8. Sauerstoff (O) - Der Atem der Welt

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen kennst du schon unsere anderen Podcast reihen wie Wissensreise durch die Geschichte oder durch die Natur, wenn dir der Podcast gefällt, folge uns gerne und bewerte den Podcast. Das hilft uns sehr, atme ein, atme aus. In diesem einfachen unbewussten Akt, den wir etwa 20000 mal am Tag vollziehen, verbinden wir uns mit dem achten Element des Periodensystems, mit Sauerstoff, jenem unsichtbaren Gas, das Leben auf der Erde erst möglich macht. Heute nehme ich dich mit auf eine Reise zu diesem außergewöhnlichen Element, das gleichzeitig lebensquell und zerstörerische Kraft sein kann.

0:54 Lass uns gemeinsam durch die Geschichte, Chemie und kosmische Bedeutung des Sauerstoffs schweben. Durch seine Rolle in unserer Atmosphäre, in unserem Körper und in den Sternen. Dies ist die Geschichte des Elements, das unsere Welt atmen lässt. Sauerstoff trägt im Periodensystem das Symbol O und die Ordnungszahl 8. Das bedeutet, jedes Sauerstoffatom besitzt 8 Protonen im Kern und normalerweise auch 8 Neutronen, wodurch die häufigste isotopform Sauerstoff 16 entsteht. Mit einer Atommasse von etwa 15,999 atomaren Masseneinheiten ist Sauerstoff das dritthäufigste Element im Universum nach Wasserstoff und Helium. Der Name Sauerstoff stammt aus dem Griechischen. Der französische Chemiker

1:51 Antoine Lavoisier prägte 1777 den Begriff Oxygene, zusammengesetzt aus Oxysi für scharf oder sauer und Guinness für Erzeugend. Lavoisier glaubte, dass Sauerstoff ein wesentlicher Bestandteil aller Säuren sei. Diese Annahme stellte sich später als nicht vollständig korrekt heraus, aber der Name blieb erhalten.

2:17 Im Deutschen wurde daraus Sauerstoff, der säurebildende Stoff. Doch die Entdeckung des Sauerstoffs ist komplizierter und umstrittener, als man denken könnte. 3 Wissenschaftler beanspruchen die Ehre, Sauerstoff als eigenständiges Element erkannt zu haben der schwedische Apotheker Karl Wilhelm Schele isolierte Sauerstoff vermutlich bereits 1772.

2:44 Veröffentlichte seine Ergebnisse aber erst 1777 der englische Geistliche und Naturforscher Joseph Priestley entdeckte Sauerstoff unabhängig davon im August 1774, indem er Quecksilberoxid mit einem Brennglas erhitzte. Priestley nannte das Gas deflogistisierte Luft, da er noch an die damals vorherrschende Phlogiston Theorie glaubte. Diese Theorie besagte, dass brennbare Materialien eine Substanz namens Phlogiston enthalten, die beim Verbrennen freigesetzt wird.

3:26 Erst Antoine Lavoisier erkannte die wahre Natur des Gases und widerlegte die Flogiston Theorie. Er zeigte, dass Verbrennung keine Freisetzung von Flogiston ist, sondern eine Vereinigung mit Sauerstoff, ein Prozess, den wir heute Oxidation nennen. Diese Erkenntnis war revolutionär und begründete die moderne Chemie.

3:49 Lavoisier führte präzise Messungen durch und zeigte, dass die Masse bei chemischen Reaktionen erhalten bleibt. Er bewies, dass Verbrennung die Masse erhöht, weil Sauerstoff aus der Luft mit dem brennenden Material reagiert, dies war der Todesstoß für die Flogiston Theorie und der Beginn der quantitativen Chemie. Sauerstoff existiert in mehreren Allotropen Formen, verschiedenen strukturellen Modifikationen desselben Elements. Die bei weitem häufigste Form ist molekularer Sauerstoff o 2, ein farbloses, geruchloses Gas, das etwa 21% unserer Atmosphäre ausmacht.

