Sauerstoff ist das dritthäufigste Element im Universum, das häufigste Element der Erde und in Form des Disauerstoffs O₂ mit etwa 21 Prozent das zweithäufigste Gas in der Atmosphäre. In einer Höhe von rund 15 bis 30 Kilometern kommt es außerdem in Form von Ozon (O₃) vor. Diese Moleküle absorbieren dort kurzwellige Sonnenstrahlung und sorgen so dafür, dass die hochenergetischen, für Mensch und Tier gefährlichen Strahlen nicht bis auf die Erde gelangen. Sauerstoff ist sehr aggressiv und reagiert mit fast allem, was nicht schon Sauerstoff enthält.

Dass es trotzdem in der Atmosphäre vorkommt, zeigt, dass das reaktive Gas kontinuierlich in großen Mengen nachgeliefert wird – ein deutliches Indiz für Leben auf der Erde. Pflanzen und einige Bakterien erzeugen Sauerstoff durch Fotosynthese, Tiere und Menschen benötigen Sauerstoff zum Leben; seit dem so genannten »Große Oxidationsereignis« vor knapp zweieinhalb Milliarden Jahren existiert freier Sauerstoff in der Atmosphäre. Dieses Ereignis vernichtete große Teile der frühen Lebewesen, für die Sauerstoff giftig war, und gilt als erste große Umweltkatastrophe in der Geschichte des Planeten. Aus technischer Sicht ist der Sauerstoff in der Atmosphäre oft sehr lästig, weil viele eigentlich sehr interessante Werkstoffe von ihm oxidiert werden und im Lauf der Zeit zerbröseln – zum Beispiel fast alle eisenhaltigen Legierungen.

Tatsächlich aber ist molekularer Sauerstoff trotz seiner Reaktionsfähigkeit mit der Mehrzahl der Elemente recht träge: Die Reaktionen brauchen eine hohe Aktivierungsenergie und finden deswegen bei Standardbedingungen langsam oder gar nicht statt. Viele dieser Reaktionen verlaufen in Gegenwart von Wasser deutlich leichter; flüssiger Stickstoff ist außerdem um einiges reaktiver als gasförmiger. Man gewinnt Sauerstoff, indem man Luft nach und nach verflüssigt und die kondensierenden Gase auffängt (fraktionierte Destillation). Bevor diese Technik entwickelt wurde, erzeugte man Sauerstoff durch chemische Reaktionen. In Jules Vernes Roman »Von der Erde zum Mond« erzeugen die Protagonisten Sauerstoff, indem sie Kaliumchlorat erhitzen.

Technisch nutzt man das aggressive Gas, wenn man heftige Reaktionen auslösen und hohe Temperaturen erreichen möchte – zum Beispiel beim Schweißen und beim Schmelzen von Quarz. Sauerstoff ist in der Raumfahrt ein beliebtes, wenn auch nicht ganz ungefährliches Oxidationsmittel für flüssige Raketentreibstoffe. In der Metallurgie nutzt man Sauerstoff bei der Eisenverhüttung allerdings auch zum »Frischen«, bei dem man Verunreinigungen aus dem Rohstahl entfernt.

In der Lebensmitteltechnik ist es unter der Bezeichnung E948 als Treibgas zum Beispiel zum Aufschäumen von Sahne zugelassen; in der Medizin nutzt man es zum Beatmen. Die chemische Industrie nutzt Sauerstoff und sauerstoffhaltige Chemikalien, um Zwischenprodukte für die weitere Synthese herzustellen. Bindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff sind oft sehr polar und dadurch recht reaktionsfreudig, ein Umstand, auf dem ein beträchtlicher Teil der organischen Chemie basiert.

Ein großer Teil aller heute lebenden Organismen, darunter alle mehrzelligen Organismen, braucht Sauerstoff zum Leben. Die Sauerstoffatmung erzeugt aus der gleichen Nahrung ein Vielfaches der Energie, die sauerstofffreie Vergärung freisetzen kann; nur auf diese Weise lassen sich große Körper effektiv antreiben. Die Sauerstoffatmung erzeugt eine gewisse Menge reaktiver Sauerstoffradikale, die zwar einerseits für das Redoxgleichgewicht des Körpers nötig sind, in großer Konzentration aber das Erbgut schädigen können.

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