1.2. Happed

Selles peatükis käsitleme ühte väga olulist ühendite klassi, happeid. Happed mängivad meie igapäevaelus väga suurt rolli - nad on puhastusvahendite koostisosad ja kasutuses toitude konserveerimisel. Inimkehas on keerulised süsteemid, mis kontrollivad hoolikalt vere happelisust, sest isegi väikesed kõrvalekalded võivad põhjustada tõsiseid haigusi ja surma. Sama tundlikkus on olemas ka teistes eluvormides. Need, kellel on troopilised kalad või kuldkalad, teavad, kui oluline on jälgida akvaariumi vee happesust. 

Ka tööstuslikult on happed väga olulised. Näiteks toodetakse igal aastal väga suures koguses väävelhapet, et toota väetisi, polümeere, terast ja paljusid muid materjale. 

Allolevast videost saad teada, kuidas happeid nimetada, kuidas happeid saada ning millised on hapete keemilised omadused. 

Allikas: https://youtu.be/aYWA4Od8nhU  

Kõige lihtsama käsitluse järgi on happed ained, mis annavad vesilahusesse vesinikioone (H+). Üks tuntuim hape on vesinikkloriidhape, keemilise valemiga HCl. HCl triviaalnimetusteks on ka maohape ja soolhape. Maohappe roll ongi toidu ja joogi keemiline lagundamine. HCl kasutatakse ka basseinivee puhastamisel ja muudes puhastustoodetes.   

Hapetega kokkupuutel peab meeles pidama, et nad on väga söövitava toimega. Juba väike tilk väävelhapet söövitab riidesse suure augu.  

pilt

Joonis 1. Juba väike tilk väävelhapet söövitab riidesse suure augu.

popup Loe lisaks: Arrheniuse hapete-aluste teooria.

Happed on ained, mis loovutavad prootoneid. Arrheniuse hapete-aluste teooria järgi on happed ained, mis annavad vesilahusesse vesinikioone ehk prootoneid (H+): HCl → H+ + Cl-. Kuna vesinikioone vesilahuses üksikult ei eksisteeri, on nad alati seotud veemolekulidega – lahuses on hüdrooniumioonid (H3O+). Lisaks on H3O+-ioon seotud suure hulga vee molekulidega vesiniksidemete kaudu. Kineetiliselt on need assotsiaadid aga väga ebapüsivad – poolestusaeg τ ≈10-13 sekundit (eluiga). Üksikult olev prooton (H+) liitub alati läheduses oleva veemolekuliga ning hüppab ühe veemolekuli juurest teise juurde vesiniksidemete kaudu. 

 
 

Nimetamine ja valemite koostamine 

Happed koosnevad vesinikust ja happejääkioonist. Selleks, et hapete valemite kirjutamine läheks ladusamalt, õpi selgeks tabelis 1 toodud happejääkioonid ja nende nimetused.  

Tabel 1. Mõningate anorgaaniliste hapete ning vastavate happejääkioonide (happeanioonide) valemid ja nimetused. Jäta meelde nii happe nimetus kui ka sellele vasta happejääkioon.

Hape 

Happejääkioon 

Valem 

Nimetus 

Valem 

Nimetus 

HCl 

vesinikkloriidhape (kasutatakse ka nimetust soolhape) 

Cl- 

kloriid 

HBr 

vesinikbromiidhape 

Br- 

bromiid 

HI 

vesinikjodiidhape 

I- 

jodiid 

HF 

vesinikfluoriidhape 

F- 

fluoriid 

H2

divesiniksulfiidhape 

S2- 

sulfiid 

H2SO3 

väävlishape 

SO32- 

sulfit 

H2SO

väävelhape 

SO42- 

sulfaat 

HNO3 

lämmastikhape 

NO3- 

nitraat 

HNO2 

lämmastikushape 

NO2- 

nitrit 

H2CO3 

süsihape 

CO32- 

karbonaat 

H3PO4 

fosforhape 

PO43- 

fosfaat 

H2SiO3 

ränihape 

SiO32- 

silikaat 


Hapete liigitamine 

1. Tugevuse järgi 

  • 1) Tugevad happed on vesilahuses täielikult ioonideks jagunenud, nt HCl, HBr, HI, HNO3, H2SO4
Pilt
Joonis 2. Graafiline esitus tugeva happe käitumise kohta vees. Kus HA tähistab hapet, H+ vesinikioone, ja A- happejääkioone. Tugeva happe korral on näha, et hape on täielikult jagunenud ioonideks.
  • 2) Nõrgad happed on vesilahuses vaid osaliselt ioonideks jagunenud (kõik happed, välja arvatud tugevad happed), nt H3PO4, H2SO3, H2S, H2CO3, H2SiO3, HF.
pilt
Joonis 3. Graafiline esitus nõrga happe käitumise kohta vees, kus HA tähistab hapet, H+ vesinikioone, ja A- happejääkioone. Ainult väga väike osa  happest on jagunenud ioonideks.

