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Sauerstoff (O ) und Wasser

Sauerstoff und Wasser: Reaktionen, Umwelt- und Gesundheitseffekte

Reaktionen Löslichkeit Quellen Umwelt Gesundheit Wasserbehandlung

Sauerstoff ist das meistvorkommende Element auf der Erde, auch weil es ein Baustein des Wassermoleküls ist. Neben seiner Rolle in zahlreichen anderen Verbindungen existiert Sauerstoff als O2 und O3 (Ozon). In Form von O2 ist er in Gewässern gelöst. Der Sauerstoffgehalt von beispielsweise Meerwasser liegt daher insgesamt bei 85,7%.

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Sauerstoff mit Wasser?

Der gasförmige Sauerstoff reagiert nicht mit Wasser. Er ist jedoch in Wasser löslich und fungiert hier als Oxidator:
O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-
Auch die Oxidation von organischen Stoffen in Wasser durch Sauerstoff ist möglich. Hierbei handelt es sich um einen hauptsächlich biologischen Vorgang. Für jeden der Stoffe kann eine Redox-Reaktionsgleichung mit Hilfe der Elektronenbalance aufgestellt werden. Beispiele hierfür sind folgende zusammengefasste Gleichungen, bei denen H2O weggelassen wurde:
Fe2+ + 0,25 O2 -> Fe(OH)3 + 2,5 H+
Mn2+ + O2 -> MnO2 + 2 H+
NH4+ + 2 O2 -> NO3- + 6 H+
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 4 H+
Hieraus lässt sich auch schließen, dass Ammonium und Methan einen hohen Sauerstoffverbrauch haben, und dass bei den beschriebenen Oxidationsreaktionen mehr oder weniger viel Säure gebildet wird. Diese Säure wird im Wasser unter normalen Umständen mit HCO3- reagieren, woraufhin CO2 entsteht.
Das Sauerstoffatom ist sehr reaktiv und bildet Oxide mit allen andere Elementen, außer Helium, Neon, Argon und Krypton. Unter diesen befinden sich auch zahlreiche Verbindungen, die mit Wasser reagieren.

Wasserlöslichkeit von Sauerstoff und/oder seinen Verbindungen

Die Löslichkeit von Sauerstoff bei 25oC und einem Druck von 1 bar liegt bei 40 mg O2 pro Kilogramm Wasser. In Luft mit einer gewöhnlichen Zusammensetzung ist der Sauerstoffpartialdruck etwa 0,2 atm. Dies führt dazu, dass sich in Wasser in Berührung mit Luft (mit einem Luftdruck von 1 bar und folglich einem Sauerstoffpartialdruck von 0,2 bar) 40.0,2 = 8 mg O2/kg lösen.
Die Löslichkeit von Sauerstoff ist stark temperaturabhängig und nimmt bei höheren Temperaturen ab. Auch der Gehalt von gelösten Substanzen hat eine umgekehrte Wirkung auf die Löslichkeit von Sauerstoff – steigt dieser, nimmt sie ab. So hat Sauerstoff in beispielsweise Meerwasser, abhängig von der Temperatur, eine um etwa 1-3 mg/L geringere Löslichkeit als in Süßwasser.
Die Sättigungskonzentration in Gebirgsflüssen und –seen ist normalerweise niedriger als im Flachland, da sie wie gesagt vom Luftdruck abhängig ist.

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Sauerstoff ins Wasser gelangen?

Wie oben beschrieben löst sich Sauerstoff aus der Luft bei Kontakt mit Wasser auf natürliche Weise in diesem.
Sauerstoff kann auch kommerziell von Nutzen sein. Zur industriellen Nutzung wird das Element aus der Luft gewonnen, nämlich etwa 100 Mio. Tonnen jährlich. Es wird zu 55% in der Stahlherstellung, zu 25% in der chemischen Industrie, in größeren Mengen in Krankenhäusern, der Wasserbehandlung, beim Raketenstart und zum Schneiden von Metall eingesetzt. In der chemischen Industrie lässt man Sauerstoff beispielsweise mit Ethylen reagieren, so dass sich Ethylenoxid bildet, das u.a. in Frostschutzmitteln und Polyestergegenständen Verwendung findet. Da Sauerstoff sehr reaktionsfreudig ist, kann er Schadstoffe abbauen oder als Bleichmittel fungieren.
Auch in Form von Ozon wird Sauerstoff genutzt, beispielsweise zur Desinfektion von Trinkwasser.
Von Verunreinigung von Gewässern mit Sauerstoff durch dessen industrielle Nutzung kann jedoch keine Rede sein.

