Hapnik ja Vesinik (0)

Referaat
VESINIK JA HAPNIK
Koostaja : Jonathan Simson
VII B
Sisukord
Sissejuhatus.................................................................................................3
1.0 Mis On Hapnik?....................................................................................4
1.1 Hapnikutarve ....................................................................................5
1.2 Hapnikusisaldus ...............................................................................5
1.3 Hapnikuringe ...................................................................................6
1.4 Hapniku Toksilisus ..........................................................................6
1.5 Lahustunud Hapnik..........................................................................6
2.0 Mis On Vesinik?.....................................................................................7
2.1 Vesiniku Aatomi Suurust Iseloomustavad Näitajad...........................7
2.2 Koht Perioodilisussüsteemis..............................................................8
2.3 Esinemine Looduses..........................................................................8
2.4 Molekulaarne Vesinik........................................................................10
2.5 Toime Inimesele Ja Ohud..................................................................10
2.6 Ajalugu..............................................................................................11
Kokkuvõte....................................................................................................12
Kasutatud Kirjandus.....................................................................................13
Sissejuhatus
Keemia on teadusharu , mis käsitleb ainete koostist, ehitust ja omadusi ning nende muundumise seaduspärasusi. Keemiat võib ka defineerida kui füüsika osa, mis uurib väliselektronkihti.
Keemia põhiharud on anorgaaniline ,orgaaniline, füüsikaline ja analüütiline keemia. Keemiaseadused, füüsikalise keemia ja füüsikaseadused võimaldavad teha stöhhiomeetriaarvutusi, reaktsioonide tasakaalu, kineetika, soojusefektide ja termodünaamika arvutusi. Reaalsete gaaside käitumine sarnaneb tavaliste tingimuste korral ideaalse gaasikäitumisele, seega ideaalse gaasi seadused on üsna hästi rakendatavad reaalsetele gaasidele ja nende lahustele .

1.0 Mis On Hapnik?

Hapnik on keemiline element järjenumbriga 8.
Hapnik on keemiliselt aktiivne mittemetall, millel on kaks levinud allotroopset vormi: dihapnik ehk lihtsalt hapnik (O2) ja trihapnik ehk osoon ( O3).
Dihapnik on iseenesest stabiilne gaas , mis on omapärane selle poolest, et kuigi molekulis on paarisarv elektrone, on ta paramagnetiline. Temperatuuril –183 Celsiust kondenseerub ta siniseks vedelikuks. Ta moodustab 21% Maa atmosfäärist. Õhu koostises sisalduvat molekulaarset hapnikku nimetatakse õhuhapnikuks.
Dihapnik on keemiliselt aktiivne. Paljud liht- ja liitained reageerivad temaga kuumutamisel, tihti kaasneb sellega leegiga põlemine. Ka tavalisel temperatuuril reageerib hapnik aeglaselt paljude ainetega.
Hapnik on fluori järel elektronegatiivseim element, seetõttu on ta oksüdatsiooniaste negatiivne kõigis ühendites peale fluoriidide. Valdavalt on hapniku oksüdatsiooniaste –2: suurema oksüdatsiooniastmega ühendid on vähestabiilsed ja tugevad oksüdeerijad. Neist stabiilseimad on peroksiidid; esinevad ka hüperoksiidid ja osoniidid.
Tähtsaim hapniku ühend on tema ühend vesinikuga – vesi.
Et hapnik reageerib paljude orgaaniliste ühenditega, on ta paljudele anaeroobsetele organismidele mürgine. Aeroobsed organismid on hapnikuga kohastunud ja vajavad seda oma elutegevuseks. Nad vajavad hapniku talumiseks paljusid antioksüdante. Kuid liiga suured hapniku kontsentratsioonid on ka neile mürgised.
Kui inimene hingab hapnikku osarõhuga 0,75 kuni 1 atmosfääri, hakkab ta umbes 10...20 tunni pärast kannatama kopsude ärritust. Kui hapniku mõju jätkub, järgneb surm. 0,5-atmosfäärist osarõhku on inimkatsetes talutud nädala jooksul ilma kahjustusteta.
Hapnikurikkas keskkonnas on suur tuleoht, sest põlemist kiirendab peale hapniku suurema kontsentratsiooni ka asjaolu, et vähem põlemissoojust kulub lämmastikusoojendamisele, mistõttu leek on kuumem. Kui hapnik on enne süttimist segatud gaasiliste või suspendeeritud põlevainetega, tekib plahvatus , millega võib kaasneda detonatsioon. Eriti ohtlik on selles suhtes vedel hapnik. Vedela hapnikuga immutatud põlevaineid nimetatakse oksülikviitideks ja neid kasutatakse lõhkeainetena: nende eeliseks on see, et kui nad ei lõhke, siis aurab hapnik aja jooksul ära ja plahvatusoht kaob. Oksülikviite moodustab ka asfalt kui poorne orgaaniline aine. Need on mehhaaniliselt tundlikud, nii et vedela hapnikuga märjaks saanud asfalt võib detoneeruda ülesõitmise või pealeastumise tagajärjel. Et hapniku keemistemperatuur on kõrgem kui õhu teisel põhikomponendil lämmastikul,kondenseerub ta õhu vedeldamisel kergemini: õhk hakkab kondenseeruma temperatuuril –191 Celsiuse kraadi, ja tekkiv vedelik on rikastatud hapnikuga, mida seal on 48%. Mis tahes koostisega vedela õhu auramisel aurab valdavalt lämmastik ja järelejääv vedelik rikastub hapnikuga; ka võib vedel lämmastik või õhk kokkupuutel õhuga õhust hapnikku juurde kondenseerida. Seetõttu on vedel õhk kokkupuutel põlevainetega ohtlik.