4:31 Jedes o 2 Molekül besteht aus 2 Sauerstoffatomen, die durch eine Doppelbindung verbunden sind. Diese Doppelbindung ist interessant aus quantenmechanischer Sicht. Die Molekülorbitaltheorie zeigt, dass o 2 tatsächlich 2 ungepaarte Elektronen besitzt, was es zu einem Binadikal macht. Dies erklärt, warum Sauerstoff Paramagnetisch ist, also von Magnetfeldern angezogen wird, wenn man flüssigen Sauerstoff zwischen die Pole eines starken Magneten gießt, bleibt er dort hängen. Ein faszinierender Effekt, den man mit den meisten anderen Flüssigkeiten nicht beobachten kann. Die zweite wichtige allotrope Form ist Ozon o 3. Ozon besteht aus 3 Sauerstoffatomen in einer gewinkelten Struktur, es ist ein

5:28 bläuliches Gas mit charakteristischem stechendem Geruch, den man manchmal nach Gewittern wahrnimmt, wenn elektrische Entladungen o 2 zu o 3 umwandeln. Ozon ist viel Reaktiver als o 2 und ein starkes Oxidationsmittel in der Stratosphäre, etwa 15 bis 50 Kilometer über der Erdoberfläche, bildet Ozon eine schützende Schicht ultraviolette Strahlung der Sonne spaltet o 2 Moleküle und die freien Sauerstoffatome verbinden sich mit anderen o 2 Molekülen zu o 3. Diese Ozonschicht absorbiert etwa 97 bis 99% der schädlichen UVB und UVC Strahlung der Sonne und schützt damit das Leben auf der Erdoberfläche vor Strahlenschäden. Die Entdeckung des Ozonlochs über der Antarktis in den 1900 80er Jahren war ein Weckruf für

6:29 die Menschheit fluorchlorkohlenwasserstoffe. Kurz FCKW, die in Kühlschränken, Spraydosen und Schaumstoffen verwendet wurden, stiegen in die Stratosphäre auf und Katalysierten den Abbau von Ozon. Das Montrealprotokoll von 1987 verbot die Produktion dieser Substanzen und langsam erholt sich die Ozonschicht.

6:56 Ein seltenes Beispiel erfolgreichen internationalen Umweltschutzes. Sauerstoff ist außerordentlich reaktionsfreudig. Es bildet Verbindungen mit praktisch allen anderen Elementen außer den Edelgasen Helium, Neon und Argon. Diese Verbindungen heißen Oxide, die Oxidation ist eine der fundamentalsten chemischen Reaktionen und kann langsam ablaufen wie beim Rosten von Eisen oder explosiv wie bei der Verbrennung von Wasserstoff.

7:32 Die Verbrennungsreaktion ist eine exotherme Oxidation, bei der Energie in Form von Wärme und Licht freigesetzt wird. Wenn Kohlenwasserstoffe wie Benzin, Erdgas oder Holz verbrennen, reagieren sie mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser, die chemische Gleichung für die Verbrennung von Methan lautet. CH 4 + 2 o 2 ergibt CO 2 + 2 h 2 o plus Energie. Unser eigener Stoffwechsel basiert auf einer kontrollierten Form der Verbrennung in den Mitochondrien unserer Zellen wird Glucose mit Sauerstoff oxidiert, um Adenosintriphosphat, kurz ATP, zu produzieren, die universelle Energiewährung des Lebens.

8:19 Dieser Prozess heißt Zellatmung und kann vereinfacht dargestellt werden als C 6 h 12 o 6 + 6 o 2 ergibt 6 CO 2 + 6 h 2 o plus Energie. Ein erwachsener Mensch in Ruhe verbraucht etwa 250 Milliliter Sauerstoff pro Minute, bei körperlicher Anstrengung kann dieser Wert auf über 4000 Milliliter pro Minute ansteigen. Das entspricht etwa 11000 Litern Luft pro Tag, die durch unsere Lungen strömen.

