In Lektion 17 " Sauerstoff gewinnen» aus dem Kurs « Chemie für Dummies» herausfinden, wie Sauerstoff im Labor gewonnen wird; Erfahren Sie, was ein Katalysator ist und wie Pflanzen die Sauerstoffproduktion auf unserem Planeten beeinflussen.

Der wichtigste Stoff für Menschen und andere lebende Organismen, der Bestandteil der Luft ist, ist Sauerstoff. In der Industrie werden große Mengen Sauerstoff verbraucht, daher ist es wichtig zu wissen, wie man ihn bekommt.

In einem chemischen Labor kann Sauerstoff durch Erhitzen einiger komplexer Substanzen gewonnen werden, zu denen Sauerstoffatome gehören. Zu diesen Stoffen gehört der Stoff KMnO 4, der in Ihrer Hausapotheke unter dem Namen „Kaliumpermanganat“ erhältlich ist.

Sie kennen die einfachsten Geräte zur Gewinnung von Gasen. Wird in eines dieser Geräte etwas KMnO 4 -Pulver gegeben und erhitzt, wird Sauerstoff freigesetzt (Abb. 76):

Sauerstoff kann auch durch Zersetzung von Wasserstoffperoxid H 2 O 2 gewonnen werden. Dazu wird eine sehr kleine Menge einer speziellen Substanz in ein Reagenzglas mit H 2 O 2 gegeben - Katalysator- und verschließen Sie das Reagenzglas mit einem Stopfen mit einem Gasauslassrohr (Abb. 77).

Der Katalysator für diese Reaktion ist eine Substanz mit der Formel MnO 2. Es findet folgende chemische Reaktion statt:

Beachten Sie, dass es weder auf der linken noch auf der rechten Seite der Gleichung eine Katalysatorformel gibt. Seine Formel wird in der Reaktionsgleichung meist über das Gleichheitszeichen geschrieben. Warum wird ein Katalysator hinzugefügt? Der Zersetzungsprozess von H 2 O 2 unter Raumbedingungen verläuft sehr langsam. Daher dauert es lange, nennenswerte Sauerstoffmengen zu erhalten. Diese Reaktion kann jedoch durch die Zugabe eines Katalysators drastisch beschleunigt werden.

Katalysator Eine Substanz, die eine chemische Reaktion beschleunigt, dabei aber selbst nicht verbraucht wird.

Gerade weil der Katalysator bei der Reaktion nicht verbraucht wird, schreiben wir seine Formel in keinem der Teile der Reaktionsgleichung auf.

Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung von Sauerstoff ist die Zersetzung von Wasser unter Einwirkung von elektrischem Gleichstrom. Dieser Vorgang wird aufgerufen Elektrolyse Wasser. Sie können Sauerstoff in das Gerät bekommen, schematisch dargestellt in Abbildung 78.

Es findet folgende chemische Reaktion statt:

Sauerstoff in der Natur

In der Atmosphäre ist eine große Menge gasförmigen Sauerstoffs enthalten, der in den Gewässern der Meere und Ozeane gelöst ist. Sauerstoff ist für alle lebenden Organismen zum Atmen unerlässlich. Ohne Sauerstoff wäre es unmöglich, Energie durch die Verbrennung verschiedener Arten von Brennstoffen zu gewinnen. Für diesen Bedarf werden jährlich etwa 2 % des Luftsauerstoffs verbraucht.

Woher kommt der Sauerstoff auf der Erde und warum bleibt seine Menge trotz des Verbrauchs annähernd konstant? Die einzige Sauerstoffquelle auf unserem Planeten sind grüne Pflanzen, die ihn unter Einwirkung von Sonnenlicht durch den Prozess der Photosynthese produzieren. Dies ist ein sehr komplexer Prozess mit vielen Schritten. Durch Photosynthese in den grünen Pflanzenteilen werden Kohlendioxid und Wasser in Glukose C 6 H 12 O 6 und Sauerstoff umgewandelt. Gesamt
Die Reaktionsgleichung bei der Photosynthese kann wie folgt dargestellt werden:

Es wurde festgestellt, dass etwa ein Zehntel (11 %) des von Grünpflanzen produzierten Sauerstoffs von Landpflanzen geliefert wird und die restlichen neun Zehntel (89 %) von Wasserpflanzen.

Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft

Riesige Sauerstoffreserven in der Atmosphäre ermöglichen seine Gewinnung und Nutzung in verschiedenen Industrien. Unter industriellen Bedingungen werden Sauerstoff, Stickstoff und einige andere Gase (Argon, Neon) aus der Luft gewonnen.

Dazu wird die Luft zunächst durch Abkühlung auf eine so tiefe Temperatur in eine Flüssigkeit (Abb. 79) überführt, bei der alle ihre Bestandteile in einen flüssigen Aggregatzustand übergehen.

Dann wird diese Flüssigkeit langsam erhitzt, wodurch bei unterschiedlichen Temperaturen die in der Luft enthaltenen Stoffe nacheinander verdampft werden (d. h. in einen gasförmigen Zustand übergehen). Durch das Sammeln von Gasen, die bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen, werden Stickstoff, Sauerstoff und andere Substanzen getrennt gewonnen.

Zusammenfassung der Lektion:

1. Unter Laborbedingungen wird Sauerstoff durch Zersetzung einiger komplexer Substanzen gewonnen, zu denen Sauerstoffatome gehören.
2. Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion beschleunigt, ohne verbraucht zu werden.
3. Die Sauerstoffquelle auf unserem Planeten sind grüne Pflanzen, in denen der Prozess der Photosynthese stattfindet.
4. In der Industrie wird Sauerstoff aus der Luft gewonnen.

