Latest / Das Periodensystem der Elemente / 8. Sauerstoff (O) - Der Atem der Welt

Transcript

8. Sauerstoff (O) - Der Atem der Welt · Das Periodensystem der Elemente

0:00
Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das
0:03
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
0:07
Loslassen und lernen kennst du schon unsere anderen Podcast
0:12
reihen wie Wissensreise durch die Geschichte oder durch die
0:16
Natur, wenn dir der Podcast gefällt, folge uns gerne und
0:21
bewerte den Podcast. Das hilft uns sehr, atme ein,
0:25
atme aus. In diesem einfachen unbewussten
0:28
Akt, den wir etwa 20000 mal am Tag vollziehen, verbinden wir
0:33
uns mit dem achten Element des Periodensystems, mit Sauerstoff,
0:37
jenem unsichtbaren Gas, das Leben auf der Erde erst möglich
0:42
macht. Heute nehme ich dich mit auf
0:45
eine Reise zu diesem außergewöhnlichen Element, das
0:48
gleichzeitig lebensquell und zerstörerische Kraft sein kann.
0:54
Lass uns gemeinsam durch die Geschichte, Chemie und kosmische
0:57
Bedeutung des Sauerstoffs schweben.
0:59
Durch seine Rolle in unserer Atmosphäre, in unserem Körper
1:03
und in den Sternen. Dies ist die Geschichte des
1:08
Elements, das unsere Welt atmen lässt.
1:12
Sauerstoff trägt im Periodensystem das Symbol O und
1:16
die Ordnungszahl 8. Das bedeutet, jedes
1:20
Sauerstoffatom besitzt 8 Protonen im Kern und
1:24
normalerweise auch 8 Neutronen, wodurch die häufigste isotopform
1:29
Sauerstoff 16 entsteht. Mit einer Atommasse von etwa
1:35
15,999 atomaren Masseneinheiten ist Sauerstoff das
1:37
dritthäufigste Element im Universum nach Wasserstoff und
1:41
Helium. Der Name Sauerstoff stammt aus
1:46
dem Griechischen. Der französische Chemiker
1:51
Antoine Lavoisier prägte 1777 den Begriff Oxygene,
1:58
zusammengesetzt aus Oxysi für scharf oder sauer und Guinness
2:02
für Erzeugend. Lavoisier glaubte, dass
2:06
Sauerstoff ein wesentlicher Bestandteil aller Säuren sei.
2:10
Diese Annahme stellte sich später als nicht vollständig
2:13
korrekt heraus, aber der Name blieb erhalten.
2:17
Im Deutschen wurde daraus Sauerstoff, der säurebildende
2:21
Stoff. Doch die Entdeckung des
2:23
Sauerstoffs ist komplizierter und umstrittener, als man denken
2:27
könnte. 3 Wissenschaftler beanspruchen die Ehre,
2:31
Sauerstoff als eigenständiges Element erkannt zu haben der
2:36
schwedische Apotheker Karl Wilhelm Schele isolierte
2:40
Sauerstoff vermutlich bereits 1772.
2:44
Veröffentlichte seine Ergebnisse aber erst 1777 der englische
2:51
Geistliche und Naturforscher Joseph Priestley entdeckte
2:55
Sauerstoff unabhängig davon im August 1774, indem er
3:02
Quecksilberoxid mit einem Brennglas erhitzte.
3:07
Priestley nannte das Gas deflogistisierte Luft, da er
3:11
noch an die damals vorherrschende Phlogiston
3:14
Theorie glaubte. Diese Theorie besagte, dass
3:18
brennbare Materialien eine Substanz namens Phlogiston
3:22
enthalten, die beim Verbrennen freigesetzt wird.
3:26
Erst Antoine Lavoisier erkannte die wahre Natur des Gases und
3:30
widerlegte die Flogiston Theorie.
3:32
Er zeigte, dass Verbrennung keine Freisetzung von Flogiston
3:36
ist, sondern eine Vereinigung mit Sauerstoff, ein Prozess, den
3:40
wir heute Oxidation nennen. Diese Erkenntnis war
3:44
revolutionär und begründete die moderne Chemie.
