Quelltext der Seite Allotrope Formen von Sauerstoff

Es existieren mehrere '''allotrope Formen von Sauerstoff'''.

[[Sauerstoff]] ist ein typisches [[Nichtmetall]]. Es besteht im gasförmigen Zustand aus einzelnen [[Molekül]]en. Das Element bildet dabei mehrere [[Allotrop]]e, die nach der Anzahl Sauerstoff[[atom]]e zu unterscheiden sind. Die häufigste Form des Sauerstoffs ist der Disauerstoff O<sub>2</sub>. Weitere Allotrope sind [[Ozon]] O<sub>3</sub> sowie die seltenen Allotrope Tetrasauerstoff O<sub>4</sub> und Oktasauerstoff O<sub>8</sub>.

== Atomarer Sauerstoff ==
Atomarer Sauerstoff, bezeichnet als O oder O<sub>1</sub>, 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.<ref name="nasas11">{{Webarchiv |url=https://www.nasa.gov/topics/technology/features/atomic_oxygen.html |text="Out of Thin Air" |wayback=20170623003016 |archiv-bot=}} .NASA.gov. February 17, 2011.</ref>

== Hochdruckphasen von Sauerstoff ==
Bei Raumtemperatur und Drücken größer 10 [[Pascal (Einheit)|GPa]] wandelt sich Sauerstoff, bestehend aus O<sub>2</sub>-Molekülen, in einen roten Feststoff um. Diese [[Phase (Materie)|Phase]], die anscheinend ein weiteres [[Allotrop]] neben [[Sauerstoff|Disauerstoff]] (O<sub>2</sub>) und [[Ozon]] (O<sub>3</sub>) darstellt, wird auch ''ε-Sauerstoff'' oder ''roter Sauerstoff'' genannt. Ursprünglich wurde aufgrund [[Infrarotspektroskopie|infrarotspektroskopischer]] Untersuchungen im Jahr 1999 angenommen, dass es sich hierbei um Tetrasauerstoff O<sub>4</sub> handelt. Kristallographische Analysen des roten Sauerstoffs aus dem Jahr 2006 deuten jedoch auf neuartige O<sub>8</sub>-Aggregate, die sich aber von den S<sub>8</sub>-Ringen des [[Schwefel]]s unterscheiden.<ref>[[Ralf Steudel]], Ming Wah Wong (2007): ''Dunkelrote O<sub>8</sub>-Moleküle in festem Sauerstoff: rhombusförmige Cluster statt S<sub>8</sub>-ähnlicher Ringe''. Angewandte Chemie, '''119''' (11), 1798–1801.</ref> Bei 4800&nbsp;°C und 96 GPa tritt ein Phasenübergang zum ''ζ-Sauerstoff'' auf, der elektrisch leitend ist und in dieser [[Metalle|metallischen]] Form wahrscheinlich im Inneren der Gasplaneten [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] und [[Saturn (Planet)|Saturn]] vorliegt.

=== Tetrasauerstoff ===
[[Datei:Tetraoxygen-D2d-3D-balls.png|miniatur|Tetrasauerstoff als 4-Eck]]
[[Datei:Tetraoxygen-D3h-3D-balls.png|miniatur|Tetrasauerstoff in Y-Form]]
Schon seit 1911 gab es erste Hinweise auf die Existenz von O<sub>4</sub>, 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 O<sub>4</sub> nahe. Auch wurde Tetrasauerstoff 1924 von [[Gilbert Newton Lewis]] vorhergesagt, um damit das Versagen des [[Curiesches Gesetz|Curieschen Gesetzes]] für flüssigen Sauerstoff erklären zu können. Tatsächlich wurden O<sub>4</sub>-Aggregate schon in flüssigem Sauerstoff nachgewiesen. Doch sind diese als (O<sub>2</sub>)<sub>2</sub> aufzufassen, welche aus zwei O<sub>2</sub>-Molekülen bestehen und mit einer [[Dissoziationsenergie]] von 0,54&nbsp;kJ/mol sehr instabil sind.

