Wir müssen Luft einatmen – muss das jedes Lebewesen? Nein, für manche Anaerobier (unsere Darmbakterien sind zum Beispiel welche, die sind aber nicht so ganz empfindlich) ist der Kontakt mit Luft tödlich. Was an der Luft ist denn das Gefährliche?
Ein näherer Blick auf Luft: Luft ist ein Gas. Was wiegt zum Beispiel Luft? Stellt Euch einen 120-cm-Würfel vor und schätzt, wieviel er wiegt: nichts, soviel wie ein Textmarkerstift, … eine kleine Flasche Mineralwasser, … eine Mass Spezi?
Die Mass Spezi ist richtig, Luft hat also eine ziemlich hohe Dichte. Die Luft hier im Liebig-Hörsaal wiegt zum Beispiel so viel wie 2 mittelgroße Elefanten (ca. 7 Tonnen).
Aus was besteht Luft eigenlich genau? Jetzt kommt die Chemie, wir fragen nach Stoffen und ihren Eigenschaften.
Wir lassen feuchte Eisenwolle in Luft rosten (dabei entsteht aus Eisen, Sauerstoff und etwas Wasser Rost). Wir sehen, dass die Rostbildung aufhört, wenn ungefähr 1/5 der Luft verbraucht ist – dies ist der Sauerstoffanteil der Luft. Der Rest ist vor allem Stickstoff, der im Gegensatz zu Sauerstoff nicht so leicht mit irgend etwas „reagiert“.
Also: Sauerstoff ist reaktiv, er bildet leicht mit anderen Stoffen (zum Beispiel Eisen) neue Stoffe (zum Beispiel Rost). Dies geschieht bei allen Verbrennungen, die in reinem Sauerstoff besonders viel Energie freisetzen.
Wir lassen Schwefel in reinem Sauerstoffgas verbrennen. Es entsteht das Gas Schwefeldioxid.
Wie kann man überhaupt reinen Sauerstoff herstellen? Man nutzt zum Beispiel aus, dass Stickstoff und Sauerstoff bei verschiedenen Temperaturen sieden. Stickstoff bei −196 °C, Sauerstoff bei −183 °C. Füllen wir nun ein Metallrohr mit flüssigem Stickstoff, so kondensiert an diesem flüssiger Sauerstoff und tropft als bläuliche Flüssigkeit in ein Gefäß. Nach dem Verdampfen erhält man reinen Sauerstoff.
Wir gewinnen flüssigen Sauerstoff aus der Luft.
Der flüssige Sauerstoff ist besonders gut geeignet, um die hohe Reaktivität von Sauerstoff zu zeigen.
Wir verbrennen Sägemehl in flüssigem Sauerstoff.
Mit dem „Brennstoff“ in unserer Frühstückssemmel (Stärke, die übrigens chemisch dem Sägemehl sehr ähnlich ist) bildet der von uns eingeatmete Sauerstoff Wasser und Kohlendioxid. Beides atmen wir aus, darum beschlägt ein Spiegel auch, wenn wir ihn anhauchen, und im Winter „sehen“ wir unseren Atem. Unser Körper verbrennt die Semmel und von der Energie, die dabei entsteht, leben wir. Dabei verbrauchen wir Sauerstoff. Warum aber wird der Sauerstoff auf der Welt nicht alle?
Weil er von grünen Pflanzen gebildet wird, wenn diese im Hellen stehen. Dazu chemische Formeln, die diese „Photosynthese“ beschreiben:
6 CO2 (Kohlendioxid) + 6 H2O (Wasser) → C6H12O6 (Glucose = Traubenzucker) + 6 O2 (Sauerstoff)
Hier sieht man schön, was Chemie ist, nämlich Stoffe und Stoffumwandlungen näher anzuschauen und zu verstehen. In einer chemischen Formel gibt man übrigens die beteiligten Atome an, hier C Kohlenstoff, H Wasserstoff, O Sauerstoff. Es ist die Aufgabe von Chemikerinnen und Chemikern herauszufinden, dass und warum die Formel von Wasser H2O ist und nicht HO, H3O, H2O2 oder so ähnlich.