3:49
Lavoisier führte präzise Messungen durch und zeigte, dass
3:53
die Masse bei chemischen Reaktionen erhalten bleibt.
3:56
Er bewies, dass Verbrennung die Masse erhöht, weil Sauerstoff
4:00
aus der Luft mit dem brennenden Material reagiert, dies war der
4:06
Todesstoß für die Flogiston Theorie und der Beginn der
4:10
quantitativen Chemie. Sauerstoff existiert in mehreren
4:15
Allotropen Formen, verschiedenen strukturellen Modifikationen
4:19
desselben Elements. Die bei weitem häufigste Form
4:23
ist molekularer Sauerstoff o 2, ein farbloses, geruchloses Gas,
4:29
das etwa 21% unserer Atmosphäre ausmacht.
4:31
Jedes o 2 Molekül besteht aus 2 Sauerstoffatomen, die durch eine
4:38
Doppelbindung verbunden sind. Diese Doppelbindung ist
4:43
interessant aus quantenmechanischer Sicht.
4:46
Die Molekülorbitaltheorie zeigt, dass o 2 tatsächlich 2
4:51
ungepaarte Elektronen besitzt, was es zu einem Binadikal macht.
4:56
Dies erklärt, warum Sauerstoff Paramagnetisch ist, also von
5:01
Magnetfeldern angezogen wird, wenn man flüssigen Sauerstoff
5:05
zwischen die Pole eines starken Magneten gießt, bleibt er dort
5:09
hängen. Ein faszinierender Effekt, den
5:12
man mit den meisten anderen Flüssigkeiten nicht beobachten
5:16
kann. Die zweite wichtige allotrope
5:19
Form ist Ozon o 3. Ozon besteht aus 3
5:24
Sauerstoffatomen in einer gewinkelten Struktur, es ist ein
5:28
bläuliches Gas mit charakteristischem stechendem
5:32
Geruch, den man manchmal nach Gewittern wahrnimmt, wenn
5:35
elektrische Entladungen o 2 zu o 3 umwandeln.
5:39
Ozon ist viel Reaktiver als o 2 und ein starkes Oxidationsmittel
5:47
in der Stratosphäre, etwa 15 bis 50 Kilometer über der
5:51
Erdoberfläche, bildet Ozon eine schützende Schicht ultraviolette
5:57
Strahlung der Sonne spaltet o 2 Moleküle und die freien
6:01
Sauerstoffatome verbinden sich mit anderen o 2 Molekülen zu o
6:06
3. Diese Ozonschicht absorbiert
6:09
etwa 97 bis 99% der schädlichen UVB und UVC Strahlung der Sonne
6:16
und schützt damit das Leben auf der Erdoberfläche vor
6:20
Strahlenschäden. Die Entdeckung des Ozonlochs
6:24
über der Antarktis in den 1900 80er Jahren war ein Weckruf für
6:29
die Menschheit fluorchlorkohlenwasserstoffe.
6:33
Kurz FCKW, die in Kühlschränken, Spraydosen und Schaumstoffen
6:38
verwendet wurden, stiegen in die Stratosphäre auf und
6:41
Katalysierten den Abbau von Ozon.
6:45
Das Montrealprotokoll von 1987 verbot die Produktion dieser
6:52
Substanzen und langsam erholt sich die Ozonschicht.
6:56
Ein seltenes Beispiel erfolgreichen internationalen
7:00
Umweltschutzes. Sauerstoff ist außerordentlich
7:04
reaktionsfreudig. Es bildet Verbindungen mit
7:07
praktisch allen anderen Elementen außer den Edelgasen
7:11
Helium, Neon und Argon. Diese Verbindungen heißen Oxide,
7:18
die Oxidation ist eine der fundamentalsten chemischen
7:22
Reaktionen und kann langsam ablaufen wie beim Rosten von
7:26
Eisen oder explosiv wie bei der Verbrennung von Wasserstoff.
7:32
Die Verbrennungsreaktion ist eine exotherme Oxidation, bei
7:36
der Energie in Form von Wärme und Licht freigesetzt wird.
