Sauerstoff: Reaktionen & Eigenschaften

Die Masse unserer Erde besteht fast zur Hälfte aus dem Element Sauerstoff. Es ist das häufigst vorkommende Element auf unserer Erde und Grundlage für fast alles Leben. Vor ca. 2.7 Milliarden Jahren entwickelten sich die ersten Bakterien mit der Fähigkeit zur Photosynthese, also die Fähigkeit aus Wasser und Kohlendioxid, mithilfe von Licht, Sauerstoff und Zucker zu generieren. Dadurch kam der Sauerstoff erstmals in die Atmosphäre.

Für viele Organismen aus dieser Zeit war elementarer Sauerstoff zu reaktiv und somit giftig. Das Leben passte sich jedoch an und die ersten Organismen entwickelten den Prozess der Atmung, wo Sauerstoff als Elektronenakzeptor benötigt wird, um Energie zu gewinnen. 

Auch heute noch kommt all der Sauerstoff, den wir atmen, von Organismen, die Photosynthese betreiben. Dazu zählen vor allem Pflanzen, Algen und Einzeller. Lebewesen, wie Tiere und Pilze, veratmen den Sauerstoff dann wieder zu Kohlendioxid und Wasser. Somit befindet sich der Sauerstoff unseres Planeten in einem ständigen Kreislauf. 

Sauerstoff - Eigenschaften

Sauerstoff steht an 8. Stelle des Periodensystems und hat somit 8 Protonen und 8 Elektronen. Seine Massenzahl beträgt 16 und er gehört zu der 6. Hauptgruppe, den Chalkogenen oder auch Erzbildner genannt. In der unteren Grafik kannst du ein Elektronenschalenmodell eines Sauerstoffatoms sehen. Wie jedes andere Element möchte auch Sauerstoff die Edelgaskonfiguration erreichen. Das heisst in diesem Fall, dass er seine Valenzschale mit 2 weiteren Elektronen auffüllen möchte, um die Elektronenkonfiguration von Neon zu erhalten. Besonders ist auch, dass Sauerstoff die Oktettregel einhält und deshalb nie mehr als 8 Elektronen auf seiner Valenzschale haben kann. Durch diesen Umstand bildet Sauerstoff normalerweise auch nicht mehr als 2 Bindungen zu anderen Atomen aus.

Die Elektronegativität eines Elements beschreibt, wie stark ein Element Elektronen aufnehmen will. Je höher der Wert, desto mehr will ein Element Elektronen aufnehmen. Mit einem Wert von 3.5 ist Sauerstoff das 2. elektronegativste Element nach Fluor und somit sehr reaktiv. In der Natur kommt Sauerstoff meistens gebunden vor, wie z.B. in Wasser $$(H_2O)$$​, aber auch in elementarer Form als $$O_2$$​ oder selten als Ozon $$O_3$$​​, welches durch Sonnenlicht gebildet wird.

Sauerstoff tritt immer in der Oxidationsstufe -II auf, da er 2 Elektronen aufnimmt. Die Oxidationsstufe bildet sich in einem Element, vereinfacht gesagt, aus Anzahl Protonen - Anzahl gebundener Elektronen. Ausnahmen bilden:

• Elementarer Sauerstoff, welcher die Oxidationsstufe 0 besitzt
• Peroxide, welche nur -I als Oxidationsstufe besitzen
• Verbindungen mit dem noch elektronegativeren Fluor: In diesen kann Sauerstoff die Oxidationsstufe +1 oder sogar +2 einnehmen, falls 2 Fluor kovalent an Sauerstoff binden ($$OF_2$$).

Sauerstoff - Reaktionen

Fast alle Reaktionen, an denen Sauerstoff beteiligt ist, sind Redoxreaktionen. Bei einer Redoxreaktion werden Elektronen von einem Element zu einem anderen übertragen. Ein Element wird also oxidiert (gibt Elektronen ab) und das andere Element wird gleichzeitig reduziert (nimmt Elektronen auf), daher der Name Redox. Sauerstoff ist eigentlich immer das Element, welches Elektronen aufnimmt und somit das andere Element oxidiert, weshalb Sauerstoff ein Oxidationsmittel (oxidiert ein anderes Element) ist.

