O

Zuurstof


Zuurstof, een kleurloos en reukloos diatomair gas, speelt de hoofdrol in ademhaling en verbranding. Kenmerk van die processen is oxidatie, waarbij stoffen een verbinding aangaan met zuurstof. In breder chemisch perspectief is voor oxidatie trouwens niet persé zuurstof nodig - alles wat elektronen kan wegnemen heet een oxidator. Zuurstof is na waterstof en helium het meest voorkomende element in het heelal. Op aarde voert het de lijst van elementen aan. Ongeveer een vijfde van onze atmosfeer, bijna de helft van de aardkorst en ongeveer tweederde van ons lichaam bestaat uit zuurstof. Vloeibaar en vast zuurstof heeft een lichtblauwe kleur.
Symbool O Protonen/elektronen 8
Groep 16 Isotopen 16O, 17O, 18O
Periode Elektronenconfiguratie [He] 2s2 2p4
Blok p Elektronegativiteit 3,5 (Pauling)
Bij kamertemperatuur gas Atoomstraal 66 10-12m
Dichtheid 1.33 kg m-3 Relatieve atoommassa 15.9994
Smeltpunt -219 oC
(54 K)
Soortelijke warmte 920 J kg-1K-1
Kookpunt -183 oC
(90 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt 0.025 W m-1K-1

Verbrandingsproces

Voor het verbranden van alle soorten fossiele brandstoffen is zuurstof nodig. Neem bijvoorbeeld de verbranding van aardgas:

                        CH4   +  2 O2  -->  CO2  +  2 H2O

De benodigde zuurstof is in de atmosfeer aanwezig. Ook de verbranding van benzine, diesel of kerosine in motoren verloopt dankzij atmosferische zuurstof. Aangezien de atmosfeer ook stikstof bevat, in een gunstige verhouding met zuurstof (80/20), zijn verbrandingsprocessen op aarde goed beheersbaar en treedt zelden spontane verbranding op.

 

Als er onvoldoende zuurstof aanwezig is om de gewenste verbrandingsreactie op gang te houden, moet het op andere wijze beschikbaar zijn. Daarom wordt in raketmotoren vloeibare zuurstof benut. Snijbranders (foto) en lastoortsen verbranden ethyn (C2H2 , acetyleen) met zuivere zuurstof. Dat leidt tot zeer hoge temperaturen, tot wel 3200 °C, genoeg voor het smelten van staal en andere metalen.

Ademhaling en beademing

Bij iedere ademteug nemen (volwassen) mensen zo'n halve liter lucht in, met daarin ruim een deciliter zuurstof. In rust gebeurt dat per minuut twaalf tot vijftien keer. Van de ingeademde zuurstof wordt slechts een deel door de longen opgenomen, in totaal drie tot vier deciliter per minuut. Per dag verbruikt een mens zodoende vier- tot zeshonderd liter zuivere zuurstof. Het lichaam benut de zuurstof om energie vrij te maken uit moleculen zoals glucose en andere suikers. Daarbij ontstaat koolstofdioxide en water, dat wordt uitgeademd.

 

Zuurstof wordt toegediend bij mensen die vanwege medische omstandigheden problemen hebben met ademhalen. Ook mensen die zich in lucht- of zuurstofarme omstandigheden begeven, zoals duikers en bergbeklimmers, gebruiken zuurstof.

Staalbereiding

Meer dan de helft van alle geproduceerde zuurstof dient voor de bereiding van staal. Nadat in een hoogoven ijzererts tot vloeibaar ijzer is verwerkt, injecteert men onder hoge druk zuurstof in het gesmolten ijzer. Dit vindt plaats in zogenaamde 'convertoren'. Hierbij worden ongewenste elementen uit het ijzer (met name zwavel en koolstof) omgezet in vluchtige oxides (SO2 and CO2).

Chemische processen

De chemische industrie is ook een grootverbruiker van zuurstof. Het dient onder andere voor de reactie van etheen tot etheenoxide. Dit is de grondstof voor een heel scala aan producten, van kunststoffen tot antivriesmiddel.

 

Meer toepassingen


Als element

  • bereiding van ozon
  • productie van salpeterzuur, zwavelzuur
  • bereiding van waterstofperoxide
  • synthese van organische producten

In verbindingen

  • antisepticum (mondspoeling)                                                             H2O2
  • bleekmiddel voor papier, hout                                                           Na2O2
  • bleekmiddel in tandpasta                                                                  MgO2
  • bleken van textiel, papier, hout, olie, vet en haar                              H2O2
  • desinfectiemiddel                                                                              O3, H2O2
  • drogen van gassen                                                                            P2O5
  • kristalglas                                                                                          PbO
  • neutraliseren van maagzuur                                                              Al2O3
  • polijsten van staal                                                                              SnO
  • porselein                                                                                            PbO
  • radiodiagnostiek, als tracer voor onderzoek naar doorbloeding        15O
  • schuurpoeder                                                                                    Al2O3
  • stijven van textiel                                                                               borax, Na2B4O5(OH)4.8H2O
  • verwijderen van zwaveldioxide uit rook                                              H2O2
  • vuurvaste steen, aardewerk, porselein                                             Al2O3
  • vuurvaste tegels                                                                                ZrO2   
  • zuivering van water                                                                           H2O2

Naam

De Latijnse naam oxygenium is afkomstig van de Griekse woorden oxys en geinomai, dat zuurvormer betekent. De Franse chemicus Antoine Lavoisier stelde die naam in 1777 voor omdat het in alle (toen bekende) zuren voorkwam. De veronderstelling was dat zuurstof de zure eigenschappen van de zuren veroorzaakte. De Nederlandse term zuurstof is een vrijwel letterlijke vertaling.

