| Zuurstof is het meest voorkomende element op de aarde. Dit ligt er o.a. ook aan dat het een bouwsteen van het watermolecule is. Naast zijn rol in een groot aantal andere verbindingen, existeert zuurstof als O2 en O3 (ozon). In vorm van O2 is het opgelost in wateren te vinden. Het zuurstofgehalte van bijvoorbeeld zeewater ligt daarom in totaal bij ongeveer 85,7%.
Het gasvormige zuurstof reageert niet met water. Het is wel in water oplosbaar en functioneert hierin als oxidator:
O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-
Ook de oxidatie van organisch stof in water door zuurstof is mogelijk. Hierbij gaat het om een vooral biologisch proces. Voor elk van deze stoffen kan een redox-reactievergelijking met behulp van de elektronenbalans opgesteld worden. Voorbeelden hiervoor zijn de volgende samengevatte vergelijkingen waarbij H2O is weggelaten:
Fe2+ + 0,25 O2 -> Fe(OH)3 + 2,5 H+
Mn2+ + O2 -> MnO2 + 2 H+
NH4+ + 2 O2 -> NO3- + 6 H+
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 4 H+
Hieruit blijkt dat ammonium en methaan een hoog zuurstofverbruik hebben en dat bij de beschreven oxidatiereacties meer of minder veel zuur wordt gevormd. Dit zuur zal in water onder normale condities met HCO3- reageren, waardoor CO2 ontstaat.
Het zuurstofatoom is heel reactief en vormt oxides met alle andere elementen behalve helium, neon, argon en krypton. Onder deze verbindingen zijn ook een groot aantal verbindingen die met water reageren, te vinden.
De oplosbaarheid van zuurstof bij 25oC en een druk van 1 bar ligt bij 40 mg O2 per kilogram water. In lucht met een normale samenstelling is de zuurstof-partiaaldruk circa 0,2 atm. Dit zorgt ervoor dat zich in water dat in contact met lucht (met een luchtdruk van 1 bar en dus een zuurstof-partiaaldruk van 0,2 bar) staat, 40.0,2 = 8 mg O2/kg oplossen.
De oplosbaarheid van zuurstof is sterk afhankelijk van de temperatuur en neemt bij hogere temperaturen af. Ook het gehalte aan opgeloste substanties heeft een averechtse werking op de oplosbaarheid van zuurstof – stijgt het, neemt de oplosbaarheid af. Zo heeft zuurstof in bijvoorbeeld zeewater, afhankelijk van de temperatuur, een circa 1-3 mg/L lagere oplosbaarheid dan in zoetwater.
De verzadigingsconcentratie in bergrivieren en –meeren is normaal lager dan in het laagland, omdat hij dus afhankelijk is van de luchtdruk.
Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden Zoals boven beschreven lost zich zuurstof uit de lucht bij contact met water op natuurlijke manier hierin op.
Zuurstof kan ook commercieel worden toegepast. Voor industrieel gebruik wordt het element uit de lucht geëxtraheerd, namelijk circa 100 miljoen ton per jaar. Het wordt met 55% in de staalproductie, met 25% in de chemische industrie, in grotere hoeveelheden in ziekenhuizen, bij het starten van raketten en bij het snijden van metaal ingezet. In de chemische industrie laat men zuurstof bijvoorbeeld met ethyleen reageren, zo dat ethyleenoxide gevormd wordt dat o.a. in antivriesmiddelen en polyestervoorwerpen wordt gebruikt. Omdat zuurstof heel reactief is, kan het schadelijke stoffen afbreken of als bleekmiddel functioneren.
Ook in vorm van ozon wordt zuurstof gebruikt, bijvoorbeeld bij de desinfectie van drinkwater.
Van verontreiniging van wateren met zuurstof door zijn industrieel gebruik kan geen sprake zijn.
Zuurstof heeft de eigenschap andere substanties te oxideren. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij een vuur, maar ook in organismen, bij de oxidatie en vernietiging van bacteriën en het converteren van metalen.
Zuurstof is nodig voor de ademhaling van alle planten en dieren. Het gaat hierbij ook om een essentieel stof, omdat het bestanddeel is van het DNA en bijna alle anderen verbindingen die biologisch van belang zijn. In de long wordt zuurstof van ijzeratomen, de centrale atomen van hemoglobine, gebonden. Op deze manier kunnen 200 cm3 zuurstof in een liter bloed worden opgelost, duidelijk meer dan in water. Samen met de energiereserves van organismen zorgt het ervoor dat het lichaam spieractiviteiten kan uitvoeren en warmte produceert. Hierbij wordt ook koolstofdioxide geproduceerd dat uitgestoten en van planten opgenomen wordt.
Deze produceren tijdens de fotosynthese weer zuurstof. Het zuurstofgehalte van planten ligt bij circa 4,1-4,4% drogestofgehalte.
