Sauerstoff - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Sauerstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol O und der Ordnungszahl 8. In der Luft liegt er überwiegend als Molekül ${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$ vor. Du brauchst Sauerstoff für die Zellatmung, und viele Verbrennungen laufen nur ab, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Sauerstoff selbst ist jedoch nicht brennbar: Er unterstützt die Verbrennung anderer Stoffe.

In diesem aiMOOC lernst Du den Aufbau, die Eigenschaften, den Nachweis, die Herstellung und die Bedeutung von Sauerstoff kennen. Außerdem untersuchst Du Oxidation, Verbrennung, Korrosion, Elektrolyse und den Sauerstoffkreislauf.

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du Sauerstoff im Periodensystem einordnen, wichtige Eigenschaften erklären, die Glimmspanprobe beschreiben und einfache Reaktionsgleichungen mit Sauerstoff aufstellen. Du kannst außerdem begründen, warum Sauerstoff für Leben, Technik und Umwelt wichtig ist.

Sauerstoff im Periodensystem

Das Elementsymbol lautet O. Die Ordnungszahl 8 zeigt, dass jedes Sauerstoffatom acht Protonen besitzt. Ein neutrales Sauerstoffatom besitzt auch acht Elektronen. Davon befinden sich sechs in der Außenschale. Sauerstoff steht in der 2. Periode und in der 16. Gruppe, der Gruppe der Chalkogene.

Merkmal	Angabe
Elementsymbol	O
Ordnungszahl	8
Elementfamilie	Chalkogene
Aggregatzustand bei Raumtemperatur	gasförmig
Häufige Molekülform	${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Atom und Molekül

Ein einzelnes Sauerstoffatom wird mit O bezeichnet. In der Luft treten normalerweise zwei Sauerstoffatome gemeinsam als Sauerstoffmolekül ${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$ auf. Zwischen den Atomen besteht eine kovalente Bindung. Eine weitere Form ist Ozon mit der Formel ${\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$.

Vorkommen

Trockene Luft enthält rund 21 Volumenprozent Sauerstoff. Der größte Anteil ist Stickstoff. Sauerstoff kommt außerdem gebunden in Wasser, Mineralen, Gesteinen und vielen organischen Stoffen vor. In der Erdkruste ist Sauerstoff besonders häufig, meist als Bestandteil chemischer Verbindungen.

Im Wasser ist eine kleine Menge Sauerstoff gelöst. Fische und viele andere Wasserlebewesen nehmen diesen gelösten Sauerstoff auf. Kaltes Wasser kann meist mehr Sauerstoff lösen als warmes Wasser.

Sauerstoffkreislauf

Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien setzen bei der Photosynthese Sauerstoff frei. Bei der Zellatmung, bei Verbrennungen und bei vielen Zersetzungsprozessen wird Sauerstoff verbraucht. Dadurch ist Sauerstoff Teil eines natürlichen Kreislaufs.

Die vereinfachte Gleichung der Photosynthese lautet:

$\mathrm{6}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{Licht}{\to }{\mathrm{C}}_{\mathrm{6}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{6}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Geschichte der Entdeckung

Carl Wilhelm Scheele und Joseph Priestley stellten Sauerstoff im 18. Jahrhundert unabhängig voneinander her. Priestley veröffentlichte seine Beobachtungen 1774. Antoine Lavoisier deutete Verbrennungen später als Reaktionen mit Sauerstoff und half damit, die ältere Phlogistonvorstellung zu überwinden.

Eigenschaften von Sauerstoff

Sauerstoff ist bei Raumtemperatur ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Er ist reaktionsfreudig und wirkt als Oxidationsmittel. Sauerstoff brennt nicht selbst, lässt viele andere Stoffe aber schneller oder heftiger brennen.

Bei etwa $-183{}^{\circ }\mathrm{C}$ wird Sauerstoff flüssig. Flüssiger Sauerstoff erscheint blassblau und muss wegen seiner sehr niedrigen Temperatur und seiner brandfördernden Wirkung besonders sicher gehandhabt werden.

Ozon als weitere Sauerstoffform

Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen und hat die Formel ${\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$. In großer Höhe schützt die Ozonschicht vor einem Teil der energiereichen UV-Strahlung. In Bodennähe ist Ozon dagegen ein reizender Luftschadstoff.

Nachweis von Sauerstoff

Sauerstoff wird mit der Glimmspanprobe nachgewiesen. Ein glimmender Holzspan wird in das zu prüfende Gas gehalten. Ist ausreichend Sauerstoff vorhanden, flammt der Span wieder auf. Der Versuch gehört in den Chemieunterricht und wird nach den Sicherheitsregeln der Schule durchgeführt.

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Die Beobachtung zeigt, dass Sauerstoff Verbrennungen fördert. Sie beweist nicht, dass Sauerstoff selbst ein Brennstoff ist.

Herstellung von Sauerstoff

Industriell gewinnt man Sauerstoff vor allem durch die Trennung verflüssigter Luft. Dabei nutzt man die unterschiedlichen Siedetemperaturen der Luftbestandteile. Dieses Verfahren heißt fraktionierte Destillation.

