Hapnik on keemiline element sümboliga O ja aatominumbriga 8. See on vesiniku ja heeliumi järel universumis kõige sagedamini esinev element. Kui kaks hapniku aatomit on koos, moodustavad nad tavaliselt kaksaatomilise molekuli (O2), mis on värvitu gaas: tal puudub maitse ja lõhn. Vedelana ja tahkena on ta kahvatusinine. Hapnikugaas moodustab 20,8% Maa atmosfäärist. Hapnik kuulub perioodilisustabelis kalkogeenide rühma ja tema aatomiarv on 8. Ta on väga reaktiivne mittemetall. Samuti moodustab ta paljude elementidega oksiide. Oksiidid moodustavad peaaegu poole maakoorest.

Füüsikalised ja keemilised omadused

Hapnik (O2) on normaalsel rõhul ja toatemperatuuril värvitu, lõhnatu ja maitseta gaas. Selle keemistemperatuur on ligikaudu −183 °C ja sulamistemperatuur −218 °C. Gaasiline hapnik on paramagnetne (meelitab nõrgalt magnetvälja), kuna molekulil on kaks üheselbet unpaired elektroniga. Tihedus standardtingimustes on umbes 1,429 g·L−1. Hapnik on väga elektronegatiivne ja reaktiivne — ta osaleb kergesti oksüdatsioonireaktsioonides ning moodustab nii metallide kui ka mittemetallidega oksiide.

Allotroopid ja isotopid

Hapnikul on mitu allotroopset vormi: kaksaatomiline O2 ja kolmiatommiline osoon O3, kusjuures Osoon on atmosfääris oluline UV-kiirgust neelav kiht (osoonikiht). Tahked ja vedelad hapniku vormid on iseloomulikult kahvatusinised. Hapnikul esinevad ka mitmed isotopid — kõige levinum on 16O, olemas on ka 17O ja 18O, mis on stabiilsed; need isotopide suhted aitavad teadlastel uurida kliima- ja geoloogilisi protsesse.

Roll elus ja bioloogiline tähtsus

Enamus elusolendeid Maal tarbib hingamiseks hapnikugaasi (O2). Hapnik on raku hingamise lõplik elektronide vastuvõtja aeroobsetes organismides: mitokondrid kasutavad hapnikku, et toota adenosiintrifosfaati (ATP), mis on rakkude peamine energiaallikas. On olemas ka anaeroobsed organismid, kes kasutavad alternatiivseid oksüdeerijaid või elavad hapnikuvabades oludes.

Paljud elusolendite orgaanilised molekulid sisaldavad hapnikku, näiteks valgud, nukleiinhapped, süsivesikud ja rasvad. Hapnik on osa veest, mida kogu teadaolev elu vajab eluks. Taimed ja mõned bakterid toodavad Maa dihapnikku fotosünteesi teel, kasutades päikese valgust, et eraldada hapnik veest ja süsinikdioksiidist. Osoon (O3) asub Maa atmosfääri ülaosas osoonikihis ja neelab suure osa päikesekiirguse kõrgsageduslikust UV‑spektrist, vähendades maapinnale jõudvat ohtlikku kiirgust.

Peamised kasutusalad

Hapnikul on palju tööstuslikke ja arstlikke rakendusi. Tuntumad näited:

  • Metallitööstus: terase (terase) tootmine, kus hapniku lisamine kiirendab oksüdatsioonireaktsioone blast-furnace'ides ja vähendab energia- ning materjalikulu.
  • Keemiatööstus ja puhastamine: hapnikut kasutatakse sünteetiliste kemikaalide tootmisel ja veepuhastuses.
  • Hingamisabi ja meditsiin: puhas või kontsentreeritud hapnik on eluliselt tähtis haiglates ja kiirabi seadmetes hingamispuudulikkuse ravi jaoks.
  • Metallide lõikamine ja keevitus: keevituse ja lõikamise protsessid (oksü‑gaas) kasutavad hapnikku, et saavutada kõrgemaid temperatuure ja puhtamaid lõike.
  • Raketikütus: vedel silindrikütus (LOX) on laialdaselt kasutatav oksüdeerija raketi raketikütuse koostises, kuna annab suure tõuke-energia suhe.
  • Tekstiili‑ ja plastitootmine (plastide, tekstiili protsessid) ning paljud muud tööstuslikud protsessid.
  • Elu toetamine kosmose‑ ja veealustes süsteemides ning laboratoorsed rakendused.

Tootmine, ladustamine ja ohutus

Peamised tööstuslikud meetodid hapniku tootmiseks on õhu eraldamine (kriogeneesne fraktsioneerimine) ja pressure swing adsorption (PSA) seadmed ning veelektrolüüs kemikaalide tootmisel või mobiilsetes süsteemides. Hapnikut hoitakse kas kõrgrõhu­silindrites kui komprimeeritud gaasi või isolatsiooniga mahutites vedelana (LOX).

Hapnik on tugev oksüdeerija — ta ise ei põle, kuid toetab ja kiirendab põlemisreaktsioone. Õhust suuremas hapnikukontsentratsioonis muutuvad materjalid palju kergemini süttivaks ja põlevad intensiivsemalt. Seetõttu on hapniku käsitlemisel olulised järgmised ohutusreeglid:

  • Vältida õliladestusi, rasvu ja määrdeaineid hapnikusutseemide juures — need võivad hapniku juures plahvatusohtlikult süttida.
  • Kasutada hapniku jaoks sobivaid materjale ja tihendeid; vältida karmi hõõrdumist kõrge hapnikusisaldusega keskkonnas.
  • Kohaliku ventilatsiooni puudumisel võib hapniku lekke tõttu tekkida ohtlikult kõrge hapnikusisaldus, mis suurendab tuleohtu; vastupidi, suletud ruumis hapnikupuudus põhjustab lämbumist.
  • Vedela hapniku käitlemisel tuleb arvestada külmakahjustuste ja külmumispõletustega ning kasutada sobivaid isikukaitsevahendeid.

Ajalugu

Hapniku isoleeris Michael Sendivogius enne 1604. aastat. Sageli arvatakse, et elemendi avastas 1773. aastal Rootsis Carl Wilhelm Scheele või 1774. aastal Inglismaal JosephPriestley. Priestley'd peetakse tavaliselt peamiseks avastajaks, sest tema töö avaldati esimesena, kuigi ta nimetas seda "deflogistiseeritud õhuks" ja ei pidanud seda keemiliseks elemendiks. Antoine Lavoisier mõtles 1777. aastal välja hapniku nime ja oli esimene, kes tõestas, et tegemist on keemilise elemendiga ning mõistis selle rolli põlemisprotsessides.

Lõppsõna

Hapnik on Maa ja elu jaoks hädavajalik: ta on lahutamatult seotud vee, organismide ainevahetuse, atmosfääri ja maakoore keemilise koostisega. Samal ajal nõuab hapniku tootmine, kasutamine ja talletamine teadlikku käsitlust, et vältida tule- ja turvariske. Teaduslikud uuringud jätkavad hapniku rolli uurimist nii planeediskaalal (nt osoon ja kliima) kui ka raku‑ ja molekulaartasemel.