7:41
Wenn Kohlenwasserstoffe wie Benzin, Erdgas oder Holz
7:45
verbrennen, reagieren sie mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und
7:49
Wasser, die chemische Gleichung für die Verbrennung von Methan
7:53
lautet. CH 4 + 2 o 2 ergibt CO 2 + 2 h 2
8:00
o plus Energie. Unser eigener Stoffwechsel
8:03
basiert auf einer kontrollierten Form der Verbrennung in den
8:07
Mitochondrien unserer Zellen wird Glucose mit Sauerstoff
8:10
oxidiert, um Adenosintriphosphat, kurz ATP,
8:15
zu produzieren, die universelle Energiewährung des Lebens.
8:19
Dieser Prozess heißt Zellatmung und kann vereinfacht dargestellt
8:24
werden als C 6 h 12 o 6 + 6 o 2 ergibt 6 CO 2 + 6 h 2 o plus
8:32
Energie. Ein erwachsener Mensch in Ruhe
8:35
verbraucht etwa 250 Milliliter Sauerstoff pro Minute, bei
8:40
körperlicher Anstrengung kann dieser Wert auf über 4000
8:44
Milliliter pro Minute ansteigen. Das entspricht etwa 11000 Litern
8:49
Luft pro Tag, die durch unsere Lungen strömen.
8:53
Der Sauerstoff wird im Blut von Hämoglobin transportiert, einem
8:57
eisenhaltigen Protein in den roten Blutkörperchen.
9:01
Hämoglobin ist ein Wunderwerk der Evolution, jedes
9:06
Hämoglobinmolekül kann 4 sauerstoffmoleküle binden das
9:11
zentrale Eisenatom in jeder häm Gruppe kann reversibel mit o 2.
9:16
Eine Bindung eingehen interessanterweise verändert
9:20
sich die Farbe des Blutes je nach Sauerstoffbeladung
9:25
Sauerstoffreiches Blut ist hellrot, sauerstoffarmes Blut
9:30
ist dunkelrot bis bläulich, die blauen Adern, die wir durch die
9:34
Haut sehen, sind eine optische Täuschung aufgrund der
9:38
Lichtstreuung nicht wirklich blaues Blut.
9:43
Die Erdatmosphäre enthält heute etwa 21% Sauerstoff.
9:46
Aber das war nicht immer so. Die frühe Erdatmosphäre vor etwa
9:52
4,5 Milliarden Jahren enthielt praktisch keinen freien
9:55
Sauerstoff, sie bestand hauptsächlich aus Stickstoff,
9:59
Kohlendioxid, Wasserdampf und kleinen Mengen anderer Gase.
10:07
Die Erde war eine Sauerstofffreie für heutiges
10:11
Leben. Toxische Welt der entscheidende
10:15
Wandel kam vor, etwa 2,4 bis 2,0 Milliarden Jahren während der
10:21
großen Sauerstoffkatastrophe, auch bekannt als Great Oxidation
10:27
Event Cyanobakterien. Primitive Photosynthetische
10:32
Mikroorganismen hatten die Fähigkeit entwickelt,
10:34
Sonnenlicht zu nutzen, um Wasser zu spalten und dabei Sauerstoff
10:39
freizusetzen. Die chemische Gleichung der
10:43
Photosynthese lautet 6 CO 2 + 6 h 2 o plus lichtenergie ergibt c
10:51
6 h 12 o 6 + 6 o 2 die. Zunächst wurde der produzierte
10:56
Sauerstoff sofort durch Reaktionen mit gelösten
10:59
Eisenverbindungen im Ozean und vulkanischen Gasen verbraucht.
11:04
Über Millionen von Jahren bildeten sich dabei gewaltige
11:08
Ablagerungen von Eisenoxid, die sogenannten Gebänderten
11:12
Eisenerze oder Banded Iron for Mushomes, die heute zu den
11:17
wichtigsten Eisenerz Lagerstätten gehören und
11:20
buchstäblich die Farbe des Rostes haben.