Im Labor kann Sauerstoff beispielsweise bei der katalytischen Zersetzung von Wasserstoffperoxid entstehen:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Auch bei der Elektrolyse von Wasser entstehen Wasserstoff und Sauerstoff:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

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Experimente zur Sauerstoffherstellung dürfen nur mit geeigneter Schutzausrüstung, kleinen Stoffmengen und unter fachkundiger Aufsicht durchgeführt werden.

Reaktionen mit Sauerstoff

Eine Reaktion, bei der ein Stoff Sauerstoff aufnimmt, wird im einfachen Schulmodell als Oxidation bezeichnet. Häufig entstehen dabei Oxide.

Beispiel Magnesium:

$\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{O}$

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Schnelle und langsame Oxidation

Bei einer Verbrennung läuft die Oxidation schnell ab. Dabei werden häufig Licht und Wärme frei. Beim Rosten von Eisen läuft die Oxidation langsam ab. Wasser und Sauerstoff fördern diesen Korrosionsprozess.

Eine vereinfachte Reaktionsgleichung für die Bildung von Eisenoxid lautet:

$\mathrm{4}\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{F}{\mathrm{e}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$

Echter Rost ist meist ein Gemisch verschiedener wasserhaltiger Eisenoxide und Eisenhydroxide. Die Gleichung beschreibt daher nur ein vereinfachtes Modell.

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Bedeutung und Verwendung

Sauerstoff wird in Medizin, Metallverarbeitung, Chemieindustrie, Abwasserbehandlung und Raumfahrt genutzt. Medizinischer Sauerstoff ist ein Arzneimittel und darf nur sachgerecht eingesetzt werden. Technischer Sauerstoff kann Brände stark beschleunigen; deshalb müssen Geräte, Leitungen und Behälter fettfrei und sicher betrieben werden.

Merksätze

1. Sauerstoffmolekül: Elementarer Sauerstoff liegt in der Luft meist als ${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$ vor.
2. Glimmspanprobe: Ein glimmender Span flammt in Sauerstoff wieder auf.
3. Oxidation: Sauerstoff reagiert mit vielen Stoffen zu Oxiden.
4. Verbrennung: Sauerstoff unterstützt Verbrennungen, ist aber selbst nicht brennbar.
5. Sauerstoffkreislauf: Photosynthese bildet Sauerstoff, Atmung und Verbrennung verbrauchen ihn.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welches Elementsymbol hat Sauerstoff? (O) (!S) (!Ox) (!So)

In welcher Form liegt Sauerstoff in der Luft überwiegend vor? (Als O2-Molekül) (!Als einzelnes O-Atom) (!Als O3-Molekül) (!Als Sauerstoffion)

Wie groß ist der Sauerstoffanteil trockener Luft ungefähr? (21 Prozent) (!1 Prozent) (!50 Prozent) (!78 Prozent)

Welche Probe weist Sauerstoff nach? (Glimmspanprobe) (!Kalkwasserprobe) (!Knallgasprobe) (!Flammenfärbung)

Welche Aussage über Sauerstoff ist richtig? (Sauerstoff unterstützt Verbrennungen) (!Sauerstoff ist selbst ein Brennstoff) (!Sauerstoff löscht jede Flamme) (!Sauerstoff ist ein Metall)

Was entsteht bei der Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff? (Magnesiumoxid) (!Magnesiumchlorid) (!Magnesiumsulfid) (!Magnesiumcarbonat)

Wie wird Sauerstoff industriell hauptsächlich gewonnen? (Durch Trennung verflüssigter Luft) (!Durch Filtern von Meerwasser) (!Durch Verbrennen von Stickstoff) (!Durch Schmelzen von Eisen)

Welche Farbe hat flüssiger Sauerstoff? (Blassblau) (!Leuchtend rot) (!Dunkelgrün) (!Schwarz)

Welche Formel hat Ozon? (O3) (!O) (!O2) (!O4)

Wie viele Außenelektronen besitzt ein Sauerstoffatom? (Sechs) (!Zwei) (!Acht) (!Sechzehn)

Memory

Sauerstoffmolekül	O2
Glimmspanprobe	Nachweisreaktion
Oxidation	Reaktion mit Sauerstoff
Elektrolyse	Zerlegung durch elektrischen Strom
Photosynthese	Bildung von Sauerstoff
Flüssigsauerstoff	blassblaue Flüssigkeit

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Sauerstoffatom	acht Protonen
Sauerstoffmolekül	zwei gebundene Sauerstoffatome
Glimmspanprobe	glimmender Span flammt auf
Oxidation	Sauerstoff wird aufgenommen
Elektrolyse	Wasser wird durch Strom zerlegt

...