Ich hoffe, Lektion 17 " Sauerstoff gewinnen“ war klar und informativ. Wenn Sie Fragen haben, schreiben Sie sie in die Kommentare.

Beim Schneiden von Metall wird dies durch eine Hochtemperatur-Gasflamme durchgeführt, die durch Verbrennen eines brennbaren Gases oder Flüssigkeitsdampfes, gemischt mit kommerziell reinem Sauerstoff, erhalten wird.

Sauerstoff ist das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde in Form chemischer Verbindungen mit verschiedenen Stoffen gefunden: in der Erde - bis zu 50 Massenprozent, in Kombination mit Wasserstoff in Wasser - etwa 86 Massenprozent und in der Luft - bis zu 21 Volumenprozent und 23 Massenprozent.

Sauerstoff ist unter normalen Bedingungen (Temperatur 20 ° C, Druck 0,1 MPa) ein farbloses, nicht brennbares Gas, etwas schwerer als Luft, geruchlos, aber aktiv die Verbrennung unterstützend. Bei normalem Atmosphärendruck und einer Temperatur von 0 ° C beträgt die Masse von 1 m 3 Sauerstoff 1,43 kg und bei einer Temperatur von 20 ° C und normalem Atmosphärendruck 1,33 kg.

Sauerstoff hat eine hohe Reaktivität, bildet Verbindungen mit allen chemischen Elementen außer (Argon, Helium, Xenon, Krypton und Neon). Die Reaktionen der Verbindung mit Sauerstoff verlaufen unter Freisetzung einer großen Wärmemenge, dh sie sind exothermer Natur.

Wenn komprimierter gasförmiger Sauerstoff mit organischen Substanzen, Ölen, Fetten, Kohlenstaub, brennbaren Kunststoffen in Kontakt kommt, können sie sich durch Wärmefreisetzung bei schneller Sauerstoffkompression, Reibung und Aufprall fester Partikel auf Metall sowie elektrostatische Funken selbst entzünden Entladung. Daher ist bei der Verwendung von Sauerstoff darauf zu achten, dass dieser nicht mit brennbaren und brennbaren Stoffen in Kontakt kommt.

Alle Sauerstoffgeräte, Sauerstoffleitungen und Flaschen müssen gründlich entfettet werden. es ist in der Lage, mit brennbaren Gasen oder flüssigen brennbaren Dämpfen über einen weiten Bereich explosionsfähige Gemische zu bilden, die auch bei Vorhandensein einer offenen Flamme oder sogar eines Funkens zu Explosionen führen können.

Die genannten Eigenschaften von Sauerstoff sollten beim Einsatz in Beflammungsprozessen immer beachtet werden.

Atmosphärische Luft ist hauptsächlich eine mechanische Mischung aus drei Gasen mit folgendem Volumengehalt: Stickstoff - 78,08%, Sauerstoff - 20,95%, Argon - 0,94%, der Rest ist Kohlendioxid, Distickstoffoxid usw. Sauerstoff wird durch Zerlegung von Luft gewonnen auf Sauerstoff und durch die Methode der Tiefkühlung (Verflüssigung) sowie die Abtrennung von Argon, dessen Einsatz stetig zunimmt. Beim Schweißen von Kupfer wird Stickstoff als Schutzgas verwendet.

Sauerstoff kann chemisch oder durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Chemische Methoden unproduktiv und unwirtschaftlich. Beim Wasserelektrolyse Gleichstromsauerstoff fällt als Nebenprodukt bei der Herstellung von reinem Wasserstoff an.

Sauerstoff wird in der Industrie hergestellt aus atmosphärischer Luft durch Tiefenkühlung und Rektifikation. In Anlagen zur Herstellung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft wird letztere von schädlichen Verunreinigungen gereinigt, in einem Kompressor auf den entsprechenden Druck des Kältekreislaufs von 0,6–20 MPa verdichtet und in Wärmetauschern auf eine Verflüssigungstemperatur abgekühlt, deren Differenz darin liegt die Temperatur der Sauerstoff- und Stickstoffverflüssigung beträgt 13 °C, was für ihre vollständige Trennung in der flüssigen Phase ausreicht.

In der Luftzerlegungsanlage sammelt sich flüssiger reiner Sauerstoff, verdampft und sammelt sich in einem Gasspeicher, von wo er mit einem Kompressor mit bis zu 20 MPa Druck in Flaschen gepumpt wird.

Durch die Pipeline wird auch technischer Sauerstoff transportiert. Der Druck des durch die Rohrleitung transportierten Sauerstoffs muss zwischen Hersteller und Verbraucher vereinbart werden. Sauerstoff wird in Sauerstoffflaschen und in flüssiger Form in speziellen Behältern mit guter Wärmedämmung an den Ort geliefert.

Um flüssigen Sauerstoff in Gas umzuwandeln, werden Vergaser oder Pumpen mit Flüssigsauerstoffverdampfern eingesetzt. Bei normalem Atmosphärendruck und einer Temperatur von 20 °C ergibt 1 dm 3 flüssiger Sauerstoff beim Verdampfen 860 dm 3 gasförmigen Sauerstoff. Daher ist es ratsam, Sauerstoff in flüssigem Zustand an die Schweißstelle zu liefern, da dies das Eigengewicht um das 10-fache reduziert, wodurch Metall für die Herstellung von Flaschen eingespart und die Kosten für Transport und Lagerung von Flaschen gesenkt werden.

