Happi

Happi
n.., monikko: hapet

Määritelmä: väritön, hajuton, kaasumainen alkuaine, jota edustaa symboli ”O” ja jonka järjestysluku on 8

Happi Määritelmä

Biokemiassa happi on väritön, hajuton, kaasumainen alkuaine, jota edustaa symboli ”O”, jonka järjestysluku on 8, ja joka muodostaa noin 21 tilavuusprosenttia ilmakehästä, ja joka on biologisesti tärkeä, koska sillä on tärkeä rooli erilaisissa biokemiallisissa ja fysiologisissa prosesseissa, erityisesti aerobisissa eliöissä. Etymologia: (oxús, tarkoittaa ”terävä”) + γενής (-genēs, tarkoittaa ”tuottaja”). Symboli: O.

Happi on yksi luonnossa esiintyvistä kemiallisista alkuaineista. Kemiallisella alkuaineella tarkoitetaan yhden atomityypin puhdasta ainetta. Tällä hetkellä 94 on luonnon alkuaineita ja 24 synteettisiä alkuaineita. Happi on yksi elävien olentojen yleisimmistä alkuaineista yhdessä hiilen, vedyn ja typen kanssa. Se on myös maailmankaikkeuden kolmanneksi yleisin alkuaine vedyn ja heliumin jälkeen.

Hapen ominaisuudet

Happi on luonnollinen kaasumainen alkuaine, jonka järjestysluku on 8 ja atomipaino 15,96. Jaksollisessa järjestelmässä se kuuluu kalkogeeneihin. Se on reaktiivinen epämetalli, jonka elektronikonfiguraatio on He 2s2 2p4. Se pystyy yhdistymään kaikkien alkuaineiden kanssa fluoria lukuun ottamatta muodostaen oksideja, emäksiä, happoanhydridejä jne. Huoneenlämmössä happi on vain kohtalaisen aktiivinen useimpien aineiden kanssa. Korkeammissa lämpötiloissa siitä tulee kuitenkin niin aktiivinen, että sitä pidetään yhtenä voimakkaimmista kemiallisista aineista. Hapen sulamispiste on -218,79 °C. Sen tiheys STP:ssä on 1,49 g/l 0 °C:ssa ja 760 mm:n paineessa.

1700- ja 1800-luvuilla tiedemiehet saivat selville, että ilman komponentit voidaan nesteyttää puristamalla ja jäähdyttämällä ilmaa. Vuonna 1883 happi nesteytettiin ensimmäisen kerran vakaassa tilassa.1 Nestemäinen happi on väriltään vaaleansinistä, tiheys 1,141 g/cm3, kiehumispiste -182,96 °C 101,325 kPa:n (760 mmHg) paineessa ja jäätymispiste -218,79 °C. Nykyisin sitä käytetään sotilaslentokoneissa ja kaasuteollisuudessa.

Kiinteä happi on hapen toinen fysikaalinen olomuoto, joka muodostuu normaalissa ilmanpaineessa alle -218,79 °C:n lämpötilassa. Sillä on myös vaaleansininen väri. Sen tiheys on 21 cm3/mol α-faasissa 23,5 cm3/mol γ-faasissa.2

Hapen isotoopit

Hapen luonnossa esiintyvät isotoopit ovat happi-16, happi-17 ja happi-18. Kaikki kolme isotooppia ovat stabiileja. Happi-16:n (16O) ytimessä on 8 neutronia ja 8 protonia. Se on hapen yleisin isotooppi, ja sen osuus luonnollisesta runsaudesta on 99,762 % (NA, eli isotoopin runsaus luonnossa). Happi-17:n (17O) ytimessä on 9 neutronia ja 8 protonia. Sen NA on 0,0373 % merivedessä ja 0,0377421 % merivedessä. Happi-18:n (18O) ytimessä on 10 neutronia ja 8 protonia. Sen NA on 0,2 %.

Hapen allotroopit

Alkuaineen allotrooppi tarkoittaa mitä tahansa monista aineista, jotka muodostuvat vain yhdestä alkuaineesta. Esimerkkejä hapen allotroopeista ovat atomihappi, diohappi, otsoni ja tetrahappi. Atomihappi (O1) on erittäin reaktiivinen hapen allotrooppi. Sillä on taipumus liittyä nopeasti läheisiin molekyyleihin. Diohappea (O2) (vapaa happi) esiintyy kahdessa päämuodossa: tripletti ja singletti. Triplettihappi 3O2 on triplettihapen perustila. Se tunnetaan paremmin nimellä molekulaarinen happi.

