Referaat "Hapnik" (2)

„Hapnik“
Referaat keemiast
2008/2009 õppeaasta
Sisukord
Sisukord………………………………………………………….lk. 2
Hapniku üldtutvustus………………………………………….....lk. 3
Hapniku avastamine……………………………………………..lk. 3 Õhk ja selle koostisosad…………………………………………lk. 4
Osoonikiht ……………………………………………………….lk. 5
Fotosüntees………………………………………………………lk. 6
Kõdunemine……………………………………………………..lk. 6
Mädanemine……………………………………………………...lk. 7
Roiskumine ....…………………………………………………….lk. 7
Põlemine………………………………………………………...lk. 7
Kasutatud kirjandus……………………………………………..lk. 8
Hapniku üldtutvustus
Hapniku sümbol on O. Ladinakeelne nimetus oxygenium. Keemiliste elementide perioodilisussüsteemi VI rühma element, mittemetall. Järjekorranumber 8 ja aatommass 15,9994.
Hapnikul on kaks allotroopset esinemisvormi – dihapnik O2 ehk tavaline hapnik ja trihapnik O3 ehk osoon .
Dihapnik on normaaltingimustel lõhnata ja värvita gaas , lahustub vähesel määral vees ja ühineb peaaegu kõikide elementidega moodustades oksiide . Hapniku oksüdatsiooniastmed ühendeis on -II ja -I. Looduses on hapnikku elementidest kõige rohkem. Teda tarvitatakse keemia- ja metallurgiatööstustes, meditsiinis, vedelat hapnikku lõhkeainete valmistamisel. (ENE 3)
Hapniku avastamine
Hapniku avastamist takistasid tema iseloomulikud omadused : värvuseta, lõhnata ja maitseta gaas .
Selle gaasi avastasid üksteisest sõltumatult mitu teadlast : Priestley , Scheele , Rutherford ja Drebel.
Priestley oli hariduselt ja ametilt vaimulik. Kuna ta pooldas usuvabadust, siis pidi ta elatist teenima õpetajana. Ta oskas hästi prantsuse, itaalia, araabia ja süüria keelt, meelisharrastuseks oli aga loodusteadus . Tema esimeseks suuremaks avastuseks oli õlle käärimisel eralduv süsihappegaas.
1774 . aasta augustikuus tegi ta katse, kus ta läbi suurendusklaasi juhtis päikesevalgust elavhõbeoksiidile. Viimane lagunes soojuse mõjul elavhõbedaks ja hapnikuks. Priestley seda ei teadnud , aga ta otsustas uurida tekkinud gaasi omadusi. Need hämmastasid teda : selles gaasis põles küünal heledamalt kui tavalises õhus, hõõguv süsi lõi lõkkele ja raudtraat, mis õhus ainult hõõgus, põles sädemeid pildudes.
Järgmisel aastal tegi ta katse, kus võttis kaks klaaskuplit, millest ühe all oli tavaline õhk ja teise all puhas hapnik. Kummagi kupli alla pani ta hiire ja jäi nende käitumist jälgima. Tavalise õhuga kupli alla olnud hiir suri 15 minuti jooksul, samas ruumalas hapnikus aga elas teine hiir 30 minutit.
Priestley arvas , et kuigi puhtas hapnikus on kergem hingata kui õhus, kiirendab hapnik elutegevust samamoodi nagu see kiirendas küünla põlemist.
Esimesena kogus hapnikku ja kirjeldas selle omadusi apteeker Carl Wilhelm Scheele. Tema teadussaavutuste hulka kuulub mitme keemilise elemendi avastamine. Esimesena sai ta glütserooli, uuris õun-, sidrun - ja piimhapet ja eraldas luudest fosfori.
1768. aastal kolis ta Stockholmi, kus asus juhatama üht suuremat apteeki. Seal olid tal tööks paremad tingimused ja ta hakkas uurima õhu koostist. Ta leidis, et selles on viiendik nn. tuliõhku ehk hapniku. Tuliõhku valmistas ta mitmesuguste ainete (näiteks elavhõbeoksiid, salpeetrid , mangaaniühendid) lagundamisel.
Drebel, kes oli hollandlane , avastas hapniku ja selgitas välja selle füsioloogilise osa hingamisel. Sellel ajal võitlesid Hispaania ja Madalmaad võimu pärast merel. Madalmaades üritati allveelaeva ehitada, et sõda võita. Hingamiseks vajalikku hapnikku saadi Drebeli ettepanekul salpeetri kuumutamisel. (Hergi Karik, 1991)
Õhk ja selle koostisosad
Õhk on gaaside segu. Selle peamine koostisosa on lämmastik, mida on õhus 78%.
