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.
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.
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.
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
Hapnik on fluori järel elektronegatiivsuselt teine element, seetõttu on ta oksüdatsiooniaste negatiivne kõigis ühendites peale fluoriidide. 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 hüperoksiidid, mille kõrvaldamiseks on organismidel teatud ensüümid. Kuid liiga 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, siis aurustub hapnik aja jooksul ja plahvatusoht kaob.
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 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. 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 kliimaseadmetes ja paberi- ning toiduainetetööstuses, tema abil sünteesitakse lõhnaaineid (vanilliini, roosiõli) ja bioaktiivseid ühendeid (glutamiinhapet, neerupealise ja munasarja hormoone). Osooni kasutatakse ka toitainete säilitamisel - külmutite osoonitud õhus säilivad lihasaadused kaks korda kauem. Meditsiinis 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 energialiia 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 selle hulk suurenema. Osoon neelab päikeselt tulevat lühilainelist ultraviolettkiirgust 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 lämmastikoksiidid, mis inimtegevuse tulemusena on stratosfääri sattunud. Freoonide lagunemisel tekivad kloori aatomid, mis lagundavad osooni molekule. Osoonikihile kahjulikke ühendeid kasutatakse näiteks külmutuskappides ja külmutusseadmetes. Lämmastikoksiidid satuvad õhku reaktiivlennukite heitgaasidest ning lämmastikväetiste mikrobioloogilisel lagunemisel.
Osonosfääri lagunemise tõttu jõuab Maale lühilainelist ultraviolettkiirgust (lainepikkusega alla 300 - 400 nm), mis põhjustab inimestel nahavähki. Viimastel aastatel on paljudes riikides täheldatud nahavähki haigestumise suurenemist. Ultraviolettkiirguse kahjulik mõju rakkudele seisneb selles, et ta hävitab nukleiinhappeid, muudab DNA struktuuri ja pidurdab rakkude paljunemist.
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”.
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.
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.