Zum Schweißen und Schneiden nach -78 wird technischer Sauerstoff in drei Qualitäten hergestellt:

• 1. - Reinheit nicht weniger als 99,7%
• 2. - nicht weniger als 99,5 %
• 3. - nicht weniger als 99,2 Vol.-%

Die Reinheit des Sauerstoffs ist beim Autogenschneiden von großer Bedeutung. Je weniger Gasverunreinigungen es enthält, desto höher die Schnittgeschwindigkeit, sauberer und weniger Sauerstoffverbrauch.

Wir verstärken das Reagenzglas aus feuerfestem Glas auf einem Stativ und fügen 5 g Nitratpulver (Kaliumnitrat KNO 3 oder Natriumnitrat NaNO 3) hinzu. Stellen wir einen mit Sand gefüllten Becher aus feuerfestem Material unter das Reagenzglas, da bei diesem Versuch oft das Glas schmilzt und eine heiße Masse herausfließt. Daher halten wir beim Heizen den Brenner an der Seite. Wenn wir den Salpeter stark erhitzen, schmilzt er und Sauerstoff wird daraus freigesetzt (wir werden dies mit Hilfe einer schwelenden Fackel feststellen - er entzündet sich in einem Reagenzglas). In diesem Fall wird Kaliumnitrat zu KNO2-Nitrit. Dann werfen wir mit einer Tiegelzange oder Pinzette ein Stück Schneidschwefel in die Schmelze (niemals das Gesicht über das Reagenzglas halten).

Schwefel entzündet sich und brennt unter Freisetzung einer großen Wärmemenge. Der Versuch sollte bei geöffneten Fenstern durchgeführt werden (wegen der entstehenden Schwefeloxide). Das resultierende Natriumnitrit wird für nachfolgende Experimente aufbewahrt.

Der Prozess läuft wie folgt ab (durch Erhitzen):

2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2

Sie können Sauerstoff auf andere Weise erhalten.

Kaliumpermanganat KMnO 4 (Kaliumsalz der Mangansäure) gibt beim Erhitzen Sauerstoff ab und wird zu Mangan(IV)oxid:

4KMnO 4 → 4Mn 2 + 2K 2 O + 3O 2

oder 4KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 + O 2

Aus 10 g Kaliumpermanganat erhält man etwa einen Liter Sauerstoff, zwei Gramm reichen also aus, um fünf Reagenzgläser normaler Größe mit Sauerstoff zu füllen. Kaliumpermanganat kann in jeder Apotheke gekauft werden, wenn es nicht in der Hausapotheke enthalten ist.

Wir erhitzen eine bestimmte Menge Kaliumpermanganat in einem feuerfesten Reagenzglas und fangen den freigesetzten Sauerstoff in den Reagenzgläsern mit einem pneumatischen Bad auf. Die Kristalle werden geknackt und zerstört, und oft wird eine gewisse Menge staubiges Permanganat zusammen mit dem Gas mitgerissen. Das Wasser im pneumatischen Bad und das Ablaufrohr verfärben sich in diesem Fall rot. Nach Versuchsende reinigen wir das Bad und die Röhre mit einer Lösung aus Natriumthiosulfat (Hyposulfit) - einem Fotofixierer, den wir mit verdünnter Salzsäure leicht ansäuern.

Sauerstoff kann in großen Mengen auch aus Wasserstoffperoxid (Peroxid) H 2 O 2 gewonnen werden. Wir kaufen in einer Apotheke eine dreiprozentige Lösung - ein Desinfektionsmittel oder ein Präparat zur Wundbehandlung. Wasserstoffperoxid ist nicht sehr stabil. Bereits an der Luft zerfällt es in Sauerstoff und Wasser:

2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2

Durch Zusatz von etwas Mangandioxid MnO 2 (Pyrolusit), Aktivkohle, Metallpulver, Blut (geronnen oder frisch), Speichel zum Peroxid kann die Zersetzung deutlich beschleunigt werden. Diese Substanzen wirken als Katalysatoren.

Davon können wir uns überzeugen, wenn wir etwa 1 ml Wasserstoffperoxid mit einer der oben genannten Substanzen in ein kleines Reagenzglas geben und mit einem Test mit einem Splitter das Vorhandensein von freiwerdendem Sauerstoff feststellen. Setzt man in einem Becherglas 5 ml einer 3%igen Wasserstoffperoxidlösung mit der gleichen Menge Tierblut zu, schäumt die Mischung stark, der Schaum verhärtet sich und quillt durch die Freisetzung von Sauerstoffbläschen auf.

Dann testen wir die katalytische Wirkung einer 10% igen Lösung von Kupfer (II) -sulfat unter Zusatz von Kaliumhydroxid (Kalilauge), einer Lösung von Eisensulfat (P), einer Lösung von Eisen (III) -chlorid (mit und ohne die Zugabe von Eisenpulver), Natriumcarbonat, Chloridnatrium und organische Substanzen (Milch, Zucker, zerkleinerte Blätter grüner Pflanzen usw.). Nun haben wir aus Erfahrung gesehen, dass verschiedene Substanzen die Zersetzung von Wasserstoffperoxid katalytisch beschleunigen.

