Hapnik (O) on perioodilisuse tabeli rühma 16 (VIa) kuuluv mittemetalliline keemiline element. See on värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas, mis on oluline elusorganismidele – loomadele, kes muudavad selle süsihappegaasiks, ja taimedele, kes kasutavad süsinikdioksiidi allikana CO2 ja tagastavad O 2 atmosfääri. Hapnik moodustab ühendeid, reageerides peaaegu kõigi teiste elementidega, ja tõrjub ka keemilisi elemente üksteisega sidemetest välja. Paljudel juhtudel kaasneb nende protsessidega soojuse ja valguse eraldumine. Kõige olulisem hapnikuühend on vesi.
Avastuste ajalugu
Aastal 1772 demonstreeris Rootsi keemik Carl Wilhelm Scheele esimest korda hapnikku kaaliumnitraadi, elavhõbeoksiidi ja paljude teiste ainete kuumutamisega. Temast sõltumatult avastas inglise keemik Joseph Priestley 1774. aastal selle keemilise elemendi elavhõbeoksiidi termilise lagunemise teel ja avaldas oma leiud samal aastal, kolm aastat enne avaldamist. Scheele. Aastatel 1775–1780 tõlgendas prantsuse keemik Antoine Lavoisier hapniku rolli hingamisel ja põlemisel, lükates tagasi tol ajal üldtunnustatud flogistoni teooria. Ta märkis, et sellel on kalduvus moodustada happeid, kui seda kombineeritakse erinevate ainetega, ja nimetas elemendi oxygène, mis kreeka keeles tähendab "happe tootmist".
Levikus
Mis on hapnik? Moodustab 46% maakoore massist ja on selle kõige levinum element. Hapniku sisaldus atmosfääris on 21 mahuprotsenti ja merevees 89%.
Kivimites on element ühendatud metallide ja mittemetallidega oksiididena, mis on happelised (näiteks väävel, süsinik, alumiinium ja fosfor) või aluselised (k altsiumi-, magneesiumi- ja rauasoolad) ja soolataoliste ühenditena, mida võib pidada happelistest ja aluselistest oksiididest, nagu sulfaadid, karbonaadid, silikaadid, aluminaadid ja fosfaadid, moodustunuks. Kuigi neid on palju, ei saa need tahked ained olla hapnikuallikad, kuna elemendi sideme katkestamine metalliaatomitega on liiga energiakulukas.
Funktsioonid
Kui hapniku temperatuur on alla -183 °C, muutub see helesiniseks vedelikuks ja temperatuuril -218 °C tahkeks. Puhas O2 on õhust 1,1 korda raskem.
Hingamise ajal tarbivad loomad ja mõned bakterid atmosfäärist hapnikku ja tagastavad süsihappegaasi, samas kui fotosünteesi käigus neelavad rohelised taimed päikesevalguse käes süsihappegaasi ja eraldavad vaba hapnikku. Peaaegukogu O2 atmosfääris toodetakse fotosünteesi teel.
20 °C juures lahustub umbes 3 mahuosa hapnikku 100 osas magevees, veidi vähem merevees. See on vajalik kalade ja muu mereelustiku hingamiseks.
Looduslik hapnik on segu kolmest stabiilsest isotoobist: 16O (99,759%), 17O (0,037 %) ja18O (0,204%). Teada on mitmeid kunstlikult toodetud radioaktiivseid isotoope. Pikima elueaga neist on 15O (poolväärtusajaga 124 s), mida kasutatakse imetajate hingamise uurimiseks.
Allotroopid
Selgem ettekujutus sellest, mis on hapnik, võimaldab teil saada selle kaks allotroopset vormi, kaheaatomilist (O2) ja kolmeaatomilist (O3). , osoon). Kaheaatomilise vormi omadused viitavad sellele, et kuus elektroni seovad aatomeid ja kaks jäävad paarituks, põhjustades hapniku paramagnetismi. Osoonimolekuli kolm aatomit ei asu sirgjoonel.
Osooni saab toota võrrandi järgi: 3O2 → 2O3.
