Oppitunnilla 17" Hapen saaminen» kurssilta « Kemia nukkeille» selvittää, kuinka happea saadaan laboratoriossa; oppia, mikä katalysaattori on ja kuinka kasvit vaikuttavat hapen tuotantoon planeetallamme.
Ihmisille ja muille eläville organismeille tärkein ilmaan kuuluva aine on happi. Teollisuudessa käytetään suuria määriä happea, joten on tärkeää tietää, miten se saadaan.
Kemianlaboratoriossa happea voidaan saada kuumentamalla joitain monimutkaisia aineita, jotka sisältävät happiatomeja. Näiden aineiden joukossa on aine KMnO 4, joka on saatavilla kodin ensiapulaukussa nimeltä "kaliumpermanganaatti".
Tunnet yksinkertaisimmat laitteet kaasujen saamiseksi. Jos johonkin näistä laitteista laitetaan hieman KMnO 4 -jauhetta ja sitä kuumennetaan, vapautuu happea (kuva 76):
Happea voidaan saada myös hajottamalla vetyperoksidia H 2 O 2 . Tätä varten koeputkeen tulisi lisätä hyvin pieni määrä erityistä ainetta H 2 O 2 - katalyytti- ja sulje koeputki tulpalla, jossa on kaasun poistoputki (kuva 77).
Tässä reaktiossa katalyytti on aine, jonka kaava on MnO 2. Seuraava kemiallinen reaktio tapahtuu:
Huomaa, että yhtälön vasemmalla tai oikealla puolella ei ole katalyyttikaavaa. Sen kaava kirjoitetaan yleensä reaktioyhtälöön yhtäläisyysmerkin päälle. Miksi katalyyttiä lisätään? H202:n hajoamisprosessi huoneolosuhteissa etenee hyvin hitaasti. Siksi huomattavien happimäärien saaminen kestää kauan. Tätä reaktiota voidaan kuitenkin nopeuttaa huomattavasti lisäämällä katalyyttiä.
Katalyytti Aine, joka nopeuttaa kemiallista reaktiota, mutta jota ei itse kuluteta siinä.
Juuri siksi, että katalyyttiä ei kuluteta reaktiossa, emme kirjoita sen kaavaa mihinkään reaktioyhtälön osaan.
Toinen tapa saada happea on veden hajottaminen tasaisen sähkövirran vaikutuksesta. Tätä prosessia kutsutaan elektrolyysi vettä. Voit saada happea laitteeseen, kaaviollisesti kuvassa 78.
Seuraava kemiallinen reaktio tapahtuu:
Happi luonnossa
Ilmakehässä on valtava määrä kaasumaista happea, joka on liuennut merien ja valtamerien vesiin. Happi on välttämätöntä kaikkien elävien organismien hengittämiselle. Ilman happea olisi mahdotonta saada energiaa polttamalla erilaisia polttoaineita. Näihin tarpeisiin kuluu vuosittain noin 2 % ilmakehän hapesta.
Mistä happea tulee maapallolta, ja miksi sen määrä pysyy suunnilleen vakiona tällaisesta kulutuksesta huolimatta? Ainoa hapen lähde planeetallamme ovat vihreät kasvit, jotka tuottavat sitä auringonvalon vaikutuksesta fotosynteesin kautta. Tämä on erittäin monimutkainen prosessi, jossa on monia vaiheita. Kasvien vihreissä osissa tapahtuvan fotosynteesin seurauksena hiilidioksidi ja vesi muuttuvat glukoosiksi C 6 H 12 O 6 ja hapeksi. Kaikki yhteensä
fotosynteesiprosessissa tapahtuvien reaktioiden yhtälö voidaan esittää seuraavasti:
Viherkasvien tuottamasta hapesta noin kymmenesosa (11 %) on todettu maakasveilta ja loput yhdeksän kymmenesosaa (89 %) vesikasveilta.
Hapen ja typen saaminen ilmasta
Ilmakehän valtavat happivarannot mahdollistavat sen saamisen ja käytön eri teollisuudenaloilla. Teollisissa olosuhteissa happea, typpeä ja joitain muita kaasuja (argon, neon) saadaan ilmasta.
Tätä varten ilma muunnetaan ensin nesteeksi (kuva 79) jäähdyttämällä niin alhaiseen lämpötilaan, että kaikki sen komponentit siirtyvät aggregoituneena nestemäiseen tilaan.
Sitten tämä neste kuumennetaan hitaasti, minkä seurauksena eri lämpötiloissa ilman sisältämät aineet kiehuvat peräkkäin pois (eli siirtyvät kaasumaiseen tilaan). Keräämällä eri lämpötiloissa pois kiehuvia kaasuja saadaan typpeä, happea ja muita aineita erikseen.
Oppitunnin yhteenveto:
- Laboratorio-olosuhteissa happea saadaan hajottamalla joitain monimutkaisia aineita, jotka sisältävät happiatomeja.
- Katalyytti on aine, joka nopeuttaa kemiallista reaktiota kulumatta.
- Hapen lähde planeetallamme ovat vihreitä kasveja, joissa tapahtuu fotosynteesiprosessi.
- Teollisuudessa happea saadaan ilmasta.