Katalysatoren erhöhen die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion, ohne verbraucht zu werden. Letztendlich reduzieren sie die Aktivierungsenergie, die benötigt wird, um die Reaktion anzuregen. Es gibt aber auch Substanzen, die das Gegenteil bewirken. Sie werden negative Katalysatoren, Antikatalysatoren, Stabilisatoren oder Inhibitoren genannt. Beispielsweise verhindert Phosphorsäure die Zersetzung von Wasserstoffperoxid. Daher wird eine handelsübliche Wasserstoffperoxidlösung üblicherweise mit Phosphor- oder Harnsäure stabilisiert.

Katalysatoren sind für viele chemisch-technologische Prozesse unverzichtbar. Aber auch in Wildtieren sind sogenannte Biokatalysatoren (Enzyme, Fermente, Hormone) an vielen Prozessen beteiligt. Da Katalysatoren bei Reaktionen nicht verbraucht werden, können sie bereits in geringen Mengen wirken. Ein Gramm Lab reicht aus, um 400-800 kg Milcheiweiß zu gerinnen.

Von besonderer Bedeutung für den Betrieb von Katalysatoren ist ihre Oberfläche. Zur Oberflächenvergrößerung werden poröse, rissige Stoffe mit ausgebildeter innerer Oberfläche verwendet, kompakte Stoffe oder Metalle auf sogenannte Träger gespritzt. Beispielsweise enthalten 100 g eines geträgerten Platinkatalysators nur etwa 200 mg Platin; 1 g Kompaktnickel hat eine Oberfläche von 0,8 cm 2 und 1 g Nickelpulver hat 10 mg. Dies entspricht einem Verhältnis von 1: 100.000; 1 g Aktivtonerde hat eine Oberfläche von 200 bis 300 m2, bei 1 g Aktivkohle liegt dieser Wert sogar bei 1000 m2. In manchen Katalysatoranlagen - mehrere Millionen Mark. So enthält ein 18 m hoher Benzinkontaktofen in Belen 9-10 Tonnen Katalysator.

Planen:

Entdeckungsgeschichte

Herkunft des Namens

In der Natur sein

Erhalt

Physikalische Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Anwendung

10. Isotope

Sauerstoff

Sauerstoff- ein Element der 16. Gruppe (nach der veralteten Klassifizierung - die Hauptuntergruppe der Gruppe VI), die zweite Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendeleev, mit der Ordnungszahl 8. Es wird mit dem Symbol O (lat . Sauerstoff). Sauerstoff ist ein reaktives Nichtmetall und das leichteste Element der Chalkogengruppe. einfache Substanz Sauerstoff(CAS-Nummer: 7782-44-7) unter normalen Bedingungen - ein farb-, geschmack- und geruchloses Gas, dessen Molekül aus zwei Sauerstoffatomen besteht (Formel O 2), in Verbindung mit dem es auch als Disauerstoff bezeichnet wird, flüssiger Sauerstoff hat hellblau, und der Feststoff besteht aus hellblauen Kristallen.

Es gibt andere allotrope Formen von Sauerstoff, zum Beispiel Ozon (CAS-Nummer: 10028-15-6) - unter normalen Bedingungen ein blaues Gas mit einem bestimmten Geruch, dessen Molekül aus drei Sauerstoffatomen besteht (Formel O 3).

Entdeckungsgeschichte

Es wird offiziell angenommen, dass der englische Chemiker Joseph Priestley am 1. August 1774 Sauerstoff entdeckte, indem er Quecksilberoxid in einem hermetisch verschlossenen Gefäß zersetzte (Priestley richtete die Sonnenstrahlen mit einer starken Linse auf diese Verbindung).

Priestley erkannte jedoch zunächst nicht, dass er eine neue einfache Substanz entdeckt hatte, er glaubte, einen der Bestandteile der Luft isoliert zu haben (und nannte dieses Gas "dephlogistierte Luft"). Priestley berichtete dem herausragenden französischen Chemiker Antoine Lavoisier von seiner Entdeckung. 1775 stellte A. Lavoisier fest, dass Sauerstoff ein wesentlicher Bestandteil von Luft und Säuren ist und in vielen Substanzen vorkommt.

Wenige Jahre zuvor (1771) hatte der schwedische Chemiker Carl Scheele Sauerstoff gewonnen. Er kalzinierte Salpeter mit Schwefelsäure und zersetzte anschließend das entstandene Stickoxid. Scheele nannte dieses Gas "feurige Luft" und beschrieb seine Entdeckung in einem 1777 veröffentlichten Buch (gerade weil das Buch später veröffentlicht wurde, als Priestley seine Entdeckung bekannt gab, gilt dieser als Entdecker des Sauerstoffs). Scheele berichtete auch Lavoisier von seinen Erfahrungen.

Eine wichtige Phase, die zur Entdeckung des Sauerstoffs beitrug, war die Arbeit des französischen Chemikers Pierre Bayen, der Arbeiten über die Oxidation von Quecksilber und die anschließende Zersetzung seines Oxids veröffentlichte.

Schließlich fand A. Lavoisier schließlich die Natur des resultierenden Gases heraus, indem er Informationen von Priestley und Scheele verwendete. Seine Arbeit war von großer Bedeutung, denn dank ihr wurde die damals dominierende Phlogiston-Theorie gestürzt, die die Entwicklung der Chemie behinderte. Lavoisier führte ein Experiment zur Verbrennung verschiedener Substanzen durch und widerlegte die Phlogiston-Theorie, indem er die Ergebnisse zum Gewicht der verbrannten Elemente veröffentlichte. Das Gewicht der Asche überstieg das Anfangsgewicht des Elements, was Lavoisier das Recht gab zu behaupten, dass bei der Verbrennung eine chemische Reaktion (Oxidation) der Substanz eintritt, in Verbindung damit die Masse der ursprünglichen Substanz zunimmt, was dies widerlegt Theorie des Phlogiston.

