Gelöster Sauerstoff – Eine Einführung

Sauerstoff ist ein lebenswichtiger Bestandteil für fast alle Lebewesen, aber auch ein wichtiges Element für unzählige natürliche und industrielle Prozesse. Hier erfahren Sie mehr zum Messparameter gelöster Sauerstoff.

Wie allgemein bekannt ist, ist Sauerstoff ein farb- und geruchloses Gas mit einem Anteil von rund 21 % in unsrer Atmosphäre, insgesamt ist (gebundener) Sauerstoff mit fast 50 Massenprozent das häufigste Element der Erdkruste und das dritthäufigste Element im Universum. Wie fast alle gasförmigen Elemente (mit Ausnahme der Edelgase) kommt er auf der Erde als Gas fast nur als Molekül vor, zwei Sauerstoffatome verbinden sich kovalent zu einem Sauerstoffmolekül. Sein Name leitet sich aus dem Altgriechischen ab und bedeutet so viel wie „Säurebildner“. Das darf man nicht wörtlich nehmen, denn die „Ursache“ für Säure, das Wasserstoffion, wurde erst später erkannt. Der Grund, warum wir uns an dieser Stelle mit dem Sauerstoff beschäftigen, ist seine Löslichkeit in Flüssigkeiten, als Hersteller von Wasseranalytik-Systemen verständlicherweise seine Löslichkeit insbesondere in Wasser und wässrigen Lösungen. Seine Löslichkeit ist u.a. entscheidend für das Leben und die meisten biologischen und biochemischen Prozesse in Wasser.

Der Sauerstoffpartialdruck

Sauerstoff löst sich, wie viele Gase, in Flüssigkeiten, aber zum Beispiel auch in Kunststoffen, das aber nur am Rande bemerkt. Diese Löslichkeit hängt von zwei Faktoren ab:

1. Der Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre
2. Der Temperatur der Flüssigkeit

Sauerstoffpartialdruck Schema

Die Messung des gelösten Sauerstoffs ist eine Partialdruckmessung, denn der Druck, der durch den gelösten Sauerstoff in der Lösung verursacht wird, ist genauso groß wie der Druck des Sauerstoffs in der darüber befindlichen Atmosphäre. In der Physikalischen Chemie spricht man hier auch von der sogenannten Fugazität eines Gases.

Wenn man gemäß dem Anteil des Sauerstoffs den Partialdruck bei einem Normaldruck über NN von 1013 hPa berechnet, kommt man auf ca. 212 hPa in trockener Luft. Da über der Wasseroberfläche aber auch der Wasserdampfdruck berücksichtigt werden muss, ergibt sich bei 20 °C ein Wert von rund 207 hPa.

Der Sauerstoffpartialdruck ist die führende Größe der Gelöst-Sauerstoffmessung, davon leiten sich zwei weitere, für die Praxis wichtige Parameter ab.

Die Sauerstoffsättigung

Die Sauerstoffsättigung bei Messungen in Wasser und wässrigen Lösungen meint die immer die Sättigung an Luft, hier wird der gemessene Partialdruck in das Verhältnis zum theoretisch möglichen Druck gesetzt (korrigiert um den Wasserdampfdruck):

• X_O2: Molenbruch
• p_w: Wasserdampfpartialdruck
• p_A: tatsächlicher Luftdruck (unskaliert)
• p_O2: Sauerstoffpartialdruck

Da die Sättigung nur vom Partialdruck abhängt, eignet sie sich auch zur näherungsweisen Bestimmung in nicht-wässrigen Flüssigkeiten, sofern die chemische Beständigkeit für die Sonde gegeben ist.

Die Sauerstoffkonzentration

Das Henry-Gesetz nach dem englischen Chemiker William Henry (1774 – 1836) beschreibt die Löslichkeit des gelösten Sauerstoffs in Flüssigkeiten. Zugrunde liegt auch hier der Partialdruck, aber auch die Fähigkeit einer Flüssigkeit, Stoffe zu lösen. Das Henry-Gesetz sieht wie folgt aus:

• c: Sauerstoffkonzentration
• XO₂: Molenbruch
• p_A: tatsächlicher Luftdruck (unskaliert)
• p_w: Wasserdampfpartialdruck
• MO₂: Molmasse des Sauerstoffs
• p₀: 1013 hPa (Luftdruck auf Normal-Null)
• V_M: Molvolumen des Sauerstoff
• α: Bunsenscher Absorptionskoeffizient (Lösemittel- und temperaturabhängig)

Ein Richtwert für die Löslichkeit des Sauerstoffs bei 20°C und 1013 hPa liegt bei 9,18 mg/l. Bedingt durch den Bunsenschen Absorptionskoeffizienten ist die Konzentrationsberechnung in den Systemen der Xylem Analytics auf die Messung der Konzentration in Wasser beschränkt, die Ausgabe für andere Flüssigkeiten ist nicht möglich.

Schlussfolgerungen aus den obigen Parametern:

1. Der gelöste Sauerstoff ist immer eine Folge des Sauerstoffpartialdrucks der überstehenden Luftsäule. Er ist bei Sättigung sowohl innerhalb der Lösung als auch außerhalb gleich groß.
2. Die Konzentration des gelösten Sauerstoffs in einer Lösung hängt neben dem Partialdruck auch von der Temperatur und von der Art der Lösung selbst ab.