Hapnik

Varajased katsed

Ühe esimestest teadaolevatest katsetest põlemise ja õhu seose kohta tegi 2. sajandil eKr Vana-Kreeka mehaanik Philon Byzantionist. Teoses "Pneumatika" täheldas Philon, et kui hoida ümberpööratud anumat põleva küünla kohal ja ümbritseda anuma kael veega, siis tõuseb kaela sisse vett.
Philon arvas, et osa anumas olevast õhust muutub tuleks. Leonardo da Vinci jätkas Philoni katset, täheldades, et põlemine ja hingamine kulutavad osa õhust.
17. sajandi lõpus tõestas Robert Boyle, et õhk on põlemiseks vajalik. John Mayow täpsustas, et tuli nõuab ainult seda õhu osa, mida ta nimetas spiritus nitroaereus ehk lihtsalt nitroaereus. Ühes katses ta leidis, et kui asetada hiir või süüdatud küünal kinnisesse anumasse vee kohale, siis vesi tõuseb ja enne katsealuste kustumist asendab 1/14 õhu ruumalast. Ta oletas, et nii põlemine kui ka hingamine kulutavad nitroaereus't.
Mayow täheldas, et kuumutamisel antimoni kaal suureneb, ning tegi järelduse, et nitroaereus ühineb sellega. Ta arvas ka, et kopsud eraldavad nitroaereus't õhust ning annavad selle edasi verre ning et animaalne soojus ja lihaste liikumine tulevad nitroaereus'e reageerimiseks teatud ainetega veres. Nende ja teiste katsete ja ideede kirjeldused avaldati 1668 tema raamatus "Tractatus duo" (traktaat "De respiratione").

Scheele

Hapniku avastas esimesena Rootsi farmatseut Carl Wilhelm Scheele, kes oli 1772. aastaks saanud dihapnikku, kuumutades elavhõbe(II)oksiidi ja nitraate. Scheele nimetas selle gaasi tuleõhuks, sest see oli ainus teadaolev põlemise toetaja, ning kirjutas aruande sellest avastusest käsikirjas "Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer" ("Traktaat õhust ja tulest") mille ta saatis kirjastajale 1775 ja mis avaldati alles 1777.

Priestley

1. augustil 1774 fokuseeris Briti vaimulik Joseph Priestley katseklaasis olevale elavhõbe(II)oksiidile (HgO) päikesevalgust, mille tagajärjel vabanes gaas, mille ta hiljem nimetas deflogisteeritud õhuks. Ta pani tähele, et selles gaasis põlevad küünlad heledamalt ja hiir on seda hingates aktiivsem ja elab kauem. Olles gaasi ise hinganud, kirjutas ta: "Selle tunne minu kopsudes polnud tuntavalt erinev tavalise õhu tundest, kuid tundus, et mõnda aega pärast seda oli rinnal eriti kerge tunne." Priestley avaldas oma leiud 1775 artiklis pealkirjaga "An Account of Further Discoveries in Air", mis oli osa tema raamatust "Experiments and Observations on Different Kinds of Air". Et Priestley avaldas oma leiud esimesena, siis peetakse teda tavaliselt esmaavastajaks.

