MOLEKULARER SAUERSTOFF: STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Der molekulare Sauerstoff oder Disauerstoff , auch zweiatomiger Sauerstoff oder Gas genannt, ist der häufigste elementare Weg dieses Elements auf der Erde. Seine Formel lautet O ₂ und ist daher ein zweiatomiges und homonukleares Molekül, das völlig unpolar ist.

Die Luft, die wir atmen, besteht zu 21% aus Sauerstoff als O ₂ -Molekülen . Beim Aufstieg nehmen die Sauerstoffgaskonzentrationen ab und das Vorhandensein von Ozon, O _{3, nimmt zu} . Unser Körper verwendet O _2, um sein Gewebe mit Sauerstoff zu versorgen und die Zellatmung durchzuführen.

Ohne Sauerstoff, der unsere Atmosphäre anreichert, wäre das Leben ein nicht nachhaltiges Phänomen. Quelle: Pixabay.

Das O ₂ ist auch für die Existenz von Feuer verantwortlich: Ohne es wäre es fast unmöglich, dass es zu Bränden und Verbrennungen kommt. Dies liegt daran, dass seine Haupteigenschaft darin besteht, ein starkes Oxidationsmittel zu sein, Elektronen zu gewinnen oder sich in einem Wassermolekül oder in Oxidanionen, O ^{2-, zu} reduzieren .

Molekularer Sauerstoff ist für unzählige aerobe Prozesse unerlässlich und findet Anwendung in der Metallurgie, Medizin und Abwasserbehandlung. Dieses Gas ist praktisch gleichbedeutend mit Wärme, Atmung, Oxidation und andererseits mit Gefriertemperaturen, wenn es sich in flüssigem Zustand befindet.

Struktur von molekularem Sauerstoff

Molekülstruktur von gasförmigem Sauerstoff. Quelle: Benjah-bmm27 über Wikipedia.

Im oberen Bild ist die Molekülstruktur von gasförmigem Sauerstoff mit verschiedenen Modellen dargestellt. Die letzten beiden zeigen die Eigenschaften der kovalenten Bindung, die die Sauerstoffatome zusammenhält: eine Doppelbindung O = O, bei der jedes Sauerstoffatom sein Valenzoktett vervollständigt.

Das O ₂ -Molekül ist linear, homonuklear und symmetrisch. Seine Doppelbindung hat eine Länge von 121 pm. Dieser kurze Abstand bedeutet, dass eine beträchtliche Energie (498 kJ / mol) erforderlich ist, um die O = O-Bindung aufzubrechen, und daher ist es ein relativ stabiles Molekül.

Wenn nicht, hätte sich der Sauerstoff in der Atmosphäre im Laufe der Zeit vollständig verschlechtert, oder die Luft würde aus dem Nichts Feuer fangen.

Eigenschaften

Aussehen

Molekularer Sauerstoff ist ein farbloses, geschmacks- und geruchloses Gas, aber wenn er kondensiert und kristallisiert, erhält er bläuliche Töne.

Molmasse

32 g / mol (gerundeter Wert)

Schmelzpunkt

-218 ºC

Siedepunkt

-183

Löslichkeit

Molekularer Sauerstoff ist in Wasser schwer löslich, aber ausreichend, um die Meeresfauna zu unterstützen. Wenn Ihre Löslichkeit höher wäre, würden Sie weniger wahrscheinlich am Ertrinken sterben. Andererseits ist seine Löslichkeit in unpolaren Ölen und Flüssigkeiten viel höher, da sie diese langsam oxidieren und somit ihre ursprünglichen Eigenschaften beeinflussen können.

Energiezustände

Molekularer Sauerstoff ist eine Substanz, die mit der Valenzbindungstheorie (VTE) nicht vollständig beschrieben werden kann.

Die elektronische Konfiguration von Sauerstoff ist wie folgt:

2s² 2p⁴

Es hat ein Paar ungepaarter Elektronen (O :). Wenn sich zwei Sauerstoffatome treffen, verbinden sie sich zu einer O = O-Doppelbindung, die beide das Valenzoktett vervollständigen.

