חמצן

מקור השם בא מההשערה המוקדמת כי החמצן הוא מרכיב הכרחי בחומצות. לאיזוטופ השכיח ביותר שלו, ¹⁶O, יש 8 נייטרונים וצורתו השכיחה בטבע היא מולקולת "חמצן" O₂ ואוזון O₃. המקור העיקרי לחמצן בכדור הארץ הוא תהליך הפוטוסינתזה כחלק ממחזור החמצן. החמצן משתחרר לאוויר ונספג במים ובאדמה אך חלקו נשאר באטמוספירה, ונצרך על ידי יצורים נושמים או תהליכים כימיים כמו חמצון-חיזור.

תוכן עניינים

תכונות

טמפרטורת ההתכה של חמצן היא 218.79- מעלות צלזיוס וטמפרטורת הרתיחה שלו היא 182.96- מעלות צלזיוס. מסתו האטומית 15.9994 וסידור האלקטרונים שלו הוא 2,6. ערכיות החמצן היא 2-.

החמצן הוא יסוד אל-מתכתי המופיע בצורתו הטבעית כמולקולת O₂, גז חסר טעם, צבע וריח בטמפרטורת החדר, ושני אטומי החמצן שבמולקולה קשורים ביניהם בקשר קוולנטי כפול (O=O). האלוטרופ אוזון (O₃) הוא גז רעיל והאלוטרופ החדש של חמצן שהתגלה לאחרונה, O₄ הוא בעל צבע אדום כשהוא מוצק. O₄ מתקבל בהפעלת לחץ של 20 ג'יגה-פסקל על O₂. צורה זו של חמצן היא חומר מחמצן חזק יותר מאוזון או מחמצן אטמוספירי.

החמצן בטמפרטורת החדר.

שימושים

חמצן הוא היסוד האלקטרושלילי ביותר אחרי פלואור, ולכן הוא משמש לעיתים קרובות כחומר מחמצן. חמצן נוזלי משמש כחומר מחמצן בטילים.

החמצן משמש גם לתהליכים תעשייתיים שונים, בהם הוא משמש כדלק, כגון ריתוך, ייצור פלדה והפקת מתנול.

היסטוריה

החמצן זוהה על ידי מיכאל סנדיבוג (Michał Sędziwój, Michael Sendivogius), כימאי ופילוסוף פולני, בשלהי המאה ה-16.^[^{דרוש מקור]}

מאוחר יותר זוהה שוב החמצן על ידי הכימאי השוודי קרל וילהלם שלה בשנת 1773. במקביל, זיהה האנגלי ג'וזף פריסטלי באופן עצמאי את החמצן ב-1 באוגוסט 1774. פריסטלי פרסם את ממצאיו ב-1775 ושלה ב-1777. לרוב, ספרי ההיסטוריה מעניקים את הזכות על גילוי החמצן לפריסטלי כי פרסם את ממצאיו לפני שלה. שמו הלועזי של החמצן, Oxygen, ניתן לו על ידי אנטואן לבואזיה שערך בו ניסויים רבים.

אטימולוגיה

המילה חמצן חודשה על ידי יחיאל מיכל פינס מהשורש ח.מ.צ לפי המילה הלועזית oxygen שמקורה במונח שטבע לבואזיה principe oxigine: "יסוד יוצר־חומצות" (ביוונית ὀξύς – חומצה); אליעזר בן יהודה הציע את המילה "אבחמץ" שלא נקלטה בשפה.^[1]