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Sauerstoff entstehen?

Sauerstoff hat die Eigenschaft, andere Substanzen zu oxidieren. Dies geschieht etwa bei einem Brand, aber auch in Lebewesen, bei der Oxidation und somit Vernichtung von beispielsweise Bakterien und dem Konvertieren von Metallen.
Sauerstoff wird für die Atmung aller Pflanzen und Tiere benötigt. Es handelt sich außerdem um einen essentiellen Stoff, weil er Bestandteil der DNA und fast aller anderer Verbindungen ist, die biologisch von Belang sind. In der Lunge wird der Sauerstoff von Eisenatomen, den Zentralatomen von Hämoglobin, gebunden. Auf diese Weise können 200 cm3 Sauerstoff in einem Liter Blut gelöst werden, was wesentlich mehr ist, als in Wasser. Zusammen mit den Energiereserven von Lebewesen sorgt er dafür, dass der Körper Muskelaktivitäten verrichten kann und Wärme produziert. Hierbei wird auch Kohlenstoffdioxid produziert, das wieder ausgestoßen und von Pflanzen aufgenommen wird. Diese produzieren während der Fotosynthese wiederum Sauerstoff. Der Sauerstoffgehalt von Pflanzen liegt bei etwa 4,1-4,4% ihrer Trockenmasse.
In gelöster Form ist Sauerstoff ein wichtiger Faktor für die Stabilität von Gewässern und das Überleben von Organismen, die in ihnen leben. Mikroorganismen können mit Hilfe von Sauerstoff organische Substanz im Wasser abbauen. Der Sauerstoffverbrauch pro Zeiteinheit wird mit dem BSB-Wert angegeben (biologischer/biochemischer Sauerstoffbedarf). Organische Verunreinigungen können folglich eine negative Wirkung auf Lebewesen in Gewässern haben, da sie den Gehalt an verfügbarem Sauerstoff reduzieren. Auch thermische Verschmutzungen haben diesen Effekt, da sich in warmem Wasser weniger Sauerstoff löst. Dies kann beispielsweise Folge vom Einleiten von Kühlwasser in Oberflächengewässer sein.
In eutrophen (nährstoffreichen) Seen, aber auch relativ abgeschlossenen Meeresteilen kann es in der Tiefe zu einer stark verminderten Sauerstoffkonzentration kommen, so dass sich möglicherweise anaerobe Verhältnisse einstellen.
Natürliche Beispiele für die Auswirkungen von Temperaturverhältnissen auf den Sauerstoffgehalt und dessen Umweltfolgen, sind die von der Jahreszeit abhängigen Temperaturveränderungen in Seen. Im Winter hat das Wasser überall die gleiche Temperatur und auch der Sauerstoffgehalt ist im gesamten Wasser der gleiche. Im Sommer hingegen ist das Wasser in den oberen Lagen wärmer, wodurch weniger Sauerstoff gelöst ist. Die umgekehrte Wirkung haben wiederum Algen und andere Pflanzen, die sich in den oberen Wasserschichten befinden und dort so viel Sauerstoff produzieren, dass der Gehalt den Sättigungswert erreicht. Diese Pflanzen sterben jedoch nach relativ kurzer Zeit ab und müssen zersetzt werden. Dies geschieht mit Hilfe von Destruenten, die wiederum Sauerstoff verbrauchen, den sie in den oberen Wasserlagen auch zu Genüge zur Verfügung haben. Das organische Material setzt sich jedoch oft auf dem Boden des Sees ab, wo folglich Sauerstoffmangel auftreten kann. Befindet sich der See im ökologischen Gleichgewicht, können diese Probleme bewältigt werden. Kommen jedoch von außen durch Einleitung von Abwässern, Überdüngung oder ähnliches große Mengen von Nährstoffen hinzu, die einerseits selbst zersetzt werden müssen und andererseits auch das Algenwachstum nicht mehr einschränken, kann der Sauerstoffgehalt des Sees in solchem Maße sinken, dass seine Bewohner nicht überleben können. Hierbei spricht man von Eutrophierung (eutroph = nährstoffreich, oligotroph = nährstoffarm). Die fischkritische Sauerstoffkonzentration wird bei weniger als 4 mg O2 pro Liter Wasser erreicht.
In Form von O2 wird Sauerstoff normalerweise nirgends in so großen Konzentrationen frei, dass er giftig für aerobe Organismen sein könnte. Solche Konzentrationen sind jedoch theoretisch möglich, wobei der kritische Partialdruck bei verschiedenen Arten unterschiedlich ist.
Sauerstoffatome sind in vielen giftigen organischen und anorganischen Stoffen enthalten. Toxisch wirkende Formen sind unter anderem Hyperoxid oder Peroxyd. Außerdem wirken einige verschmutzende Stoffe bei geringerem Sauerstoffniveau im Wasser giftiger, weil die Atmungsrate erhöht werden muss und Lebewesen auf diese Art mehr des giftigen Stoffes aufnehmen. Für obligat anaerobe Organismen wirken Sauerstoffkonzentrationen von circa 10 mg/L, wie sie in zu 100% mit Luft gesättigtem Wasser vorliegen (temperaturabhängig) hingegen sehr wohl giftig.
Ozon ist, wenn es sich in der Troposphäre befindet, eine schwerwiegende Umweltverschmutzung. In der Stratosphäre hingegen fungiert er als Schutzschild vor der UV-Strahlung der Sonne, ohne das kein Leben auf der Erde möglich wäre. Sogar einige Pflanzenarten sind anfällig für einen zu hohen Ozongehalt in der Luft. Dies äußert sich nicht in sichtbaren Stresssymptomen, sondern in einem verminderten Wachstum.
Sauerstoff besitzt drei stabile, jedoch auch fünf instabile Isotope.