Toivottavasti oppitunti 17" Hapen saaminen' oli selkeä ja informatiivinen. Jos sinulla on kysyttävää, kirjoita ne kommentteihin.
Metallia leikattaessa se suoritetaan korkean lämpötilan kaasuliekillä, joka saadaan polttamalla palavaa kaasua tai nestehöyryä sekoitettuna kaupallisesti puhtaan hapen kanssa.
Happi on maan runsain alkuaine löytyy kemiallisten yhdisteiden muodossa eri aineiden kanssa: maaperässä - jopa 50 massaprosenttia, yhdessä vedyn kanssa vedessä - noin 86 massaprosenttia ja ilmassa - jopa 21 tilavuusprosenttia ja 23 massaprosenttia.
Happi normaaleissa olosuhteissa (lämpötila 20 °C, paine 0,1 MPa) on väritön, palamaton kaasu, hieman ilmaa raskaampi, hajuton, mutta tukee aktiivisesti palamista. Normaalissa ilmanpaineessa ja lämpötilassa 0 ° C 1 m 3 hapen massa on 1,43 kg ja lämpötilassa 20 ° C ja normaalissa ilmanpaineessa - 1,33 kg.
Hapen reaktiivisuus on korkea, muodostaen yhdisteitä kaikkien kemiallisten alkuaineiden kanssa paitsi (argon, helium, ksenon, krypton ja neon). Yhdisteen reaktiot hapen kanssa etenevät vapauttamalla suuri määrä lämpöä, eli ne ovat luonteeltaan eksotermisiä.
Kun puristettu kaasumainen happi joutuu kosketuksiin orgaanisten aineiden, öljyjen, rasvojen, hiilipölyn, palavien muovien kanssa, ne voivat syttyä itsestään lämmön vapautumisen seurauksena nopean hapen puristuksen, kitkan ja kiinteiden hiukkasten törmäyksen seurauksena metalliin sekä sähköstaattisen kipinän seurauksena. purkaa. Siksi happea käytettäessä on huolehdittava siitä, ettei se joudu kosketuksiin syttyvien ja palavien aineiden kanssa.
Kaikki happilaitteet, happilinjat ja -sylinterit on poistettava perusteellisesti rasvasta. se pystyy muodostamaan räjähtäviä seoksia palavien kaasujen tai nestemäisten palavien höyryjen kanssa laajalla alueella, mikä voi myös johtaa räjähdyksiin avoimen liekin tai jopa kipinän läsnä ollessa.
Hapen huomioidut ominaisuudet tulee aina pitää mielessä, kun sitä käytetään liekkikäsittelyprosesseissa.
Ilmakehän ilma on pääasiassa kolmen kaasun mekaaninen seos, jonka tilavuuspitoisuus on seuraava: typpi - 78,08%, happi - 20,95%, argon - 0,94%, loput on hiilidioksidia, typpioksiduulia jne. Happea saadaan erottamalla ilmaa hapella ja syväjäähdytyksellä (nesteyttämisellä) sekä argonin erotuksella, jonka käyttö lisääntyy jatkuvasti klo. Typpeä käytetään suojakaasuna kuparin hitsauksessa.
Happea voidaan saada kemiallisesti tai veden elektrolyysillä. Kemialliset menetelmät tuottamatonta ja epätaloudellista. klo veden elektrolyysi tasavirtahappi saadaan sivutuotteena puhtaan vedyn tuotannossa.
Happea tuotetaan teollisuudessa ilmakehän ilmasta syväjäähdytyksellä ja oikaisulla. Asennuksissa, joissa ilmasta tuotetaan happea ja typpeä, jälkimmäinen puhdistetaan haitallisista epäpuhtauksista, puristetaan kompressorissa jäähdytyssyklin vastaavaan paineeseen 0,6-20 MPa ja jäähdytetään lämmönvaihtimissa nesteytyslämpötilaan, jolloin ero jäähdytetään. hapen ja typen nesteytyslämpötila on 13 °C, mikä riittää niiden täydelliseen erottumiseen nestefaasissa.
Nestemäinen puhdas happi kerääntyy ilmanerotuslaitteistoon, haihtuu ja kerääntyy kaasusäiliöön, josta se pumpataan kompressorilla sylintereihin jopa 20 MPa:n paineella.
Putkilinjaa pitkin kuljetetaan myös teknistä happea. Putkilinjaa pitkin kuljetettavan hapen paineesta on sovittava valmistajan ja kuluttajan kesken. Happi toimitetaan paikkaan happisylintereissä ja nestemäisessä muodossa - erityisissä astioissa, joissa on hyvä lämmöneristys.
Nestemäisen hapen muuttamiseksi kaasuksi käytetään kaasuttimia tai pumppuja, joissa on nestemäisen hapen höyrystimet. Normaalissa ilmanpaineessa ja 20 °C:n lämpötilassa 1 dm 3 nestemäistä happea haihdutuksen aikana antaa 860 dm 3 kaasumaista happea. Siksi on suositeltavaa toimittaa happea hitsauskohtaan nestemäisessä tilassa, koska tämä vähentää taarapainoa 10 kertaa, mikä säästää metallia sylinterien valmistukseen ja vähentää sylinterien kuljetus- ja varastointikustannuksia.
