Sauerstoff (O)

Sauerstoff (O)
-10000
-1000
-100
-10
-1
-0.1
Sauerstoff (O)
0 1 2 3 4 5 6 7
Ordnungszahl:
8
Relative Atommasse:
15,9994
Englischer Name:
oxygen
Französischer Name:
oxygène
Dichte:
1,42895 g/l
Schmelzpunkt:
-218,80 °C
Siedepunkt:
-182,962 °C
Größe des Flüssigkeitsbereiches:
35,838 °C
Härte (Mohs):
-
Elektronegativität (Allred/Rochow):
3,5
Normalpotential E°:
-
Gitterenergie:
0,07 eV/Atom
Oxidationszahlen:
-2, -1
[He]2s22p4
Elektronenkonfiguration:
Namensherkunft:
Entdecker:
oxygenium (Säurebildner)
Priestley, Scheele (England, Schweden)
Jahr der Entdeckung:
1774
Elastizitätsmodul:
-
Schmelzenthalpie:
27,75 kJ/kg
Siedeenthalpie:
426,25 kJ/kg
Thermische Leitfähigkeit:
0,02598 W/mK
Elektrische Leitfähigkeit:
-
Häufigkeit in der Erdkruste:
47,2 %
Anzahl natürlicher Isotope:
3
Anzahl stabiler Isotope:
3
Anzahl instabiler Isotope:
9
Natürliche Häufigkeit:
O-16
99,762 %
O-17
0,038 %
O-18
0,200 %
- 65 -
Sauerstoff (O)
Sauerstoff in Glasampulle; 30 ml; 99,999 %
Flüssiger Sauerstoff bei -183 °C; 100 g; 99,99 %
- 66 -
Sauerstoff (O)
Flüssiger Sauerstoff bei -183 °C; 500 g; 99,99 %
Sauerstoffspektralröhre; 99,999 %
- 67 -
Sauerstoff (O)
Flüssiger Sauerstoff und Wasserstoff sind der Treibstoff von Raumsphären. Bei Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel ist zu bedenken, dass sich dieser mit
der Zeit an flüssigem Sauerstoff anreichert, und dieser ist wiederum ein äußerst
aggressives Oxidationsmittel, welches binnen Sekundenbruchteilen organische
Stoffe explosiv oxidieren kann.
Technisch wird Sauerstoff, wie auch Stickstoff und die schweren Edelgase, durch
fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gewonnen. Beim LD-Verfahren (benannt
nach den Voest-Standorten Linz und Donawitz) wird in die Schmelze aus Roheisen,
die einen hohen Anteil nichtmetallischer Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Silicium
und Phosphor enthält, Sauerstoff eingeblasen. Dadurch werden die nichtmetallischen
Verunreinigungen oxidiert, da Sie eine höhere Affinität zu Sauerstoff als Eisen
haben. Die Nichtmetalloxide können dann als Schlacke abgegossen werden.
Da in den letzten Jahren immer öfter über die Ozonschicht bzw. das Ozonproblem in
urbanen Gebieten diskutiert wurde, soll hier kurz auf die beiden, grundsätzlich völlig
unabhängigen, Probleme eingegangen werden.
Ozon entsteht aus Sauerstoffmolekülen, wenn auf diese Energie einwirkt, wie z.B. in
Form von elektromagnetischer Strahlung bzw. durch elektrische Entladungen. Durch
die Energie wird das Sauerstoffmolekül aufgespalten und es entsteht atomarer
Sauerstoff, welcher sich binnen Sekundenbruchteilen mit einem anderen Sauerstoffmolekül zu Ozon, O3, verbindet.
Im Labor wurde bereits vor vielen Jahren festgestellt, dass Gase wie etwa monoatomarer Sauerstoff und Wasserstoff bei geringem Druck stabil sind, da hier die
mittlere freie Weglänge der Teilchen sehr groß ist und es somit nicht zu Kollisionen
kommt, bei denen sich das Radikal mit einem Molekül verbinden kann.
Ozon bildet sich bei Gewittern durch Blitze, vor allem aber durch hochenergetische
ultraviolette Strahlung der Sonne in der Stratosphäre, die sich in einer Höhe von 15
bis 50 km befindet. Das gebildete Ozon absorbiert die für höhere Lebewesen
schädliche UV-Strahlung und ermöglicht so dem Menschen das Leben auf der Erde.
Durch die exzessive Verwendung von FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) in der
Vergangenheit wurden große Mengen halogenierter Kohlenwasserstoffe in die
Stratosphäre eingebracht, welche wie auch Sauerstoff durch die dort auftretenden
hochenergetischen Strahlen aufgespalten werden. Doch verbinden sich die
gebildeten Radikale wie atomares Chlor und Fluor nicht mit gleichen Radikalen zu
- 68 -
Sauerstoff (O)
neutralen Molekülen, sondern reagieren mit Ozon zu Halogenoxiden. Aus diesen
Oxiden wird das Halogen bald wieder freigesetzt und es kann erneut Ozonmoleküle
zerstören, wodurch ein Chloratom bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören kann.