1.1 Hapnikutarve

Hapnikutarve on laiemas mõttes mingi organismi vajadus tarbida hapnikku (O2).
Kitsamas mõttes on tegu ökoloogilise mõistega, mille all mõistetakse vaadeldavas veekogus olevate orgaaniliste ainete hulka ning nende lagundamiseks vajaminevat hapniku kogust.
Hapnikutarvet määratakse kas biokeemilisel (BHT; inglise keeles BOD) või keemilisel (KHT; inglise keeles COD) teel.

1.2 Hapnikusisaldus

Hapnikusisaldus on vees või õhus sisalduv hapnikuhulk. Vee kontekstis on seda defineeritud kui: "vee või reovee mahuühikus lahustunud hapniku mass või sisaldus protsentides küllastussisaldusest".
Loodusvetes on hapnikusisaldus oluline parameeter , mis kirjeldab veeorganismide elutingimusi veekogus. Nt pärast rohke orgaaniliste reoainete jõudmist veekokku, pärastveeõitsengut või paksu jääkatte korral võib veekogu hapnikusisaldus (eriti öösiti) langeda veeloomade jaoks ellujäämise mõttes kriitilise piirini . Näiteks kalad taluvad täielikku hapnikunälga (anoksiat) mõne minuti, harva tunde. Üldiselt sõltub hapnikupuuduse taluvus veeorganismi liigist ja isendi füsioloogilisest seisundist.
1.3 Hapnikuringe
Hapnikuringe on hapniku liikumine anorgaanilistest ühenditest elusorganismide orgaanilistesse ühenditesse ja tagasi, samuti elusorganismide poolt vahendatud hapniku konversioonid anorgaaniliste ühendite vahel. Vaba hapnik Maa atmosfääris on taimede elutegevuse tulemus: vee fotolüütilisel lagunemisel eraldub vesinik, mis seondub süsinikuga, ja hapnik, mis jääb vabaks.
Aeroobsetes organismides läheb hapnik taas veemolekuli koostisse.
Hapniku ja süsihappegaasi sisalduse muutused atmosfääris on omavahel stöhhiomeetriliselt seotud, sest mõlemad osalevad peaaegu fikseeritud vahekorras nii fotosünteesi kui hingamise protsessides. Kuna aga hapnikku on atmosfääris süsihappegaasiga võrreldes väga palju rohkem, siis on ka inimtegevusest tingitud hapnikusisalduse suhteline muutumine süsihappegaasisisalduse vastava muutumisega võrreldes tühine.
1.4 Hapniku toksilisus
Hapniku toksilisus on molekulaarse hapniku (O2) kahjustav toime organismide elutegevusele. Hapniku toksilisus võib esile kutsudahapnikumürgituse.
Organismidel ilmneb hapniku toksilisus, kui elukeskkonna (õhu või vee) hapnikusisaldus suureneb tasemeni, millest ülespoole organism pole kohastunud.
Üldiselt on õhu hapnikusisalduse suurenemine üle normaalse (umbes 21% mahu järgi) mingil määral mürgine kõikidele organismidele. Hapniku toksilisus mõjub kõige tugevamalt obligaatsetele anaeroobidele, kes ei talu üldse O2 olemasolu elukeskkonnas.
1.5 Lahustunud hapnik
Lahustunud hapnik on veeorganismide eluks vajalik hapnik vees.
Elu veekeskkonnas, kus leidub lahustunud hapnikku, nimetatakse aerobioosiks, vastavat keskkonda aga aeroobseks keskkonnaks.