Sen kaksi happiatomia on kiinnittynyt toisiinsa yhdellä täydellä σ-sidoksella sekä kahdella π-puolisidoksella. Se on yleisin ja stabiilein hapen allotrooppi maapallolla. Tämä on se muoto, jota eliöt hyödyntävät esim. soluhengityksessä. Sitä vapautuu myös fotosynteesin sivutuotteena fotoautotrofeista.

Singlet-happi 1O2 on diohappea, jonka kaava on O=O. Se on reaktiivisempi orgaanisille yhdisteille kuin triplettihappi. Se voidaan erottaa triplettihapesta elektronien spinien lukumäärän perusteella. Singlettihapella on vain yksi mahdollinen elektronispiinijärjestys, kun taas triplettihapella on kolme. Singlettihappi on yksi reaktiivisista happilajeista (ROS).

Fotoautotrofeissa singlettihappea tuottavat klorofyllimolekyylit fotosynteesin aikana. Kasvit torjuvat vahingollista hapetusvaikutusta karotenoidien vaikutuksella. Kasvinsyöjät, jotka syövät runsaasti singlettihappea tuottavia klorofyllipigmenttejä sisältäviä kasvinosia, ovat alttiita valoherkkyydelle.

Vegaaniruokavaliota noudattavat ihmiset voivat esimerkiksi muuttua valoherkemmiksi ja altistua valodermatiitille. Nisäkkäillä ROS liittyy LDL-kolesterolin hapettumiseen, mikä puolestaan selittää haitalliset vaikutukset sydän- ja verisuonijärjestelmään. Lääketieteessä se on aktiivinen happilaji fotodynaamisessa terapiassa.

Ozon (O3) on stratosfäärin otsonikerroksessa esiintyvä molekyyli. Se pystyy absorboimaan suurimman osan auringon ultraviolettisäteilystä. Tetrahappea (O4) kutsuttiin myös otsoniksi.

Happiyhdisteet

Vesi (H2O) on yksi vedyn oksideista ja yleisin oksidi. Vetyatomit ovat sitoutuneet happiin kovalenttisin sidoksin. Vesi on polaarinen molekyyli, koska sen hapella on lievästi negatiivinen varaus, kun taas vedellä on lievästi positiivinen varaus. Veden poolisuus tekee siitä erinomaisen liuottimen. Hieman negatiivinen happi vetää puoleensa kationeja, kun taas hieman positiivinen vety vetää puoleensa anioneja. Näin vedellä on kyky dissosioida ja ionisoida molekyylejä. Vesi, CO2, MgO, Al2O3, Na2O, CaO, BaO ja ZnO ovat esimerkkejä oksideista, jotka ovat myös esimerkkejä happea sisältävistä epäorgaanisista yhdisteistä.

Organiset yhdisteet määritellään pohjimmiltaan sellaisiksi aineiksi, jotka sisältävät hiiliatomeja ja hiili-hiili (C-C) ja hiili-vety (C-H) sidoksia. Esimerkkejä yleisistä orgaanisista yhdisteistä, jotka sisältävät happea ja R:ää (orgaaninen funktionaalinen ryhmä), ovat alkoholit (R-OH), aldehydit (R-CO-H), amidit R-C(O)-NR2, esterit (R-COO-R), eetterit (R-O-R) ja ketonit (R-CO-R). Muita tärkeitä orgaanisia yhdisteitä, joissa on happea, ovat sitruunahappo, formaldehydi, glyseroli, asetamidi, formaldehydi ja glutaraldehydi.

Hapen löytäminen

1600- ja 1700-luvuilla tiedemiesten, kuten Robert Hooken, Ole Borchin ja Pierre Bayenin, varhaiset kokeet johtivat hapen valmistamiseen. Sitä ei kuitenkaan tuolloin tunnustettu kemialliseksi alkuaineeksi. Pikemminkin vallalla oli vuosisatojen ajan ajatus, että neljä pääelementtiä olivat ilma, tuli, vesi ja maa. Vielä ei tiedetty, että kukin niistä koostui yksinkertaisemmista aineosista, joita myöhemmin kutsuttiin kemiallisiksi alkuaineiksi.
Joseph Priestley 1733-1804, brittiläinen pappi, kiisti tämän uskomuksen ja väitti, että ilma koostui aineista, kuten kaasusta, jonka hän havaitsi vapautuneen elohopeaoksidista (HgO) kokeissaan. Hän kutsui tätä kaasua deflogistiseksi ilmaksi. Myöhemmin Antoine Lavoisier 1743-1794, ranskalainen kemisti Antoine Lavoisier 1743-1794, antoi kaasulle vuonna 1777 nimen oxygène.3 Priestley julkaisi ensimmäisenä hapesta, ja siksi häntä pidetään yleensä hapen löytäjänä.

