Herstellung von Sauerstoff
Sauerstoff
Einleitung
Der Inhalt dieser Seite bezieht sich auf das Thema "Herstellen von Sauerstoff" aus dem sächsischen Lehrplan.
Sauerstoff [[1]] ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 8 und dem Elementsymbol O. Es gehört zu den Chalkogenen und ist das häufigste Element in unserer Erdkruste. Damit gehört Sauerstoff zu den wichtigsten Elementen auf der Erde. Im Anschluss werden die Zusammensetzung der Luft, verschiedene Darstellungsformen des Sauerstoffs, Eigenschaften und die Bedeutung des Sauerstoffs vorgestellt.
Zusammensetzung von Luft
Luft ist ein Stoffgemisch aus den Gasen Stickstoff, Sauerstoff, Edelgasen wie Argon und Kohlenstoffdioxid. Dabei enthält die Luft:
- 78% Stickstoff (weiß)
- 21% Sauerstoff (blau)
- 0,9% Edelgase (rot)
- 0,03% Kohlenstoffdioxid (gelb)
schematische Abbildung der Zusammensetzung der Luft
Eigenschaften von Sauerstoff
Sauerstoff besitzt die folgenden Eigenschaften
- Aggregatzustand: gasförmig
- Farbe: farblos
- Brennbarkeit: nicht brennbar (sondern unterstützt die Verbrennung)
- Wasserlöslichkeit: sehr gering
- Reaktionsverhalten: sehr reaktiv
- Dichte gegenüber Luft: größer
Bedeutung von Sauerstoff
Sauerstoff besitzt vielseitige Anwendungen für Verbrennungsvorgänge, in der Medizin und Raumfahrt als auch für Synthesen. Grundsätzliche wird Sauerstoff für jegliche Verbrennungen benötigt. Sowohl organische Stoffe als auch Metalle verbrennen mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser (organische Stoffe) oder zu den Metalloxiden. In der Medizin benötigt man Sauerstoff grundsätzlich zur Beatmung. Sowohl in Beatmungsgeräten im Krankenhaus als auch zum Atmen im Weltraum wird der Sauerstoff benötigt. Taucher benötigen der Sauerstoff aus den Druckgasflaschen zum Atmen. Des Weiteren wird Sauerstoff für die Synthese von Schwefelsäure und weitere Synthesen benötigt.
Darstellung von Sauerstoff
Sauerstoff lässt sich durch unterschiedliche Verfahren darstellen oder herstellen. Dabei nutzt man grundsätzlich den Sauerstoff aus der Luft, um ihn abzutrennen (Lindeverfahren) oder Oxide, um diese zu Sauerstoff zu oxidieren.
Führe eins der folgenden Experimente durch (Kaliumpermanganat und Braunstein oder Wasserstoffperoxid und Braunstein) und fülle die zugehörigen Protokolle zum Experiment bzw. zum theoretischen Versuch (Luftverflüssigung und Elektrolyse) aus.
Kaliumpermanganat und Braunstein
Die Herstellung von Sauerstoff mithilfe von Kaliumpermanganat und Braunstein kann nach dem folgenden Experiment durchgeführt werden.
- Gib in einen 50 ml-Erlenmeyerkolben mit Ansatz eine kleine (!) Spatelspitze Kaliumpermanganat.
- Füge 10 ml verdünnte Schwefelsäure hinzu.
- Tropfe wenige Tropfen Wasserstoffperoxid dazu bis eine Gasentwicklung einsetzt
- Verschließe die Apparatur schnell, ohne sie zu schütteln.
- Fange das entstehende Gas mit einem mit Wasser vollständig gefüllten Mikroreagenzglas auf. Das erste Reagenzglas enthält vor allem verdrängte Luft.
- Mit dem zweiten Reagenzglas wird die Glimmspanprobe durchgeführt.
--> Für die Glimmspanprobe erhitzt du einen Holzspan sehr stark bis er glüht und hältst ihn im Anschluss in das mit Sauerstoff gefüllte Reagenzglas.
Wasserstoffperoxid und Braunstein
Die Herstellung von Sauerstoff mithilfe von Wasserstoffperoxid und Braunstein kann nach dem folgenden Experiment durchgeführt werden.
- Gib in einen 50 ml-Erlenmeyerkolben mit Ansatz 25 ml 3 %ige H2O2 -Lösung (Wasserstoffperoxid).
- Setze eine kleine (!) Spatelspitze Braunstein zu.
- Verschließe die Apparatur schnell, ohne sie zu schütteln.
- Fange das entstehende Gas mit einem mit Wasser vollständig gefüllten Mikroreagenzglas auf. Das erste Reagenzglas enthält vor allem verdrängte Luft.
- Mit dem zweiten Reagenzglas wird die Glimmspanprobe durchgeführt.
--> Für die Glimmspanprobe erhitzt du einen Holzspan sehr stark bis er glüht und hältst ihn im Anschluss in das mit Sauerstoff gefüllte Reagenzglas.
Luftverflüssigung
Carl Linde entwickelte das Verfahren zur Luftverflüssigung im Jahre 1905. Beim Verfahren der Luftverflüssigung wird die einströmende Luft zunächst auf 20 bar verdichtet. Sie gelangt in einen Kompressor und wird stark bis auf einen Druck von 200 bar verdichtet. Aufgrund der Verdichtung erwärmt sich die Luft auf 65°C. Über ein Austrittsventil wird die Luft abgekühlt – ein Sinken der Temperatur von 65°C auf 20°C erfolgt. Der hohe Druck bleibt dabei bestehen. Diese abgekühlte Luft wird über einen Wärmeaustauscher weiter abgekühlt und dabei entspannt (geringerer Druck). Danach wird sie zurück in den Kompressor geleitet und kühlt die über das Eintrittsventil einströmende und im Anschluss komprimierte Luft ab. In diesem Prozess wird die Luft nach und nach immer weiter abgekühlt, bis sich eine Verflüssigung bei ca. 20 bar zeigt. Diese flüssige Luft kann nun in ihre Bestandteile getrennt werden. Die einzelnen Luftbestandteile besitzen unterschiedliche Siedepunkte, d.h. sie gehen bei unterschiedlichen Temperaturen in den gasförmigen Zustand über. Somit wird die flüssige Luft langsam erwärmt, sodass nach und nach die einzelnen Luftbestandteile einzeln gasförmig werden und abgetrennt werden können. Dabei erhält man ebenfalls den wichtigen Luftbestandteil Sauerstoff. Diese Auftrennung der Luft nennt man fraktionierte Destillation.
Elektrolyse von Wasser
Die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt im Hoffmannschen Wasserzersetzungsapparat. Dafür wird Wasser oder eine wässrige Lösung in den oben abgebildeten Apparat gefüllt. Im Anschluss wird eine Spannung angelegt, sodass auf der einen Seite (in diesem Fall links) ein Pluspol und auf der anderen Seite ein Minuspol entsteht. Den Pluspol nennt man Anode und den Minuspol Kathode. An beiden Polen findet nach kurzer Zeit eine Gasentwicklung statt. Es erfolgt eine Zerlegung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff entsteht. Die Gesamtgleichung in Wortform lautet: Wasser --> Sauerstoff + Wasserstoff
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