Sauerstoff

Frühe Experimente

Eines der ersten bekannten Experimente darüber, wie die Verbrennung Luft benötigt, wurde von dem Griechen Philo von Byzanz im 2. Jahrhundert v. Chr. durchgeführt. Er schrieb in seinem Werk Pneumatica, dass das Umdrehen eines Gefäßes über einer brennenden Kerze und das Umfüllen dieses Gefäßes mit Wasser bedeutete, dass etwas Wasser in das Gefäß gelangte. Philo dachte, dass dies daran lag, dass die Luft in das klassische Element Feuer verwandelt wurde. Das war falsch. Leonardo da Vinci hat noch lange Zeit danach richtig herausgefunden, dass bei der Verbrennung Luft verbraucht wurde, wodurch Wasser in das Gefäß gepresst wurde.

Im späten 17. Jahrhundert fand Robert Boyle heraus, dass Luft zur Verbrennung benötigt wird. Der englische Chemiker John Mayow fügte dem noch hinzu, indem er zeigte, dass Feuer nur einen Teil der Luft benötigt. Wir nennen dies heute Sauerstoff (in Form von Dioxyd). In einem seiner Experimente fand er heraus, dass das Wasser beim Stellen einer Kerze in einen geschlossenen Behälter aufsteigt und ein Viertel des Luftvolumens im Behälter ersetzt, bevor es erlischt. Dasselbe geschah, als eine Maus in die Schachtel gesteckt wurde. Daraus schloss er, dass Sauerstoff zur Atmung und Verbrennung verwendet wird.

Phlogiston-Theorie

Robert Hooke, Ole Borch, Mikhail Lomonosov und Pierre Bayen haben im 17. und 18. Jahrhundert in Experimenten Sauerstoff hergestellt. Keiner von ihnen hielt ihn für ein chemisches Element. Dies lag wahrscheinlich an der Idee der Phlogiston-Theorie. Die meisten Menschen glaubten, dass Sauerstoff Verbrennung und Korrosion verursachte.

J. J. Becher entwickelte sie im Jahr 1667, und Georg Ernst Stahl ergänzte sie 1731. Die Phlogiston-Theorie besagt, dass alle brennbaren Materialien aus zwei Teilen bestehen. Ein Teil, genannt Phlogiston, wurde beim Verbrennen der Substanz, die ihn enthielt, freigesetzt.

Man nahm an, dass aus Phlogiston sehr brennbare Materialien hergestellt werden, die nur geringe Rückstände hinterlassen, wie Holz oder Kohle. Dinge, die korrodieren, wie Eisen, sollten nur eine geringe Menge enthalten. Luft war nicht Teil dieser Theorie.

Entdeckung

Der polnische Alchemist, Philosoph und Arzt Michael Sendivogius sprach über eine Substanz in der Luft, die er als "Nahrung des Lebens" bezeichnete, und diese Substanz ist Sauerstoff. Sendivogius fand in den Jahren 1598 bis 1604 heraus, dass die Substanz die gleiche ist, die bei der thermischen Zersetzung von Kaliumnitrat entsteht. Einige Leute glauben, dass dies die Entdeckung des Sauerstoffs war, während andere dem nicht zustimmen.

Es wird oft auch gesagt, dass Sauerstoff zuerst vom schwedischen Apotheker Carl Wilhelm Scheele entdeckt wurde. Er stellte Sauerstoff durch Erhitzen von Quecksilberoxid und einigen Nitraten im Jahr 1771 her. Scheele nannte das von ihm hergestellte Gas "Feuerluft", weil es das einzige bekannte Gas war, das eine Verbrennung ermöglichte. Er veröffentlichte seine Entdeckung 1777.

Am 1. August 1774 fokussierte ein vom britischen Geistlichen Joseph Priestley durchgeführtes Experiment das Sonnenlicht auf Quecksilberoxid in einer Glasröhre. Dadurch entstand ein Gas, das er "entgiftete Luft" nannte. Er fand auch heraus, dass Kerzen in dem Gas heller brannten und Mäuse länger lebten, wenn sie es einatmeten. Als er das Gas einatmete, sagte er (vereinfacht): "Es fühlte sich wie normale Luft an, aber meine Lungen fühlten sich danach leichter und leichter an. Seine Ergebnisse wurden 1775 veröffentlicht. Da seine Ergebnisse zuerst veröffentlicht wurden, wird er gewöhnlich als der Entdecker des Sauerstoffs bezeichnet.

Der französische Chemiker Antoine Lavoisier sagte später, er habe die Substanz ebenfalls entdeckt. Priestly besuchte ihn 1774 und erzählte ihm von seinem Experiment. Scheele schickte Lavoisier in jenem Jahr auch einen Brief, in dem er von seiner Entdeckung sprach.

