Hapnik ja selle avastamine (0)

Hapnik
Anti Ivaste  
9.A
Sissejuhatus
Hapnik on üks levinumaid ja olulisemaid elemente Maal. Teda leidub 
maakoores, vees, õhus ja elavates organismides kõikidest elementidest kõige 
rohkem. Maa atmosfääris on hapnikku umbes 21% ja teda tekib pidevalt 
fotosünteesi käigus juurde. Samas aga väheneb hapniku hulk atmosfääris, 
kuna ta osaleb paljudes keemilistes reaktsioonides. Hapnikku kasutavad 
hingamiseks kõik aeroobsed elusorganismid. Ta osaleb ka teistes looduslikes 
oksüdatsioonireaktsioonides: kõdunemis-, mädanemis- ja põlemisprotsessides, 
mille tulemusel eralduvad atmosfääri fotosünteesireaktsioonis kasutatav 
süsinikdioksiid ja veeaur. Hapnikku leidub väga paljudes ühendites (näiteks 
oksiidid, happed , alused,  soolad , aga ka paljud orgaanilised ühendid). 
Lihtainena esineb hapnik kahe allotroopse teisendina:  dihapnik ja  trihapnik ehk 
osoon .
Hapniku avastamine
Hapniku  avastasid  sõltumatult mitu teadlast. Üheks hapniku avastajaks peetakse Inglise õpetlast Joseph Priestleyt. On tuntud  Priestley  
katse, kus ta läbi suurendusklaasi juhtis päikesevalgust elavhõbeoksiidile, mis laguneb soojuse mõjul elavhõbedaks ja hapnikuks.  Asunud  
uurima  tekkinud gaasi omadusi, avastas Priestley , et küünal põleb selles gaasis heledamalt kui õhus ja isegi õhus hõõguv süsi lööb 
lõkkele. Nii peetakse hapniku avastamise kuupäevaks 1. augustit  1774 . Kuid Priestley jätkas hapniku  uurimist . Ta pani kahe ühesuguse 
klaaskupli alla hi red, ühe  kupli  täitis hapnikuga, teises oli tavaline õhk. Õhus hukkus  hiir  kupli all 15 minuti pärast, samas ruumalas 
hapnikus aga elas 30 minutit. See katse tõestas, et hapnik on elutegevuseks oluline. Kuid Priestley ütles ka, et puhta hapniku  hingamine  
võib olla ohtlik. Ta väitis, et nii nagu küünal põleb hapnikus kiiremini kui õhus, ni  võib ka inimese elu kestus ol a hapnikus lühem kui õhus.
Siiski polnud Priestley päris esimene, kes hapniku olemasolust teadlikuks sai. Hiina õpetlane Mao Hoa  arvas  juba 7.- 8. sajandil, et õhk 
koosneb kahest gaasist: üks soodustab põlemist ja hingamist, teine seda ei tee. Seda, et õhus leidub hingamist ja põlemist  soodustav   gaas , 
on maininud veel Leonardo da Vinci, Robert  Hooke , John Mayow ja mitmed teisedki. Esimesena kogus hapnikku ja kirjeldas selle omadusi 
Uppsala apteeker Carl Wilhelm  Scheele .
Katsete tulemustest valmis tal  traktaat , mis ilmus 1777. aastal. Scheele oli saanud hapniku küll katseliselt varem kui Priestley, ent teate 
hapniku avastamisest avaldas Priestley enne Scheele kuulsa traktaadi ilmumist.
Hapniku avastajana on veel nimetatud ka inglise teadlast  Daniel   Rutherfordi . Ta nimetas õhku hapniku ja lämmastiku seguks.
Poolteist sajandit enne Priestleyt, Scheelet ja Rutherfordi avastas hapniku ja selgitas selle füsioloogilist osa hingamisel Hol andi  teadlane  
Cornelius  van Drebel. Drebeli uurimused tulid avalikuks alles  hiljuti , sest mitu sajandit  hoiti  neid puutumatult Hol andi salaarhi vis.
Hapniku üldiseloomustus
Hapniku keemiline sümbol on O. Hapnik asub perioodilisustabeli 2. Perioodi VI 
rühmas. Tema  tuumalaeng  on 8. Hapniku aatomis on: 8 prootonit ja 8 neutronit 
ning 8 elektroni, välises elektronkihis on 6 elektroni. Et saavutada püsivat 
väliskihti, on hapniku aatomil vaja liita veel 2 elektroni - järelikult keemilistes 
reaktsioonides hapnik seob elektrone ja on oksüdeerija.
