Zuurstof

Inleiding

We kregen de opdracht om voor Scheikunde een werkstuk te maken over een bepaalde stof.
We konden kiezen uit de stoffen in ons tekstboek en we kozen voor de stof zuurstof.

Waarom kozen we voor deze stof?

We hebben gekozen voor de stof zuurstof omdat we zonder deze stof niet zouden bestaan. We hebben het voor veel verschillende toepassingen nodig. Want zonder zuurstof zouden we bijvoorbeeld niet kunnen ademhalen, verbranden en nog veel meer. Ook waren we benieuwd hoe het vroeger ging, maar we zijn eigenlijk tot de conclusie gekomen dat de stof zuurstof vroeger voor dezelfde doeleinden werd gebruikt als nu en eigenlijk is dat natuurlijk ook logisch, want terwijl je ademhaalt, nu of toen, je ademt zuurstof in. Dat wordt meer als vanzelfsprekend gevonden.

Hoe zijn we te werk gegaan?

Toen we de opdracht kregen en de stof hadden gekozen gingen we overleggen wie wat ging maken en wanneer we dat af zouden hebben. We zouden dan bezig gaan met de meer gezamenlijke dingen zoals deze inleiding en ook de inhoudsopgave.
De (volgens ons) goede samenwerking heeft tot dit werkstuk geleidt.

Hoe wordt Zuurstof gemaakt/gewonnen?

Er zijn drie manieren om zuurstof te krijgen:

1) de vloeibare-lucht methode
Tja, hoe win je nou zuurstof? Je ademt ‘t dag in, dag uit, omdat het gewoon in de lucht zit. Onze dampkring bevat namelijk 21% zuurstof, dus waar haal je pure zuurstof vandaan? Uit de lucht natuurlijk!
De ‘gewone lucht’ (dampkringlucht) wordt eerst gezuiverd, gedroogd, en met daarin kooldioxide verwijderd. Daarna wordt de lucht onder hoge druk vloeibaar gemaakt, deze laat men dan langzaam verdampen. Aangezien de stikstof vluchtiger is dan zuurstof (vloeibare stikstof heeft een lager kookpunt dan die van zuurstof), verdampt de stikstof eerst, geleidelijk met steeds meer zuurstof gemengd, en de zuivere vloeibare zuurstof blijft tenslotte over.

Deze is verreweg de belangrijkste manier om zuurstof te winnen, omdat je gemakkelijk bron kunt krijgen om in een keer veel zuurstof te maken. Het wordt meest gebruikt in de industrie.

2) de elektrolytische methode

Bij het gebruik van zuurstof op kleinere schaal (bijv. in een laboratorium), wordt ook andere methode gebruikt --- bijv. met behulp van elektrolyse van water.
Hierbij werd een oplossing van natriumhydroxide (NaOH) in water aan elektrolyse onderworpen. Het water wordt dan ontleed in waterstof die opgevangen werd aan de negatieve elektrode (dat is een geleider waardoor de elektronen binnen water komt) en zuurstof aan de positieve kant (want zuurstof is ontladen met negatieve elektronen), letterlijk is dat zo:
2H2O 2 H2 + O2
De volgens deze methode verkregen zuurstof is zuiverder dan die uit vloeibare lucht bereid, maar de nadelen zijn de vrij hoge kosten van de elektrische stroom en de transporten van de zuurstof in stalen cilinders.

3) door verhitting van bepaalde stoffen

Ook deze methode wordt gebruikt om kleine hoeveelheden zuurstof te bereiden. Men kan dit doen onder andere door verhitting van kaliumchloraat (KClO3), dat daarbij overgaat in kaliumchloride en zuurstof apart:
2 KClO3 2 KCl + 3 O2
Bij deze bereiding wordt weinig bruinsteen (MnO2) toegevoegd aan de kaliumchloraat, deze stof dient als katalysator waardoor het vrijkoen van de zuurstof bij veel lagere temperatuur en daardoor ook gelijkmatiger plaatsvindt.

