Sauerstoff

O2 – O3 Carl-Wilhelm Scheel (1742-1786)

16O (99,759 %) 17O (0,037 %) 18O (0,204 %)

O 1s22s22p4

O2+ Dioxygenyl-Ion

O2- Hyperoxid-Ion

O22- Peroxid-Ion

O2- Oxid-Ion

O3- Ozonid-Ion

Chalkogene

-0,72-0,400,141,23E0 zur Reduktion des Elements zu H2X in saurer Lsg. /V

138184213138Einfachbindung /kJ/mol

2,12,62,63,4EN

87094610041312Erste IE /kJ/mol

221198184140X2- Ionenradius /pm

13711710474Kovalenzradius /pm

990688444,6-182,9Kp /oC

450217119 (?-S8)-218,4Fp /oC

Tex-KetteSe8-RingSex-Kette

S8-RingO2

O3

Molekül

graurot oder grau

gelbfarblosblau

Farbe

TellurSelenSchwefelSauerstoff

Allotropie - Polymorphie

Vorkommen

Sauerstoff 49,2 % Erdkruste/Atmosphäre

SiO2

Oxide, Carbonate, Sulfate, Phosphate

Wasser

Belebte Natur

60% des menschlichen Körpers

Vorkommen

Zusammensetzung reiner Luft in Volumenanteilen /cL/L

2 10-8SO21 10-4Kr

1 10-7NO22 10-4CH4

1 10-6NH35 10-4He

1 10-6O30,0018Ne

8 10-6Xe0,036CO2

2 10-5CO0,933Ar

5 10-5H220,95O2

5 10-5N2O78,08N2

Gewinnung

Joule-Thomson-Effekt - Verflüssigung von Luft – Linde Verfahren

Carl von Linde, 1842-1934

Darstellung

Elektrolyse

2 H2O O2 + 2 H2

Zersetzung von Oxiden/Peroxiden

2 HgO(s) 2 Hg(l) + O2(g)

Na2O2(s) 2 Na2O(s) + O2(g)

2 BaO2(s) BaO(s) + O2(g)

2 H2O2(l) 2 H2O(l) + O2(g)

Zersetzung von Nitraten und Chloraten

2 NaNO3(s) 2 NaNO2(s) + O2(g)

2 KClO3(s) 2 KCl(s) + 3 O2(g)

?

?

?

?

?

Kat.

Reatkivität

O=O Bindungsenergie 494 kJ/mol

Reaktivität als Gas und gelöst in Wasser - Aktivierung

Triplett-Sauerstoff Singulett-Sauerstoff Singulett-Sauerstoff

? *-Orbital

Reaktivität

Oxidation – Verbrennung – Metalle

4 Ag(s) + O2(g) 2 Ag2O

Au, Rh

Cs(s) + O2(g) CsO2(s)

2 Na(s) + O2(g) Na2O2(s)

4 Li(s) + O2(g) 2 Li2O(s)

Ba(s) + O2(g) BaO2(s)

2 Mg(s) + O2(g) 2 MgO(s)

2 Al(s) + 3 O2(g) 2 Al2O3(s)

2 Hg(l) + O2(g) 2 HgO(s)

Reaktivität

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

3 Fe(s) + 2 O2(g) Fe3O4(s)

4 Fe(s) + 3 O2(g) 2 Fe2O3(s)

Oxidation – Verbrennung - Nichtmetalle

2 C(s) + O2(g) 2 CO(g)

C(s) + O2(g) CO2(g)

C(s) + CO2(g) 2 CO(g)

Boudouard-Gleichgwicht

P4(s) + 3 O2(g) P4O6(s)

P4(s) + 5 O2(g) P4O10(s)

500 oC

> 500 oC

1000 oC

600 oC

Reaktivität

Reaktivität

1/8 S8(s) + O2(g) SO2(g)

2 SO2(g) + O2(g) SO3(g)

V2O5

N2(g) + O2(g) NO(g)

2 NO(g) + O2(g) 2 NO2(g)

Verbrennung von Wasserstoffverbindungen

2 H2S(g) + 3 O2(g) 2 H2O(g) + 2 SO2(g)

2 CH4(g) + 3 O2(g) 2 CO(g) + 4 H2O(g)

Rösten von Metallsulfiden

2 ZnS(s) + 3 O2(g) 2 ZnO(s) + 2 SO2(g)

Kat.

?

