9. Happi ja vety
Johdanto
Edellisessä kappaleessa opit, että happea tarvitaan aina palamisen yhteydessä. Maapallolla happi on kaikkein yleisin alkuine - sitä on kaikkialla - maassa, meressä ja ilmassa. Happi voi esiintyä luonnossa puhtaana alkuaineena tai sitouteena erilaisiksi yhdisteiksi. Happi on yksi elämälle välttämätön alkuaine.
:center medium
Hapen lisäksi ilmasta löytyy muitakin kaasuja. Suurin osa on passiivista typpeä ja hyvin pieni osa (alle 1 %) muita kaasuja, kuten vetyä, vesikaasua, heliumia ja radonia. Tässä kappaleessa käsitellään hapen ominaisuuksia, valmistamista ja käyttökohteita sekä esitellään vety- ja typpikaasut ja niiden ominaisuuksia.
:center medium
Hapen lisäksi ilmasta löytyy muitakin kaasuja. Suurin osa on passiivista typpeä ja hyvin pieni osa (alle 1 %) muita kaasuja, kuten vetyä, vesikaasua, heliumia ja radonia. Tässä kappaleessa käsitellään hapen ominaisuuksia, valmistamista ja käyttökohteita sekä esitellään vety- ja typpikaasut ja niiden ominaisuuksia.
Tietoja hapesta
Happi on huoneenlämpötilassa väritöntä, hajutonta ja mautonta kaasua. Se on ihmiselle välttämätön kaasu ja sitä on ilmakehässä noin 21 %. Hapen kemiallinen merkki O (sanasta oxygen), mutta happi esiintyy ilmassa kaksiatomisena kaasumolekyylinä O2.
:center small
Hapella on luonnossa oma kiertokulkunsa. Ihmiset ja eläimet hengittävät happea tuottaen ilmaan hiilidioksidia ja vettä. Luonnossa vihreät kasvit yhteyttävät hiilidioksidista ja vedestä auringon energian avulla sokeria ja happea. Tapahtumaa kutsutaan fotosynteesiksi. Kasvien vapauttama happi palautuu ihmisten ja eläinten käyttöön.
:center
Hapelle tunnetaan myös toinen esiintymismuoto eli allotrooppi. Korkealla yläilmakehässä on hapesta muodostunut otsonikerros. Otsonimolekyylin kaava on O3 eli se on kolmiatominen kaasumokyyli. Otsonikaasu on väriltään sinistä ja sen on ihmiselle myrkyllinen kaasu. Otsonikerroksen tehtävä on suojata maapalloa liialliselta Auringon ultraviolettisäteiltä, UVA ja UVB-säteilyltä.
:center
:center small
Hapella on luonnossa oma kiertokulkunsa. Ihmiset ja eläimet hengittävät happea tuottaen ilmaan hiilidioksidia ja vettä. Luonnossa vihreät kasvit yhteyttävät hiilidioksidista ja vedestä auringon energian avulla sokeria ja happea. Tapahtumaa kutsutaan fotosynteesiksi. Kasvien vapauttama happi palautuu ihmisten ja eläinten käyttöön.
:center
Hapelle tunnetaan myös toinen esiintymismuoto eli allotrooppi. Korkealla yläilmakehässä on hapesta muodostunut otsonikerros. Otsonimolekyylin kaava on O3 eli se on kolmiatominen kaasumokyyli. Otsonikaasu on väriltään sinistä ja sen on ihmiselle myrkyllinen kaasu. Otsonikerroksen tehtävä on suojata maapalloa liialliselta Auringon ultraviolettisäteiltä, UVA ja UVB-säteilyltä.
:center
Hapen valmistaminen
Happea voidaan valmistaa monella tavalla. Teollisuudessa happea valmistetaan tislaamalla nestemäistä ilmaa. Valmistusmenetelmä vaatii todella alhaisenlämpötilan, jotta ilma saadaan nestemäiseen muotoon - lämpötila on noin -200 ºC. Tuotteena saatu nestemäinen happikaasu on väriltään sinertävää.
Happea voidaan valmistaa pieniä määriä hajoittamalla vetyperoksidia H2O2. Reaktiossa mangaanidioksia MnO2 toimii katalyyttinä ja nopeuttaa reaktiota. Vapaunut happi on helppo kerätä erilliseen astiaan tutkimuksia varten. Menetelmä sopii hyvin esimerkiksi koulujen käyttöön, kuten oppilastyössä huomasit. Kolmas tapa tuottaa happea on johtaa sähköä veteen eli veden elektrolyysin avulla. Vesimolekyylit hajoavat ja reaktiossa vapautuu sekä happi- että vetykaasua. Elektrolyysin avulla molemmat kaasut voidaan kerätä omiin astioihin jatkotutkimuksia varten. Menetelmää varten on kehitetty oma laitteensa, Hoffmanin laite.
