Hapnik

Allikas: Vikipeedia
8





6
2
O
15,9994
Hapnik

Hapnik (keemiline sümbol O) on keemiline element järjenumbriga 8.

Stabiilseid isotoope on kolm, nende massiarvud 16, 17 ja 18.

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 °C kondenseerub see siniseks vedelikuks. Ta moodustab 21% (mahu poolest) Maa atmosfäärist. Õhu koostises sisalduvat molekulaarset hapnikku nimetatakse ka 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 vesinikugavesi.

Et hapnik reageerib paljude orgaaniliste ühenditega, on see 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 lämmastiku soojendamisele, 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 °C, 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.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Varajased katsed[muuda | redigeeri lähteteksti]

Philoni katse inspireeris hilisemaid detektiive.

Ühe esimestest teadaolevatest katsetest põlemise ja õhu seose kohta tegi 2. sajandil eKr Vana-Kreeka mehaanik Philon Byzantionist. Teoses "Pneumatika" täheldas Philon, et kui hoida ümberpööratud anumat põleva küünla kohal ja ümbritseda anuma kael veega, siis tõuseb kaela sisse vett.[1] Philon arvas, et osa anumas olevast õhust muutub tuleks. Leonardo da Vinci jätkas Philoni katset, täheldades, et põlemine ja hingamine kulutavad osa õhust.[2]

17. sajandi lõpus tõestas Robert Boyle, et õhk on põlemiseks vajalik. John Mayow täpsustas, et tuli nõuab ainult seda õhu osa, mida ta nimetas spiritus nitroaereus ehk lihtsalt nitroaereus.[3] Ühes katses ta leidis, et kui asetada hiir või süüdatud küünal kinnisesse anumasse vee kohale, siis vesi tõuseb ja enne katsealuste kustumist asendab 1/14 õhu ruumalast.[4] Ta oletas, et nii põlemine kui ka hingamine kulutavad nitroaereus't.

Mayow täheldas, et kuumutamisel antimoni kaal suureneb, ning tegi järelduse, et nitroaereus ühineb sellega.[5] Ta arvas ka, et kopsud eraldavad nitroaereus't õhust ning annavad selle edasi verre ning et animaalne soojus ja lihaste liikumine tulevad nitroaereus'e reageerimiseks teatud aintega veres.[5] Nende ja teiste katsete ja ideede kirjeldused avaldati 1668 tema raamatus "Tractatus duo" (traktaat "De respiratione").[6]

Flogistoniteooria[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Flogistoniteooria
Georg Ernst Stahl aitas luua ja populariseerida flogistoniteooriat.

Robert Hooke, Ole Borch, Mihhail Lomonossov ja Pierre Bayen said kõik 17. ja 18. sajandil katsetes hapnikku, kuid flogistoniteooria valitsemise tõttu ei näinud keegi selles keemilist elementi.[7]

Flogistoniteooria rajas 1667 saksa alkeemik Johann Joachim Becher ning seda modifitseeris 1731. aastaks saksa keemik Georg Ernst Stahl,[8] See teooria väitis, et kõik põlevad materjalid koosnevad kahest osast. Üks osa, mida nimetatakse flogistoniks, eraldub seda sisaldava aine põlemisel, deflogisteeritud osa aga on selle aine tõeline kuju ehk calx.[2]

Arvati, et väga põlevad materjalid, näiteks puit ja süsi, koosnevad peamiselt flogistonist, mittepõlevad materjalid, mis roostetavad, sisaldavad väga vähe flogistoni. Õhk ei etendanud flogistoniteoorias mingit osa. Teooria kontrollimiseks ei tehtud ka mingeid katseid. See põhines vaatlustel, mis juhtub millegi põlemisel: kõige tavalisemad objektid tunduvad põlemisel kergemaks muutuvat ja midagi kaotavat.[2] Asjaolu, et näiteks puit läheb kokkuvõttes tegelikult raskemaks, varjab gaasilise põlemissaaduste lendumine. Ühe esimese vihje selle kohta, et flogistoniteooria pole õige, andis see, et metallid muutuvad roostetamisel raskemaks, kuigi nad teooria järgi kaotavad flogistoni.

