Sauerstoff: Element Eigenschaften und Verwendungen

Sauerstoff ist ein lebenswichtiges Element in der Erdatmosphäre, das für Lebensprozesse und verschiedene industrielle Anwendungen entscheidend ist. Er wird häufig in der Medizin, in der Fertigung und in chemischen Prozessen verwendet.

Einführung in das Element

Sauerstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol O und der Ordnungszahl 8. Es gehört zur Chalkogengruppe des Periodensystems und wird als Nichtmetall eingestuft. In seiner bekanntesten Form existiert Sauerstoff als zweiatomiges Gas (O₂), das etwa 21 % der Erdatmosphäre ausmacht und damit nach Stickstoff der zweithäufigste Bestandteil ist. Sauerstoff ist für die aerobe Atmung der meisten lebenden Organismen unerlässlich und spielt eine wichtige Rolle bei Oxidations-Reduktionsreaktionen, die in biologischen Systemen Energie freisetzen.

Geschichte und Namensgebung

Obwohl Sauerstoff seit Milliarden von Jahren auf der Erde existiert, wurde er erst Ende des 17. Jahrhunderts als eigenständiges Element anerkannt. Im Jahr 1772 stellte der schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele durch Erhitzen von Quecksilberoxid und anderen Verbindungen Sauerstoff her, doch seine Ergebnisse wurden erst später veröffentlicht. Unabhängig davon erzeugte der englische Wissenschaftler Joseph Priestley 1774 das gleiche Gas und bezeichnete es als "dephlogisierte Luft", was die vorherrschende Phlogistontheorie der Verbrennung widerspiegelt.

Die wahre Natur des Sauerstoffs wurde von Antoine-Laurent Lavoisier geklärt, der ihn als Element anerkannte und seine zentrale Rolle bei Verbrennung und Atmung nachwies. Lavoisier nannte das Element "Sauerstoff", abgeleitet von den griechischen Wörtern oxys (Säure) und genes (bilden), weil er glaubte, Sauerstoff sei ein universeller Bestandteil von Säuren. Obwohl sich diese Annahme später als falsch erwies, blieb der Name bestehen und ist bis heute einer der bekanntesten in der Chemie.

Vorkommen und allgemeine Eigenschaften

Sauerstoff ist in der Natur außerordentlich reichlich vorhanden. Er ist das massenmäßig häufigste Element in der Erdkruste, vor allem in Form von Oxiden und Silikaten, und das dominierende Element im Meerwasser, wenn man den Wasserstoff ausschließt. In der Atmosphäre kommt Sauerstoff hauptsächlich als O₂ vor, wobei ein kleiner Teil als Ozon (O₃) in der Stratosphäre vorhanden ist, wo er schädliche ultraviolette Strahlung absorbiert.

Chemisch gesehen ist Sauerstoff ein hochreaktives Oxidationsmittel. Er nimmt bereitwillig Elektronen von anderen Elementen auf, bildet stabile Oxide und setzt große Mengen an Energie frei. Diese Eigenschaft liegt sowohl kontrollierten Prozessen wie der Atmung und der industriellen Verbrennung als auch unkontrollierten Prozessen wie der Korrosion und Bränden zugrunde.

Physikalisch gesehen ist Sauerstoff bei Raumtemperatur ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Bei Abkühlung unter -183 °C kondensiert er zu einer blassblauen Flüssigkeit, und bei -218,8 °C erstarrt er. Flüssiger Sauerstoff ist stark paramagnetisch, eine Eigenschaft, die es ihm ermöglicht, von einem Magnetfeld angezogen zu werden.

Kommerzielle Produktion und industrielle Nutzung

Wenn große Mengen an Sauerstoff benötigt werden, ist die gebräuchlichste Produktionsmethode die fraktionierte Destillation von flüssiger Luft. Bei diesem Verfahren werden die unterschiedlichen Siedepunkte der Hauptbestandteile der Luft ausgenutzt. Da Sauerstoff einen höheren Siedepunkt hat als Stickstoff und Argon, ist er weniger flüchtig und kann effizient abgetrennt werden.