8:53 Der Sauerstoff wird im Blut von Hämoglobin transportiert, einem eisenhaltigen Protein in den roten Blutkörperchen. Hämoglobin ist ein Wunderwerk der Evolution, jedes Hämoglobinmolekül kann 4 sauerstoffmoleküle binden das zentrale Eisenatom in jeder häm Gruppe kann reversibel mit o 2. Eine Bindung eingehen interessanterweise verändert sich die Farbe des Blutes je nach Sauerstoffbeladung Sauerstoffreiches Blut ist hellrot, sauerstoffarmes Blut ist dunkelrot bis bläulich, die blauen Adern, die wir durch die Haut sehen, sind eine optische Täuschung aufgrund der Lichtstreuung nicht wirklich blaues Blut.

9:43 Die Erdatmosphäre enthält heute etwa 21% Sauerstoff. Aber das war nicht immer so. Die frühe Erdatmosphäre vor etwa 4,5 Milliarden Jahren enthielt praktisch keinen freien Sauerstoff, sie bestand hauptsächlich aus Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und kleinen Mengen anderer Gase. Die Erde war eine Sauerstofffreie für heutiges Leben. Toxische Welt der entscheidende Wandel kam vor, etwa 2,4 bis 2,0 Milliarden Jahren während der großen Sauerstoffkatastrophe, auch bekannt als Great Oxidation Event Cyanobakterien. Primitive Photosynthetische Mikroorganismen hatten die Fähigkeit entwickelt, Sonnenlicht zu nutzen, um Wasser zu spalten und dabei Sauerstoff freizusetzen. Die chemische Gleichung der

10:43 Photosynthese lautet 6 CO 2 + 6 h 2 o plus lichtenergie ergibt c 6 h 12 o 6 + 6 o 2 die. Zunächst wurde der produzierte Sauerstoff sofort durch Reaktionen mit gelösten Eisenverbindungen im Ozean und vulkanischen Gasen verbraucht. Über Millionen von Jahren bildeten sich dabei gewaltige Ablagerungen von Eisenoxid, die sogenannten Gebänderten Eisenerze oder Banded Iron for Mushomes, die heute zu den wichtigsten Eisenerz Lagerstätten gehören und buchstäblich die Farbe des Rostes haben.

11:24 Schließlich waren die Ozeane und Gesteine gesättigt mit Oxiden und freier Sauerstoff begann sich in der Atmosphäre anzusammeln. Für die meisten damaligen Organismen, die unter anaeroben Bedingungen entstanden waren, war Sauerstoff tödlich, er verursacht oxidativen Stress und zerstört zellstrukturen, es kam zu einem massiven Massensterben der ersten großen ökologischen Krise der Erdgeschichte.

11:54 Doch einige Organismen entwickelten Mechanismen, um mit Sauerstoff umzugehen und ihn sogar zu nutzen. Die aerobe Atmung ist etwa 18 mal effizienter als anaerobe Gärung bei der Energiegewinnung, dies ermöglichte die Evolution komplexerer, energiehungrigerer Lebensformen ohne die große Sauerstoffkatastrophe gäbe es keine Tiere, keine Pflanzen, keine Menschen. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre schwankte im Laufe der Erdgeschichte erheblich, während der Carbonzeit vor etwa 300000000 Jahren lag er bei etwa 35% deutlich höher als heute. Dies ermöglichte das Wachstum riesiger Insekten und Gliederfüßer, da deren primitives Atmungssystem auf Diffusion basiert und mehr Sauerstoff größere Körper ermöglicht.

12:50 Libellen mit 70 Zentimeter Flügelspannweite und Tausendfüßlerähnlicher Atropleura mit 2 Metern Länge bevölkerten die Wälder in den letzten 500000000 Jahren stabilisierte sich der Sauerstoffgehalt zwischen etwa 15 und 30%, heute liegt er bei etwa 20,95% auf Meereshöhe. Dieser Wert wird durch ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Photosynthese, die Sauerstoff produziert, und Atmung sowie Verbrennungsprozessen, die ihn verbrauchen, aufrechterhalten. Interessanterweise produzieren nicht Regenwälder, wie oft angenommen, den meisten Sauerstoff, die größten Sauerstoffproduzenten sind photosynthetische Mikroorganismen in den Ozeanen.