20 oC

Reaktivität

Strukturen: S8, SO2, SO3

Verwendung

Stahlgewinnung

Natriumperoxid, Wasserstoffperoxid

Organische Sauerstoffverbindungen

Schweißen

Behandlung von Wasser

Atmungsgas mit N2 oder He

Ozon

Blassblaues Gas, giftig, oxidierende Wirkung, explosiv

Kp –112 oC

½ O2(g) O(g) ? H = +247 kJ/mol

O(g) + O2(g) O3(g) ? H = - 105 kJ/Mol

3/2 O2 O3 ? H = + 142 kJ/mol

O-O-Bindungslänge 128 pm

O=O Standardwert 121 pm

O

O

O O

O

O

“ “

” ”

Ozon

Stratosphäre – Troposphäre

Stickoxide

NO2 NO + O

O + O2 O3

NO + O3 NO2 + O2

Licht][)()(

)( 23 ??

NOcNOc

KOc

h·?

Ozon

H3C C

O

O O N

O

O ”

“

PAN = Peroxyacetylnitrat

Kohlenwasserstoffe

O3 O2 + O*

O* + H2O 2 •OH

•OH + CO •H + CO2

•OH + RH •R + H2O

R = CH3CH2, alkyl

•H + O2 H-O-O •

•R + O2 R-O-O •

H-O-O• + NO NO2 + •OH

R-O-O• + NO NO2 + •R

H3C-CH2-O • + O2 •O2H + CH3CHO

h·?

Ozon

FCKW - Fluor-Chlor-Kohlenwasserwasserstoffe

CF2Cl2 •CF2Cl + •Cl

O3 + •Cl O2 + •OCl x2

2 •OCl Cl2O2

Cl2O2 •ClO2 + •Cl

•ClO2 O2 + •Cl

2 O3 3 O2

F3C-CH2F, CH3-O-CH3

h·?

h·?

Wasserstoffperoxid

Anthrachinonverfahren

O

O

O

O

H

H

H2

H2 + O2 H2O2

O

O

H

H

O

O

O2

+ H2O2

Wasserstoffperoxid

Anodische Oxidation von Schwefelsäure

2 HSO4- HO3S-O-O-SO3H + 2 e-

HO3S-OO-SO3H + H2O 2 HSO4- + H2O2

Bariumperoxid

BaO2(s) + 2 H+(aq) + SO42-(aq) BaSO4(s) + H2O2

Wasserstoffperoxid

Struktur von H2O2 im festen Zustand

gauche-Konformation

Kp 150,2 oC

Fp –0,4 oC

Perhydrol 30-35 % H2O2 in Wasser

Zersetzung

2 H2O2 2 H2O + O2(g)

-196,2 kJ/mol

Katalyse: Katalase

Pt, MnO2, KMnO4, Fe3+(aq), I-(aq), OH-(aq)

Wasser

Wasser – Kp, Fp – H-Brückenbindungen – Dipol-Dipol- oder Ion-Dipol-Wechselwirkungen -Lösungsmittel

Lösung von Methanol in Wasser

Polare Verbindungen lösen sich in polaren Lösungsmitteln und unpolare Verbindungen in unpolaren Lösungsmitteln: Ähnliches löst Ähnliches.

Löslichkeit von NaCl, CCl4, H2, I2, NH3, CH4, CaO, C6H6, C6H5OH

C2H5OH, C3H7OH, C4H9OH, C5H11OH?

Wasser

Löslichkeit von Kohlenstoff

Löslichkeit von ionischen Verbindungen – Ionen-Dipol-Wechselwirkungen

Auflöseprozess eines Ionenkristalls

Hydratation

Hydratisiertes Sulfat-Ion Hydratisiertes Berillium-Ion

Hydratationsenthalpie

K+(g) + Cl-(g) K+(aq) + Cl-(aq)

? H = - 684,1 kJ/mol

unendliche Verdünnung

Hydratation

AlCl3 + 6 H2O [Al(H2O)6]Cl3FeCl3 + 6 H2O [Fe(H2O)6]Cl3

CuSO4·5H2O = [Cu(H2O)4][SO4(H2O)]

AlCl3·6H2O = [Al(H2O)6]Cl3

AlH2O

OH2

OH2H2O

OH2

OH2

3+

Hexaquo-aluminium(III)-Kation

Lösungsenthalpie

Wärmemenge, die beim Lösevorgang in einem offenen Gefäß (konstanter Druck) aufgenommen oder abgegeben wird (unendliche Verdünnung).

