Hapnik (O): omadused, roll elus ja peamised kasutusalad
Hapnik (O): omadused, roll elus ja kasutusalad — tähtis O2 fotosünteesis, hingamises, osoonikaitses ning tööstuses (teras, plastid, keevitus, raketikütus).
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.
Ajalugu
Varajased katsed
Üks esimesi teadaolevaid katseid selle kohta, kuidas põlemine vajab õhku, tehti 2. sajandil eKr kreeka Philo Byzantsi poolt. Ta kirjutas oma teoses "Pneumatica", et kui pöörata anum tagurpidi põleva küünla kohale ja panna selle ümber vesi, siis läks osa veest anumasse. Philo arvas, et see oli tingitud sellest, et õhk muutus klassikalise elemendi tuleks. See oli vale. Kaua aega hiljem jõudis Leonardo da Vinci õigesti järeldusele, et põlemisel kulub õhk ära, mis sunnib vett anumasse.
17. sajandi lõpus leidis Robert Boyle, et põlemiseks on vaja õhku. Inglise keemik John Mayow lisas sellele, näidates, et tulekahju vajab ainult osa õhku. Nüüd nimetame seda hapnikuks (dihapniku kujul). Ühes oma eksperimendis leidis ta, et küünla asetamine suletud anumasse pani vee tõusma, et asendada veerandosa anumas oleva õhu mahust, enne kui see kustub. Sama juhtus, kui kasti pandi hiir. Sellest järeldas ta, et hapnikku kasutatakse hingamiseks ja põlemiseks.
Flogistoni teooria
Robert Hooke, Ole Borch, Mihhail Lomonossov ja Pierre Bayen tegid 17. ja 18. sajandil eksperimentides hapnikku. Ükski neist ei pidanud seda keemiliseks elemendiks. Selle põhjuseks oli ilmselt flogistoni teooria idee. See oli see, mida enamik inimesi uskus, et see põhjustab põlemist ja korrosiooni.
J. J. Becher mõtles selle välja 1667. aastal ja Georg Ernst Stahl täiendas seda 1731. aastal. Flogistoniteooria väitis, et kõik põlevmaterjalid koosnevad kahest osast. Üks osa, mida nimetatakse flogistoniks, eraldub seda sisaldava aine põletamisel.
Väga põlevaid materjale, mis jätavad vaid väikese koguse jääke, nagu puit või kivisüsi, arvati olevat valmistatud flogistoonist. Arvati, et asjad, mis söövitavad, nagu raud, sisaldavad ainult väikest kogust. Õhk ei kuulunud selle teooria alla.
Discovery
Poola alkeemik, filosoof ja arst Michael Sendivogius rääkis õhus sisalduvast ainest, nimetades seda "elu toiduks", ja see aine on hapnik. Sendivogius leidis aastatel 1598-1604, et see aine on sama, mis tekib kaaliumnitraadi termilisel lagunemisel. Mõned inimesed usuvad, et see oli hapniku avastamine, teised aga ei nõustu sellega.
Sageli öeldakse ka, et hapniku avastas esimesena rootsi farmatseut Carl Wilhelm Scheele. Ta valmistas hapnikku elavhõbeoksiidi ja mõningate nitraatide kuumutamisel 1771. aastal. Scheele nimetas oma valmistatud gaasi "tulekahjuõhuks", sest see oli ainus gaas, mis teadaolevalt võimaldab põlemist. Ta avaldas oma avastuse 1777. aastal.
1. augustil 1774 viis briti vaimulik Joseph Priestley läbi katse, mille käigus suunati päikesevalgus elavhõbeoksiidile klaastorus. See tekitas gaasi, mida ta nimetas "deflogistiseeritud õhuks". Ta leidis ka, et küünlad põlesid selle gaasi sees eredamalt ja hiired elasid seda hingates kauem. Kui ta seda gaasi sisse hingas, ütles ta (lihtsustatult): "See tundus nagu tavaline õhk, kuid mu kopsud tundusid pärast seda kergemad ja kergemad". Tema järeldused avaldati 1775. aastal. Kuna tema leiud avaldati esimesena, peetakse teda tavaliselt hapniku avastajaks.
Prantsuse keemik Antoine Lavoisier ütles hiljem, et ka tema oli selle aine avastanud. Priestly külastas teda 1774. aastal ja rääkis talle oma katsest. Scheele saatis samal aastal Lavoisier'le ka kirja, milles rääkis oma avastusest.
Lavoisier' panus
Lavoisier viis läbi esimesed peamised oksüdatsioonikatsed ja andis esimese õige selgituse põlemise toimimisest. Ta kasutas neid ja teisi katseid, et tõestada flogistoniteooria valesti. Samuti püüdis ta tõestada, et Priestley ja Scheele poolt avastatud aine on keemiline element.