13:41 Vor allem Phytoplankton wie Cyanobakterien und Diatomen diese winzigen Organismen, oft nur mikrometergroß, produzieren schätzungsweise 50 bis 80% des atmosphärischen Sauerstoffs. Der Ozean ist die wahre Lunge unseres Planeten Sauerstoff spielt auch eine wichtige Rolle in der Industrie, es ist nach Stickstoff das am zweithäufigsten produzierte Industriegas. Etwa 100000000 Tonnen Sauerstoff werden jährlich weltweit hergestellt, hauptsächlich durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft.

14:22 Dabei wird Luft komprimiert, gekühlt und verflüssigt, dann langsam erwärmt, da Stickstoff einen niedrigeren Siedepunkt hat als Sauerstoff, verdampft er zuerst und kann abgetrennt werden. Die Hauptanwendungen von Sauerstoff sind in der Stahlproduktion, wo er verwendet wird, um Verunreinigungen aus Eisenerz zu verbrennen, in der chemischen Industrie zur Herstellung von Ethylenoxid und anderen Chemikalien in der Wasseraufbereitung und natürlich in der Medizin. Sauerstofftherapie wird eingesetzt bei Atemwegserkrankungen, in Notfallsituationen und für Patienten mit chronisch niedrigem Sauerstoffgehalt im Blut.

15:08 Im Weltraum ist flüssiger Sauerstoff ein wichtiger Raketentreibstoff. Die meisten Raketen verwenden Sauerstoff als Oxidator, kombiniert mit Brennstoffen wie Kerosin, Wasserstoff oder Methan. Die Saturn 5 Rakete, die die Apollo Astronauten zum Mond brachte, verbrauchte etwa 2000 Tonnen flüssigen Sauerstoff pro Start. Sauerstoff wird auch in Sternen produziert und seine kosmische Geschichte ist faszinierend im frühen Universum kurz nach dem Urknall existierten nur Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium.

15:50 Alle schwereren Elemente, einschließlich Sauerstoff, wurden später in Sternen erschaffen. Durch Stellare Nukleosynthese in massereichen Sternen mindestens achtmal so schwer wie unsere Sonne, kann der Heliumbrennprozess Kohlenstoff und Sauerstoff erzeugen, wenn 3 Heliumkerne bei Temperaturen von etwa 100000000 Kelvin fusionieren, entsteht zunächst Kohlenstoff 12.

16:19 Weitere Fusionen von Helium mit Kohlenstoff produzieren Sauerstoff, 16 noch massereichere Sterne können später Sauerstoff zu Silizium, Schwefel und schließlich Eisen fusionieren. Am Ende ihres Lebens explodieren diese massereichen Sterne in Supernovae, gewaltigen Explosionen, die vorübergehend heller leuchten können als ganze Galaxien. Dabei werden die im Sterninneren erzeugten Elemente, einschließlich Sauerstoff ins All geschleudert. Dieses angereicherte Material bildet Wolken aus Gas und Staub, aus denen neue Sterne und Planeten entstehen. Unser Sonnensystem bildete sich aus einer solchen Wolke vor etwa 4,6 Milliarden Jahren, der Sauerstoff in unserem Körper in der Luft, die wir atmen.

17:16 Im Wasser, das wir trinken, wurde vor Milliarden von Jahren im Inneren längst explodierter Sterne geschmiedet. Wir sind buchstäblich aus Sternenstaub gemacht, auf der Erde ist Sauerstoff nicht nur in der Atmosphäre, sondern auch in der Erdkruste außerordentlich häufig, etwa 46% der Masse der kontinentalen Erdkruste besteht aus Sauerstoff.

17:42 Hauptsächlich gebunden in Silikaten, den Mineralien, die den größten Teil der Gesteine bilden. Siliciumdioxid SIO 2, bekannt als Quarz oder Sand, ist eine der häufigsten Verbindungen der Erdoberfläche. Wasser h 2 O ist natürlich die bekannteste Sauerstoffverbindung. Etwa 71% der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt und der menschliche Körper besteht zu etwa 60% aus Wasser. Sauerstoff macht etwa 89% der Masse des Wassers aus, in gewissem Sinne sind wir wandelnde, atmende Sauerstoffverbindungen, die Isotope des Sauerstoffs sind wissenschaftlich wertvoll, die.

