Philipps Universität MarburgFachbereich Chemie (15)ExperimentalvortragSommersemester 2007
SauerstoffSauerstoff Referent:
Stefan Dönges
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Periodensystem der Periodensystem der Elemente Elemente
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Gliederung Allgemeines Entstehung Vorkommen Darstellung Verwendung Eigenschaften Schulische Relevanz
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Allgemeines
Farb- und geruchloses Gas
Typisches Nichtmetall
Reagiert mit den meisten Elementen des PSE direkt
Oxidationsmittel
AllgemeinesAllgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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Gasf. Sauerstoff: reaktionsträge
Fl. Sauerstoff: wirkt stark oxidierend
Oxidationsprozesse: exotherm (Bsp.: „Verbrennungsprozesse“)
Diradikal
Paramagnetisch
AllgemeinesAllgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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Entstehung Durch Kernfusionsprozesse in Sonnen
Ende des Sternenlebens
Allgemeines – EntstehungEntstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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Durch Supernovae Explosionen
Verteilung der Elemente im Weltraum:
Durch Sonneneruptionen
Allgemeines – EntstehungEntstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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Vorkommen
Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
Am häufigsten vorkommendes Element (48,9%)
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Bsp.: ErdkrusteMassenanteil: 50,5 %
Massenanteil: 88,8 %
Massenanteil: 23,16 %
Bsp.: Wasser
Bsp.: Atmosphäre
Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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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 ( )
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MO –Diagramm
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften - Schulische Relevanz
3O2
1O2
Bindungsordnung: 22
Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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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
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Versuch 1Versuch 1: Darstellung von Singulett - Sauerstoff
Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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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
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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
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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
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Versuch 2Versuch 2: Luftanalyse
Allgemeines – Entstehung – VorkommenVorkommen – Darstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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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
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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
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Linde Verfahren zur Luftverflüssigung:
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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1. Schritt:
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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2. Schritt:
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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3. Schritt:
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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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
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Versuch 3Versuch 3: Katalytische Zersetzung von
Wasserstoffperoxid
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – DarstellungDarstellung – Verwendung – Eigenschaften – Schulische Relevanz
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∆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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Magnetische Eigenschaften von Sauerstoff?Sauerstoff?
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz
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Versuch 6Versuch 6: Paramagnetismus von Sauerstoff
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz
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Paramagnetismus
Stoffe mit ungepaarten Elektronen besitzen ein magnetisches Moment
Grund: magnetisches Einzelmoment kann nicht ausgeglichen werden
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz
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Daraus folgt:
Stoff wird in ein Magnetfeld hineingezogen
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz
Vergrößerung der Kraftflussdichte der Feldlinien im Inneren
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MO – Schema des Disauerstoffs
• Diradikal
paramagnetisch
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz
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Reaktion mit flüssigem Reaktion mit flüssigem SauerstoffSauerstoff
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz
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Demo 4Demo 4: Verbrennung einer sauerstoffgetränkten Zigarre
Allgemeines – Entstehung – Vorkommen – Darstellung – Verwendung – EigenschaftenEigenschaften – Schulische Relevanz
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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-