Kui vees on lahustunud hapnikku väga vähe, siis nimetatakse seda seisundit hüpoksiliseks (hüpoksia).

2.0 Mis on Vesinik?

Vesinik on keemiline element järjenumbriga 1.Ta on lihtsaima aatomiehitusega ning väikseima aatommassiga element.
Keemiliste elementide perioodilisuse süsteemis kuulub ta 1. perioodi ja s-blokki. Teda paigutatakse mõnikord I rühma, mõnikord VII rühma, mõnikord mitte ühessegi rühma. Elektronkonfiguratsioon on 1s1.
Vesinik on tüüpiline mittemetall.
Vesinik on Universumis kõige sagedasem element. Ta esineb vees ja peaaegu kõigis orgaanilistes ühendites, seega seotud kujul kõigis organismides.
Vesinik on kõige väiksema aatommassiga element; kõige sagedasema isotoobi prootiumi aatom koosneb ainult ühest prootonist ja ühest elektronist. Vesiniku aatommass on 1,00794±0,00007 g·mol−1.
Maal ei esine tavalistes looduslikes tingimustes üheaatomilise  molekuliga  monovesinikku ehk atomaarset vesinikku H, küll aga  divesinik  ehk molekulaarne vesinik H2, mis onnormaaltingimustel värvitu ja lõhnatu gaas. Mõne keemilise reaktsiooni ajal esineb atomaarne vesinik siiski väga lühikese aja vältel.
2.1 Vesiniku Aatomi Suurust Iseloomustavad Näitajad
Vesiniku aatommass on 1,00794 aatommassiühikut.
Arvutuslik  aatomiraadius  on 25 (53) pm.
Kovalentne raadius on 120 pm.
2.2 Koht perioodilisussüsteemis
Kuigi vesinik paigutatakse tavaliselt I rühma, ei ole tema koht perioodilisussüsteemis üheselt määratav, sest ta on elementide seas erandlikul kohal. Mõnikord paigutatakse ta VII rühma, mõnikord mitte ühessegi rühma.
I rühma arvatakse vesinik sellepärast, et tal on üks  valentselektron . Tal on leelismetallidega sarnane aatomispekter. Nagu leelismetallid , nii ka vesinik annabvesilahustes hüdrateeritud ühekordse positiivse elektrilaenguga iooni (hüdrooniumiooni H30–). Vesiniku vaba ioon  on aga  prooton , mis on väga erinev leelismetallide vabadest ioonidest. Kondenseeritud faasides  ei esine H+- ioonid üldse kunagi isoleerituna, vaid assotsiatsieerununa teiste molekulide või aatomitega. Ka on vesinikuaatomiionisatsioonienergia poole suurem kui leelismetallidel ning palju suurem  elektronegatiivsus .
Lähtudes sellest, et  elektronkatte  väliskihi täitmiseks on vesinikuaatomil puudu üks  elektron  nagu halogeenide aatomitelgi, võib vesiniku paigutada VII rühma. Nagu halogeenide aatomitelgi, on vesinikuaatomil suur ionisatsioonienergia. Halogeenidest erineb vesinik aga väiksema elektronafiinsuse jaelektronegatiivsuse poolest. Vesiniku mittemetallilisus ei ole nii väljendunud nagu halogeenidel. Nõnda moodustavad ühendeid H–-ioonidega ainult väga elektropositiivsed metallid nagu  kaalium  ja  kaltsium  (kaaliumhüdriid KH ja kaltsiumhüdriid CaH2).
2.3 Esinemine looduses

