Hapniku teke looduses ja selle tootmine tehnoloogias. Keemilised ja füüsikalised omadused, hapniku kasutamine ja tootmine

Vene Föderatsiooni haridus- ja teadusministeerium

"HAPNIKU"

Lõpetatud:

Kontrollitud:

Hapniku üldised omadused.

HAPNIK (lat. Oxygenium), O (loe “o”), keemiline element aatomnumbriga 8, aatommass 15,9994. Mendelejevi elementide perioodilises tabelis paikneb hapnik VIA rühmas teises perioodis.

Looduslik hapnik koosneb kolme stabiilse nukliidi segust massinumbritega 16 (segus domineerib, sisaldab 99,759 massiprotsenti), 17 (0,037%) ja 18 (0,204%). Neutraalse hapnikuaatomi raadius on 0,066 nm. Neutraalse ergastamata hapnikuaatomi välise elektronkihi konfiguratsioon on 2s2р4. Hapnikuaatomi järjestikuse ionisatsiooni energiad on 13,61819 ja 35,118 eV, elektronide afiinsus on 1,467 eV. O 2 iooni raadius on erinevatel koordinatsiooninumbritel 0,121 nm (koordinatsiooniarv 2) kuni 0,128 nm (koordinatsiooniarv 8). Ühendites on selle oksüdatsiooniaste –2 (valents II) ja harvem –1 (valents I). Paulingi skaala järgi on hapniku elektronegatiivsus 3,5 (mittemetallide seas kõrgeim fluori järel).

IN vaba vorm Hapnik on värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas.

O 2 molekuli struktuuri tunnused: õhuhapnik koosneb kaheaatomilistest molekulidest. Aatomitevaheline kaugus O 2 molekulis on 0,12074 nm. Molekulaarne hapnik (gaasiline ja vedel) on paramagnetiline aine; igal O2 molekulil on 2 paarimata elektroni. Seda asjaolu saab seletada asjaoluga, et molekulis on mõlemas antisidumisorbitaalis üks paaritu elektron.

O 2 molekuli dissotsiatsioonienergia aatomiteks on üsna kõrge ja ulatub 493,57 kJ/mol.

Füüsiline ja Keemilised omadused

Füüsikalised ja keemilised omadused: vabas vormis leidub seda kahe modifikatsioonina O 2 ("tavaline" hapnik) ja O 3 (osoon). O 2 on värvitu ja lõhnatu gaas. Normaaltingimustes on gaasilise hapniku tihedus 1,42897 kg/m3. Vedela hapniku (vedelik on sinine) keemistemperatuur on –182,9°C. Temperatuuridel –218,7°C kuni –229,4°C on tahket hapnikku kuupvõrega (modifikatsioon), temperatuuridel –229,4°C kuni –249,3°C - modifikatsioon kuusnurkse võrega ja temperatuuridel alla –249,3°C - kuubikujuline modifikatsioon. Kõrge vererõhuga ja madalad temperatuurid Samuti on saadud teisi tahke hapniku modifikatsioone.

20°C juures on gaasi O2 lahustuvus: 3,1 ml 100 ml vee kohta, 22 ml 100 ml etanooli kohta, 23,1 ml 100 ml atsetooni kohta. On orgaanilisi fluori sisaldavaid vedelikke (näiteks perfluorobutüültetrahüdrofuraan), milles hapniku lahustuvus on palju suurem.

O2 molekuli aatomite vahelise keemilise sideme kõrge tugevus toob kaasa asjaolu, et toatemperatuuril on gaas hapnik keemiliselt üsna passiivne. Looduses muutub see lagunemisprotsesside käigus aeglaselt. Lisaks on toatemperatuuril hapnik võimeline reageerima veres leiduva hemoglobiiniga (täpsemalt heemi raud II-ga), mis tagab hapniku ülekande hingamisteedest teistesse organitesse.

Hapnik reageerib paljude ainetega ilma kuumutamata, näiteks leeliselise ja leelismuldmetallid(tekivad vastavad oksiidid nagu Li 2 O, CaO jne, peroksiidid nagu Na 2 O2, BaO 2 jne ja superoksiidid nagu KO 2, RbO 2 jne), põhjustab rooste teket terastoodete pind. Ilma kuumutamiseta reageerib hapnik valge fosforiga, mõnede aldehüüdide ja muude orgaaniliste ainetega.

Isegi vähesel kuumutamisel suureneb hapniku keemiline aktiivsus järsult. Süttimisel reageerib plahvatuslikult vesiniku, metaaniga, teiste tuleohtlike gaasidega, suur hulk lihtsad ja keerulised ained. On teada, et hapniku atmosfääris või õhus kuumutamisel põlevad paljud lihtsad ja keerulised ained ning tekivad mitmesugused oksiidid, näiteks:

S+O2 = S02; C + O 2 = CO 2

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3; 2Cu + O2 = 2CuO

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H20; 2H2S + 3O2 = 2H2O + 2SO2

Kui hapniku ja vesiniku segu hoitakse klaasnõus toatemperatuuril, tekib eksotermiline reaktsioon vee moodustumiseks.

2H2 + O2 = 2H20 + 571 kJ

kulgeb äärmiselt aeglaselt; Arvutuste kohaselt peaksid esimesed veepiisad anumasse ilmuma umbes miljoni aasta pärast. Kuid kui plaatina või pallaadium (mängib katalüsaatori rolli) viiakse anumasse nende gaaside seguga, samuti süttimisel, kulgeb reaktsioon plahvatusega.

Hapnik reageerib lämmastikuga N2 kas kõrgel temperatuuril (umbes 1500-2000°C) või elektrilahenduse juhtimisel läbi lämmastiku ja hapniku segu. Nendes tingimustes moodustub lämmastikoksiid (II) pöörduvalt:

N2 + O2 = 2NO

Saadud NO reageerib seejärel hapnikuga, moodustades pruuni gaasi (lämmastikdioksiidi):

2NO + O 2 = 2NO2

Mittemetallidest ei interakteeru hapnik mingil juhul otseselt halogeenidega ja metallidest - väärismetallidega - hõbe, kuld, plaatina jne.

Binaarseid hapnikuühendeid, milles hapnikuaatomite oksüdatsiooniaste on –2, nimetatakse oksiidideks (varem nimetati oksiidideks). Näited oksiididest: süsinikoksiid (IV) CO 2, vääveloksiid (VI) SO 3, vaskoksiid (I) Cu 2 O, alumiiniumoksiid Al 2 O 3, mangaanoksiid (VII) Mn 2 O 7.

Hapnik moodustab ka ühendeid, mille oksüdatsiooniaste on –1. Need on peroksiidid (vana nimetus on peroksiidid), näiteks vesinikperoksiid H 2 O 2, baariumperoksiid BaO 2, naatriumperoksiid Na 2 O 2 jt. Need ühendid sisaldavad peroksiidrühma - O - O -. Aktiivsete leelismetallidega, näiteks kaaliumiga, võib hapnik moodustada ka superoksiide, näiteks KO 2 (kaaliumsuperoksiid), RbO 2 (rubiidiumsuperoksiid). Superoksiidides on hapniku oksüdatsiooniaste –1/2. Võib märkida, et superoksiidi valemid kirjutatakse sageli K 2 O 4, Rb 2 O 4 jne.

Kõige aktiivsema mittemetallilise fluoriga moodustab hapnik positiivses oksüdatsiooniastmes ühendeid. Niisiis on ühendis O 2 F 2 hapniku oksüdatsiooniaste +1 ja ühendis O 2 F - +2. Need ühendid ei kuulu oksiidide, vaid fluoriidide hulka. Hapnikfluoriide saab sünteesida ainult kaudselt, näiteks fluori F2 toimel KOH lahjendatud vesilahustele.

Avastamise ajalugu

Hapniku, nagu ka lämmastiku, avastamise ajalugu on seotud mitu sajandit kestnud uuringuga atmosfääriõhk. Seda, et õhk oma olemuselt ei ole homogeenne, vaid sisaldab osi, millest üks toetab põlemist ja hingamist, teine ​​aga mitte, teadis juba 8. sajandil Hiina alkeemik Mao Hoa, hiljem Euroopas Leonardo da. Vinci. 1665. aastal kirjutas inglise loodusteadlane R. Hooke, et õhk koosneb nitraadis sisalduvast gaasist, aga ka mitteaktiivsest gaasist, mis moodustab suurema osa õhust. Seda, et õhk sisaldab elu hoidvat elementi, teadsid paljud keemikud 18. sajandil. Rootsi proviisor ja keemik Karl Scheele alustas õhu koostise uurimist aastal 1768. Kolme aasta jooksul lagundas ta soola (KNO 3, NaNO 3) ja muid aineid kuumutamise teel ning sai “tulise õhu”, mis toetas hingamist ja põlemist. Kuid Scheele avaldas oma katsete tulemused alles 1777. aastal raamatus "Keemiline traktaat õhust ja tulest". 1774. aastal sai inglise preester ja loodusteadlane J. Priestley põlemist soodustava gaasi, kuumutades “põletatud elavhõbedat” (elavhõbedaoksiidi HgO). Pariisis viibides teatas Priestley, kes ei teadnud, et tema saadud gaas on osa õhust, oma leiust A. Lavoisier'le ja teistele teadlastele. Selleks ajaks oli avastatud ka lämmastik. Aastal 1775 jõudis Lavoisier järeldusele, et tavaline õhk koosneb kahest gaasist - hingamiseks ja põlemise toetamiseks vajalikust gaasist ning "vastupidise olemusega" gaasist - lämmastikust. Lavoisier nimetas põlemist toetavat gaasi hapnikuks - "hapet moodustavaks" (kreeka keelest oxys - hapu ja gennao - sünnitan; sellest ka venekeelne nimi "hapnik"), kuna ta uskus siis, et kõik happed sisaldavad hapnikku. Juba ammu on teada, et happed võivad olla nii hapnikku sisaldavad kui ka hapnikuvabad, kuid Lavoisier’ elemendile antud nimi on jäänud muutumatuks. Ligi poolteist sajandit toimis 1/16 hapnikuaatomi massist ühikuna erinevate aatomite masside omavahelisel võrdlemisel ja seda kasutati aatomimasside arvulisel iseloomustamisel. erinevaid elemente(nn aatommasside hapnikuskaala).

Esinemine looduses: hapnik on kõige levinum element Maal, selle osakaal (erinevates ühendites, peamiselt silikaatides) moodustab umbes 47,4% tahke maakoore massist. Mere- ja magedad veed sisaldama suur summa seotud hapnik - 88,8% (massi järgi), atmosfääris on vaba hapniku sisaldus 20,95% (mahu järgi). Element hapnik on osa enam kui 1500 maakoore ühendist.