Ühes katses leidis Lavoisier, et tina ja õhu kuumutamisel suletud mahutis ei suurenenud mass. Ta leidis ka, et õhk tungis sisse, kui anum avati. Pärast seda leidis ta, et tina mass oli suurenenud sama palju kui sisse voolanud õhk. Ta avaldas oma tulemused 1777. aastal. Ta kirjutas, et õhk koosneb kahest gaasist. Ühte nimetas ta "elutähtsaks õhuks" (hapnik), mida on vaja põlemiseks ja hingamiseks. Teist nimetas ta "asote" (lämmastik), mis tähendab kreeka keeles "elutu". Mõnes keeles, sealhulgas prantsuse keeles, on see ikka veel lämmastiku nimetus.
Lavoisier nimetas "elutähtsa õhu" ümber "oxygène'ks", mis tähendab kreeka keeles "hapete tootja". Ta nimetas seda nii, sest ta arvas, et hapnik sisaldub kõikides hapetes, mis oli vale. Paljud keemikud mõistsid, et Lavoiser eksis oma nimetamisel, kuid nimetus oli selleks ajaks juba liiga levinud, et seda muuta.
"Oxygen" sai ingliskeelseks nimeks, kuigi inglise teadlased olid selle vastu.
Hilisem ajalugu
John Daltoni aatomiteooria ütles, et kõik elemendid on ühe aatomiga ja ühendite aatomid on tavaliselt üksikud. Näiteks arvas ta ekslikult, et vee (H2O) valem on lihtsalt HO. Aastal 1805 näitasid Joseph Louis Gay-Lussac ja Alexander von Humboldt, et vesi koosneb kahest vesiniku aatomist ja ühest hapniku aatomist. 1811. aastaks arvutas Amedeo Avogadro Avogadro seaduse alusel õigesti välja, millest vesi koosneb.
19. sajandi lõpus leidsid teadlased, et õhku saab muuta vedelikuks ja selles sisalduvaid ühendeid saab eraldada, kui seda kokku suruda ja jahutada. Šveitsi keemik ja füüsik Raoul Pictet avastas vedela hapniku, aurustades vääveldioksiidi, et muuta süsihappegaas vedelikuks. Seejärel aurustati ka hapnikugaasi jahutamiseks, et muuta see vedelikuks. Ta saatis 22. detsembril 1877 Prantsuse Teaduste Akadeemiale telegrammi, milles teatas oma avastusest.
Lavoisier' lagunemisõhk
Lavoisier Akadeemia-Louis Ernest Barrias'e juures
Iseloomustus
Omadused ja molekulaarstruktuur
Standardtemperatuuril ja -rõhul ei ole hapnikul värvi, lõhna ega maitset ning ta on gaas keemilise valemiga O
2, mida nimetatakse dihapnikuks.
Dihapnikuna on kaks hapniku aatomit keemiliselt seotud. Seda sidet võib nimetada mitmeks asjaks, kuid seda nimetatakse lihtsalt kovalentseks kaksiksidemeks. Dihapnik on väga reaktiivne ja võib reageerida paljude teiste elementidega. Oksiidid tekivad siis, kui metallilised elemendid reageerivad dihapnikuga, näiteks raudoksiid, mida tuntakse rooste nime all. Maal on palju oksiidühendeid.
Allotroopid
Maal levinud hapniku allotroop (tüüp) on dihapnik (O2). See on Maa atmosfääri suuruselt teine osa pärast dino- ja lämmastikku (N2). O2 sidemete pikkus on 121 pm ja sidemete energia 498 kJ/mol Oma energia tõttu kasutavad O2-d keerulised elusolendid, näiteks loomad.
Osoon (O3) on väga reaktiivne ja kahjustab sissehingamisel kopsusid. Osoon tekib ülemises atmosfääris, kui O2 ühineb puhta hapnikuga, mis tekib O2 lõhustumisel ultraviolettkiirguse toimel. Osoon neelab palju kiirgust elektromagnetilise spektri UV-osas, mistõttu osoonikiht ülemises atmosfääris kaitseb Maad kiirguse eest.
2001. aastal avastati tetraoksüsiin (O4). See eksisteerib ainult äärmuslikes tingimustes, kui O2-le avaldatakse suurt survet.
Füüsikalised omadused
Hapnik lahustub õhust vette kergemini kui lämmastik. Kui õhus ja vees on sama palju õhku ja vett, on iga 2 molekuli N2 kohta üks molekul O2 (suhe 1:2). See erineb õhust, kus hapniku ja lämmastiku suhe on 1:4. Samuti lahustub O2 kergemini magevees kui merevees. Hapnik kondenseerub temperatuuril 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) ja külmub temperatuuril 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Nii vedel kui ka tahke O2 on läbipaistev ja helesinise värvusega.
Hapnik on väga reaktiivne ja seda tuleb hoida eemal kõigest, mis võib põleda.
Isotoobid
Looduses on kolm hapniku stabiilset isotoopi. Need on 16O, 17O ja 18O. Umbes 99,7% hapnikust on 16O isotoop.
