עמוד הבית > מדעים > פיסיקה ומבנה החומר [כימיה] > חומרים: תכונות ותהליכים
מטח : המרכז לטכנולוגיה חינוכית


תקציר
מידע על היסוד חמצן, שימושיו, תרכובות שכיחות שלו וחשיבותו.



חמצן
מחבר: שילה קם


היסוד: חמצן (O).

מידע כללי:

החמצן הינו יסוד גזי דו-אטומי חסר צבע וריח, שסימנו O. החמצן הוא היסוד הנפוץ ביותר בקרום כדה"א ומהווה כ- 20% מהאטמוספירה. החמצן מגיב עם רוב היסודות ואף עם גזים אצילים דוגמת קסנון. החמצן הוא הבסיס לחיים על כדה"א, ובלעדיו לא ייתכנו חיים.

מס' אטומי

מסה אטומית

נקודת התכה

נקודת רתיחה

מצב צבירה בטמפ' החדר

צפיפות

8 15.99

218.4°C-

183°C-

גז 1.43 גר' לליטר

היסטוריה:

הכומר ג’וזף פריסטלי הוא שפרסם את קיומו של החמצן. הוא נהג לערוך ניסויים להנאתו ובאחד מהם התגלה החמצן. ב- 1 לאוגוסט 1774 חימם פריסטלי בתוך פעמון זכוכית אבקה אדומה, שכיום ידוע כי היא כספית חמצנית. הוא גילה על פני הזכוכית קרום בגוון הכסף וזיהה אותו ככספית. אך באותו זמן לא עלה בידו לזהות את הגז שהשתחרר. כאשר תחב נר דולק לתוך הגז התלקחה שלהבתו של הנר בעוצמה אדירה. עכבר שהוכנס לפעמון, שהכיל את הגז החדש, החל לפזז בעליזות.פריסטלי נשם מעט מהגז הזה וחש אף הוא את השפעתו המאוששת. אולם הוא לא היה הראשון שגילה את החמצן. זמן קצר קודם לכן נתגלה החמצן לשוליית הרוקח השוודי קארל שלה, אך פריסטלי היה הראשון שפרסם את עצם קיומו של החמצן. כעבור זמן קצר מניסוי פריסטלי חקר הצרפתי לבואזיה את החמצן. הוא הבעיר בו חומרים שונים כגון פחמן וגופרית ומצא שתוצרי הבעירה, לא משנה באיזה מצב צבירה, נמסים במים ויוצרים חומצות. לבוזיאה נתן לגז את השם אוקסיג’ן, שפירושו ביוונית יוצר חומצות.

שכיחות:

החמצן תופס כחמישית מפנח האוויר, ותרכובותיו עם צורן ( סיליקון) וסידן תופסות כ- 50% מקרום כדה"א. החמצן קיים כמולקולה דו אטומית - O2 ( הנמצאת במים, בפחמן דו-חמצני) שהיא היציבה והנפוצה וגם כמולקולה תלת אטומית - O3 ( אוזון) שהיא הפחות יציבה.
קיימים שלושה איזוטפים של חמצן: האחד - 16O, הוא הנפוץ ביותר ונמצא ב- 99.76% בטבע.
השניים האחרים: 17O (רק 0.0374%) ו- 18O הוא גם נדיר ( 0.2039%) משמשים במקרים למעקב אחר תגובות כימיות ותגובות ביולגיות.

דוגמאות לתרכובות החמצן:

  • מים (H2O) - החומר המוכר לנו ביותר, אשר תופס שני שליש מנפח גופנו וכשבע עשיריות מכסים את העולם, החומר שבלעדיו לא ייתכנו חיים, אינו אלא תרכובת של 2 אטומי מימן ואטום חמצן.
  • פחמן דו חמצני ( CO2) - הגז פח דו-חמצני הינו גז בלתי דליק, חסר צבע וריח, אשר נפלט מגופנו בתהליך הנשימה, ובעזרתו מבצעים הצמחים את תהליך ההטמעה ( פוטוסינתזה).

במעבדה הוא מופק ע"י תגובת חומצה מהולה על פחמה של מתכת. בתעשייה הוא מתקבל כתוצר לוואי. בין שימושיו: צינון - בשל כושרו המצנן בהיותו קרח יבש ( המצב המוצק של פחמן דו חמצני), כיבוי אש ( ע"י מטפים שבהם הוא נמצא) והפיכת משקה למשקה תוסס.