Durch diese Reaktion wurden in der Vergangenheit große Teile der Ozonschicht vor
allem über der Arktis und der Antarktis zerstört.
Nun soll auf die Wirkung von Ozon in der Troposphäre, in der auch der Mensch lebt,
eingegangen werden. Durch den Verkehr werden große Mengen an Stickoxiden
emittiert, die dann, vor allem im Sommer, durch das Sonnenlicht in ein Sauerstoffärmeres Stickstoffoxid und in ein Sauerstoffradikal gespalten werden. Dieses Radikal
verbindet sich mit einem Sauerstoffmolekül zu Ozon, welches ein starkes Atemgift ist
und die Schleimhäute stark reizt. Da Ozon auch auf Bakterien einwirkt, eignet es sich
als umweltfreundliches Desinfektionsmittel in Schwimmbädern.
Aus der obigen Darstellung lässt sich leicht erkennen, dass Ozon einerseits für den
Menschen lebensnotwendig und auf der anderen Seite lebensbedrohlich ist.
Neben Sauerstoff für die Ozonbildung spielt die kosmische Strahlung eine wichtige
Rolle in der Atmosphäre. Die kosmische Strahlung wurde bereits am Anfang des 20.
Jahrhunderts entdeckt, weil bei Messungen die Strahlenbelastung mit der Höhe über
dem Erdboden zunahm. Die hochenergetische Strahlung besteht aus Protonen,
Elektronen, Alphateilchen und ionisierten Atomen. Pro Sekunde strahlen etwa 1.000
Teilchen pro Quadratmeter auf die Atmosphäre ein. Nur ein extrem kleiner Teil davon
erreichen den Erdboden, da die hochenergetischen Teilchen mit dem Sauerstoff und
Stickstoff der Atmosphäre wechselwirken. Quelle für die beschleunigten Teilchen
sind die Sonne sowie Supernovaexplosionen. Durch die hochenergetischen Teilchen
kommt
es
zu
einer
Kernreaktion,
zur
so
genannten
Spallation.
Da
die
hochenergetischen Teilchen von der Erdatmosphäre abgehalten werden die
Erdoberfläche zu erreichen, kommt es in fester Materie nur im Weltraum zu
Spallationsreaktionen, bei denen häufig radioaktive Isotope gebildet werden.
Dadurch kann das Alter von Meteoriten abgeschätzt werden. Da die Höhenstrahlung
auf
dem
Erdboden
Sekundärstrahlung,
nicht
die
ankommt,
durch
kann
die
Teilchen-Teilchen
Strahlung
nur
Wechselwirkung
durch
die
entstehen,
nachgewiesen werden. Das bekannteste Naturphänomen bedingt durch die
Höhenstrahlung ist das Polarlicht, es entsteht weil über den Polen die Teilchen durch
das Magnetfeld der Erde nicht abgelenkt werden.
- 69 -
Sauerstoff (O)
Polarlicht über der Amundsen-Scott Südpol Station
Foto: C. Danals
Durch amerikanische Kernwaffentests der Operation Starfish Prime im Jahr 1962
wurde durch den elektromagnetischen Puls, der von der Explosion ausging, erstmals
ein künstliches Polarlicht erzeugt. Durch den elektromagnetischen Impuls wurden
noch in Hawaii zahlreiche Elektrogeräte außer Funktion gesetzt. Bei den ersten
Versuchen, eine Atombombe in großer Höhe zu zünden, explodierten die Trägerraketen bereits in 10 km Höhe oder darunter, wodurch das Johnston-Atoll sowie die
Nachbarinsel Sand Island noch heute mit Plutonium verseucht sind.
Das Johnston-Atoll war in der Vergangenheit Sitz einer Fabrik für die Vernichtung
von Kampfgasen sowie Lagerort für radioaktive Abfälle, heute wird versucht die
Schäden an der Natur wieder zu beheben.
Bei Versuchen am CERN werden Teilchen, welche auch in der Höhenstrahlung
enthalten sind, erzeugt. Bei einem internationalen Versuch werden am CERN in der
Schweiz Neutrinos erzeugt die anschließend in 700 km Entfernung am Laboratori
Nazionali del Gran Sasso in Italien analysiert werden. Die Neutrinos bewegen sich
praktisch ungehindert durch die 700 km Gestein von Norditalien. Darüber hinaus gibt
es erste Anzeichen, dass sich die Neutrinos mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen,
die Ergebnisse müssen jedoch noch bestätigt werden.
- 70 -