Happi on kemiallinen alkuaine. Sen symboli on O ja järjestysluku 8. Se on maailmankaikkeuden kolmanneksi yleisin alkuaine vedyn ja heliumin jälkeen.

Happea on yli viidennes maapallon ilmakehän tilavuudesta. Ilmassa kaksi happiatomia yhdistyy yleensä diohapeksi (O
2), joka on väritön kaasu. Tätä kaasua kutsutaan usein vain hapeksi. Sillä ei ole makua eikä hajua. Nestemäisenä tai kiinteänä se on vaaleansinistä.

Happi kuuluu jaksollisen järjestelmän kalkogeeniryhmään. Se on erittäin reaktiivinen epämetalli. Se muodostaa oksideja ja muita yhdisteitä monien alkuaineiden kanssa. Näissä oksideissa ja muissa yhdisteissä (lähinnä silikaattimineraaleissa ja kalkkikiven kalsiumkarbonaatissa) oleva happi muodostaa massaltaan lähes puolet maankuoresta.

Useimmat elävät olennot käyttävät happea hengityksessä. Monissa elävien olentojen molekyyleissä, kuten proteiineissa, nukleiinihapoissa, hiilihydraateissa ja rasvoissa, on happea. Happi on osa vettä, jota kaikki tunnettu elämä tarvitsee elääkseen. Levät, syanobakteerit ja kasvit tuottavat maapallon happikaasua fotosynteesillä. Ne käyttävät auringon valoa saadakseen vedestä vetyä ja luovuttaakseen happea.

Maan ilmakehän yläosassa on otsonia (O
3), otsonikerroksessa. Se absorboi ultraviolettisäteilyä, minkä ansiosta maanpinnan tasolle pääsee vähemmän säteilyä.

Happikaasua käytetään teräksen, muovien ja tekstiilien valmistukseen. Sillä on myös lääketieteellisiä käyttötarkoituksia, ja sitä käytetään hengitykseen silloin, kun hyvää ilmaa ei ole (esimerkiksi sukeltajat ja palomiehet), sekä hitsaukseen. Nestemäistä happea ja happirikkaita yhdisteitä voidaan käyttää rakettien polttoaineena.



 

Perusominaisuudet

Happi on kaikille lääkeaineille ja useimmille biologisille prosesseille välttämätön alkuaine. Sen tärkeimpiä perusominaisuuksia:

  • Atominumero: 8
  • Atomimassa (vakio): noin 15,999
  • Elektronirakenne: 1s² 2s² 2p⁴
  • Normaali olomuoto: diatominen kaasu O
    2     huoneenlämpötilassa
  • Kiehumispiste: noin −182,96 °C
  • Sulamispiste: noin −218,79 °C
  • Elektronegatiivisuus (Pauling): ~3,44
  • Magneettiset ominaisuudet: O
    2     on paramagneettinen (sillä on epäpareja elektroneja), mikä näkyy mm. magnetometreissä.

Allotrooppiset muodot ja isotoopit

Hapen yleisimmät allotrooppiset muodot ovat:

  • Diohappi (O
    2    ) – tavallinen hengityskaasu.
  • Otsoni (O
    3    ) – voimakas hapetin, esiintyy luonnollisesti stratosfäärissä ja myös paikallisesti ilmakehässä; suojaa UV-säteilyltä mutta toimii maatasolla ilmanlaatuhaittana.

Merkittäviä hapen isotooppeja ovat 16O (n. 99,76 %), 17O ja 18O. Isotooppisuhteita käytetään mm. paleoklimatologiassa ja veden alkuperän tutkimuksessa.

Esiintyminen ja happikierto

Happi on maankuoren yleisin alkuaine massan mukaan: sen osuus on noin 46 % maankuoresta. Ilmakehässä happea on noin 21 % tilavuudesta. Suurin osa hapesta on sitoutuneena yhdisteisiin, erityisesti silikaatteihin ja karbonaatteihin.

Maapallon hapen kierto sisältää pääasiallisesti seuraavat prosessit:

  • Fotosynteesi: kasvit, levät ja syanobakteerit tuottavat happea vapauttamalla sitä vedyksi irrotetusta vedestä.
  • Respiraatio ja hapetusreaktiot: eliöt kuluttavat happea energiantuotannossa; hapettuminen muuttaa orgaanista ainesta ja mineraaleja.
  • Geokemialliset prosessit: esimerkiksi veden ja kivien kemialliset reaktiot sitovat tai vapauttavat happea.

Biologinen merkitys

Happi on keskeinen osa soluhengitystä: monisoluiset eliöt hyödyntävät O
2 hapetuspelissä tuottamaan ATP:tä, jota solut käyttävät energiana. Vesi (H
2O) sisältää happea ja on elämän perusedellytys.

Lisäksi happi on rakenneosana useissa biologisissa molekyyleissä kuten proteiineissa, nukleiinihapoissa, hiilihydraateissa ja lipideissä. Ilmaston ja ekosysteemien toiminta liittyy vahvasti hapen virtauksiin.

Tuotanto ja teolliset käyttötavat

Teollisesti happea tuotetaan pääasiassa ilmaa jäähdyttämällä ja fraktionaalisesti tislaamalla (kriogeeninen erotus). Pienemmässä mittakaavassa käytetään myös paineen vaihtoon perustuvia menetelmiä (PSA) ja kemiallisia reaktioita.

Tärkeitä käyttökohteita:

  • teräksen valmistus ja kaasutushitsaus
  • lääketieteellinen happi hengitystä tukemaan
  • vedenpuhdistus ja kemianteollisuuden hapetusprosessit
  • nestemäinen happi (LOX) rakettien hapettimena
  • polttoprosessit, hapen avulla saavutetaan korkeammat palamislämpötilat

Turvallisuus ja ympäristövaikutukset

Happi itsessään ei ole myrkyllinen, mutta hapeari ympäristö lisää huomattavasti palon vaarallisuutta: materiaalit syttyvät helpommin ja palavat voimakkaammin. Siksi happivarastointi ja -käyttö vaativat erityistä huolellisuutta.

Otsoni stratosfäärissä suojaa maapalloa UV-säteilyltä, mutta troposfäärin otsoni on ilmansaaste, joka haittaa hengitysteitä ja kasvien kasvua. Lisäksi hapetusprosesseilla on vaikutuksia biogeokemiallisiin kiertoihin ja paikalliseen ilmanlaatuun.

Lyhyt historia

Hapen havaitsemisesta ja ymmärtämisestä vastasivat 1700-luvulla useat tutkijat. Carl Wilhelm Scheele löysi kaasun itsenäisesti ja kuvaili sen ominaisuuksia ennen monia muita, mutta julkaisi tuloksensa myöhemmin. Joseph Priestley löysi ja eristi happea vuonna 1774. Antoine Lavoisier osoitti, että happi on alkuaine ja antoi sille nimen (kreikankielinen juurin merkitys liittyy "happamuuden muodostamiseen"), mikä muutti kemian käsityksiä pysyvästi.

Lopuksi

Happi on keskeinen elementti sekä elämälle että teollisuudelle. Sen reaktiivisuus tekee siitä korvaamattoman monissa kemiallisissa prosesseissa, mutta samalla se edellyttää huolellista käsittelyä turvallisuuden varmistamiseksi. Ymmärrys hapen roolista ekosysteemeissä, teollisuudessa ja ilmakehässä on tärkeää sekä ympäristönsuojelun että teknisen kehityksen kannalta.