Kviitung:

Praegu toodetakse hapnikku tööstuses madalatel temperatuuridel õhu eraldamise teel. Esiteks surutakse õhk kokku kompressoriga, mis soojendab õhku. Surugaasil lastakse jahtuda toatemperatuurini ja lastakse seejärel vabalt paisuda. Paisudes langeb gaasi temperatuur järsult. Jahutatud õhk, mille temperatuur on temperatuurist mitukümmend kraadi madalam keskkond, surutakse uuesti rõhuni 10-15 MPa. Seejärel eemaldatakse vabanenud soojus uuesti. Pärast mitut kokkusurumis-paisumistsüklit langeb temperatuur alla nii hapniku kui ka lämmastiku keemistemperatuuri. Moodustub vedel õhk, mis seejärel destilleeritakse. Hapniku keemistemperatuur (–182,9 °C) on rohkem kui 10 kraadi kõrgem kui lämmastiku keemistemperatuur (–195,8 °C). Seetõttu aurustub vedelikust kõigepealt lämmastik ja ülejäänus koguneb hapnik. Aeglase (fraktsioneeriva) destilleerimise tõttu on võimalik saada puhast hapnikku, milles lämmastiku lisandite sisaldus on alla 0,1 mahuprotsendi.

Aatomarv (Z): 8

Rühm, perioodirühm: 16 (kalkogeenid), periood 2

Plokk: p-plokk

Standardne aatommass (Ar):

Tavaline: 15 999

Elektronide konfiguratsioon: 2s2 2p4

Elektronide arv kesta kohta: 2, 6

Faas: gaas

Sulamistemperatuur: 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F)

Keemistemperatuur: 90,188 K (-182,962 °C, -297,322 °F)

Tihedus: 1,429 g/l

Vedelik: 1,141 g/cm3

Kolmikpunkt: 54,361 K, 0,1463 kPa

Kriitiline punkt: 154,581 K, 5,043 MPa

Sulamissoojus: (O2) 0,444 kJ/mol

Aurustumissoojus: (O2) 6,82 kJ/mol

Molaarne soojusmahtuvus: (O2) 29,378 J/(mol K)

Hapnik on keemiline element sümboliga O ja aatomnumbriga 8. See kuulub perioodilisuse tabeli kalkogeenide rühma ning on väga reaktsioonivõimeline mittemetall ja oksüdeeriv aine, mis moodustab enamiku elementidega ja ka teiste ühenditega kergesti oksiide. Massi järgi on hapnik vesiniku ja heeliumi järel kolmas element universumis. Standardtemperatuuril ja -rõhul ühinevad selle elemendi kaks aatomit dihapnikuks, värvitu ja lõhnatu kaheaatomilise gaasilise valemiga O2. Hapnik on oluline osa atmosfäär ja kaheaatomiline hapnik moodustab 20,8% Maa atmosfäärist. Oksiide sisaldavate ühenditena moodustab see element peaaegu poole maakoorest. Dioksiidi kasutatakse rakkude hingamisel ja paljud elusorganismide orgaaniliste molekulide põhiklassid sisaldavad hapnikku, sealhulgas valke, nukleiinhappeid, süsivesikuid ja rasvu, nagu ka peamised koostisosad. anorgaanilised ühendid loomakarbid, hambad ja luud. Suurem osa elusorganismidest sisaldab hapnikku vee komponendina, eluvormide põhikomponendina. Ja vastupidi, hapnikku täiendatakse pidevalt fotosünteesi kaudu, mis kasutab päikesevalgusest saadavat energiat veest ja süsinikdioksiidist hapniku tootmiseks. Hapnik on keemiliselt liiga reaktiivne, et jääda õhus vabaks elemendiks, välja arvatud juhul, kui seda elusorganismide fotosünteesi abil pidevalt täiendada. Teine hapniku vorm (allotroop), osoon (O3), neelab tugevalt ultraviolett-B-kiirgust ja kõrgmäestiku osoonikiht aitab kaitsta Maa biosfääri ultraviolettkiirguse eest. Kuid osoon on saasteaine Maa pinna lähedal, kus see on sudu kõrvalsaadus. Hapniku avastasid iseseisvalt Carl Wilhelm Scheele Uppsalas 1773. aastal või varem ja Joseph Priestley Wiltshire'is 1774. aastal, kuid Priestleyle omistatakse sageli prioriteet, sest tema töö avaldati esimesena. Nime "hapnik" võttis 1777. aastal kasutusele Antoine Lavoisier, kelle katsed hapnikuga aitasid diskrediteerida tol ajal populaarset flogistoniteooriat põlemise ja korrosiooni kohta. Nimi pärineb kreeka sõnast ὀξύς oxys, "hapu", sõna-sõnalt "vürtsikas", mis viitab hapu maitse happed ja -γενής -geenid, "tootja", sõna otseses mõttes "vanem", sest tol ajal arvati ekslikult, et kõigi hapete loomiseks on vaja hapnikku. Üldkasutus Hapnikurakendused hõlmavad elamute kütmist, sisepõlemismootoreid, terase, plasti ja tekstiili tootmist, terase ja muude metallide jootmist, keevitamist ja lõikamist, raketikütust, hapnikuteraapiat ja elutagamissüsteeme lennukites, allveelaevades, kosmoselendudes ja sukeldudes.

Lugu

Varased katsed

Ühe esimese teadaoleva põlemise ja õhu vahelise seose alase katse viis läbi 2. sajandist eKr pärit kreeka kirjanik. mehaanikas Philo Bütsantsist. Philo märkis oma teoses "Pneumatica", et anuma pööramine üle põleva küünla ja anuma kaela ümbritsemine veega põhjustab vee tungimist kaela. Philo oletas ekslikult, et osa õhust anumas muudeti klassikaliseks tuleelemendiks ja suutsid seega tungida läbi klaasi pooride. Palju sajandeid hiljem märkis Leonardo da Vinci Philo töö põhjal, et põlemisel ja hingamisel kulub osa õhust ära. 17. sajandi lõpus tõestas Robert Boyle, et õhk on põlemiseks vajalik. Inglise keemik John Mayow (1641-1679) moderniseeris seda tööd, näidates, et tule põlemiseks vajas ainult osa õhku, mida ta nimetas spiritus nitroaereus. Ühes katses avastas ta, et hiire või küünla asetamine suletud anumasse vee kohale põhjustas vee tõusu ja asendas üheteistkümnendiku õhuhulga enne, kui küünal kustus (või hiir suri). Sellest lähtuvalt tegi ta ettepaneku, et nitroaariumit tarbitakse nii hingamise kui ka põlemise teel. Mayow märkis, et kuumutamisel antimoni kaal suureneb ja eeldatakse, et sellega tuleb kombineerida nitroaariumit. Mayow uskus ka, et kopsud eraldavad nitroaariumi õhust ja suunavad selle verre ning loomne soojus ja lihaste liikumine on nitroaariumi reaktsiooni tulemus teatud kehas leiduvate ainetega. Nende ja teiste katsete ja ideede ülevaated avaldati 1668. aastal tema Tractatus in De respiratione'is.

Flogistoni teooria

Teadlased, kes oma katsetes tootsid hapnikku, on Robert Hooke, Ole Borch, Mihhail Lomonosov ja Pierre Bayen, kuid ükski neist ei pidanud seda keemiliseks elemendiks. See võib osaliselt olla tingitud põlemis- ja korrosioonifilosoofia levikust, mida nimetatakse flogistoni teooriaks, mis oli siis nende protsesside eelistatud selgitus. 1667. aastal saksa alkeemiku J. Becheri poolt rajatud ja keemiku Georg Ernst Stahli poolt 1731. aastaks modifitseeritud flogistoni teooria kohaselt koosnevad kõik põlevad materjalid kahest osast. Üks osa, mida nimetatakse flogistoniks, eraldub seda sisaldava aine põletamisel ja seotud osa peeti selle tõeliseks vormiks. Arvati, et väga põlevad materjalid, mis jätavad vähe jääke, nagu puit või kivisüsi, koosnevad peamiselt flogistonist; Korrodeeruvad mittesüttivad ained, näiteks raud, sisaldavad väga vähe flogistooni. Õhk ei mänginud flogistoni teoorias mingit rolli ja idee kontrollimiseks ei tehtud esialgseid kvantitatiivseid katseid; selle asemel põhines teooria vaatlustel, mis juhtub siis, kui midagi põleb, et enamik tavalisi esemeid muutuvad kergemaks ja kaotavad selle käigus midagi.

Hapniku avastamine

Hapniku avastas esmakordselt Rootsi apteeker Carl Wilhelm Scheele. Ta tootis 1771-1772 elavhõbeoksiidi ja erinevate nitraatide kuumutamisel gaasi hapnikku. Scheele nimetas seda gaasi "tuleõhuks", kuna ta oli ainus teadaolev põlemisteooria pooldaja ja kirjutas sellest avastusest ülevaate käsikirjas, mille ta nimetas "Traktaat õhust ja tulest", mille ta saatis aastal oma kirjastajale. 1775. See dokument avaldati 1777. aastal. Vahepeal, 1. augustil 1774, Briti vaimuliku Joseph Priestley läbiviidud katses keskendus päikesevalgus elavhõbedaoksiidile (HgO) klaastoru sees, vabastades gaasi, mida ta nimetas "deflogistoniseeritud õhuks". Ta märkis, et küünlad põlesid gaasis heledamalt ning hiired olid aktiivsemad ja elasid seda sisse hingates kauem. Pärast ise gaasi sissehingamist kirjutas ta: "Selle gaasi tunne minu kopsudes ei erinenud õhust, kuid mulle tundus, et mu rinnus oli väga kerge, mis jätkus veel mõnda aega hiljem." Priestley avaldas oma avastused 1775. aastal artiklis pealkirjaga "An Account of Further Discoveries about Air", mis lisati tema raamatu "Experiments and Observations of Air" teise köite hulka. erinevat tüüpiõhk." Kuna ta avaldas oma leiud esimesena, peetakse Priestleyt üldiselt hapniku avastajaks. Prantsuse keemik Antoine Laurent Lavoisier väitis hiljem, et avastas uue aine ise. Priestley külastas Lavoisier'd 1774. aasta oktoobris ja rääkis talle oma katsest ja sellest, kuidas see uue gaasi vabastas. Scheele saatis 30. septembril 1774 Lavoisierile ka kirja, milles kirjeldas varem tundmatu aine avastamist, kuid Lavoisier ei kinnitanud selle kirja kättesaamist (kirja koopia leiti pärast tema surma Scheele asjadest).

