Üks levinumaid keemilisi elemente, mis enamikus kemikaalides sisalduvad, on hapnik. Anorgaanilise ja orgaanilise keemia käigus uuritakse oksiide, happeid, aluseid, alkohole, fenoole ja muid hapnikku sisaldavaid ühendeid. Meie artiklis uurime omadusi ning toome näiteid nende kasutamise kohta tööstuses, põllumajanduses ja meditsiinis.
Oksiidid
Kõige lihtsama struktuuriga on metallide ja mittemetallide kahekomponentsed ühendid hapnikuga. Oksiidide klassifikatsioon hõlmab järgmisi rühmi: happelised, aluselised, amfoteersed ja ükskõiksed. Kõigi nende ainete jagunemise peamine kriteerium on see, milline element ühineb hapnikuga. Kui see on metall, siis need on põhilised. Näiteks: CuO, MgO, Na2O - vase-, magneesiumi-, naatriumoksiidid. Nende peamine keemiline omadus on reaktsioon hapetega. Niisiis, vaskoksiid reageerib kloriidhappega:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O +63,3 kJ.
Mittemetalliliste elementide aatomite olemasolu binaarsete ühendite molekulides viitab nende kuulumisele happeliste oksiidide hulka, näiteks vesinikoksiid H2O, süsinikdioksiid CO 2, fosforpentooksiid P2O5. Selliste ainete võime leelistega reageerida on nende peamine keemiline omadus.
Reaktsiooni tulemusena võivad tekkida kahte tüüpi soolad: happelised või keskmised. See oleneb sellest, kui palju mooli leelist reageerib:
- CO2 + KOH=> KHCO3;
- CO2+ 2KOH=> K2CO3 + H2O.
Teist rühma hapnikku sisaldavaid ühendeid, mis hõlmavad selliseid keemilisi elemente nagu tsink või alumiinium, nimetatakse amfoteerseteks oksiidideks. Nende omadustes on kalduvus keemilisele koostoimele nii hapete kui ka leelistega. Happeoksiidide ja veega interaktsiooni saadused on happed. Näiteks väävelanhüdriidi ja vee reaktsioonis tekib sulfaathape. Happed on üks tähtsamaid hapnikku sisaldavate ühendite klasse.
Happed ja nende omadused
Happejääkide kompleksioonidega seotud vesinikuaatomitest koosnevad ühendid on happed. Tavaliselt võib need jagada anorgaanilisteks, näiteks süsihappeks, sulfaadiks, nitraadiks ja orgaanilisteks ühenditeks. Viimaste hulka kuuluvad äädikhape, sipelghape, oleiinhape. Mõlemal ainerühmal on sarnased omadused. Niisiis astuvad nad neutraliseerimisreaktsiooni alustega, reageerivad sooladega jaaluselised oksiidid. Peaaegu kõik hapnikku sisaldavad happed vesilahustes dissotsieeruvad ioonideks, olles teist tüüpi juhid. Indikaatorite abil on võimalik määrata nende keskkonna happelisust vesinikioonide liigsest olemasolust. Näiteks lilla lakmus muutub punaseks, kui seda lisada happelahusesse. Orgaaniliste ühendite tüüpiline esindaja on karboksüülrühma sisaldav äädikhape. See sisaldab vesinikuaatomit, mis määrab aine happelised omadused. See on spetsiifilise terava lõhnaga värvitu vedelik, mis kristalliseerub temperatuuril alla 17 °C. CH3COOH, nagu ka teised hapnikku sisaldavad happed, lahustub vees igas vahekorras suurepäraselt. Selle 3 - 5% lahus on igapäevaelus tuntud äädika nime all, mida kasutatakse toiduvalmistamisel maitseainena. Aine on leidnud kasutust ka atsetaatsiidi, värvainete, plastide ja mõnede ravimite tootmisel.
Hapnikku sisaldavad orgaanilised ühendid
Keemias võib eristada suurt rühma aineid, mis sisaldavad lisaks süsinikule ja vesinikule ka hapnikuosakesi. Need on karboksüülhapped, estrid, aldehüüdid, alkoholid ja fenoolid. Kõik nende keemilised omadused on määratud spetsiaalsete komplekside - funktsionaalrühmade - olemasoluga molekulides. Näiteks aatomite vahel ainult piiravaid sidemeid sisaldava alkoholi üldine keemiline valem on ROH, kus R on süsivesinikradikaal. Neid ühendeid peetakse tavaliselt alkaanide derivaatideks, milles üksvesinikuaatom on asendatud hüdroksorühmaga.
Alkoholide füüsikalised ja keemilised omadused
Alkoholide agregaatolek on vedelikud või tahked ühendid. Alkoholide hulgas ei leidu gaasilisi aineid, mis on seletatav assotsiaatide - mitmest nõrkade vesiniksidemetega ühendatud molekulidest koosnevate rühmade - moodustumisega. See asjaolu määrab ka madalamate alkoholide hea lahustuvuse vees. Kuid vesilahustes ei dissotsieeru hapnikku sisaldavad orgaanilised ained - alkoholid ioonideks, ei muuda indikaatorite värvi, see tähendab, et neil on neutraalne reaktsioon. Funktsionaalrühma vesinikuaatom on nõrg alt seotud teiste osakestega, seetõttu on see keemilises vastasmõjus võimeline molekulist lahkuma. Samas vaba valentsi kohas asendatakse see teiste aatomitega, näiteks reaktsioonides aktiivsete metallidega või leelistega - metalliaatomitega. Katalüsaatorite (nt plaatinavõrk või vask) juuresolekul oksüdeeritakse alkoholid tugevate oksüdeerivate ainete, kaaliumbikromaadi või kaaliumpermanganaadi toimel aldehüüdideks.
