Philipps Universität Marburg Fachbereich Chemie (15) Experimentalvortrag Sommersemester 2007

1. Philipps Universität MarburgFachbereich Chemie (15)ExperimentalvortragSommersemester 2007 Sauerstoff Referent: Stefan Dönges

2. Periodensystem der 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 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

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

9. Bsp.: Erdkruste Massenanteil: 50,5 % • Bsp.: Wasser Massenanteil: 88,8 % • Bsp.: Atmosphäre Massenanteil: 23,16 % Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

10. Bsp.: Atmosphäre: Volumenprozent Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

14. 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

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

16. 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

17. Woher stammt das rote Schimmern, die „Chemolumineszenz“ ? 1 g 1-Photon-2- Molekül-Prozess 1 g 3 g 1. Übergang 1g 1 g 3 g 3 g 1.ÜG Stoß 1O2 ( ) + 1O2 ( ) 3O2 ( ) + 3O2 ( ) geht über zu: Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

18. 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

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

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

21. 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

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

23. 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

24. 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

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

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

27. Sauerstoffgewinnung Großtechnisch: 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

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

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

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

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

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

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

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

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

36. Reaktionsgleichung: ∆H° = - 98 kJ/mol +1 -1 0 +1 -2 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

37. Energieprofil der H2O2 Zersetzung - ohne MnO2 - Energie 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

38. Energieprofil der H2O2 Zersetzung - mit MnO2 - Energie Herabsetzung der Aktivierungsenergie  Reaktion verläuft schon bei Zimmertemperatur 2 H2O2 EAkt 2 H2O + O2 Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

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

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

42. Verwendung: Atmung 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

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

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

45. +2 -2 0 0 2 Fe (s) + O2(g) 2 FeO (s) Reaktionsgleichung: nachher vorher Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

46. Oxidationsvermögen:LangsameOxidationsprozesse Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz

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

48. 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

49. 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

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