Das industrielle Verfahren umfasst in der Regel mehrere Schritte: Die Luft wird zunächst gefiltert, um Staub und Partikel zu entfernen; Feuchtigkeit und Kohlendioxid werden mit Hilfe alkalischer Lösungen absorbiert; die gereinigte Luft wird dann komprimiert und abgekühlt, um die Kompressionswärme zu entfernen. Ein Teil der komprimierten Luft kann sich ausdehnen, wodurch die Temperatur weiter sinkt, bis sich das Gemisch bei etwa -196 °C verflüssigt. Die flüssige Luft wird allmählich erwärmt und destilliert: Zunächst werden die leichteren Edelgase entfernt, dann wird Stickstoff abgetrennt, und schließlich wird hochreiner flüssiger Sauerstoff gewonnen. Durch wiederholte Fraktionierung kann Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von bis zu 99,5 % gewonnen werden, der für die meisten industriellen Anwendungen geeignet ist.

Die Stahlindustrie ist der größte Verbraucher von reinem Sauerstoff. In Sauerstofföfen wird Sauerstoff durch geschmolzenes Eisen mit hohem Kohlenstoffgehalt geblasen, um Kohlenstoff und andere Verunreinigungen schneller und kontrollierbarer zu entfernen als mit gewöhnlicher Luft. Auch in der Abwasserbehandlung, wo er die biologische Zersetzung fördert, und in geschlossenen Systemen für die Abfallverbrennung wird Sauerstoff häufig eingesetzt.

In der Luft- und Raumfahrttechnik dient flüssiger Sauerstoff (LOX) als starkes Oxidationsmittel in Raketenantriebssystemen. Sein Verbrauch hängt vom Umfang und der Häufigkeit der Raumfahrtmissionen ab. Reiner Sauerstoff ist auch in U-Booten und Taucherglocken lebenswichtig, wo er das Leben in abgeschlossenen Umgebungen unterstützt.

In der chemischen Industrie hat sauerstoffangereicherte Luft oder kommerzieller Sauerstoff normale Luft bei der Herstellung von Acetylen, Ethylenoxid, Methanol und anderen oxidationskontrollierten Chemikalien ersetzt. In der Medizin ist Sauerstoff in Sauerstoffzelten, Inhalatoren, Neugeborenen-Inkubatoren und Anästhesiesystemen unverzichtbar, um Patienten während Operationen und Atemtherapien zu versorgen. Darüber hinaus spielt Sauerstoff eine entscheidende Rolle in der Ofenindustrie, z. B. in der Glas-, Zement- und Keramikindustrie, wo er die Verbrennungseffizienz und die Temperaturkontrolle verbessert.

Häufig gestellte Fragen

Wie sieht Sauerstoff aus, und wo ist er zu finden?
Sauerstoff ist bei Raumtemperatur ein farbloses, geruchloses Gas. Es kommt in der Atmosphäre vor, ist in Wasser gelöst, in Mineralien gebunden und in fast allen lebenden Organismen enthalten.

Warum ist Sauerstoff so wichtig für lebende Organismen?
Sauerstoff ermöglicht die aerobe Atmung, wodurch die Zellen Nährstoffe in nutzbare Energie in Form von ATP umwandeln können. Ohne Sauerstoff können die meisten komplexen Lebensformen nicht überleben.

Wie nutzen Pflanzen und Tiere den Sauerstoff?
Tiere atmen Sauerstoff ein, um ihre Atmung anzutreiben, während Pflanzen Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese freisetzen und auch bei ihrer eigenen Zellatmung Sauerstoff verbrauchen.

Wie wird Sauerstoff in der Industrie und in der Medizin hergestellt und verwendet?
In der Industrie wird Sauerstoff hauptsächlich durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft hergestellt und in der Stahlerzeugung, der chemischen Synthese, der Wasseraufbereitung und dem Raketenantrieb verwendet. In der Medizin wird er zur Unterstützung von Patienten mit Atembeschwerden, zur Aufrechterhaltung der Narkose und zur Aufrechterhaltung des Lebens in kritischen Situationen eingesetzt.