Kuidas yin’ist hapnik sai

Aleksander Laane

Teadus on ikka olnud võidujooks esmaavastuse nimel. Koolipõlvest on meeles, et hapniku avastajaks nimetati Lavoisier’d. Tegelikult olid teadmised hapniku kohta õpetlaste peas ja praktilises kasutuses olemas palju varem. Teadus on olnud ja on jätkuvalt võidujooks esmaavastuse nimel, ülimalt emotsionaalne tegevusvaldkond, kus vaatamata formaalsustele ja reeglitele on asi pelgalt tekste tootvatest autoritest üsna kaugel. Nagu iga õnneliku leiu puhul, on ka hapnikul palju esmaavastajaid ja au enesele nõudlejaid. Seda ennekõike lääne kultuuriruumis. Vaidlused ja ebamäärasus oleks ehk olemata jäänud, kui juba sajandite eest saanuks pruukida praegust teadustekstide kirjastamissüsteemi, mida vahel kiruda eelistatakse. Esimesed hapnikutekitajad Esimesteks hapnikutekitajateks peetakse sinivetikaid, mis olid tõenäoliselt olemas juba 2,7 miljardit aastat tagasi – võib-olla varemgi. Vaatamata nimele ütlevad geneetikud ja mikrobioloogid, et tegemist on siiski bakteritega – tsüanobakteritega –, mitte vetikatega. Ökoloogidbioloogid ütlevad aga, et tegemist on ikka taime ehk vetikaga. Nad kasutavad elutegevuseks päikeseenergiat ehk fotosünteesi, lõhustades energia saamiseks veemolekule ja vaba hapnik on neile põhiliselt kasutu jääkprodukt. Vaba hapniku hulk ei olnud aga miljardeid aastaid tagasi kuigi suur ja seegi neeldus, reageerides erinevate ainetega, näiteks vulkaaniliste gaasidega. Tänapäeval toodavad tsüanobakterid koos vetikatega umbes 70–85% kogu õhuhapnikust. Tsüanobaktereid on kõikjal, kus on niiskust, kuid kõige rohkem muidugi veekogudes, pannes need vahel õitsema ja värvides Punase mere punaseks.

Hapnik hakkas meie koduplaneedi atmosfääri kogunema 2,3–2,4 miljardit aastat tagasi, kui vulkaaniline aktiivsus nähtavasti väiksemaks jäi. Seejärel ilmusid varsti ka esimesed bakteritest keerulisemad rakulised organismid ehk eukarüoodid.

Seda suhteliselt kiiresti suurenevat hapniku lisandumist nimetatakse hapnikurevolutsiooniks, hapniku evolutsiooniks, suureks oksüdatsiooniks ja ka hapniku katastroofiks – seda küll rohkem muutuse kiiruse mõttes, mitte vaestele anaeroobidele, kes tänapäevani hapnikku ei talu või ei vaja, kaasa tundes.

Rakuline struktuur võimaldas keerulisematel organismidel hapnikku omastades toota kiiremini ja rohkem oma elutegevuseks vajalikku energiat, kui seda suutsid anaeroobid. 10% tasemele jõudis hapnikusisaldus atmosfääris 1,7 miljardit aastat tagasi. Ürgsesse süvamerre ilmus suuremas koguses hapnikku alles 580 miljonit aastat tagasi. Paleontoloogid oletavad, et eukarüootide arenguhüpe viibis pea poolteist miljardit aastat Maa atmosfääri ikka veel madala hapnikutaseme tõttu, mis ei võimaldanud ilmuda keerulisematel aktiivsetel organismidel. Nähtavasti mängis oma osa ka osoonikihi moodustumine kaitseks Päikese kiirguse eest. Viie miljoni aasta pärast e 575 miljonit aastat tagasi panid eukarüoodid aluse loomariigile selle tänapäevases mõistes. Atmosfääri hapnikusisaldus on vahepeal ka suurtes ulatustes kõikunud 15 ja 35% vahel. 300 miljonit aastat tagasi oli õhus vaba hapniku sisaldus tervelt 35%. See võimaldas näiteks putukatel kasvada mitu korda suuremaks, kui me neid tänapäeval, õhu 21% hapnikusisalduse juures oleme harjunud nägema.

Avastamine

Philo Mechanicus ehk Philo Bütsansist elas aastatel 280–220 eKr. Ta pani küünla veepotti ja kattis selle klaaskolviga. Kui küünal hapnikupuudusel kustus, oli vesi veidi ülespoole tõusnud. Philo arvas, et osa õhust muutus tuleelemendiks, mis suudab klaasi läbida. See katse andis innustust järgmistele uurijatele.