KCl((s) K+(g) + Cl-(g) ? H = +701,2 kJ/mol

K+(g) + Cl-(g) K+(aq) + Cl-(aq) ? H = -684,1 kJ/mol

KCl(s) K+(aq) + Cl-(aq) ? H = +17,1 kJ/mol

Hydratation:

Lösen der H-Brücken im H2O

Solvatation des Kations

Solvatation des Anions

H2O

H2O

H2O

Lösungsenthalpie

AgF(s) Ag+(g) + F-(g) ? H = +910,9 kJ/mol

Ag+(g) + F-(g) Ag+(aq) + F-(aq) ? H = -931,4 kJ/mol

AgF(s) Ag+(aq) + F-(aq) ? H = -20,5 kJ/mol

Lösungsenthalpie von Gasen

Löslichkeit – Druck – Temperatur

Prinzip des kleinsten Zwanges

Ein im Gleichgewicht befindliches System weicht einem äußeren Zwang (Druck, Temperatur) aus.

1884 Henri Le Chatelier

Exothermer Löseprozess:

Li2CO3, Na2SO4

Henry-Dalton Gesetz

c = K · p

c Konzentration

K Konstante 1/H(T)

p Partialdruck

1803 William Henry

Gilt nur für verdünnte Lösungen

Löslichkeit von HCl oder NH3

Dampfdruck von Lösungen

Gesamtdampfdruck

p = p(A) + p(B)

Partialdrücke der Komponenten

p(A) = x(A) · p0(A)

p(B) = x(B) · p0(B)

Raoult‘sches Gesetz

Gesamtdampfdruck und Partialdrücke für ideale Gase

Dampfdruck von Lösungen

Partialdampfdrücke und Gasamtdampfdruck

Positive und negative Abweichung vom Raoult‘schen Gesetz

Dampfdruck von Lösungen

Dampfdruck einer verdünnten Lösung eines nichtflüchtigen Stoffes B mit p0(B) = 0

Welchen Dampfdruck hat eine wässrige Lösung eines nichtflüchtigen Stoffes mit einer Molalität von 1,00 mol/kg bei 50 oC? Wasser hat bei 50 oC eine Dampfdruck von 12,4 kPa. x(H2O) beträgt 0,982.

p = x(H2O) · p0(H2O) = 0,982 · 12,4 kPa = 12,2 kPa

p = x(A) · p0(A)

x(A) + x(B) = 1

p = (1-x(B)) · p0(A)

p = p0(A) – x(B) · p0(A)

99 mol A + 1 mol B – Dampfdruckerniedrigung 1%

Gefrierpunkt und Siedepunkt

Siedepunkt einer Flüssigkeit

Siedepunkt einer Lösung

Für ein gegebenes Lösungsmittel und eine gegebenen Stoffmengengenkonzentration ist die Siedepunktserhöhung immer gleich groß, unabhängig vom gelösten Stoff.

Gefrierpunkt und Siedepunkt

Siedepunktserhöhung

? TS = ES · b

ES Molale Siedepunktserhöhung

b Molalität

+0,512100,0H2O

+1,2278,3C2H5OH

+3,6361,2HCCl3

+5,0276,8CCl4

+2,5380,1C6H6

+3,07118,1CH3COOH

ES / oC·kg·mol-1Kp /oC

Molale Siedepunktserhöhung – 1 mol Substanz in 1 kg Lsm.

Gefrierpunkt und Siedepunkt

Gefrierpunktserniedrigung

? TG = EG · b

-1,860,0H2O

-6,8080,2Naphthalin

-1,99-114,6C2H5OH

-4,68-63,5HCCl3

-29,8-22,8CCl4

-39,7179Campher

-5,125,5C6H6

-3,9016,6CH3COOH

EG /oC·kg·mol-1Fp /oC

Molale Gefrierpunktserniedrigung

Ebullioskopie – Kryoskopie

Die Lösung von 300 mg einer unbekannten, nicht flüchtigen Substanz in 30,0 g CCl4 hat einen Siedepunkt, der 0,392 oC höher ist als der von reinem CCl4. Welche Molmasse hat die Substanz?

kggg

gkggm /0,10

0,30300,0/1000

??

?

molgkgmol

kggbm

M /128/0781,0

/0,10???

kgmolmolkgC

CET

b o

o

S

S /0781,002,5

392,01 ?

???

?? ?

Osmose

1887 Jacobus van‘t Hoff

Osmotischer Druck

? · V = n · R · T

? = c · R · T

Biologische Prozesse - Osmose

? Osmotischer Druck

V Volumen der Lösung

n Stoffmenge

R = 8,3145 J/mol·K