  • פחמן חד חמצני (CO) - זהו גז מסוכן, גם בגלל היותו רעיל וגם בגלל היותו דליק אך חסר צבע, כך שלא ניתן לדעת שהוא "בסביבה". מתקבל ע"י בעירת פחמן בתלי מושלמת. רעילותו נובעת מיכלותו ליצור תצמיד ( מלשון הצמדות) עם ההמוגלובין .
  • צורן דו חמצני (SiO2) - מוצק לבן וקשה, וחומר בלתי מסיס. שכיח מאד בטבע או כחול או כגביש (קוורץ) או כסילקטים. במצב מותך חומר זה הוא חומר זגוגי המשמש במכשור מעבדתי ובייצור זכוכית.

שימושים:

החמצן משמש אותנו בתחומים רבים:

  • בתעשיית הפלדה: אחד מהשימושים הבולטים בחמצן הוא בתעשיית הפלדה, שם החמצן נצרך לצריפת הברזל בכורי ההיתוך; כמויות גדולות נוספות של חמצן נצרכות גם בשלבים האחרונים שבהם מנקים את הפלדה. שימוש המפורסם ביותר הוא של חמצן וגז הנקרא אצטילן. כאשר האצטילן בוער עם חמצן נוצרת להבה שחומה מגיע עד ל- 4000 מעלות צלזיוס! ניתן לחתוך פלדה ע"י להבה זו. להבה נוספת, להבת חמצן מימן ( שחומה מגיע "רק" ל- 2400 מעלות צלזיוס), משמשת בחיתוך פלדה מתחת לפני המים, כמו בשעת סילוקם של שברי ספינות טרופות.
  • החייאה: אצל מטפסי הרים, אסטרונאוטים, בציוד הצלה במטוסים, בכולם משתמשים בחמצן למטרות החייאה. אולם לא ניתן להשתמש בחמצן טהור, מאחר והוא פוגע בראות, לכן משתמשים בתערובת של גזים שאחוז החמצן בהם גבוה.
  • בתהליכי חימצון: תהליך חימצון הוא תהליך שבו יסוד מתרכב עם חמצן. דוגמא בולטת היא תהליך היווצרותם של המים, שבהם מימן בוער ומתחמצן, והופך למימן חמצני, כלומר למים.

במנוע המכונית, למשל, תערובת של בנזין ואוויר בוערות במהירות גדולה, ומתקבלים פחמן דו-חמצני, מים וחום בכמויות גדולות שחלקו הופך לתנועה. החום המשתחרר בהתליך זה הוא אחד ממקורות הכוח החשובים ביותר.

  • בתהליכי חיזור: תהליך חיזור הוא תהליך הפוך לתהליך חימצון, כלומר בתהליך זה מוציאים חמצן מחומר מסוים. דוגמאות חשובות לתהליך זה הן התהלכים שבהם מפיקים מתכות מתוך העפרות שלהן. ע"י קליית העפרה מורחק החמצן. כך מופקים ברזל, בדיל, ניקל ואבץ.
  • בתהליכי בעירה: החמצן הכרחי לכל תהליכי הבעירה או השריפה. נר בוער אשר בא במגע עם חמצן יתלקח בשלהבת בהירה. אחת הדוגמאות המוכרות לנחיצותו של החמצן בתהליך בעירה היא כיסוי נר בוער בכוס, וכך לאחר זמן מה הנר נכבה. מדוע זה קורה? כאשר כיסינו את הנר בכוס עדיין היה מספיק חמצן לנר. אולם עם הזמן כמות החמצן הלכה והדלדלה עד שנגמרה. מאחר והחמצן נגמר הנר לא יכול היה להמשיך לבעור, ולכן נכבה.

ההמוגלובין והחמצן.

כאשר אדם שואף אל קרבו אוויר, נקלט החמצן בריאות, נקשר אל ההמוגלובין שבתוך תאי הדם האדומים. החמצן נישא לכל תאי הגוף, ובהם הוא מתחבר עם חומרי המזון, בתהליכים כימיים המשחררים אנרגיה הדרושה לגוף לצורך פעילותו. ההמוגלובין אחראי לקשירת החמצן. בתוך החלבון ישנו חלק שאחראי לקשירת החמצן. מאחר והחמצן נישא ע”י תאי הדם האדומים ההמוגלובין נמצא בתאי הדם האדומים. החלק שאחראי לקשירת החמצן מכיל ברזל, הקושר את החמצן.