Somit wird der Verdienst für die Entdeckung des Sauerstoffs tatsächlich von Priestley, Scheele und Lavoisier geteilt.

Herkunft des Namens

Das Wort Sauerstoff (zu Beginn des 19. Jahrhunderts hieß es noch "Säure"), sein Erscheinen in der russischen Sprache ist teilweise auf M. V. Lomonosov zurückzuführen, der zusammen mit anderen Wortneuschöpfungen das Wort "Säure" einführte; so war das Wort "Sauerstoff" wiederum ein Pauspapier des Begriffs "Sauerstoff" (französisch oxygène), vorgeschlagen von A. Lavoisier (von anderen griechischen ὀξύς - "sauer" und γεννάω - "ich gebäre"), was übersetzt "Säure erzeugend" bedeutet, was mit seiner ursprünglichen Bedeutung verbunden ist - "Säure", was früher Substanzen bedeutete, die gemäß der modernen internationalen Nomenklatur Oxide genannt wurden.

In der Natur sein

Sauerstoff ist das häufigste Element auf der Erde, sein Anteil (als Teil verschiedener Verbindungen, hauptsächlich Silikate) macht etwa 47,4 % der Masse der festen Erdkruste aus. Meer- und Süßwasser enthalten eine große Menge an gebundenem Sauerstoff - 88,8 % (nach Masse), in der Atmosphäre beträgt der Gehalt an freiem Sauerstoff 20,95 % nach Volumen und 23,12 % nach Masse. Mehr als 1500 Verbindungen der Erdkruste enthalten Sauerstoff in ihrer Zusammensetzung.

Sauerstoff ist Bestandteil vieler organischer Substanzen und in allen lebenden Zellen vorhanden. In Bezug auf die Anzahl der Atome in lebenden Zellen beträgt sie etwa 25%, in Bezug auf den Massenanteil etwa 65%.

Erhalt

Derzeit wird in der Industrie Sauerstoff aus der Luft gewonnen. Die wichtigste industrielle Methode zur Gewinnung von Sauerstoff ist die kryogene Destillation. Auch in der Industrie sind Sauerstoffanlagen auf Basis der Membrantechnologie bekannt und erfolgreich im Einsatz.

In Labors wird industrieller Sauerstoff verwendet, der in Stahlflaschen unter einem Druck von etwa 15 MPa geliefert wird.

Geringe Sauerstoffmengen können durch Erhitzen von Kaliumpermanganat KMnO 4 gewonnen werden:

Die Reaktion der katalytischen Zersetzung von Wasserstoffperoxid H 2 O 2 in Gegenwart von Mangan (IV) -oxid wird ebenfalls verwendet:

Sauerstoff kann durch katalytische Zersetzung von Kaliumchlorat (Bertolet-Salz) KClO 3 gewonnen werden:

Labormethoden zur Sauerstofferzeugung umfassen die Methode der Elektrolyse wässriger Lösungen von Alkalien sowie die Zersetzung von Quecksilber (II) -oxid (bei t = 100 ° C):

Auf U-Booten wird es normalerweise durch die Reaktion von Natriumperoxid und Kohlendioxid gewonnen, das von einer Person ausgeatmet wird:

Physikalische Eigenschaften

In den Ozeanen ist der Gehalt an gelöstem O 2 in kaltem Wasser größer und in warmem Wasser geringer.

Unter normalen Bedingungen ist Sauerstoff ein farb-, geschmack- und geruchloses Gas.

1 Liter davon hat eine Masse von 1,429 g und ist etwas schwerer als Luft. Leicht löslich in Wasser (4,9 ml/100 g bei 0 °C, 2,09 ml/100 g bei 50 °C) und Alkohol (2,78 ml/100 g bei 25 °C). Es löst sich gut in geschmolzenem Silber (22 Volumina O 2 in 1 Volumen Ag bei 961 °C). Interatomarer Abstand - 0,12074 nm. Es ist paramagnetisch.

Wenn gasförmiger Sauerstoff erhitzt wird, erfolgt seine reversible Dissoziation in Atome: bei 2000 °C - 0,03 %, bei 2600 °C - 1 %, 4000 °C - 59 %, 6000 °C - 99,5 %.

Flüssiger Sauerstoff (Siedepunkt –182,98 °C) ist eine hellblaue Flüssigkeit.

O 2 Phasendiagramm

Fester Sauerstoff (Schmelzpunkt –218,35 °C) – blaue Kristalle. Es sind sechs kristalline Phasen bekannt, von denen drei bei einem Druck von 1 atm existieren:

&agr;-O 2 – existiert bei Temperaturen unter 23,65 K; hellblaue Kristalle gehören zum monoklinen System, Zellparameter a=5.403 Å, b=3.429 Å, c=5.086 Å; β=132,53°.

β-O 2 – liegt im Temperaturbereich von 23,65 bis 43,65 K vor; hellblaue Kristalle (mit zunehmendem Druck wird die Farbe rosa) haben ein rhomboedrisches Gitter, Zellparameter a=4,21 Å, α=46,25°.

γ-O 2 – existiert bei Temperaturen von 43,65 bis 54,21 K; hellblaue Kristalle haben kubische Symmetrie, Gitterperiode a=6,83 Å.