11:24
Schließlich waren die Ozeane und Gesteine gesättigt mit Oxiden
11:29
und freier Sauerstoff begann sich in der Atmosphäre
11:31
anzusammeln. Für die meisten damaligen
11:34
Organismen, die unter anaeroben Bedingungen entstanden waren,
11:39
war Sauerstoff tödlich, er verursacht oxidativen Stress und
11:44
zerstört zellstrukturen, es kam zu einem massiven Massensterben
11:49
der ersten großen ökologischen Krise der Erdgeschichte.
11:54
Doch einige Organismen entwickelten Mechanismen, um mit
11:57
Sauerstoff umzugehen und ihn sogar zu nutzen.
12:01
Die aerobe Atmung ist etwa 18 mal effizienter als anaerobe
12:07
Gärung bei der Energiegewinnung, dies ermöglichte die Evolution
12:11
komplexerer, energiehungrigerer Lebensformen ohne die große
12:17
Sauerstoffkatastrophe gäbe es keine Tiere, keine Pflanzen,
12:21
keine Menschen. Der Sauerstoffgehalt der
12:24
Atmosphäre schwankte im Laufe der Erdgeschichte erheblich,
12:28
während der Carbonzeit vor etwa 300000000 Jahren lag er bei etwa
12:33
35% deutlich höher als heute. Dies ermöglichte das Wachstum
12:39
riesiger Insekten und Gliederfüßer, da deren
12:42
primitives Atmungssystem auf Diffusion basiert und mehr
12:46
Sauerstoff größere Körper ermöglicht.
12:50
Libellen mit 70 Zentimeter Flügelspannweite und
12:54
Tausendfüßlerähnlicher Atropleura mit 2 Metern Länge
12:58
bevölkerten die Wälder in den letzten 500000000 Jahren
13:02
stabilisierte sich der Sauerstoffgehalt zwischen etwa
13:05
15 und 30%, heute liegt er bei etwa 20,95% auf Meereshöhe.
13:15
Dieser Wert wird durch ein empfindliches Gleichgewicht
13:19
zwischen Photosynthese, die Sauerstoff produziert, und
13:22
Atmung sowie Verbrennungsprozessen, die ihn
13:25
verbrauchen, aufrechterhalten. Interessanterweise produzieren
13:30
nicht Regenwälder, wie oft angenommen, den meisten
13:33
Sauerstoff, die größten Sauerstoffproduzenten sind
13:38
photosynthetische Mikroorganismen in den Ozeanen.
13:41
Vor allem Phytoplankton wie Cyanobakterien und Diatomen
13:47
diese winzigen Organismen, oft nur mikrometergroß, produzieren
13:52
schätzungsweise 50 bis 80% des atmosphärischen Sauerstoffs.
13:56
Der Ozean ist die wahre Lunge unseres Planeten Sauerstoff
14:02
spielt auch eine wichtige Rolle in der Industrie, es ist nach
14:07
Stickstoff das am zweithäufigsten produzierte
14:09
Industriegas. Etwa 100000000 Tonnen Sauerstoff
14:14
werden jährlich weltweit hergestellt, hauptsächlich durch
14:18
fraktionierte Destillation von flüssiger Luft.
14:22
Dabei wird Luft komprimiert, gekühlt und verflüssigt, dann
14:27
langsam erwärmt, da Stickstoff einen niedrigeren Siedepunkt hat
14:32
als Sauerstoff, verdampft er zuerst und kann abgetrennt
14:36
werden. Die Hauptanwendungen von
14:39
Sauerstoff sind in der Stahlproduktion, wo er verwendet
14:43
wird, um Verunreinigungen aus Eisenerz zu verbrennen, in der
14:47
chemischen Industrie zur Herstellung von Ethylenoxid und
14:52
anderen Chemikalien in der Wasseraufbereitung und natürlich
14:56
in der Medizin. Sauerstofftherapie wird
14:59
eingesetzt bei Atemwegserkrankungen, in
15:02
Notfallsituationen und für Patienten mit chronisch
15:05
niedrigem Sauerstoffgehalt im Blut.