מדוע יש צורך בכלל בהמוגלובין?. כידוע, חמצן אינו מסיס ולכן לא ניתן להובילו בדם. לכן יש את ההמוגלובין. ההמוגלובין מקיף את החלק שאחראי לקשירת החמצן. במרכזו של החלק יש יון ברזל המוקף סביבו באתר פעיל היוצר חלל ריק. האתר הפעיל מונע הצטרפות של מולקולה נוספת של ברזל וחמצן לזו שכבר נוצרה, דבר שעלול לגרום לתגובת חמצון. החמצן היה הולך במקרה זה לאיבוד.

ישנה מחלה הנקראת אנמיה חרמשית. אנמיה חרמשית נוצרת מהחלפה של חומצה אמינית בחלבון. דבר זה גורם לשינוי במבנה החלבון כך שתא הדם האדום המכיל את החלבון מקבל צורת חרמש. דבר זה גורם לכדורית האדומה לבעיה חמורה. בגלל שהתא מתוח מאד הוא שביר מאד. כמו כן, תאים אלה ייתקעו בכלי הדם הקטנים, בגלל המבנה המאורך שלהם. אדם אשר אין לו גן שייצר חלבונים תקינים ימות עוד בגיל צעיר. חלקי גופו לא יקבלו את המרכיב החיוני לתפקודם - החמצן.

פוטוסינתיזה (הטמעה) והחמצן.

כידוע לכולנו, תהליך הפוטוסינתיזה הוא תהליך המתרחש בצמחים ירוקים, ובו הצמחים משחררים חמצן, דבר שתורם לחידוש כמות החמצן שבאוויר. בסדר, זה דבר שכולם יודעים, אולם מה שהרבה אנשים חושבים בטעות זה שהצמחים, בניגוד אלינו, "נושמים" פחמן דו חמצני ומשחררים חמצן. זו טעות! הצמחים גם נושמים, וגם מקיימים את תהליך הפוטוסינתזה. למעשה, כמעט אף ייצור, מכל היצורים החיים על כדור-הארץ לא יכול להתקיים ללא חמצן!

בראשית התהליך הצמחים קולטים חמצן מהאוויר וגם פחמן דו חמצני, שמתרכב עם המים, וכך בסוף תהליך מתקבלים סוכר המשמש את הצמח, וחמצן הנפלט לאוויר - החיוני לבני האדם ובעלי החיים. התהליך עצמו מתרחש בעלים הירוקים של הצמח המכילים כלורופיל, שקיומו תלוי בנוכחות האור. מאחר ותהליך הפוטוסינתיזה הוא תהליך חיזור, ובתהליך חיזור " לוקחים" אנרגיה ( בניגוד לתהליך חימצון שבו משתחררת אנרגיה), יש צורך במקור אנרגיה. מקור אנרגיה זה הוא אור השמש. הצמח קולט באמצעות הכלורופיל את אור השמש,וכך נוצרת האנרגיה הדרושה לתהליך החיזור של המים והפחמן הגו חמצני, המתואר בתרשים הבא:

CO2+H20 → CH2O+O2

תהליך זה הוא אחד מהתהליכים החשובים ביותר המתרחשים שבעולמנו, שכן ללא חידוש מלאי החמצן לא ייתכנו חיים.

האוזון.

המלה אוזון היא מהפועל היווני להסריח, ע"ש ריחו החריף של האוזון.
האוזון הוא צורה מיוחדת של חמצן. שלא כמו מולקולת חמצן רגילה, שבה יש שני אטומי חמצן, במולקולת האוזון יש 3 אטומי חמצן. צבעו של האוזון הוא כחול. יצירת האוזון נעשית ע"י העברת ניצוצות חשמליים דרך האוויר, וזו הסיבה שמרגישים בריחו החריף לאחר שברק מבזיק. אוזון נוצר גם ע"י פעילותן של קרניים אולטרה סגוליות באוויר, וזו ההסיבה לריח המתלווה למנורות מסוג זה. האוזון מתפרק בקלות והופך למולקולת חמצן דו אטומית.
האוזון משמש לטיהור המים מפני שהוא קוטל חיידקים מזיקים מבלי לפגוע בטעם המים.
האוזון הוא גם מחמצן בעל עוצמה אדירה, וכשהוא במצב טהור הוא מתקיף חומרים מסוימים כמו גומי או שעם.
האוזון נמצא בשבכות העליונות של האטמוספירה והוא המגן עלינו מפני קרינת השמש.

ביבליוגרפיה:
כותר: חמצן
מחבר: קם, שילה
שם  הפרסום מקורי: יסודות הטבלה המחזורית
תאריך: 2000
הוצאה לאור: מטח : המרכז לטכנולוגיה חינוכית
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית