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Allotrope Formen von Sauerstoff Es existieren mehrere allotrope Formen von Sauerstoff Sauerstoff ist ein typisches Nicht

Allotrope Formen von Sauerstoff

Es existieren mehrere allotrope Formen von Sauerstoff.

Sauerstoff ist ein typisches Nichtmetall. Es besteht im gasförmigen Zustand aus einzelnen Molekülen. Das Element bildet dabei mehrere Allotrope, die nach der Anzahl Sauerstoffatome zu unterscheiden sind. Die häufigste Form des Sauerstoffs ist der Disauerstoff O2. Weitere Allotrope sind Ozon O3 sowie die seltenen Allotrope Tetrasauerstoff O4 und Oktasauerstoff O8.

Atomarer Sauerstoff Bearbeiten

Atomarer Sauerstoff, bezeichnet als O oder O1, ist hoch reaktiv. Er verbindet sich schnell mit benachbarten Molekülen. Daher existiert atomarer Sauerstoff in der Natur nahe der Erdoberfläche nur für sehr kurze Zeit. Im Weltraum führt das Vorhandensein intensiver ultravioletter Strahlung jedoch zu einer Atmosphäre in der niedrigen Erdumlaufbahn, in der 96 % des Sauerstoffs in atomarer Form vorliegen und Bedeutung für die spezielle Langzeitkorrosion der Satelliten hat.

Hochdruckphasen von Sauerstoff Bearbeiten

Bei Raumtemperatur und Drücken größer 10 GPa wandelt sich Sauerstoff, bestehend aus O2-Molekülen, in einen roten Feststoff um. Diese Phase, die anscheinend ein weiteres Allotrop neben Disauerstoff (O2) und Ozon (O3) darstellt, wird auch ε-Sauerstoff oder roter Sauerstoff genannt. Ursprünglich wurde aufgrund infrarotspektroskopischer Untersuchungen im Jahr 1999 angenommen, dass es sich hierbei um Tetrasauerstoff O4 handelt. Kristallographische Analysen des roten Sauerstoffs aus dem Jahr 2006 deuten jedoch auf neuartige O8-Aggregate, die sich aber von den S8-Ringen des Schwefels unterscheiden. Bei 4800 °C und 96 GPa tritt ein Phasenübergang zum ζ-Sauerstoff auf, der elektrisch leitend ist und in dieser metallischen Form wahrscheinlich im Inneren der Gasplaneten Jupiter und Saturn vorliegt.

Tetrasauerstoff Bearbeiten

Tetrasauerstoff als 4-Eck
Tetrasauerstoff in Y-Form

Schon seit 1911 gab es erste Hinweise auf die Existenz von O4, das auch als Oxozon bezeichnet wurde und womöglich bei der Ozonherstellung nach Carl Dietrich Harries entstand. Die damals beobachteten Additionen von vier Sauerstoffatomen an einzelne Doppelbindungen organischer Verbindungen legten das vorübergehende Vorhandensein von O4 nahe. Auch wurde Tetrasauerstoff 1924 von Gilbert Newton Lewis vorhergesagt, um damit das Versagen des Curieschen Gesetzes für flüssigen Sauerstoff erklären zu können. Tatsächlich wurden O4-Aggregate schon in flüssigem Sauerstoff nachgewiesen. Doch sind diese als (O2)2 aufzufassen, welche aus zwei O2-Molekülen bestehen und mit einer Dissoziationsenergie von 0,54 kJ/mol sehr instabil sind.

Mittels Massenspektrometrie konnte Tetrasauerstoff 2001 indirekt nachgewiesen werden. Dabei wurden zunächst O2-Moleküle und positiv geladene O2-Ionen zu O4-Ionen kombiniert, deren Existenz die Massenspektrometrie zeigen konnte. Anschließend wurden die Ionen durch Aufnahme von Elektronen in neutrale O4-Moleküle umgewandelt, die nicht direkt im Massenspektrometer nachgewiesen werden können. Doch da nach einer Reionisierung wieder die O4-Ionen auftraten, müssen zwischenzeitlich auch stabile, neutrale O4-Moleküle existiert haben. Theoretische Berechnungen sprachen bisher entweder für ein Dreieck aus Sauerstoffatomen mit einem vierten Atom im Zentrum, oder für ein rautenförmiges Molekül. Die dargestellten Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die vier Sauerstoffatome zwei hantelförmige O2-Moleküle mit lockerer Bindung zueinander bilden könnten. Die Zusammenlagerung der beiden O2-Moleküle beruht auf der Besetzung von zwei bindenden Molekülorbitalen (MO), die neben zwei antibindenden MOs aus vier entarteten π*-Orbitalen entstanden sind und durch zwei Elektronenpaare mit antiparallelem Spin besetzt sind (HOMO und HOMO-1).

Eine mögliche technische Anwendung aufgrund der hohen Energiedichte von O4 könnte die Nutzung als eine Komponente in Raketentreibstoffen sein. Dabei wird erwartet, dass die Verbrennung mit Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen noch effektiver ist als bei flüssigem O2.

