Fakten Über Sauerstoff

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Eigenschaften und verwendungen des elements sauerstoff.

Einatmen Ausatmen. Ahh Hurra für Sauerstoff, das Element, das das Leben auf der Erde zum Summen bringt.

Element Nr. 8 des Periodensystems der Elemente ist ein farbloses Gas, das 21 Prozent der Erdatmosphäre ausmacht. Da es sich um alles handelt, lässt sich Sauerstoff leicht als stumpf und träge abtun. Tatsächlich ist es das reaktivste der nichtmetallischen Elemente.

Laut einer von der NASA finanzierten Studie aus dem Jahr 2007 hat sich die Erde seit ungefähr 2,3 Milliarden bis 2,4 Milliarden Jahren mit Sauerstoff angereichert. Niemand weiß genau, warum dieses lungenfreundliche Gas plötzlich zu einem bedeutenden Teil der Atmosphäre wurde. Es ist jedoch möglich, dass geologische Veränderungen auf der Erde dazu geführt haben, dass Sauerstoff durch Photosynthese von Organismen erzeugt wird, die nach Ansicht der Studienforscher nicht in geologischen Reaktionen verbraucht werden.

Nur die Fakten

  • Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern): 8
  • Atomic Symbol (im Periodensystem der Elemente): O
  • Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 15,9994
  • Dichte: 0,001429 Gramm pro Kubikzentimeter
  • Phase bei Raumtemperatur: Gas
  • Schmelzpunkt: minus 361,82 Grad Fahrenheit (minus 218,79 Grad Celsius)
  • Siedepunkt: minus 297,31 Grad Fahrenheit (minus 182,95 Grad Celsius)
  • Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen): 11; drei stabil
  • Häufigste Isotope: O-16 (99,757 Prozent natürliche Abundanz)

Atem des Lebens

Laut der Thomas Jefferson National Accelerator Facility ist Sauerstoff das dritthäufigste Element im Universum. Seine Reaktivität machte es jedoch in der frühen Erdatmosphäre relativ selten.

Cyanobakterien, Organismen, die mittels Photosynthese "atmen", nehmen Kohlendioxid auf und atmen Sauerstoff aus, genau wie moderne Pflanzen. Cyanobakterien waren wahrscheinlich für den ersten Sauerstoff auf der Erde verantwortlich, ein Ereignis, das unter dem Namen Great Oxidation Event bekannt ist.

Die Photosynthese durch Cyanobakterien dauerte wahrscheinlich, bevor sich in der Erdatmosphäre signifikante Sauerstoffmengen bildeten. Eine im März 2014 in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlichte Studie fand heraus, dass 2,95 Milliarden Jahre alte Gesteine, die in Südafrika gefunden wurden, Oxide enthielten, für deren Bildung freier Sauerstoff erforderlich gewesen wäre. Ursprünglich befanden sich diese Gesteine ​​in flachen Meeren, was darauf hindeutet, dass sich der Sauerstoff der Photosynthese etwa eine halbe Milliarde Jahre in der Meeresumgebung ansammelte, bevor er sich vor etwa 2,5 Milliarden Jahren in der Atmosphäre ansammelte.

Das heutige Leben hängt stark von Sauerstoff ab, aber der anfängliche Aufbau dieses Elements in der Atmosphäre war eine Katastrophe. Die neue Atmosphäre hat ein Massensterben von Anaerobier verursacht, Organismen, die keinen Sauerstoff benötigen. Anaeroben, die sich in Gegenwart von Sauerstoff nicht anpassen oder überleben konnten, starben in dieser neuen Welt ab. [Infografik: Erdatmosphäre von oben nach unten]

Schnell vorwärts - vorwärts. Die erste Ahnung, die der Mensch von der Existenz von Sauerstoff hatte, war im Jahr 1608, als der niederländische Erfinder Cornelius Drebbel berichtete, dass die Erhitzung von Salpeter (Kaliumnitrat) ein Gas freisetzte, so die Royal Society of Chemistry (RSC). Die Identität dieses Gases blieb bis in die 1770er Jahre ein Rätsel, als sich drei Chemiker mehr oder weniger zur gleichen Zeit auf seine Entdeckung stießen. Der englische Chemiker und Geistliche Joseph Priestly isolierte den Sauerstoff, indem er Quecksilberoxid mit Sonnenlicht ausstrahlte und das Gas aus der Reaktion sammelte. Er stellte fest, dass eine Kerze laut RSC dank der Rolle des Sauerstoffs bei der Verbrennung heller in diesem Gas brannte.

Priester veröffentlichte 1774 seine Erkenntnisse und schlug den Schweizer Wissenschaftler Carl Wilhelm Steele aus, der 1771 tatsächlich Sauerstoff isoliert und darüber geschrieben hatte, aber das Werk nicht veröffentlichte. Oxygens dritter Entdecker war Antoine-Laurent de Lavoisier, ein französischer Chemiker, der dem Element seinen Namen gab. Das Wort stammt aus dem Griechischen "Oxy" und "Gene" und bedeutet "säurebildend".