Englanninkielinen nimi oxygen otettiin käyttöön Lavoisierin oxygène-nimestä, joka puolestaan oli johdettu kreikan kielen ὀξύς (oxús, tarkoittaen ”terävä”) ja -γενής (-genēs, tarkoittaen ”tuottaja”) sanoista. Se oli kuitenkin väärä nimitys, koska alkuaineen ajateltiin olevan kaikkien happojen muodostumisen osatekijä. Nimi oli niin vakiintunut, että se on säilynyt tähän päivään asti, vaikka sen todettiin olevan väärässä.

Biologinen merkitys

Hapella on biologiassa ratkaiseva rooli erilaisissa biokemiallisissa ja fysiologisissa prosesseissa. Se on ihmiskehon runsain alkuaine (65 % massasta), jonka jälkeen tulevat: hiili (18,5 %), vety (9,5 %), typpi (3,2 %), kalsium (1,5 %) ja fosfori (1 %).

Hengitys

Ihmisillä ja muilla maalla elävillä selkärankaisilla happea (O2) kulkeutuu elimistöön keuhkojen kautta, minkä jälkeen se sitoutuu punasolujen hemoglobiiniin ja kulkeutuu elimistön eri osiin. Happi irtoaa hemoglobiinista ja kulkeutuu kudoksiin diffuusion kautta. Hiilidioksidi puolestaan otetaan talteen ja tuodaan keuhkoihin vapautettavaksi ulos.

Happi kulkeutuu soluun, jotta mitokondriot voivat käyttää sitä ATP:n tuottamiseen soluhengityksen avulla. Se toimii elektroninkuljetusketjun viimeisenä elektroniakseptorina oksidatiivisen fosforylaation aikana. Soluhengityksen kokonaisreaktio on: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2880 kJ/mol.

Sen vuoksi, että se käyttää happea, prosessia kuvataan aerobiseksi. Hapen läsnäolo tekee soluhengityksestä noin kymmenen kertaa tehokkaampaa ATP:n tuottamisessa.

Immuunitoiminta

Ihmisillä vetyperoksidi (H2O2), singlettihappi ja superoksidi-ionit ovat joitakin ROS:eja, joita esiintyy luonnostaan hapen käytön sivutuotteina. Niitä käytetään patogeenien tuhoamiseen, joten niillä on immuunitoimintaa.

Fotosynteesi

Fotosynteesin avulla happea tuottavat fotosynteesin avulla fotoautotrofiset eläimet, kuten syanobakteerit, viherlevät ja kasvit. Prosessin yleiskaava on:
6 CO2 + 6 H2O + fotonit → C6H12O6 + 6 O2
Hiilidioksidia, vettä ja fotoneja tarvitaan glukoosin ja O2:n tuottamiseen. Happi vapautuu lopulta ilmakehään.

Happihoito

Hapella uskotaan olevan myös terapeuttista merkitystä erityisesti iskeemisten kudosten hoidossa tai hallinnassa. Happihoitoa eli hapen käyttöä lääketieteellisessä hoidossa käytetään sellaisten tilojen hoitoon, joissa hapenottokyky on heikentynyt, kuten keuhkokuume ja keuhkolaajentuma. Happi (O2) voi kuitenkin olla myrkyllistä korkeissa osapaineissa (<50 kilopascalia). Se voi aiheuttaa terveysongelmia ja kouristuksia.