Bei hohen Drücken bilden sich drei weitere Phasen:

δ-O 2 Temperaturbereich 20–240 K und Druck 6–8 GPa, orangefarbene Kristalle;

ε-O 4 -Druck von 10 bis 96 GPa, Kristallfarbe von dunkelrot bis schwarz, monoklines System;

ζ-O n Druck mehr als 96 GPa, metallischer Zustand mit einem charakteristischen metallischen Glanz, bei niedrigen Temperaturen in einen supraleitenden Zustand übergeht.

Chemische Eigenschaften

Ein starkes Oxidationsmittel, das mit fast allen Elementen interagiert und Oxide bildet. Die Oxidationsstufe ist –2. Die Oxidationsreaktion läuft in der Regel unter Wärmeabgabe ab und beschleunigt sich mit steigender Temperatur (siehe Verbrennung). Ein Beispiel für Reaktionen, die bei Raumtemperatur ablaufen:

Oxidiert Verbindungen, die Elemente mit einem nicht maximalen Oxidationszustand enthalten:

Oxidiert die meisten organischen Verbindungen:

Unter bestimmten Bedingungen ist es möglich, eine milde Oxidation einer organischen Verbindung durchzuführen:

Sauerstoff reagiert direkt (unter Normalbedingungen, beim Erhitzen und/oder in Gegenwart von Katalysatoren) mit allen einfachen Stoffen, außer mit Au und Edelgasen (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); Reaktionen mit Halogenen treten unter dem Einfluss einer elektrischen Entladung oder ultravioletter Strahlung auf. Goldoxide und schwere Inertgase (Xe, Rn) wurden indirekt erhalten. In allen Zwei-Element-Verbindungen von Sauerstoff mit anderen Elementen spielt Sauerstoff die Rolle eines Oxidationsmittels, mit Ausnahme von Verbindungen mit Fluor

Sauerstoff bildet Peroxide mit der Oxidationsstufe des Sauerstoffatoms formal gleich –1.

Beispielsweise werden Peroxide durch Verbrennen von Alkalimetallen in Sauerstoff gewonnen:

Einige Oxide absorbieren Sauerstoff:

Nach der von A. N. Bach und K. O. Engler entwickelten Verbrennungstheorie erfolgt die Oxidation in zwei Stufen unter Bildung einer intermediären Peroxidverbindung. Diese Zwischenverbindung kann beispielsweise isoliert werden, wenn eine Flamme aus brennendem Wasserstoff mit Eis gekühlt wird, zusammen mit Wasser entsteht Wasserstoffperoxid:

In Superoxiden hat Sauerstoff formal eine Oxidationsstufe von −½, d. h. ein Elektron pro zwei Sauerstoffatome (das O − 2-Ion). Erhalten durch die Wechselwirkung von Peroxiden mit Sauerstoff bei erhöhtem Druck und Temperatur:

Kalium K, Rubidium Rb und Cäsium Cs reagieren mit Sauerstoff zu Superoxiden:

Im Dioxygenylion O 2+ hat Sauerstoff formal eine Oxidationsstufe von +½. Get-by-Reaktion:

Sauerstofffluoride

Sauerstoffdifluorid, OF 2 Sauerstoff Oxidationsstufe +2, wird durch Leiten von Fluor durch eine Alkalilösung erhalten:

Sauerstoffmonofluorid (Dioxydifluorid), O 2 F 2 , ist instabil, die Oxidationsstufe des Sauerstoffs ist +1. Erhalten aus einer Mischung von Fluor und Sauerstoff in einer Glimmentladung bei einer Temperatur von –196 ° C:

Beim Durchleiten einer Glimmentladung durch eine Mischung aus Fluor mit Sauerstoff bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur werden Mischungen aus höheren Sauerstofffluoriden O 3 F 2, O 4 F 2, O 5 F 2 und O 6 F 2 erhalten.

Quantenmechanische Berechnungen sagen die stabile Existenz des OF 3 + Trifluorhydroxonium-Ions voraus. Wenn dieses Ion wirklich existiert, beträgt die Oxidationsstufe des darin enthaltenen Sauerstoffs +4.

Sauerstoff unterstützt die Prozesse der Atmung, Verbrennung und Zersetzung.

In seiner freien Form existiert das Element in zwei allotropen Modifikationen: O 2 und O 3 (Ozon). Wie 1899 von Pierre Curie und Maria Sklodowska-Curie festgestellt wurde, verwandelt sich O 2 unter dem Einfluss ionisierender Strahlung in O 3.

Anwendung

Die weitverbreitete industrielle Nutzung von Sauerstoff begann Mitte des 20. Jahrhunderts nach der Erfindung von Turboexpandern – Geräten zur Verflüssigung und Zerlegung flüssiger Luft.

BEIMMetallurgie

Das Konverterverfahren der Stahlherstellung oder der Mattenverarbeitung ist mit dem Einsatz von Sauerstoff verbunden. In vielen metallurgischen Einheiten wird zur effizienteren Verbrennung von Brennstoff anstelle von Luft ein Sauerstoff-Luft-Gemisch in Brennern verwendet.

Schweißen und Schneiden von Metallen

Sauerstoff in blauen Zylindern wird häufig zum Brennschneiden und Schweißen von Metallen verwendet.

Raketentreibstoff

Als Oxidationsmittel für Raketentreibstoff werden flüssiger Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Salpetersäure und andere sauerstoffreiche Verbindungen verwendet. Eine Mischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Ozon ist eines der stärksten Oxidationsmittel für Raketentreibstoff (der spezifische Impuls einer Wasserstoff-Ozon-Mischung übersteigt den spezifischen Impuls für ein Wasserstoff-Fluor- und Wasserstoff-Sauerstoff-Fluorid-Paar).