איזוטופי חמצן

סמל	(p)‏Z	(n)‏N	מסה איזוטופית (u)	זמן מחצית חיים	ספין גרעיני	שכיחות האיזוטופ (כשבר מולרי מהיסוד)	טווח השינוי הטבעי (כשבר מולרי מהיסוד)
סמל	התרגשות אנרגטית			זמן מחצית חיים	ספין גרעיני	שכיחות האיזוטופ (כשבר מולרי מהיסוד)	טווח השינוי הטבעי (כשבר מולרי מהיסוד)
¹²O	8	4	12.034405(20)	[MeV‏ (25)0.40] E-24 s‏(30)580	0+
¹³O		5	13.024812(10)	ms‏ (5)8.58	(3/2-)
¹⁴O		6	14.00859625(12)	s‏ (18)70.598	0+
¹⁵O		7	15.0030656(5)	s‏ (16)122.24	1/2-
¹⁶O		8	15.99491461956(16)	יציב	0+	0.99757(16)	0.99738-0.99776
¹⁷O		9	16.99913170(12)	יציב	5/2+	0.00038(1)	0.00037-0.00040
¹⁸O		10	17.9991610(7)	יציב	0+	0.00205(14)	0.00188-0.00222
¹⁹O		11	19.003580(3)	s‏ (9)26.464	5/2+
²⁰O		12	20.0040767(12)	s‏ (5)13.51	0+
²¹O		13	21.008656(13)	s‏ (10)3.42	(1/2,3/2,5/2)+
²²O		14	22.00997(6)	s‏ (15)2.25	0+
²³O		15	23.01569(13)	ms‏ (37)82	1/2+#
²⁴O		16	24.02047(25)	ms‏ (5)65	0+
²⁵O		17	25.02946(28)#	ns‏ 50	(3/2+)#
²⁶O		18	26.03834(28)#	ns‏ 40	0+
²⁷O		19	27.04826(54)#	ns‏ 260	3/2+#
²⁸O		20	28.05781(64)#	ns‏ 100	0+

צורה בטבע ותפקיד ביולוגי

חמצן הוא אחד היסודות הנפוצים בטבע ומהווה 21% מהאוויר על פני כדור-הארץ. לחמצן חשיבות מכרעת לקיום החיים בכדור-הארץ, מסיבות רבות שחלקן:

החמצן הטהור משמש לנשימה התאית של היצורים האווירניים, המשתמשים בו כקולט האלקטרונים הסופי של התהליך. על כן, הוא הכרחי כדי להפיק אנרגיה לקיום החיים.
החמצן מהווה חלק ממולקולת המים, מהפחמן הדו-חמצני (CO₂), ועוד מאלפי תרכובות אורגניות ההכרחיות לקיום החיים.
אחד מביטויי החמצן בטבע הוא הגז אוזון (O₃), המסנן את המרכיב העל-סגול שבקרינת השמש.

באגמים, בנחלים ובימים, החמצן נפוץ הרבה פחות בשל מסיסותו הנמוכה במים. כ-6 מ"ל של חמצן נמסים בכל ליטר מים, כלומר ריכוז החמצן במים קטן פי 30 מריכוזו באוויר. החמצן מגיע למים מהאוויר על ידי מסיסות, וכן כתוצר הפוטוסינתזה המתרחשת באצות ובצמחים הגדלים במים.

תהליך ההתרכבות של חומר אורגני עם חמצן נקרא בעירה, וכתוצר שלו משתחרר פחמן דו-חמצני (ובבעירה בתנאים של מחסור בחמצן נוצר פחמן חד-חמצני). תהליך זה מאפשר המרת מזון לאנרגיה בתהליך הנקרא נשימה אווירנית (בניגוד לנשימה אל-אווירנית). ביצורים מורכבים המכילים מחזור דם, ישנם תאים מיוחדים שתפקידם לסייע בהעברת החמצן לכל חלקי הגוף, ונקראים תאי דם אדומים.

יחד עם נחיצותו של החמצן לחיים המוכרים לנו, מולקולת החמצן (O₂), שהיא דו-רדיקל, מהווה רעלן לתאים. בכל תא אווירני קיימים מנגנונים מיוחדים שנועדו להגן על התא מפני הנזק. כיום משערים חוקרים כי הגורם העיקרי להזדקנות הוא הרס הדרגתי של החומר הגנטי בתא על ידי רדיקלים כמו חמצן (וראו נוגד חמצון). למרות הנזק הרב שצורוני חמצן ריאקטיבים עלולים לגרום, יש לרדיקלים אלו תפקיד בתאי הגוף, כגון, מנגנון פירוק חיידקים בתאים לימפוציטים או על ידי תאי הזרע במהלך ההפריה.

