Flüssiger Sauerstoff

Sauerstoff in Dewar Das ist flüssiger Sauerstoff in einem Dewar-Gefäss. Flüssiger Sauerstoff wird von Gas-Firmen meist für medizinische Zwecke abgefüllt. Er ist deshalb auch in vielen Krankenhäusern erhältlich.
Flüssiger Sauerstoff hat eine leicht bläuliche Färbung, ist aber trotzdem durchsichtig. Die blaue Farbe des Himmels kommt übrigens vom Sauerstoff in der Luft, denn der mehrheitlich vorhandene Stickstoff ist farblos. In der Luft ist der Sauerstoff nur auf einem so großen Raum verteilt, dass uns die Luft im Nahbereich durchsichtig erscheint. Im flüssigen Zustand rücken die Moleküle viel näher zusammen, sodass wir auch bei kleinen Mengen die blaue Färbung erkennen können.
Die weißen Flocken auf der Oberfläche stammen von Kondenswasser, dass während des Transportes in des Behälter getropft ist.

Eis in Sauerstoff Interessant ist, dass Eis auf dem Sauerstoff schwimmt. Im flüssigen Stickstoff sinkt es nämlich auf den Grund. Dazu wurden einige Eisstücke in einen styroporisolierten Becher gegeben. Lehrt man dann Sauerstoff darüber, so schwimmen die Eisstücke an der Oberfläche. Es ist auch hier schön die blaue Farbe des Sauerstoffes zu sehen.
Merkwürdig ist nur, dass ein Tropfen Sauerstoff auf dem Wasser schwimmt. Man könnte sich das aber damit erklären, dass sich eine dünne Eisschicht unter dem Tropfen bildet, der dann auf dem Wasser schwimmt und den Sauerstoff trägt.
 
Einige Stoffdaten von O2
Bezeichnung Formelzeichen Wert Einheit
Kritische Temperatur Tk 154,4
Siedetemperatur bei 1,013bar Ts 90,2; K
Schmelztemperatur  Ts 54,8 K (0K = -273.15°C)
rel.Permeabilität (flüssig) µr 1 + 360*10-6 1
rel.Permeabilität (gasförmig) µr 1 + 0,14*10-6 1

Die Siedetemperatur von -183°C reicht nicht aus, um den Supraleiter tief genug abzukühlen. Es ist zwar möglich, in einer Vakuumglocke die Siedetemperatur unter die Sprungtemperatur zu senken, doch  wegen seiner magnetischen Eigenschaften ist er für Supraleiter nicht so gut geeignet wie Stickstoff.
Das Interessante am Sauerstoff ist die große magnetische Permeabilität µr.

Para- und Ferromagnetismus
Stoffe mit einem µr größer gleich 1 werden als paramagnetische Stoffe bezeichnet. Sie haben die Fähigkeit die magnetischen Feldlinien aufzunehmen und in sich zu bündeln. Ein paramagnetischer Stoff wird in ein Magnetfeld hineingezogen, weil sich die magnetischen Feldlinien immer zu verkürzen versuchen. Solche Stoffe werden deshalb von beiden Polen eines Magneten gleichmäßig stark angezogen.
Im Gegensatz dazu werden diamagnetische Stoffe von einem Magnetfeld abgestoßen, weil sie die Feldlinien aus sich herausdrängen.
Ferromagnetische Stoffe sind im Grunde mit den paramagnetischen Stoffen zu vergleichen. Diese sind die bekannten magnetischen Metalle wie Eisen, Kobalt und Nickel, sowie einige Legierungen davon. Einzelne Eisenatome, wie etwa im Eisendampf, sind übrigens paramagnetisch, erst durch die räumliche Anordnung der Kristalle entsteht daraus der Ferromagnetismus. Die Ferromagnetika haben noch eine wesentliche höhere Permeabilität und ihre Magnetisierbarkeit ist nicht linear, d.h. es tritt eine magnetische Sättigung und eine bleibende Magnetisierung (=Permanentmagnetismus) auf.

Magnet in Sauerstoff Legt man einen Magnet in eine flache Schale mit flüssigem Sauerstoff, so tritt eine sehr seltsamer Effekt auf. Der Sauerstoff kriecht an den Kanten des Magneten nach oben. Da er so lange verdampft, bis der Magnet kalt ist wird die Schale richtig leergesaugt. Hat sich der Magnet dann abgekühlt, so sieht man die volle Auswirkung. Der Sauerstoff umschließt den Magnet auf allen Seiten mit einer ca. 5mm dicken Schicht.