18:28 Sauerstoff 16 ist mit 99,76% das häufigste Isotop. Sauerstoff 17 und Sauerstoff 18 sind stabile, aber seltenere Isotope. Das Verhältnis von o 18 zu o 16 in Eisbohrkernen und Meeressedimenten dient als Klimaarchiv. Wasser mit dem leichteren O 16 verdunstet leichter, sodass bei kalten Perioden mehr o 18 im Ozean verbleibt. Durch Messung dieser Verhältnisse können Wissenschaftler vergangene Temperaturen rekonstruieren. Sauerstoff hat auch eine dunkle Seite. In hohen Konzentrationen ist er toxisch, reiner Sauerstoff über längere Zeit kann zu Sauerstoffvergiftung führen, die Lunge und das zentrale Nervensystem schädigen Taucher, die mit Nitrox oder reinem Sauerstoff tauchen, müssen die Tiefe und Expositionszeit

19:27 sorgfältig kontrollieren, bei erhöhtem Druck kann Sauerstoff zu Krampfanfällen und anderen schweren Symptomen führen. Freie Sauerstoffradikale in unserem Körper, hochreaktive Moleküle mit ungepaarten Elektronen können Zellschäden verursachen und werden mit Alterung und verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht.

19:50 Antioxidantien in unserer Nahrung wie Vitamin C und E Helfen, diese Radikale zu neutralisieren. Das Paradoxon ist, dass wir Sauerstoff zum Leben brauchen, aber er gleichzeitig langsam unsere Zellen schädigt. In der modernen Welt stehen wir vor neuen Herausforderungen im Zusammenhang mit Sauerstoff, die Ozeanversauerung und Erwärmung führen zu sauerstoffarmen Zonen, sogenannten Dead Zones, wo der Sauerstoffgehalt zu niedrig ist für die meisten Meereslebewesen.

20:26 Überdüngung durch Landwirtschaft lässt Algen übermäßig wachsen, die dann absterben und beim Abbau Sauerstoff verbrauchen. Gleichzeitig bedroht die Abholzung von Wäldern und die Schädigung mariner Ökosysteme die langfristige Stabilität unseres Sauerstoffhaushalts. Obwohl der atmosphärische Sauerstoffgehalt momentan stabil ist, zeigen langfristige Messungen einen minimal sinkenden Trend, hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, die Sauerstoff verbrauchen, während wir durch die Wissenschaft des Sauerstoffs gereist sind. Von seiner Entdeckung über seine Rolle in unserem Körper bis zu seiner Entstehung in Sternen wird eines klar. Sauerstoff ist mehr als nur ein Element im Periodensystem. Es ist die Grundlage unseres

21:19 Lebens, der Atem, der uns mit jedem Moment verbindet, jeder Atemzug, den wir nehmen, verbindet uns mit den Ozeanen, wo Phytoplankton Sauerstoff freisetzt, mit den Wäldern, wo Bäume ihn produzieren. Mit den uralten Cyanobakterien, die vor Milliarden Jahren die Atmosphäre veränderten und mit den Sternen, wo dieses Element einst geschmiedet wurde.

21:47 Diese Verbindung erinnert uns daran, wie abhängig wir von den lebenden Systemen unseres Planeten sind. Die Atmosphäre, die wir atmen, ist kein selbstverständliches Geschenk, sondern das Produkt, Milliarden von Jahren biologischer Aktivität in. Jede Bedrohung der Ozeane, der Wälder, der mikroskopischen Lebensformen, die Sauerstoff produzieren, ist letztendlich eine Bedrohung für uns selbst.

22:17 Lass diese Erkenntnis sanft in dir nachklingen. Mit jedem Atemzug nimmst du Teil an einem planetaren Kreislauf, der so alt ist wie das Leben selbst. Die Erde versorgt uns großzügig mit dem Atem des Lebens. Mögen wir diese Großzügigkeit ehren, indem wir die Systeme schützen und bewahren, die uns diesen kostbaren Sauerstoff schenken, heute und für alle kommenden Generationen.