch bei den anderen Chalkogenen vor. Bei -182,97°C kondensiert Sauerstoff zu einer hellblauen Flüssigkeit.


Demonstrationsexperiment: Herstellen von flüssigem Sauerstoff
       
Durch eine mit flüssigem Stickstoff gekühlte Kühlfalle wird gasförmiger Sauerstoff geleitet. Nach einer Weile bildet sich flüssiger Sauerstoff, der an der hellblauen Farbe erkennbar ist. Tränkt man eine Zigarette damit, erhält man nach dem Anzünden einen kleinen Schweißbrenner.
  Dieser Versuch ist für die Schule nicht geeignet. Film erhältlich auf >DVD

 
In Wasser und in Ethanol ist Sauerstoff schwach löslich. Die Wasserlöslichkeit nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Dies erklärt, warum Fische schon bei einer geringfügigen Erwärmung der Wassertemperatur ersticken können. Die höchste Sauerstoff-Löslichkeit mit knapp über 14 mg/l hat reines Wasser am Gefrierpunkt. Die maximale Löslichkeit hängt auch von den gelösten Salzen im Wasser ab: In Meerwasser sind nur etwa 8 Milligramm pro Liter Sauerstoff bei 0°C löslich. Ist das Wasser mit Luft gesättigt, lösen sich bei 0°C im Süßwasser nur noch 10,3 Milligramm pro Liter. 
 
 
 Sauerstoff-Löslichkeit in reinem Wasser
 

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 Die maximale Löslichkeit hängt von der Wassertemperatur ab.
   

Sauerstoff ist im Gegensatz zu Stickstoff sehr reaktionsfreudig und verstärkt Verbrennungen. Er verbrennt die meisten Elemente wie Eisen oder Schwefel unter Feuer- und Lichterscheinung zu ihren Oxiden. Eine sehr heftige Reaktionen erfolgt mit dem Element Cer. Dabei wird es bis zu 4000°C heiß.
  
3 Fe  +  2 O2 reagiert zu  Fe3O4        ΔHR = -1118 kJ/mol 
S  +  O2 reagiert zu  SO2        ΔHR = -297 kJ/mol 
Ce  +  O2 reagiert zu  CeO2        ΔHR = -975 kJ/mol    
  
 
  Ein Zündstein aus Cer-Eisen reagiert mit Sauerstoff
       
 Hält man einen glühenden Zündstein in reinen Sauerstoff, erfolgt eine sehr heftige Reaktion.
  Film erhältlich auf >DVD
 
 
Die höchste, auf chemischem Weg erreichbare Temperatur mit über 4660°C erhält man bei der Verbrennung von Zirconiumpulver oder -wolle in reinem Sauerstoff:   
  
Zr  +  O2 reagiert zu  ZrO2        ΔHR = -1101 kJ/mol 
  
Derartige Reaktionen werden als Oxidationen bezeichnet. Zu den Oxidationen zählen die Verbrennungen, aber auch der Rostvorgang oder die Atmung gehören dazu. Je höher die Sauerstoffkonzentration ist, umso heftiger ist die Reaktion. Zur Zündung benötigt es meist Aktivierungsenergie. Ein lauter Knall tritt nach der Zündung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches im Verhältnis 2:1 auf. Bei dieser Knallgasreaktion entsteht Wasserdampf als Reaktionsprodukt.   
  
Sauerstoff-Atome kommen in zahlreichen chemischen Verbindungen vor, zum Beispiel in anorganischen Mineralsäuren wie Phosphorsäure, Salpetersäure oder Schwefelsäure und deren jeweiligen Salzen, in Laugen, in Alkoholen wie Methanol oder Ethanol, in Aldehyden wie Formaldehyd, in Ketonen wie Aceton und organischen Säuren wie Methansäure oder Ethansäure.  
  
Im Labor wird gasförmiger Sauerstoff mit der Glimmspanprobe nachgewiesen. Dazu entzündet man einen Holzspan, lässt ihn eine Weile glühen und bläst dann die Flamme wieder aus. Hält man den glühenden Span in ein Gefäß mit reinem Sauerstoff, entzündet sich der Span wieder. Wenn ein Stück glühende Holzkohle in einen mit Sauerstoff gefüllten Standzylinder getaucht wird, beginnt die Kohle ebenfalls zu brennen. Das Blasen mit einem Blasebalg auf ein Feuer führt mehr Luftsauerstoff zu und verstärkt dadurch das Feuer.


  Glimmspan und Holzkohle in reinem Sauerstoff
  
Glimmspanprobe
 

 Ein glimmender Holzspan und glimmende Holzkohle flammen in reinem Sauerstoff auf.