Lavoisier’ panus

Lavoisier viis läbi esimesed piisavad kvantitatiivsed oksüdatsioonikatsed ja andis esimese õige selgituse põlemise toimimise kohta. Ta kasutas neid ja sarnaseid eksperimente alates 1774. aastast, et diskrediteerida flogistoni teooriat ja tõestada, et Priestley ja Scheele'i avastatud aine oli keemiline element. Ühes katses märkis Lavoisier, et kui tina ja õhku kuumutati suletud anumas, kaal üldiselt ei tõusnud. Ta märkis, et õhk "tormas konteineri sisse", kui ta selle avas, mis näitab, et osa kinni jäänud õhust oli hävinud. Ta märkis ka, et tina kaal on suurenenud ja see tõus oli sama suur kui "välja plahvatanud" õhu kaal. Seda ja teisi põlemiskatseid dokumenteeriti tema 1777. aastal ilmunud raamatus Sur la combustion en général. Selles töös tõestas ta, et õhk on kahe gaasi segu; “elutähtis õhk”, mis on vajalik põlemiseks ja hingamiseks, ning lämmastik (kreeka keeles Ἄζωτον “elutu”). Lavoisier nimetas "eluõhu" hapnikuks 1777. aastal kreeka juurtest ὀξύς (oksüs) (happeline, hapete maitsest) ja -γενής (-genēs) (tootja, sõna otseses mõttes "genereerib"), kuna ta arvas ekslikult, et hapnik on lahutamatu osa kõik happed. Keemikud (näiteks Sir Humphry Davy 1812. aastal) tegid lõpuks kindlaks, et Lavoisier eksis selles osas (vesinik on happekeemia aluseks), kuid selleks ajaks oli see nimi liiga hästi meelde jäänud. Sõna jõudis inglise keelde hoolimata inglise teadlaste vastupanust ja sellest, et inglane Priestley oli esimene, kes gaasi eraldas ja sellest kirjutas. Seda seletab osaliselt luuletus, mis ülistab Charles Darwini vanaisa Erasmus Darwini populaarses raamatus Botaanikaaed (1791) gaasi nimega "Hapnik".

Hilisem ajalugu

John Daltoni algse aatomihüpoteesi kohaselt on kõik elemendid üheaatomilised ja ühendites on aatomitel tavaliselt üksteisega kõige lihtsamad aatomisuhted. Näiteks pakkus Dalton välja, et vee valem on H O ja hapniku aatommass on 8 korda suurem vesiniku aatommassist, mitte tänapäevase väärtuse 16 asemel. 1805. aastal näitasid Joseph Louis Gay-Lussac ja Alexander von Humboldt, et vesi moodustub kahest mahust vesinikust ja ühest mahust hapnikust; ja 1811. aastaks oli Amedeo Avogadro jõudnud vee koostise õige tõlgenduseni, mis põhines praegusel Avogadro seadusel ja nendes gaasides leiduvatel kaheaatomilistel elementaarmolekulidel. 19. sajandi lõpuks mõistsid teadlased, et õhku saab veeldada ja selle komponente isoleerida kokkusurumise ja jahutamise teel. Šveitsi keemik ja füüsik Raoul Pierre Pictet aurutas kaskaadmeetodil vedela vääveldioksiidi veeldamiseks süsinikdioksiid, mis omakorda aurustus ja jahutas hapnikku piisavalt, et see veeldada. 22. detsembril 1877 saatis ta Pariisi Prantsuse Teaduste Akadeemiale telegrammi, milles teatas vedela hapniku avastamisest. Kaks päeva hiljem kuulutas prantsuse füüsik Louis-Paul Cayette välja oma meetodi molekulaarse hapniku veeldamiseks. Igal juhul toodeti vaid paar tilka vedelikku ja sisulist analüüsi ei tehtud. Esimest korda vedeldasid hapniku stabiilses olekus 29. märtsil 1883 Poola teadlased Jagelloonia ülikoolist Zygmunt Wróblewski ja Karol Olszewski. 1891. aastal suutis Šoti keemik James Dewar hankida uurimistööks piisavalt vedelat hapnikku. Esimese kaubanduslikult elujõulise protsessi vedela hapniku tootmiseks töötasid 1895. aastal sõltumatult välja Saksa insener Carl von Linde ja Briti insener William Hampson. Mõlemad alandasid õhutemperatuuri, kuni gaas veeldus, ja seejärel destilleerisid koostisegaasid, keetes neid omakorda ja püüdes eraldi kinni. Hiljem, 1901. aastal, demonstreeriti esmakordselt oksüatsetüleeniga keevitamist, kus põletati atsetüleeni ja kokkusurutud O2 segu. See metalli keevitamise ja lõikamise meetod on muutunud tavalisemaks. 1923. aastal töötas Ameerika teadlane Robert H. Goddard esimese inimesena välja vedelkütust veeldava mootori; See mootor kasutas kütusena bensiini ja oksüdeerijana vedelat hapnikku. 16. märtsil 1926 lendas Goddard USA-s Massachusettsi osariigis Auburnis edukalt väikese vedelkütusel töötava raketi 56 m kõrgusele kiirusega 97 km/h.Atmosfääri hapnikutase on maailmas veidi erinev, võib-olla fossiilkütuste põletamise tõttu. .

Omadused

Omadused ja molekulaarstruktuur

Standardtemperatuuril ja -rõhul on hapnik värvitu, maitsetu ja lõhnatu gaas, mille molekulvalem on O2, mida nimetatakse dioksiidiks. Dioksiidina on hapnikul kaks omavahel keemiliselt seotud aatomit. Seda sidet saab teooria tasemest lähtuvalt kirjeldada mitmel erineval viisil, kuid seda kirjeldatakse mõistlikult ja lihtsalt kui kovalentset kaksiksidet, mis tekib üksikute hapnikuaatomite aatomiorbitaalidest moodustunud molekulaarorbitaalide täitumisel, mille täitumise tulemuseks on järjekorras kaks. Täpsemalt, kaksikside tuleneb järjestikustest, madala ja kõrge energiaga või Aufbau täiteorbitaalidest ja selle tulemusena kahe elektroni panuse tühistamisest pärast madala σ ja σ * orbitaalide järjestikust täitmist; σ kahe aatomi 2p orbitaali kattumine, mis asetsevad piki OO molekulaarset telge ja moodustavad π kattuvuse kahest paarist aatomi 2p orbitaalidest, mis on risti OO molekulaarse teljega, ning tühistavad ülejäänud kahe panuse kuuest 2p elektronist, kui need on osaliselt täidetud väikseimate π- ja π* orbitaalide järgi. See σ ja π kattumise tühistamise kombinatsioon põhjustab dioksiidi topeltsiduvuse ja reaktsioonivõime ning kolmekordse elektroonilise põhioleku. Elektronkonfiguratsioon kahe paaritu elektroniga, mis on leitud kaheteljelistel orbitaalidel koos võrdne energia, esindavad konfiguratsiooni, mida nimetatakse tripleti pöörlemisolekuks. Seetõttu nimetatakse O2 molekuli põhiseisundit kolmikhapnikuks. Kell kõrgeim energia, on osaliselt täidetud orbitaalid antisiduvad ja seetõttu nõrgendab nende täitmine sideme järjestust kolmelt kahele. Oma paaritute elektronide tõttu reageerib kolmikhapnik aeglaselt enamiku orgaaniliste molekulidega, millel on elektronide paaris spinnid; see hoiab ära isesüttimise. Kolmikvormis on O2 molekulid paramagnetilised. See tähendab, et nad annavad hapniku juuresolekul magnetilise iseloomu magnetväli, mis on tingitud molekulis paaritute elektronide spin-magnetmomentidest ja negatiivsest vahetusenergiast naabruses asuvate O2 molekulide vahel. Vedel hapnik on nii magnetiline, et laboratoorsetes demonstratsioonides saab vedela hapniku silla oma raskuse vastu toetada võimsa magneti pooluste vahele. Singlethapnik on nimi, mis on antud mitmele molekulaarse O2 kõrgema energia liigile, milles kõik elektronide spinnid on paaris. See on tavaliste orgaaniliste molekulidega palju aktiivsem kui molekulaarne hapnik ise. Looduses tekib singletthapnik tavaliselt veest fotosünteesi käigus, kasutades päikesevalguse energiat. Samuti moodustub see troposfääris osooni fotolüüsil lühikese lainepikkusega valguse toimel ja immuunsüsteemis aktiivse hapniku allikana. Fotosünteetiliste organismide (ja võib-olla ka loomade) karotenoidid mängivad olulist rolli üksiku hapniku energia neelamisel ja selle muundamisel ergastamata põhiolekusse, enne kui see võib põhjustada koekahjustusi.

Hapniku allotroopid

Tavalist elementaarse hapniku allotroopi Maal nimetatakse dihapnikuks O2 ja see esindab suuremat osa Maa atmosfäärihapnikust. O2 sideme pikkus on 121 μm ja sidumisenergia 498 kJ mol-1, mis on väiksem kui biosfääri teiste kaksiksidemete või üksiksidemepaaride energia ja vastutab O2 eksotermilise reaktsiooni eest mis tahes orgaanilise molekuliga. Oma energiasisalduse tõttu kasutavad O2 keerulised eluvormid, näiteks rakuhingamisel olevad loomad. Trihapnik (O3) on üldtuntud kui osoon ja see on väga reaktiivne hapniku allotroopia, mis kahjustab kopsukudet. Osoon tekib atmosfääri ülemistes kihtides, kui O2 ühineb aatomihapnikuga, mis tekib O2 lagunemisel ultraviolettkiirguse (UV) kiirguse toimel. Kuna osoon neelab tugevalt spektri UV-ala, toimib osoonikiht atmosfääri ülakihtides planeedi kaitsva kiirguskilbina. Maapinna lähedal on osoon saasteaine, mis tekib autode heitgaaside kõrvalsaadusena. Madalatel Maa orbiitidel on piisavalt aatomihapnikku, et põhjustada kosmoselaevade korrosiooni. Metastabiilne tetrahapniku molekul (O4) avastati 2001. aastal ja arvatakse, et see eksisteerib ühes kuuest tahke hapniku faasist. 2006. aastal tõestati, et see staadium, mis tekkis O2-20 GPa rõhu tõstmisel, on tegelikult romboeedriline O8. See klaster võib olla palju võimsam oksüdeerija kui O2 või O3 ja seetõttu saab seda kasutada raketikütuses. Metallfaas avastati 1990. aastal, kui tahke hapnik allutati rõhule üle 96 GPa, ja 1998. aastal näidati, et väga madalatel temperatuuridel muutub see faas ülijuhtivaks.