Vesinik kosmoses

Juba varsti pärast Universumi tekkimist Suures Paugus oli tohutu palju prootoneid ja neutroneid. Kõrge temperatuuri tingimustes ühinesid need kergetest aatomituumadeks. Enamik prootoneid jäid siiski ühinemata ning neist said edaspidi H- tuumad .
Umbes 380 000 aasta pärast, kui kiirgustihedus oli jäänud piisavalt väikseks, said vesinikuaatomid moodustuda lihtsalt tuumade ja elektronide kokkusaamise teel, ilma ,et mõnifooton neid kohe jälle lahutaks. Sellest ajast saadik on olemas reliktkiirgus ning Universum on vesinikuga täidetud. Universumi aatomitest koosnevas aines oli 3/4 massiosa vesinikku, 1/4 massiosa heeliumi ja mõni miljardik massiosa liitiumi . Teised keemilised elemendid on tuumareaktsioonide saadustena hiljem tekkinud.
Kui Universum veelgi jahtus , jagunes mass asümmeetriliselt ning moodustusid vesinikupilved. Gravitatsiooni toimel tihenesid need pilved algul galaktikateks ning hiljem prototähtedeks. Gravitatsiooni toimel tihenes aine niivõrd, et tuumasünteesis hakkasid vesinikutuumadest moodustuma heeliumituumad. Nii moodustusid esimesed tähed. Prootium saab heelium -4-ks peamiselt deuteeriumi ja triitiumi kui vaheastmete kaudu. Seejuures vabanev energia on tähtede energiaallikas .
Hiljem tekkisid väga suurtes tähtedes samuti tuumasünteesi teel raskemad elemendid süsinik, lämmastik ja hapnik, mis on kõikide tuntud eluvormide põhikomponendid.
Osa materjali väljus tähtedest tähetuulena, supernoovade plahvatustena või muul moel ning nendest koos säilinud gaasiga tekkisid uued tähed. Siiski on algsest vesinikust ja heeliumist tuumasünteesis ära "põlenud" vaid väike osa. Umbes kolm neljandikku keemilistest elementidest koosnevast ainest moodustab endiselt vesinik gaasipilvede ja tähtede kujul. Peajada tähed koosnevad peamiselt plasmaolekus vesinikust.
Universumis on vesinik kaugelt levinuim element. Päikese massist moodustab üle poole vesinik. See moodustab ka suurema osa Päikesesüsteemi massist. Aatomituumade arvu järgi arvestatuna on vesinikku Päikeses 80%. Vesinik moodustab ka suurema osa Jupiteri, Saturni, Uraani ja Neptuuni koostisest, mis Päikesesüsteemi vesinikusisaldust veelgi suurendab. Tohutute rõhkude juures Jupiteri ja Saturni sügavustes võib vesinik esineda metallilise vesinikuna. Tõenäoliselt on metallilise vesiniku osatähtsus taevakehades suurem, kui seni arvatud. Oletatavasti on elektrit juhtiv metalliline vesinik ka planeetide magnetväljade põhjuseks. 93% Päikesesüsteemi aatomitest on vesinikuaatomid.
Väljaspool Päikesesüsteemi esineb vesinik ka hiiglaslikes gaasipilvedes. H-I-aladel esineb ioniseerimata molekulaarne vesinik. Need alad kiirgavad sagedusega umbes 1420 MHz, mis vasta  21 cm joonele. See kiirgus tuleneb koguspinni üleminekutest. Selle kiirguse järgi leitakse ja uuritakse vesiniku esinemist Universumis.
Atomaarse vesinikuga ioniseeritud gaasipilvi nimetatakse H-II-aladeks. Neil aladel kiirgavad suured tähed suurel hulgal ioniseerivat kiirgust. See kiirgus võimaldab teha järeldusitähtedevahelise aine koostise kohta. Aatomite pideva ioniseerumise ja rekombineerumise tõttu kiirgavad nad vahel nähtavat valgust, mis on sageli nii tugev, et neid gaasipilvi võib näha suhteliselt väikese pikksilmaga.