Hapnikul on kolm isotoopi: nende massiarvud on 16, 17 ja 18.
Hapniku omadused
Hapnik on värvitu, lõhnata, maitseta õhust raskem gaas.
Hapnik on mittemetall, mis on keemiliselt küllaltki aktiivne. 
Hapnikul on kaks levinud al otroopset vormi: dihapnik ehk lihtsalt hapnik (O2) ja trihapnik ehk osoon(O3).
Dihapnik on stabiilne gaas, mis temperatuuril –183° Celsiust kondenseerub siniseks  vedelikuks. Ta moodustab mahuliselt 
umbes 21 % Maa atmosfäärist.
Dihapnik on keemiliselt akti vne. Paljud liht- ja li tained reageerivad temaga kuumutamisel ja sageli kaasneb sellega 
põlemine. Ka tavalisel temperatuuril reageerib hapnik aeglaselt paljude ainetega. Lihtainete  põlemisel tekivad nende 
elementide ühendid hapnikuga - oksi did. Näiteks:
S + O2 ® SO2 
Hapniku toimel võivad põleda ka li tained, näiteks  metaan , mis on peamine gaasipli tides  kasutatava  loodusliku gaasi 
koostisosa, oksüdeerub põlemisel hapniku toimel süsihappegaasiks ja  veeks :
CH4 + 2O2 ® CO2 + H2 O
Hapnik on fluori järel elektronegatiivsuselt teine element, seetõttu on ta oksüdatsiooniaste negatiivne kõigis ühendites peale 
fluori dide. Valdavalt on hapniku oksüdatsiooniaste –2: suurema oksüdatsiooniastmega ühendid on vähestabiilsed ja tugevad 
oksüdeerijad. Et hapnik reageerib paljude orgaaniliste ainetega, on ta anaeroobsetele organismidele mürgine. Aeroobsed 
organismid on hapnikuga kohastunud  ja vajavad seda oma elutegevuseks. Seejuures tekivad organismile mürgised hapniku 
redutseerimise vaheproduktid per- ja hüperoksi did, mil e kõrvaldamiseks on organismidel teatud ensüümid. Kuid li ga 
suured hapniku kontsentratsioonid on ka aeroobsetele organismidele mürgised.
Hapnik soodustab ning kiirendab põlemist ja tõstab  leegi  temperatuuri. Hapnikusisalduse suurenedes süttimistemperatuur 
langeb. Rõhu all olev hapnik võib süüdata õli ja rasva ning põhjustada plahvatusliku põlemise.
Eriti ohtlik on selles suhtes vedel hapnik. Vedela hapnikuga immutatud  põlevaineid kasutatakse lõhkeainetena: nende 
eeliseks on see, et kui nad ei lõhke, si s aurustub hapnik aja jooksul ja plahvatusoht kaob. 
Hapniku kasutamine
Suurem osa elusorganisme kasutavad hingamisel õhust saadavat hapnikku oma elutegevuses. 
Õhu hapnikusisaldus (21%) on elutegevuseks optimaalseim. Kui see väheneb 9%-ni, siis tekivad eluohtlikud 
seisundid . Kuid ka suurem hapnikusisaldus on ohtlik.
Hingamiseks on puhas hapnik liiga intensiivne oksüdeerija ja seetõttu mürgine. 
Kui terve inimene  hingab 15 minutit puhast hapnikku, tunneb ta peapööritust ja võib hakata  oksendama . 
Kauemaaegsel puhta hapniku  sissehingamisel tekivad bronhiit  ja nägemishäired.
Õhust kõrgema hapnikusisaldusega hingamissegusid kasutatakse aga kopsu- või südamepuudulikkust 
põhjustavate haiguse korral, samuti vingumürgituse puhul, et parandada kudede hapnikuga varustatust. Kõik 
rakud saavad oma elutegevuseks vajaliku energia toitainete oksüdeerimisreaktsioonidest. Hapniku redutseerimine 
veeks on organismi energiaga varustav reaktsioon : 
O2 + 2H2 ® 2H2O 
Inimene kasutab suurel hulgal hapnikku oma majanduslikus tegevuses, eelkõige erinevate kütuste põletamiseks 
tööstuses ja transpordis .
Hapnikku kasutatakse ka keevitamisel, gaasi-ja plasmalõikusel, kuumutamisel, jootmisel, õgvendamisel ja 
karastamisel. Samuti kasutatakse erinevate metallide valmistamisel, reovete bioloogilisel puhastusel, tselluloosi 
valgendamisel ja klaasitootmise uutes tehnoloogiates.
