Sauerstoff (O2): Physikalisch-chemische Eigenschaften

Unter normalen Bedingungen ist elementarer Sauerstoff ein farb-, geruch – und ge – schmackloses Gas. Sauerstoff brennt selbst nicht, unterhalt aber die Verbrennung. Er ist im Vergleich zu Gasen wie C02 oder S02 in Wasser nur maBig loslich (Кар. 5.3). In flussiger Form oder in dicken Schichten zeigt Sauerstoff eine hellblaue Farbe. 02 kommt in blau gekennzeichneten Stahlflaschen in den Handel.

Das Sauerstoffmolekiil besitzt zwei ungepaarte Elektronen. Damit gehort Sauerstoff zu den paramagnetischen Substanzen. Der Paramagnetismus ist neben dem Diamagnetismus eine der wichtigsten magnetischen Eigenschaften der Materie. Bringt man einen Korper in ein homogenes Magnetfeld, sind zwei Falle zu unterscheiden: Entweder der Korper drangt die Feldlinien im Inneren auseinander (Diamagnetismus) oder der Korper verdichtet die Feld – linien in seinem Inneren (Paramagnetismus). Diamagnetisch sind alle Stoffe, deren Atome, Ionen oder Molekiile abgeschlossene Elektronenschalen aufweisen. Sie besitzen kein resultierendes magnetisches Moment. Die meisten Stoffe zeigen ein diamagnetisches Verhalten, da die ungepaarten Elektronen der Atome bei der Bindungsbildung abgesattigt werden. Paramagnetische Stoffe enthalten Atome, Ionen oder Molekiile mit ungepaarten Elektronen. Sie besitzen ein magnetisches Moment.

Elektrisch neutrale oder geladene Teilchen mit einem oder mehreren ungepaarten Elektro­nen bezeichnet man als Radikale. Das Sauerstoffmolekiil ist ein Diradikal, da es tiber zwei ungepaarte Elektronen verfugt (s. Кар. 3.2.1). Die paramagnetische Form des Sauerstoffs bildet den elektronischen Grundzustand. Aufgrund der Existenz der beiden ungepaarten Elektronen wird die Grundzustandskonfiguration auch als Triplett-Sauerstoff 302 be­zeichnet. Die Bezeichnung Triplett stammt aus der Spektroskopie, naheres siehe Lehrbii – cher der Allgemeinen Chemie.

Von einigen wenigen Ausnahmen wie den Edelgasen (auBer Xe!) abgesehen, verbinden sich nahezu alle Elemente des Periodensystems mit gasformigem Sauerstoff zu Oxiden. Bei der Reaktion von Natrium oder Barium mit 02 entstehen Peroxide (Na202, Ba02).

Bei gewohnlichen Temperaturen ist Sauerstoff ein verhaltnismaBig reaktionstrages Ele­ment. Ursache dafur ist die hohe Bindungsdissoziationsenergie des 02-Molekuls. Umset – zungen von Elementen oder Verbindungen mit Sauerstoff (Oxidationen) laufen deshalb erst bei hoheren Temperaturen mit ausreichender Geschwindigkeit ab. Obwohl viele dieser Reaktionen stark exotherm sind, mussen sie durch,,Zimden“ in Gang gesetzt bzw. durch die Gegenwart katalytisch wirksamer Substanzen beschleunigt werden. Oxidationen, die unter Flammenerscheinung ablaufen, bezeichnet man gemeinhin als Verbrennungen. Bei – spiele fur langsam ablaufende Oxidationen (stille Verbrennungen) sind der Rostvorgang beim Eisen, die Zersetzung bzw. Verwesung organischer Stoffe und der Nahrungsmittelab – bau im tierischen Organismus. Oxidationsprozesse laufen mit reinem Sauerstoff wesentlich schneller ab als mit Luft.

Im Sonnenlicht kann sich der atmospharische, unter normalen Bedingungen reaktionstrage Sauerstoff in Gegenwart von sensibilisierenden Farbstoffen in eine reaktionsfahige, stark oxidierend wirkende Form umwandeln, den sogenannten Singulett-Sauerstoff *02. Durch die zugefuhrte Energie erfolgt eine Paarung der beiden Elektronen mit parallelem Spin, die die Grundzustandskonfiguration (302) charakterisieren. Der gebildete Singulett-Sauerstoff ist damit diamagnetisch. *02 kann auch auf chemischem Weg erzeugt werden, z. B. durch Umsetzung von H202 mit CIO-.

Obwohl der Singulett-Sauerstoff sehr kurzlebig ist – innerhalb von Sekunden bis Minuten bildet sich die 302-Grundzustandskonfiguration zurtick – besitzt er als Oxidationsmittel groBe Bedeutung in der chemischen Industrie, z. B. in der Riechstoffindustrie. Vor allem aber ist er fur das Ausbleichen von Farbanstrichen an Fassaden und Hauserwanden, das Vergilben von Kunststoffen und das Abblattem von Kunststoffuberziigen verantwortlich. Selbst das Ausbleichen des Chlorophylls und die dadurch hervorgerufene Verfarbung der Blatter im Herbst sind auf den Einfluss des Singulett-Sauerstoffs zuruckzufiihren.

In seinen Verbindungen kann das Sauerstoffatom die Edelgaskonfiguration durch Auf – nahme von 2 Elektronen unter Ausbildung des Oxidions O2- oder durch Ausbildung von zwei kovalenten Bindungen (z. B. H20, C02) erreichen. Da der Sauerstoff in nahezu alien Verbindungen der elektronegativere Partner ist, liegt er meist in der Oxidationsstufe – II vor. In den Peroxiden, z. B. H202, Na202 oder Ba02, liegt er in der selteneren Oxidations­stufe – I vor.