Hitsaukseen ja leikkaamiseen Teknisen -78:n mukaan happea valmistetaan kolmessa lajikkeessa:
- 1. - puhtaus vähintään 99,7 %
- 2. - vähintään 99,5 %
- 3. - vähintään 99,2 tilavuusprosenttia
Hapen puhtaudella on suuri merkitys happipolttoaineleikkauksessa. Mitä vähemmän kaasuepäpuhtauksia se sisältää, sitä suurempi leikkausnopeus, puhtaampi ja vähemmän hapenkulutusta.
Vahvistamme tulenkestävän lasin koeputken jalustaan ja lisäämme siihen 5 g jauhettua nitraattia (kaliumnitraatti KNO 3 tai natriumnitraatti NaNO 3). Laitetaan koeputken alle hiekalla täytetty kuppi tulenkestävää materiaalia, sillä tässä kokeessa lasi usein sulaa ja kuumaa massaa valuu ulos. Siksi lämmitettäessä pidämme polttimen sivulla. Kun salaattia lämmitetään voimakkaasti, se sulaa ja siitä vapautuu happea (havaitsemme tämän kytevän soihdun avulla - se syttyy koeputkessa). Tässä tapauksessa kaliumnitraatti muuttuu KNO2-nitriitiksi. Sitten upokaspihdillä tai pinseteillä heitetään pala leikkaavaa rikkiä sulatteeseen (älä koskaan pidä kasvojasi koeputken päällä).
Rikki syttyy ja palaa vapauttamalla suuren määrän lämpöä. Koe tulisi suorittaa avoimilla ikkunoilla (syntyvien rikkioksidien vuoksi). Saatu natriumnitriitti säilytetään myöhempiä kokeita varten.
Prosessi etenee seuraavasti (lämmittämällä):
2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2
Voit saada happea muillakin tavoilla.
Kaliumpermanganaatti KMnO 4 (mangaanihapon kaliumsuola) vapauttaa happea kuumennettaessa ja muuttuu mangaani(IV)oksidiksi:
4KMnO4 → 4Mn2 + 2K2O + 3O2
tai 4KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 + O 2
10 grammasta kaliumpermanganaattia saa noin litran happea, joten kaksi grammaa riittää täyttämään viisi normaalikokoista koeputkea hapella. Kaliumpermanganaattia voi ostaa mistä tahansa apteekista, jos sitä ei ole saatavilla kodin ensiapulaukussa.
Kuumennamme tietyn määrän kaliumpermanganaattia tulenkestävässä koeputkessa ja keräämme vapautuneen hapen koeputkiin pneumaattisen kylvyn avulla. Kiteet halkeilevat ja tuhoutuvat, ja usein tietty määrä pölyistä permanganaattia kulkeutuu kaasun mukana. Tässä tapauksessa paineilmakylvyn ja poistoputken vesi muuttuu punaiseksi. Kokeen päätyttyä puhdistamme kylvyn ja putken natriumtiosulfaattiliuoksella (hyposulfiitti) - valokiinnitysaineella, jonka happamoimme hieman laimealla kloorivetyhapolla.
Suuria määriä happea voidaan saada myös vetyperoksidista (peroksidi) H 2 O 2 . Ostamme apteekista kolmen prosentin liuoksen - desinfiointiaineen tai valmisteen haavojen hoitoon. Vetyperoksidi ei ole kovin stabiili. Jo ilmassa seisoessaan se hajoaa hapeksi ja vedeksi:
2H 2O 2 → 2H 2O + O 2
Hajoamista voidaan nopeuttaa merkittävästi lisäämällä peroksidiin vähän mangaanidioksidia MnO 2 (pyrolusiitti), aktiivihiiltä, metallijauhetta, verta (koaguloitua tai tuoretta), sylkeä. Nämä aineet toimivat katalyytteinä.
Voimme olla vakuuttuneita tästä, jos laitamme pieneen koeputkeen noin 1 ml vetyperoksidia jonkin edellä mainitun aineen kanssa ja toteamme kehittyvän hapen läsnäolon sirutestillä. Jos 5 ml:aan dekantterilasissa olevaa 3-prosenttista vetyperoksidiliuosta lisätään vastaava määrä eläimen verta, seos vaahtoaa voimakkaasti, vaahto kovettuu ja turpoaa happikuplien vapautumisen seurauksena.
Sitten testaamme katalyyttisen vaikutuksen 10-prosenttisella kupari(II)sulfaattiliuoksella, johon on lisätty kaliumhydroksidia (emäksistä potaskaa), rautasulfaattiliuosta (P), rauta(III)kloridiliuosta (jossa ja ilman). rautajauheen lisääminen), natriumkarbonaatti, natriumkloridi ja orgaaniset aineet (maito, sokeri, murskatut vihreiden kasvien lehdet jne.). Nyt olemme kokemuksesta nähneet, että erilaiset aineet nopeuttavat katalyyttisesti vetyperoksidin hajoamista.
Katalyytit lisäävät kemiallisen reaktion nopeutta kulumatta. Viime kädessä ne vähentävät reaktion herättämiseen tarvittavaa aktivointienergiaa. Mutta on myös aineita, jotka toimivat päinvastoin. Niitä kutsutaan negatiivisiksi katalyyteiksi, anti-katalyyteiksi, stabilisaattoreiksi tai inhibiittoreiksi. Esimerkiksi fosforihappo estää vetyperoksidin hajoamisen. Siksi kaupallinen vetyperoksidiliuos yleensä stabiloidaan fosfori- tai virtsahapolla.
