Sama tüüpi aatomid võivad olla osa erinevatest ainetest. Sümboliga "O" (ladinakeelsest nimetusest Oxygenium) tähistatud elemendi kohta on teada kaks lihtsat looduses levinud ainet. Neist ühe valem on O2, teine on O3. Need on hapniku allotroopsed modifikatsioonid (allotroopid). On ka teisi ühendeid, mis on vähem stabiilsed (O4 ja O8). Ainete molekulide ja omaduste võrdlemine aitab mõista nende vormide erinevust.
Mis on allotroopsed modifikatsioonid?
Paljud keemilised elemendid võivad eksisteerida kahel, kolmel või enamal kujul. Kõik need modifikatsioonid on moodustatud sama tüüpi aatomitest. Teadlane J. Berzellius oli 1841. aastal esimene, kes nimetas sellist nähtust allotroopiaks. Avatud regulaarsust kasutati algselt ainult molekulaarstruktuuriga ainete iseloomustamiseks. Näiteks on teada kaks hapniku allotroopset modifikatsiooni, mille aatomid moodustavad molekule. Hiljem leidsid teadlased, et kristallide hulgas võivad olla modifikatsioonid. Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt on allotroopia üks polümorfismi juhtudest. Vormidevahelised erinevused on põhjustatud mehhanismidestkeemilise sideme moodustumine molekulides ja kristallides. See omadus avaldub peamiselt perioodilisustabeli rühmade 13-16 elementides.
Kuidas erinevad aatomite kombinatsioonid mõjutavad aine omadusi?
Hapniku ja osooni allotroopsed modifikatsioonid moodustuvad 8. aatomnumbriga elemendi aatomitest ja sama arvu elektronidest. Kuid need erinevad struktuurilt, mis tõi kaasa oluliste omaduste erinevuse.
| Märgid | Hapnik | Osoon |
| Molekuli koostis | 2 hapnikuaatomit | 3 hapnikuaatomit |
| Ehitis |
|
|
| Koond olek ja värv | Värvusetu läbipaistev gaas või helesinine vedelik | Sinine gaas, sinine vedelik, tumelilla tahke aine |
| lõhn | Kadunud | Terav, äikesetormi meenutav, värskelt niidetud hein |
| Sulamistemperatuur (°C) | -219 | -193 |
| Keemistemperatuur (°C) | -183 | -112 |
|
Tihedus (g/l) |
1, 4 | 2, 1 |
| Vees lahustuvus | Veidi lahustub | Parem kui hapnik |
| Reaktiivsus | Tavatingimustesstabiilne | Laguneb kergesti hapnikuks |
Järeldused võrdlustulemuste põhjal: hapniku allotroopsed modifikatsioonid ei erine oma kvalitatiivse koostise poolest. Molekuli struktuur peegeldub ainete füüsikalistes ja keemilistes omadustes.
Kas hapniku ja osooni kogused on looduses samad?
Aine, mille valem on O2, leidub atmosfääris, hüdrosfääris, maakoores ja elusorganismides. Umbes 20% atmosfäärist moodustavad kaheaatomilised hapnikumolekulid. Stratosfääris, umbes 12-50 km kõrgusel maapinnast, on kiht, mida nimetatakse "osooniekraaniks". Selle koostist kajastab valem O3. Osoon kaitseb meie planeeti, neelates intensiivselt päikese punase ja ultraviolettspektri ohtlikke kiiri. Aine kontsentratsioon muutub pidev alt ja selle keskmine väärtus on madal - 0,001%. Seega on O2 ja O3 allotroopsed hapniku modifikatsioonid, mille jaotus looduses on oluliselt erinev.
Kuidas saada hapnikku ja osooni?
Molekulaarne hapnik on kõige olulisem lihtaine Maal. See tekib taimede rohelistes osades valguse käes fotosünteesi käigus. Loodusliku või kunstliku päritoluga elektrilahendustega kaheaatomiline hapniku molekul laguneb. Temperatuur, mille juures protsess algab, on umbes 2000 °C. Mõned saadud radikaalid ühinevad uuesti, moodustades hapniku. Mõned aktiivsed osakesed reageerivad kaheaatomiliste molekulidegahapnikku. See reaktsioon tekitab osooni, mis reageerib ka hapniku vabade radikaalidega. See loob kaheaatomilised molekulid. Reaktsioonide pöörduvus toob kaasa asjaolu, et atmosfääri osooni kontsentratsioon muutub pidev alt. Stratosfääris on O3 molekulidest koosneva kihi teke seotud Päikese ultraviolettkiirgusega. Ilma selle kaitsekilbita võivad ohtlikud kiired jõuda Maa pinnale ja hävitada kõik eluvormid.
Hapniku ja väävli allotroopsed modifikatsioonid
Keemilised elemendid O (Oxygenium) ja S (Väävel) asuvad perioodilisuse tabeli samas rühmas, neid iseloomustab allotroopsete vormide moodustumine. Erineva väävliaatomite arvuga (2, 4, 6, 8) molekulidest on norma altingimustes stabiilseim S8, mis meenutab kujult krooni. Rombiline ja monokliiniline väävel on ehitatud sellistest 8-aatomilistest molekulidest.
Temperatuuril 119 °C moodustab kollane monokliiniline vorm pruuni viskoosse massi – plastilise modifikatsiooni. Väävli ja hapniku allotroopsete modifikatsioonide uurimisel on suur tähtsus teoreetilises keemias ja praktilises tegevuses.
Tööstuslikus mastaabis kasutatakse erinevate vormide oksüdeerivaid omadusi. Osooni kasutatakse õhu ja vee desinfitseerimiseks. Kuid kontsentratsioonidel üle 0,16 mg/m3 on see gaas inimestele ja loomadele ohtlik. Molekulaarne hapnik on hingamise jaoks hädavajalik ning seda kasutatakse tööstuses ja meditsiinis. Süsiniku allotroopidel on majandustegevuses oluline roll.(teemant, grafiit), fosfor (valge, punane) ja muud keemilised elemendid.