Geschiedenis van Zuurstof

Zuurstof werd in de loop van de 16e, 17e en 18e eeuw een paar keer afgezonderd en beschreven als een 'een gas dat de verbranding en de ademhaling zeer goed onderhoudt'.
In 1774 werd het pas definitief ontdekt als bestanddeel van lucht, gelijktijdig door de Engelsman Joseph Priestley en Zweedse C.W. Scheele. Direct hierna, in 1777, stelde Antoine Laurent Lavoisier zijn beroemde verbrandingstheorie op, waarin zuurstof de rol speelde van oxidator (verbinding van zuurstof met een andere stof).
De internationale naam ‘Oxygenium’ komt van de Oude Grieks ‘oxy’, die scherp, zuur betekent en ‘genes’, wat de vorming betekent, dus het is letterlijk: ‘zuur-vormer’, en de naam ‘zuurstof’ komt ook van de vroegere mening dat het de zuurheid van zuur veroorzaakt.

Joseph Priestley voerde uitgebreide experimenten uit op het gebied van elektriciteit en chemische eigenschappen. Hij wordt beschouwd als een van de grondleggers van de moderne scheikunde en onderzocht de rol van zuurstof bij verbranding, ademhaling en andere gewone processen.

Antoine Lavoisier

De Franse scheikundige Antoine Lavoisier wordt beschouwd als de vader van de moderne scheikunde. Hij hield zich voornamelijk bezig met experimenten om materie te meten, en toonde aan dat lucht bestaat uit twee elementen, die hij waterstof en zuurstof noemde.

Toepassingen

Zand, water, cement

Zand en water behoren tot de stoffen die een flink deel van de op aarde aanwezige zuurstof bevatten. Zand is door erosie een zeer fijn verdeeld gesteente. Het meest voorkomende zand is kwartszand, met siliciumdioxide als hoofdbestanddeel. Zand bevat, afhankelijk van de herkomst ook diverse andere elementen.
Water is 1 van de belangrijkste stoffen op onze planeet. Zonder water zou leven onmogelijk zijn. Want zowel voor direct gebruik als voor de vorming van zuurstof is water onmisbaar.

En cement is 1 van de belangrijkste stoffen in de bouwwereld. Het wordt onder meer gebruikt als ‘lijmmiddel’ bij het metselen van (bak)stenen en bij het aanmaken van beton.

Cement wordt gemaakt uit mergel (voornamelijk krijt, CaCO3) en klei- of leemachtig materiaal (dat verbindingen van silicium en aluminium met zuurstof bevat). Ook wordt er ijzeroxide-houdend materiaal aan toegevoegd. Na mengen, malen en drogen, wordt het zeer sterk verhit, waarbij voornamelijk calciumsilicaat (CaSiO3) en calciumaluminaat [Ca3(AlO3)2] worden gevormd. Aan sommige soorten cement wordt wat gips (CaSO4) toegevoegd.

Om het cement te laten harden, moet er water worden toegevoegd. Hierdoor worden hydraten gevormd. Bij het verwerken van cement wordt meestal een vulstof gebruikt, bijvoorbeeld zand (voor metselspecie) of zand en grind (voor beton). Omdat beton zelf niet zo sterk is (zeer lage treksterkte), dient bij het verwerken in bouwwerken een bewapening van betonstaal te worden toegepast. De hoeveelheid cement in specie of beton kan variëren. Voor specie wordt cement en zand gebruikt in een verhouding van ca. 1:4, voor toepassingen binnen wordt nog wat kalk toegevoegd om de verwerkingseigenschappen te verbeteren. Beton wordt gemaakt uit cement, zand en grind in een verhouding van ca. 1:2:3.

Staalbereiding

Bij het bereiden van metalen is zuurstof in diverse stadia betrokken.
Dit geldt dus ook voor staal. Veel metalen worden bereid uit sulfide-houdende ertsen. Deze bevatten zwavel. De zwavel wordt in het roostproces met zuurstof uit de lucht omgezet in zwaveldioxide (SO2), dat wordt verwerkt tot zwavelzuur. Vervolgens wordt zuurstof gebruikt om het koolstofgehalte van het metaal te verlagen.

Bij de verwerking van staal is opnieuw zuurstof nodig. Bijvoorbeeld voor het snijbranden en het lassen. Hierbij wordt ethyn (C2H2, acetyleen) verbrand met zuivere zuurstof, waardoor zeer hoge temperaturen (tot ca. 3200 °C) worden bereikt.

Waterzuivering

Huishoudelijk afvalwater bevat stikstof (ca. 40-80 mg N/l), meestal in de vorm van ammoniumverbindingen. In een waterzuiveringsinstallatie wordt de stikstof verwijderd via twee processen.