Katalyytit ovat välttämättömiä monille kemiallis-teknologisille prosesseille. Mutta jopa villieläimissä niin sanotut biokatalyytit (entsyymit, entsyymit, hormonit) ovat mukana monissa prosesseissa. Koska katalyyttejä ei kuluteta reaktioissa, ne voivat toimia jopa pieninä määrinä. Yksi gramma juoksutetta riittää koaguloimaan 400-800 kiloa maitoproteiinia.
Katalyyttien toiminnan kannalta erityisen tärkeä on niiden pinta-ala. Pinnan kasvattamiseksi käytetään huokoisia, halkeilevia aineita, joilla on kehittynyt sisäpinta, tiiviitä aineita tai metalleja ruiskutetaan niin sanotuille kantoaineille. Esimerkiksi 100 g kantajalla olevaa platinakatalyyttiä sisältää vain noin 200 mg platinaa; 1 g tiivistä nikkeliä on pinta-alaltaan 0,8 cm 2 ja 1 g nikkelijauhetta on 10 mg. Tämä vastaa suhdetta 1:100 000; 1 g aktiivista alumiinioksidia on pinta-alaltaan 200-300 m2, 1 g aktiivihiiltä kohden tämä arvo on jopa 1000 m2. Joissakin katalyyttiasennuksissa - useita miljoonia markkaa. Siten Belenin 18 metriä korkea bensiinikontaktiuuni sisältää 9-10 tonnia katalyyttiä.
Suunnitelma:
Löytöhistoria
Nimen alkuperä
Luonnossa oleminen
Kuitti
Fyysiset ominaisuudet
Kemialliset ominaisuudet
Sovellus
10. Isotoopit
Happi
Happi- 16. ryhmän elementti (vanhentuneen luokituksen mukaan - ryhmän VI pääalaryhmä), D. I. Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän toinen jakso, atominumerolla 8. Se on merkitty symbolilla O (lat. Oxygenium). Happi on reaktiivinen ei-metalli ja se on kalkogeeniryhmän kevyin alkuaine. yksinkertainen aine happi(CAS-numero: 7782-44-7) normaaleissa olosuhteissa - väritön, mauton ja hajuton kaasu, jonka molekyyli koostuu kahdesta happiatomista (kaava O 2), jonka yhteydessä sitä kutsutaan myös hapeksi Nestemäisellä hapella on vaaleansininen ja kiinteä aine on vaaleansinisiä kiteitä.
On muitakin allotrooppisia hapen muotoja, esimerkiksi otsoni (CAS-numero: 10028-15-6) - normaaleissa olosuhteissa sininen kaasu, jolla on spesifinen haju, jonka molekyyli koostuu kolmesta happiatomista (kaava O 3).
Löytöhistoria
Virallisesti uskotaan, että englantilainen kemisti Joseph Priestley löysi hapen 1. elokuuta 1774 hajottamalla elohopeaoksidia hermeettisesti suljetussa astiassa (Priestley suuntasi auringonsäteet tähän yhdisteeseen käyttämällä voimakasta linssiä).
Priestley ei kuitenkaan alun perin ymmärtänyt löytäneensä uuden yksinkertaisen aineen, hän uskoi eristäneensä yhden ilman aineosista (ja kutsui tätä kaasua "deflogistoiduksi ilmaksi"). Priestley raportoi löydöstään erinomaiselle ranskalaiselle kemistille Antoine Lavoisierille. Vuonna 1775 A. Lavoisier totesi, että happi on olennainen osa ilmaa, happoja ja sitä löytyy monista aineista.
Muutama vuosi aiemmin (vuonna 1771) ruotsalainen kemisti Carl Scheele oli hankkinut happea. Hän kalsinoi salpeterin rikkihapolla ja hajotti sitten syntyneen typpioksidin. Scheele kutsui tätä kaasua "tuliseksi ilmaksi" ja kuvasi löytöään vuonna 1777 julkaistussa kirjassa (täsmälleen koska kirja julkaistiin myöhemmin kuin Priestley ilmoitti löydöstään, jälkimmäistä pidetään hapen löytäjänä). Scheele kertoi myös kokemuksestaan Lavoisierille.
Tärkeä vaihe, joka vaikutti hapen löytämiseen, oli ranskalaisen kemistin Pierre Bayenin työ, joka julkaisi työn elohopean hapettumisesta ja sen oksidin myöhemmästä hajoamisesta.
Lopulta A. Lavoisier sai lopulta selville syntyneen kaasun luonteen Priestleyn ja Scheelen tietojen perusteella. Hänen työnsä oli erittäin tärkeä, sillä sen ansiosta tuolloin vallinnut ja kemian kehitystä jarruttanut flogistonteoria kumottiin. Lavoisier suoritti kokeen erilaisten aineiden palamisesta ja kumosi flogistonin teorian julkaisemalla tulokset palaneiden alkuaineiden painosta. Tuhkan paino ylitti alkuaineen alkuperäisen painon, mikä antoi Lavoisierille oikeuden väittää, että palamisen aikana tapahtuu aineen kemiallinen reaktio (hapettuminen), jonka yhteydessä alkuperäisen aineen massa kasvaa, mikä kumoaa flogistonin teoria.