Vesinik Maal

Seotud olekus on vesinik Maa peal väga levinud.
Maa massist moodustab vesinik umbes 0,12%.
Maakoores ning hüdrosfääris ja atmosfääris kokku on umbes 1/6 aatomitest vesinikuaatomid. Nad moodustavad 0,74% nende kogumassist. Levinuima vesinikuühendi vee – massist moodustab vesinik 11,9% või 11,2%. Vesinik esineb ka näiteks savides, kivi- ja pruunsöes ja naftas, samuti kõigis organismides.

Prootium

Prootium on universumis, tähtedes ja hiidplaneetides kõige tavalisem elemendi isotoop .
Sisaldus maakoores on massi järgi väike (0,87%), aatomite arvu järgi suur (17%). Vesinik on leviku poolest Maal 9. kohal, universumis kõige levinum element.

Deuteerium

Deuteeriumi leidub maailmameres keskmiselt üks 2H aatom 6400 H aatomi kohta ehk umbes 0,156%.
Lihtainena esineb deuteerium äärmiselt väikestes kogudes. See on omadustelt diprootiumi H2 sarnane gaas valemiga 2H2 või D2.
Deuteeriumi levinuim ühend universumis on ühend tavalise 1H aatomiga ehk 2H 1H või DH.

Triitiutium

Looduses esineb triitiumi väga väikestes kogustes . Ta tekib enamasti atmosfääri ülakihtides kosmilise kiirguse mõju tõttu atmosfääris leiduvatele gaasidele.
Levinuim triitiumi tekke mehhanism toimib, kui lämmastiku molekulid on avatud kosmilisele neutronivoole. Saades juurde ühe neutroni, laguneb lämmastiku tuum süsiniku ja triitiumi tuumaks. Triitiumi lühike poolestusaeg (12,32 aastat) ei võimalda looduslike varude kogunemist.
2.4 Molekulaarne vesinik
Vesinik moodustab kaheaatomilised   lihtaine  molekulid.

Füüsikalised omadused

Tavatingimustel on ta värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas, väikseima molekulmassiga kõigist gaasidest. Temperatuuril 20 kelvinit kondenseerub kahest prootiumiaatomist koosneva molekuliga diprootium (H2) vedelikuks, mis tahkub temperatuuril 14 kelvinit.
Vesiniku molekuli energiatasemed olenevad sellest, kas tuumade spinnid on samasuunalised või erisuunalised. Erineva spinnide jaotusega olekute vaheline üleminek on aeglane.