Füüsikalised omadused

Hapnik lahustub vees kergemini kui lämmastik ja magevees lahustub kergemini kui merevees. Õhuga tasakaalus olev vesi sisaldab ligikaudu 1 molekuli lahustunud O2 iga kahe N2 molekuli kohta (1:2), võrreldes atmosfääriõhu suhtega ligikaudu 1:4. Hapniku lahustuvus vees sõltub temperatuurist ja on ligikaudu kaks korda suurem sama hea (14,6 mg L-1) lahustub paremini temperatuuril 0 °C kui temperatuuril 20 °C (7,6 mg L-1). 25 °C ja 1 standardatmosfääri (101,3 kPa) õhu juures sisaldab magevesi umbes 6,04 milliliitrit (ml) hapnikku liitri kohta ja merevesi sisaldab umbes 4,95 ml liitri kohta. 5 °C juures suureneb lahustuvus 9,0 ml-ni (50% rohkem kui 25 °C juures) liitri kohta vees ja 7,2 ml-ni (45% rohkem) liitri kohta merevee puhul. Hapnik kondenseerub temperatuuril 90,20 K (-182,95 °C, -297,31 °F) ja külmub temperatuuril 54,36 K (-218,79 °C, -361,82 °F). Nii vedel kui ka tahke O2 on läbipaistvad heledad ained. sinine värv põhjustatud punase imendumisest (erinevalt sinist värvi taevas Rayleighi sinise valguse hajumise tõttu). Kõrge puhtusastmega O2 vedelik saadakse tavaliselt veeldatud õhu fraktsioneeriva destilleerimise teel. Vedelat hapnikku saab ka õhust kondenseerida, kasutades külmutusagensina vedelat lämmastikku. Hapnik on väga reaktiivne ja tuleb eraldada tuleohtlikest materjalidest. Molekulaarhapniku spektroskoopia on seotud aurora, õhuvalguse ja öövalguse atmosfääri protsessidega. Herzbergi kontiinumi ja Schumann-Runge vööndite neeldumine ultraviolettkiirguses põhjustab aatomi hapniku tootmist, mis on oluline keskmise atmosfääri keemias. Ergastatud singlettmolekulaarne hapnik vastutab lahuses punase kemoluminestsentsi eest.

Isotoobid ja tähtede päritolu

Looduslikult esinev hapnik koosneb kolmest stabiilsest isotoobist, 16O, 17O ja 18O, kusjuures 16O on kõige rikkalikum (99,762% looduslikust arvukusest). Suurem osa 16O-st sünteesitakse heeliumi ühinemisprotsessi lõpus massiivsetes tähtedes, kuid osa sünteesitakse neoonide põlemisel. 17O toodetakse peamiselt vesiniku põlemisel heeliumis CNO tsükli ajal, muutes selle tavaliseks isotoobiks tähtede vesiniku põlemistsoonides. Enamik 18O tekib siis, kui 14N (suurtes kogustes CNO põlemisel) hõivab 4He tuuma, muutes 18O rohkeks arenenud massiivsete tähtede heeliumirikastes tsoonides. Iseloomustatud on 14 hapniku radioisotoopi. Kõige stabiilsemad neist on 15O poolväärtusajaga 122,24 sekundit ja 140 poolväärtusajaga 70,606 sekundit. Kõigi teiste radioaktiivsete isotoopide poolestusaeg on alla 27 sekundi ja enamikul on poolväärtusaeg alla 83 millisekundi. Kõige tavalisem lagunemisviis 16O-st kergemate isotoopide puhul on β+ lagunemine, mis toodab lämmastikku, ja kõige levinum lagunemisviis 18O-st raskemate isotoopide puhul on beeta-lagunemine, mis tekitab fluori.

Levimus

Hapnik on massi järgi kõige levinum keemiline element Maa biosfääris, õhus, merel ja maal. Hapnik on vesiniku ja heeliumi järel universumis kõige levinumalt kolmas keemiline element. Umbes 0,9% Päikese massist moodustab hapnik. Hapnik moodustab 49,2% maakoore massist oksiidühendites, nagu ränidioksiid, ja on maakoores massiliselt kõige levinum element. See on ka maailma ookeani põhikomponent (88,8 massiprotsenti). Hapnik on Maa atmosfääri leviku poolest teine ​​komponent, mis moodustab 20,8% selle mahust ja 23,1% massist (umbes 1015 tonni). Maa on Päikesesüsteemi planeetide seas ebatavaline, kuna sellel on atmosfääris nii kõrge hapnikusisaldus: Marsil (0,1% O2 mahust) ja Veenusel on palju vähem hapnikku. Neid planeete ümbritsev O2 tekib ainult ultraviolettkiirguse toimel hapnikku sisaldavatele molekulidele nagu süsinikdioksiid. Hapniku ebatavaliselt kõrge kontsentratsioon Maal on hapnikutsükli tagajärg. See biogeokeemiline tsükkel kirjeldab hapniku liikumist selle kolme peamise reservuaari sees ja vahel Maal: atmosfäär, biosfäär ja litosfäär. Hapnikuringluse peamine liikumapanev tegur on fotosüntees, mis vastutab Maa tänapäevase atmosfääri eest. Fotosüntees vabastab atmosfääri hapnikku, samal ajal kui hingamine, lagunemine ja põlemine eemaldavad selle atmosfäärist. Praeguses tasakaalus toimub hapniku tootmine ja tarbimine ühesuguse kiirusega. Vaba hapnikku leidub ka Maa veekogudes. O2 suurenenud lahustuvus madalamatel temperatuuridel avaldab olulisi tagajärgi ookeanielustikule, kuna polaarookeanid toetavad oma suurema hapnikusisalduse tõttu palju suuremat elutihedust. Taimsete toitainetega, nagu nitraadid või fosfaadid, saastunud vesi võib stimuleerida vetikate kasvu protsessi, mida nimetatakse eutrofeerumiseks, ning nende organismide ja muude biomaterjalide lagunemine võib vähendada O2 sisaldust eutroofsetes veekogudes. Teadlased hindavad seda veekvaliteedi aspekti, mõõtes vee biokeemilist hapnikuvajadust või O2 kogust, mis on vajalik selle normaalse kontsentratsiooni taastamiseks.

Analüüs

Paleoklimatoloogid mõõdavad hapniku-18 ja hapniku-16 suhet mereorganismide kestades ja skelettides, et määrata miljoneid aastaid tagasi kliima. Kergemat isotoopi, hapnikku-16 sisaldavad merevee molekulid aurustuvad palju suurema kiirusega. suur kiirus kui veemolekulid, mis sisaldavad 12% raskemat hapnikku-18, ja see erinevus suureneb madalamatel temperatuuridel. Madalama globaalse temperatuuri perioodidel on sellest aurustunud veest pärit lumes ja vihmas rohkem hapnikku-16 ja ülejäänud merevees on rohkem hapnikku-18. Seejärel lisavad mereorganismid oma luustikesse ja kestadesse rohkem hapnikku-18 kui soojemas kliimas. Paleoklimatoloogid mõõdavad seda suhet otseselt ka kuni sadade tuhandete aastate vanuste jääsüdamiku proovide veemolekulides. Planeediteoloogid on mõõtnud hapniku isotoopide suhtelist kogust Maalt, Kuult, Marsilt ja meteoriitidelt võetud proovides, kuid pole pikka aega suutnud saada Päikese isotoopide suhte võrdlusväärtusi, mis arvatakse olevat samad ürgne päikese udukogu. Kosmoses päikesetuulele avatud ja hävinud Genesise kosmoseaparaadi poolt taastatud räniplaadi analüüs näitas, et Päikesel on hapniku-16 osakaal suurem kui Maal. See viitab sellele, et meile tundmatu protsessi käigus kadus hapnik-16 päikeseketta protoplanetaarsest materjalist enne Maa moodustanud tolmuterade sulandumist. Hapnikus on kaks spektrofotomeetrilist neeldumisriba, mille tipp on lainepikkustel 687 ja 760 nm. Mõned kaugseireteadlased on teinud ettepaneku kasutada nendes ribades taimede võradest lähtuva aurora mõõtmist, et iseloomustada taimetervist satelliidiplatvormilt. See lähenemisviis kasutab ära asjaolu, et nendes ribades on võimalik eristada taimestiku peegeldust selle fluorestsentsist, mis on palju nõrgem. Mõõtmist raskendab tehniliselt madal signaali-müra suhe ja taimestiku füüsiline struktuur; kuid seda on pakutud kui võimalikku meetodit süsinikuringe jälgimiseks satelliitidelt globaalsel skaalal.

O2 bioloogiline roll

Fotosüntees ja hingamine

Looduses tekib vaba hapnik hapniku fotosünteesi käigus vee hõlpsal lõhustumisel. Mõnede hinnangute kohaselt on rohevetikad ja sinivetikad in merekeskkond annavad umbes 70% Maal toodetud vabast hapnikust, ülejäänu toodavad maismaataimed. Teised hinnangud ookeanide panuse kohta õhuhapnikusse on suuremad ja mõned madalamad, mis näitab, et ookeanid toodavad igal aastal ~45% Maa õhuhapnikust. Lihtsustatud üldine valem fotosünteesiks: 6 CO2 + 6 H2O + footonid → C6H12O6 + 6 O2 või lihtsalt süsihappegaas + vesi + päikesevalgus → glükoos + hapnik Hapniku fotolüütiline evolutsioon toimub fotosünteetiliste organismide tülakoidmembraanides ja selleks on vaja nelja footoni energiat. Sellega on seotud palju etappe, kuid tulemuseks on prootoni gradient moodustumine üle tülakoidmembraani, mida kasutatakse adenosiintrifosfaadi (ATP) sünteesimiseks fotofosforüülimise kaudu. Ülejäänud O2 (pärast veemolekuli tootmist) lastakse atmosfääri. Mitokondrites kasutatakse hapnikku oksüdatiivse fosforüülimise käigus ATP tootmiseks. Reaktsioon aeroobsele hingamisele on sisuliselt vastupidine fotosünteesile ja on lihtsustatud: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ mol-1. Selgroogsetel difundeerub O2 läbi kopsude membraanide ja punastesse verelibledesse. Hemoglobiin seob O2, muutes värvi sinakaspunasest erepunaseks (Bohri efekti kaudu vabaneb CO2 teisest hemoglobiini osast). Teised loomad kasutavad hemotsüaniini (karploomad ja mõned lülijalgsed) või hemerütriini (ämblikud ja homaarid). 200 cm3 O2 võib lahustada liitris veres. Enne anaeroobsete hulkraksete loomade avastamist peeti hapnikku kõigi keerukate eluvormide olemasolu eelduseks. Reaktiivsed liigid hapnik, nagu superoksiidiioon (O-2) ja vesinikperoksiid (H2O2), on organismides hapnikukasutuse reaktiivsed kõrvalsaadused. Osad immuunsussüsteem kõrgemad organismid loovad sissetungivate mikroobide hävitamiseks peroksiidi, superoksiidi ja singletthapnikku. Reaktiivsed hapniku liigid mängivad olulist rolli ka taimede ülitundlikus reaktsioonis patogeensete rünnakute suhtes. Hapnik kahjustab anaeroobseid organisme, mis olid domineeriv vorm varajane elu Maal kuni O2 hakkas atmosfääri kogunema, umbes 2,5 miljardit aastat tagasi hapnikuga varustamise ajal, umbes miljard aastat pärast nende organismide esmakordset ilmumist. Puhkeolekus olev täiskasvanu hingab sisse 1,8–2,4 g hapnikku minutis. See moodustab rohkem kui 6 miljardit tonni hapnikku aastas.

