1.2 Wichtige chemische Grundelemente im GWH-Bereich 1.2.1 Sauerstoff O (Oxygenium) Der Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und ge- schmackloses, ungiftiges und unbrennbares Gas, welches zu etwa 21 Volumsprozent im Gemisch Luft vorkommt. Sauerstoff ist auch ein wesentlicher Bestandteil des Wassers, etwas schwerer als Luft (1,429 kg/m3) und für die Atmung der Tiere und Menschen unentbehrlich. Sauerstoff ist ein Element der 6. Hauptgruppe und verbindet sich leicht mit anderen Elementen. Verbindungen mit Ölen und Fetten treten bereits bei Normaltemperaturen auf, wobei Öle und Fette auch ohne Zündung leicht brennbar und explosiv sind. Die Anwesenheit von Sauerstoff ist die Voraussetzung für eine vollständige Verbrennung. Sauerstoff wird durch Verflüssigung der Luft nach dem Linde-Verfahren gewonnen. Nach Reinigung von Kohlendioxid und Feuchtigkeit wird die Luft hoch verdichtet und anschließend plötzlich entspannt – dabei wird die Luft abgekühlt. Mit dieser Luft wird nun frisch angesaugte Luft, die wiederum komprimiert und entspannt wird, gekühlt – dadurch erreicht man tiefere Temperaturen. Durch oftmaliges Wiederholen dieses Vorganges erzielt man so tiefe Temperaturen, dass die Luft flüssig wird. Wird nun der flüssigen Luft Wärme zugeführt, so entweicht zuerst der Stickstoff (niedrigere Siedetemperatur bei –195,8 °C) und die Restflüssigkeit wird immer sauerstoffreicher, bis endlich reiner Sauerstoff (Reinheitsgrad bis ca. 99,5 %) gewonnen wird. In der Luft kommt Sauerstoff als O2 (Sauerstoffmolekül) vor. 1.2.2 Stickstoff N (Nitrogenium) Der Stickstoff ist ein gasförmiges Element aus der 5. Hauptgruppe, farb-, geschmack- und geruchlos, sowie sehr reaktionsträge. Stickstoff ist mit ca. 78 Volumsprozent Anteil an der Luft das häufigste Element der Atmosphäre. Stickstoff ist etwas leichter als Luft, verhindert den Verbrennungsvorgang und wird durch fraktionierte Destillation der Luft gewonnen. In der chemischen Industrie wird Stickstoff zur Herstellung von Düngemitteln, Ammoniak und Salpetersäure eingesetzt. Stickstoff kann auch als inertes Schutzgas und in flüssiger Form als Kühlmittel verwendet werden. Inerte Gase sind reaktionsträge Gase wie die Edelgase und Stickstoff, die sich an chemischen Reaktionen gar nicht oder nur unter extremen Bedingungen beteiligen. Als wesentlicher Baustein des organischen Lebens durchläuft der Stickstoff in der Natur einen ständigen Kreislauf. Dabei gelangt Stickstoff durch den Verwesungsprozess in den Boden, wird von Mikroorganismen in Stickstoffverbindungen wie Nitrate und Ammoniumverbindungen umgewandelt und von Pflanzen aufgenommen. Durch das Verzehren der Pflanzen gelangt der Stickstoff in den menschlichen und tierischen Körper und wird über die Exkremente wieder ausgeschieden. 1.2.3 Wasserstoff H (Hydrogenium) Der Wasserstoff ist ein gasförmiges Element der 1. Hauptgruppe, farb- geschmack- sowie geruchlos und wichtiger Bestandteil des Wassers. Wasserstoff ist das leichteste aller Elemente und kommt fast ausschließlich als zweiatomiges Molekül vor. Die Gewinnung von Wasserstoff erfolgt durch die Elektrolyse von Wasser oder durch die thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen. Wasserstoff verbrennt bei sehr hohen Temperaturen und bildet mit Sauerstoff und Chlor explosive Gemische (Knallgas). Die technischen Anwendungen sind der Einsatz als Schweißgas und Raketentreibstoff – in flüssiger Form dient Wasserstoff der Kühlung von Generatoren und Kältemaschinen. 93 Chemische Grundlagen Wichtige chemische Grundelemente im GWH-Bereich Ammoniak ammonia Chlor chlorine Düngemittel fertilizer Elektrolyse electrolysis fraktionierte Destillation fractional distillation geschmacklos tasteless Kältemaschine refrigerating machine Knallgas oxyhydrogen Kühlmittel cooling agent (or: medium) Mikroorganismus micro-organism Normaltemperatur standard temperature Restflüssigkeit remaining liquid Salpetersäure nitric acid Schutzgas shielding gas Stickstoff nitrogen unbrennbar incombustible ungiftig non-poisonous Verbrennungsvorgang combustion process Verflüssigung liquefaction Volumsprozent volume percent Abb. 1: Stickstoffkreislauf ARBEITS- UND MATERIALKUNDE MUSTER
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