Philipps Universität MarburgFachbereich Chemie (15)ExperimentalvortragSommersemester 2007

SauerstoffSauerstoff Referent:

Stefan Dönges

2

Periodensystem der Periodensystem der Elemente Elemente

3

Gliederung Allgemeines Entstehung Vorkommen Darstellung Verwendung Eigenschaften Schulische Relevanz

4

Allgemeines

Farb- und geruchloses Gas

Typisches Nichtmetall

Reagiert mit den meisten Elementen des PSE direkt

Oxidationsmittel

AllgemeinesAllgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

5

Gasf. Sauerstoff: reaktionsträge

Fl. Sauerstoff: wirkt stark oxidierend

Oxidationsprozesse: exotherm (Bsp.: „Verbrennungsprozesse“)

Diradikal

Paramagnetisch

AllgemeinesAllgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

6

Entstehung Durch Kernfusionsprozesse in Sonnen

Ende des Sternenlebens

Allgemeines – EntstehungEntstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

7

Durch Supernovae Explosionen

Verteilung der Elemente im Weltraum:

Durch Sonneneruptionen

Allgemeines – EntstehungEntstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

8

Vorkommen

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

Am häufigsten vorkommendes Element (48,9%)

9

Bsp.: ErdkrusteMassenanteil: 50,5 %

Massenanteil: 88,8 %

Massenanteil: 23,16 %

Bsp.: Wasser

Bsp.: Atmosphäre

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

10

Bsp.: Atmosphäre:Prozent Name

78,08 Stickstoff [N[N22]]

20,95 Sauerstoff [O2]

0,93 Argon [Ar]

0,34 Kohlendioxid [CO2]

0,0018 Neon [Ne]

0,0005 Helium [He] Volumenprozent

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

11 11

Elementar

Disauerstoff Trisauerstoff (Ozon)

Umgebungsluft Gelöst im Wasser Ozonschicht

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

12 Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

Disauerstoff

Triplett - Sauerstoff

Singulett - Sauerstoff

3O2 ( ) 1O2 ( )

13

MO –Diagramm

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften - Schulische Relevanz

3O2

1O2

Bindungsordnung: 22

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

14

Singulett: ( ) 1O2, da Gesamtspin = 2 * [+½ + (-½)] +1 = 1

Triplett: ( ) 3O2, da Gesamtspin = 2 * [+½ + (+½)] +1 = 3

Namensgebung durch Formel zur Spinmultiplizität (2 * n + 1)

SauerstoffSauerstoff

Woher stammen die Namen?

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

15

Versuch 1Versuch 1: Darstellung von Singulett - Sauerstoff

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

16

ReaktionsgleichungReaktionsgleichung

Chlorgasentwicklung:

+4 –2 +1 –1 +2 -1 0 +1 -2 MnO2 (s) + 4 HCl (aq) MnCl2 (aq) + Cl2 (g) + 2 H2O (l)

Cl2 (g) + 2 OH - (aq) ClO - (aq) + Cl - (aq) + H2O (l)

Chlor disporportioniert zu Hypochlorit und Chlorid

+ OCl-

- OH-

rasch- HClH2O2 (aq) HOOCl (aq)

1O2 (aq)

Bildung von Singulett - Sauerstoff

0 -2 +1 +1 -2 -1 +1 -2

+1 -1 +1 -1 -1 +1 0

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

17

Woher stammt das rote Schimmern, die „Chemolumineszenz“ ?

1 g

3 g

1 g

1O2 ( ) + 1O2 ( ) 3O2 ( ) + 3O2 ( ) Stoß

geht über zu:

1 g 1 g

1. Übergang

3 g 3 g

1-Photon-2- Molekül-Prozess

1.ÜG

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

18

1 g

2. Übergang

1 g

3 g

1 g

geht über zu:

+ 759 nm

2.ÜG

3 g

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

19 19

Gebunden:

Oxide (H2O, CO2, SiO2)

Carbonate (CO32-)

Silikate (SxOyz-)

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

20

Versuch 2Versuch 2: Luftanalyse

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

21

vorhervorher nachhernachher

kupferfarben grau-schwarz

100 mL ca. 80 mL VolumenabnahmeVolumenabnahme

2 CuO (s)2 Cu (s) + O2 (g)

0 0 +2 -2

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

22

ca. 20 %20 % O2 in der Umgebungsluft

Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

23 23

Woher dieser hohe Massenanteil Sauerstoff in der Umgebungsluft?

