-0.1-1 -10-100 -1000-10000 0 1 2 3 4 5 6 7 Sauerstoff (O) Sauerstoff (O) Ordnungszahl: 8 Relative Atommasse: 15,9994 Englischer Name: oxygen Französischer Name: oxygène Dichte: 1,42895 g/l Schmelzpunkt: -218,80 C Siedepunkt: -182,962 C Größe des Flüssigkeitsbereiches: 35,838 C Härte (Mohs): - Elektronegativität (Allred/Rochow): 3,5 Normalpotential E : - Gitterenergie: 0,07 ev/atom Oxidationszahlen: -2, -1 Elektronenkonfiguration: [He]2s 2 2p 4 Namensherkunft: oxygenium (Säurebildner) Entdecker: Priestley, Scheele (England, Schweden) Jahr der Entdeckung: 1774 Elastizitätsmodul: - Schmelzenthalpie: 27,75 kj/kg Siedeenthalpie: 426,25 kj/kg Thermische Leitfähigkeit: 0,02598 W/mK Elektrische Leitfähigkeit: - Häufigkeit in der Erdkruste: 47,2 % Anzahl natürlicher Isotope: 3 Anzahl stabiler Isotope: 3 Anzahl instabiler Isotope: 9 Natürliche Häufigkeit: O-16 99,762 % O-17 0,038 % O-18 0,200 % - 65 -
Sauerstoff in Glasampulle; 30 ml; 99,999 % Flüssiger Sauerstoff bei -183 C; 100 g; 99,99 % - 66 -
Flüssiger Sauerstoff bei -183 C; 500 g; 99,99 % Sauerstoffspektralröhre; 99,999 % - 67 -
Flüssiger Sauerstoff und Wasserstoff sind der Treibstoff von Raumsphären. Bei Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel ist zu bedenken, dass sich dieser mit der Zeit an flüssigem Sauerstoff anreichert, und dieser ist wiederum ein äußerst aggressives Oxidationsmittel, welches binnen Sekundenbruchteilen organische Stoffe explosiv oxidieren kann. Technisch wird Sauerstoff, wie auch Stickstoff und die schweren Edelgase, durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gewonnen. Beim LD-Verfahren (benannt nach den Voest-Standorten Linz und Donawitz) wird in die Schmelze aus Roheisen, die einen hohen Anteil nichtmetallischer Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Silicium und Phosphor enthält, Sauerstoff eingeblasen. Dadurch werden die nichtmetallischen Verunreinigungen oxidiert, da Sie eine höhere Affinität zu Sauerstoff als Eisen haben. Die Nichtmetalloxide können dann als Schlacke abgegossen werden. Da in den letzten Jahren immer öfter über die Ozonschicht bzw. das Ozonproblem in urbanen Gebieten diskutiert wurde, soll hier kurz auf die beiden, grundsätzlich völlig unabhängigen, Probleme eingegangen werden. Ozon entsteht aus Sauerstoffmolekülen, wenn auf diese Energie einwirkt, wie z.b. in Form von elektromagnetischer Strahlung bzw. durch elektrische Entladungen. Durch die Energie wird das Sauerstoffmolekül aufgespalten und es entsteht atomarer Sauerstoff, welcher sich binnen Sekundenbruchteilen mit einem anderen Sauerstoffmolekül zu Ozon, O3, verbindet. Im Labor wurde bereits vor vielen Jahren festgestellt, dass Gase wie etwa monoatomarer Sauerstoff und Wasserstoff bei geringem Druck stabil sind, da hier die mittlere freie Weglänge der Teilchen sehr groß ist und es somit nicht zu Kollisionen kommt, bei denen sich das Radikal mit einem Molekül verbinden kann. Ozon bildet sich bei Gewittern durch Blitze, vor allem aber durch hochenergetische ultraviolette Strahlung der Sonne in der Stratosphäre, die sich in einer Höhe von 15 bis 50 km befindet. Das gebildete Ozon absorbiert die für höhere Lebewesen schädliche UV-Strahlung und ermöglicht so dem Menschen das Leben auf der Erde. Durch die exzessive Verwendung von FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) in der Vergangenheit wurden große Mengen halogenierter Kohlenwasserstoffe in die Stratosphäre eingebracht, welche wie auch Sauerstoff durch die dort auftretenden hochenergetischen Strahlen aufgespalten werden. Doch verbinden sich die gebildeten Radikale wie atomares Chlor und Fluor nicht mit gleichen Radikalen zu - 68 -