Lavoisier

Prantsuse keemik Antoine Lavoisier väitis hiljem, et ta avastas uue aine sõltumatult. Ent Priestley külastas oktoobris 1774 Lavoisier'd ning rääkis talle oma katsest ja sellest, kuidas ta uue gaasi avastas. Ka Scheele postitas 30. septembril 1774 Lavoisier'le kirja, milles ta kirjeldas, kuidas ta oli avastanud seni aine, kuid Lavoisier ei tunnistanud, et on selle kirja saanud (kirja koopia leiti pärast Scheele surma tema asjade hulgast).
Vaieldamatult (kuigi tema kaasaegsed seda vaidlustasid) tegi Lavoisier esimesed adekvaatsed kvantitatiivsed katsed oksüdatsiooniga ja andis põlemise esimese korrektse seletuse (põlemise hapnikuteooria). Ta kasutas seda katset ja sarnaseid katseid, mida kõiki ta alustas 1774. aastal, et flogistoniteooriat diskrediteerida ning tõestada, et Priestley ja Scheele avastatud aine on keemiline element.
Ühes katses täheldas Lavoisier, et kui kuumutada tina ja õhku kinnises anumas, siis kogukaal ei suurene. Ta pani tähele, et anuma avamisel tungib õhk sinna ägedalt sisse, mis annab tunnistust sellest, et osa õhku on ära kulutatud. Samuti pani ta tähele, et tina kaal on suurenenud anumasse juurde tunginud õhu kaalu võrra. Seda ja teisi katseid põlemisega kirjeldab tema raamat "Sur la combustion en général", mis ilmus 1777. Selles ta tõestas, et õhk on kahe gaasi segu: üks on "eluõhk", mis on põlemiseks ja hingamiseks vajalik, teine on azote (vanakreeka sõnast ἄζωτον 'elutu'), mis ei toeta kumbagi. Azote kannab eesti keeles nime "lämmastik" (õigemini dilämmastik) ja ladina keeles nitrogenium, kuid Lavoisier antud nimetus on säilinud prantsuse keeles ja mõnes teises keeles, näiteks vene keeles. (Vene keeles on lämmastik азот.)
Lavoisier pani "eluõhule" 1777. aastal nimetuse oxygène, mis tuli vanakreeka sõnast ὀξύς (oxys) ('terav', keemia mõistes 'hape' hapete maitse järgi) ja järelliitest -γενή (-genēs) ('sigitaja', keemias 'tekitaja'), sest ta arvas, et hapnik on kõigi hapete koostisosa. Keemikud (eriti Sir Humphry Davy 1812) tegid hiljem kindlaks, et Lavoisier eksis selles (tegelikult on hapete keemia aluseks vesinik), kuid see enam hapniku nimetust ei mõjutanud.
Lavoisier' sõna laenati ka inglise keelde (oxygen), hoolimata inglise teadlaste vastuseisust ning asjaolu, et inglane Priestley oli gaasi esimesena isoleerinud ja esimesena sellest kirjutanud. Sellele aitas kaasa Erasmus Darwini populaarses raamatus "The Botanic Garden" (1791) avaldatud hapnikku ülistav luuletus "Oxygen".

Kuhni kommentaar

Thomas Kuhn kasutab "Teadusrevolutsioonide struktuuri" VI peatükis hapniku avastamislugu selle kohta, et uudsete nähtuste avastamine ja teoreetiliste uuenduste leiutamine on lahutamatult seotud ning teaduslikku avastust ei saa täpselt dateerida ja sageli ka mitte atribueerida, sest avastus on protsess, mis hõlmab uut laadi nähtuse olemasolu ja olemuse kindlakstegemist ja see nõuab aega. Avastus ei ole võrreldav tavalise nägemisega; küsimusel, millal täpselt see tehti, puudub tähendus. Hapniku avastamise prioriteedi küsimus oli nii terav osalt sellepärast, et see avastus oli paradigmamuutuse lahutamatu osa. Lavoisier hülgas flogistoniteooria põlemise hapnikuteooria kasuks ja pani sellega alguse keemiarevolutsioonile. Hapniku avastamine andis lihtsalt konkreetse kuju tema aimdusele, et põlemisel neeldub mingi õhu koostisosa. Priestley küll isoleeris hapniku, kuid samastas selle algul teise gaasiga, mille ta oli varem avastanud, seejärel aga pidas deflogisteeritud õhuks, millel on suurem võime flogistoni vastu võtta; seega ei väljunud ta flogistoniteooria raamest. Ka Lavoisier ei mõistnud hapnikku nii, nagu seda tänapäeval mõistetakse: algul oli see tema meelest õhk ise, hiljem pidas ta gaasilist hapnikku hapniku kui happelisuse printsiibi ja soojusaine ühendiks. Mõiste happelisuse alge tõrjuti keemiast välja alles pärast 1810. aastat ja soojusaine määratlusest loobuti 1860. aastate paiku. Hapniku kui keemilise elemendi avastamise saab Kuhni järgi dateerida ajavahemikku 1774–1777. Kuhn jääb oma dateeringus siiski ebamääraseks (1777 või varsti pärast seda). Ta osutab uue murrangulise käsitluse (flogistoniteooriast – uutmoodi põlemise tõlgendamisele) tekkimise asjaolu pikkaajalisele ja mitmekihilisele olemusele, kritiseerides lihtsustatud kujutlust õpikutes, kus näidatakse pöördelisi sündmusi ennatlikult ja lõplikult – varju jäävad mõistete kujunemise sisemised vastuolud, mis alles hiljem täpsustuvad. Õpikute maht ei võimalda tihti sellist mitmekihilist analüüsi, millest sugenevad väärad lihtsustatud kujutlused tegelike pöördeliste sündmuste kohta teaduse ajaloos. Avastusfaktide tõlgendused, uued definitsioonid kujunevad selgeks, selliseks nagu õpikutest loeme, palju pikema järkjärgulise arengu tagajärjel. Kuhn on arvamusel, teadus on iseäranis palju kollektiivne looming. Üksikute teadlaste, nende avastuste taga on laiem teadlaste kogukond, võrgustik ja pikem ajaloo periood, suurem kontekst. Tema raamat "Teadusrevolutsioonide struktuur" lõpeb tõdemusega: "Teaduslik teadmine on nagu keelgi tõeliselt rühma (teadlaste kogukonna) ühisomand." (Peatükk Postskriptum 1969 lk 257)