De naam ozon is afkomstig van het Griekse ozein, wat geuren of rieken betekent.

Ontdekking

De ontdekking van zuurstof wordt toegeschreven aan de Duits-Zweedse chemicus Carl Wilhelm Scheele en de Engelsman Joseph Priestley. Zij publiceerden (onafhankelijk van elkaar) concrete beschrijvingen van zuurstof als onderdeel van lucht en slaagden er bovendien in het element vrij te maken uit een zuurstofhoudende verbinding.

 

Scheele (foto) maakte in 1771 zuurstof door een aantal zuurstofhoudende zouten te verhitten, zoals kaliumnitraat (KNO3), magnesiumnitraat {Mg(NO3)2} en kwik(II)oxide (HgO). De resultaten van zijn onderzoekingen werden in 1777 gepubliceerd. Opmerkelijk is dat de Nederlandse Cornelis Drebbel de vinding al in 1615 toepaste. Hij bouwde de allereerste onderzeeboot en om onder water 'extra lucht' te maken verhitte hij kaliumnitraat. Niemand kon zich in die tijd voorstellen dat daarbij sprake was de vorming van elementair zuurstof.

Priestley isoleerde zuurstof in 1774 door de verhitting van kwik(II)oxide. Hij publiceerde zijn vinding in hetzelfde jaar en tijdens een bijeenkomst in Parijs legde hij zijn vinding voor aan enkele vooraanstaande chemici, waaronder Lavoisier.

Scheele en Priestley waren fervente aanhangers van de flogistontheorie. In deze theorie bevat iedere stof het zogenaamde flogiston, een een substantie zonder kleur, geur, smaak of gewicht, die de eigenschap van hitte in zich draagt. Flogiston zou uit het materiaal vrijgemaakt worden door verbranding.

De beide ontdekkers van zuurstof konden daardoor niet inzien dat juist de verbinding van materialen met dit nieuwe element een kenmerk is van verbrandingsprocessen. Lavoisier zag als eerste wel een verband tussen zuurstof en verbranding. Met de theorie die hij daarover ontwikkelde werd hij de grondlegger van de moderne chemie.

Voorkomen

Zuurstof is het meest voorkomende element op aarde. Het water in de oceanen bevat 85,8% zuurstof en het menselijk lichaam bestaat voor ruim 60% uit zuurstof (berekend op basis van gewicht). De elementaire vorm van zuurstof (O2) komt vooral in de atmosfeer voor, met een aandeel van 21%. Daar is ook de bijzondere zuurstofvorm ozon (O3) aan te treffen.

 

Bijna de helft (46,1%) van de aardkost bestaat uit zuurstof. Het zit in gesteenten en mineralen in verbinding met een breed scala aan andere elementen. Bijvoorbeeld:

  • agaat                  SiO2
  • amethist  (foto)   SiO2
  • anataas              TiO2
  • cassiteriet           SnO2
  • chromiet              FeCr2O4
  • corundum           Al2O3  
  • cupriet                Cu2O
  • hematiet             Fe2O3
  • kwarts                SiO2
  • magnetiet           Fe+2Fe+32O4
  • opaal                  SiO2
  • spinel                 MgAl2O4

Ook in silicaten, carbonaten en sulfaten is zuurstof aanwezig. De meest voorkomende verbinding is siliciumdioxide (SiO2, silica, het hoofdbestanddeel van zand).

Winning

De productie van zuivere zuurstof vindt plaats in 'luchtfabrieken', waar men de in lucht aanwezige gassen isoleert.

Vroeger

Zuurstof werd vroeger bereid door verhitting van zuurstofhoudende verbindingen, zoals kaliumnitraat, kwik(II)oxide of kaliumchloraat, met bruinsteen als katalysator:

bijv.:      2 KClO3   -->(150°C, MnO2)-->      2 KCl   +  3 O2

Industriële productie van zuurstof vindt tegenwoordig vooral plaats in 'luchtfabrieken' die lucht via gefractioneerde destillatie scheiden in de samenstellende gassen. Zuurstof is het belangrijkste product, met stikstof als 'bijvangst' (hoewel dat in veel grotere hoeveelheden wordt geproduceerd). Verder produceren deze fabrieken edelgassen zoals argon, neon en krypton.

 

In de natuur produceren planten op grote schaal zuurstof via fotosynthese. Met koolstofdioxide (afkomstig uit de lucht) en water als grondfstoffen maken ze  - met behulp van chlorofyl en zonlicht - koolhydraten en zuurstof.

Bij dit proces wordt in feite zuurstof vrijgemaakt uit water:

n CO2   +  n H2O   -->(licht, chlorofyl)-->  2n O +  {CH2O}n               

en vervolgens          

2 O   -->    O2 

Deel dit op: