חמצן

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

על פי מחקר שפורסם בעיתון המדעי Nature יאזל החמצן מכדור הארץ בעוד כ-1.08 מיליארד שנה. הסיבה העיקרית לכך תהיה "הזדקנות" השמש. ככל שהשמש "תתבגר", היא תהפוך בהירה יותר. הבהירות הזו תחמם את פני שטח כדור הארץ, תגדיל את קצב פירוק גזי החממה, תערער את מחזור הפחמן, מה שבעיתו יימנע מהצמחים לבצע פוטוסינתזה, אותו תהליך המייצר את החמצן.

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 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 חמצן כאשר ב-1 באוגוסט 1774 חימם תחמוצת כספית. פריסטלי פרסם את ממצאיו ב-1775 ושלה ב-1777, מה שמסביר את הנטייה הרווחת בספרי ההיסטוריה לייחס את גילוי החמצן לפריסטלי. 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". 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".

עד סוף המאה ה-19 הבינו מדענים שניתן להנזיל אוויר ולבודד את מרכיביו על ידי דחיסה וקירור שלו. בעזרת שיטת ה אידה הכימאי והפיזיקאי השווייצרי  גופרית דו-חמצנית נוזלית על מנת להנזיל פחמן דו-חמצני, שבתורו התאדה כדי לקרר מספיק גז חמצן כדי להנזיל אותו. הוא שלח מברק ב-22 בדצמבר 1877 לאקדמיה הצרפתית למדעים בפריז והכריז על גילוי . יומיים בלבד לאחר מכן, הכריז הפיזיקאי הצרפתי לואי פול קייטה על שיטה משלו להנזלת חמצן מולקולרי. רק כמה טיפות מהנוזל הופקו בכל מקרה ולא ניתן היה לבצע אנליזה משמעותית. חמצן הונזל במצב יציב לראשונה ב-29 במרץ 1883, על ידי מדענים פולנים מהאוניברסיטה היגלונית,  ו.

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.

איזוטופים
ממוזער|לקראת סוף חייו של כוכב ענק, נוצרים האיזוטופים  (בקליפת ה-O),  (בקליפת ה-H) ו- (בקליפת ה-He).
לחמצן 3 איזוטופים יציבים טבעיים (^16O, ^17O ו-^18O), ובנוסף התגלו עוד 14 רדיו-איזוטופים מ-^12O ועד ^28O, אשר לכולם זמן מחצית החיים קצר. ^15O הוא הרדיו-איזוטופ של חמצן בעל זמן מחצית החיים הכי ארוך - 122.24 שניות.
 סמל (p)Z (n)N מסה איזוטופית (u) זמן מחצית חייםדרכי התפרקותתוצר דעיכה ספין גרעיני שכיחות האיזוטופ(כשבר מולרי מהיסוד) טווח השינוי הטבעי(כשבר מולרי מהיסוד) התרגשות אנרגטית 12O8 4 12.034405(20) [MeV (25)0.40] E-24 s(30)5802p (60%)^10C 0+p (40%)^11N 13O 5 13.024812(10) ms (5)8.58β+ (89.1%)^13N (3/2-)β+, p (10.9%)^12C 14O 6 14.00859625(12) s (18)70.598^14N 0+ 15O 7 15.0030656(5) s (16)122.24^15N 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)26.464^19F 5/2+ 20O 12 20.0040767(12) s (5)13.51^20F 0+ 21O 13 21.008656(13) s (10)3.42^21F (1/2,3/2,5/2)+ 22O 14 22.00997(6) s (15)2.25β- (>78%)^22F 0+β+, n (<22%)^21F 23O 15 23.01569(13) ms (37)82β+, n (93%)^22F 1/2+#β- (7%)^23F 24O 16 24.02047(25) ms (5)65β+, n (58%)^23F 0+β- (42%)^24F 25O 17 25.02946(28)# ns 50>n^24O (3/2+)# 26O 18 26.03834(28)# ns 40>2n^24O 0+ 27O 19 27.04826(54)# ns 260> 3/2+# 28O 20 28.05781(64)# ns 100> 0+

צורה בטבע ותפקיד ביולוגי
ממוזער|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:
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 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
ממוזער|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.

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

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 בגוף 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
אוזון
תחמוצת
היפוקסיה
אסון החמצן
מחזור החמצן בגוף

קישורים חיצוניים

 חמצן, בספרייה הווירטואלית של מט"ח
 חמצן ב-Webelements 
 מידע על ג'וזף פריסטלי 
 What If The World Lost Oxygen For 5 Seconds? - סרטון הסבר על מה שהיה קורה אם כל החמצן בעולם היה נעלם ל-5 שניות  




הערות שוליים

*
קטגוריה:אל-מתכות
קטגוריה:מולקולות דו-אטומיות