Welche Gesundheitseffekte kann Sauerstoff im Wasser verursachen?

Die Gesamtsauerstoffmenge im menschlichen Körper liegt etwa bei 60% des Körpergewichts. Dieser Wert kann relativ stark variieren, da er vor allem in Form von Wasser vorkommt.
Wie bereits bei andere Lebewesen erwähnt, wird auch beim Menschen Sauerstoff über die Lungen aufgenommen und über den Blutkreislauf zu den verschiedenen Organen gebracht. Hier wird er durch sehr feine Kapillare abgeliefert. Das Sauerstoffatom ist Bestandteil von Hydroxyl-, Carbonyl- und anderen funktionellen Gruppen. An Hämoglobin gebunden wird es im Blut transportiert und im Myoglobin in Muskeln gespeichert.
Sauerstoff im Trinkwasser kann sehr günstig sein, da er bei der Bildung einer Schutzschicht an der Innenwand metallischer Rohrleitungen hilft. Hierfür ist eine Konzentration von etwa 6-8 mg/l optimal.
Sauerstoffradikale werden hingegen für degenerative Krankheiten wie Krebs oder Herzkrankheiten verantwortlich gemacht.
Enthält die Atemluft weniger als 3% Sauerstoff, tritt beim Menschen der Erstickungstod ein, bei einem Gehalt von unter 7% wird er bewusstlos. Zu viel Sauerstoff kann tödlich sein. Bei Sporttauchern, die puren Sauerstoff einatmen, können Krämpfe auftreten und Babys, die im Brutkasten mit zu viel Sauerstoff versorgt wurden, wurden häufiger blind.
In Form von Ozon kann Sauerstoff die Lunge schädigen. Toxisch wirkende Formen von Sauerstoff sind neben Ozon auch Hyperoxide, Peroxyde und Hydroxylradikale.

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Sauerstoff zu entfernen?

