Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 01.04.16

Sauerstoff - ein nicht ganz gewöhnliches Element

Vortrag von Stefanie Hauck im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 07/08

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Gliederung:

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Feuer-Machen ist für uns Menschen in der heutigen Zeit das Normalste auf der Welt, doch diese Kunstfertigkeit war eine der wichtigsten Stufen der Entstehung des Menschen. Die notwendigen Utensilien zum Entzünden eines Feuers sind: ein Brennstoff, ein Funke (sog. Initialzündung) und Sauerstoff, genauer gesagt Disauerstoff, welches ein Molekül aus zwei Sauerstoffatomen ist. Es existiert auch noch eine zweite Modifikation des atomaren Sauerstoffes, der Trisauerstoff oder auch Ozon genannt, der in diesem Vortrag nicht behandelt wird.

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1 Experiment

Material:  Chemikalien:
bullet2g Pyrogallol 
bullet10g Kaliumcarbonat 
bullet10ml Formaldehydlösung
bullet15ml Wasserstoffperoxid
bullet40ml Wasser
Geräte:
bullet4 Reagenzgläser d=16mm
bullethohes Becherglas 500ml
bulletMagnetrührstäbchen
bulletMagnetrührer
bulletReagenzglasständer
Durchführung: 

Man stellt in einem Reagenzglas eine Lösung von 2g Pyrogallol in 20ml Wasser her und stellt sie in den Reagenzglasständer. Im zweiten Reagenzglas werden 10g Kaliumcarbonat in 20ml Wasser gelöst und ebenfalls zur Seite gestellt. In das dritte Reagenzglas füllt man 10ml Formaldehydlösung und in das vierte 15ml Wasserstoffperoxid und stellt diese beiden auch in den Reagenzglasständer. Nun gibt man das gelöste Pyrogallol, das gelöste Kaliumcarbonat und die Formaldehydlösung in das hohe Becherglas, in dem sich das Magnetrührstäbchen befindet und stellt das Becherglas auf den Magnetrührer. Der Raum wird abgedunkelt und unter Rühren werden die 15ml Wasserstoffperoxid hinzugegeben.

Beobachtung: Nach ca. 2 min ist ein leichtes Leuchten der Flüssigkeit wahrzunehmen. Nach ca. 3 min schäumt sie auf und leuchtet kräftiger.
Abb. 1: Chemolumineszenz nach 2 min [4] Abb. 2: Chemolumineszenz nach 3 min [4]
Erklärung: Es fand eine Redoxreaktion statt, indem Pyrogallol zu 3-Hydroxy-1,2-benzochinon oxidiert und Wasserstoffperoxid zu Wasser reduziert wurde. Dabei entstand außerdem Singulett-Sauerstoff, der für das Leuchten verantwortlich ist.

Das beobachtete Leuchten nennt sich Chemolumineszenz, d. h. bei einer chemischen Reaktion wird Licht emittiert, das nicht thermischen Ursprungs ist. Diese Emission von Licht ist eine Folge des Übergangs eines Elektrons von einem angeregten in einen energetisch tiefer liegenden Zustand. 

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2 Atomarer Disauerstoff

Sauerstoff ist das einzige gebräuchliche Gas, das vom Magnetfeld angezogen wird. Das bedeutet, es muss paramagnetisch sein, also ungepaarte Elektronen besitzen (Michael Faraday 1845). Folglich liegt der Disauerstoff in seinem Grundzustand als Triplett-Sauerstoff vor:


Abb. 3:
Molekülorbitalmodell

Nach der Bindungsordnung (BO = bindende Elektronenpaare - antibindende Elektronenpaare, hier: 4 - (1 + 2*1/2) = 2) müssen die beiden Sauerstoffatome durch eine Doppelbindung verbunden sein.

Außerdem folgt aus den beiden ungepaarte Elektronen in den antibindenden  pi-Orbitalen, dass das Molekül ein Diradikal sein muss.

Der Disauerstoff im Triplett-Zustand ist also ein Diradikal mit Doppelbindung, was in der Lewis-Schreibweise nicht vereinbart werden kann. Diesen Sachverhalt kann man nur am Molekülorbital-Schema erkennen.