Aatomiteooria

John Daltoni algne aatomihüpotees oletas, et kõik elemendid on üheaatomilised ning ühendites on aatomite arvud on tavaliselt omavahel kõige lihtsamates proportsioonides. Näiteks oletas Dalton, et vee valem on HO, nii et hapniku aatommass on vesiniku omast 8 korda suurem (tänapäeva teadmiste järgi 16 korda). Aastal 1805 näitasid Joseph Louis Gay-Lussac ja Alexander von Humboldt, et vesi moodustub kahest mahuosast vesinikust ja ühest mahuosast hapnikust. Ja 1811. aastaks oli Amedeo Avogadro oma Avogadro seaduse põhjal jõudnud vee keemilise koostise tänapäevase tõlgendusele, võttes eelduseks, et vesiniku ja hapniku molekulid on kaheaatomilised. Kuni 1860. aastani neid tulemusi enamasti ignoreeriti, osalt sellepärast, et usuti, et aatomitel ei ole sama elemendi aatomite suhtes keemilist afiinsust, ja osalt Avogadro seaduse näiliste rikkumiste tõttu, mida alles hiljem seletati dissotsieerivate molekulidega.

Hapnikuringe

Hapnikuringe on hapniku liikumine anorgaanilistest ühenditest elusorganismide orgaanilistesse ühenditesse ja tagasi, samuti elusorganismide poolt vahendatud hapniku konversioonid anorgaaniliste ühendite vahel.
Vaba hapnik Maa atmosfääris on taimede ja teiste fotosünteesi teostavate organismide elutegevuse tulemus: vee fotolüütilisel lagunemisel eraldub vesinik, mis seondub süsinikuga, ja hapnik, mis eraldub reaktsiooni jääkproduktina ümbritsevasse keskkonda, atmosfääri.

Oksiidid

Oksiidid on hapniku ühendid mõne teise keemilise elemendiga. Oksiidid tekivad kahe lihtaine vahelise redoksreaktsiooni käigus, milles hapnik käitub oksüdeerijana.
Tuntumate oksiidide sekka kuuluvad näiteks divesinikmonooksiid ehk vesi (H₂O), süsinikdioksiid ehk süsihappegaas (CO₂), dilämmastikoksiid (N₂O), alumiiniumoksiid (Al₂O₃), raudoksiidid (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄), kaltsiumoksiid (CaO), vääveldioksiid (SO₂), ränidioksiid (SiO₂) ja tsinkoksiid (ZnO).

Tuleohtlikkus

Hapnikurikkas keskkonnas on suur tuleoht, sest põlemist kiirendab peale hapniku suurema kontsentratsiooni ka asjaolu, et vähem põlemissoojust kulub lämmastiku soojendamisele, mistõttu leek on kuumem. Kui hapnik on enne süttimist segatud gaasiliste või suspendeeritud põlevainetega, tekib plahvatus, millega võib kaasneda detonatsioon. Eriti ohtlik on selles suhtes vedel hapnik. Vedela hapnikuga immutatud põlevaineid nimetatakse oksülikviitideks ja neid kasutatakse lõhkeainetena: nende eeliseks on see, et kui nad ei lõhke, siis aurab hapnik aja jooksul ära ja plahvatusoht kaob. Oksülikviite moodustab ka asfalt kui poorne orgaaniline aine. Need on mehaaniliselt tundlikud, nii et vedela hapnikuga märjaks saanud asfalt võib detoneeruda ülesõitmise või pealeastumise tagajärjel. Et hapniku keemistemperatuur on kõrgem kui õhu teisel põhikomponendil lämmastikul, kondenseerub ta õhu vedeldamisel kergemini: õhk hakkab kondenseeruma temperatuuril −191 °C, ja tekkiv vedelik on rikastatud hapnikuga, mida seal on 48%. Mis tahes koostisega vedela õhu auramisel aurab valdavalt lämmastik ja järelejääv vedelik rikastub hapnikuga; ka võib vedel lämmastik või õhk kokkupuutel õhuga õhust hapnikku juurde kondenseerida. Seetõttu on vedel õhk kokkupuutel põlevainetega ohtlik.