Siten Priestley, Scheele ja Lavoisier jakavat ansio hapen löytämisestä.
Nimen alkuperä
Sana happi (1800-luvun alussa sitä kutsuttiin vielä "hapoksi"), sen esiintyminen venäjän kielellä johtuu jossain määrin M. V. Lomonosovista, joka esitteli muiden neologismien ohella sanan "happo"; näin ollen sana "happi" oli puolestaan A. Lavoisierin ehdottama merkkipaperi termistä "happi" (ranskaksi oxygène) (toisesta kreikasta ὀξύς - "hapan" ja γεννάω - "synnytän"), joka tarkoittaa "hapon tuottamista", joka liittyy sen alkuperäiseen merkitykseen - "happo", joka aiemmin tarkoitti oksideiksi kutsuttuja aineita nykyaikaisen kansainvälisen nimikkeistön mukaan.
Luonnossa oleminen
Happi on maapallon yleisin alkuaine, sen osuus (osa eri yhdisteitä, pääasiassa silikaatteja) on noin 47,4 % kiinteän maankuoren massasta. Meri ja makeat vedet sisältävät valtavan määrän sitoutunutta happea - 88,8% (massasta), ilmakehässä vapaan hapen pitoisuus on 20,95 tilavuusprosenttia ja 23,12 massaprosenttia. Yli 1500 maankuoren yhdistettä sisältää koostumuksessaan happea.
Happi on monien orgaanisten aineiden ainesosa ja sitä on kaikissa elävissä soluissa. Mitä tulee atomien lukumäärään elävissä soluissa, se on noin 25%, massaosuudessa - noin 65%.
Kuitti
Tällä hetkellä teollisuudessa happea saadaan ilmasta. Tärkein teollinen menetelmä hapen saamiseksi on kryogeeninen tislaus. Kalvoteknologiaan perustuvat happilaitokset ovat myös hyvin tunnettuja ja menestyksekkäästi käytettyjä teollisuudessa.
Laboratorioissa käytetään teollista happea, joka toimitetaan terässylintereissä noin 15 MPa:n paineessa.
Pieniä määriä happea voidaan saada kuumentamalla kaliumpermanganaattia KMnO 4:
Käytetään myös vetyperoksidin H 2 O 2 katalyyttisen hajoamisen reaktiota mangaani(IV)oksidin läsnä ollessa:
Happea voidaan saada katalyyttisellä hajotuksella kaliumkloraatista (bertolettisuolaa) KClO 3:sta:
Laboratoriomenetelmiin hapen tuottamiseksi kuuluvat alkalien vesiliuosten elektrolyysimenetelmä sekä elohopea(II)oksidin hajottaminen (t = 100 °C):
Sukellusveneissä se saadaan yleensä natriumperoksidin ja ihmisen uloshengittämän hiilidioksidin reaktiolla:
Fyysiset ominaisuudet
Valtamerissä liuenneen O 2:n pitoisuus on suurempi kylmässä vedessä ja vähemmän lämpimässä vedessä.
Normaaleissa olosuhteissa happi on väritön, mauton ja hajuton kaasu.
1 litra sitä painaa 1,429 g. Se on hieman ilmaa raskaampaa. Liukenee niukasti veteen (4,9 ml/100 g 0 °C:ssa, 2,09 ml/100 g 50 °C:ssa) ja alkoholiin (2,78 ml/100 g 25 °C:ssa). Se liukenee hyvin sulaan hopeaan (22 tilavuutta O 2 1 tilavuudessa Ag 961 °C:ssa). Atomien välinen etäisyys - 0,12074 nm. Se on paramagneettinen.
Kun kaasumaista happea kuumennetaan, tapahtuu sen palautuva dissosiaatio atomeiksi: 2000 °C:ssa - 0,03%, 2600 °C:ssa - 1%, 4000 °C - 59%, 6000 °C - 99,5%.
Nestemäinen happi (kiehumispiste -182,98 °C) on vaaleansinistä nestettä.
O 2 -vaihekaavio
Kiinteä happi (sulamispiste -218,35 °C) - sinisiä kiteitä. Tunnetaan kuusi kiteistä faasia, joista kolme on olemassa 1 atm:n paineessa:
α-O 2 - esiintyy alle 23,65 K lämpötiloissa; kirkkaan siniset kiteet kuuluvat monokliiniseen järjestelmään, soluparametrit a = 5,403 Å, b = 3,429 Å, c = 5,086 Å; p = 132,53°.
β-O2 - esiintyy lämpötila-alueella 23,65 - 43,65 K; vaaleansinisillä kiteillä (paineen kasvaessa väri muuttuu vaaleanpunaiseksi) on romboederinen hila, soluparametrit a=4,21 Å, α=46,25°.
γ-O 2 - esiintyy lämpötiloissa 43,65 - 54,21 K; vaaleansinisillä kiteillä on kuutiosymmetria, hilajakso a = 6,83 Å.