In dem Fernerkundungsverfahren Differenzielle optische Absorptionsspektroskopie wird ausgenutzt, dass der Stoßkomplex O4 proportional zum Quadrat der bekannten Sauerstoffkonzentration vorkommt. Über die Absorptionsstrukturen von O4 ist es dann möglich, Rückschlüsse auf atmosphärische Eigenschaften zu ziehen.

Oktasauerstoff Bearbeiten

Oktasauerstoff

Gestützt auf infrarotspektroskopische Messungen wurde seit 1999 angenommen, dass es sich bei ε-Sauerstoff um Tetrasauerstoffmoleküle, also O4 handelt. Jedoch konnten neuere kristallographische Studien die Existenz von O8-Aggregaten im ε-Sauerstoff nachweisen. Die O8-Struktur unterscheidet sich aber von den kronenförmigen S8-Ringen des Schwefels und ähnelt einem etwas zusammengedrückten Würfel, bei dem jeweils zwei Sauerstoffatome an den vier verkürzten Kanten sitzen. Die Bindungen in den O2-Einheiten betragen 120 Pikometer (pm) und entsprechen damit der Bindungslänge von molekularem Sauerstoff unter Normalbedingungen (121 pm), während die Abstände in den O4-Ringen mit 219 pm deutlich kleiner als der Van-der-Waals-Abstand von 304 pm für Sauerstoff sind. Auch die kurzen Abstände von ca. 260 pm zwischen den O8-Quadern deuten auf bindende Wechselwirkungen hin.