We behandelen nu alleen het eerste proces:

Proces één heet het nitrificatieproces. Daarbij wordt het ammonium met behulp van bacteriën geoxideerd tot nitraat. Deze oxidatie verloopt ook weer in twee stappen. Eerst wordt ammonium geoxideerd tot nitriet onder invloed van de nitrosomonas- bacterie:

2 NH4+ + 3 O2 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+

Daarna wordt het nitriet geoxideerd tot nitraat o.i.v. de nitrosomonas-bacterie:
2 NO2- + O2 2 NO3-

Om te voorkomen dat het nitraatgehalte van het oppervlaktewater door lozing te hoog wordt, volgt vaak ook een denitrificatieproces. Dit proces vindt plaats in een zuurstofloos (anaëroob) milieu. Met behulp van bacteriën wordt het nitraat omgezet in stikstof:
2 NO3- + 2 H+ N2 + H2O + 5 O

De vrijkomende zuurstof oxideert het aanwezige organisch materiaal (kan toegevoegd zijn), waardoor het milieu anaëroob (d.w.z. zonder zuurstof) blijft. Om het proces goed te laten verlopen wordt zo nodig wat methanol toegevoegd om de gevormde zuurstof weg te nemen. In zuiveringsinstallaties waarin ook biologische defosfatering plaatsvindt, is denitrificatie vaak een noodzaak.

Ademhaling

De ademhaling heeft een tweeledige functie. Dat wil zeggen dat de zuurstof die nodig is voor stofwisseling in de cellen wordt opgenomen en de vrijgekomen koolstofdioxide wordt afgevoerd. Het ademcentrum is gevoelig voor zuurstofgebrek en zo wordt de toevoer geregeld. Het bloed vervoert de zuurstof en het koolstofdioxide door het lichaam. In de longen vindt de uitwisseling van zuursof en koolstofdioxide met het bloed plaats.

De stofwisseling is dus in feite een afbraakproces, gericht op verbranding. De moleculen van de voedingsstoffen die wij gebruiken, worden via enzymatische weg (eiwitten in voeding) afgebroken in kleinere delen. De kleinere moleculen moeten worden opgenomen in het bloed, zodat iedere cel de benodigde stoffen hieruit kan halen. De celmembranen laten de stoffen niet spontaan door, het proces kost energie net als de opname van de stoffen vanuit het bloed. De energie die het lichaam voor verschillende processen nodig heeft komt vrij bij de dissimilatie (d.w.z. dat suikers met zuurstof die uit de ingeademde lucht en via het bloed aangevoerd werd) worden omgezet. Uiteindelijk ontstaat koolstofdioxide en water, dat wordt uitgeademd. Tijdens een normale inademing wordt ongeveer een halve liter lucht aangezogen. De ademfrequentie bedraagt dan 12 tot 15 maal per minuut. De mens verbruikt gemiddeld 0,3 ton zuurstof per jaar.

Verbrandingsproces

Welke minerale brandstof dan ook, er is zuurstof voor nodig.
Voor de verbranding van aardgas bijvoorbeeld:

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Bij verbrandingsprocessen in motoren wordt zuurstof uit de atmosfeer gebruikt.
Bijvoorbeeld bij raketmotoren (de Spaceshuttle en de Ariane) ben je aangewezen op vloeibare zuurstof. Door een goede verhouding van zuurstof en stikstof zijn de meeste verbrandingsprocessen op aarde goed beheersbaar en treden er onder normale omstandigheden nauwelijks spontane verbrandingen op.

Waarom is/was het belangrijk voor het dagelijkse leven?

Hier is al veel over verteld onder het kopje toepassingen. Voor bijvoorbeeld de toepassing ademhaling is zuurstof belangrijk dat is hetzelfde voor verbranding enz.

Geraadpleegde bronnen

Encyclopedie:

Microsoft Encarta Encyclopedie Winkler Prins (Editie 2002)
Steekwoord: zuurstof, Joseph Priestley, elektrolyse

Boek:

Dr. S.C. Bokhorst en W. de Lange, Leerboek der Scheikunde, Groningen 1966, pagina 6 t/m 8.

Sue Unstead, Encyclopedie voor de jeugd, uitgeverij Sesam Lannoo