Kolme muuta faasia muodostuu korkeissa paineissa:
δ-O 2 lämpötila-alue 20-240 K ja paine 6-8 GPa, oranssit kiteet;
ε-O 4 -paine 10 - 96 GPa, kiteen väri tummanpunaisesta mustaan, monokliininen järjestelmä;
ζ-O n paine yli 96 GPa, metallitila, jossa on tyypillinen metallikiilto, alhaisissa lämpötiloissa siirtyy suprajohtavaan tilaan.
Kemialliset ominaisuudet
Voimakas hapetin, vuorovaikutuksessa lähes kaikkien alkuaineiden kanssa muodostaen oksideja. Hapetusaste on -2. Hapetusreaktio etenee pääsääntöisesti lämmön vapautuessa ja kiihtyy lämpötilan noustessa (katso Palaminen). Esimerkki huoneenlämpötilassa tapahtuvista reaktioista:
Hapettaa yhdisteitä, jotka sisältävät alkuaineita, joiden hapetusaste ei ole maksimi:
Hapettaa useimmat orgaaniset yhdisteet:
Tietyissä olosuhteissa on mahdollista suorittaa orgaanisen yhdisteen lievä hapetus:
Happi reagoi suoraan (normaaliolosuhteissa, kuumennettaessa ja/tai katalyyttien läsnä ollessa) kaikkien yksinkertaisten aineiden kanssa paitsi Au:n ja inerttien kaasujen (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) kanssa; reaktiot halogeenien kanssa tapahtuvat sähköpurkauksen tai ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta. Kullan oksideja ja raskaita inerttejä kaasuja (Xe, Rn) saatiin epäsuorasti. Kaikissa kahden alkuaineen hapen yhdisteissä muiden alkuaineiden kanssa happi toimii hapettavana aineena, paitsi yhdisteissä, joissa on fluoria
Happi muodostaa peroksideja, joiden happiatomin hapetusaste on muodollisesti −1.
Esimerkiksi peroksideja saadaan polttamalla alkalimetalleja hapessa:
Jotkut oksidit absorboivat happea:
A. N. Bachin ja K. O. Englerin kehittämän polttoteorian mukaan hapettuminen tapahtuu kahdessa vaiheessa, jolloin muodostuu välituoteperoksidiyhdiste. Tämä välituoteyhdiste voidaan eristää esimerkiksi, kun palavan vedyn liekki jäähdytetään jäällä, veden kanssa muodostuu vetyperoksidia:
Superoksideissa hapen hapetusaste on muodollisesti −½, eli yksi elektroni kahta happiatomia kohden (O −2-ioni). Saatu peroksidien vuorovaikutuksesta hapen kanssa korotetussa paineessa ja lämpötilassa:
Kalium K, rubidium Rb ja cesium Cs reagoivat hapen kanssa muodostaen superoksideja:
Dioksigenyyli-ionissa O 2 + hapen hapetusaste on muodollisesti +½. Hanki reaktiolla:
Happifluoridit
Happifluoridia, OF 2 hapen hapetusaste +2, saadaan johtamalla fluoria alkaliliuoksen läpi:
Happimonofluoridi (dioksidifluoridi), O 2 F 2, on epästabiili, hapen hapetusaste on +1. Saatu fluorin ja hapen seoksesta hehkupurkauksessa -196 °C:n lämpötilassa:
Ohjaamalla hehkupurkaus fluorin ja hapen seoksen läpi tietyssä paineessa ja lämpötilassa saadaan korkeampien happifluoridien O 3 F 2, O 4 F 2, O 5 F 2 ja O 6 F 2 seoksia.
Kvanttimekaaniset laskelmat ennustavat OF 3 + trifluorihydroksonium-ionin vakaan olemassaolon. Jos tämä ioni todella on olemassa, siinä olevan hapen hapetusaste on +4.
Happi tukee hengitys-, palamis- ja hajoamisprosesseja.
Vapaassa muodossaan alkuaine esiintyy kahdessa allotrooppisessa muunnelmassa: O 2 ja O 3 (otsoni). Kuten Pierre Curie ja Maria Sklodowska-Curie vahvistivat vuonna 1899, O 2 muuttuu ionisoivan säteilyn vaikutuksesta O 3:ksi.
Sovellus
Hapen laajalle levinnyt teollinen käyttö alkoi 1900-luvun puolivälissä turbopaisuttimien - nestemäisen ilman nesteyttämiseen ja erottamiseen tarkoitettujen laitteiden - keksimisen jälkeen.
ATmetallurgia
Teräksen valmistuksen tai mattakäsittelyn konvertterimenetelmä liittyy hapen käyttöön. Monissa metallurgisissa yksiköissä polttimissa käytetään ilman sijasta happi-ilmaseosta polttoaineen tehokkaampaan palamiseen.
Metallien hitsaus ja leikkaus
Sinisissä sylintereissä olevaa happea käytetään laajalti metallien polttoleikkaukseen ja hitsaukseen.
Rakettipolttoaine
Rakettipolttoaineen hapettimena käytetään nestemäistä happea, vetyperoksidia, typpihappoa ja muita happirikkaita yhdisteitä. Nestemäisen hapen ja nestemäisen otsonin seos on yksi tehokkaimmista rakettipolttoaineen hapettimista (vety-otsoniseoksen ominaisimpulssi ylittää vety-fluori- ja vety-happi-fluoridiparin ominaisimpulssin).