Lavoisier's Beitrag

Lavoisier führte die ersten Hauptversuche zur Oxidation durch und gab die erste richtige Erklärung zur Funktionsweise der Verbrennung. Er benutzte diese und andere Experimente, um die Phlogiston-Theorie zu widerlegen. Er versuchte auch zu beweisen, dass die von Priestley und Scheele entdeckte Substanz ein chemisches Element ist.

In einem Experiment stellte Lavoisier fest, dass es keine Massenzunahme gab, wenn Zinn und Luft in einem geschlossenen Behälter erhitzt wurden. Er stellte auch fest, dass beim Öffnen des Behälters Luft eindrang. Danach stellte er fest, dass sich die Masse der Dose um den gleichen Betrag erhöht hatte wie die einströmende Luft. Er veröffentlichte seine Ergebnisse 1777. Er schrieb, dass Luft aus zwei Gasen bestand. Das eine nannte er "vitale Luft" (Sauerstoff), die zur Verbrennung und Atmung benötigt wird. Das andere nannte er "Azote" (Stickstoff), was in der griechischen Sprache "leblos" bedeutet. In einigen Sprachen, darunter auch im Französischen, ist dies immer noch der Name des Stickstoffs.

Lavoisier benannte "vitale Luft" in "oxygène" um, was auf Griechisch "Produzent aus Säuren" bedeutet. Er nannte es so, weil er dachte, Sauerstoff sei in allen Säuren enthalten, was falsch war. Viele Chemiker erkannten, dass Lavoisier bei seiner Namensgebung falsch lag, aber der Name war zu gebräuchlich, um ihn zu ändern.

"Oxygen" wurde der Name in der englischen Sprache, obwohl englische Wissenschaftler dagegen waren.

Spätere Geschichte

John Daltons Atomtheorie besagt, dass alle Elemente ein einziges Atom haben und dass die Atome in Verbindungen normalerweise allein sind. Zum Beispiel glaubte er fälschlicherweise, dass Wasser (H2O) die Formel von nur HO habe. Im Jahre 1805 zeigten Joseph Louis Gay-Lussac und Alexander von Humboldt, dass Wasser aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom besteht. Amedeo Avogadro hat 1811 auf der Grundlage des Avogadro'schen Gesetzes korrekt herausgefunden, woraus Wasser besteht.

Ende des 19. Jahrhunderts stellten Wissenschaftler fest, dass Luft in eine Flüssigkeit umgewandelt und die darin enthaltenen Verbindungen durch Komprimieren und Abkühlen isoliert werden konnten. Der Schweizer Chemiker und Physiker Raoul Pictet entdeckte flüssigen Sauerstoff, indem er Schwefeldioxid verdampfte, um Kohlendioxid in eine Flüssigkeit zu verwandeln. Dieses wurde dann ebenfalls verdampft, um Sauerstoffgas zu kühlen, um es in eine Flüssigkeit zu verwandeln. Am 22. Dezember 1877 schickte er ein Telegramm an die Französische Akademie der Wissenschaften, in dem er sie über seine Entdeckung informierte.

Eigenschaften und Molekularstruktur

Bei Standardtemperatur und -druck hat Sauerstoff keine Farbe, keinen Geruch und keinen Geschmack und ist ein Gas mit der chemischen Formel O
₂ genannt Dioxygen.

Als Dio-Sauerstoff sind zwei Sauerstoffatome chemisch aneinander gebunden. Diese Bindung kann als vieles bezeichnet werden, wird aber einfach als kovalente Doppelbindung bezeichnet. Dioxygen ist sehr reaktiv und kann mit vielen anderen Elementen reagieren. Oxide entstehen, wenn Metallelemente mit Sauerstoff reagieren, wie z.B. Eisenoxid, das als Rost bezeichnet wird. Es gibt viele Oxidverbindungen auf der Erde.

Allotropen

Das gemeinsame Allotrop (Typ) von Sauerstoff auf der Erde wird als Dioxygen (O2) bezeichnet. Dies ist nach Distickstoff (N2) der zweitgrößte Teil der Erdatmosphäre. O2 hat eine Bindungslänge von 121 pm und eine Bindungsenergie von 498 kJ/mol. Aufgrund seiner Energie wird O2 von komplexen Lebewesen wie Tieren genutzt.

Ozon (O3) ist sehr reaktiv und schädigt beim Einatmen die Lunge. Ozon entsteht in der oberen Atmosphäre, wenn sich O2 mit reinem Sauerstoff verbindet, der entsteht, wenn O2 durch ultraviolette Strahlung gespalten wird. Ozon absorbiert eine Menge Strahlung im UV-Teil des elektromagnetischen Spektrums, und so schützt die Ozonschicht in der oberen Atmosphäre die Erde vor Strahlung.

Tetraoxygen (O4) wurde 2001 entdeckt. Es existiert nur unter extremen Bedingungen, wenn viel Druck auf O2 ausgeübt wird.

