Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.06.13


Sauerstoff - Entstehung des Elements und wie es in die Atmosphäre gelangt

Vortrag von Marina Vater im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 11/12


Gliederung:

Einstieg: Die meisten Menschen glauben, dass Sauerstoff aus dem Photosynthesevorgang in Pflanzen gewonnen wird.

Die Vorraussetzung für die Entstehung von Disauerstoff ist jedoch das Vorkommen von atomarem Sauerstoff. Wie und wo dieses Atom erstmals aufgetreten ist und wie es sich letztendlich in unserer heutigen Atmosphäre etablieren konnte, soll im Vortrag geklärt werden.


1 Experiment - Wasserpest

Experiment Wasserpestexperiment, Nachweis von Sauerstoff mittels Photosyntheseversuch
Material
  • Becherglas 1000mL
  • Glastrichter
  • Reagenzglas d=30mm
  • Reagenzglasgestell
  • Diaprojektor (Lichtquelle)
  • Sprosse von Elodea canadensis (Wasserpest)
  • Natriumhydrogencarbonat
  • Eisenwolle
  • Feuerzeug
  • Spatel 10mm
Durchführung Das Becherglas wird vollständig mit Wasser gefüllt. Unter den Glastrichter werden einige Elodea-Sprosse gelegt. Der Glastrichter sollte genügend Abstand vom Boden des Becherglases haben. Zur Verbesserung des Kohlenstoffdioxid-Gehaltes des Wassers gibt man einige Spatelspitzen Natriumhydrogencarbonat ins Wasser, woraus über das Kohlensäuregleichgewicht Kohlenstoffdioxid entsteht. Mit einem Diaprojektor wird der Aufbau bestrahlt.

Der entstehende Sauerstoff wird im Reagenzglas aufgefangen und mit der Eisenwolle nachgewiesen.

Beobachtung Von Wasserpest abgegebenes Gas steigt auf. Je mehr Natriumhydrogencarbonat und Licht, desto mehr Gas entweicht. Bringt man glühende Eisenwolle in das Reagenzglas, so entzündet sich diese
Interpretation Die Wasserpest, betreibt Photosynthese. Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht das Gas Sauerstoff, sowie Zucker. Licht ist die Energiequelle für den Prozess und Kohlenstoffdioxid ist neben dem Sauerstoff abscheidenden Wasser ein weiteres Substrat, ohne welches die Photosynthese nicht funktionieren würde.

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2


2 Entstehung des Sauerstoffatoms

  • vor 13,7 Mrd. Jahren: Urknall, erste Atomkerne entstehen (75% H, 25% He)
  • vor 13,5 Mrd. Jahren: erstes Wasserstoffbrennen (15 Mio. K): Fusion von zwei H-Kernen zu einem He-Kern, wobei sehr viel Energie frei wird. Diese Energie kann für weitere Fusionen verwendet werden. z.B. das Heliumbrennen (100 Mio. K): 3 He-Kerne fusionieren im so genannten 3α-Prozess zu einem C-Kern. Dieser kann bei geeigneten Bedingungen zu weiteren Elementkernen fusionieren. Den Vorgang nennt man Kohlenstoffbrennen (600 Mio. K). Hier entsteht das von uns gesuchte Sauerstoffatom.

3 Sauerstoffetablierung auf der Erde

Vor 4,6 Milliarden Jahren entstand das Sonnensystem inklusive Erde mit Uratmosphäre. Die Erde bestand schon damals aus einem Eisen/Nickel-Kern, dein ein magnetisches Feld ausbildet. Die Uratmosphäre bestand aus Wasserstoff, Helium, sowie wenig Methan und Ammoniak. Bei diesen Stoffen handelt es sich um flüchtige Gase, die nur sehr locker die Gashülle um die Erde bildeten, da noch keine Erdanziehung ausgebildet war. Diese Uratmosphäre wurde vom Sonnenwind davon getrieben weshalb es zur Ausbildung der ersten Atmosphäre kam. Diese war zusammengesetzt aus: 80% Wasserdampf, 10 % Kohlenstoffdioxid, 5% Schwefelwasserstoff und 5% Stickstoff. Aufgrund von sinkenden Temperaturen setzte ein jahrtausendlanger Regen ein, wobei sich die meisten Gasteilchen der Atmosphäre in den entstandenen Ozeanen lösten. Dadurch konnten die ersten UV-Strahlen auf das Wasser treffen, welches daraufhin photolysiert wurde. In der neuen Atmosphäre wurde deshalb zum ersten Mal Sauerstoff entdeckt.