Elusorganismid

Vaba hapniku osarõhk elusate selgroogsete kehas on suurim hingamissüsteem ja väheneb piki mis tahes arteriaalset süsteemi, vastavalt perifeersetes kudedes ja venoosses süsteemis. Osarõhk on rõhk, mis hapnikul oleks, kui ta ise hõivaks kogu ruumala.

Kogunemine atmosfääris

Maa atmosfääris ei olnud peaaegu üldse hapnikku enne fotosünteetiliste arheide ja bakterite ilmumist, arvatavasti umbes 3,5 miljardit aastat tagasi. Vaba hapnik ilmus esimest korda märkimisväärses koguses paleoproterosoikumi eooni ajal (3,0–2,3 miljardit aastat tagasi). Esimese miljardi aasta jooksul ühines nende organismide toodetud vaba hapnik ookeanides lahustunud rauaga, moodustades triibulisi raudmoodustisi. Kui sellised hapnikuvood küllastusid, hakkas 3–2,7 miljardit aastat tagasi ookeanidest eralduma vaba hapnikku, mis ulatus 10%-ni oma praegusest tasemest umbes 1,7 miljardit aastat tagasi. Suures koguses lahustunud ja vaba hapniku olemasolu ookeanides ja atmosfääris võis põhjustada enamiku säilinud anaeroobsete organismide kadumise hapnikuga varustamise käigus (hapnikukatastroof) umbes 2,4 miljardit aastat tagasi. Rakuhingamine O2 abil võimaldab aeroobsetel organismidel toota palju rohkem ATP-d kui anaeroobsetel organismidel. Rakuline O2 hingamine toimub kõigis eukarüootides, sealhulgas kõigis kompleksides mitmerakulised organismid, nagu taimed ja loomad. Kambriumi perioodi algusest ehk 540 miljonit aastat tagasi on atmosfääri O2 tase kõikunud 15–30 mahuprotsendi vahel. Süsiniku perioodi lõpuks (umbes 300 miljonit aastat tagasi) saavutas atmosfääri O2 taseme tipptaseme 35 mahuprotsendini, mis võis kaasa aidata putukate ja kahepaiksete suuruse suurenemisele sel ajal. Hapnikutaseme muutused kujundasid mineviku kliimat. Hapniku taseme langedes vähenes õhu tihedus, mis omakorda suurendas pinna aurumist ja tõi kaasa sademete hulga suurenemise ja palju muud. soojad temperatuurid. Praeguste fotosünteesi kiiruste juures kuluks kogu O2 regenereerimiseks antud atmosfääris umbes 2000 aastat.

Tööstuslik tootmine

Igal aastal eraldatakse õhust tööstuslikuks kasutamiseks sada tuhat miljonit tonni O2 kahel põhimeetodil. Kõige tavalisem meetod on veeldatud õhu fraktsionaalne destilleerimine, N2 destilleerimine auruna, jättes O2 vedelaks. Teine esmane meetod O2 tootmiseks on puhta ja kuiva õhuvoolu juhtimine läbi identsete tseoliitmolekulaarsõelte paari ühekihi, mis neelab lämmastikku ja edastab 90% kuni 93% O2 ​​gaasivoo. Samal ajal eraldub lämmastik teisest lämmastikuga küllastunud tseoliidikihist, vähendades töörõhku kambris ja eemaldades osa gaasist hapnikust eenduvast kihist voolu vastassuunas. Pärast määratud tsükliaega vahetatakse kaks kihti omavahel, võimaldades torujuhtme kaudu pumbatava gaasi pidevat tarnimist. Seda nimetatakse rõhu adsorptsiooniks. Nende mittekrüogeensete tehnoloogiate abil toodetakse üha enam hapnikku. Gaasi hapnikku saab toota ka vee elektrolüüsimisel molekulaarseks hapnikuks ja vesinikuks. Peab kasutama alalisvoolu: kasutamisel vahelduvvoolu, koosnevad gaasid mõlemas otsas vesinikust ja hapnikust plahvatusohtlikus vahekorras 2 : 1. Vastupidiselt levinud arvamusele ei tõesta hapendatud veega alalisvoolu elektrolüüsil täheldatud suhe 2: 1, et vee empiiriline valem on H2O, välja arvatud juhul, kui teatud eeldused vesiniku ja hapniku molekulaarvalemite endi kohta. Sarnane meetod on O2 elektrokatalüütiline eraldumine oksiididest ja oksohapetest. Võib kasutada ka keemilisi katalüsaatoreid, näiteks keemilisi hapnikugeneraatoreid või hapnikuküünlaid, mida kasutatakse allveelaevade päästeseadmete osana ja mis on endiselt osa kommertslennukite standardvarustusest rõhu vähendamise hädaolukorras. Teine õhu eraldamise meetod on õhu surumine läbi tsirkooniumoksiidi keraamiliste membraanide kas kõrgsurve või elektrivoolu abil, et toota peaaegu puhast O2 gaasi.

Säilitamine

Hapniku säilitamise meetodid hõlmavad hapnikupaake kõrgsurve, krüogeensed ja keemilised ühendid. Säästlikkuse huvides transporditakse hapnikku sageli lahtiselt vedelikuna spetsiaalselt isoleeritud tankerites, kuna üks liiter veeldatud hapnikku võrdub atmosfäärirõhul ja temperatuuril 20 °C (68 °F) 840 liitri gaasilise hapnikuga. Selliseid tankereid kasutatakse vedela hapniku mahutite täiendamiseks, mis asuvad väljaspool haiglaid ja muid asutusi, mis vajavad suures koguses puhast hapnikku. Vedel hapnik juhitakse läbi soojusvahetite, mis muudavad krüogeense vedeliku gaasiks enne selle sisenemist hoonesse. Hapnikku hoitakse ja tarnitakse ka väiksemates balloonides, mis sisaldavad surugaasi; vorm, mis on kasulik mõnes kaasaskantavas meditsiinilises rakenduses ning hapnikuga keevitamisel ja lõikamisel.

Rakendus

Ravim

Hingamise peamine eesmärk on õhust hapniku tarbimine, seetõttu kasutatakse meditsiinis hapnikteraapiat, mis mitte ainult ei suurenda hapniku taset patsiendi veres, vaid omab ka sekundaarset mõju, mis vähendab verevoolu vastupanuvõimet paljudel haigetel. kopsud ja leevendada pinget südamele. Hapnikravi kasutatakse emfüseemi, kopsupõletiku, mõnede südamehaiguste (südame paispuudulikkus), mõnede kõrget kopsuarteri rõhku põhjustavate haiguste ja kõigi haiguste raviks, mis halvendavad organismi võimet hapnikku omastada ja kasutada. Selliseid ravimeetodeid saab kasutada haiglas, kodus või üldiselt kaasaskantavate seadmete abil. Hapnikutelke kasutati kunagi hapnikuteraapias, kuid pärast seda on need asendatud peamiselt hapnikumaskide või ninakanüülide kasutamisega. Hüperbaariline (kõrgsurve) meditsiin kasutab spetsiaalseid hapnikukambreid, et tõsta O2 osarõhku patsiendi ja vajadusel ka meditsiinipersonali ümber. Seda ravi kasutatakse mõnikord süsinikmonooksiidi mürgituse, gaasigangreeni ja dekompressioonihaiguse korral. O2 sisalduse suurendamine kopsudes aitab vingugaasi hemoglobiini heemirühmast välja tõrjuda. Gaasiline hapnik on mürgine anaeroobsetele bakteritele, mis põhjustavad gaasigangreeni, mistõttu selle osarõhu suurendamine aitab neid tappa. Dekompressioonhaigus esineb sukeldujatel, kes pärast sukeldumist kiiresti dekompressiooni langetavad, mille tulemusena tekivad veres inertgaasimullid, peamiselt lämmastiku ja heeliumi mullid. O2 rõhu tõstmine nii kiiresti kui võimalik aitab mullid tagasi verre kanda, et need liigsed gaasid saaksid loomulikult kopsude kaudu välja hingata.

Elu toetamine ja meelelahutuslik kasutamine

O2 kui madalrõhuga hingamisgaas on kasutusel tänapäevastes skafandrites, mis ümbritsevad reisija keha hingamisgaasiga. Need seadmed kasutavad peaaegu ühe kolmandiku ulatuses puhast hapnikku normaalne rõhk, mis viib normaalse O2 osarõhuni veres. See kompromiss kõrgema hapnikukontsentratsiooni ja madalama rõhu vahel on vajalik ülikonna paindlikkuse säilitamiseks. Tuukrid ja allveelaevad kasutavad ka kunstlikult tarnitud O2. Allveelaevad ja atmosfäärisukeldumisülikonnad töötavad tavaliselt normaalsel atmosfäärirõhul. Hingamisõhk puhastatakse süsinikdioksiidist keemilise ekstraheerimise teel ja hapnik asendatakse konstantse osarõhu säilitamiseks. Ümbritseva rõhu all sukeldujad hingavad õhku või gaasisegusid, mille hapnikufraktsioon on töösügavusele sobiv. Puhas või peaaegu puhas O2, kui sukeldutakse atmosfäärirõhust kõrgemal rõhul, piirdub tavaliselt uuesti hingamisega või dekompressiooniga suhteliselt madalal sügavusel (~6 meetri sügavusel või vähem) või arstiabiga rekompressioonikambrites rõhul kuni 2,8 baari, kus võib tekkida äge hapnikutoksilisus. vältige sellest vabanemist ilma uppumisohuta. Sügavsukeldumine nõuab hapniku toksilisuse vältimiseks O2 olulist lahjendamist teiste gaasidega, nagu lämmastik või heelium. Inimestel, kes ronivad mäkke või lendavad surveta lennukitega, on mõnikord seadmeid täiendava O2 varustamiseks. Surve all olevates kommertslennukites tarnitakse reisijatele automaatselt avarii-O2 juhul, kui salongirõhk kaob. Salongi rõhu järsk kaotus aktiveerib iga istme kohal olevad keemilised hapnikugeneraatorid, mistõttu hapnikumaskid kukuvad alla. Eksotermiline reaktsioon tekitab seejärel pideva gaasilise hapnikuvoolu. Väidetavalt kerget eufooriat põhjustavat hapnikku on varem kasutatud hapnikubaarides ja spordis meelelahutuseks. Hapnikubatoonid on Jaapanis, Californias ja Las Vegases Nevadas eksisteerinud alates 1990. aastate lõpust, kutsudes kasutajaid sisse hingama tasu eest tavapärasest rohkem O2. Professionaalsed sportlased, eriti Ameerika jalgpallis, astuvad mõnikord mängude vahel väljakult välja ja panevad soorituse suurendamiseks ette hapnikumaski. Selliste toimingute farmakoloogiline toime on küsitav; Platseeboefekt on tõenäolisem seletus. Olemasolevad uuringud toetavad hapnikuga rikastatud segude jõudlust parandavat toimet ainult siis, kui neid kasutatakse aeroobse treeningu ajal. Muud meelelahutuslikud kasutusviisid, mis ei hõlma hingamist, hõlmavad pürotehnilisi rakendusi.