:center small
Huomaa, että happea saadaan myös yhteyttämisen eli fotosynteesin kautta. Menetelmä on sinänsä edellisiä heikompi, koska yhteyttämisessä muodostunut happi on vaikea kerätä talteen.
Happea voidaan valmistaa pieniä määriä hajoittamalla vetyperoksidia H2O2. Reaktiossa mangaanidioksia MnO2 toimii katalyyttinä ja nopeuttaa reaktiota. Vapaunut happi on helppo kerätä erilliseen astiaan tutkimuksia varten. Menetelmä sopii hyvin esimerkiksi koulujen käyttöön, kuten oppilastyössä huomasit. Kolmas tapa tuottaa happea on johtaa sähköä veteen eli veden elektrolyysin avulla. Vesimolekyylit hajoavat ja reaktiossa vapautuu sekä happi- että vetykaasua. Elektrolyysin avulla molemmat kaasut voidaan kerätä omiin astioihin jatkotutkimuksia varten. Menetelmää varten on kehitetty oma laitteensa, Hoffmanin laite.
:center small
Huomaa, että happea saadaan myös yhteyttämisen eli fotosynteesin kautta. Menetelmä on sinänsä edellisiä heikompi, koska yhteyttämisessä muodostunut happi on vaikea kerätä talteen.
Hapen käyttökohteet
Happea tarvitaan kaikkialla ja hapesta voidaan valmistaa erilaisia yhdisteitä, jotka ovat ihmiselle tarpeellisia, kuten erilaiset räjähteet ja tekokuidut. Puhdasta happea tarvitaan sellaisenaan monella eri alalla - palomiehet, sukeltajat, astronautit, vuorikiipeilijät ja sairaanhoitoalalla käytetään lisähappea sellaisenaan.
:center medium
Happi on osa palamisreaktiota ja hapen avulla palamisliekkiä voidaan voimistaa. Esimerkiksi kemian luokan kaasupulloissa ilma-aukon avaaminen lisää liekkiin happea ja liekki muuttuu siniseksi. Teknisen työn tunneilla happea tarvitaan hitsaamisen ja polttoleikkaamisen yhteydessä.
:center medium
Happi on erinomainen puhdistusaine, jolla on valkaiseva vaikutus. Happea käytetäänkin yhtenä osana pesuaineita ja sillä voidaan myös valkaista hampaita. Happea käytetyään puhdistusaineena kloorin lisäksi myös uimahallien vesialtaissa.
:center medium
Hapella on myös haitallinen vaikutus, koska se edistää palamista. Ruuat ja hedelmät tummuvat ja pilaantuvat nopeammin hapen ja valon vaikutuksesta. Siksi ruuat säilyvät paremmin viileässä ja pimeässä - jääkaapeissa, kellareissa ja viileähuoneissa.
:center medium
:center medium
Happi on osa palamisreaktiota ja hapen avulla palamisliekkiä voidaan voimistaa. Esimerkiksi kemian luokan kaasupulloissa ilma-aukon avaaminen lisää liekkiin happea ja liekki muuttuu siniseksi. Teknisen työn tunneilla happea tarvitaan hitsaamisen ja polttoleikkaamisen yhteydessä.
:center medium
Happi on erinomainen puhdistusaine, jolla on valkaiseva vaikutus. Happea käytetäänkin yhtenä osana pesuaineita ja sillä voidaan myös valkaista hampaita. Happea käytetyään puhdistusaineena kloorin lisäksi myös uimahallien vesialtaissa.
:center medium
Hapella on myös haitallinen vaikutus, koska se edistää palamista. Ruuat ja hedelmät tummuvat ja pilaantuvat nopeammin hapen ja valon vaikutuksesta. Siksi ruuat säilyvät paremmin viileässä ja pimeässä - jääkaapeissa, kellareissa ja viileähuoneissa.
:center medium
Vety ja sen ominaisuuksia
Vety on huoneenlämpötilassa väritön, hajuton ja mauton kaasu. Se on koko maailmankaikkeuden yleisin alkuaine. Vety on rakenteeltaan pienin alkuaine ja samalla kevein, joten se karkaa kaasuna maapallolta avaruuteen. Maapallolla on vetykaasua alle 1 % verran.
:center small
Vedyn kemiallinen merkki on H (hydrogen) ja se esiintyy ilmassa kaksiatomisena kaasumolekyylinä H2 - aivan kuten happi O2 tai typpi N2.