Esterdamisreaktsioon
Hapnikku sisaldavate orgaaniliste ainete üks olulisemaid keemilisi omadusi: alkoholid ja happed on reaktsioon, mis viib estrite tekkeni. Sellel on suur praktiline tähtsus ja seda kasutatakse tööstuses toiduainetööstuses lahustitena kasutatavate estrite ekstraheerimiseks (puuviljaessentside kujul). Meditsiinis kasutatakse osa estreid spasmolüütikumidena, näiteks etüülnitrit laiendab perifeerseid veresooni jaisoamüülnitrit on koronaararterite spasmide kaitsja. Esterdamisreaktsiooni võrrand on järgmine:
CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
Selles on CH3COOH äädikhape ja C2H5OH on alkoholi etanooli keemiline valem.
Aldehüüdid
Kui ühend sisaldab funktsionaalrühma –COH, siis kuulub see aldehüüdide hulka. Neid esitletakse alkoholide edasise oksüdeerimise saadusena, näiteks oksüdeerivate ainetega nagu vaskoksiid.
Karbonüülkompleksi olemasolu sipelg- või atseetaldehüüdi molekulides määrab nende võime polümeriseerida ja siduda teiste keemiliste elementide aatomeid. Kvalitatiivsed reaktsioonid, mida saab kasutada karbonüülrühma olemasolu ja aine kuuluvuse tõestamiseks aldehüüdide hulka, on hõbepeegli reaktsioon ja koostoime vaskhüdroksiidiga kuumutamisel:
Atseetaldehüüd, mida kasutatakse tööstuses äädikhappe tootmiseks, on pälvinud kõige suurema kasutuse – see on orgaanilise sünteesi suures koguses toode.
Hapnikku sisaldavate orgaaniliste ühendite – karboksüülhapete omadused
Karboksüülrühma – ühe või mitme – olemasolu on karboksüülhapete tunnus. Funktsionaalrühma struktuuri tõttu võivad happelahustes tekkida dimeerid. Need on omavahel seotud vesiniksidemetega. Ühendid dissotsieeruvad vesinikkatioonideks ja happejääkide anioonideks ning on nõrgad elektrolüüdid. Erandiks on piirangute sarja esimene esindajaühealuselised happed - sipelghape või metaan, mis on teist tüüpi keskmise tugevusega juht. Vaid lihtsate sigmasidemete olemasolu molekulides näitab piiri, kuid kui ainete koostises on kaksiksidemed, on tegemist küllastumata ainetega. Esimesse rühma kuuluvad sellised happed nagu metaan, äädikhape, võihape. Teist esindavad ühendid, mis on osa vedelast rasvast - õlid, näiteks oleiinhape. Hapnikku sisaldavate ühendite keemilised omadused: orgaanilised ja anorgaanilised happed on suures osas sarnased. Seega võivad nad suhelda aktiivsete metallide, nende oksiidide, leeliste ja ka alkoholidega. Näiteks äädikhape reageerib naatriumi, oksiidi ja seebikiviga, moodustades soola – naatriumatsetaadi:
NaOH + CH3COOH→ NaCH3COO + H2O
Erilise koha hõivavad kõrgemate karboksüülhapete hapnikku sisaldavate hapete ühendid: steariin- ja palmitiinhape koos kolmehüdroksüülse küllastunud alkoholiga - glütseriin. Need kuuluvad estrite hulka ja neid nimetatakse rasvadeks. Samad happed on osa naatriumi- ja kaaliumisooladest happelise jäägina, moodustades seepe.
Rasvad ja seebid
Olulised orgaanilised ühendid, mis on eluslooduses lai alt levinud ja mängivad juhtivat rolli kõige energiamahukama ainena, on rasvad. Need ei ole üksikühendid, vaid heterogeensete glütseriidide segu. Need on piirava mitmehüdroksüülse alkoholi - glütseriini - ühendid, mis, nagu metanool ja fenool, sisaldavad hüdroksüüli funktsionaalrühmi. Rasvu saab hüdrolüüsidakuumutamine veega katalüsaatorite juuresolekul: leelised, happed, tsinkoksiidid, magneesium. Reaktsiooniproduktid on glütserool ja mitmesugused karboksüülhapped, mida kasutatakse edaspidi seebi tootmiseks. Selleks, et selles protsessis ei kasutataks kalleid looduslikke toidurasvu, saadakse vajalikud karboksüülhapped parafiini oksüdeerimise teel.
Fenoolid
Hapnikku sisaldavate ühendite klasside väljamõtlemisel keskendume fenoolidele. Neid esindab fenüülradikaal -C6H5, mis on ühendatud ühe või mitme funktsionaalse hüdroksüülrühmaga. Selle klassi lihtsaim esindaja on karboolhape ehk fenool. Väga nõrga happena võib see suhelda leeliste ja aktiivsete metallidega – naatriumi, kaaliumiga. Aine, millel on väljendunud bakteritsiidsed omadused – fenooli kasutatakse meditsiinis, samuti värvainete ja fenoolformaldehüüdvaikude tootmisel.
Oma artiklis uurisime hapnikku sisaldavate ühendite põhiklasse ja käsitlesime ka nende keemilisi omadusi.