BEIMMedizin

Medizinischer Sauerstoff wird in blauen Hochdruck-Gasflaschen aus Metall (für komprimierte oder verflüssigte Gase) mit unterschiedlichem Fassungsvermögen von 1,2 bis 10,0 Liter unter einem Druck von bis zu 15 MPa (150 atm) gelagert und zur Anreicherung von Atemgasgemischen in Anästhesiegeräten verwendet Atemversagen, zur Linderung eines Anfalls von Bronchialasthma, zur Beseitigung von Hypoxie jeglicher Ursache, bei Dekompressionskrankheit, zur Behandlung von Erkrankungen des Gastrointestinaltrakts in Form von Sauerstoffcocktails. Für den individuellen Gebrauch wird medizinischer Sauerstoff aus Flaschen in spezielle gummierte Behälter gefüllt - Sauerstoffkissen. Um ein oder zwei Opfer im Feld oder in einem Krankenhaus gleichzeitig mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff-Luft-Gemisch zu versorgen, werden Sauerstoffinhalatoren verschiedener Modelle und Modifikationen verwendet. Der Vorteil eines Sauerstoffinhalators ist das Vorhandensein eines Kondensator-Befeuchters des Gasgemisches, der die Feuchtigkeit der ausgeatmeten Luft nutzt. Um die in der Flasche verbleibende Sauerstoffmenge in Litern zu berechnen, wird normalerweise der Druck in der Flasche in Atmosphären (gemäß dem Manometer des Druckminderers) mit dem Flascheninhalt in Litern multipliziert. Beispielsweise zeigt das Manometer in einer Flasche mit einem Fassungsvermögen von 2 Litern einen Sauerstoffdruck von 100 atm an. Das Sauerstoffvolumen beträgt in diesem Fall 100 × 2 = 200 Liter.

BEIMNahrungsmittelindustrie

In der Lebensmittelindustrie ist Sauerstoff als Lebensmittelzusatzstoff E948, als Treib- und Verpackungsgas registriert.

BEIMChemieindustrie

In der chemischen Industrie wird Sauerstoff als Oxidationsmittel in zahlreichen Synthesen eingesetzt, beispielsweise die Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu sauerstoffhaltigen Verbindungen (Alkohole, Aldehyde, Säuren), Ammoniak zu Stickoxiden bei der Herstellung von Salpetersäure. Aufgrund der hohen Temperaturen, die während der Oxidation entwickelt werden, werden letztere häufig im Verbrennungsmodus durchgeführt.

BEIMLandwirtschaft

In Gewächshäusern, zur Herstellung von Sauerstoffcocktails, zur Gewichtszunahme bei Tieren, zur Anreicherung der Gewässer mit Sauerstoff in der Fischzucht.

Die biologische Rolle des Sauerstoffs

Notversorgung mit Sauerstoff in einem Luftschutzbunker

Die meisten Lebewesen (Aerobier) atmen Sauerstoff aus der Luft. Sauerstoff ist in der Medizin weit verbreitet. Bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen wird zur Verbesserung von Stoffwechselvorgängen Sauerstoffschaum („Sauerstoffcocktail“) in den Magen gespritzt. Die subkutane Sauerstoffverabreichung wird bei trophischen Geschwüren, Elephantiasis, Gangrän und anderen schweren Erkrankungen eingesetzt. Die künstliche Anreicherung mit Ozon wird zur Desinfektion und Desodorierung der Luft und zur Reinigung des Trinkwassers eingesetzt. Das radioaktive Isotop von Sauerstoff 15 O wird verwendet, um die Blutflussrate und die Lungenventilation zu untersuchen.

Giftige Sauerstoffderivate

Einige Sauerstoffderivate (sogenannte reaktive Sauerstoffspezies) wie Singulettsauerstoff, Wasserstoffperoxid, Superoxid, Ozon und das Hydroxylradikal sind hochgiftige Produkte. Sie entstehen bei der Aktivierung oder partiellen Reduktion von Sauerstoff. Superoxide (Superoxidradikale), Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale können in den Zellen und Geweben des menschlichen und tierischen Körpers gebildet werden und oxidativen Stress verursachen.

Isotope

Sauerstoff hat drei stabile Isotope: 16 O, 17 O und 18 O, deren durchschnittlicher Gehalt jeweils 99,759 %, 0,037 % und 0,204 % der Gesamtzahl der Sauerstoffatome auf der Erde beträgt. Das starke Überwiegen des leichtesten von ihnen, 16 O, im Isotopengemisch ist darauf zurückzuführen, dass der Kern des 16 O-Atoms aus 8 Protonen und 8 Neutronen besteht (doppelter magischer Kern mit gefüllter Neutronen- und Protonenhülle). Und solche Kerne haben, wie aus der Theorie der Struktur des Atomkerns hervorgeht, eine besondere Stabilität.

Bekannt sind auch radioaktive Sauerstoffisotope mit Massenzahlen von 12 O bis 24 O. Alle radioaktiven Sauerstoffisotope haben eine kurze Halbwertszeit, das langlebigste von ihnen ist 15 O mit einer Halbwertszeit von ~120 s. Das kurzlebigste 12 O-Isotop hat eine Halbwertszeit von 5,8·10 −22 s.