Vety on erittäin räjähdysherkkä kaasu sekoittuessaan ilman hapen kanssa. Reaktiossa vety palaa räjähtäen ja muodostuu vesihöyryä. Vedyn räjähdysherkkyyden takia se soveltuu erinomaisesti polttoaineeksi avaruusraketteihin, kiihdytysautoihin ja nykyään myös henkilöautoihin. Bensiini- ja dieselpolttoaineet saastuttavat paljon enemmän kuin vety! Sähkö- ja kaasuautot ovatkin osa lähitulevaisuutta.
:center medium
Vetykaasua voidaan valmistaa veden elektrolyysin kautta sähkövirralla, missä vesimolekyylit hajoavat vapauttaen vety- ja happikaasua. Muodostuneet kaasut kerätään talteen omiin astioihin. Vetyä voidaan valmistaa myös eräiden metallien ja happojen välisestä reaktiosta. Esimerkiksi koulussa vetyä valmistettiin magnesiumin ja suohahapon reaktiolla.
:center
:center small
Vedyn kemiallinen merkki on H (hydrogen) ja se esiintyy ilmassa kaksiatomisena kaasumolekyylinä H2 - aivan kuten happi O2 tai typpi N2.
Vety on erittäin räjähdysherkkä kaasu sekoittuessaan ilman hapen kanssa. Reaktiossa vety palaa räjähtäen ja muodostuu vesihöyryä. Vedyn räjähdysherkkyyden takia se soveltuu erinomaisesti polttoaineeksi avaruusraketteihin, kiihdytysautoihin ja nykyään myös henkilöautoihin. Bensiini- ja dieselpolttoaineet saastuttavat paljon enemmän kuin vety! Sähkö- ja kaasuautot ovatkin osa lähitulevaisuutta.
:center medium
Vetykaasua voidaan valmistaa veden elektrolyysin kautta sähkövirralla, missä vesimolekyylit hajoavat vapauttaen vety- ja happikaasua. Muodostuneet kaasut kerätään talteen omiin astioihin. Vetyä voidaan valmistaa myös eräiden metallien ja happojen välisestä reaktiosta. Esimerkiksi koulussa vetyä valmistettiin magnesiumin ja suohahapon reaktiolla.
:center
Typpi ja sen ominaisuuksia
Typpi on huoneenlämpötilassa ja normaalissa ilmanpaineessa hyvin passiivinen ja reagoimaton kaasu. Voit hengittää typpeä keuhkoihisi ja puhaltaa sen pois ilman minkäänlaista reaktiota.
Typen kemiallinen merkki on N (nitrogen) ja se esiintyy ilmassa kaksiatomisena kaasumolekyylinä N2.
Typpi on alkuaineena hyvin monikäyttöinen aine. Nestemäisenä typpi sopii erinomaisesti jäähdyttämiseen. Toisaalta taas passiivisena kaasuna typpi on mainoa suoja- ja täytekaasu elintarvikkeiden säilyttämiseen. Esimerkiksi lihatuotteita pakattaessa pakkausten sisältä imetään ilma pois ja pakkaus täytetään puhtaalla typellä. Näin ruoka saadaan säilymään pidemmän aikaa.
Teollisuudessa typpeä ja sen yhdisteitä tarvitaan erilaisten yhdisteiden valmistamiseen. Tärkeimpiä typen johdannaisia ovat ammoniakki NH3, erilaiset lannoiteyhdisteet sekä räjähdysaineet.
Typen kemiallinen merkki on N (nitrogen) ja se esiintyy ilmassa kaksiatomisena kaasumolekyylinä N2.
Typpi on alkuaineena hyvin monikäyttöinen aine. Nestemäisenä typpi sopii erinomaisesti jäähdyttämiseen. Toisaalta taas passiivisena kaasuna typpi on mainoa suoja- ja täytekaasu elintarvikkeiden säilyttämiseen. Esimerkiksi lihatuotteita pakattaessa pakkausten sisältä imetään ilma pois ja pakkaus täytetään puhtaalla typellä. Näin ruoka saadaan säilymään pidemmän aikaa.
Teollisuudessa typpeä ja sen yhdisteitä tarvitaan erilaisten yhdisteiden valmistamiseen. Tärkeimpiä typen johdannaisia ovat ammoniakki NH3, erilaiset lannoiteyhdisteet sekä räjähdysaineet.
Ilman rakenne
Ilma on kaasujen seos. Alla olevasta kuvasta näet ilman koostumuksen: suurin osa on typpeä (78 %), noin viidennes happea (21 %) ja loput ovat muita kaasuja, kuten argon, helium, neon, vety, vesihöyry jne.