VIII sajandi Hiinas kirjutas Mao-Khóa, et atmosfäär koosneb kahest substantsist: yang ehk lõplik, täielik õhk (lämmastik) ning yin ehk mittetäielik õhk (hapnik). Ta pani tähele, et yin ühineb metallidega, kuid mitte kullaga. Ta teadis, kuidas hapniku saada ja et see on vee koostisosa. Käsikirja tõi rahva ette idamaade asjatundja Heinrich Julius Klaproth (1783–1835), kuid hiljem on selle ehtsuses siiski kahtlema hakatud.

Esimese eurooplasena, kes mõistis ja pani kirja, et õhk ei ole element, vaid mitme gaasi segu, oli Leonardo da Vinci (1452–1519).

Poola alkeemik ja filosoof Michał Sędziwój kirjeldas hapnikku esimest korda 1604. aastal ja nimetas seda elu eliksiiriks.

1621. aastal katsetas oma konstrueeritud ja ehitatud maailma esimest allveelaeva Cornelius van Drebel, taanlane Inglise kuninga James I teenistuses. Allveelaev sõitis Thamesi jões 4–5 jala sügavusel. Oletatakse, et hapniku saamiseks võttis ta kaasa enda tehtud aerial nitre, mida ta oli saanud salpeetri kuumutamisel.

1669. aastal kinnitas John Mayow (1640–1679), et spiritus nitro-aereus (hapnik) põhjustab soojendatava poolmetalli antimoni (e alabaster) kaalu tõusu. Teadmine, et see miski on osa õhust, aitas tal mõista, et põlemine ja hingamine on sarnased protsessid.

1678. aastal eraldas hapniku salpeetrist ehk nitraadist taani keemik Oluf Borch ehk Olaus Borrichius (1626–1690). Sama tegi 1731 briti loodusteadlane Stephen Hales (1677–1761).

1774. aastal sai elavhõbedaoksiidist hapniku kätte prantsuse keemik Pierre Bayen (1725–1798).

Keegi neist kolmest ei teadnud, kuidas seda ainet koguda, mis omadused tal on ja mis elemendiga on tegemist.

1774. aastal avastati hapnik kes-teab-mitmendat, kuid kokkulepitult esimest ja viimast korda. 1. augustil suutis inglise keemik, filosoof, poliitikateoreetik, kustutuskummi ja mullivee leiutaja ning vaimulik Joseph Priestley elavhõbeoksiidi lagundamisel saada hapnikku. Priestley juhtis läbi suurendusklaasi päikesevalgust elavhõbeoksiidile (mida ta nimetas mercurius calcinatus per se), mis lagunes elavhõbedaks ja hapnikuks.

Priestley jõudis oma 1775. aastal ilmunud artikliga ette rootslasest, Uppsala apteekrist Carl Wilhelm Scheelest, kes oli juba 1772. aastal hapnikku eraldanud. Scheele saatis artikli oma kirjastajale 1775. aastal, kuid see ilmus alles 1777.

Priestley järeldas, et hapnikku leidub õhus, ained põlevad hapnikus paremini, hingata on viis või kuus korda kergem. Ta katsetas puhast hapnikku hiirtel ja kui need hinge ei heitnud, siis proovis ka ise puhast hapnikku sisse hingata. Ta kirjeldas, et gaasi hingamisel oli rinnus erakordselt kerge tunne ning kergus püsis ka pärast sissehingamist. Ta ennustas, et selle gaasi sissehingamisest võiks tulevikus saada osa luksuslikust elustiilist. Priestley nimetas hapnikku deflogistoneeritud õhuks. Priestley ütles ka, et puhta hapniku hingamine võib olla ohtlik. Ta väitis, et nii nagu küünal põleb hapnikus kiiremini kui õhus, nii võib ka inimese elu kestus olla hapnikus lühem kui õhus.

Rootslane Carl Wilhelm Scheele nimetas gaasi tuleõhuks, hiljem ka vitaalseks õhuks.

1789. aastal andis hapnikule nime oxygène (kr keeles ’happe(teravuse)tekitaja’) prantslane Lavoisier teoses „Traité élémentaire de chimie”. Ekslikult arvas ta, et just see element on kõigi hapete koostises olulisim.

Lavoisier väitis hiljem, et ka tema oli teistest sõltumatult hapniku avastanud. Säilinud on andmed, et Priestley külastas Lavoisier’d oktoobris 1774, rääkis oma eksperimendist ja sellest, et oli eraldanud uue gaasi. Scheele postitas samuti Lavoisier’le kirja oma eksperimendi ja avastuse kohta 30. septembril 1774, kuid Lavoisier ei ole kunagi kirja saamist tunnistanud. Kirja koopia leiti Scheele arhiivist alles pärast tema surma.