Hapniku avastamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Scheele[muuda | redigeeri lähteteksti]

Carl Wilhelm Scheele avastas hapniku enne Joseph Priestleyt, kuid tema publikatsioon oli hilisem.

Hapniku avastas esimesena Rootsi farmatseut Carl Wilhelm Scheele, kes oli 1772. aastaks saanud dihapnikku, kuumutades elavhõbe(II)oksiidi ja nitraate.[9][2] Scheele nimetas selle gaasi tuleõhuks, sest see oli ainus teadaolev põlemise toetaja, ning kirjutas aruande sellest avastusest käsikirjas pealkirjaga "Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer" ("Traktaat õhust ja tulest") mille ta saatis kirjastajale 1775 ja mis avaldati alles 1777.[10]

Priestley[muuda | redigeeri lähteteksti]

Hapniku esmaavastajaks peetakse tavaliselt Joseph Priestleyt.

1. augustil 1774 fokuseeris Briti vaimulik Joseph Priestley katseklaasis olevale elavhõbe(II)oksiidile (HgO) päikesevalgust, mille tagajärjel vabanes gaas, mille ta hiljem nimetas deflogisteeritud õhuks.[9] Ta pani tähele, et selles gaasis põlevad küünlad heledamalt ja hiir on seda hingates aktiivsem ja elab kauem. Olles gaasi ise hinganud, kirjutas ta: "Selle tunne minu kopsudes polnud tuntavalt erinev tavalise õhu tundest, kuid tundus, et mõnda aega pärast seda oli rinnal eriti kerge tunne."[7] Priestley avaldas oma leiud 1775 artiklis peakirjaga "An Account of Further Discoveries in Air", mis oli osa tema raamatust "Experiments and Observations on Different Kinds of Air".[2][11] Et Priestley avaldas oma leiud esimesena, siis peetakse teda tavaliselt esmaavastajaks.

Lavoisier[muuda | redigeeri lähteteksti]

Prantsuse keemik Antoine Lavoisier väitis hiljem, et ta avastas uue aine sõltumatult. Ent Priestley külastas oktoobris 1774 Lavoisier' d ning rääkis talle oma katsest ja sellest, kuidas ta uue gaasi avastas. Ka Scheele postitas 30. septembril 1774 Lavoisier'le kirja, milles ta kirjeldas, kuidas ta oli avastanud seni aine, kuid Lavoisier ei tunnistanud, et on selle kirja saanud (kirja koopia leiti pärast Scheele surma tema asjade hulgast.[10]

Vaieldamatult (kuigi kaasaegsed seda vaidlustasid) tegi Lavoisier esimesed adekvaatsed kvantitatiivsed katsed oksüdatsiooniga ja andis põlemise esimese korrektse seletuse (põlemise hapnikuteooria).[9] Ta kasutas seda katset ja sarnaseid katseid, mida kõiki ta alustas 1774. aastal, et flogistoniteooriat diskrediteerida ning tõestada, et Priestley ja Scheele avastatud aine on keemiline element.

Antoine Lavoisier diskrediteeris flogistoniteooria.

Ühes katses täheldas Lavoisier, et kui kuumutada tina ja õhku kinnises anumas, siis kogukaal ei suurene.[9] Ta pani tähele, et anuma avamisel tungib õhk sinna ägedalt sisse, mis annab tunnistust sellest, et osa õhku on ära kulutatud. Samuti pani ta tähele, et tina kaal on suurenenud anumasse juurde tunginud õhu kaalu võrra. Seda ja teisi katseid põlemisega kirjeldab tema raamat "Sur la combustion en général", mis ilmus 1777.[9] Selles ta tõestas, et õhk on kahe gaasi segu: üks on "eluõhk", mis on põlemiseks ja hingamiseks vajalik, teine on azote (vanakreeka sõnast ἄζωτον 'elutu'), mis ei toeta kumbagi. Azote kannab eesti keeles nime "lämmastik" (õigemini dilämmastik) ja ladina keeles nitrogenium, kuid Lavoisier antud nimetus on säilinud prantsuse keeles ja mõnes teises keeles, näiteks vene keeles.[9]