Ein Grund, Sauerstoff aus Wasser entfernen zu wollen, könnte sein, dass er insbesondere durch Korrosionen Störungen bei der Verwendung des Wassers hervorrufen kann. Es gibt verschiedenen physikalische und chemische Verfahren, um dieses Problem zu lösen, doch gut geeignet sind etwa spezielle Ionenaustauscherharze. Grundlage dieses Verfahrens ist die sogenannte Knallgasreaktion von Sauerstoff und Wasserstoff: 2H2 + O2 -> 2H2O. Diese Reaktion kann durch geeignete Stoffe katalysiert werden, so dass sie spontan erfolgt. Etwa mit Palladium dotierte Ionenaustauscherharze können den Sauerstoffgehalt des Wassers reduzieren, wenn genügend Wasserstoff vorhanden ist. Auch Hydrazin ist ein mögliches Reduktionsmittel, das an die Stelle von Wasserstoff treten kann: O2 + N2H4 -> N2 + 2 H2O.
Eine einfachere Methode, die jedoch nicht überall angewendet werden kann, ist die thermische Entfernung von Sauerstoff. Die Gaslöslichkeit ist im Siedezustand gleich null, worauf das Prinzip von thermischen Entgasern beruht, die entweder mit leichtem Überdruck (bis ca. 5 bar), als Druckentgaser, oder mit Unterdruck, als Vakuumentgaser, funktionieren.
Andererseits kann eine Anreicherung von Wasser mit Sauerstoff hilfreich sein bei der Entfernung anderer Verunreinigungen. Dies ist möglich durch künstliche Belüftung, die etwa durch die Überleitung von Wasser über Kaskaden oder Abstürze, Versprühen des Wassers in der Luft durch Oberflächenbelüfter, Einblasen von Luft durch Druckluftbelüftung, Ansaugen der Luft durch die Beschleunigung des Wasserkörpers (z.B. durch Venturidüsen) oder die Belüftung mit reinem Sauerstoff, erreicht werden kann. Die Belüftung ist etwa in Kläranlagen möglich, kann aber auch bei bedrohten Flüssen hilfreich sein.
Da Sauerstoff diese reinigende Wirkung hat, indem er als Lebensnotwendiger Stoff für Mikroorganismen fungiert und Stoffe oxidieren kann, wird die Verschmutzung von Wasser auch mit dem BSB (biologischer/biochemischer Sauerstoffbedarf) oder CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) angegeben.
Der oft verwendete BSB5-Wert gibt die Sauerstoffmenge an, die von Mikroorganismen innerhalb einer Messzeit von fünf Tagen bei 20oC im aeroben Milieu verbraucht wird, um organische Stoffe in Kohlenstoffdioxid, Wasser und neue Biomasse umzusetzen. Angegeben wird er in mg O2 pro Liter Abwasser. Die Multiplikation dieser Schadstoffkonzentrationsangabe mit dem Abwasservolumen ergibt die Schadstoffmenge. Diese BSB5-Menge pro Zeiteinheit wird als BSB5-Fracht bezeichnet. Schwer abbaubare organische Stoffe werden durch die kurze Messzeit oft nicht erfasst.
Der CSB-Wert gibt die Sauerstoffmenge (in mg) an, die zur Oxidation aller oxidierbarer Stoffe pro Liter Abwasser benötigt wird. Er schließt also neben biologisch leicht abbaubaren Stoffen auch die schwer abbaubaren sowie persistenten Stoffe (z.B. chlororganische Verbindungen) ein und ist daher grundsätzlich größer als der BSB5-Wert.
Auch Ozon kann zur Reinigung von Wasser, wie etwa Trinkwasser oder Schwimmbadwasser, genutzt werden. Seine desinfizierende Wirkung ist besser als die von Chlorgas, jedoch hält der Schutz vor Bakterien nicht lange vor. Da Ozon eine instabile Form des Sauerstoffs ist, kehrt es schnell zurück in den Zustand von gewöhnlichem Sauerstoff, was auch notwendig ist, da Ozon die Lunge schädigt.

Quellenangaben


Zum Periodensystem der Elemente

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