Aufgrund seiner hohen Elektronegativität ist Sauerstoff auch äusserst reaktiv. Deshalb bildet er mit den meisten anderen Elementen direkt Oxide. Es gibt einige Ausnahmen wie Edelmetalle, Halogene, Schwefel, Stickstoff und Kohlenstoff, welche nur bei speziellen Bedingungen mit Sauerstoff reagieren. 

Ausserdem ist Sauerstoff immer am Verbrennen von Sachen beteiligt. Er selbst ist zwar nicht brennbar, aber notwendig, um etwas wie Holz oder Kohle zu verbrennen. Dabei oxidiert der Sauerstoff unter hohen Temperaturen den Kohlenstoff des Holzes. Auch in unserem Körper wird konstant Zucker verbrannt. Die genaue chemische Reaktion kannst du unten aufgelistet sehen. Dank dieser Eigenschaft lässt sich Sauerstoff auch sehr leicht nachweisen: Mithilfe der Glimmspanprobe. Dabei hältst du ein glühendes Holzstäbchen in ein Glas. Flammt das Stäbchen hell auf, so ist Sauerstoff definitiv vorhanden.

• Zellatmung:  $$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6 H_2O$$​​
• Knallgasreaktion:  $$2 H_2 + O_2 \rightarrow2H_2O$$​​
• Magnesium an der Luft: $$2 Mg + O_2 \rightarrow 2 MgO$$​​

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Sauerstoffverbindungen

Sauerstoff bildet eine Vielzahl an Verbindungen. Er kann mit allen Elementen ausser Helium, Neon und Argon Verbindungen eingehen. Die meisten davon sind die bereits erwähnten Oxide, in welchen Sauerstoff ionisch vorkommen kann oder kovalent gebunden. In Oxiden tritt Sauerstoff immer mit der Oxidationsstufe -II auf, was heisst, dass der/die Bindungspartner positive Oxidationsstufen aufweisen. Mit Metallen werden vorwiegend ionische Bindungen, also Salze, gebildet. Beispiele dafür sind $$CaO$$​ oder $$CrO_3$$​. Dabei reagieren Metalloxide mit wenig Sauerstoffatomen meistens basisch mit Wasser, während solche mit mehreren Sauerstoffatomen eher sauer reagieren. Mit Nichtmetallen bildet Sauerstoff nur kovalente Oxide.

Mit Wasserstoff kann Sauerstoff 2 Verbindungen ausbilden. Die erste kennst auch Du, denn sie ist die Grundlage unser allen Lebens: Wasser. Die zweite ist instabil und wird als Bleichmittel verwendet, nämlich Wasserstoffperoxid $$(H_2O_2)$$​. Peroxide sind allgemein Verbindungen, in denen eine Sauerstoff - Sauerstoff Einfachbindung besteht und somit der Sauerstoff eine Oxidationsstufe von -I hat anstatt -II, weshalb diese Verbindungen auch eher instabil sind. Diese Peroxide können nicht nur mit Wasserstoff, sondern auch mit Alkali und Erdalkalimetallen gebildet werden. 

Eine weitere Auftrittsform von Sauerstoff ist in sogenannten Sauerstoffsäuren und deren Salzen. Dabei tritt er kovalent mit einem anderen Nichtmetall oder Halbmetall verbunden auf. Ein Beispiel dafür, dass auch du sicher kennst, ist die Kohlensäure $$(H_2CO_3)$$​ oder die Schwefelsäure $$(H_2SO_4)$$​.

Sauerstoff ist ausserdem auch in vielen organischen Verbindungen wie in Zucker, Proteinen und Fetten enthalten und bildet somit einen der wichtigsten Bausteine des Lebens. 

Beispiele: Oxide	Beispiele: Sauerstoffsäuren	Beispiele: Organische Sauerstoffverbindungen
​$$Kovalent: NO,CO_2,SO_3$$​​	​$$Kieselsäure: H_4SiO_4$$​​
​$$Ionisch: MgO,TiO_2$$​​	​$$Phosphorsäure: H_3PO_4$$​​