Mittels [[Massenspektrometrie]] konnte Tetrasauerstoff 2001 indirekt nachgewiesen werden. Dabei wurden zunächst O<sub>2</sub>-Moleküle und positiv geladene O<sub>2</sub>-Ionen zu O<sub>4</sub>-Ionen kombiniert, deren Existenz die Massenspektrometrie zeigen konnte. Anschließend wurden die Ionen durch Aufnahme von Elektronen in neutrale O<sub>4</sub>-Moleküle umgewandelt, die nicht direkt im Massenspektrometer nachgewiesen werden können. Doch da nach einer Reionisierung wieder die O<sub>4</sub>-Ionen auftraten, müssen zwischenzeitlich auch stabile, neutrale O<sub>4</sub>-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 O<sub>2</sub>-Moleküle mit lockerer Bindung zueinander bilden könnten. Die Zusammenlagerung der beiden O<sub>2</sub>-Moleküle beruht auf der Besetzung von zwei bindenden [[Molekülorbital]]en (MO), die neben zwei antibindenden MOs aus vier entarteten π*-Orbitalen entstanden sind und durch zwei Elektronenpaare mit antiparallelem [[Spin]] besetzt sind ([[HOMO (Physik)|HOMO]] und HOMO-1).

Eine mögliche technische Anwendung aufgrund der hohen [[Energiedichte]] von O<sub>4</sub> könnte die Nutzung als eine Komponente in [[Raketentreibstoff]]en sein. Dabei wird erwartet, dass die Verbrennung mit Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen noch effektiver ist als bei flüssigem O<sub>2</sub><ref>Nature News: [http://www.nature.com/news/1998/011122/full/news011122-3.html New form of oxygen found]. {{doi|10.1038/news011122-3}}</ref>.

In dem [[Fernerkundung]]sverfahren ''[[Differenzielle optische Absorptionsspektroskopie]]'' wird ausgenutzt, dass der Stoßkomplex O<sub>4</sub> proportional zum Quadrat der bekannten Sauerstoffkonzentration vorkommt. Über die Absorptionsstrukturen von O<sub>4</sub> ist es dann möglich, Rückschlüsse auf atmosphärische Eigenschaften zu ziehen.

=== Oktasauerstoff ===
[[Datei:Octaoxygen-from-xtal-3D-balls.png|mini|Oktasauerstoff]]
Gestützt auf [[Infrarotspektroskopie|infrarotspektroskopische]] Messungen wurde seit 1999 angenommen, dass es sich bei ''ε-Sauerstoff'' um Tetrasauerstoffmoleküle, also O<sub>4</sub> handelt. Jedoch konnten neuere [[Kristallographie|kristallographische]] Studien die Existenz von O<sub>8</sub>-Aggregaten im ''ε-Sauerstoff'' nachweisen. Die O<sub>8</sub>-Struktur unterscheidet sich aber von den kronenförmigen S<sub>8</sub>-Ringen des [[Schwefel]]s und ähnelt einem etwas zusammengedrückten Würfel, bei dem jeweils zwei Sauerstoffatome an den vier verkürzten Kanten sitzen. Die Bindungen in den O<sub>2</sub>-Einheiten betragen 120 [[Pikometer]] (pm) und entsprechen damit der Bindungslänge von molekularem Sauerstoff unter [[Normalbedingungen]] (121&nbsp;pm), während die Abstände in den O<sub>4</sub>-Ringen mit 219&nbsp;pm deutlich kleiner als der [[Van-der-Waals-Radius|Van-der-Waals]]-Abstand von 304&nbsp;pm für Sauerstoff sind. Auch die kurzen Abstände von ca. 260&nbsp;pm zwischen den O<sub>8</sub>-Quadern deuten auf bindende Wechselwirkungen hin.

== Literatur ==
* {{Holleman-Wiberg|Auflage=101.|Startseite=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.&nbsp;4062–4065, {{ISSN|1521-3773}}. PMID 12404493. {{DOI|10.1002/1521-3773(20011105)40:21<4062::AID-ANIE4062>3.0.CO;2-X}}.

== Weblinks ==
* [http://www.lateralscience.co.uk/marum/ Darstellung des Oxozons 1911] (en)
* [http://prola.aps.org/abstract/PRL/v83/i20/p4093_1 Infrarotspektrum von rotem Sauerstoff] (en)
* [https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/fluessiger-sauerstoff-wird-bei-hohem-druck-ein-metall/ ''Flüssiger Sauerstoff wird bei hohem Druck ein Metall.''] Auf: ''wissenschaft.de'' vom 9. April 2001
* [https://www.chemistryworld.com/news/red-oxygen-structure-revealed/3003419.article Kristallographische Analyse des ε-Sauerstoffs] (en)
* [http://www.spring8.or.jp/en/news_publications/press_release/2006/060906 Experimenteller Nachweis von Oktasauerstoff] (en)
* [http://www.spring8.or.jp/pdf/en/res_fro/06/062-063.pdf O<sub>8</sub> Cluster in the ε Phase of Solid Oxygen]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Sauerstoffmodifikation| ]]