Lavoisier nmetas "eluõhule" 1777. aastal nimetuse oxygène vanakreeka sõnast ὀξύς (oxys) ('terav', keemia mõistes 'hape' hapete maitse järgi) ja järelliitest -γενή (-genēs) ('sigitaja', keemias 'tekitaja'), sest ta arvas, et hapnik on kõigi hapete koostisosa.[12] Keemikud (eriti Sir Humphry Davy 1812) tegid hiljem kindlaks, et Lavoisier eksis selles (tegelikult on hapete keemia aluseks vesinik), kuid see enam hapniku nimetust ei mõjutanud.

Lavoisier' sõna laenati ka inglise keelde (oxygen), hoolimata inglise teadlaste vastuseisust ning asjaolu, et inglane Priestley oli gaasi esimesena isoleerinud ja esimesena sellest kirjutanud. Sellele aitas kaasa Erasmus Darwini populaarses raamatus "The Botanic Garden" (1791) avaldatud hapnikku ülistav luuletus "Oxygen"[10]

Kuhni kommentaar[muuda | redigeeri lähteteksti]

Thomas Kuhn kasutab "Teadusrevolutsioonide struktuuri" VI peatükis hapniku avastamislugu selle kohta, et uudsete nähtuste avastamine ja teoreetiliste uuenduste leiutamine on lahutamatult seotud ning teaduslikku avastust ei saa täpselt dateerida ja sageli ka mitte atribueerida, sest avastus on protsess, mis hõlmab uut laadi nähtuse olemasolu ja olemuse kindlakstegemist ja see nõuab aega. Avastus ei ole võrreldav tavalise nägemisega; küsimusel, millal täpselt see tehti, puudub tähendus. Hapniku avastamise prioriteedi küsimus oli nii terav osalt selleärast, et see avastus oli paradigmamuutuse lahutamatu osa. Lavoisier hülgas flogistoniteooria põlemise hapnikuteooria kasuks ja pani sellega alguse keemiarevolutsioonile. Hapniku avastamine andis lihtsalt konkreetse kuju tema aimdusele, et põlemisel neeldub mingi õhu koostisosa. Priestley küll isoleeris hapniku, kuid samastas seda algul teise gaasiga, mille ta oli varem avastanud, seejärel aga pidas deflogisteeritud õhuks, millel on suurem võime flogistoni vastu võtta; seega ei väljunud ta flogistoniteooria raamest. Ka Lavoisier ei mõistnud hapnikku nii, nagu seda tänapäeval mõistetakse: algul oli see tema meelest õhk ise, hiljem pidas ta gaasilist hapnikku hapniku kui happelisuse printsiibi ja soojusaine ühendiks. Hapniku avastamise saab Kuhni järgi dateerida ajavahemikku 1774–1777.

Aatomiteooria[muuda | redigeeri lähteteksti]

