חמצן

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
חמצן
פלואור - חמצן - חנקן

'
S
   
 
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
נתונים בסיסיים
סדרה כימית יסודות אל-מתכתיים
מראה
גז: חסר צבע
נוזל: אפרפר כחלחל
תכונות אטומיות
משקל אטומי 15.9994 u
רדיוס אטומי 60 pm
רדיוס קוולנטי 73 pm
רדיוס ואן דר ואלס 152 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה 2,6
תכונות פיזיקליות
צפיפות 1.429 (-0.15 °C) kg/m3
מצב צבירה בטמפ' החדר גז
נקודת רתיחה 90.19K (-182.96°C)
נקודת התכה 54.36K (-218.79°C)
מהירות הקול 19.9 מטר לשנייה ב-566.15K
שונות
קיבול חום סגולי 920 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית 106/m·Ω
מוליכות חום 0.02674 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה 1,313.9 kJ/mol
אנרגיית יינון שנייה 3,388.3 kJ/mol
אנרגיית יינון שלישית 5,300.5 kJ/mol
אנרגיית יינון רביעית 7,469.2 kJ/mol

חמצן (Oxygen) הוא יסוד כימי שסמלו הכימי O ומספרו האטומי 8. 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.

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. הערכיות של החמצן היא 2-.

החמצן הוא יסוד אל-מתכתי המופיע בצורתו הטבעית כמולקולת O2, והוא גז בטמפרטורת החדר. שני אטומי החמצן שבמולקולה קשורים ביניהם בקשר קוולנטי כפול (O=O). האלוטרופ אוזון (O3) הוא גז רעיל, והאלוטרופ 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 חסר טעם, צבע או ריח 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 הופק על ידי מיכאל סנדיבוג (Michał Sędziwój, Michael Sendivogius), כימאי ופילוסוף פולני, בשלהי המאה ה-16[1] באמצעות חימום של אשלגן חנקתי. סנדיבוג קרא לגז שהשתחרר "מזון החיים".

מאוחר יותר הופק שוב החמצן באופן דומה על ידי הכימאי השוודי קרל וילהלם שלה בשנת 1773. במקביל, ייצר האנגלי ג'וזף פריסטלי באופן עצמאי את החמצן ב-1 באוגוסט 1774 באמצעות חימום תחמוצת כספית. 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. גם שלה וגם פריסטלי לא זיהו את החמצן כיסוד כימי, כיוון שהחזיקו בתורת הפלוגיסטון ופירשו את ממצאיהם באמצעותה. פריסטלי פיתח שיטה לבדיקת "הטוהר היחסי" כלומר של כמות הפלוגיסטון של אוויר באמצעות תגובה עם הגז NO ומדידת נפח ה NO2 הנפלט. ב-1775 גילה פריסטלי כי ה"אוויר" הנפלט מחימום תחמוצת הכספית, מגיב עם יותר NO מאשר אוויר רגיל וקרא לו "אוויר נטול פלוגיסטון".[2] מאוחר יותר גילה פריסטלי כי צמחים פולטים את אותו "אוויר נטול פלוגיסטון".

אנטואן לבואזיה ערך ניסויים רבים בחמצן והראה כי זהו המרכיב באוויר המתרכב עם גפרית לקבלת חומצה גופרתית ועם זרחן בתגובה הנתנת חומצה זרחתית. לבואזיה היה הראשון לזהות את החמצן כיסוד. זיהוי זה והבנת תפקיד החמצן בבעירה, הביאה לסופה את תורת הפלוגיסטון ששלטה בכימיה של המאה ה-18. לבואזיה קרא תחילה ליסוד בשם "אוויר אוויר טוב לנשימה" ובשנת 1779 הציע לקרוא לו Principe oxygine כלומר "היסוד יוצר החומצות".

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 (אוקסיס) - חומצה); אליעזר בן-יהודה הציע את המילה "אבחמץ" שלא נקלטה בשפה.[3]

איזוטופים

לקראת סוף חייו של כוכב ענק, נוצרים האיזוטופים 16O (בקליפת ה-O), 17O (בקליפת ה-H) ו-18O (בקליפת ה-He).