Kreuzworträtsel

Chalkogene	Zu welcher Elementfamilie gehört Sauerstoff?
Glimmspan	Welcher Holzgegenstand flammt beim Sauerstoffnachweis wieder auf?
Oxidation	Wie heißt eine Reaktion mit Sauerstoff im einfachen Schulmodell?
Elektrolyse	Wie heißt die Zerlegung von Wasser durch elektrischen Strom?
Priestley	Welcher Forscher veröffentlichte 1774 Beobachtungen zu Sauerstoff?
Ozon	Welche Sauerstoffform besteht aus drei Sauerstoffatomen?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Sauerstoff besitzt das Elementsymbol . Seine Ordnungszahl ist . In der Luft kommt er meist als Molekül vor. Der Anteil an trockener Luft beträgt ungefähr . Mit der kann Sauerstoff nachgewiesen werden. Bei einer Reaktion mit Sauerstoff spricht man im einfachen Schulmodell von . Industriell wird Sauerstoff vor allem aus gewonnen. Flüssiger Sauerstoff ist . Die Formel von Ozon lautet . Bei der Photosynthese wird Sauerstoff .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Sauerstoff-Steckbrief: Gestalte eine übersichtliche Karte mit Symbol, Ordnungszahl, Molekülform, Eigenschaften und Nachweis.
2. Luftzusammensetzung: Zeichne ein Kreisdiagramm zur Zusammensetzung trockener Luft und markiere den Sauerstoffanteil.
3. Sauerstoff im Alltag: Finde fünf Beispiele, bei denen Sauerstoff eine wichtige Rolle spielt, und erkläre sie in je einem Satz.
4. Begriffskarten Chemie: Erstelle Karten zu Sauerstoff, Oxidation, Oxid, Ozon und Glimmspanprobe.

Standard

1. Reaktionsgleichungen: Stelle die Reaktionen von Magnesium, Kohlenstoff und Wasserstoff mit Sauerstoff als ausgeglichene Gleichungen dar.
2. Glimmspanprobe analysieren: Werte ein Unterrichtsvideo aus und trenne Beobachtung, Deutung und Sicherheitsregel.
3. Korrosion untersuchen: Plane einen sicheren Schulversuch mit Eisennägeln, um den Einfluss von Wasser, Salz und Luft zu vergleichen.
4. Photosynthese und Zellatmung: Gestalte ein Schaubild, das Stoffe und Energieflüsse beider Prozesse verknüpft.

Schwer

1. Elektrolysemodell: Entwickle ein Teilchenmodell zur Elektrolyse von Wasser und erkläre das Mengenverhältnis der Gase.
2. Sauerstoff in Medizin und Technik: Vergleiche Anforderungen, Nutzen und Risiken in zwei Anwendungsfeldern.
3. Geschichte des Sauerstoffs: Vergleiche die Beiträge von Scheele, Priestley und Lavoisier anhand verlässlicher Quellen.
4. Erklärvideo Sauerstoff: Produziere ein kurzes Lernvideo, das Molekül, Glimmspanprobe, Oxidation und Sauerstoffkreislauf verbindet.

Lernkontrolle

1. Verbrennung erklären: Erkläre, warum eine Kerze unter einem geschlossenen Glas erlischt, obwohl anfangs noch Luft im Glas ist.
2. Glimmspanprobe bewerten: Begründe, welche Schlussfolgerung aus einem wieder aufflammenden Span gezogen werden darf und welche nicht.
3. Korrosion übertragen: Entwickle Maßnahmen zum Schutz einer Fahrradkette vor Korrosion und begründe jede Maßnahme chemisch.
4. Elektrolyse deuten: Erkläre mithilfe der Reaktionsgleichung, warum bei der Wasserelektrolyse doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff entsteht.
5. Sauerstoffkreislauf beurteilen: Untersuche, wie Abholzung und Waldbrände mehrere Prozesse des Sauerstoffkreislaufs verändern.
6. Sicherheitskonzept Sauerstoff: Entwirf Regeln für einen Raum, in dem Sauerstoffflaschen gelagert werden, und leite sie aus den Stoffeigenschaften ab.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Sauerstoff sicher beschreiben und Zusammenhänge erklären kannst.

1. Du ordnest Sauerstoff mit Symbol, Ordnungszahl, Periode und Gruppe im Periodensystem ein.
2. Du unterscheidest Sauerstoffatom, Sauerstoffmolekül und Ozon.
3. Du erklärst Eigenschaften und die brandfördernde Wirkung von Sauerstoff.
4. Du beschreibst die Glimmspanprobe mit Beobachtung und Deutung.
5. Du stellst einfache Reaktionsgleichungen mit Sauerstoff auf und gleichst sie aus.
6. Du vergleichst Verbrennung und Korrosion als schnelle und langsame Oxidation.
7. Du verknüpfst Photosynthese, Zellatmung und Verbrennung im Sauerstoffkreislauf.
8. Du beachtest Sicherheitsregeln beim Umgang mit Sauerstoff und oxidierenden Stoffen.

Verknüpfte Lernbereiche

Sauerstoff - Chemie Chemisches Element Periodensystem Atombau Chemische Bindung Oxidation Redoxreaktion Verbrennung Elektrolyse Photosynthese Korrosion