Hapnik (0)

Hapnik
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 .
Keemiline sümbol: O Tuumalaeng: 8 Aatomis: 8 elektroni, 8 prootonit ja 8 neutronit.Välises elektronkihis 6. Perioodilisustabelis asub: 2. Perioodi VI rühmas. Hapnikul on kolm isotoopi: nende massiarvud on 16, 17 ja 18.
Hapnik on värvitu, lõhnata, maitseta õhust raskem gaas . Hapnik on mittemetall, mis on keemiliselt küllaltki aktiivne. Hapnikul on kaks levinud allotroopset 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 aktiivne. Paljud liht- ja liitained reageerivad temaga kuumutamisel ja sageli kaasneb sellega põlemine. Ka tavalisel temperatuuril reageerib hapnik aeglaselt paljude ainetega. Lihtainete põlemisel tekivad nende elementide ühendid hapnikuga - oksiidid. Näiteks: S + O2 ® SO2 Hapniku toimel võivad põleda ka liitained, näiteks metaan , mis on peamine gaasipliitides kasutatava loodusliku gaasi koostisosa, oksüdeerub põlemisel hapniku toimel süsihappegaasiks ja veeks: CH4 + 2O2 ® CO2 + H2 O
Keemilistes reaktsioonides käitub oksüdeerijana, moodustades enamasti ühendid oksüdatsiooniastmes -II. Molekulaarne hapnik on tavatingimustes suhteliselt väheaktiivne, kuigi hapnik on elektronegatiivsuselt teine element fluori järel. Vähene aktiivsus on tingitud sellest, et aatomitevaheline side on molekulis väga tugev. Kuumutamisel muutub hapnik oluliselt aktiivsemaks.
Osoon ehk trihapnik on hapniku allotroopne 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 jodiidid vabaks joodiks, pliisulfiidi pliisulfaadiks, hõbeda hõbedaoksiidiks ja divesiniksulfiidi väävel- ja väävlishappeks. Elusorganismidele on osoon suuremas kontsentratsioonis väga mürgine, sest ta on tugev oksüdeerija. 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 energialiia ja stabiliseeruvad. O +O2 ® O3 (osoon).
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 hiired, 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, nii võib ka inimese elu kestus olla 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 Hollandi teadlane Cornelius van Drebel. Drebeli uurimused tulid avalikuks alles hiljuti , sest mitu sajandit hoiti neid puutumatult Hollandi salaarhiivis.
Ühendid
Oksiidid (vesi, ränidioksiid, metallioksiidid), Happed, Alused, Soolad, Paljud orgaanilised ühendid. Tähtsaim hapniku ühend on tema ühend vesinikuga – vesi.
Saamine
Hapniku saadakse laboratoorselt hapnikurikaste ainete kuumutamisel. Puhtama hapniku saamiseks kasutatakse laboris ja tööstuses vee elektrolüüsi.
Kautamine
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.
Roll
Maa atmosfäärist moodustab hapnik umbes 21%. Atmosfääri on hapnik tekkinud peamiselt fotosünteesitulemusena. Põhiline oksüdeerija meid ümbritsevaskeskkonnas, sealhulgas ka eluslooduses Levinuim keemiline element maakoores-ligikaudu45%. Leidub vees ja õhus. Looduses leidub vähesel määral ka hapniku teistallotroopi-osooni. Maad ümbritsev hõre osoonikiht takistab elusloodustohustava lühilainelise ultraviolettkiirguse jõudmistmaapinnan.
Õhk on gaaside segu. Puhas õhk on: läbipaistev; värvuseta; maitseta; lõhnata.
Õhus leiduv hapnik on vajalik: põlemiseks; hingamiseks.
Mõju inimesele
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 hapnikukontsentratsioonid 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.
Üldiselt on õhu hapnikusisalduse suurenemine üle normaalse (umbes 21% mahu järgi) mingil määral mürgine kõikidele organismidele