ATlääke
Lääketieteellistä happea varastoidaan sinisissä korkeapaineisissa metallikaasusylintereissä (puristetuille tai nesteytetyille kaasuille), joiden tilavuus on 1,2-10,0 litraa paineessa aina 15 MPa:iin (150 atm) asti, ja sitä käytetään rikastamaan hengityskaasuseoksia anestesialaitteissa. hengitysvajaus, keuhkoastman kohtauksen lievittämiseen, mistä tahansa alkuperästä johtuvan hypoksian poistamiseen, dekompressiotautien kanssa, maha-suolikanavan patologian hoitoon happicocktailien muodossa. Yksilölliseen käyttöön sylintereistä peräisin oleva lääketieteellinen happi täytetään erityisillä kumistetuilla säiliöillä - happityynyillä. Hapen tai happi-ilmaseoksen toimittamiseen samanaikaisesti yhdelle tai kahdelle uhrille kentällä tai sairaalassa käytetään eri mallisia ja muunnelmia happiinhalaattoreita. Happiinhalaattorin etuna on kaasuseoksen lauhdutin-kostutin, joka käyttää uloshengitetyn ilman kosteutta. Sylinteriin jäävän hapen määrän laskemiseksi litroina sylinterissä oleva paine ilmakehissä (alennuslaitteen painemittarin mukaan) kerrotaan yleensä sylinterin tilavuudella litroina. Esimerkiksi sylinterissä, jonka tilavuus on 2 litraa, painemittari näyttää hapen painetta 100 atm. Hapen tilavuus tässä tapauksessa on 100 × 2 = 200 litraa.
ATRuokateollisuus
Elintarviketeollisuudessa happi on rekisteröity elintarvikelisäaineeksi E948, ponne- ja pakkauskaasuksi.
ATkemianteollisuus
Kemianteollisuudessa happea käytetään hapettimena useissa synteesissä, esimerkiksi hiilivetyjen hapetuksessa happea sisältäviksi yhdisteiksi (alkoholit, aldehydit, hapot), ammoniakki typen oksideiksi typpihapon valmistuksessa. Hapetuksen aikana kehittyvien korkeiden lämpötilojen vuoksi jälkimmäiset suoritetaan usein polttotilassa.
ATmaataloudessa
Kasvihuoneissa, happicocktailien valmistukseen, eläinten painonnousuun, vesiympäristön rikastamiseen hapella kalanviljelyssä.
Hapen biologinen rooli
Hapen hätähuolto pommisuojassa
Useimmat elävät olennot (aerobit) hengittävät happea ilmasta. Happea käytetään laajalti lääketieteessä. Sydän- ja verisuonisairauksissa aineenvaihduntaprosessien parantamiseksi happivaahtoa ("happicocktail") ruiskutetaan mahalaukkuun. Ihonalaista hapen antoa käytetään troofisiin haavaumiin, elefanttiaasiin, kuolioon ja muihin vakaviin sairauksiin. Keinotekoista otsonirikastusta käytetään ilman desinfiointiin ja hajunpoistoon sekä juomaveden puhdistamiseen. Hapen radioaktiivista isotooppia 15 O käytetään verenkierron nopeuden, keuhkojen ventilaation tutkimiseen.
Myrkylliset happijohdannaiset
Jotkut happijohdannaiset (ns. reaktiiviset happilajit), kuten singlettihappi, vetyperoksidi, superoksidi, otsoni ja hydroksyyliradikaali, ovat erittäin myrkyllisiä tuotteita. Ne muodostuvat hapen aktivoinnin tai osittaisen pelkistyksen yhteydessä. Superoksidi (superoksidiradikaali), vetyperoksidi ja hydroksyyliradikaali voivat muodostua ihmisen ja eläimen soluissa ja kudoksissa ja aiheuttaa oksidatiivista stressiä.
isotoopit
Hapella on kolme stabiilia isotooppia: 16 O, 17 O ja 18 O, joiden keskimääräinen pitoisuus on vastaavasti 99,759 %, 0,037 % ja 0,204 % happiatomien kokonaismäärästä maapallolla. Niistä kevyimmän, 16 O:n, jyrkkä ylivalta isotooppien seoksessa johtuu siitä, että 16O-atomin ydin koostuu 8 protonista ja 8 neutronista (kaksois taikaydin täytetyillä neutroni- ja protonikuorilla). Ja sellaisilla ytimillä, kuten atomiytimen rakenteen teoriasta seuraa, on erityinen stabiilius.
Tunnetaan myös radioaktiivisia happi-isotooppeja, joiden massaluvut ovat 12 O - 24 O. Kaikilla radioaktiivisilla happi-isotoopeilla on lyhyt puoliintumisaika, pisin niistä on 15 O ja puoliintumisaika ~120 s. Lyhyimmän ikäisen 12 O-isotoopin puoliintumisaika on 5,8·10 −22 s.
Hei. Olet jo lukenut artikkelini Tutoronline.ru-blogissa. Tänään kerron sinulle hapesta ja sen saamisesta. Muistutan sinua, jos sinulla on minulle kysymyksiä, voit kirjoittaa ne artikkelin kommentteihin. Jos tarvitset apua kemiassa, ilmoittaudu tunnilleni aikataulusta. Autan sinua mielelläni.