Durch Energiezufuhr von ca. 158 kJ/mol kann es zu einer Spinumkehr eines der ungepaarten Elektronen kommen, womit der Sauerstoff nun diamagnetisch wäre. Diesen nennt man Singulett-Sauerstoff. Aus diesem Zustand kann der Singulett-Sauerstoff nicht nur zum Triplett-Sauerstoff desaktiviert werden, auch ein Übergang in einen weiteren energieärmeren Singulett-Zustand ist hier möglich. Hierbei wechselt ein Elektron in das schon vom anderen Elektron besetzte Orbital.


Abb. 4:
Lebensdauer der Sauerstoffzustände

Die längere Lebensdauer des energieärmeren Singulett-Sauerstoffes (10-4 s im Vgl. zu 10-9s) hängt mit der verbotenen Spinumkehr zusammen. Die Desaktivierung dieses Singulett-Zustandes ist also thermodynamisch gehemmt, doch dieses Problem wird vom Sauerstoff gelöst, indem zwei Singulett-Sauerstoff-Moleküle gegenseitig jeweils ein Elektron austauschen. Bei dieser Desaktivierung wird Energie in Form von langwelligem sichtbaren Licht frei.

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3 Ionen des Disauerstoffes

Die Ionen des Disauerstoffes sind: 

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O22- = Peroxid-Anion, mit der Oxidationszahl -1

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O2- = Hyperoxid-Anion, mit der Oxidationszahl - 1/2

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O2+ = Disauerstoff-Kation, mit der Oxidationszahl + 1/2

Wenn man sich die Molekülorbitale dieser Ionen betrachtet, stellt man fest, dass sich immer ein Elektron weniger im antibindenden pi-Orbital befindet, als im vorherigen Molekül.

Abb. 5: Molekülorbitale der Sauerstoffionen

Das hat zur Folge, dass sich die Bindungslängen von links nach rechts jeweils um ca. 10pm verkürzen, da die bindenden Orbitale immer weniger durch die antibindenden "ausgeglichen" werden. Je mehr Elektronen sich in den antibindenden Orbitalen befinden, desto länger wird die Bindung. Folglich steigt die Dissoziationsenegie in umgekehrter Richtung.

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4 Sauerstoff in der Natur

Sauerstoff ist in unserem Sonnensystem nach Wasserstoff und Helium das dritthäufigste Element, aber mit gerade mal 0,8 Massenprozent. Dagegen auf der Erde ist es das häufigste und am weitesten verbreitete Element mit 50,5 Prozent Massenanteil an Lithosphäre, Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosphäre. Sauerstoff ist ein farbloses, geruchloses Gas, das bei -183 Grad Celsius zu einer hellblauen Flüssigkeit kondensiert und bei -219 Grad Celsius fest wird.

Singulett-Sauerstoff wird in der Atmosphäre durch UV-Strahlung erzeugt und ist mit verantwortlich für die Färbung der Blätter im Herbst. Der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll wird durch den Singulett-Sauerstoff oxidativ zerstört, da die Pflanze im Herbst die Produktion von beta-Carotin reduziert, welches das Chlorophyll schützt.

Würde der Disauerstoff in seinem Grundzustand nicht als Triplett-Sauerstoff vorliegen, könnten keine "Brenn"-Stoffe in unserer sauerstoffhaltigen Atmosphäre existieren, denn sie würden sofort in die energieärmsten Produkte CO2 und H2O umgesetzt werden.

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5 Literatur

  1. Holleman A.F., Wiberg N.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Aufl., Walter de Gruyter Verlag, Berlin-New York, 2007 

  2. Binnewies M., u. a.: Allgemeine und Anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg-Berlin, 2004 

  3. Riedel E.: Anorganische Chemie, 6. Aufl., Walter de Gruyter Verlag, Berlin-New York, 2004 

  4. www.versuchschemie.de/topic,6601,-Lumineszenz+mit+Pyrogallol.html, 11.11.07 (verschollen)

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 01.04.16