Guten Tag. Sie haben bereits meine Artikel im Tutoronline.ru-Blog gelesen. Heute erzähle ich Ihnen von Sauerstoff und wie man ihn bekommt. Ich erinnere Sie daran, wenn Sie Fragen an mich haben, können Sie diese in die Kommentare zum Artikel schreiben. Wenn Sie Hilfe in Chemie benötigen, melden Sie sich für meine Kurse im Stundenplan an. Ich helfe Ihnen gerne weiter.

Sauerstoff ist in der Natur in Form der Isotope 16 O, 17 O, 18 O verteilt, die auf der Erde den folgenden Prozentsatz haben - 99,76 %, 0,048 % bzw. 0,192 %.

Im freien Zustand liegt Sauerstoff in Form von drei vor Allotrope Modifikationen : Atomsauerstoff - O o, Disauerstoff - O 2 und Ozon - O 3. Darüber hinaus kann atomarer Sauerstoff wie folgt erhalten werden:

KClO 3 \u003d KCl + 3O 0

KNO3 = KNO2 + O0

Sauerstoff ist Bestandteil von mehr als 1400 verschiedenen Mineralien und organischen Substanzen, in der Atmosphäre beträgt sein Anteil 21 Vol.-%. Der menschliche Körper enthält bis zu 65 % Sauerstoff. Sauerstoff ist ein farb- und geruchloses Gas, das in Wasser schwer löslich ist (3 Volumina Sauerstoff lösen sich in 100 Volumina Wasser bei 20 ° C auf).

Im Labor wird Sauerstoff durch mäßiges Erhitzen bestimmter Substanzen gewonnen:

1) Beim Abbau von Manganverbindungen (+7) und (+4):

2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
Permanganat Manganat
Kalium Kalium

2MnO 2 → 2MnO + O 2

2) Wenn Perchlorate zersetzt werden:

2KClO 4 → KClO 2 + KCl + 3O 2
Perchlorat
Kalium

3) Bei der Zersetzung von Berthollet-Salz (Kaliumchlorat).
Dabei entsteht atomarer Sauerstoff:

2KClO 3 → 2KCl + 6O 0
Chlorat
Kalium

4) Wenn sich die Salze der Hypochlorsäure im Licht zersetzen- Hypochlorite:

2NaClO → 2NaCl + O 2

Ca(ClO) 2 → CaCl 2 + O 2

5) Beim Erhitzen von Nitraten.
Dabei entsteht atomarer Sauerstoff. Je nachdem, welche Position das Nitratmetall in der Aktivitätsreihe einnimmt, entstehen verschiedene Reaktionsprodukte:

2NaNO 3 → 2NaNO 2 + O 2

Ca(NO 3) 2 → CaO + 2NO 2 + O 2

2AgNO 3 → 2 Ag + 2NO 2 + O 2

6) Beim Abbau von Peroxiden:

2H 2 O 2 ↔ 2H 2 O + O 2

7) Beim Erhitzen von Oxiden inaktiver Metalle:

2Ag 2 O ↔ 4Ag + O 2

Dieser Prozess ist im Alltag relevant. Tatsache ist, dass Geschirr aus Kupfer oder Silber mit einer natürlichen Oxidschicht beim Erhitzen aktiven Sauerstoff bildet, was eine antibakterielle Wirkung hat. Auch die Auflösung von Salzen inaktiver Metalle, insbesondere von Nitraten, führt zur Sauerstoffbildung. Beispielsweise lässt sich der Gesamtprozess der Auflösung von Silbernitrat stufenweise darstellen:

AgNO 3 + H 2 O → AgOH + HNO 3

2AgOH → Ag 2 O + O 2

2Ag 2 O → 4Ag + O 2

oder zusammengefasst:

4AgNO 3 + 2H 2 O → 4Ag + 4HNO 3 + 7O 2

8) Beim Erhitzen von Chromsalzen der höchsten Oxidationsstufe:

4K 2 Cr 2 O 7 → 4K 2 CrO 4 + 2Cr 2 O 3 + 3 O 2
Dichromat Chromat
Kalium Kalium

In der Industrie wird Sauerstoff gewonnen:

1) Elektrolytische Zersetzung von Wasser:

2H 2 O → 2H 2 + O 2

2) Wechselwirkung von Kohlendioxid mit Peroxiden:

CO 2 + K 2 O 2 → K 2 CO 3 + O 2

Diese Methode ist eine unverzichtbare technische Lösung für das Problem des Atmens in isolierten Systemen: U-Boote, Minen, Raumfahrzeuge.

3) Wenn Ozon mit Reduktionsmitteln interagiert:

O 3 + 2 KJ + H 2 O → J 2 + 2 KOH + O 2

Von besonderer Bedeutung ist die Sauerstoffproduktion bei der Photosynthese. in Pflanzen vorkommen. Alles Leben auf der Erde hängt grundlegend von diesem Prozess ab. Die Photosynthese ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess. Der Anfang gibt ihm Licht. Die Photosynthese selbst besteht aus zwei Phasen: hell und dunkel. Der in den Blättern der Pflanzen enthaltene Farbstoff Chlorophyll bildet in der Lichtphase den sogenannten „lichtabsorbierenden“ Komplex, der dem Wasser Elektronen entzieht und es dabei in Wasserstoffionen und Sauerstoff spaltet:

2H 2 O \u003d 4e + 4H + O 2

Die angesammelten Protonen tragen zur Synthese von ATP bei:

ADP + F = ATP

In der Dunkelphase werden Kohlendioxid und Wasser in Glukose umgewandelt. Und Sauerstoff wird als Nebenprodukt freigesetzt:

6CO 2 + 6 H 2 O \u003d C 6 H 12 O 6 + O 2

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