Protsess on endotermiline (nõuab energiat); osooni muundumist tagasi kaheaatomiliseks hapnikuks soodustab siirdemetallide või nende oksiidide olemasolu. Puhas hapnik muudetakse hõõguva elektrilahendusega osooniks. Reaktsioon toimub ka ultraviolettkiirguse neeldumisel lainepikkusega umbes 250 nm. Selle protsessi toimumine atmosfääri ülemistes kihtides välistab kiirguse, mis võib põhjustadakahju elule Maa pinnal. Terav osooni lõhn on suletud ruumides, kus on sädemeid tekitavad elektriseadmed, näiteks generaatorid. See on helesinine gaas. Selle tihedus on 1,658 korda suurem kui õhu tihedus ja selle keemistemperatuur on atmosfäärirõhul -112 °C.
Osoon on tugev oksüdeerija, mis on võimeline muutma vääveldioksiidi trioksiidiks, sulfiidi sulfaadiks, jodiidi joodiks (pakkudes analüüsimeetodit selle hindamiseks) ja paljusid orgaanilisi ühendeid hapnikuga küllastunud derivaatideks, nagu aldehüüdid ja happed. Sudu põhjustab autode heitgaaside süsivesinike muundamine nendeks hapeteks ja aldehüüdideks osooni toimel. Tööstuses kasutatakse osooni keemilise ainena, desinfitseerimisvahendina, reoveepuhastusvahendina, vee puhastamisel ja kangaste pleegitamisel.
Meetodite hankimine
Hapniku tootmisviis sõltub sellest, kui palju gaasi on vaja. Laboratoorsed meetodid on järgmised:
1. Mõnede soolade (nt kaaliumkloraadi või kaaliumnitraadi) termiline lagunemine:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
Kaaliumkloraadi lagunemist katalüüsivad siirdemetallide oksiidid. Selleks kasutatakse sageli mangaandioksiidi (pürolusiit, MnO2). Katalüsaator alandab hapniku eraldumiseks vajaliku temperatuuri 400 °C-lt 250 °C-le.
2. Metalloksiidide lagunemine temperatuuril:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Scheele ja Priestley kasutasid selle keemilise elemendi saamiseks hapniku ja elavhõbeda (II) ühendit (oksiidi).
3. Metallperoksiidide või vesinikperoksiidi termiline lagunemine:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
Esimesed tööstuslikud meetodid hapniku eraldamiseks atmosfäärist või vesinikperoksiidi tootmiseks sõltusid baariumperoksiidi moodustumisest oksiidist.
4. Vee elektrolüüs väikeste soolade või hapete lisanditega, mis tagavad elektrivoolu juhtivuse:
2H2O → 2H2 + O2
Tööstuslik tootmine
Kui on vaja saada suures koguses hapnikku, kasutatakse vedela õhu fraktsioneerivat destilleerimist. Õhu peamistest koostisosadest on sellel kõrgeim keemispunkt ja see on seetõttu vähem lenduv kui lämmastik ja argoon. Protsess kasutab gaasi jahutamist, kui see paisub. Toimingu põhietapid on järgmised:
- õhk filtreeritakse tahkete osakeste eemaldamiseks;
- niiskus ja süsinikdioksiid eemaldatakse leelisesse imendumise teel;
- õhk surutakse kokku ja survesoojus eemaldatakse tavaliste jahutusprotseduuridega;
- siis siseneb see mähisesse, mis asubkaamera;
- osa surugaasist (rõhul umbes 200 atm) paisub kambris, jahutades spiraali;
- paisutatud gaas naaseb kompressorisse ja läbib mitu järgnevat paisumise ja kokkusurumise etappi, mille tulemusena muutub vedelik temperatuuril -196 °C õhk vedelaks;
- vedelikku kuumutatakse, et destilleerida esimesed kerged inertgaasid, seejärel lämmastik ja alles jääb vedel hapnik. Mitmekordne fraktsioneerimine annab enamiku tööstuslike eesmärkide jaoks piisav alt puhta toote (99,5%).
Tööstuslik kasutamine
Metallurgia on kõrge süsinikusisaldusega terase tootmisel suurim puhta hapniku tarbija: vabanege süsinikdioksiidist ja muudest mittemetallilistest lisanditest kiiremini ja lihtsam alt kui õhku kasutades.