Happi jakautuu luonnossa isotooppien 16 O, 17 O, 18 O muodossa, joiden prosenttiosuudet maapallolla ovat vastaavasti 99,76%, 0,048%, 0,192%.
Vapaassa tilassa happi on kolmen muodossa allotrooppiset modifikaatiot : atomihappi - O o, dihappi - O 2 ja otsoni - O 3. Lisäksi atomihappea voidaan saada seuraavasti:
KClO 3 \u003d KCl + 3O 0
KNO 3 = KNO 2 + O 0
Happi on osa yli 1400 erilaista mineraalia ja orgaanista ainetta, jonka pitoisuus ilmakehässä on 21 tilavuusprosenttia. Ihmiskehossa on jopa 65 % happea. Happi on väritön ja hajuton kaasu, liukenee heikosti veteen (3 tilavuutta happea liukenee 100 tilavuuteen vettä 20 °C:ssa).
Laboratoriossa happea saadaan lämmittämällä maltillisesti tiettyjä aineita:
1) Mangaaniyhdisteitä (+7) ja (+4) hajottaessa:
2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
permanganaatti manganaatti
kalium kalium
2MnO 2 → 2MnO + O 2
2) Kun perkloraatit hajoavat:
2KClO 4 → KClO 2 + KCl + 3O 2
perkloraatti
kalium
3) Hajotessa berthollet-suolaa (kaliumkloraattia).
Tässä tapauksessa muodostuu atomihappea:
2KClO 3 → 2KCl + 6O 0
kloraatti
kalium
4) Kun hypokloorihapon suolat hajoavat valossa- hypokloriitit:
2NaClO → 2NaCl + O 2
Ca(ClO) 2 → CaCl 2 + O 2
5) Kun lämmitetään nitraatteja.
Tämä tuottaa atomihappea. Riippuen siitä, missä asemassa nitraattimetalli on aktiivisuussarjassa, muodostuu erilaisia reaktiotuotteita:
2NaNO 3 → 2NaNO 2 + O 2
Ca(NO 3) 2 → CaO + 2NO 2 + O 2
2AgNO 3 → 2 Ag + 2NO 2 + O 2
6) Hajotessa peroksideja:
2H 2 O 2 ↔ 2H 2 O + O 2
7) Kuumennettaessa inaktiivisten metallien oksideja:
2Ag 2O ↔ 4Ag + O 2
Tämä prosessi on tärkeä jokapäiväisessä elämässä. Tosiasia on, että kuparista tai hopeasta valmistetut astiat, joissa on luonnollinen oksidikalvokerros, muodostavat kuumennettaessa aktiivista happea, mikä on antibakteerinen vaikutus. Inaktiivisten metallien, erityisesti nitraattien, suolojen liukeneminen johtaa myös hapen muodostumiseen. Esimerkiksi hopeanitraatin liukenemisprosessi voidaan esittää vaiheittain:
AgNO 3 + H 2 O → AgOH + HNO 3
2AgOH → Ag 2O + O 2
2Ag 2O → 4Ag + O 2
tai tiivistettynä:
4AgNO 3 + 2H 2 O → 4Ag + 4HNO 3 + 7O 2
8) Kuumennettaessa korkeimman hapetusasteen omaavia kromisuoloja:
4K 2 Cr 2 O 7 → 4K 2 CrO 4 + 2Cr 2 O 3 + 3 O 2
dikromaattikromaatti
kalium kalium
Teollisuudessa happea saadaan:
1) Veden elektrolyyttinen hajoaminen:
2H 2O → 2H2 + O 2
2) Hiilidioksidin vuorovaikutus peroksidien kanssa:
CO 2 + K 2 O 2 → K 2 CO 3 + O 2
Tämä menetelmä on välttämätön tekninen ratkaisu yksittäisten järjestelmien hengitysongelmaan: sukellusveneet, miinat, avaruusalukset.
3) Kun otsoni on vuorovaikutuksessa pelkistysaineiden kanssa:
O3 + 2KJ + H2O → J2 + 2KOH + O 2
Erityisen tärkeää on hapen tuotanto fotosynteesiprosessissa. esiintyy kasveissa. Kaikki elämä maapallolla riippuu pohjimmiltaan tästä prosessista. Fotosynteesi on monimutkainen monivaiheinen prosessi. Alku antaa hänelle valoa. Itse fotosynteesi koostuu kahdesta vaiheesta: vaaleasta ja pimeästä. Valofaasissa kasvien lehtien sisältämä pigmenttiklorofylli muodostaa ns. "valoa absorboivan" kompleksin, joka ottaa vedestä elektroneja ja jakaa sen siten vetyioneiksi ja hapeksi:
2H 2O \u003d 4e + 4H + O 2
Kertyneet protonit osallistuvat ATP:n synteesiin:
ADP + F = ATP
Pimeässä faasissa hiilidioksidi ja vesi muuttuvat glukoosiksi. Ja happea vapautuu sivutuotteena:
6CO 2 + 6H 2 O \u003d C 6 H 12 O 6 + O 2
Sivusto, jossa materiaali kopioidaan kokonaan tai osittain, linkki lähteeseen vaaditaan.