Meditsiinis kasutatakse hapnikku peale hingamisaparaatide ka anaeroobsete mikroorganismide poolt tekitatud 
haiguste raviks. Anaeroobsed  mikroorganismid suudavad elada ilma hapnikuta. Patsient pannakse kõrgrõhu 
kambrisse , kus hapniku rõhk on tõstetud 3 kuni 4 atmosfäärini. Nii kõrge rõhu juures  tungivad  hapniku aatomid  
rakku ning tapavad anaeroobsed mikroorganismid. Sellist ravi tehakse näiteks gangreeni korral. 
Osoon ja osoonikiht
Osoon ehk trihapnik on hapniku al otroopne teisend. Ta on iseloomuliku terava, veidi kloori  meenutava  lõhnaga  sinakas , suhteliselt ebapüsiv gaas, mille  sulamistemperatuur  
on -192 kraadi ja keemistemperatuur - 112 kraadi Celsiuse järgi. Ta lahustub vees paremini kui dihapnik. Osoon laguneb kergesti di- ja monohapnikuks. Trihapnik on tugev 
oksüdeerija - ta oksüdeerib jodi did vabaks joodiks, pli sulfi di pli sulfaadiks, hõbeda hõbedaoksi diks ja divesiniksulfi di väävel- ja väävlishappeks. 
Elusorganismidele on osoon suuremas kontsentratsioonis väga mürgine, sest ta on tugev oksüdeerija. Sissehingamisel ärritab ta limaskesti. Kuna osoon on mürgine ka 
mikroobidele, kasutatakse teda desinfitseerimiseks ja joogivee  puhastamiseks . Osoneeritud  joogivesi  on sinaka tooniga ja klooritud veest palju maitsvam. Veel kasutatakse 
osooni kli maseadmetes ja paberi- ning toiduainetetööstuses, tema abil sünteesitakse lõhnaaineid (vanil i ni, roosiõli) ja bioaktiivseid ühendeid (glutami nhapet, neerupealise  ja 
munasarja hormoone). Osooni kasutatakse ka toitainete säilitamisel - külmutite osoonitud õhus säilivad lihasaadused kaks korda kauem. Meditsi nis kasutatakse osooni 
šokiseisundist ja narkoosi alt väljatoomiseks. Tehislikult toodetakse osooni osonaatorites elektrilahenduse toimel õhuhapnikust. Vähesel määral tekib osooni ka 
elektrikeevitusel, röntgeniaparaadi ja elektripuuri töötamisel.
Looduses tekib osooni välgu toimel ja mõningate taimede elutegevuse kõrvalproduktina (näiteks männivaigu ja teatud merevetikate oksüdatsioonil). Väikeses 
kontsentratsioonis annab osoon õhule iseloomuliku "värske" lõhna, mida võib tunda männimetsas või peale äikest, see on inimorganismile kasulik. 
Osoonikiht ehk osonosfäär asub 10 -50 km kõrgusel  maapinnast . Osoon tekib seal tänu sellele, et valguse toimel dihapniku molekulid lagunevad hapniku aatomiteks.
Kui need aatomid põrkuvad hapniku molekulidega, tekivad osooni ehk  trihapniku  molekulid, mis loovutanud energiali a ja stabiliseeruvad. 
O +O2 ® O3 (osoon). 
Suurim osooni kontsentratsioon on 20 - 26 km kõrgusel. Osooni hulk atmosfääris on suurim talvel ja kevadel polaaraladel.  Troopilistel  aladel muutub osoonikihi paksus aasta 
jooksul vähe. On täheldatud ka osoonisisalduse muutumist ööpäeva jooksul - kõige vähem on õhus osooni öösel, päikesetõusuga hakkab sel e hulk suurenema. Osoon 
neelab päikeselt tulevat lühilainelist ultraviolettki rgust ja kaitseb seega elu Maal. 1970.- 80. aastatel märgati, et osoonikiht on hakanud hõrenema, eriti polaaraladel ja täheldati 
nn osooniaukude teket. Seda põhjustavad peamiselt freoonid ja lämmastikoksi did, mis inimtegevuse tulemusena on stratosfääri sattunud. Freoonide  lagunemisel tekivad 
kloori aatomid, mis lagundavad osooni molekule. Osoonikihile  kahjulikke  ühendeid kasutatakse näiteks külmutuskappides ja külmutusseadmetes. Lämmastikoksi did satuvad 
õhku reaktiivlennukite heitgaasidest ning lämmastikväetiste mikrobioloogilisel lagunemisel.