In opgeloste vorm is zuurstof een belangrijke factor voor de stabiliteit van wateren en het overleven van organismen die erin leven. Micro-organismen kunnen met behulp van zuurstof organische substantie in het water afbreken. Het zuurstofverbruik per tijd wordt aangegeven met de BZV-waarde (biologisch/biochemisch zuurstofverbruik). Organische vervuilingen kunnen dus een negatieve invloed op organismen in wateren hebben, omdat zij het gehalte aan beschikbaar zuurstof verminderen. Ook thermische vervuiling heeft dit effect, omdat in warm water minder zuurstof opgelost kan worden. Dit kan bijvoorbeeld het gevolg van het lozen van koelwater op oppervlaktewateren zijn.
In eutrofe (voedselrijke) meren, maar ook in relatief afgesloten zeegebieden, kan het in de diepte tot een sterk verminderde zuurstofconcentratie komen. Soms kunnen er zelfs anaërobe omstandigheden ontstaan.
Natuurlijke voorbeelden voor de invloeden van de temperatuur op het zuurstofgehalte en hun milieueffecten zijn de seizoensafhankelijke temperatuurveranderingen in meren. In de winter heeft het water overal dezelfde temperatuur en ook de zuurstofconcentratie is overal dezelfde. In de zomer is het water in de bovenste lagen daarentegen warmer, waardoor minder zuurstof opgelost is. De omgedraaide werking hebben algen en planten die in de bovenste waterlagen te vinden zijn. Zij produceren er zo veel zuurstof dat de verzadigingswaarde bereikt wordt. Deze planten sterven echter na vrij korte tijd af en moeten afgebroken worden. Dit gebeurt met behulp van micro-organismen die zuurstof verbruiken. Hiervan is in de bovenste waterlagen genoeg beschikbaar. Organisch stof bezinkt echter vaak en blijft op de grond van een meer liggen. Hier kan vervolgens een zuurstoftekort door de afbraakprocessen ontstaan. Als zich het meer in een ecologisch evenwicht bevindt, kunnen deze problemen opgelost worden. Komen er echter door lozingen, overbemesting etc. grote hoeveelheden van voedingsstoffen bij die aan de ene kant zelf afgebroken moeten worden en aan de andere kant de algengroei niet meer beperken, kan het zuurstofgehalte van het meer zodanig zinken dat zijn bewoners niet overleven. Hierbij is sprake van eutrofiëring (eutroof = voedselrijk, oligotroof = voedselarm). De voor vissen kritische zuurstofconcentratie wordt bij waardes van minder dan 4 mg O2 per liter water bereikt.
In vorm van O2 komt zuurstof normaal nergens in zo grote concentraties vrij dat het giftig voor aërobe organismen zou kunnen zijn. Zulke concentraties zijn theoretisch wel mogelijk, waarbij de kritische partiaaldruk per soort verschilt.
Zuurstofatomen zijn in een groot aantal giftige organische en anorganische verbindingen te vinden. Toxische vormen zijn bijvoorbeeld hyperoxide of peroxide. Bovendien hebben sommige stoffen bij een lager zuurstofniveau in het water een giftigere werking, omdat de ademhaling van waterorganismen versneld wordt en meer van de giftige stoffen worden opgenomen. Voor obligaat anaërobe organismen zijn zuurstofconcentraties van circa 10 mg/L, zoals zij in tot 100% met lucht verzadigd water aanwezig zijn (afhankelijk van de temperatuur), daarentegen wel giftig.
Ozon is een zware milieuvervuiling, als het aanwezig is in de troposfeer. In de stratosfeer functioneert het echter als scherm om UV-straling van de zon af te weren. Anders zou leven op de aarde niet mogelijk zijn. Zelfs een aantal plantensoorten zijn gevoelig voor een te hoog ozongehalte in de lucht. Dit uit zich niet in zichtbare stresssymptomen, maar in een vermindering van hun groei.
Zuurstof heeft drie stabiele, maar ook vijf instabiele isotopen.
De totale hoeveelheid zuurstof in het menselijke lichaam ligt bij ongeveer 60% van het lichaamsgewicht. Deze waarde kan vrij sterk variëren, omdat het vooral in vorm van water voorkomt.
Zoals boven voor andere organismen behandeld, neemt ook de mens zuurstof via de long op dat vervolgens via het bloed naar de verschillende organen wordt gebracht. Hier wordt het door heel fijne capillairen afgeleverd. Het zuurstofatoom is onderdeel van de hydroxyl-, carbonyl- en andere functionele groepen. Aan hemoglobine gebonden wordt het door het bloed getransporteerd en in het myoglobine in spieren opgeslagen.
Zuurstof in drinkwater kan heel gunstig zijn, omdat het bij de vorming van een beschermende laag aan de binnenkant van metalen leidingen helpt. Hiervoor is een concentratie van circa 6-8 mg/l optimaal.