Literatur Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. "Out of Thin Air" .NASA.gov. February 17, 2011.
  2. Ralf Steudel, Ming Wah Wong (2007): Dunkelrote O8-Moleküle in festem Sauerstoff: rhombusförmige Cluster statt S8-ähnlicher Ringe. Angewandte Chemie, 119 (11), 1798–1801.
  3. Nature News: New form of oxygen found. doi:10.1038/news011122-3
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Veröffentlichungsdatum:
Es existieren mehrere allotrope Formen von Sauerstoff Sauerstoff ist ein typisches Nichtmetall Es besteht im gasformigen Zustand aus einzelnen Molekulen Das Element bildet dabei mehrere Allotrope die nach der Anzahl Sauerstoffatome zu unterscheiden sind Die haufigste Form des Sauerstoffs ist der Disauerstoff O2 Weitere Allotrope sind Ozon O3 sowie die seltenen Allotrope Tetrasauerstoff O4 und Oktasauerstoff O8 Inhaltsverzeichnis 1 Atomarer Sauerstoff 2 Hochdruckphasen von Sauerstoff 2 1 Tetrasauerstoff 2 2 Oktasauerstoff 3 Literatur 4 Weblinks 5 EinzelnachweiseAtomarer Sauerstoff BearbeitenAtomarer Sauerstoff bezeichnet als O oder O1 ist hoch reaktiv Er verbindet sich schnell mit benachbarten Molekulen Daher existiert atomarer Sauerstoff in der Natur nahe der Erdoberflache nur fur sehr kurze Zeit Im Weltraum fuhrt das Vorhandensein intensiver ultravioletter Strahlung jedoch zu einer Atmosphare in der niedrigen Erdumlaufbahn in der 96 des Sauerstoffs in atomarer Form vorliegen und Bedeutung fur die spezielle Langzeitkorrosion der Satelliten hat 1 Hochdruckphasen von Sauerstoff BearbeitenBei Raumtemperatur und Drucken grosser 10 GPa wandelt sich Sauerstoff bestehend aus O2 Molekulen in einen roten Feststoff um Diese Phase die anscheinend ein weiteres Allotrop neben Disauerstoff O2 und Ozon O3 darstellt wird auch e Sauerstoff oder roter Sauerstoff genannt Ursprunglich wurde aufgrund infrarotspektroskopischer Untersuchungen im Jahr 1999 angenommen dass es sich hierbei um Tetrasauerstoff O4 handelt Kristallographische Analysen des roten Sauerstoffs aus dem Jahr 2006 deuten jedoch auf neuartige O8 Aggregate die sich aber von den S8 Ringen des Schwefels unterscheiden 2 Bei 4800 C und 96 GPa tritt ein Phasenubergang zum z Sauerstoff auf der elektrisch leitend ist und in dieser metallischen Form wahrscheinlich im Inneren der Gasplaneten Jupiter und Saturn vorliegt Tetrasauerstoff Bearbeiten nbsp Tetrasauerstoff als 4 Eck nbsp Tetrasauerstoff in Y FormSchon seit 1911 gab es erste Hinweise auf die Existenz von O4 das auch als Oxozon bezeichnet wurde und womoglich bei der Ozonherstellung nach Carl Dietrich Harries entstand Die damals beobachteten Additionen von vier Sauerstoffatomen an einzelne Doppelbindungen organischer Verbindungen legten das vorubergehende Vorhandensein von O4 nahe Auch wurde Tetrasauerstoff 1924 von Gilbert Newton Lewis vorhergesagt um damit das Versagen des Curieschen Gesetzes fur flussigen Sauerstoff erklaren zu konnen Tatsachlich wurden O4 Aggregate schon in flussigem Sauerstoff nachgewiesen Doch sind diese als O2 2 aufzufassen welche aus zwei O2 Molekulen bestehen und mit einer Dissoziationsenergie von 0 54 kJ mol sehr instabil sind Mittels Massenspektrometrie konnte Tetrasauerstoff 2001 indirekt nachgewiesen werden Dabei wurden zunachst O2 Molekule und positiv geladene O2 Ionen zu O4 Ionen kombiniert deren Existenz die Massenspektrometrie zeigen konnte Anschliessend wurden die Ionen durch Aufnahme von Elektronen in neutrale O4 Molekule umgewandelt die nicht direkt im Massenspektrometer nachgewiesen werden konnen Doch da nach einer Reionisierung wieder die O4 Ionen auftraten mussen zwischenzeitlich auch stabile neutrale O4 Molekule existiert haben Theoretische Berechnungen sprachen bisher entweder fur ein Dreieck aus Sauerstoffatomen mit einem vierten Atom im Zentrum oder fur ein rautenformiges Molekul Die dargestellten Ergebnisse deuten auch darauf hin dass die vier Sauerstoffatome zwei hantelformige O2 Molekule mit lockerer Bindung zueinander bilden konnten Die Zusammenlagerung der beiden O2 Molekule beruht auf der Besetzung von zwei bindenden Molekulorbitalen MO die neben zwei antibindenden MOs aus vier entarteten p Orbitalen entstanden sind und durch zwei Elektronenpaare mit antiparallelem Spin besetzt sind HOMO und HOMO 1 Eine mogliche technische Anwendung aufgrund der hohen Energiedichte von O4 konnte die Nutzung als eine Komponente in Raketentreibstoffen sein Dabei wird erwartet dass die Verbrennung mit Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen noch effektiver ist als bei flussigem O2 3 In dem Fernerkundungsverfahren Differenzielle optische Absorptionsspektroskopie wird ausgenutzt dass der Stosskomplex O4 proportional zum Quadrat der bekannten Sauerstoffkonzentration vorkommt Uber die Absorptionsstrukturen von O4 ist es dann moglich Ruckschlusse auf atmospharische Eigenschaften zu ziehen Oktasauerstoff Bearbeiten nbsp OktasauerstoffGestutzt auf infrarotspektroskopische Messungen wurde seit 1999 angenommen dass es sich bei e Sauerstoff um Tetrasauerstoffmolekule also O4 handelt Jedoch konnten neuere kristallographische Studien die Existenz von O8 Aggregaten im e Sauerstoff nachweisen Die O8 Struktur unterscheidet sich aber von den kronenformigen S8 Ringen des Schwefels und ahnelt einem etwas zusammengedruckten Wurfel bei dem jeweils zwei Sauerstoffatome an den vier verkurzten Kanten sitzen Die Bindungen in den O2 Einheiten betragen 120 Pikometer pm und entsprechen damit der Bindungslange von molekularem Sauerstoff unter Normalbedingungen 121 pm wahrend die Abstande in den O4 Ringen mit 219 pm deutlich kleiner als der Van der Waals Abstand von 304 pm fur Sauerstoff sind Auch die kurzen Abstande von ca 260 pm zwischen den O8 Quadern deuten auf bindende Wechselwirkungen hin Literatur BearbeitenA F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 101 Auflage Walter de Gruyter Berlin 1995 ISBN 3 11 012641 9 S 504 F Cacace G De Petris A Troiani Experimental Detection of Tetraoxygen In Angewandte Chemie International ed in English Band 40 Nummer 21 November 2001 S 4062 4065 ISSN 1521 3773 PMID 12404493 doi 10 1002 1521 3773 20011105 40 21 lt 4062 AID ANIE4062 gt 3 0 CO 2 X Weblinks BearbeitenDarstellung des Oxozons 1911 en Infrarotspektrum von rotem Sauerstoff en Flussiger Sauerstoff wird bei hohem Druck ein Metall Auf wissenschaft de vom 9 April 2001 Kristallographische Analyse des e Sauerstoffs en Experimenteller Nachweis von Oktasauerstoff en O8 Cluster in the e Phase of Solid OxygenEinzelnachweise Bearbeiten Out of Thin Air NASA gov February 17 2011 Ralf Steudel Ming Wah Wong 2007 Dunkelrote O8 Molekule in festem Sauerstoff rhombusformige Cluster statt S8 ahnlicher Ringe Angewandte Chemie 119 11 1798 1801 Nature News New form of oxygen found doi 10 1038 news011122 3 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Allotrope Formen von Sauerstoff amp oldid 237394547