   
Physiologie - Toxikologie 
Für die Lebewesen ist Sauerstoff von großer Bedeutung: Die Pflanzen stellen bei der Fotosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht Sauerstoff und Kohlenhydrate her. Den Sauerstoff benötigen die Tiere zum Atmen. Über die Atmungsorgane gelangt er in die Blutbahnen und von dort zur Muskulatur und den Organen. Beim Atmungsprozess in den Zellen werden die Kohlenhydrate zur Energiegewinnung mit Hilfe des Sauerstoffs wieder zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Beim Menschen wird vom gesamten Grundumsatz an Sauerstoff bei den einzelnen Organen am meisten im Gehirn verbraucht. Das Gehirn verbraucht 19 Prozent des Sauerstoffs, die Muskulatur 18 Prozent und das Herz 14 Prozent. Pro Minute setzt der Mensch 230 Milliliter Sauerstoff um. Lit[13]  Im menschlichen Körper finden Oxidationen und Reduktionen unter Beteiligung von Sauerstoff auch bei zahlreichen anderen biochemischen Vorgängen statt. 
   
 
 Photosynthese und Atmung
 

 

 Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid bilden in der Natur einen Kreislauf.
 
 
Sauerstoff ist das bedeutendste Bioelement im menschlichen Körper. Die meisten Sauerstoff-Atome sind beim Menschen im Wasser chemisch gebunden. Da die relative Atommasse von einem Sauerstoff-Atom etwa 16 Mal höher ist als bei einem Wasserstoff-Atom, fällt der Sauerstoff mehr ins Gewicht, obwohl im Wasser-Molekül H2O zwei Wasserstoff-Atome mit einem Sauerstoff-Atom verbunden sind.  
 
 
Bioelemente im menschlichen Körper
    

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Das Einatmen von Luftsauerstoff über Luft mit normaler Zusammensetzung ist unschädlich. Ist der Sauerstoffgehalt jedoch höher oder wird reiner Sauerstoff eingeatmet, kann es nach einem bestimmten Zeitraum zu einer Lungenschädigung kommen. Die Lungenbläschen schwellen an, der Gasaustausch in der Lunge wird gestört. Die Symptome entsprechen dem Effekt, wenn ein Taucher längere Zeit einem hohen Wasserdruck ausgesetzt ist. 
  
Ozon O3 ist ein Gas, das die Gesundheit akut und chronisch gefährdet. Das Einatmen von Luft mit erhöhten Ozonwerten im Sommer kann zu Kopfschmerzen, Schleimhautreizungen und zu einer erhöhten Anfälligkeit für Atemwegserkrankungen führen. Ozon steht im Verdacht, Krebs auslösen zu können.  
   
Bei den Sauerstoff-Radikalen haben die Atome oder Moleküle mindestens ein ungepaartes Elektron (Beispiel: O=O•-). Freie Radikale entstehen grundsätzlich bei Oxidationen und vielen Stoffwechselprozessen im menschlichen Organismus. Ihre Hauptaufgabe ist die Abwehr von Infekten. Sie sind außergewöhnlich reaktionsfähig und können daher aber auch das Entstehen von Krebstumoren oder von allergischen Erkrankungen begünstigen. Die Antioxidanzien als Gegenspieler werden vom menschlichen Körper selbst gebildet, sie sind als Radikalfänger in der Lage, Radikale zu neutralisieren. Bestimmte Spurenelemente wie Zink oder Selen, aber auch die Vitamine C oder E sind als Antioxidanzien wirksam. Mit fortschreitendem Alter wird das Radikal-Antioxidanz-Gleichgewicht gestört, dadurch können zahlreiche Krankheiten verursacht werden. 
  
Vorkommen 
Häufigkeit   sehr häufig

Elementarer Sauerstoff tritt in der Natur verschiedenartig auf: Gewöhnlicher Sauerstoff in Form zweiatomiger Moleküle O2, als Ozon in Form dreiatomiger Moleküle O3 und als freie Radikale.
Sauerstoff-Atome kommen im Universum nach Wasserstoff und Helium am dritthäufigsten vor. Viele Mineralien in der Erdkruste wie Eisenerz oder Kalk enthalten Sauerstoff-Atome. Sie stellen mit über 50% Gewichtsanteil die häufigste Atomsorte in der Erdhülle dar. Der Sauerstoffanteil der Luft beträgt 21 Volumenprozent. Sauerstoff-Atome machen im Wasser den Hauptanteil der Masse aus.  
   
  
 Zusammensetzung der Luft im 21. Jahrhundert
 

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Geschichte 
Der elementare Stoff wurde um 1771 oder 1772 von dem schwedischen Chemiker Carl Wilhelm Scheele erstmals durch das Erhitzen von Braunstein mit konzentrierter Schwefelsäure hergestellt. Da das entstandene Gas Verbrennungen förderte, nannte es Scheele zuerst "Feuerluft". Völlig unabhängig davon entdeckte der englische Chemiker Joseph Priestley, dass sich beim Erhitzen von Quecksilberoxid ein Gas bildete, das er "dephlogistisierte Luft" nannte. Die Mitwirkung des Sauerstoffs bei Oxidationen und bei Atmungsvorgängen wurde von dem französischen Chemiker Antoine Lavoisier aber erst im Jahre 1775 genau erklärt. Von ihm stammt auch der französische Name Oxygéne, da er irrtümlich angenommen hatte, dass Sauerstoff Bestandteil aller Säuren ist.   
 