Daher sollte das O ₂ -Molekül diamagnetisch sein und alle seine Elektronen gepaart haben. Es ist jedoch ein paramagnetisches Molekül, und dies wird durch das Diagramm seiner Molekülorbitale erklärt:

Molekülorbitaldiagramm für Sauerstoffgas. Quelle: Anthony.Sebastian / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Daher beschreibt die Molekülorbitaltheorie (TOM) O _{2 am} besten . Die beiden ungepaarten Elektronen befinden sich in den π ^* -Molekularorbitalen höherer Energie und verleihen Sauerstoff seinen paramagnetischen Charakter.

Tatsächlich entspricht dieser energetische Zustand dem Triplettsauerstoff ³ O ₂ , dem am meisten vorherrschenden von allen. Der andere Energiezustand von Sauerstoff, der auf der Erde weniger häufig vorkommt, ist Singulett ¹ O ₂ .

Transformationen

Molekularer Sauerstoff ist beträchtlich stabil, solange er nicht mit einer oxidationsanfälligen Substanz in Kontakt kommt, geschweige denn, wenn keine nahegelegene Quelle intensiver Wärme wie ein Funke vorhanden ist. Dies liegt daran, dass O ₂ eine hohe Tendenz hat, sich selbst zu reduzieren und Elektronen von anderen Atomen oder Molekülen zu gewinnen.

Wenn es reduziert wird, kann es ein breites Spektrum an Verknüpfungen und Formen herstellen. Wenn es kovalente Bindungen bildet, tut es dies mit Atomen, die weniger elektronegativ sind als es selbst, einschließlich Wasserstoff, um Wasser, HOH, zu erzeugen. Es kann auch Kohlenstoff universieren, um CO-Bindungen und verschiedene Arten von sauerstoffhaltigen organischen Molekülen (Ether, Ketone, Aldehyde usw.) zu erzeugen.

O ₂ kann auch Elektronen gewinnen, um sich in Peroxid- und Superoxidanionen, O ₂ ^2- bzw. O ₂ ^- umzuwandeln . Wenn es im Körper in Peroxid umgewandelt wird, entsteht Wasserstoffperoxid, H ₂ O ₂ , HOOH, eine schädliche Verbindung, die durch die Einwirkung spezifischer Enzyme (Peroxidasen und Katalasen) verarbeitet wird.

Andererseits, und nicht weniger wichtig, reagiert O ₂ mit anorganischer Substanz und wird zum Oxidanion O ^2- , das eine endlose Liste mineralogischer Massen bildet, die die Erdkruste und den Erdmantel verdicken.

Anwendungen

Schweißen und Verbrennung

Sauerstoff wird verwendet, um Acetylen zu verbrennen und eine extrem heiße Flamme abzugeben, die beim Schweißen wertvoll ist. Quelle: Sheila / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)

Sauerstoff wird verwendet, um die Verbrennungsreaktion durchzuführen, bei der eine Substanz exotherm oxidiert wird und Feuer abgibt. Dieses Feuer und seine Temperatur variieren je nach brennender Substanz. Somit können sehr heiße Flammen wie Acetylen (oben) erhalten werden, mit denen Metalle und Legierungen geschweißt werden.

Ohne Sauerstoff könnten Kraftstoffe nicht verbrennen und ihre gesamte Kalorienenergie liefern, die zum Abschuss von Raketen oder zum Starten von Autos verwendet wird.

Oxidationsmittel in der grünen Chemie

Dank dieses Gases werden unzählige organische und anorganische Oxide synthetisiert oder industriell hergestellt. Diese Reaktionen basieren auf der Oxidationskraft von molekularem Sauerstoff und sind auch eines der am besten geeigneten Reagenzien in der grünen Chemie, um pharmazeutische Produkte zu erhalten.

Unterstützte Atmung und Abwasserbehandlung

Sauerstoff ist wichtig, um den Bedarf der Atemwege bei Patienten mit schwerwiegenden gesundheitlichen Problemen, bei Tauchern beim Abstieg in geringe Tiefen und bei Bergsteigern, in deren Höhe die Sauerstoffkonzentration drastisch verringert ist, zu decken.

Außerdem "füttert" Sauerstoff aerobe Bakterien, die dazu beitragen, umweltschädliche Rückstände aus dem Abwasser abzubauen oder das Atmen von Fischen in wässrigen Kulturen zum Schutz oder Handel zu unterstützen.

Verweise

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