Physikalische Eigenschaften

Sauerstoff löst sich leichter aus der Luft in Wasser auf als Stickstoff. Wenn die gleiche Menge Luft und Wasser vorhanden ist, kommt auf je 2 Moleküle N2 ein Molekül O2 (im Verhältnis 1:2). Dies ist anders als bei Luft, wo das Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff 1:4 beträgt. Außerdem kann sich O2 im Süßwasser leichter lösen als im Meerwasser. Sauerstoff kondensiert bei 90,20 K (-182,95 °C) und gefriert bei 54,36 K (-218,79 °C). Sowohl flüssiges als auch festes O2 ist durchsichtig mit einer hellblauen Farbe.

Sauerstoff ist sehr reaktiv und muss von allem ferngehalten werden, was brennen kann.

Isotope

In der Natur gibt es drei stabile Sauerstoffisotope. Sie sind ^16O, ^17O und ^18O. Etwa 99,7 % des Sauerstoffs ist das Isotop ^16O.

Vorkommen

Sauerstoff ist das massenmäßig häufigste Element auf der Erde. Es ist nach Wasserstoff und Helium das dritthäufigste Element im Universum. Etwa 0,9 % der Masse der Sonne ist Sauerstoff. Sauerstoff macht als Teil von Oxidverbindungen wie Siliziumdioxid 49,2 Massenprozent der Erdkruste aus. Mit einem Anteil von 88,8 Massenprozent ist er auch der Hauptteil der Ozeane der Erde. Sauerstoffgas ist der zweithäufigste Teil der Atmosphäre und macht 20,8 % seiner Masse und 23,1 % seines Volumens aus. Die Erde ist im Vergleich zu anderen bekannten Planeten seltsam, da ein großer Teil ihrer Atmosphäre aus Sauerstoffgas besteht. Der Mars hat 0,1 Volumenprozent O2, während der Rest des Planeten des Sonnensystems weniger Sauerstoff hat.

Der hohe Anteil an Sauerstoffgas auf der Erde ist auf den Sauerstoffkreislauf zurückzuführen. Dieser wird hauptsächlich durch die Photosynthese gesteuert, die aus Kohlendioxid, Wasser und der Energie der Sonne Sauerstoffgas herstellt. Die Atmung nimmt das Sauerstoffgas dann aus der Atmosphäre auf und wandelt es wieder in Kohlendioxid und Wasser um. Dies geschieht mit der gleichen Geschwindigkeit, so dass sich die Menge des Sauerstoffgases und des Kohlendioxids dadurch nicht verändert.

Medizinische

O2 ist ein sehr wichtiger Teil der Atmung. Aus diesem Grund wird es in der Medizin verwendet. Es wird verwendet, um die Sauerstoffmenge im Blut einer Person zu erhöhen, damit mehr Atmung stattfinden kann. Dadurch können sie schneller gesund werden, wenn sie krank sind. Die Sauerstofftherapie wird zur Behandlung von Emphysemen, Lungenentzündungen, einigen Herzproblemen und allen Krankheiten eingesetzt, die es einer Person erschweren, Sauerstoff aufzunehmen.

Lebenserhaltung

In Raumanzügen wird Niederdruck-O2 verwendet, das den Körper mit dem Gas umgibt. Es wird reiner Sauerstoff verwendet, jedoch bei einem viel niedrigeren Druck. Wenn der Druck höher wäre, wäre er giftig.

Der NFPA 704 von Oxygen besagt, dass komprimiertes Sauerstoffgas nicht gesundheitsgefährdend und nicht entflammbar ist.

Toxizität

Bei hohen Drücken kann Sauerstoffgas (O2) für Tiere, einschließlich Menschen, gefährlich sein. Es kann Krämpfe und andere Gesundheitsprobleme verursachen. Sauerstofftoxizität tritt gewöhnlich bei Drücken von mehr als 50 Kilopascal (kPa) auf, was etwa 50% Sauerstoff in der Luft bei Standarddruck entspricht (Luft auf der Erde hat etwa 20% Sauerstoff).

Früher wurden Frühgeborene in Schachteln mit Luft mit einem hohen O2-Gehalt gelegt. Dies wurde gestoppt, als einige Babys durch den Sauerstoff erblindeten.

Das Einatmen von reinem O2 in Raumanzügen verursacht keinen Schaden, da ein niedrigerer Druck verwendet wird.

Verbrennung und andere Gefahren

Konzentrierte Mengen von reinem O2 können einen Schnellbrand verursachen. Wenn konzentrierter Sauerstoff und Brennstoffe nahe beieinander gebracht werden, kann eine leichte Entzündung einen großen Brand verursachen. Die Besatzung von Apollo 1 wurde alle durch einen Brand getötet, weil in der Luft der Kapsel konzentrierter Sauerstoff verwendet wurde.

Wenn flüssiger Sauerstoff auf organische Verbindungen, wie Holz, verschüttet wird, kann er explodieren.