Aus PhotosyntheseprozessenAus Photosyntheseprozessen

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

Durch chlorophyllhaltige Pflanzen aus CO2 und H2Ogewonnen

24 24

6 H2O + 6 CO2 Lichteinwirkung C6H12O6 + 6 O2

PhotosynthesePhotosynthese

Bsp.: Bildung von Glucose (schematisch)

Ein Baum (200.000 Blättern) produziert pro Sonnentag:

9,4 m3 O2

Chlorophyll

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

25

Energieprofil des Photosyntheseprozesse

6 H2O(l) + 6 CO2 (g)

Energie

C6H12O6 (s) + 6 O6 O22 (g)(g)Energie

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

26

Demo 1Demo 1: Photosyntheseprozess bei Wasserpest

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

27 27

Sauerstoffgewinnung

Großtechnisch: Linde Verfahren zur Luftverflüssigung +

fraktionierte Destillation

Im Labor: Katalytische Zersetzung von H2O2 Thermische Zersetzung von Oxiden

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

28

Linde Verfahren zur Luftverflüssigung:

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

29

1. Schritt:

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

30

2. Schritt:

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

31

3. Schritt:

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

32

4. Schritt:

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

33

Auftrennung der verflüssigten Gase durch:

Fraktionierte Destillation

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

34 34

Darstellung im Labor:Darstellung im Labor:

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

35

Versuch 3Versuch 3: Katalytische Zersetzung von

Wasserstoffperoxid

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

36

∆H° = - 98 kJ/mol

2 H2O2 (aq) <Kat> O2 (g) + 2 H2O (l) (exotherm)

Wirkungsweise des Katalysators: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) ↑

H2O (l) H2O (g)

ReaktionsgleichungReaktionsgleichung:

+1 -1 0 +1 -2

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

37

Energie

Energieprofil der H2O2 Zersetzung - ohne MnO2 -

2 H2O2

2 H2O + O2

EAkt / hin

Hohe AktivierungsenergieHohe Aktivierungsenergie

läuft bei Raumtemperatur nur gehemmt ab

KINETISCH GEHEMMTKINETISCH GEHEMMT

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

38

Energie

2 H2O2

2 H2O + O2

EAkt

Herabsetzung der Herabsetzung der AktivierungsenergieAktivierungsenergie

Reaktion verläuft schon bei Zimmertemperatur

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

Energieprofil der H2O2 Zersetzung - mit MnO2 -

39

Sauerstoffnachweis

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

40

Demo 2Demo 2: Verbrennung eines glimmenden Spanes

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

41

Verwendung

Energiegewinnung in Organismen

Stahlerzeugung

Schweißtechnik

Medizinischen Zwecken

Erzeugung hoher Temperaturen

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – VerwendungVerwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

42

Verwendung: AtmungAtmung

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 =

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – VerwendungVerwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

2.500 Liter O2.500 Liter O22 am am

TagTag

43

Oxidationsvermögen:Schnelle, heftige Prozesse mit

großer Energieabgabe

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

44 44

Versuch 4Versuch 4: Verbrennung von Stahlwolle

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

45

ReaktionsgleichungReaktionsgleichung:

vorhernachher

2 FeO (s)2 Fe (s) + O2 (g)

0 0

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

+2 -2

46

Oxidationsvermögen:Langsame Oxidationsprozesse

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

47

Versuch 5Versuch 5: Stille Verbrennung (Sauerstoffkorrosion)

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

48 48

Vorher: Nachher:

2 Fe (s) 2 Fe 2+ (aq) + 4 e-

2 H2O (l) + O2 (g) + 4 e- 4 OH- (aq)

2 Fe 2+ (aq) + 4 OH- (aq) 2 Fe(OH)2 (s)

ReaktionsgleichungReaktionsgleichung

VolumenabnahmeVolumenabnahme im Reagenzglas

Ansteigen der WassersäuleWassersäule

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

0 +2

+1 -2 0 -2 +1

+2 -2 +1 - 6 (aq) +2 -2 +1

49

FolgereaktionFolgereaktion::

+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)

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

2 FeO(OH) (s) „Fe2O3* H2O“ (s)

RostbildungRostbildung::

rotbraunrotbraun

50

Flugzeugpark, Mojave WüsteFlugzeugpark, Mojave Wüste

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

51

Grund für die langsam ablaufende Oxidation:

Hohe Dissoziationsenergie

(498,34 kJ / mol)

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

„Zündungsenergie“ fehlt

52

Demo 3Demo 3: Flüssiger Sauerstoff

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

53

Magnetische Eigenschaften von Sauerstoff?Sauerstoff?

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

54

Versuch 6Versuch 6: Paramagnetismus von Sauerstoff

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

55

Paramagnetismus

Stoffe mit ungepaarten Elektronen besitzen ein magnetisches Moment

Grund: magnetisches Einzelmoment kann nicht ausgeglichen werden

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

56

Daraus folgt:

Stoff wird in ein Magnetfeld hineingezogen

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

Vergrößerung der Kraftflussdichte der Feldlinien im Inneren

57

MO – Schema des Disauerstoffs

• Diradikal

paramagnetisch

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

58

Reaktion mit flüssigem Reaktion mit flüssigem SauerstoffSauerstoff

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

59

Demo 4Demo 4: Verbrennung einer sauerstoffgetränkten Zigarre

Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz

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)

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

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Jahrgangsstufe 12: Geschwindigkeit chemischer Reaktionen (Anwendung

von Katalysatoren (V 3))

Jahrgangsstufe 12: GK / LK Wahlthema angewandte Chemie Korrosion (V 5)

Schulische Relevanz

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

62

Vielen Dank für Ihre Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Aufmerksamkeit!

-Ende-