תחמוצת היא תוצר תהליך התרכבות של חמצן עם חומר (למשל: פחמן דו-חמצני, תחמוצת החנקן, תחמוצת הסידן וכדומה). תהליך זה בברזל נקרא קורוזיה (שיתוך), ונחשב לתהליך הפוגע בחוזקן של מתכות מעובדות.

מבנה מולקולת החמצן

למולקולות חמצן מבנה דו-אטומי, סדר הקשר 2 (קשר כפול).

הקשרים בין אטומי החמצן

לכל אחד מאטומי החמצן ארבעה אלקטרונים ברמה 2P

נוצר קשר סיגמא המאכלס 2 אלקטרונים.
2 קשרי פיי קושרים מאכלסים 4 אלקטרונים.
שני אלקטרונים מאכלסים 2 קשרי פיי אנטי-קושרים כשהספינים שלהם מקבילים. איכלוס זה של אורביטלי פיי אנטי-קושרים גורם לכך שסדר הקשר נמוך בחמצן מאשר בחנקן.

בשל הימצאות שני אלקטרונים שאינם מזווגים ובספינים מקבילים בחמצן האטמוספירי פאראמגנטי במצב היסוד (טריפלט מגנטי), נמשך חמצן נוזלי למגנט.^[2]

מצבים מעוררים של מולקולת החמצן

מולקולת חמצן עשויה להימצא במצב מעורר בו הספינים של האלקטרונים האנטי-קושרים הפוכים, כלומר במצב של סינגלט מגנטי שבו המולקולה דיאמגנטית. ייתכנו שני מצבים כאלו: כאשר 2 האלקטרונים מאכלסים אותו אורביטל אנטי קושר (המעבר למצב מעורר זה על ידי בליעה ב-1268nm) או (מצב גבוה יותר באנרגיה) כששני האלקטרונים בשני אורביטלים אנטי-קושרים מסתדרים בספינים הפוכים (המעבר למצב מעורר זה על ידי בליעה ב-762nm).

אמצעי זהירות

חשיפה לריכוזי חמצן הגבוהים מריכוזו באוויר מסוכנת ויכולה לגרום לעיוורון, למשל בפגים המקבלים אותו בריכוז גבוה מדי באינקובטור.

על אף שהחמצן עצמו אינו בוער, הוא מסייע ומאיץ בעירה קיימת, ותכונות אלו מחייבות נקיטת אמצעי בטיחות בשימוש בחמצן.

נגזרות מסוימות של חמצן, כמו אוזון (O₃), מי חמצן (H₂O₂), על תחמוצות שונות ועוד, הם חומרים מסוכנים.

נגזרות חמצן נוטות ליצור בגופנו רדיקלים חופשיים, בעיקר בתהליכים מטבוליים. רדיקלים חופשיים יכולים לגרום לנזק לתאי הגוף ול-DNA, ובכך הם עלולים לגרום להאצת תהליך ההזדקנות, ואף לסרטן.

קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה ערך מילוני בוויקימילון: חמצן תמונות ומדיה בוויקישיתוף: חמצן

חמצן, בספרייה הווירטואלית של מט"ח
חמצן ב-Webelements (באנגלית)
מידע על ג'וזף פריסטלי (באנגלית)

הערות שוליים

↑ אילון גלעד, גלגולה של מילה - חמצן, באתר הארץ, 29 במאי 2013
↑ עירור של מולקולת חמצן

[1] אילון גלעד, גלגולה של מילה - חמצן, באתר הארץ, 29 במאי 2013

[2] עירור של מולקולת חמצן

[1]

[2]

המכלול β