Versuch 59: Sauerstoffgehalt der Luft - Einleitung

Die Luft ist eine Mischung aus verschiedenen Gasen unserer Atmosphäre. Welche Gase sind das? Neben Körperausdünstungen und Faulgasen (Methangas) oder Abgasen (Kohlenstoffdioxid) denkt wohl jeder zuerst an den Sauerstoff, den wir für unsere Atmung benötigen.

Die größte Menge der Luft zwischen Boden, Troposphäre und Exosphäre besteht allerdings nicht, wie vermutet, aus Sauerstoff. Wäre dem so, würde es uns ziemlich schlecht gehen, wahrscheinlich würde es uns sogar nicht geben. Dies alles sind aber Thesen, die andere Experimente beweisen sollen.

Hier geht es uns um einen genauen Nachweis des Sauerstoffgehalts der Luft. Das Lexikon gibt dazu folgende Werte an:

Luft besteht zu 78.09 vol-% aus Stickstoff, 20.95 vol-% Sauerstoff, 0.03 vol-% Kohlenstoffdioxid und 0.93 vol-% Edelgasen.

Die Mischung macht's also. Reiner Sauerstoff würde schnell zu unkontrollierbaren Verbrennungsreaktionen führen. Der hohe Stickstoffanteil macht die Sauerstoffreaktionen auf der Erde überschaubar. Stickstoff gelangt außerdem über verschiedene Reaktionen in der Atmosphäre und den Regen in den Boden und dient dort in Verbindungen als Dünger. Das Kohlenstoffdioxid der Luft ist auch, wenn es oft gescholten wird, für einen positiven Triebhauseffekt verantwortlich, ohne den es sehr kalt auf der Erde wäre.

Mit diesem Wissen können wir uns nun an den experimentellen Nachweis des Sauerstoffs machen.

Sicherheitssymbole

Als Schülerversuch geeignet. Schutzbrille tragen!

Chemikalien

  • Kupferdrahtnetz

Materialien

  • 2 Kolbenprober (100ml)
  • 2 durchbohrte Stopfen
  • Quarzrohr
  • Bunsenbrenner
  • 3 Stative

Durchführung

Man spannt ein Quarzrohr in ein Stativ. Auf gleicher Höhe platziert man links und rechts ein weiteres Stativ, in die später die Kolbenprober eingespannt werden können.

In das Quarzrohr gibt man ein Kupferdrahtnetz und verschließt es mit den durchbohrten Stopfen. Ein Kolbenprober wird auf Nullstellung in die Apparatur gespannt, der andere Kolbenprober wird mit 100mL Luft befüllt und eingespannt.

Ist die Apparatur aufgebaut wird sie noch einmal darauf überprüft, dass sie möglichst luftdicht verschlossen ist. Nun wird das Kupferdrahtnetz mit einem Bunsenbrenner erhitzt und die Kolben des Kolbenprobers hin und her geschoben, bis keine Volumenänderung mehr feststellbar ist.

Entsorgung

%

Ergebnisse

Das Kupferdrahtnetz färbt sich beim Erhitzen schwarz. Zunächst nimmt das Luftvolumen in den Kolbenprobern zu, gegen Ende des Versuches, nach dem Abkühlen, wird allerdings eine Volumenminderung auf 80mL sichtbar.

Auf dem Kupferdrahtnetz hat sich schwarzes Kupfer(II)oxid gebildet. Der dazu benötigte Sauerstoff stammt aus der Umgebung.

Oxidation: Cu → Cu2+ + 2e-

Reduktion: O2 + 4e- → 2O2-

Gesamt: 2Cu + O2 → 2CuO

Da das aufgebaute System im idealsten Falle luftdicht verschlossen war ist die Volumenminderung auf diese Reaktion zurückzuführen. Es kann abgeleitet werden, dass in der Luft 20 vol-% Sauerstoff enthalten ist. Die Volumenzunahme am Anfang lag an der Erwärmung der Luft durch den Bunsenbrenner.

Ehrlicherweise müssen wir hier auf die Risiken dieses Versuches hinweisen. Wenn das System nicht wirklich vollkommen geschlossen ist oder das Kupferdrahtnetz zu klein ist erhält man leicht widersprüchliche Ergebnisse, die nicht zum Sauerstoffanteil von ca. 20 vol-% in der Luft führen.

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Hinweise

Es müssen Kolbenprober verwendet werden, die absolut luftdicht abschließen, da sonst das Ergebnis verfälscht wird.

Versuchsvideo

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Versuchsbild

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