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Sauerstoff: Eigenschaften, Nachweis und Kreislauf
Kurz gesagt: Sauerstoff ist ein chemisches Element. In der Luft liegt der elementare Stoff überwiegend als farb-, geruch- und geschmackloses Gas aus $O_2$-Molekülen vor. Er macht etwa 21 Volumenprozent der Luft aus, ermöglicht die Atmung vieler Lebewesen und fördert Verbrennungen.
Auf dieser Seite lernst du, Sauerstoff als Element und Stoff zu unterscheiden, sein Vorkommen zu erklären, Reaktionen mit Sauerstoff zu deuten und ihn mit der Glimmspanprobe nachzuweisen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was genau ist Sauerstoff?
Sauerstoff
Sauerstoff ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol $O$ und der Ordnungszahl 8. Ein einzelnes $O$ bezeichnet ein Sauerstoffatom. Der elementare Stoff besteht unter Alltagsbedingungen überwiegend aus Molekülen mit je zwei Sauerstoffatomen: $O_2$.
$O_2$ heißt Disauerstoff und ist die Form, die viele Lebewesen bei der Atmung nutzen. Das Gas ist unter Alltagsbedingungen farb-, geruch- und geschmacklos.
Drei Sauerstoffatome können ein $O_3$-Molekül bilden. Dieser Stoff heißt Ozon. Ozon ist nicht einfach eine größere Menge $O_2$, sondern eine andere Stoffform mit anderen Eigenschaften. In großer Höhe nimmt Ozon einen Teil der UV-Strahlung auf. Erhöhte Ozonkonzentrationen in Atemluft können dagegen die Atemwege belasten.
$O$ steht für das Element beziehungsweise ein Sauerstoffatom. $O_2$ ist molekularer Sauerstoff, $O_3$ ist Ozon und $CO_2$ ist die Verbindung Kohlenstoffdioxid.
Wie kommt Sauerstoff in Luft und Wasser vor?
Trockene Luft ist ein Stoffgemisch. Etwa 20,95 Volumenprozent davon sind $O_2$ — gerundet also ungefähr ein Fünftel beziehungsweise 21 Prozent. Der größte übrige Anteil besteht aus Stickstoff.
Wasser ist dagegen kein Gemisch aus Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Reines Wasser ist die chemische Verbindung $H_2O$: In jedem Wassermolekül sind zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom chemisch gebunden.
Zusätzlich kann sich eine kleine Menge $O_2$-Gas im Wasser lösen. Wasserlebewesen können diesen gelösten Sauerstoff zur Atmung nutzen. $O_2$ ist jedoch nur wenig wasserlöslich. Bei niedrigerer Temperatur und höherem Druck kann sich mehr davon lösen.
Eine Wasserprobe kann gleichzeitig aus $H_2O$-Molekülen bestehen und gelöstes $O_2$ enthalten. Der Sauerstoff im $H_2O$ ist chemisch gebunden. Das gelöste $O_2$ bleibt molekularer Sauerstoff. Diese beiden Vorkommen darfst du nicht verwechseln.
Was geschieht bei Reaktionen mit Sauerstoff?
Sauerstoff ist verbrennungsfördernd: Er brennt nicht selbst wie ein Brennstoff, ermöglicht oder verstärkt aber die Verbrennung anderer Stoffe. Mit vielen Metallen und Nichtmetallen bildet er Oxide.
Oxid
Ein Oxid ist eine Verbindung des Sauerstoffs mit einem weiteren Element. Im hier betrachteten Grundfall entsteht es bei der Reaktion eines Elements mit $O_2$.
Viele Reaktionen mit Sauerstoff sind exotherm. Das bedeutet, dass sie Energie an die Umgebung abgeben, häufig als Wärme und Licht. Eine sichtbare Flamme ist dafür nicht zwingend: Auch Glimmen oder langsames Rosten sind Reaktionen mit Sauerstoff.
Erhitzte Eisenwolle glüht in Sauerstoff und bildet einen grau-schwarzen, spröden Stoff. Im betrachteten Versuch entsteht Eisenoxid $Fe_3O_4$:
$$3 Fe + 2 O_2 \rightarrow Fe_3O_4$$
Die Zahlen vor den Formeln sorgen dafür, dass auf beiden Seiten gleich viele Eisen- und Sauerstoffatome stehen. Das Glühen zeigt die Energiefreisetzung. In reinem Sauerstoff verläuft die Reaktion heftiger als in Luft, weil dort mehr $O_2$ verfügbar ist.