 
 Lavoisiers Apparatur zur Zerlegung von rotem Quecksilberoxid
  
Lavoisiers Apparatur
 
In der Retorte (A) befand sich Quecksilber, das durch den Ofen (N) erhitzt wurde. Sobald sich rote Schuppen bildeten, nahm das Luftvolumen (L) in der Glocke (N) ab.
 
 
In eine durch einen Kohleofen geheizte Retorte (A) gab Lavoisier eine bestimmte Menge Quecksilber. Das flache Gefäß auf dem Tisch (L) war ebenfalls mit Quecksilber gefüllt. Das Ende der Retorte tauchte in die schwimmende Glocke (E), die mit einer abgemessenen Menge an Luft gefüllt war. Das Quecksilber in der Retorte wurde 12 Tage lang fast bis zum Siedepunkt erhitzt. Mit der Zeit bildeten sich auf dem Quecksilber in der Retorte Schuppen von rotem Quecksilberoxid. Gleichzeitig begann das Quecksilber in der Glocke zu steigen. Nach dem Verbrauch von einem Fünftel der Luft kam die Reaktion zum Stillstand. Das gebildete, rote Quecksilberoxid wurde gesammelt und in einer neuen Retorte erhitzt. Dabei entstand genau die selbe Menge an Sauerstoff, die beim vorigen Versuch verbraucht worden war. Durch diesen Versuch widerlegte Lavoisier die "Phlogistontheorie", nach deren Vorstellung in allen brennbaren Stoffen ein "Brennstoff", bzw. ein "Phlogiston" enthalten sei, das bei der Verbrennung entweiche. Dieses mische sich mit der Luft und mache sie dadurch ungeeignet, weitere Verbrennungen zu unterhalten ("phlogistisierte Luft"). Obwohl zu dieser Zeit schon bekannt war, dass Metalle bei ihrer "Verkalkung" (Oxidation) an Gewicht zulegten, hielten die Chemiker jener Zeit an der Phlogistontheorie eine Weile fest. Lavoisier bewies mit dem beschriebenen Versuch aber, dass der Sauerstoff alleine für die Oxidationen und Verbrennungen verantwortlich war.   
  
Herstellung     
Im Labor erhält man Sauerstoff neben Wasserstoff durch die elektrolytische Zersetzung von Wasser im Hofmannschen Wasserzersetzungsapparat oder in einem U-Rohr mit Elektroden am Pluspol. Dabei entsteht Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2 : 1. Das elektrolytische Verfahren ist für die Wasserstofftechnologie von Bedeutung.   
 
Wasser reagiert zu  Wasserstoff  +  Sauerstoff      ΔHR = +572kJ/mol 
  2 H2reagiert zu        2 H2         +        O2   
 
 
Prinzip der Wasserstofftechnologie
 
  
 
Solartechnisch erzeugter elektrischer Strom kann für eine Elektrolyse benutzt werden.
 
 
Eine andere Möglichkeit zur Sauerstoffdarstellung im Labor ist die thermische Zersetzung sauerstoffreicher chemischer Verbindungen wie Kaliumchlorat, Kaliumpermanganat oder Silberoxid. In der Industrie erfolgt die Gewinnung von Sauerstoff für technische Anwendungen nach dem Lindeverfahren und einer anschließenden fraktionierten Destillation.
  
Verwendung 
Sauerstoff  ist im Handel in blauen oder grauen Stahlflaschen mit weißer Schulter erhältlich.  In der chemischen Industrie wird Sauerstoff überall dort verwendet, wo Verbrennungsvorgänge unter hohen Temperaturen durchgeführt werden sollen: beim Schweißen, im Hochofen oder bei der Stahlerzeugung nach dem Sauerstoffblasverfahren. Das Space Shuttle verwendet flüssigen Sauerstoff als Oxidationsmittel und Wasserstoff als Brennstoff. Außerdem benötigt man Sauerstoff zur Herstellung zahlreicher chemischer Verbindungen: Die Oxidation von Ammoniak führt im Ostwald-Verfahren zur Salpetersäure. Durch die Oxidation von Schwefel und Schwefeldioxid erhält man nach dem Doppelkontaktverfahren die Schwefelsäure.
   
  
 Schweißen mit Acetylen und Sauerstoff

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 Beim Autogenschweißen wird in einem Schweißbrenner ein Brenngas mit Sauerstoff gemischt.
Film erhältlich auf >DVD  
 
Experimente - Medien  
Demonstrationen mit Sauerstoff 
Demonstrationen zur Brandbekämpfung 
Die Oxidationstheorie von Antoine Lavoisier 
Oxidationen 
Reduktion 
Einführung in die Schweißtechnik 
Digitale Folien zum Thema Oxidation
 
 
Sauerstoffverbindungen im Portrait
 
         
         
         
   Kohlenstoffdioxid
Kohlenstoffmonooxid
Lachgas
Schwefeldioxid
Stickstoffdioxid
         
 
 
Sauerstoff befindet sich in vielen anderen chemischen Verbindungen,  so auch in vielen Säuren und Basen oder in organischen Stoffen.
 
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