Cyanobakterien
Abb. 1: Cyanobakterien (blau eingefärbt), REM-Aufnahme [10]

Ein entscheidendes Ereignis fand vor 3,5 Milliarden Jahren statt. Die erste oxygene Photosynthese wird durch die Entstehung der Cyanobakterien realisiert. Der aus diesem Vorgang gewonnene Sauerstoff oxidierte gelöste Stoffe im Wasser, wodurch die Ozeane wegen Sauerstoffsättigung begannen auszugasen und es dazu kam, dass alle reduzierten Verbindungen an Land oxidiert wurden, sodass ein Sauerstoffgehalt von 3% in der Atmosphäre entstanden war.  

Wie die folgende Graphik zeigt, kam es erst vor ca. 750 Millionen Jahren zu einer erneuten Erhöhung der Sauerstoffkonzentration. Grund hierfür ist die Ausbildung der Ozonschicht, welche die entwickelten Eukaryonten vor der schädlichen ß-Strahlung schützte. D. h. die Pflanzen hatten nun größere Überlebenschancen und die Produktion von Sauerstoff stieg.


Abb. 2: Entwicklung der Sauerstoffkonzentration in der Erdatmosphäre [9]

Die Graphik beschreibt jedoch im weiteren Verlauf keinen konstanten Anteil von Sauerstoff in der Atmosphäre. Gründe sind meist die immer wieder auftretenden Ereignisse: Entstehung von riesigen Mengen an Wäldern oder Pflanzen (Anstieg des Sauerstoffgehaltes) oder Vulkanausbrüche welche die Konzentration der Treibhausgase (Kohlenstoffdioxid, Methan) erhöhen (Abfall des Sauerstoffgehaltes).


Zusammenfassung: Betrachtet man die Entstehung und Entwicklung des Sauerstoffatoms, so ist festzustellen, dass das Sauerstoffatom bereits vor ca. 13 Milliarden Jahren durch den Vorgang des Kohlenstoffbrennens (Kernfusion) entstanden ist. Bis sich der Sauerstoff in der Erdatmosphäre etablieren konnte, dauerte es jedoch noch einige Zeit. Erst vor ca. 350 Millionen Jahren wurde die heutige Konzentration von ca. 21% Sauerstoff in der Atmosphäre erreicht. Dieser Wert ist jedoch Abhängig von den Umweltereignissen auf der Erde, d.h. es handelt sich um keinen konstanten Faktor. Beeinflusst wird die Sauerstoffkonzentration zum Einen durch Pflanzen, die über die Photosynthese Sauerstoff produzieren. Dieser gelangt daraufhin in die Atmosphäre. Zum Anderen wird die Gaszusammensetzung der Atmosphäre durch die so genannten Treibhausgase, welche in der heutigen Zeit heftig diskutiert werden, beeinflusst.


Literatur:

  1. E. Riedel, C. Janiak , Anorganische Chemie, de Gruyter, Berlin 2007.
  2. N. Campbell , Biologie, Pearson Studium, München 2009.
  3. W. Roedel, Physik unserer Umwelt – Die Atmosphäre, Springer, Heidelberg 2000.
  4. W. Jungbauer, W. Weber, Netzwerk Biologie 3, Schroedel, Hannover 2002.
  5. http://centauri-astronomie.de/universum.php (Zugriff am 01.12.11).
  6. http://abenteuer-universum.de/index.html (Zugriff am 30.11.11).
  7. http://www.geo.fu-berlin.de/fb/e-learning/pg-net/themenbereiche/klimageographie/
    erdatmosphaere/zusammensetzung/index.html     (Zugriff am 20.11.11)
  8. http://www.oekosystem-erde.de/html/zukunft.html (Zugriff am 28.11.11)
  9. www.joerg-resag.de/mybk4htm/chap43.htm (Zugriff am 02.05.13)
  10. http://www.planet-wissen.de/natur_technik/weltall/entstehung_des_lebens/
    img/intro_erdleben_cyanobak_g.jpg (Zugriff am 17.05.13) 

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de