Zuurstofradicalen worden daarentegen voor degeneratieve ziekten als kanker of hart- en vaatziekten verantwoordelijk gemaakt.
Bevat de ademlucht minder dan 3% zuurstof, kan het tot dood door verstikking komen. Bij een concentratie van minder dan 7% kan de mens bewusteloos worden. Te veel zuurstof kan dodelijk zijn. Bij sportduikers die puur zuurstof inademen, treden vaak krampen op. Baby’s die in couveuses te veel zuurstof kregen, werden vaker blind.
In vorm van ozon kan zuurstof de long beschadigen. Toxische vormen van zuurstof zijn naast ozon ook hyperoxides, peroxides en hydroxylradicalen.
Een reden waarom het handig zou kunnen zijn om zuurstof uit water te verwijderen, is dat het vooral door corrosie het gebruik van het water kan vermoeilijken. Er zijn verschillende fysische en chemische processen om dit probleem op te lossen. Goed geschikt is bijvoorbeeld ook speciaal ionenwisselaarhars. De basis van dit principe is de reactie van zuurstof en waterstof: 2H2 + O2 -> 2H2O. Deze reactie kan door geschikte stoffen gekatalyseerd worden, zodat hij spontaan afloopt. Bijvoorbeeld met palladium gedoteerde ionenwisselaarharsen kunnen het zuurstofgehalte van het water reduceren, als er voldoende waterstof aanwezig is. Ook hydrazine is een mogelijk reductiemiddel dat in plaats van waterstof gebruikt kan worden: O2 + N2H4 -> N2 + 2 H2O.
Een simpelere methode die echter niet overal gebruikt kan worden, is de thermische zuurstofverwijdering. De gasoplosbaarheid in water bij verdampingstemperaturen is gelijk aan nul. Hierop is het principe van thermische ontgassers gebaseerd. Deze werken of met lichte overdruk (tot ca. 5 bar) als drukontgassers, of met onderdruk als vacuümontgassers.
Aan de andere kant kan een verrijking van water met zuurstof behulpzaam zijn bij de verwijdering van andere verontreinigingen. Dit is mogelijk door kunstmatige beluchting, bijvoorbeeld door het leiden van water over cascaden, het versproeien van water in de lucht door oppervlaktebeluchters, het inblazen van lucht door drukluchtbeluchters, het aanzuigen van lucht door versnelling van het water (bijvoorbeeld met behulp van venturi’s) of de beluchting met puur zuurstof. De beluchting is bijvoorbeeld in afvalwaterzuiveringsinstallaties toepasbaar, maar ook bij bedreigde rivieren mogelijk.
Omdat zuurstof deze reinigende werking heeft, doordat het een essentieel stof voor micro-organismen is en stoffen kan oxideren, wordt de verontreiniging van water ook met het BZV (biologisch/biochemisch zuurstofverbruik) of het CZV (chemisch zuurstofverbruik) aangegeven.
De vaak gebruikte BZV5-waarde geeft de hoeveelheid zuurstof aan die door micro-organismen binnen een meetperiode van vijf dagen bij 20oC in een aëroob milieu verbruikt wordt om organisch stof in koolstofdioxide, water en nieuwe biomassa om te zetten. Hij wordt in mg O2 per liter afvalwater aangegeven. De vermenigvuldiging van deze concentratie aan schadelijke stoffen met het afvalwatervolumen geeft de hoeveelheid aan schadelijke stoffen aan. Deze BZV5-hoeveelheid per tijdseenheid wordt BZV5-vracht genoemd. Moeilijk afbreekbaar organisch stof wordt door de korte meettijd vaak niet meegerekend.
De CZV-waarde geeft de hoeveelheid zuurstof (in mg) aan die nodig is voor de oxidatie van alle stoffen die geoxideerd kunnen worden, per liter afvalwater. Hij rekent naast alle eenvoudig afbreekbare stoffen ook de moeilijk afbreekbare en persistente stoffen (bijvoorbeeld chloororganische verbindingen) mee en is daarom meestal groter dan de BZV5-waarde.
Ook ozon kan voor de zuivering van water, bijvoorbeeld drinkwater of zwembadwater, gebruikt worden. Zijn desinfecterende werking is beter dan die van chloorgas, maar de bescherming voor bacteriën blijft niet lang bestaan. Omdat ozon een instabiele vorm van zuurstof is, keert het snel terug in de vorm van O2, wat ook belangrijk is, omdat ozon de long beschadigt. Volgens het Nederlandse Waterleidingbesluit moeten er minimaal 2 mg zuurstof per liter drinkwater aanwezig zijn. Literatuurverwijzingen
Terug naar het periodiek systeem der elementen
Terug naar de overzicht van elementen en water | | | | |
Proceswater
Ion exchange
Languages 
Deutsch
English
Español
Français
Italiano
Nederlands
Polski
Português
العربية