Sauerstoff hat insgesamt acht Elektronen - zwei Umlaufbahnen des Kerns in der inneren Hülle des Atoms und sechs Umlaufbahnen in der äußersten Hülle. Die äußerste Hülle kann insgesamt acht Elektronen aufnehmen, was die Tendenz des Sauerstoffs zur Reaktion mit anderen Elementen erklärt: Seine äußere Hülle ist unvollständig und die Elektronen sind somit frei für das Nehmen (und Geben).

Wer wusste?

  • Als Gas ist Sauerstoff klar. Aber als Flüssigkeit ist es hellblau.
  • Wenn Sie sich jemals gefragt haben, wie das Schwimmen in einem Pool mit flüssigem Sauerstoff aussehen würde, lautet die Antwort: sehr, sehr kalt, sagt Carl Zorn von der Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Sauerstoff muss auf minus 297,3 F (minus 183,0° C) fallen, um sich zu verflüssigen, sodass Erfrierungen ein Problem darstellen würden.
  • Zu wenig Sauerstoff ist problematisch. Ist also zu viel. Das Einatmen von 80 Prozent Sauerstoff für mehr als 12 Stunden reizt die Atemwege und kann nach Ansicht der University of Florida und der Firma Air Products tödliche Flüssigkeitsansammlungen oder Ödeme verursachen.
  • Sauerstoff ist ein hartes Plätzchen: Eine 2012 veröffentlichte Studie, die in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, als Sauerstoffmolekül (O2), kann Drucke überleben, die 19 Millionen Mal höher sind als der Atmosphärendruck.
  • Die niedrigsten Sauerstoffwerte, die jemals im menschlichen Blut gemessen wurden, wurden 2009 in der Nähe des Gipfels des Mount Everest gemessen. Kletterer hatten einen arteriellen Sauerstoffgehalt von durchschnittlich 3,28 Kilopascal. Vergleichen Sie das mit dem Normalwert von 12 bis 14 Kilopascal, und der Begriff "Todeszone" für Bergsteigen ist durchaus sinnvoll. Die Ergebnisse wurden im New England Journal of Medicine veröffentlicht.
  • Gott sei Dank für eine Atmosphäre von 21 Prozent Sauerstoff.Vor ungefähr 300 Millionen Jahren, als der Sauerstoffgehalt 35% erreichte, konnten sich Insekten sehr groß entwickeln: Denken Sie an Libellen mit den Flügelschwänzen von Falken.

Aktuelle Forschung

Sauerstoff bildet sich in den Herzen der Sterne mit der Fusion eines Kohlenstoff-12-Kerns und eines Helium-4-Kerns (auch Alpha-Teilchen genannt). Erst vor kurzem konnten Wissenschaftler in den Kern des Sauerstoffs blicken und dessen Struktur aufklären.

Im März 2014 berichteten der Physiker der North Carolina State University, Dean Lee, und seine Kollegen, dass sie die Kernstruktur von Sauerstoff-16, das häufigste Isotop des Sauerstoffs, in seinem Grundzustand (dem Zustand, in dem sich alle Elektronen befinden, herausgefunden haben niedrigste mögliche Energieniveaus) und in seinem ersten angeregten Zustand (das nächste Energieniveau nach oben).

Warum sollte so etwas ausmachen? Nun zu verstehen, wie sich Kerne in Sternen bilden - von Kohlenstoff über Sauerstoff zu schwereren Elementen - heißt zu verstehen, wie die Bausteine ​​des Universums zusammenschnappen. Lee und sein Team entdeckten ursprünglich, dass der Kern eines Kohlenstoff-12-Moleküls mit seinen sechs Protonen und sechs Neutronen tatsächlich aus drei Teilchenclustern mit jeweils zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Wenn Kohlenstoff-12 drei dieser sogenannten Alpha-Cluster hatte, so die Forscher, war Sauerstoff-16 wahrscheinlich vier, da es acht Protonen und acht Neutronen hat.

Mit Hilfe von Supercomputersimulationen und einem numerischen Gitter konnten die Forscher sehen, wie sich die Partikel in einem Sauerstoff-16-Kern anordnen. Sie fanden heraus, dass es im Grundzustand von Sauerstoff-16 tatsächlich vier Alpha-Cluster gibt, die sauber in einem Tetraeder angeordnet sind.

"Diese Alpha-Cluster sind so etwas wie kleine unscharfe Kugeln dieser vier Teilchen oder dieser Nukleonen, und diese unscharfen Kugeln berühren sich gerne durch Oberflächeninteraktion", sagte Lee gegenüber WordsSideKick.com. Die Tetraederkonfiguration ermöglicht es ihnen, schön und eng zu werden.