15:08
Im Weltraum ist flüssiger Sauerstoff ein wichtiger
15:12
Raketentreibstoff. Die meisten Raketen verwenden
15:16
Sauerstoff als Oxidator, kombiniert mit Brennstoffen wie
15:20
Kerosin, Wasserstoff oder Methan.
15:24
Die Saturn 5 Rakete, die die Apollo Astronauten zum Mond
15:28
brachte, verbrauchte etwa 2000 Tonnen flüssigen Sauerstoff pro
15:33
Start. Sauerstoff wird auch in Sternen
15:36
produziert und seine kosmische Geschichte ist faszinierend im
15:41
frühen Universum kurz nach dem Urknall existierten nur
15:46
Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium.
15:50
Alle schwereren Elemente, einschließlich Sauerstoff,
15:54
wurden später in Sternen erschaffen.
15:56
Durch Stellare Nukleosynthese in massereichen Sternen mindestens
16:02
achtmal so schwer wie unsere Sonne, kann der
16:04
Heliumbrennprozess Kohlenstoff und Sauerstoff erzeugen, wenn 3
16:10
Heliumkerne bei Temperaturen von etwa 100000000 Kelvin
16:15
fusionieren, entsteht zunächst Kohlenstoff 12.
16:19
Weitere Fusionen von Helium mit Kohlenstoff produzieren
16:23
Sauerstoff, 16 noch massereichere Sterne können
16:28
später Sauerstoff zu Silizium, Schwefel und schließlich Eisen
16:33
fusionieren. Am Ende ihres Lebens explodieren
16:38
diese massereichen Sterne in Supernovae, gewaltigen
16:42
Explosionen, die vorübergehend heller leuchten können als ganze
16:46
Galaxien. Dabei werden die im Sterninneren
16:50
erzeugten Elemente, einschließlich Sauerstoff ins
16:54
All geschleudert. Dieses angereicherte Material
16:58
bildet Wolken aus Gas und Staub, aus denen neue Sterne und
17:02
Planeten entstehen. Unser Sonnensystem bildete sich
17:07
aus einer solchen Wolke vor etwa 4,6 Milliarden Jahren, der
17:12
Sauerstoff in unserem Körper in der Luft, die wir atmen.
17:16
Im Wasser, das wir trinken, wurde vor Milliarden von Jahren
17:20
im Inneren längst explodierter Sterne geschmiedet.
17:25
Wir sind buchstäblich aus Sternenstaub gemacht, auf der
17:28
Erde ist Sauerstoff nicht nur in der Atmosphäre, sondern auch in
17:33
der Erdkruste außerordentlich häufig, etwa 46% der Masse der
17:38
kontinentalen Erdkruste besteht aus Sauerstoff.
17:42
Hauptsächlich gebunden in Silikaten, den Mineralien, die
17:46
den größten Teil der Gesteine bilden.
17:49
Siliciumdioxid SIO 2, bekannt als Quarz oder Sand, ist eine
17:55
der häufigsten Verbindungen der Erdoberfläche.
17:59
Wasser h 2 O ist natürlich die bekannteste
18:02
Sauerstoffverbindung. Etwa 71% der Erdoberfläche sind
18:05
mit Wasser bedeckt und der menschliche Körper besteht zu
18:09
etwa 60% aus Wasser. Sauerstoff macht etwa 89% der
18:14
Masse des Wassers aus, in gewissem Sinne sind wir
18:16
wandelnde, atmende Sauerstoffverbindungen, die
18:19
Isotope des Sauerstoffs sind wissenschaftlich wertvoll, die.
18:28
Sauerstoff 16 ist mit 99,76% das häufigste Isotop.