Tipps:
Um diesen Effekt deutlich zu sehen sollte man einen möglichst starken Magneten verwenden. Hier wurde ein Neodym-Magnet verwendet. Mit keramischen Magneten funktioniert es nur sehr schlecht. Mit metallischen Magneten fast gar nicht. Es ist auch sinnvoll keinen zu großen Magnet zu verwenden, denn dann kann er an den Polen nicht mehr vollständig vom Sauerstoff umschlossen werden.

Es funktioniert auch sehr gut mit kleinen Bruchstücken von Neodym-Magneten. (Die zerbrechen wegen der starken "Schnapp-Kraft" ohnehin sehr leicht). Wenn die Schale nicht zu dickwandig ist, kann man sie auch darunter legen. Dann bilden sich kleine Hügel auf der Oberfläche des Sauerstoffes.

Sauerstofftropfen Hebt man den Magneten jetzt vorsichtig aus der Schale, so bleibt an ihm eine relativ große Menge Sauerstoff haften. Durch die Schwerkraft fließt der Sauerstoff zwar von der Oberseite ab, doch er bleibt an der Unterseite richtig kleben. Er ist auch sehr schwer durch Abschütteln vom Magneten zu entfernen. Ähnlich wie bei Eisenspänen bleibt immer etwas zurück. Hilfreich ist hierbei, dass der Sauerstoff nach relativ kurzer Zeit verdampft ist.
 

MPEG-Video 618kB In diesem Video ist zu sehen, wie ein Magnet in den flüssigen Sauerstoff eingetaucht wird. Es ist zu erkennen, wie er auf den Magneten hinaufgezogen wird. Nach dem Herausziehen bleibt eine dünne Schicht Sauerstoff auf dem Magneten haften.
 
 

Es ist auch möglich die paramagnetischen Eigenschaften des gasförmigen Sauerstoffes nachzuweisen. Dazu wurde ein starker Neodym-Magnet an den Rand des Bechers mit Sauerstoff gelegt. Der gasförmige Sauerstoff ist noch sehr kalt, wodurch an ihm die Luftfeuchtigkeit kondensiert und ihn so indirekt sichtbar macht. Man erkennt deutlich, wie die sonst gleichmäßige, nach allen Seiten verlaufende Strömung zum Magneten hingezogen wird.
Es ist auch möglich, den Magneten über den Becher zu halten und so etwas von dem Nebel heraus zu ziehen.

MPEG-Video 201kB Dieses Video zeigt diese Ablenkung des gasförmigen Sauerstoffs.  Es ist zu sehen, wie der Nebel am Rand des Magneten aus dem Becher herausgezogen wird. Über dem Magnet gibt es eine ähnliche Wirbelbildung wie sie bei den folgenden Bilder noch näher erklärt wird.
 

Gasablenkung Die Ablenkung der Gase ist auch schön zu erkennen, wenn man den Magneten in den Becher mit Sauerstoff stellt. Dann sammelt sich mehr Nebel in der Achse durch die Mitte der beiden Polflächen an. Dort ist die Feldstärke am geringsten und somit die leichteste Möglichkeit für den Sauerstoff der Anziehungskraft zu entkommen. Es ist auch schön zu erkennen, wie der Nebel an den Kanten des Magneten gefangen wird. Die Form dort erinnert an jene, die man erhält, wenn man Eisenspäne über einen Magneten streut.
 

Wirbelbildung Die Ablenkung der Strömung kann so stark sein, dass sich sogar ein Wirbel bildet. Mit einer passenden Aufstellung des Magneten kann man in diesem runden Becher eine kleine "Windhose" erzeugen. Es ist weiters noch schön zu sehen wie der flüssige und auch der gasförmige Sauerstoff an den Kanten des Magneten nach oben gezogen wird. Besonders gut ist es an den oberen Kanten zu sehen. Diese sind mit einer dünnen Nebelschicht umzogen, ähnlich wie der untere Teil mit einer flüssigen Schicht umgeben ist.
 

Der Sauerstoff zeigt uns, dass der Magnetismus eine Eigenschaft der Materie selbst ist. Nicht nur die Magnetmetalle haben die Fähigkeit Feldlinien zu bündeln. Ein Magnetfeld übt auf jedes Material eine mehr oder wenig starke, meist aber sehr geringe Kraft aus.

Magnetseite