Tööstuslik kasutamine

Sulamisel rauamaak teras tarbib 55% kaubanduslikust hapnikust. Selles protsessis siseneb O2 kõrgsurvetoru kaudu sula rauda, ​​mis eemaldab väävlilisandid ja liigse süsiniku vastavates oksiidides, SO2 ja CO2. Reaktsioonid on eksotermilised, mistõttu temperatuur tõuseb 1700 ° C. Kasutatakse veel 25% kaubanduslikult toodetud hapnikku keemiatööstus. Etüleen reageerib O2-ga, tekitades etüleenoksiidi, mis omakorda muutub etüleenglükooliks; esmane toitainematerjal, mida kasutatakse mitmesuguste toodete, sealhulgas antifriisi ja polüesterpolümeeride (paljude plastide ja tekstiilide eelkäijad) valmistamiseks. Enamikku ülejäänud 20% kaubanduslikult toodetud hapnikust kasutatakse meditsiinis, metallide lõikamisel ja keevitamisel, raketikütuse oksüdeerijana ja veepuhastuses. Hapnikku kasutatakse oksüatsetüleeni keevitamisel, atsetüleeni põletamisel O2-ga, et tekitada väga kuum leek. Selle protsessi käigus kuumutatakse kuni 60 cm (24 tolli) paksust metalli esmalt väikese oksüatsetüleeni leegiga ja lõigatakse seejärel kiiresti suure O2 vooluga.

Hapnikuühendid

Hapniku oksüdatiivne olek on peaaegu kõigis teadaolevates hapnikuühendites -2. Oksüdatsiooniastet -1 leidub mitmetes ühendites, näiteks peroksiidides. Teistes oksüdatsiooniastmetes hapnikku sisaldavad ühendid on väga ebatavalised: -1/2 (superoksiidid), -1/3 (osoniidid), 0 (elementaar-, hüpofluoriidhape), +1/2 (dioksigenüül), +1 (dioksügeniiddiisotsüaniid) ja +2 (hapnikdifluoriid).

Oksiidid ja muud anorgaanilised ühendid

Vesi (H2O) on vesinikoksiid ja tuntuim hapnikuühend. Vesinikuaatomid on kovalentselt seotud veemolekulis oleva hapnikuga, kuid neil on ka täiendav külgetõmme (umbes 23,3 kJ mol-1 vesinikuaatomi kohta) naaberhapniku aatomi suhtes üksikus molekulis. Need vesiniksidemed veemolekulide vahel hoiavad neid umbes 15% lähemal, kui võiks eeldada lihtsas vedelikus lihtsate van der Waalsi jõududega. Tänu elektronegatiivsusele moodustab hapnik keemilisi sidemeid peaaegu kõigi teiste elementidega, moodustades vastavad oksiidid. Enamiku metallide, nagu alumiinium ja titaan, pind oksüdeerub õhu juuresolekul ja kaetakse õhukese oksiidikilega, mis passiveerib metalli ja pidurdab edasist korrosiooni. Paljud siirdemetallioksiidid on mittestöhhiomeetrilised ühendid, milles on veidi vähem metalli, kui keemiline valem näitab. Näiteks mineraal FeO (wüstiit) on kirjutatud Fe1-xO, kus x on tavaliselt umbes 0,05. Hapnikku leidub atmosfääris süsinikdioksiidi (CO2) kujul väikestes kogustes. Maakoore kivimid koosnevad peamiselt ränioksiididest (räni SiO2, nagu graniit ja kvarts), alumiiniumist (alumiiniumoksiid Al2O3, boksiidis ja korundis), rauast (raud(III)oksiid Fe2O3 hematiidis ja roostes) ja kaltsiumkarbonaadist (lubjakivis) ). Ka ülejäänud maakoor koosneb hapnikuühenditest, eelkõige erinevatest komplekssilikaatidest (silikaatsetes mineraalides). Maa vahevöö on palju massiivsem kui maakoor ning koosneb peamiselt magneesiumi- ja raudsilikaatidest. Detergentide ja liimainetena kasutatakse vees lahustuvaid silikaate Na4SiO4, Na2SiO3 ja Na2Si2O5 kujul. Hapnik toimib ka siirdemetallide ligandina, moodustades dihapniku siirdemetallide komplekse, milles esineb metall-O2. Sellesse ühendite klassi kuuluvad heemvalgud hemoglobiin ja müoglobiin. Eksootiline ja ebatavaline reaktsioon toimub PtF6-ga, mis oksüdeerib hapnikku, et toota O2 + PtF6 -.

Orgaanilised ühendid

Olulisemate hapnikku sisaldavate orgaaniliste ühendite klasside hulgas (kus "R" tähistab orgaanilist rühma) on järgmised: alkoholid (R-OH); eetrid (R-O-R); ketoonid (R-CO-R); aldehüüdid (R-CO-H); karboksüülhapped (R-COOH); eetrid (R-COO-R); happeanhüdriidid (R-CO-O-CO-R); ja amiidid (R-C(O)-NR2). On palju olulisi orgaanilisi lahusteid, mis sisaldavad hapnikku, sealhulgas: atsetoon, metanool, etanool, isopropanool, furaan, THF, dietüüleeter, dioksaan, etüülatsetaat, DMF, DMSO, äädikhape ja sipelghape. Atsetooni (CH3)2CO) ja fenooli (C6H5OH) kasutatakse söödamaterjalina paljude ainete sünteesil. Teised olulised hapnikku sisaldavad orgaanilised ühendid on: glütseriin, formaldehüüd, glutaaraldehüüd, sidrunhape, atseetanhüdriid ja atseetamiid. Epoksiidid on eetrid, milles hapnikuaatom on osa kolmest aatomist koosnevast ringist. Seda elementi leidub sarnaselt peaaegu kõigis elutegevuseks olulistes (või selle poolt tekitatud) biomolekulides. Hapnik reageerib spontaanselt paljude orgaaniliste ühenditega toatemperatuuril või toatemperatuurist madalamal protsessis, mida nimetatakse autooksüdatsiooniks. Enamik hapnikku sisaldavaid orgaanilisi ühendeid ei teki otsesel kokkupuutel O2-ga. Orgaanilised ühendid Tööstuses ja kaubanduses olulised ained, mis on toodetud prekursori otsesel oksüdeerimisel, hõlmavad etüleenoksiidi ja peräädikhapet.

Ohutus ja ettevaatusabinõud

NFPA 704 hindab suruhapnikku mitteohtlikuks, mittesüttivaks ja mittereaktiivseks, kuid oksüdeerijaks. Külmutatud vedela hapniku (LOX) terviseriskide reiting on 3 (suurendab kondenseerunud aurude põhjustatud hüperoksia ohtu ja omab ka krüogeensetele vedelikele ühiseid riske, näiteks külmumist).

Hapnikutoksilisus

Gaasiline hapnik (O2) võib kõrge osarõhu korral olla mürgine, põhjustades krampe ja muid terviseprobleeme.

Hapnik– keemiline element, mille omadusi käsitletakse järgmistes lõikudes. Pöördugem D.I. keemiliste elementide perioodilise tabeli juurde. Mendelejev. Element hapnik asub 2. perioodis, VI rühmas, peamises alarühmas.

Samuti öeldakse, et hapniku suhteline aatommass on 16.

Perioodilises tabelis oleva hapniku seerianumbri järgi saate hõlpsasti määrata selle aatomis sisalduvate elektronide arvu, hapnikuaatomi tuuma laengu ja prootonite arvu.

Enamiku ühendite hapniku valents on II. Hapnikuaatom võib saada kaks elektroni ja muutuda iooniks: O0 + 2ē = O−2.

Väärib märkimist, et hapnik on meie planeedi kõige levinum element. Hapnik on osa veest. Meri ja magevesi koosnevad 89 massiprotsendi ulatuses hapnikust. Hapnikku leidub paljudes mineraalides ja kivid. Hapniku massiosa maakoores on umbes 47%. Õhk sisaldab massi järgi umbes 23% hapnikku.

Hapniku füüsikalised omadused

Kui kaks hapnikuaatomit interakteeruvad, moodustub lihtaine hapniku O2 stabiilne molekul. Seda lihtsat ainet, nagu elementi, nimetatakse hapnikuks. Ärge ajage hapnikku kui elementi ja hapnikku kui lihtsat ainet segamini!

Vastavalt hapniku füüsikalistele omadustele– värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas. Vees praktiliselt lahustumatu (toatemperatuuril ja normaalsel atmosfäärirõhul on hapniku lahustuvus umbes 8 mg liitri vee kohta).

Hapnik on vees lahustuv – 1 liitris vees lahustub temperatuuril 20°C 31 ml hapnikku (0,004 massiprotsenti). Sellest kogusest piisab aga veehoidlates elavate kalade hingamiseks. Gaasiline hapnik on õhust veidi raskem: 1 liiter õhku temperatuuril 0°C ja normaalrõhul kaalub 1,29 g ja 1 liiter hapnikku 1,43 g.

Hapniku eksponaadid huvitavad omadused tugeva jahutusega. Niisiis, temperatuuril –183°С hapnik kondenseerub läbipaistvaks, liikuvaks kahvatusiniseks vedelikuks.

Kui vedelat hapnikku jahutada veelgi, siis temperatuuril –218°С hapnik "külmub" sinisteks kristallideks. Kui temperatuuri järk-järgult tõsta, siis –218°С, tahke hapnik hakkab sulama ja millal –183°С- läheb keema. Järelikult on ainete keemis- ja kondenseerumispunktid, aga ka külmumis- ja sulamistemperatuurid samad.

Vedela hapniku hoidmiseks ja transportimiseks kasutatakse niinimetatud Dewari kolbe.. Dewari kolbe kasutatakse vedelike hoidmiseks ja transportimiseks, mille temperatuur peab olema kaua aega jääda konstantseks. Dewari kolb on oma nime saanud selle leiutaja, Šoti füüsiku ja keemiku James Dewari järgi.

Lihtsaim Dewari anum on majapidamistermos. Anuma struktuur on üsna lihtne: see on suurde kolbi pandud kolb. Õhk pumbatakse välja suletud ruumist kolbide vahel. Õhu puudumise tõttu kolbide seinte vahel valati vedelik sisemisse kolbi pikka aega ei jahtu ega kuumene.