Aber es gab noch ein weiteres Quantengeheimnis, das aufgedeckt werden sollte. Der Grundzustand von Sauerstoff-16 und der erste angeregte Zustand weisen ein ungewöhnliches Merkmal auf. Beide haben den gleichen Spin - ein Wert, der angibt, wie sich die Partikel drehen. Beide haben auch eine positive Parität, um Symmetrie anzuzeigen. Stellen Sie sich vor, Sie würden im gesamten Universum nach links und rechts invertieren, aber subatomare Teilchen in derselben Form halten. Partikel mit positiver Parität könnten in dieses Spiegeluniversum schauen und sich so sehen, wie sie sind. Partikel mit negativer Parität müssten flip-flop werden, damit sie nicht wie eine in einem Spiegel gelesene Textzeile rückwärts enden.

"Das Geheimnis war, warum die untersten zwei Sauerstoff-16-Zustände einen Null-Spin und eine positive Parität haben", sagte Lee angesichts der unterschiedlichen Zustände.

Die Simulationen gaben eine Antwort: In seinem angeregten Zustand ordnet Oxygen-16 seinen Kern so an, dass er wenig aussieht wie der Grundzustand. Anstelle einer tetraedrischen Anordnung ordnen sich die Alphateilchen in einer quadratischen oder nahezu quadratischen Ebene an.

"Ihre zugrundeliegenden intrinsischen Strukturen waren unterschiedlich", sagte Lee. Die völlig andere Konfiguration erklärt, wie Spin und Parität gleich bleiben könnten - die Kerne gehen unterschiedliche Wege zum gleichen Ergebnis.

Es gibt noch mehr Quantenwechselwirkungen im Sauerstoff-16-Kern, die zu entwirren sind, so Lee, und feinkörnigere Details zu entdecken.

"Es gibt tatsächlich eine Menge interessanter Dinge in kleinen Dingen wie Kernen", sagte er. "Und es gibt Geschichten, die erzählt werden, wie sie gemacht werden und die wir jetzt angehen können."

Lees Arbeit sieht nach der Geburt des Sauerstoffs in den Sternen aus; Eine weitere Linie der Sauerstoffforschung konzentriert sich auf die Rolle des Elements im Leben auf der Erde. Kurz vor dem großen Oxidationsereignis vor etwa 2,4 Milliarden Jahren könnten die Sauerstoffwerte vor dem Absturz den heutigen Stand erreicht oder überschritten haben, sagte Daniel Mills, Doktorand am Nordic Center for Earth Evolution der University of Southern Denmark. Das Tierleben tauchte erst weit später auf, wobei die einfachsten Tiere vor etwa 600 Millionen Jahren erschienen.

Trotz der Theorien, dass der Anstieg des Sauerstoffs den Weg für die Existenz von Tieren ebnete, scheint die Geschichte viel komplexer zu sein. Tiere traten während der ersten signifikanten Beeinträchtigung des Sauerstoffgehalts der Erde vor 2,4 Milliarden Jahren nicht auf. Im Februar 2014 berichteten Mills und seine Kollegen in der Zeitschrift PNAS, dass Schwämme von heute immer noch atmen, essen und sogar noch Sauerstoffgehalt von 0,5 bis 4 Prozent der heutigen Atmosphäre in der Erdatmosphäre haben können. Schwämme sind das wahrscheinlich am ähnlichsten lebende Tier der ersten Tiere der Erde, sagte Mills gegenüber WordsSideKick.com.

Die Feststellung, dass Schwämme zum Leben keinen hohen Sauerstoffbedarf haben, deutet darauf hin, dass etwas anderes zur Entstehung des ersten Tierlebens beigetragen hat. Wenngleich der Sauerstoffanstieg notwendig gewesen sein könnte, um die Vielfalt und die Ökosysteme zu erreichen, die wir heute sehen, sagte Mills. Selbst in der Neuzeit gedeihen Tiere wie Nematodenwürmer in sauerstoffarmen Gebieten des Ozeans, fügte er hinzu.

"Die Entwicklung des Tieres hat eindeutig mehr zu bieten als reichlich Sauerstoff", sagte Mills.

Zusätzliche Ressourcen

  • Eine interaktive Grafik des Howard Hughes Medical Institute zeigt auch die geologische Geschichte des Sauerstoffs, die vor etwa 3,8 Milliarden Jahren begann.
  • Erfahren Sie mehr über das, was die heutige Erdatmosphäre ausmacht, alles über den Luftdruck und das Luftvolumen sowie das Wetter auf dieser Kindersite des National Center for Atmospheric Research.

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Videoergänzungsan: 11 Fakten über Sauerstoff, die Du wahrscheinlich nicht wusstest [GESUND].




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