Esinemine
| Kümme kõige levinumat elementi Linnutee galaktikas spektroskoopiliselt hinnates | ||||
| Z | Element | Massiosa miljonites osades | ||
| 1 | 739,000 | 71 × hapniku mass (punane tulp) | ||
| 2 | 240,000 | 23 × hapniku mass (punane tulp) | ||
| 8 | Hapnik | 10,400 | 10400
| |
| 6 | 4,600 | 4600
| ||
| 10 | Neon | 1,340 | 1340
| |
Hapnik on Maa kõige levinum element massi järgi. Ta on universumis vesiniku ja heeliumi järel kolmas kõige levinum element. Umbes 0,9% Päikese massist on hapnik. Hapnik moodustab 49,2% maakoorest massi järgi, olles osa oksiidühenditest, nagu ränidioksiid. Samuti on ta peamine osa Maa ookeanides, moodustades 88,8% massist. Hapnikugaas on atmosfääri suuruselt teine osa, moodustades 20,8% selle massist ja 23,1% mahust. Maa on teiste tuntud planeetidega võrreldes kummaline, sest suur osa tema atmosfäärist on hapnikugaas. Marsil on 0,1% O2 mahust, ülejäänud Päikesesüsteemi planeetidel on seda vähem.
Maal on hapnikugaasi suur hulk tingitud hapnikuringist. Seda kontrollib peamiselt fotosüntees, mis toodab hapnikugaasi süsinikdioksiidist, veest ja päikeseenergiast. Hingamine võtab seejärel hapnikugaasi atmosfäärist välja ja muudab selle tagasi süsinikdioksiidiks ja veeks. See toimub samas tempos, nii et hapnikugaasi ja süsihappegaasi kogus ei muutu selle tõttu.
Kasutab
Meditsiiniline
O2 on hingamise väga oluline osa. Seetõttu kasutatakse seda meditsiinis. Seda kasutatakse selleks, et suurendada hapniku hulka inimese veres, nii et hingamine saaks toimuda rohkem. See võib muuta nad haiguse korral kiiremini terveks. Hapnikravi kasutatakse emfüseemi, kopsupõletiku, mõnede südameprobleemide ja mis tahes haiguste raviks, mis raskendavad inimese hapniku sissevõtmist.
Eluabi
Kosmoseülikondades kasutatakse madala rõhu all olevat O2-d, mis ümbritseb keha gaasiga. Kasutatakse puhast hapnikku, kuid palju madalamal rõhul. Kui rõhk oleks kõrgem, oleks see mürgine.
Hapnikukontsentraator emfüseemiga patsiendi majas
Ohutus
Hapniku NFPA 704 ütleb, et kokkusurutud hapnikugaas ei ole tervisele ohtlik ja ei ole tuleohtlik.
Toksilisus
Kõrge rõhu all võib hapnikugaas (O2) olla loomadele, sealhulgas inimestele, ohtlik. See võib põhjustada krampe ja muid terviseprobleeme. Hapniku toksilisus hakkab tavaliselt tekkima rõhu korral, mis ületab 50 kilopaskalit (kPa), mis vastab umbes 50% hapniku sisaldusele õhus standardrõhu juures (Maa õhust on umbes 20% hapnikku).
Enneaegsed imikud pandi varem kastidesse, kus oli palju O2 sisaldavat õhku. See lõpetati, kui mõned lapsed hapniku tõttu pimedaks jäid.
Puhta O2 sissehingamine kosmoseriietuses ei põhjusta kahju, sest kasutatakse madalamat rõhku.
Põlemisohud ja muud ohud
Kontsentreeritud kogused puhast O2 võivad põhjustada kiiret tulekahju. Kui kontsentreeritud hapnik ja kütus on viidud lähedale, võib väike süttimine põhjustada suure tulekahju. Apollo 1 meeskond hukkus kõik tulekahjus, sest kapsli õhus kasutatud kontsentreeritud hapniku tõttu hukkusid kõik.
Kui vedel hapnik satub orgaanilistele ühenditele, näiteks puidule, võib see plahvatada.
Küsimused ja vastused
K: Mis on hapniku sümbol?
V: Hapniku sümbol on O.
Küsimus: Mitu hapniku aatomit on tavaliselt dihapnikus (O2)?
V: Dihapnik (O2) sisaldab tavaliselt kahte hapniku aatomit.
K: Mis värvi on vedel või tahke hapnik?
V: Vedel või tahke hapnik on helesinise värvusega.
K: Millisesse rühma perioodilisustabelis kuulub hapnik?
V: Hapnik kuulub perioodilisustabelis kalkogeenide rühma.
K: Kui suure osa Maa atmosfääri mahust moodustab hapnik?
V: Hapnik moodustab üle viiendiku Maa atmosfääri mahust.
K: Kuidas toodavad taimed ja muud organismid suurema osa Maa atmosfääri hapnikust?
V: Taimed ja muud organismid toodavad suurema osa Maa atmosfääri hapnikust fotosünteesi teel, mille käigus kasutatakse päikesevalgust vee muundamiseks vesinikuks ja vabastatakse kõrvalsaadusena hapnikku.
K: Millisteks kasutusaladeks on hapniku vedel või tahkestunud vorm?
V: Hapniku vedelat või tahkestatud vormi saab kasutada raketi raketikütusena, keevitamiseks, meditsiinilistel eesmärkidel ja hingamiseks, kui head õhku ei ole saadaval (nt sukeldujad ja tuletõrjujad).
Otsige