Happi (O) on jaksollisen järjestelmän ryhmän 16 (VIa) ei-metallinen kemiallinen alkuaine. Se on väritön, hajuton ja mauton kaasu, joka on välttämätön eläville organismeille – eläimille, jotka muuttavat sen hiilidioksidiksi, ja kasveille, jotka käyttävät CO2 hiililähteenä ja palauttavat O 2 ilmakehään. Happi muodostaa yhdisteitä reagoimalla melkein minkä tahansa muun alkuaineen kanssa ja myös syrjäyttää kemialliset alkuaineet sitoutumasta toisiinsa. Monissa tapauksissa näihin prosesseihin liittyy lämmön ja valon vapautumista. Tärkein happiyhdiste on vesi.
Löytöhistoria
Vuonna 1772 ruotsalainen kemisti Carl Wilhelm Scheele osoitti ensimmäisen kerran happea kuumentamalla kaliumnitraattia, elohopeaoksidia ja monia muita aineita. Hänestä riippumatta englantilainen kemisti Joseph Priestley löysi vuonna 1774 tämän kemiallisen alkuaineen elohopeaoksidin lämpöhajoamisen avulla ja julkaisi havaintonsa samana vuonna, kolme vuotta ennen julkaisua. Scheele. Vuosina 1775-1780 ranskalainen kemisti Antoine Lavoisier tulkitsi hapen roolia hengityksessä ja palamisessa hylkäämällä tuolloin yleisesti hyväksytyn flogistonteorian. Hän pani merkille sen taipumuksen muodostaa happoja yhdistettynä eri aineisiin ja nimesi alkuaineen oxygène, joka kreikaksi tarkoittaa "hapon tuottamista".
Esiintyvyys
Mitä happi on? Se muodostaa 46 % maankuoren massasta ja on sen yleisin alkuaine. Hapen määrä ilmakehässä on 21 tilavuusprosenttia ja painosta merivedessä 89 %.
Kivissä alkuaine yhdistyy metalleihin ja ei-metalleihin oksideina, jotka ovat happamia (esim. rikki, hiili, alumiini ja fosfori) tai emäksisiä (kalsiumin, magnesiumin ja raudan suolat) ja suolan k altaisina yhdisteinä, joiden voidaan katsoa muodostuneen happamista ja emäksisistä oksideista, kuten sulfaateista, karbonaateista, silikaateista, aluminaateista ja fosfaateista. Vaikka niitä on lukuisia, nämä kiinteät aineet eivät voi toimia hapen lähteinä, koska elementin sidoksen katkaiseminen metalliatomeilla on liian energiaa kuluttavaa.
Ominaisuudet
Jos hapen lämpötila on alle -183 °C, se muuttuu vaaleansiniseksi nesteeksi ja -218 °C:ssa kiinteäksi. Puhdas O2 on 1,1 kertaa ilmaa raskaampaa.
Hengityksen aikana eläimet ja jotkut bakteerit kuluttavat happea ilmakehästä ja palauttavat hiilidioksidia, kun taas fotosynteesin aikana vihreät kasvit absorboivat auringonvalossa hiilidioksidia ja vapauttavat vapaata happea. Melkeinkaikki ilmakehän O2 syntyy fotosynteesin avulla.
20 °C:ssa noin 3 tilavuusosaa happea liukenee 100 osaan makeaa vettä, hieman vähemmän meriveteen. Tämä on välttämätöntä kalojen ja muiden meren elävien hengittämiseksi.
Luonnollinen happi on kolmen stabiilin isotoopin seos: 16O (99,759 %), 17O (0,037 %) ja18O (0,204 %). Tunnetaan useita keinotekoisesti valmistettuja radioaktiivisia isotooppeja. Näistä pisin on 15O (puoliintumisaika 124 s), jota käytetään nisäkkäiden hengityksen tutkimiseen.
Allotroopit
Selkeämpi käsitys siitä, mitä happi on, antaa sinulle mahdollisuuden saada sen kaksi allotrooppista muotoa, kaksiatominen (O2) ja kolmiatominen (O3 , otsoni). Diatomisen muodon ominaisuudet viittaavat siihen, että kuusi elektronia sitoo atomeja ja kaksi pysyy parittomana, mikä aiheuttaa hapen paramagnetismia. Otsonimolekyylin kolme atomia eivät ole suorassa linjassa.
Otsonia voidaan tuottaa yhtälön mukaisesti: 3O2 → 2O3.