Elutegevuseks on kõige olulisem hapnik, mida on õhus 21%.
Õhus on alati süsihappegaasi, kuid võrreldes lämmastiku ja hapnikuga on seda väga vähe, ainult 0,03 – 0,04%
Ka kuut gaasilist lihtainet (väärisgaase) on õhus väga vähe, kokku 0,9%. Väärisgaasidest on kõige rohkem argooni. Lisaks on õhus veeauru ja teisi lisaaineid .
Õhk on värvuseta, maitseta ja lõhnata gaaside segu. Hingates seotakse õhus sisalduv hapnik kopsudes vere hemoglobiiniga ja kasutatakse organismi elutegevuses. Õhu hapnikku kasutab oma elutegevuses enamik elusorganisme, ainult üksikud organismid (anaeroobid) ei vaja hapnikku.
Kuna hapnik lahustub vees, siis saavad kalad ja teised vees elavad organismid oma elutegevuseks vajaliku koguse hapniku veest kätte.
Taimed kasutavad õhus leiduvat süsinikdioksiidi fotosünteesiks.
Maad ümbritsevat õhkkonda nimetatakse atmosfääriks. See pöörleb koos Maaga. Atmosfääri ülesandeks on kaitsta meid kosmiliste äärmuste eest ja hoida meid soojas . Maa atmosfääri alumine piir on maa- ja merepind, ülemine piir aga ei ole täpselt määratletav. Hämarikunähtuste ja kõrgete virmaliste vaatluse põhjal arvatakse, et see on 1000 – 1200 kilomeetri kõrgusel.
Atmosfääri moodustavaid gaase hoiab kinni Maa gravitatsiooniväli.
Atmosfääri alumises osas on õhurõhk keskmiselt 1 atmosfäär. Peamine osa atmosfäärist on koondunud maapinna lähedasse ossa , mistõttu kõrgemale tõustes vähenevad õhurõhk ja atmosfääri tihedus suhteliselt kiiresti.
Atmosfäär jaotatakse temperatuurigradiendi muutumise alusel mitmesse ossa.
Kõige madalamal on troposfäär. See on umbes 10 kilomeetri paksune. Troposfääris leiavad aset ilmastikunähtused.
Troposfäärile järgneb osoonikiht. Osoonikihis neelatakse Päikesekiirgus, mis hävitaks elu Maal.
Osoonikihile järgnevas stratosfääris ei esine enam ilmastikunähtusi. Selles kõrguses lendavad reaktiivlennukid.
Kõige kõrgemal on lonosfäär. Sellel peegelduvad raadiolained ja levivad nii ümber Maa.
Osoonikiht
Osooni molekul koosneb kolmest hapniku aatomist. See on hapniku allotroopne vorm. Normaaltingimustel on osoon sinakas gaas. -112 kraadi juures kondenseerub see siniseks vedelikuks. Kuna dihapnik kondenseerub alles temperatuuril -183 kraadi, saab vedeldamisega eraldada puhast osooni, mis külmub temperatuuril -193 kraadi. Osoon on keemiliselt aktiivne. Osoonikiht on 15.56 km kõrgusel.
Esimesed tähelepanekud osoonist ulatuvad mitme tuhande aasta taha. Legendaarse kreeka luuletaja Homerose eepostes meenutatakse pärast äikest tekkinud lõhna, aga seda seostati väävli põlemisega taevas, sest sinakas välgulöök sarnaneb värvuselt väävlileegiga.
Õhus sisaldub keskmiselt kümnemiljondik mahuprotsenti osooni. Ilma selleta oleks aga elu Maal jäänudki vaid ookeanide sügavamatesse kihtidesse, kui osoon häviks, kaoks ka elu.
Arvatavasti hakkas Maa atmosfääri hapnikku kogunema umbes 1,8 miljardit aastat tagasi, siis hakkas tekkima ka hapnikust osooni. Osoonil on omadus neelata Päikeselt lähtuvat lühilainelist ultraviolettkiirgust, mis mõjub hävitavalt elule. Kui kogu atmosfääris leiduv osoon kokku koguda, siis moodustaks see ümber Maa vaid o,3 cm paksuse kihi; õhuhapnik võtaks samadel tingimustel enda alla 5,5 km paksuse kihi.
Metsas, mere kohal ja rannikul on õhu osoonisisaldus kõrgem, linnadele lähenedes aga väheneb. Osoonisisaldus sõltub aastaajast : suve alguses on osooni kõige rohkem, sügisel kõige vähem.