Nõrga happe vesilahuses on olemas nii negatiivse laenguga happeanioonid, positiivse laenguga vesinikioonid kui ka happe molekulid, st happe molekulid on vaid osaliselt ioonideks jagunenud. Seevastu tugeva happe vesilahuses happemolekule ei ole,  on vaid negatiivse laenguga happeanioonid ja positiivse laenguga vesinikioonid. 

2. Prootonite arvu järgi

  • 1) Üheprootonilised happed, mille keemilises valemis on üks vesinikioon, nt HCl, HBr.
  • 2) Mitmeprootonilised happed, mille keemilises valemis on mitu vesinikiooni, nt H2SO4, H3PO4.

3. Hapnikusisalduse järgi

  • 1) Hapnikhapped sisaldavad hapniku aatomeid, nt H2SO4, H2SiO3.
  • 2) Hapnikuta happed ei sisalda hapniku aatomeid, nt H2S, HCl.

Hapete keemilised omadused

HAPE + ALUS → SOOL + H2O

1. Aluse ja happe vaheline reaktsioon on neutralisatsioonireaktsioon, mille tulemusena tekib sool ja vesi.

HCl + NaOH → NaCl + H2O
H2SO4 + 2LiOH → Li2SO4 + 2H2O

Seda tüüpi reaktsioon kulgeb siis, kui 

  • mõlemad lähteained lahustuvad vees ja tekib nõrk elektrolüüt vesi; 
  • tahkele või vees mittelahustuvale alusele lisada happelahust;
  • tahkele või vees mittelahustuvale happele lisada aluselahust. Nt ränihape + tugev alus NaOH. 

Väga nõrga happe ja aluse vaheline reaktsioon ei toimu (nt Cu(OH)2 + H2S).

HAPE + METALL → SOOL + H2↑ 

2. Happed reageerivad metallidega, tekivad sool ja vesinik. 

2 Na  + 2 HCl  → 2 NaCl + H2
2 Al  + 3 H2SO4  → Al2(SO4)3 + 3 H2
Zn + 2 HCl (lahj.) →  ZnCl2 + H2
Mg + 2 HCl (lahj.) →  MgCl2 + H2
Fe + 2 HCl (lahj.) →  FeCl2 + H2
2 Al + 6 HCl (lahj.) → 2 AlCl3 + 3 H2

pilt

Joonis 4. Tsingi, magneesiumi, raua ja alumiiniumi reaktsioon 18%-lise HCl-lahusega

Kõik metallid ei reageeri hapetega ühtmoodi. Metallide võimet hapete lahustest vesinikku välja tõrjuda iseloomustab metallide pingerida:

pilt

Metallid, mis on vesinikust vähemaktiivsed ja asuvad vesinikust paremal, ei reageeri lahjade happelahustega.

Cu + lahj HCl → ei toimu 

Metallid, mis on vesinikust aktiivsemad ja asuvad metallide pingereas vesinikust vasakul (joonisel märgitud sinise kastiga), reageerivad lahjendatud hapete vesilahustega. 

Erandiks on lahjendatud lämmastikhappe lahus, mis antud skeemi järgi ei reageeri, sest on väga tugev oksüdeerija. Konts. HNO3 on tugevam oksüdeerija kui H2SO4. Lahjendatud HNO3-s (erinevalt H2SO4-st) on oksüdeerijaks anioonid (NO3- -ioonid), mitte H+-ioonid. Seetõttu ka lahja HNO3-lahuse reageerimisel metallidega ei eraldu vesinikku. Sõltuvalt happe kontsentratsioonist, metalli aktiivsusest ning temperatuurist võivad saadused olla erinevad.

pilt

METALL + LÄMMASTIKHAPE → SOOL + VESI + LÄMMASTIKUÜHEND

Vaatleme näitena Zn reageerimist erineva kontsentratsiooniga lämmastikhappe lahusega. Katseandmete põhjal on välja pakutud järgmine jaotus ning võrrandid. 

Zn + 4 konts HNO3 → Zn(NO3)2 + 2 NO2↑ + 2 H2O
3 Zn + 8 lahj HNO3 →  3 Zn(NO3)2 + 2 NO↑ + 4 H2O

Lämmastikhappe vesilahusega reageerivad ka vähemaktiivsed metallid Cu, Hg, Ag.

HAPE + ALUSELINE OKSIID → SOOL + H2O

3. Happed reageerivad aluseliste oksiididega, tekivad sool ja vesi. 

See reaktsioon toimub alati. 

2 HCl + BaO → BaCl2 + H2O
2 HNO3 + CaO → Ca(NO3)2 + H2O
CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O