לחמצן 3 איזוטופים יציבים טבעיים (, ו-), ובנוסף התגלו עוד 14 רדיו-איזוטופים מ- ועד , אשר לכולם זמן מחצית החיים קצר. הוא הרדיו-איזוטופ של חמצן בעל זמן מחצית החיים הכי גדול - 122.24 שניות.

סמל (p)‏Z (n)‏N מסה איזוטופית (u) זמן מחצית חיים דרכי התפרקות תוצר דעיכה ספין גרעיני שכיחות האיזוטופ
שבר מולרי מהיסוד)
טווח השינוי הטבעי
(כשבר מולרי מהיסוד)
התרגשות אנרגטית
12O ‏8 4 12.034405(20) [MeV‏ (25)0.40] E-24 s‏(30)580 2p (60%) 0+
p (40%)
13O 5 13.024812(10) ms‏ (5)8.58 β+ (89.1%) (3/2-)
β+, p (10.9%)
14O 6 14.00859625(12) s‏ (18)70.598 β+ 0+
15O 7 15.0030656(5) s‏ (16)122.24 β+ 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 β- 5/2+
20O 12 20.0040767(12) s‏ (5)13.51 β- 0+
21O 13 21.008656(13) s‏ (10)3.42 β- (1/2,3/2,5/2)+
22O 14 22.00997(6) s‏ (15)2.25 β- (>78%) 0+
β+, n (<22%)
23O 15 23.01569(13) ms‏ (37)82 β+, n (93%) 1/2+#
β- (7%)
24O 16 24.02047(25) ms‏ (5)65 β+, n (58%) 0+
β- (42%)
25O 17 25.02946(28)# ns‏ 50> n (3/2+)#
26O 18 26.03834(28)# ns‏ 40> 2n 0+
27O 19 27.04826(54)# ns‏ 260> 3/2+#
28O 20 28.05781(64)# ns‏ 100> 0+

צורה בטבע ותפקיד ביולוגי

מחזור החמצן בכדור הארץ

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

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 המסה, 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 נוגדי 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 (לדוגמה: פחמן דו-חמצני, תחמוצת החנקן, תחמוצת הסידן וכדומה). תהליך זה בברזל נקרא קורוזיה (שיתוך), ונחשב לתהליך הפוגע בחוזקן של מתכות מעובדות.

מבנה מולקולת החמצן

מולקולות חמצן

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

הקשרים בין אטומי החמצן

לכל אחד מאטומי החמצן ארבעה אלקטרונים ברמה 2P.

  • נוצר קשר סיגמה המאכלס 2 אלקטרונים.
  • 2 קשרי פאי קושרים מאכלסים 4 אלקטרונים.
  • שני אלקטרונים מאכלסים 2 קשרי פאי אנטי קושרים כשהספינים שלהם מקבילים. אכלוס זה של אורביטלי פאי אנטי-קושרים גורם לכך שסדר הקשר נמוך בחמצן מאשר בחנקן.

בשל הימצאות שני אלקטרונים שאינם מזווגים ובספינים מקבילים בחמצן האטמוספירי פרה-מגנטי במצב היסוד (טריפלט מגנטי), נמשך חמצן נוזלי למגנט.[4]

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 דיא-מגנטית. 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

Postscript-viewer-blue.svg ערך מורחב – הרעלת חמצן

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, מהוות 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.

ראו גם

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

  1. ^ מסע בין חומרים, עמוד 19
  2. ^ הנרי מ. לסטר, תרגום: יצחק קלוגאי, תגליות מעבדתיות במאה הי"ח: הכימיה של הגזים, הרקע ההיסטורי של הכימיה, הוצאת יחדיו, 1966
  3. ^ אתר למנויים בלבד אילון גלעד, גלגולה של מילה - חמצן, באתר הארץ, 29 במאי 2013
  4. ^ עירור של מולקולת חמצן
Logo hamichlol 3.png
הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0