Gab es die Sauerstoffbildung durch Photosynthese immer schon? Nein. Das Leben ist vor ca. 3 Milliarden Jahren entstanden. Schon die ersten Lebewesen holten ihre Energie aus der Photosynthese, welche die Grundlage des Lebens ist. Aber es gab einen wichtigen Unterschied, den wir an den Formeln erkennen können:
6 CO2 (Kohlendioxid) + 6 H2S (Schwefelwasserstoff) → C6H12O6 + 12 S (Schwefel)
Bei dieser „anaeroben“ Photosynthese entstand (und entsteht immer noch) Schwefel anstatt Sauerstoff. Man kann den Schwefel heute noch an vielen Stellen der Welt sehen, zum Beispiel auf Sizilien.
Mit der Entwicklung des Lebens ging der Schwefelwasserstoff zur Neige, und es waren Braunalgen, die als erste auf die Idee kamen, an seiner Stelle das chemisch verwandte Wasser zu benutzen – und damit als „Abfall“ Sauerstoff zu erzeugen. Eine schlimmere Umweltkatastrophe hat das Leben auf der Erde nie wieder erlebt. Die meisten Anaerobier gingen durch das sich in der Luft anreichernde Giftgas Sauerstoff zugrunde. Neue Arten entstanden, die den Sauerstoff nicht nur ertrugen, sondern ihn sogar nutzten. Wozu? Zur „Atmung“, zur Verbrennung der Nahrung mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser. Sauerstoff-atmende, „aerobe“ Lebewesen haben einen großen Vorteil: sie holen aus der Nahrung viel mehr Energie heraus, die in den Kraftwerken unserer Zellen, den (übrigens nur von den Müttern den Kindern vererbten) „Mitochondrien“ erzeugt wird.
Die Gefährlichkeit von Sauerstoff ist also die Bildung großer Mengen Energie bei einer Verbrennung? Nicht nur. Besonders gefährlich ist es, wenn der Sauerstoff nicht auf einen Schlag in ein harmloses Produkt wie zum Beispiel Wasser umgewandelt wird. Gibt es nicht genügend Partner für die vollständige Reaktion, so entstehen noch reaktivere Stoffe, die eine ähnliche Formel wie Wasser haben, aber mehr Sauerstoff enthalten, zum Beispiel HO2 oder H2O2. H2O2 ist Wasserstoffperoxid, das man in einer verdünnten Lösung in der Apotheke unter dem Namen „Wasserstoffsuperoxid“ als Bleichmittel kaufen kann. Beim Arzt verwendet man Wasserstoffsuperoxid zum Desinfizieren, was schon zeigt, dass ein Lebewesen ein Problem damit hat.
Die Gefährlichkeit von H2O2 lässt sich auf ähnliche Weise untersuchen wie bei Sauerstoff, indem wir die Heftigkeit einer Reaktion anschauen.
Wir geben eine H2O2-Lösung in Wasser mit Kaliumpermanganat zusammen (Kaliumpermanganat ist selbst eine reaktive Verbindung, die man zum Beispiel in desinfizierenden Gurgellösungen verwendet).
Unser Körper aber ist dafür ausgerüstet, HO2 und H2O2 im selben Augenblick zu vernichten, in dem diese ungewollt gebildet werden. Hierfür dienen die Enzyme Superoxid-Dismutase und Katalase. Katalase vernichtet H2O2 indem die folgende Reaktion sehr stark beschleunigt wird:
2 H2O2 = H2O + O2
Es entsteht also Wasser als Produkt der vollständigen Verbrennung und Sauerstoff, für den kein Reaktionspartner mehr zur Verfügung stand. HO2 ist etwas besonders Tückisches, nämlich ein „Radikal“, das von „seinem“ Enzym sofort unschädlich gemacht wird. (Nicht jeder traut hierbei heutzutage seinem Körper, sondern schluckt derzeit reichlich [aber nicht immer billig] angebotene Medikamente, durch die Radikale vernichtet werden [sollen]. Unter diesen „Antioxidatien“ finden sich altbekannte Bestandteile der Nahrung wie die Vitamine C und E, aber auch alles Mögliche Neue.)