1970. aastal tõusis teravalt üles õhu osoonisisalduse küsimus. Selgus, et automootorite töötamisel tekkivates heitgaasides on lämmastikoksiide, neid on ka lennukite heitgaasides. Lämmastikoksiidid tekivad ka lämmastikväetiste lagunemisel pinnases ja aatomipommi plahvatusel. Samuti on kahjulikud aerosoolid, mille kasutamisel satub atmosfääri freooni , sama aine on külmakandjaks külmkapi jahutis.
Lämmastikoksiidid ja freoonid lagundavad osooni, mistõttu selle sisaldus atmosfääris väheneb. Seetõttu jõuab Päikeselt lähtuv ultraviolettkiirgus Maale. Selle tulemusena suureneb päikesekiirguse mõjul inimeste haigestumine nahavähki ja hukkuvad mõned tundlikumad taimeliigid. USA-s haigestub juba praegu nahavähki mitukümmend tuhat inimest aastas rohkem kui varem.
1970. aastal sooritas prantsusmaa kaks termotuumapommi katsetust. Plahvatuskohas pidanuks õhu osoonisisaldus vähenema 5-10% võrra. Kuigi esialgu plahvatuspiirkonnas osoon lagunes, siis umbes kümne sekundi pärast juba 90% sellest taastus.
Osooniauk on osoonikihi osa, milles osooni kontsentratsioon on vähenenud. Tavaliselt mõeldakse osooniaugu all Antarktika kohal püsivalt paiknevat hõredamat osoonikihi osa, aga osoonikihi hõrenemist on tähendatud ka Arktika, Euroopa ja Põhja-Ameerika kohal.
Osoonikihi hõrenemine on üks vähestest globaalsetest probleemidest, millega võitlemisel on saavutatud teatavat edu. Ei ole siiski selge, kas osoonikihi mõningane taastumine on tingitud looduslikest rütmidest või vähenenud freoonide kasutamisest.
1987. aastal kirjutasid nelikümmend riiki alla Montreali protokollile, mis piirab freoonide kasutamist. ( Karik 1991, Vikipeedia)
Fotosüntees
Fotosüntees on loodusliku aineringe tähtsaim lüli ning peamine protsess, mille kaudu orgaaniline maailm täiendab oma energiavaru.
See on protsess, mis toimub taimede rohelistes lehtedes olevates kloroplastides. Fotosüntees toimub päikeseenergia arvel. Fotosünteesi käigus vee molekulid lagunevad ja tekkinud hapnik eritub atmosfääri. Vesinik reageerib aga süsihappegaasiga ning moodustuvad orgaanilised ühendid ( sahharoos , tärklis, aminohapped, karboksüülhapped ja muud orgaanilised ühendid ).
Fotosünteesiks kulub umbes 0,1 % Maale langevast päikeseenergiast.
Fotosünteesi kasutegur ja kiirus sõltuvad välistegureist ( näiteks valguse tugevusest, temperatuurist, taimede varustatavusest vee ja mineraalsete toitainetega) ning taimeliigist, lehe vanusest , füsioloogilisest seisundist ja muust .
Organismide hingamisel laguneb orgaaniline aine uuesti süsihappegaasiks ja veeks .
Möödunud geoloogiliste ajastute taimede fotosünteesi tulemusena on Maa atmosfääri tekkinud hapnik ning maapõue ladestunud orgaanilised kütused ( kivisüsi, nafta , gaas, põlevkivi, turvas ).
Fotosünteesiks on võimelised ka mõned autotroofsed bakteriliigid. Bakterite fotosünteesis ei eraldu aga hapnikku, sest nad ei saa vajalikku vesinikku mitte veest, vaid väävliühendeist.
Kuni kahekümnenda sajandi keskpaigani ei mõjutanud inimtegevus meie planeedi kliimat märkimisväärselt. Viimasel ajal on aga mitmesuguste kütuste laialdane põletamine suurendanud süsihappegaasi sisaldust õhus. Ulatuslike metsaraiete tõttu väheneb pidevalt metsaga kaetud alade pindala. Kõige rohkem eraldavad õhku hapnikku troopilised vihmametsad , ent neid jääb üha vähemaks. Selle tulemusena väheneb atmosfääri lisanduva hapniku hulk, süsihappegaasi hulk aga kasvab.