neutralen Molekülen, sondern reagieren mit Ozon zu Halogenoxiden. Aus diesen Oxiden wird das Halogen bald wieder freigesetzt und es kann erneut Ozonmoleküle zerstören, wodurch ein Chloratom bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören kann. Durch diese Reaktion wurden in der Vergangenheit große Teile der Ozonschicht vor allem über der Arktis und der Antarktis zerstört. Nun soll auf die Wirkung von Ozon in der Troposphäre, in der auch der Mensch lebt, eingegangen werden. Durch den Verkehr werden große Mengen an Stickoxiden emittiert, die dann, vor allem im Sommer, durch das Sonnenlicht in ein Sauerstoffärmeres Stickstoffoxid und in ein Sauerstoffradikal gespalten werden. Dieses Radikal verbindet sich mit einem Sauerstoffmolekül zu Ozon, welches ein starkes Atemgift ist und die Schleimhäute stark reizt. Da Ozon auch auf Bakterien einwirkt, eignet es sich als umweltfreundliches Desinfektionsmittel in Schwimmbädern. Aus der obigen Darstellung lässt sich leicht erkennen, dass Ozon einerseits für den Menschen lebensnotwendig und auf der anderen Seite lebensbedrohlich ist. Neben Sauerstoff für die Ozonbildung spielt die kosmische Strahlung eine wichtige Rolle in der Atmosphäre. Die kosmische Strahlung wurde bereits am Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt, weil bei Messungen die Strahlenbelastung mit der Höhe über dem Erdboden zunahm. Die hochenergetische Strahlung besteht aus Protonen, Elektronen, Alphateilchen und ionisierten Atomen. Pro Sekunde strahlen etwa 1.000 Teilchen pro Quadratmeter auf die Atmosphäre ein. Nur ein extrem kleiner Teil davon erreichen den Erdboden, da die hochenergetischen Teilchen mit dem Sauerstoff und Stickstoff der Atmosphäre wechselwirken. Quelle für die beschleunigten Teilchen sind die Sonne sowie Supernovaexplosionen. Durch die hochenergetischen Teilchen kommt es zu einer Kernreaktion, zur so genannten Spallation. Da die hochenergetischen Teilchen von der Erdatmosphäre abgehalten werden die Erdoberfläche zu erreichen, kommt es in fester Materie nur im Weltraum zu Spallationsreaktionen, bei denen häufig radioaktive Isotope gebildet werden. Dadurch kann das Alter von Meteoriten abgeschätzt werden. Da die Höhenstrahlung auf dem Erdboden nicht ankommt, kann die Strahlung nur durch die Sekundärstrahlung, die durch Teilchen-Teilchen Wechselwirkung entstehen, nachgewiesen werden. Das bekannteste Naturphänomen bedingt durch die Höhenstrahlung ist das Polarlicht, es entsteht weil über den Polen die Teilchen durch das Magnetfeld der Erde nicht abgelenkt werden. - 69 -
Polarlicht über der Amundsen-Scott Südpol Station Foto: C. Danals Durch amerikanische Kernwaffentests der Operation Starfish Prime im Jahr 1962 wurde durch den elektromagnetischen Puls, der von der Explosion ausging, erstmals ein künstliches Polarlicht erzeugt. Durch den elektromagnetischen Impuls wurden noch in Hawaii zahlreiche Elektrogeräte außer Funktion gesetzt. Bei den ersten Versuchen, eine Atombombe in großer Höhe zu zünden, explodierten die Trägerraketen bereits in 10 km Höhe oder darunter, wodurch das Johnston-Atoll sowie die Nachbarinsel Sand Island noch heute mit Plutonium verseucht sind. Das Johnston-Atoll war in der Vergangenheit Sitz einer Fabrik für die Vernichtung von Kampfgasen sowie Lagerort für radioaktive Abfälle, heute wird versucht die Schäden an der Natur wieder zu beheben. Bei Versuchen am CERN werden Teilchen, welche auch in der Höhenstrahlung enthalten sind, erzeugt. Bei einem internationalen Versuch werden am CERN in der Schweiz Neutrinos erzeugt die anschließend in 700 km Entfernung am Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien analysiert werden. Die Neutrinos bewegen sich praktisch ungehindert durch die 700 km Gestein von Norditalien. Darüber hinaus gibt es erste Anzeichen, dass sich die Neutrinos mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, die Ergebnisse müssen jedoch noch bestätigt werden. - 70 -