18:35
Sauerstoff 17 und Sauerstoff 18 sind stabile, aber seltenere
18:41
Isotope. Das Verhältnis von o 18 zu o 16
18:46
in Eisbohrkernen und Meeressedimenten dient als
18:50
Klimaarchiv. Wasser mit dem leichteren O 16
18:54
verdunstet leichter, sodass bei kalten Perioden mehr o 18 im
18:59
Ozean verbleibt. Durch Messung dieser
19:02
Verhältnisse können Wissenschaftler vergangene
19:04
Temperaturen rekonstruieren. Sauerstoff hat auch eine dunkle
19:09
Seite. In hohen Konzentrationen ist er
19:12
toxisch, reiner Sauerstoff über längere Zeit kann zu
19:15
Sauerstoffvergiftung führen, die Lunge und das zentrale
19:19
Nervensystem schädigen Taucher, die mit Nitrox oder reinem
19:23
Sauerstoff tauchen, müssen die Tiefe und Expositionszeit
19:27
sorgfältig kontrollieren, bei erhöhtem Druck kann Sauerstoff
19:31
zu Krampfanfällen und anderen schweren Symptomen führen.
19:35
Freie Sauerstoffradikale in unserem Körper, hochreaktive
19:40
Moleküle mit ungepaarten Elektronen können Zellschäden
19:43
verursachen und werden mit Alterung und verschiedenen
19:47
Krankheiten in Verbindung gebracht.
19:50
Antioxidantien in unserer Nahrung wie Vitamin C und E
19:54
Helfen, diese Radikale zu neutralisieren.
19:57
Das Paradoxon ist, dass wir Sauerstoff zum Leben brauchen,
20:02
aber er gleichzeitig langsam unsere Zellen schädigt.
20:06
In der modernen Welt stehen wir vor neuen Herausforderungen im
20:11
Zusammenhang mit Sauerstoff, die Ozeanversauerung und Erwärmung
20:15
führen zu sauerstoffarmen Zonen, sogenannten Dead Zones, wo der
20:21
Sauerstoffgehalt zu niedrig ist für die meisten Meereslebewesen.
20:26
Überdüngung durch Landwirtschaft lässt Algen übermäßig wachsen,
20:30
die dann absterben und beim Abbau Sauerstoff verbrauchen.
20:35
Gleichzeitig bedroht die Abholzung von Wäldern und die
20:39
Schädigung mariner Ökosysteme die langfristige Stabilität
20:43
unseres Sauerstoffhaushalts. Obwohl der atmosphärische
20:48
Sauerstoffgehalt momentan stabil ist, zeigen langfristige
20:52
Messungen einen minimal sinkenden Trend, hauptsächlich
20:56
durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, die Sauerstoff
20:59
verbrauchen, während wir durch die Wissenschaft des Sauerstoffs
21:03
gereist sind. Von seiner Entdeckung über seine
21:06
Rolle in unserem Körper bis zu seiner Entstehung in Sternen
21:10
wird eines klar. Sauerstoff ist mehr als nur ein
21:15
Element im Periodensystem. Es ist die Grundlage unseres
21:19
Lebens, der Atem, der uns mit jedem Moment verbindet, jeder
21:25
Atemzug, den wir nehmen, verbindet uns mit den Ozeanen,
21:29
wo Phytoplankton Sauerstoff freisetzt, mit den Wäldern, wo
21:33
Bäume ihn produzieren. Mit den uralten Cyanobakterien,
21:37
die vor Milliarden Jahren die Atmosphäre veränderten und mit
21:42
den Sternen, wo dieses Element einst geschmiedet wurde.
21:47
Diese Verbindung erinnert uns daran, wie abhängig wir von den
21:50
lebenden Systemen unseres Planeten sind.
21:54
Die Atmosphäre, die wir atmen, ist kein selbstverständliches
21:58
Geschenk, sondern das Produkt, Milliarden von Jahren
22:02
biologischer Aktivität in. Jede Bedrohung der Ozeane, der
22:07
Wälder, der mikroskopischen Lebensformen, die Sauerstoff
22:11
produzieren, ist letztendlich eine Bedrohung für uns selbst.
22:17
Lass diese Erkenntnis sanft in dir nachklingen.
22:21
Mit jedem Atemzug nimmst du Teil an einem planetaren Kreislauf,
22:25
der so alt ist wie das Leben selbst.
22:28
Die Erde versorgt uns großzügig mit dem Atem des Lebens.
22:34
Mögen wir diese Großzügigkeit ehren, indem wir die Systeme
22:38
schützen und bewahren, die uns diesen kostbaren Sauerstoff
22:41
schenken, heute und für alle kommenden Generationen.