Hapnikuvaeguse probleem muutub aina aktuaalsemaks, sest see mõjutab otseselt eluprotsesse. Ameerika teadlaste katsed hoida tiineid hiiri erineva hapnikusisaldusega õhus andsid šokeerivaid tulemusi. Väiksema hapnikusisalduse puhul kui on tavalises õhus, sündisid ajudeta hiirepojad, hapnikusisalduse edasine vähendamine põhjustas lausa ilma peata isendite sündi.
Hapnikusisalduse langus praeguselt 21%-lt kuni 16%-ni põhjustaks eeldatavalt imetajate või isegi kogu loomariigi väljasuremist. (Hergi Karik, 1991)
Kõdunemine
Kõdunemine on energia eraldumisega kulgev protsess. Soojushulk , mis siin eraldub, on märksa väiksem kui põlemisel või hingamisel. Mõnikord võib eralduda nii palju soojust, et heinad süttivad iseenesest.
Looduses koguneb väga palju süsinikuühendeid, milles süsiniku oksüdatsiooniaste on esialgu umbes samasugune kui elusorganismides (nullilähedane). Siis algabki kõdunemine, mis võib kulgeda kas hapniku juuresolekul või ilma selleta.
Kui elusorganism sureb , hakkavad süsinikuühendid, eriti aga valgud , väga kiiresti lagunema . Kõdunemine jaguneb mädanemiseks ja roiskumiseks. Kõige kiiremini lagunevad valgud. Kõdunemise saadusi nimetatakse kõduks. Suur osa kõdust läheb mulla koostisesse huumusena, mis muudab mulla toitainerikkaks.
1.Mädanemine
Mädanemise all mõistetakse tavaliselt süsinikuühendite lagunemist õhu juuresolekul. Põhilise lagundamistöö teevad ära mitmesugused mikroorganismid . Valgud lagunevad aminohapeteks, nendest eraldub gaasiline ammoniaak . Aminohapetest järelejäänud süsinikuühendid oksüdeeruvad peamiselt süsihappegaasiks ja veeks, osa läheb mikroorganismide toiduks. Mädanemise käigus ei teki eriti mürgiseid ega ka ebameeldiva lõhnaga ühendeid.
2. Roiskumine
Roiskumine on selline lagunemine , mis toimub õhuhapniku juuresolekuta. Roiskumist põhjustavad roisubakterid. Neid on looduses palju, nad elavad mullas ja igasugustes kõdunevates jäätmetes. Roisubakterid elavad paljude loomade, sealhulgas ka inimese soolestikus – jämesooles.
Ka roiskumisel tekib süsihappegaas, kuid ammoniaagi asemel tekib igasuguseid mürgiseid ja halvasti lõhnavaid lämmastikuühendeid. Roiskumisel muutub paljude valkude koostises olev väävel lenduvateks ja äärmiselt vastiku lõhnaga väävliühenditeks.
Põlemine
Põlemine on kiire oksüdatsioonireaktsioon, millega kaasnevad intensiivne soojuse eraldumine, temperatuuri järsk tõus ja valguskiirgus .
Kui hapniku on piisavalt, moodustub põlemisel süsinikdioksiid ehk süsihappegaas. Peale põlemise moodustub süsihappegaas veel hingamisel, käärimis-, mädanemis- ja kõdunemisprotsessidel.
Süsihappegaas on värvuseta, lõhnata ja hapuka maitsega gaas. Ei põle ega võimalda põlemist, seetõttu kasutatakse seda tulekustutites .
Hapnikuvaeguses moodustub orgaaniliste ühendite ja kütuste põlemisel süsinikoksiid ehk vingugaas .
Vingugaas on värvuseta, lõhnata väga mürgine gaas. Kütuste mittetäielikul põlemisel tekib alati koos vingugaasiga ka teisi saadusi. Seepärast öeldakse, et ruumis on vingu . Vingu lõhna põhjustavad aga teised põlemissaadused. Vingugaas eraldub ruumi siis, kui ahjusiiber suletakse enne, kui kütus on täielikult põlenud. Kui ahju või kamina siiber on avatud, eralduvad süsihappegaas ja vingugaas korstna kaudu.
Kasutatud kirjandus
1. ENE nr. 3, 1988. Tallinn Kirjastus „Valgus“, lk. 310
2. Hergi Karik, 1991. „Hämmastavad ained“, „Valgus“, lk. 63 – 84
3. Hergi Karik, 2003. „Keemia“ , Kirjastus „Ilo“
4. Lembit Tamm, Heiki Timotheus, 9. klassi keemia õpik II osa
5. Vaba entsüklopeedia „Vikipeedia“, http://et.wikipedia.org/wiki/Osoon
http://et.wikipedia.org/wiki/Osooniauk
8