9. Happi ja vety

Johdanto

2018-01-09T18:07:29+02:00

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.

Tietoja hapesta

2018-01-09T14:05:50+02:00

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

Hapen valmistaminen

2018-01-09T14:10:20+02:00

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.

:center

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

2018-01-09T14:18:48+02:00

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

Vety ja sen ominaisuuksia

2018-01-09T14:37:04+02:00

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

Typpi ja sen ominaisuuksia

2018-01-09T18:11:35+02:00

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.

Ilman rakenne

2018-01-09T18:17:24+02:00

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.