John Daltoni algne aatomihüpotees oletas, et kõik elemendid on üheaatomilised ning ühendites on aatomite arvud on tavaliselt omavahel kõige lihtsamates proportsioonides. Näiteks oletas Dalton, et vee valem on HO, nii et hapniku aatommass on vesiniku omast 8 korda suurem (tänapäeva teadmiste järgi 16 korda).[13] Aastal 1805 näitasid Joseph Louis Gay-Lussac ja Alexander von Humboldt, et vesi moodustub kahest mahuosast vesinikust ja ühest mahuosast hapnikust. Ja 1811. aastaks oli Amedeo Avogadro oma Avogadro seaduse põhjal jõudnud vee keemilise koostise tänapäevase tõlgendusele, võttes eelduseks, et vesiniku ja hapniku molekulid on kaheaatomilised.[14] Kuni 1860. aastani neid tulemusi enamasti ignoreeriti, osalt sellepärast, et usuti, et aatomitel ei ole sama elemendi aatomite suhtes keemilist afiinsust, ja osalt Avogadro seaduse näiliste rikkumiste tõttu, mida alles hiljem seletati dissotsieerivate molekulidega.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Joseph Jastrow. Story of Human Error, 1936, ISBN 0-8369-0568-7, lk 171. Google'i raamat
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Gerhard A. Cook, Carol M. Lauer]]. Oxygen. – Clifford A. Hampel. The Encyclopedia of the Chemical Elements, New York: Reinhold Book Corporation 1968, lk 499–512, lk 499.
  3. Encyclopaedia Britannica, 11. trükk, 1911, sub John Mayow|edition=11th
  4. John Mayow. –World of Chemistry, Thomson Gale 2005, ISBN 0-669-32727-1.
  5. Viitamistõrge: Vigane <ref>-silt. Viite nimega EB1911 tekst puudub.
  6. Viitamistõrge: Vigane <ref>-silt. Viite nimega WoC tekst puudub.
  7. 7,0 7,1 John Emsley. Oxygen. – Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford: Oxford University Press 2001, ISBN 0-19-850340-7, lk 297–304, lk 299
  8. Richard Morris. The last sorcerers: The path from alchemy to the periodic table, Joseph Henry Press: Washington, D.C. 2003, ISBN 0-309-08905-0.
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 Gerhard A. Cook, Carol M. Lauer]]. Oxygen. – Clifford A. Hampel. The Encyclopedia of the Chemical Elements, New York: Reinhold Book Corporation 1968, lk 499–512, lk 500.
  10. 10,0 10,1 10,2 John Emsley. Oxygen. – Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford: Oxford University Press 2001, ISBN 0-19-850340-7, lk 297–304, lk 300.
  11. Joseph Priestley. An Account of Further Discoveries in Air. – Philosophical Transactions, 1775, kd 65, lk 384–394.
  12. G. D. Parks, J. W. Mellor. Mellor's Modern Inorganic Chemistry, 6. trükk, Longmans, Green and Co: London 1939.
  13. Dennis DeTurck, Larry Gladney, Anthony Pietrovito. Do We Take Atoms for Granted?] – The Interactive Textbook of PFP96, 1997.]]
  14. Henry Enfield Roscoe, Carl Schorlemmer. A Treatise on Chemistry, Appleton and Co. 1883, lk 38.

Kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • A. N. Meldrum. The Eighteenth Century Revolution in Science–The First Phase, Calcutta 1930, ptk V.
  • H. Metzger. La philosophie de la matière chez Lavoisier, 1935.
  • J. B. Conant. The Overthrow of the Phlogiston Theory: The Chemical Revolution of 1775–1789, Cambridge, Mass. 1950.
  • Maurice Daumas. Lavoisier, théoricien et expérimentateur, Paris 1955.
  • Uno Bocklund. A Lost Letter from Scheele to Lavoisier. – Lychnos, 1957–1958, lk 39–62.
  • Henry Guerlac. Lavoisier–the Crucial Year: The Background and Origin of His First Experiments on Combustion in 1772, Ithaca 1961.
  • T. S. Kuhn. The Historical Structure of Scientific Discovery. – Science, 1962, CXXXVI, lk 760–764.

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keemiliste elementide perioodilisussüsteem
Metallid Poolmetallid Väärisgaasid Mittemetallid Leelismetallid Leelismuldmetallid Lantanoidid Aktinoidid
Vesinik - Boor - Süsinik - Lämmastik - Hapnik - Fluor - Räni - Fosfor - Väävel - Kloor - Seleen - Broom - Jood