Hapnik on paramagnetiline aine, st vedelas ja tahkes olekus tõmbab seda magnet

Looduses on veel üks lihtne aine, mis koosneb hapnikuaatomitest. See on osoon. Keemiline valem osoon O3. Osoon, nagu hapnik, on tavatingimustes gaas. Osoon tekib atmosfääris pikselöögi ajal. Iseloomulik värskuse lõhn pärast äikest on osooni lõhn.

Kui osooni saadakse laboris ja seda kogutakse märkimisväärne kogus, siis suurtes kontsentratsioonides on osoonil terav ebameeldiv lõhn. Osooni saadakse laboris spetsiaalsed seadmed – osonisaatorid. Osonisaator- klaastoru, millesse juhitakse hapnikuvool ja tekitatakse elektrilahendus. Elektrilahendus muudab hapniku osooniks:

Erinevalt värvitust hapnikust on osoon sinine gaas. Osooni lahustuvus vees on umbes 0,5 liitrit gaasi 1 liitri vee kohta, mis on oluliselt rohkem kui hapnikul. Seda omadust arvesse võttes kasutatakse desinfitseerimiseks osooni joogivesi, kuna sellel on kahjulik mõju patogeensetele mikroorganismidele.

Madalatel temperatuuridel käitub osoon sarnaselt hapnikuga. Temperatuuril –112°C kondenseerub see vedelikuks lilla ja temperatuuril –197°C kristalliseerub tumelillade, peaaegu mustade kristallidena

Seega võime järeldada, et sama keemilise elemendi aatomid võivad moodustada erinevaid lihtaineid.

Keemilise elemendi olemasolu nähtus mitme kujul lihtsad ained helistas allotroopia.

Nimetatakse sama elemendi poolt moodustatud lihtaineid allotroopsed modifikatsioonid

Tähendab, hapnik ja osoon on keemilise elemendi hapniku allotroopsed modifikatsioonid. On tõendeid, et ülimadalatel temperatuuridel, vedelas või tahkes olekus, võib hapnik eksisteerida O4 ja O8 molekulide kujul.

Hapnikuringe looduses

Hapniku hulk atmosfääris on konstantne. Järelikult täiendatakse tarbitud hapnikku pidevalt uue hapnikuga.

Olulisemad hapnikuallikad looduses on süsihappegaas ja vesi. Hapnik siseneb atmosfääri peamiselt taimedes toimuva fotosünteesi protsessi tulemusena vastavalt reaktsiooniskeemile:

CO2 + H2O → C6H12O6 + O2.

Hapnik võib tekkida ka Maa atmosfääri ülemistes kihtides: kokkupuute tõttu päikesekiirgus, veeaur laguneb osaliselt hapnikuks.

Hapnikku kulub hingamisel, kütuse põlemisel, oksüdatsioonil erinevaid aineid elusorganismides oksüdatsioon ei ole orgaaniline aine sisaldub looduses. Suur hulk sisse tarbitakse hapnikku tehnoloogilised protsessid, nagu terase tootmine.

Hapnikutsüklit looduses saab kujutada diagrammina:

• Hapnik– VI rühma element, põhialarühm, perioodilise süsteemi 2. periood D.I. Mendelejev
• Element hapnik moodustab looduses kaks allotroopset modifikatsiooni: hapnik O2 ja osoon O3
• Keemilise elemendi olemasolu mitme lihtsa aine kujul nimetatakse allotroopiaks
• Lihtaineid nimetatakse allotroopseteks modifikatsioonideks
• Hapnik ja osoon on erinevad füüsikalised omadused
• Hapnik– värvitu, lõhnatu, maitsetu, vees praktiliselt lahustumatu gaas, kondenseerub temperatuuril –183°C helesiniseks vedelikuks. Temperatuuril –218°C kristalliseerub see siniste kristallidena
• Osoon- sinine gaas teravaga ebameeldiv lõhn. Lahustame vees hästi. Temperatuuril –112°С kondenseerub see violetseks vedelikuks, temperatuuril –197°С kristalliseerub tumelillade, peaaegu mustade kristallidena.
• Vedelat hapnikku, osooni ja muid gaase hoitakse Dewari kolbides

Perioodilise tabeli kaheksas keemiline element - hapnikku; selle aatommass on 15,999. See on kõige levinum element Maal; atmosfääris on see 21 protsenti, Maa tahkes kestas - 47 protsenti; ookeanides - 86 protsenti.

Normaaltingimustes on hapnik gaas; Veeldatud hapniku keemistemperatuur on miinus 182,9 kraadi Celsiuse järgi ja üleminekutemperatuur tahkest ainest vedelaks on miinus 218,7 kraadi. Atmosfääri õhus ühinevad hapnikuaatomid molekulideks; kaks aatomit. Tuntud hapniku allotroopne modifikatsioon on osoon, mille molekul koosneb kolmest aatomist. Osoon tekib ultraviolettkiirgusega kokkupuutel ja elektrilahenduse (välk) korral.

Hapnik on keemiliselt väga aktiivne; oma tegevuses on see fluori järel teisel kohal. See kombineerib peaaegu kõigi elementidega, välja arvatud inertgaasid. Metallidega ühendites on sellel muutuv ja isegi murdosaline valents. Peaaegu kõik hapnikuga seotud reaktsioonid on eksotermilist tüüpi, see tähendab, et need toimuvad soojuse või isegi valguse eraldumisel ning kombinatsioon vesinikuga toimub isegi plahvatuse kujul. Osoon on veelgi aktiivsem.

Hapnikuühenditest on tuntuim vesi, mille molekul koosneb ühest hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist; vesinik eraldub molekulis 104,5 kraadise nurga all. Vesi, paremini tuntud kui vedelik, on mineraalide põhikomponent, kus see ilmub tahkel kujul. Vedel vesi keeb 100 kraadi juures ja külmub null kraadi juures. Vedelas olekus vesi on madala viskoossusega ja suure soojusmahtuvusega. On teada, et pidevas massis võivad veemolekulid dissotsieeruda, st laguneda oma aatomiteks. Vesi on hea lahusti.

Süsinikuga moodustab hapnik süsinikdioksiidi, mille molekul sisaldab ühte süsinikuaatomit ja kahte hapnikuaatomit; Hapnikupuudusega tekib süsinikmonooksiid, mille molekul sisaldab juba ühe või teise elemendi ühte aatomit.

Hapnik avaldab hapetes suurimat keemilist aktiivsust. See ühendab neis lämmastiku, väävli, fosfori ja muude elementidega; Vesinikuaatomid sulgevad happemolekulid. Vesilahused happed söövitavad peaaegu kõiki metalle. Aatomi hapnik korrodeerib ka metalle, moodustades oksiide, kuid on vähem aktiivne.

Hapnikuaatomi topoloogia jätkab sama kolmnurkteemat, mille algatas lämmastikuaatom: esialgne rõngas deformeerub kolmest küljest, väljaulatuvad osad pikendatakse, nöörid on lähendatud; ja kiirte otstes aasadega kolmekiirelise tähe tekke esimene etapp. Lämmastikus püsib selline täht mõnda aega lamedana ja sellisel kujul suudab selle aja jooksul sarnase leida ja selle külge kinni jääda, moodustades kaheaatomilise molekuli.

Hapnikuaatomi algse toru mõõtmed on mõnevõrra suuremad: selle nööri nimipikkus on 29 400 eetrikuuli, see tähendab 3700 kuuli pikem kui lämmastiku oma; seetõttu toimub aatomi topoloogia mõningane korrektsioon. Samaaegselt tähe otste venitamisega tulevad need lähemale ja keerduvad; kõik kaks teineteisele lähenevat kroonlehte moodustavad teise, sekundaarse aasa ja üksi jäetud kolmas kroonleht mähib end kokku, luues välise imemissoone ja katab selle oma aasaga; see on hapnikuaatomi topoloogia teine ​​vaheetapp.

Kolmandas, viimases etapis pöörduvad kaks teineteisele lähenenud kroonlehte esmalt vastamisi, st imemiskülgedega kleepuvad nii palju kui võimalik kokku ning seejärel painutavad ja toetavad oma aasade tipud vastu imemissoont. kõverdatud üksikust kroonlehest; See viib lõpule ühe hapnikuaatomi topoloogia.

Mis lõpus juhtus? Ja tulemuseks oli aatomi mõnevõrra ainulaadne kuju: oma kontuurilise, väljapoole avatud imemissoonega meenutab see metalliaatomit, kuid siiski pole see metall; kõik selle painutatud osad osutuvad pingestatud ja seetõttu on need ebastabiilsed ning aatom pulseerib, luues enda ümber seisva soojusvälja; See tähendab, et ta on kohev ja see kohevus ei lase tal endiga samade aatomitega ühendada ja moodustada metallkeha. Kui see siiski ühendub nendega, näiteks molekulide moodustumise ajal, siis juhtub see paaritud kroonlehtede painutamisega ja nende silmuste ümberpööramisega, see tähendab suletud kontuuri soone purunemisega. Selgub, et kui hapnikuaatom on üksi, on see metall, kuid kui ta ühineb teiste aatomitega, pole ta enam metall.

Hapnikumolekul koosneb kahest aatomist, mis on ühendatud kroonlehtede paarissilmuste ja nendega külgnevate imemissoonte kokkukleepimisega. Molekul on ka kohev: selles olevate aatomite kokkukleepumist takistavad nende üksikud kroonlehed, mis on keerdunud nagu vedrud, ja see vastutegevus põhjustab selle pulsatsiooni, mis väljendub selles, et kokkukleepunud kroonlehed liiguvad perioodiliselt kroonlehest välja. molekul – pikenemine ja sissepoole tõmbumine – lühenemine.

Hapniku ja vesiniku koosmõjul tekib vesi: tugeva termilise toime tulemusena laguneb hapniku molekul aatomiteks; nende vabastatud aasad, ilma et neil oleks aega lahti kerida ja kokku kleepuda, täidetakse kohe vesinikuaatomite rõngastega; ilmub kuulus molekul al-two-o. Hapnikuaatomi varem paaristatud kroonlehed lahknevad pärast vesinikuaatomite ühendamist nende silmustega teatud nurga all ja rahunevad. Rahuneb ka kogu molekul: vaatamata sellele, et kinnitunud vesinikuaatomid tekitavad täiendavat kohevust, osutub veemolekuli pulseerimine üldiselt mõnevõrra summutatuks ning tavatingimustes ei ole see enam gaasiline, vaid muutub vedelikuks.