Hapen geologinen historia

3,85-2,45 miljardia vuotta sitten Maapallon ilmakehässä ei ollut vielä vapaata happea ja useimmat valtamerten osat olivat hapettomia. Vapaata happea alkoi olla ilmakehässä, kun fotosynteettiset eliöt kehittyivät. Tämän uskotaan tapahtuneen noin 3,5 miljardia vuotta sitten. Fotosynteesin avulla ne hyödynsivät hiilidioksidia, vettä ja fotoneja tuottaakseen sokereita. Myös fotosynteesissä tuotettu happi hävitettiin jätetuotteena.
2,45-1,85 miljoonaa vuotta sitten happipitoisuus alkoi nousta merkittävästi. Suuri osa eliöiden tuottamasta vapaasta hapesta imeytyi valtameriin ja merenpohjan kiviin. Biologisesti aiheutunutta hapen kertymistä on kutsuttu suureksi hapettumistapahtumaksi (Great Oxygenation Event). Sen oletetaan tapahtuneen paleoproterotsooisen kauden Siderian-kaudella (2,5-2,3 miljardia vuotta sitten). Vapaan hapen merkittävä kertyminen aiheutti monien pakollisten anaerobien sukupuuttoon kuolemisen.

Vapaa happi alkoi kaasuuntua valtameristä 1,85-0,85 miljardia vuotta sitten. Maan pinnat imivät suuren osan siitä itseensä. Siitä lähtien vapaata happea kertyi lopulta ilmakehään, erityisesti happivarastojen täyttyessä. Happea metaboloimaan kykenevien eliöiden evoluutio hillitsi vapaan hapen lisääntymistä.

Paleotsooisen kauden hiilikaudella (358,9-298,9 miljoonaa vuotta sitten) ilmakehän happipitoisuus nousi 35 tilavuusprosenttiin. Tämän uskottiin vaikuttaneen suurikokoisten hyönteisten ja sammakkoeläinten evoluutioon. Oletettiin myös, että hapen saatavuus johti aerobisten eliöiden monimuotoisuuteen.4

Hapen kiertokulku

Happi on maailmankaikkeuden kolmanneksi runsain alkuaine vedyn ja heliumin jälkeen. Siksi sitä esiintyy ja kiertää maapallolla laajalti. Hapen kiertokulku on yksi maapallon biogeokemiallisista kiertokuluista, jossa happi muuttuu muodosta toiseen.

Hapen neljä päävarastoa ovat ilmakehä, hydrosfääri, litosfääri ja biosfääri. Litosfääri on suurin varasto, erityisesti maankuoren ja vaipan silikaatti- ja oksidimineraaleissa. Ilmakehässä happea esiintyy pääasiassa diohappena. Siinä on myös muita happimolekyylejä, kuten otsonia (O3), CO2, H2O (vesihöyrynä) ja muita oksideja. Otsonin suuri pitoisuus on syynä otsonikerrokseksi kutsutun UV-suojan muodostumiseen stratosfäärissä. Hydrosfäärissä happea esiintyy vesimolekyyleissä, hiilihapoissa ja vapaana happena. Tärkein hapen lähde on biosfäärin happi, joka syntyy biologisen prosessin, fotosynteesin, sivutuotteena. Myös fotolyysi muodostaa happea. Se hajottaa vettä ja dityppioksidia vapauttaen vapaata happea ilmakehään, kun taas vetyä ja typpeä, avaruuteen. Merieläimet, joilla on kalsiumkarbonaattikuori, toimivat myös biologisena lähteenä. Kun ne kuolevat, niiden kuoren kalsiumkarbonaatti sulautuu kalkkikiven sedimenttikiviin.

Aerobiset eläimet käyttävät ilmakehän vapaata happea hengitykseen. Samalla ne vapauttavat hiilidioksidia.

Litosfääri imee vapaata happea ilmakehästä kemiallisessa säänmuodostuksessa, kuten ruosteen muodostuksessa.

Luettu:

• Hapen kuljetus veren fotosynteesissä
• Soluhengitys – Biologian verkko-opas

1. Papanelopoulou, F. (2013). ”Louis Paul Cailletet: Hapen nesteytys ja matalien lämpötilojen tutkimuksen synty”. Notes and Records of the Royal Society of London. 67 (4): 355-73. doi:10.1098/rsnr.2013.0047
2. Roder, H. M. (1978). ”Kiinteän hapen moolitilavuus (tiheys) tasapainossa höyryn kanssa”. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 7 (3): 949. doi:10.1063/1.555582
3. Joseph Priestley, Discoverer of Oxygen National Historic Chemical Landmark – American Chemical Society. (2015, January 1). Haettu osoitteesta www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/josephpriestleyoxygen.html
4. Hickey, H. (2015, January 1). Happi tarjosi elämän henkäyksen, joka mahdollisti eläinten kehittymisen. Haettu osoitteesta www.washington.edu/news/2015/12/18/oxygen-provided-breath-of-life-that-allowed-animals-to-evolve/

.