Osonosfääri lagunemise tõttu jõuab Maale lühilainelist ultraviolettkiirgust (lainepikkusega al a 300 - 400 nm), mis põhjustab inimestel nahavähki. Vi mastel aastatel on paljudes 
riikides täheldatud nahavähki haigestumise  suurenemist . Ultraviolettki rguse kahjulik mõju rakkudele seisneb sel es, et ta hävitab nuklei nhappeid, muudab DNA struktuuri ja 
pidurdab rakkude paljunemist.
Hapnik kui loodusrikkus vajab kaitset
Tänu fotosünteesile ja vähemal määral teistele looduslikele protsessidele on õhuhapnik taastuv 
loodusrikkus. Siiski on inimese järjest intensiivistuv  majandustegevus viinud selleni , et ka 
hapnikuvaru on hakanud vähenema. Hapnik on väga tundlik looduskeskkonna muutuste suhtes, 
näiteks vihmametsade raiumine, veekogude seisundi halvenemine, radioaktiivne  saastamine , 
naftaväljade ja metsade suurtulekahjud.
Inimene kasutab hapnikku palju rohkem, kui looduses seda taastoodetakse, järelikult kasutatakse 
atmosfääris talletatud hapnikuvaru. Intensiivne kütuste kaevandamine ja põletamine,  energeetika -, 
metallurgia- ja keemiatööstuses toimuvad protsessid vajavad palju hapnikku, samas eraldub 
atmosfääri kasvuhooneefekti põhjustavat süsinikdioksiidi. 
Sellised muutused toimuvad looduses aeglaselt, kuid võivad lõpuks viia ka inimestele märgatavate 
tagajärgedeni. Siis aga on juba hilja midagi ette võtta. 
Sellepärast on oluline uurida kõiki looduslikke ja tööstuslikke hapniku tootmise ja tarbimise 
protsesse ning korraldada õhuhapniku ülemaailmne  seire .
Nagu kõigi globaalsete probleemide puhul, on ka hapniku  kaitsel oluline rahvusvahelise koostöö. 
Tallinnas toimus 2001. aasta mais rahvusvaheline nõupidamine, mille eesmärk oli panna UNESCO  
projektina tööle alus- ja rakendusuuringute piirkondlik programm “Hapnik ja keskkond”. 
Kokkuvõte
Hapnik on elutähtis element suuremale osale meie planeedil elavatele 
organismidele.
Põhiliselt tänu fotosünteesile on õhuhapnik taastuv loodusrikkus. Inimese järjest 
intensiivistuv majandustegevus on viinud selleni, et atmosfääri hapnikuvaru on 
hakanud vähenema. Inimene kasutab hapnikku paljudel elualadel, peamised 
kasutusalad on kütuste põletamine tööstuses ja transpordis, olulist osa etendab ka 
hapniku kasutamine meditsiinis.
Peale dihapniku kasutatakse ka hapniku allotroopset teisendit trihapnikku ehk 
osooni. Nii di- kui trihapnik on puhtal kujul elusorganismidele mürgised.
Osoon moodustab 10 - 50 km kõrgusel maapinnast osonosfääri, mis kaitseb meid 
kahjuliku ultraviolettkiirguse eest. Viimastel aastakümnetel on inimtegevuse mõjul 
osoonikiht kohati hõrenenud. Osooniaukude tekkega  seostatakse  nahavähi 
esinemise sagenemist maailmas.
Atmosfääri kaitsmiseks inimtegevuse negatiivse mõju eest on oluline teha 
rahvusvahelist koostööd ja saavutada kokkuleppeid erinevate riikide vahel kogu 
maailmas.
Kasutatud kirjandus
Eesti Entsüklopeedia VII, Tallinn, 1994
Eesti Entsüklopeedia IX, Tallinn, 1996
Karik, Hergi. Hämmastavad ained. Tallinn, 1991
Karik, Hergi. Elemendid meis & meie ümber. Tallinn, 1994.
Pihlak,  Arno -Toomas. Tähtsaima  loodusvara hulk väheneb. Eesti Loodus nr 10, 
2002.
Tamm,  Lembi . Keemia VIII klassile. Aatomitest aineteni. Tallinn, 1998.

Document Outline

• Slide 1
• Sissejuhatus
• Hapniku avastamine
• Hapniku üldiseloomustus
• Hapniku omadused
• Hapniku kasutamine
• Osoon ja osoonikiht
• Hapnik kui loodusrikkus vajab kaitset
• Kokkuvõte
• Kasutatud kirjandus