Keemilised omadused

Kuumutamisel reageerib vesinik paljude ainetega. Reaktsioon hapnikuga eraldab soojust, mistõttu vesinik õhus või hapnikus põleb ja ta segunedes hapnikuga või õhuga süütamisel plahvatavad. Ta on kergesti süttiv aine.
2.5 Toime inimesele ja ohud
Inimese organism vesinikku lihtainest ei omasta, sest ta on inimorganismis biokeemiliselt inertne.
Suures kontsentratsioonis sisse hingatuna on vesinik lämmatav; vesinikku sisaldavad gaasisegud, milles on piisavalt hapnikku, on tervisele ohutud .
Muidugi kaasneb vesinikuga suur tule- ja plahvatusoht.
Deuteeriumi ühendid on imetajatele, sealhulgas inimestele mürgised: umbes 15 protsendi vee asendamine raske veega (2H2O) tekitab rottidel tervisehäireid ja 25...30% asendamine on surmav . Väikestes kogustes (paar grammi inimese puhul, enam-vähem võrdne raske vee loomulikku sisaldusega kehas) kasutatakse deuteeriumi meditsiinis ainevahetuse jälgimiseks.
Triitium on ohtlik oma radioaktiivsuse tõttu. Väikese energia (maksimaalselt 18 keV) tõttu ei läbi 3H beetakiirgus nahka, aga ühendites omastatuna on triitium ohtlik.

2.6 Ajalugu

Paracelsus

On arvatud, et vesinikku tundis juba Paracelsus, kuid see on vaieldav.

Boyle

Arvatavasti esimesena sai vesinikku Robert Boyle, kes 1671. aastal kirjeldas rauapulbri toimel lahjendatud väävelhappele saadud "kergesti põlevat auru".

Cavendish

Vesiniku avastajaks ( 1766 . aastal) loetakse inglise füüsikut ja keemikut Henry Cavendishi, kes isoleeris metallidest ja hapetest saadud "põleva õhu" (divesiniku) ning kirjeldas ja uuris seda põhjalikult. Elavhõbeda ja happe segus tekkisid väikesed gaasimullid, mille koostist ei õnnestunud tal samastada ühegi tuntud gaasiga. Kuigi ta ekslikult arvas , et vesinik on elavhõbeda (mitte happe) koostisosa , suutis ta selle omadusi hästi kirjeldada.

Lavoisier

Antoine Laurent de Lavoisier avastas vesiniku 1766 sõltumatult Cavendishist, kui ta tahtis katseliselt näidata, et keemiliste reaktsioonide käigus massi ei kao ega teki juurde. Ta soojendas vett suletud aparatuuris ja laskis aurul teises kohas kondenseeruda. Selgus, et kondenseerunud vee mass on pisut väiksem kui vee algne mass. See-eest tekkis gaas H2, mille mass võrduski puuduva massiga, nii et katse oli edukas.
Gaasi edasi proovides põletas ta seda tänapäeval paukgaasiprooviga nimetatud uuringus ning nimetas teda seejärel põlevaks õhuks. Aastal 1783 pani ta ette nime hydrogène ('veetekitaja, veemoodustaja'). Selle nime (ladina Hydrogenium) lühendist tuleb ka vesinikukeemiline sümbol H.
Vesiniku ja vesinikuühendite uurimine on aidanud kaasa aatomi ja molekuli mõiste arengule ning aatomite ja molekulide ehituse ja muundumise mõistmisele.
Kokkuvõte
Käesolevas töös uuriti Keemiat täpsemalt, mis on vesinik ja hapnik nende mõju inimestele, ajalugu ja omadused.
Kasutatud Kirjandus
Keemia

• http://et.wikipedia.org/wiki/Keemia
  

Hapnik

• http://et.wikipedia.org/wiki/Hapnik
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Hapnikutarve
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Hapnikusisaldus
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Hapnikuringe
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Hapniku_toksilisus
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Lahustunud_hapnik
  

Vesinik

• http://et.wikipedia.org/wiki/Vesinik
  

13