Hapnikuga reoveepuhastus lubab puhastada vedelat heitvett tõhusam alt kui muud keemilised protsessid. Jäätmete põletamine suletud süsteemides puhast O2.
. muutub järjest olulisemaks.
Nn rakettoksüdeerija on vedel hapnik. Puhas O2 Kasutatakse allveelaevades ja sukeldumiskellades.
Keemiatööstuses on hapnik asendanud normaalse õhu selliste ainete tootmisel nagu atsetüleen, etüleenoksiid ja metanool. Meditsiinilised rakendused hõlmavad gaasi kasutamist hapnikukambrites, inhalaatorites ja beebiinkubaatorites. Hapnikuga rikastatud anesteetiline gaas toetab üldanesteesia ajal elu. Ilma selle keemilise elemendita on mitmedsulatusahjusid kasutavad tööstused. See on hapnik.
Keemilised omadused ja reaktsioonid
Hapniku kõrge elektronegatiivsus ja elektronafiinsus on tüüpilised elementidele, millel on mittemetallilised omadused. Kõigil hapnikuühenditel on negatiivne oksüdatsiooniaste. Kui kaks orbitaali on täidetud elektronidega, tekib O2- ioon. Peroksiidides (O22-) eeldatakse, et iga aatomi laeng on -1. See omadus võtta vastu elektrone täieliku või osalise ülekande teel määrab oksüdeeriva aine. Kui selline aine reageerib elektronidoonorainega, langeb tema enda oksüdatsiooniaste. Hapniku oksüdatsiooniastme muutumist (vähenemist) nullist -2-ni nimetatakse redutseerimiseks.
Tavalistes tingimustes moodustab element kahe- ja kolmeaatomilisi ühendeid. Lisaks on väga ebastabiilsed neljaaatomilised molekulid. Kaheaatomilisel kujul paiknevad kaks paaritu elektroni mittesiduvatel orbitaalidel. Seda kinnitab gaasi paramagnetiline käitumine.
Osooni intensiivset reaktsioonivõimet seletatakse mõnikord eeldusega, et üks kolmest aatomist on "aatomi" olekus. Reaktsiooni sisenedes dissotsieerub see aatom O3, jättes molekulaarse hapniku järele.
O2 molekul on normaalsel ümbritseval temperatuuril ja rõhul nõrg alt reaktiivne. Aatomi hapnik on palju aktiivsem. Dissotsiatsioonienergia (O2 → 2O) on märkimisväärne jaon 117,2 kcal mooli kohta.
Ühendused
Mittemetallidega, nagu vesinik, süsinik ja väävel, moodustab hapnik suure hulga kovalentse sidemega ühendeid, sealhulgas mittemetallide, näiteks vee, oksiide (H2O), vääveldioksiid (SO2) ja süsinikdioksiid (CO2); orgaanilised ühendid nagu alkoholid, aldehüüdid ja karboksüülhapped; tavalised happed nagu süsihape (H2CO3), väävelhape (H2SO4) ja lämmastik (HNO3); ja vastavad soolad, nagu naatriumsulfaat (Na2SO4), naatriumkarbonaat (Na2 CO 3) ja naatriumnitraati (NaNO3). Hapnik esineb O2- ioonide kujul tahkete metallioksiidide, nagu hapniku ja k altsiumi CaO ühend (oksiid) kristallstruktuuris. Metalli superoksiidid (KO2) sisaldavad O2- iooni, samas kui metalliperoksiidid (BaO) 2), sisaldavad iooni O22-. Hapnikuühendite oksüdatsiooniaste on peamiselt -2.
Põhifunktsioonid
Lõpuks loetleme hapniku peamised omadused:
- Elektroni konfiguratsioon: 1s22s22p4.
- Aatomnumber: 8.
- Aatommass: 15,9994.
- Keemistemperatuur: -183,0 °C.
- Sulamistemperatuur: -218,4 °C.
- Tihedus (kui hapnikurõhk on 0 °C juures 1 atm): 1,429 g/l.
- Oksüdatsiooniastmed: -1, -2, +2 (fluori sisaldavates ühendites).