Vesi erineb teistest vedelikest paljude oma omaduste poolest ja üks neist on viskoossuse püsivus temperatuuri muutumisel. Kui teiste vedelike molekulid, kiirendades nende termilised liikumised, vähendavad omavahelist kontakti ja muutuvad justkui vähem üksteise külge kinni, siis säilitavad veemolekulid omavahelise ühenduse peaaegu konstantsena; see on seletatav asjaoluga, et nende liikuvus on tingitud peamiselt vesinikuaatomite kohevusest ja üksikutest kõveratest kroonlehtedest ning see sõltub väga vähe temperatuurist. Muidugi võivad molekulide üldised termilised vibratsioonid muuta need kohevaks kuni gaasiliseks muutumiseni (see juhtub keemise ajal) või vastupidi, vähendada liikuvust, kuni vastastikune libisemine peatub (moodustumise nähtusjää), kuid nende olekute vahelisel ajal jäävad molekulidevahelised sidemed praktiliselt konstantseks.

Vett eristab ka väga kõrge soojusmahtuvus. Veemolekulis võib eristada järgmisi soojusliikumise neelajaid: üks rõngaks painutatud kroonleht ja kaks painutatud (sirget) kroonlehte, mille otstes on vesinikuaatomid. Kumera kroonlehe pulseeriva rõnga vibratsiooni amplituudid võivad olla väga erinevad, see tähendab, et see võib koguda suurt energiat. Kuid soojusliigutuste peamised neelajad on endiselt piklikud kroonlehed; need on konsoolid, mille otstele on määratud vesinikuaatomite massid; Nende konsoolide inertsimoment on väga suur. Neelates välismõjude energiat, suurendavad piklikud kroonlehed oma vibratsiooni amplituudi vaid veidi;ja selleks, et neid põhjalikult raputada, tuleb neile palju välist energiat rakendada.

Vee ja hapniku muude omaduste, nagu lahustumis- ja oksüdeerumisvõime, seletus peitub hapnikuaatomi ja veemolekuli kui terviku poolt rohkemate elektronide kogunemises. Aatomil on väga pikad väljapoole suunatud imemissooned; Sellistele süvenditele võib koguneda palju elektrone. Veemolekuli jaoks tekivad vesinikuaatomite kontuuridele täiendavad imemisvälised sooned. Seetõttu võib veemolekuli pidada elektronide salvestusseadmeks.

Suur elektronide kuhjumine on üks veemolekulide dissotsiatsiooni põhjusi: elektronid, tungides vesinikuaatomite all olevatesse pragudesse, nõrgendavad oma sidemeid hapnikuaatomitega kuni eraldumiseni. Teine põhjus on konsooli kroonlehtede termilised vibratsioonid: veemolekul lainetab neid nagu puid, mis lehvitavad oma oksi. tugev tuul; vedeliku kogumassis löövad molekulid üksteist nende kroonlehtedega nagu haamrid; Samas ei tundu otstes olevad vesinikuaatomid kuigi mugavad.

Tahkete ainete lahustumine vees toimub samal viisil. Esiteks, olles matnud oma konsoolkroonlehe tahke aine aatomisse (või molekuli), süstib veemolekul elektronid (süstlad); elektronid nõrgendavad aine aatomitevahelisi sidemeid; ja siis rebib vesi oma kroonlehtede löökidega nagu nuiad nende kohtadest lahti haprad aatomid ja molekulid ning neelab need endasse. Hapnikku sisaldavate hapete lahustumisega vees kaasneb dissotsiatsioon, see tähendab vesinikuaatomite osaline või täielik eraldumine.

Ligikaudu toimub ka metallide oksüdatsioon. Esmalt vabastavad vees lahustunud hapnikuaatomid elektrone süstides ja nende kroonlehti löödes pinnapealsete metalliaatomite kinnituse ning seejärel ümbritsevad need kroonlehtedega nagu kombitsad; sel juhul asetatakse hapniku imemisrennid metallist imemisrennide peale ja need neutraliseerivad. Hapetes sisalduv hapnik käitub metalli suhtes samamoodi. Need on omavahel ühendatud rennide abil, mistõttu nende kvantitatiivne suhe määratakse rennide pikkuste suhtega ja see võib olla mitmekordne; siit ka muutuv ja murdosavalents.

Erinevate keemiliste elementide aatomite ümbritsemine vee kombitsate (kroonlehtede) abil aitab rahustada selle molekulide pulsatsioone: nende vibratsiooni neelavad naaberaatomid. Mobiilsuse kaotanud veemolekulid muutuvad teiste aatomite kooshoidmise vahenditeks, st liimivad nagu lämmastik, nagu süsinik, nagu boor või berüllium sarnases rollis. Seetõttu sisaldavad mineraalid nii palju vett.

Hapniku silmusühenditest võib eristada süsihappegaasi ja süsihappegaasi teket. Hapnikupuuduse korral ühendavad selle aatomid oma ahelad eelkõige süsinikuaatomite keerdsilmustega; selle tavaliselt suletud ahelad ei avane; see on süsinikmonooksiid. Hapniku üleliigsel ja kõrgel temperatuuril avanevad ka süsiniku suletud ahelad ja ühenduvad teiste hapnikuaatomite ahelatega; tekib süsihappegaas. Nendes ühendites süsiniku ja hapniku aatomite pinge väheneb, see tähendab, et nende potentsiaalne energia väheneb ning vastavalt suureneb kineetiline ja soojusenergia. Temperatuuri tõusuga kaasneb valguse eraldumine: süsinikuaatomid helendavad.

Hapniku kolmest olekust: aatom, molekulaarne ja osoon, on viimane kõige aktiivsem. Kui ühel hapnikuaatomil ja molekulil on paaris kroonlehed, mis on suletud oma aasadega ega ole veel päris valmis teiste aatomitega kinnitumiseks, siis osoonis on nad omavahel lõdvas ühenduses ja kergesti avanevad.

Loeng „Hapnik – keemiline element ja lihtaine »

(Looge oma töölaual tekstidokument Sõna, salvestage see nimetuse "Hapnik" alla ja alustage loenguga töötamist, pärast loengu lugemist kopeerige selle sisu dokumenti "Oxygen", see on edasiseks tööks vajalik)

Loengu ülevaade:

1. Hapnik on keemiline element:

c) Keemilise elemendi levimus looduses

2. Hapnik on lihtne aine

a) Hapniku saamine

d) Hapniku kasutamine

"Dum spiro – spero "(Nii kaua, kui ma hingan, loodan...), ütleb ladina

Hingamine on elu sünonüüm ja elu allikaks Maal on hapnik.

Rõhutades hapniku tähtsust maiste protsesside jaoks, ütles Jacob Berzelius: "Hapnik on aine, mille ümber maise keemia tiirleb."

Selle loengu materjal võtab kokku varem omandatud teadmised teemal “Hapnik”.

1. Hapnik on keemiline element

a) Keemilise elemendi - hapniku omadused vastavalt selle positsioonile PSCE-s

Hapnik - kuuenda rühma teise perioodi põhialagrupi element perioodilisustabel D. I. Mendelejevi keemilised elemendid, aatomnumbriga 8. Tähistatakse sümboliga O(lat.Oxygenium). Keemilise elemendi hapniku suhteline aatommass on 16, s.o. Ar(O)=16.

b) Hapnikuaatomi valentsivõimalused

Ühendites on hapnik tavaliselt kahevalentne (oksiidides), valents VI Vabal kujul leidub seda kahe lihtsa aine kujul: O 2 ("tavaline" hapnik) ja O 3 (osoon). O 2 on värvitu ja lõhnatu gaas suhtelise molekulmassiga = 32. O 3 on terava lõhnaga värvitu gaas suhtelise molekulmassiga = 48.

c) Keemilise elemendi hapniku levimus looduses

Hapnik on kõige levinum element Maal, selle osakaal (erinevates ühendites, peamiselt silikaatides) moodustab umbes 49% tahke maakoore massist. Meri ja magevesi sisaldavad tohutul hulgal seotud hapnikku - 85,5% (massi järgi), atmosfääris on vaba hapniku sisaldus 21% mahust ja 23% massist. Rohkem kui 1500 maakoore ühendit sisaldavad hapnikku.

Hapnik on osa paljudest orgaanilistest ainetest ja seda leidub kõigis elusrakkudes. Elusrakkudes olevate aatomite arvu osas on see umbes 20% ja massiosa järgi - umbes 65%.

2. Hapnik on lihtne aine

a) Hapniku saamine

Saadud laboris

1) Kaaliumpermanganaadi (kaaliumpermanganaadi) lagunemine:

2KMnO 4 t˚C ® K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

2) Vesinikperoksiidi lagunemine:

2H 2 O 2 MnO2 ® 2H 2 O + O 2

3) Berthollet' soola lagunemine:

2KClO 3 t˚C, MnO2 ® 2KCl + 3O 2

Vastuvõtt tööstuses

1) Vee elektrolüüs

2 H 2 O el. vool ® 2 H 2 + O 2

2) hõredast õhust

ÕHUrõhk, t = -183˚ C ® O 2 (sinine vedelik)

Praegu saadakse tööstuses hapnikku õhust. Laborites saab väikeses koguses hapnikku kaaliumpermanganaadi (kaaliumpermanganaadi) KMnO 4 kuumutamisel. Hapnik lahustub vees vähe ja on õhust raskem, seega saab seda saada kahel viisil:

· vee väljatõrjumine;

· õhku välja tõrjudes (hapnik koguneb anuma põhja).

Hapniku tootmiseks on ka teisi viise.

Vaata videolugu hapniku saamine kaaliumpermanganaadi (kaaliumpermanganaadi) lagunemisel. Tekkinud hapnikku saab anuma põhjas tuvastada hõõguva kiluna – see lahvatab leekidesse.

b) Hapniku keemilised omadused

Ainete koostoimet hapnikuga nimetatakse oksüdatsiooniks. Tulemusena, oksiidid- kompleksained, mis koosnevad kahest elemendist, millest üks on kahevalentne hapnikuaatom.

Oksüdatsioonireaktsioone, mis tekivad soojuse ja valguse eraldumisel, nimetatakse põlemisreaktsioonid .Hapnik interakteerub lihtsate ainetega – metallide ja mittemetallidega; samuti keeruliste ainetega.

Vaata videot – õpetaja selgitus.

Uurige alumiiniumi ja metaani näitel oksüdatsioonireaktsioonide võrrandite koostamise algoritmi CH 4 .

c) Hapnikuringe looduses

Looduses tekib hapnik fotosünteesi käigus, mis toimub rohelistes taimedes valguse käes. Õhuhapniku säilitamiseks luuakse linnade ja suurte tööstuskeskuste ümber haljasalasid.

d) Hapniku kasutamine

Hapniku kasutamine põhineb selle omadustel: hapnik toetab põlemist ja hingamist.

Kokkuvõtteks märgime veel kord hapniku tähtsust kogu meie planeedi elu jaoks nende poeetiliste ridadega:

"Ta on kõikjal ja kõikjal:

Kivis, õhus, vees,

Ta on hommikukastes

Ja taevas on sinine..."