Wir geben zuerst Blut und H2O2-Lösung zusammen, anschließend Bananen und H2O2-Lösung.
Zum Schluss ein besonders schöner Versuch, der Euch zeigt, dass bei Sauerstoff die chemische Formel O2 noch nicht die ganze Wahrheit zeigt. Hinter O2 können sich nämlich verschiedene Formen des Sauerstoffs verbergen, die sich in ihrer Reaktivität stark unterscheiden. Bei vielen Reaktionen entsteht O2 nämlich als „Singulett-Sauerstoff“, der ganz besonders aggressiv ist. Während der Versuch läuft, erfahrt ihr, was er mit dem Verfärben von Blättern im Herbst zu tun hat.
Herstellug von Singulett-Sauerstoff aus H2O2 und Cl2.
Anaerobier sind Lebewesen, die Sauerstoff zum Leben entweder nicht brauchen oder für die Sauerstoff sogar schädlich ist (zurück in den Text).
Atome sind die kleinsten Bausteine chemischer Elemente. Aber der Reihe nach: Stoffgemische der Natur, zum Beispiel Meerwasser, lassen sich in reine Stoffe trennen (Wasser und verschiedene Salze). Solche Reinstoffe lassen sich durch chemische Reaktionen (= Stoffumwandlungen) in chemische Elemente zerlegen (Wasser zum Beispiel in Wasserstoff und Sauerstoff), aus denen man durch weitere Reaktionen wieder die ursprünglichen Stoffe herstellen kann. Die chemischen Elemente bestehen aus gleichartigen Atomen, während eine „Verbindung“ wie Wasser aus gleichartigen Molekülen bestehen kann, die aber zum Unterschied zu den Elementen aus mehreren Atomsorten bestehen – bei Wasser aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (zurück in den Text).
Unter Dichte versteht man, wieviel Gramm oder Kilogramm ein Liter, ein Kubikmeter oder eine ähnliche Volumenangabe wiegt. Die Dichte von Luft ist ungefähr 1,3 Gramm pro Liter, was dasselbe ist wie 1,3 Kilogramm pro Kubikmeter (zurück in den Text).
Enzyme sorgen in Lebewesen dafür, dass chemische Reaktionen schnell ablaufen. Dieselbe Reaktion würde ohne Enzym viel länger dauern oder aber müsste zum Beispiel durch Erhitzen gezündet werden. Beides ist in Organismen nicht möglich (zurück in den Text).
Kohlendioxid ist ein Gas, das aus Molekülen der Formel CO2 besteht, also aus 1 Kohlenstoffatom und 2 Sauerstoffatomen. Im CO2 bindet Kohlenstoff die maximal mögliche Menge Sauerstoff, so dass CO2 das Produkt der vollständigen Verbrennung einer jeden Kohlenstoffverbindung ist (zurück in den Text).
Stoffe können besonders reaktiv sein oder, im Gegenteil, reaktionsträge. Reaktive Stoffe setzen sich – oft unter deutlicher Energiefreisetzung – freiwillig mit anderen Stoffen um, sie „reagieren“, wobei neue Stoffe mit neuen Eigenschaften entstehen. Luft enthält zwei Hauptbestandteile, die sich in ihrer Reaktivität stark unterscheiden, den reaktiven Sauerstoff und den reaktionsträgen Stickstoff (zurück in den Text).
Stärke ist ähnlich wie Traubenzucker („Glucose“) aufgebaut. Traubenzucker besteht aus einzelnen Molekülen, das sind hier kleine Gebilde (Durchmesser ca. 0.00000001 Meter) aus 6 Kohlenstoff-, 12 Wasserstoff- und 6 Sauerstoffatomen. In Stärke sind einige Tausend dieser Traubenzuckermoleküle zu einem „Polymer“ verknüpft, das bei der Verdauung wieder zu Traubenzucker gespalten wird (zurück zu Stärke, zurück zu Glucose).
Historische Versuche zur Sauerstoffbildung durch Photosynthese auf dem Vorarlberger Bildungsserver
Ein typischer Schulversuch zur Photosynthese.
Bilder und Daten zu Schwefel im Mineralienatlas.