Auch Kohlenstoff kann vollständig mit Sauerstoff reagieren:
$$C + O_2 \rightarrow CO_2$$
Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid. Bei Sauerstoffmangel kann außerdem giftiges Kohlenstoffmonoxid $CO$ entstehen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Im behandelten Grundfall ist Sauerstoff bei einer Verbrennung ein . Er ist . Die Verbindung eines Elements mit Sauerstoff heißt .
Wie weist du Sauerstoff nach?
Die Glimmspanprobe ist ein qualitativer Nachweis für eine hohe Sauerstoffkonzentration. Qualitativ bedeutet: Die Probe zeigt, welcher Stoff wahrscheinlich vorhanden ist, bestimmt aber nicht seine genaue Menge.
- Ein Holzspan wird angezündet.
- Die Flamme wird ausgeblasen, sodass der Span nur noch glimmt.
- Der glimmende Span wird in das zu prüfende Gas gehalten.
- Flammt er deutlich wieder auf, ist das ein positiver Hinweis auf eine hohe $O_2$-Konzentration.
Die Probe funktioniert, weil Sauerstoff die Verbrennung des Holzspans fördert. Sie zeigt nicht, dass Sauerstoff selbst ein Brennstoff ist.
Ein Vergleich mit einer bekannten Probe hilft bei der Auswertung. Experimente mit Feuer und Gasen gehören in eine geeignete Laborumgebung und werden unter fachkundiger Aufsicht durchgeführt.
Wie bleibt Sauerstoff im Kreislauf?
Photosynthetisch aktive Organismen wie Pflanzen und Algen bilden mithilfe von Licht aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Glucose und Sauerstoff:
$$6 CO_2 + 6 H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6 O_2$$
Viele Lebewesen nutzen $O_2$ bei der Zellatmung, um aus Nährstoffen Energie zu gewinnen. Dabei entstehen unter anderem Kohlenstoffdioxid und Wasser. Auch Pflanzen betreiben Zellatmung; bei Licht können sie durch Photosynthese zugleich Sauerstoff erzeugen.
Photosynthese liefert $O_2$, während Zellatmung ihn verbraucht. Die Stoffströme verbinden beide Prozesse zu einem Sauerstoffkreislauf.
Wie wird Sauerstoff gewonnen und genutzt?
Technisch wird Sauerstoff vor allem aus Luft gewonnen. Dazu wird Luft stark abgekühlt und verflüssigt. Anschließend trennt man ihre Bestandteile durch fraktionierte Destillation: Stickstoff siedet ungefähr bei $-196\,°C$, Sauerstoff ungefähr bei $-183\,°C$. Die unterschiedlichen Siedepunkte ermöglichen die Trennung.
Sauerstoff wird unter anderem eingesetzt:
- bei der Stahlherstellung, um unerwünschte Stoffe zu oxidieren;
- beim Schweißen und bei anderen Hochtemperaturprozessen;
- in chemischen Produktionsverfahren;
- medizinisch bei Sauerstoffmangel;
- als flüssiger Oxidator in der Raumfahrt.
Mehr Sauerstoff bedeutet nicht automatisch mehr Gesundheit. Medizinischer Sauerstoff wird gezielt dosiert. Mögliche Schäden hängen unter anderem von Konzentration, Dauer und Druck ab. Eine erhöhte $O_2$-Konzentration lässt brennbare Stoffe außerdem heftiger reagieren.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Sauerstoff
- Teilchenformen: $O_2$ und Ozon $O_3$
- Vorkommen: Luftgemisch, gebunden in $H_2O$, gelöstes $O_2$
- Reaktionen: Oxidbildung und häufige Energiefreisetzung
- Nachweis: Glimmspanprobe
- Kreislauf: Photosynthese und Zellatmung
- Nutzung: Medizin, Stahlherstellung und Hochtemperaturtechnik
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du $O$, $O_2$ und $O_3$ sicher unterscheidest, Sauerstoff in Luft und Wasser richtig einordnest und eine Oxidbildung sowie die Glimmspanprobe begründen kannst.