Prosessi on endoterminen (vaatii energiaa); otsonin muuttumista takaisin kaksiatomiseksi hapeksi helpottaa siirtymämetallien tai niiden oksidien läsnäolo. Puhdas happi muuttuu otsoniksi hehkuvalla sähköpurkauksella. Reaktio tapahtuu myös ultraviolettivalon absorptiossa, jonka aallonpituus on noin 250 nm. Tämän prosessin esiintyminen yläilmakehässä eliminoi mahdollisesti aiheuttavan säteilynvaurioita maan pinnalla. Otsonin pistävä haju esiintyy suljetuissa tiloissa, joissa on kipinöitä aiheuttavia sähkölaitteita, kuten generaattoreita. Se on vaaleansininen kaasu. Sen tiheys on 1,658 kertaa ilman tiheys, ja sen kiehumispiste on -112 °C ilmakehän paineessa.
Otsoni on voimakas hapetin, joka pystyy muuttamaan rikkidioksidin trioksidiksi, sulfidin sulfaatiksi, jodidin jodiksi (tarjoaen analyyttisen menetelmän sen arvioimiseksi) ja monet orgaaniset yhdisteet hapetetuiksi johdannaisiksi, kuten aldehydeiksi ja hapoiksi. Otsonin vaikutuksesta autojen pakokaasuista peräisin olevat hiilivedyt muuttuvat hapoiksi ja aldehydeiksi, mikä aiheuttaa savusumua. Teollisuudessa otsonia käytetään kemiallisena aineena, desinfiointiaineena, jäteveden käsittelyssä, vedenpuhdistuksessa ja kankaan valkaisussa.
Menetelmien hankkiminen
Hapen tuotantotapa riippuu siitä, kuinka paljon kaasua tarvitaan. Laboratoriomenetelmät ovat seuraavat:
1. Joidenkin suolojen, kuten kaliumkloraatin tai kaliumnitraatin, lämpöhajoaminen:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
Siirtymämetallioksidit katalysoivat kaliumkloraatin hajoamista. Mangaanidioksidia (pyrolusiittia, MnO2) käytetään usein tähän. Katalyytti alentaa hapen kehittämiseen tarvittavan lämpötilan 400 °C:sta 250 °C:seen.
2. Metallioksidien lämpötilahajoaminen:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Scheele ja Priestley käyttivät hapen ja elohopean (II) yhdistettä (oksidia) saadakseen tämän kemiallisen alkuaineen.
3. Metalliperoksidien tai vetyperoksidin lämpöhajoaminen:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO +O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
Ensimmäiset teolliset menetelmät hapen erottamiseksi ilmakehästä tai vetyperoksidin tuottamiseksi perustuivat bariumperoksidin muodostumiseen oksidista.
4. Veden elektrolyysi pienillä suolojen tai happojen epäpuhtauksilla, jotka tarjoavat sähkövirran johtavuuden:
2H2O → 2H2 + O2
Teollisuustuotanto
Jos on tarpeen saada suuria määriä happea, käytetään nestemäisen ilman jakotislausta. Ilman tärkeimmistä aineosista sillä on korkein kiehumispiste, ja siksi se on vähemmän haihtuvaa kuin typpi ja argon. Prosessi käyttää kaasun jäähdytystä sen laajentuessa. Toiminnan päävaiheet ovat seuraavat:
- ilma suodatetaan hiukkasten poistamiseksi;
- kosteus ja hiilidioksidi poistetaan imeytymällä alkaliin;
- ilmaa puristetaan ja puristuslämpö poistetaan normaaleilla jäähdytysmenetelmillä;
- , sitten se menee sisään sijaitsevaan kelaankamera;
- osa paineistettua kaasua (paineessa noin 200 atm) laajenee kammiossa jäähdyttäen kierukkaa;
- paisutettu kaasu palaa kompressoriin ja käy läpi useita myöhempiä laajenemis- ja puristusvaiheita, jolloin nesteestä -196 °C:ssa ilma muuttuu nestemäiseksi;
- neste kuumennetaan tislaamaan ensimmäiset kevyet inertit kaasut, sitten typpi ja nestemäinen happi jää jäljelle. Usein fraktiointi tuottaa riittävän puhtaan tuotteen (99,5 %) useimpiin teollisiin tarkoituksiin.
Teollinen käyttö
Metallurgia on suurin puhtaan hapen kuluttaja korkeahiilisen teräksen tuotannossa: pääse eroon hiilidioksidista ja muista ei-metallisista epäpuhtauksista nopeammin ja helpommin kuin käyttämällä ilmaa.
Happikäsittelyllä on lupaus puhdistaa nestemäistä jätevettä tehokkaammin kuin muut kemialliset prosessit. Jätteenpoltto suljetuissa järjestelmissä puhtaalla O2.
. on tulossa yhä tärkeämmäksi
Nin sanottu rakettihapetin on nestemäistä happea. Puhdas O2 Käytetään sukellusveneissä ja sukelluskelloissa.
Kemianteollisuudessa happi on korvannut normaalin ilman aineiden, kuten asetyleenin, etyleenioksidin ja metanolin tuotannossa. Lääketieteellisiin sovelluksiin kuuluu kaasun käyttö happikammioissa, inhalaattoreissa ja vauvan inkubaattoreissa. Happirikastettu anestesiakaasu tukee elämää yleisanestesian aikana. Ilman tätä kemiallista alkuainetta monetsulatusuuneja käyttävillä teollisuudenaloilla. Sitä happi on.
Kemialliset ominaisuudet ja reaktiot
Hapen korkea elektronegatiivisuus ja elektroniaffiniteetti ovat tyypillisiä elementeille, joilla on ei-metallisia ominaisuuksia. Kaikilla happiyhdisteillä on negatiivinen hapetusaste. Kun kaksi orbitaalia täytetään elektroneilla, muodostuu O2- ioni. Peroksideissa (O22-) jokaisen atomin varauksen oletetaan olevan -1. Tämä ominaisuus vastaanottaa elektroneja täydellisellä tai osittaisella siirrolla määrittää hapettimen. Kun tällainen aine reagoi elektroneja luovuttavan aineen kanssa, sen oma hapetusaste laskee. Hapen hapetustilan muutosta (laskua) nollasta -2:een kutsutaan pelkistymiseksi.
Normaaleissa olosuhteissa alkuaine muodostaa kaksi- ja kolmiatomisia yhdisteitä. Lisäksi on erittäin epävakaita neljän atomin molekyylejä. Diatomisessa muodossa kaksi paritonta elektronia sijaitsevat sitoutumattomilla kiertoradoilla. Tämän vahvistaa kaasun paramagneettinen käyttäytyminen.
Osonin voimakas reaktiivisuus selittyy joskus oletuksella, että yksi kolmesta atomista on "atomitilassa". Reaktioon saapuessaan tämä atomi dissosioituu O3, jättäen molekyylin hapen.
O2-molekyyli on heikosti reaktiivinen normaaleissa ympäristön lämpötiloissa ja paineissa. Atomihappi on paljon aktiivisempi. Dissosiaatioenergia (O2 → 2O) on merkittävä jaon 117,2 kcal per mooli.
Liitännät
Epämetallien, kuten vedyn, hiilen ja rikin, kanssa happi muodostaa laajan valikoiman kovalenttisesti sitoutuneita yhdisteitä, mukaan lukien ei-metallien, kuten veden, oksideja (H2O), rikkidioksidi (SO2) ja hiilidioksidi (CO2); orgaaniset yhdisteet, kuten alkoholit, aldehydit ja karboksyylihapot; yleiset hapot, kuten hiilihappo (H2CO3), rikkihappo (H2SO4) ja typpi (HNO3); ja vastaavat suolat, kuten natriumsulfaatti (Na2SO4), natriumkarbonaatti (Na2 CO 3) ja natriumnitraatti (NaNO3). Happi on läsnä O2--ionin muodossa kiinteiden metallioksidien kiderakenteessa, kuten hapen ja kalsium-CaO:n yhdiste (oksidi). Metallisuperoksidit (KO2) sisältävät O2-, kun taas metalliperoksidit (BaO) 2), sisältävät ionin O22-. Happiyhdisteiden hapetusaste on pääasiassa -2.
Perusominaisuudet
Lopuksi luetellaan hapen pääominaisuudet:
- Elektronikokoonpano: 1s22s22p4.
- Atominumero: 8.
- Atomimassa: 15,9994.
- Kiehumispiste: -183,0 °C.
- Sulamispiste: -218,4 °C.
- Tiheys (jos hapen paine on 1 atm 0 °C:ssa): 1,429 g/l.
- Hapetustilat: -1, -2, +2 (yhdisteissä, joissa on fluoria).
