חמצן

ערך זה עוסק ביסוד כימי. אם התכוונתם לכתב עת לנוער, ראו חמצן (כתב עת).

פלואור - חמצן - חנקן   O S       הטבלה המחזורית
כללי
מספר אטומי	8
סמל כימי	O
סדרה כימית	יסודות אל-מתכתיים
צפיפות	1.429 (-0.15 °C) kg/m3
מראה	חסר צבע
תכונות אטומיות
משקל אטומי	15.9994 amu
רדיוס אטומי	60 pm
רדיוס קוולנטי	73 pm
רדיוס ואן דר ואלס	152 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2,6
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר	גז
טמפרטורת התכה	54.36K (-218.79°C)
טמפרטורת רתיחה	90.19K (-182.96°C)
מהירות הקול	19.9 מטר לשנייה ב566.15K
שונות
אלקטרושליליות	3.44
קיבול חום סגולי	920 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית	106/m·Ω
מוליכות תרמית	0.02674 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	1313.9 kJ/mol
אנרגיית יינון שנייה	3388.3 kJ/mol
אנרגיית יינון שלישית	5300.5 kJ/mol
אנרגיית יינון רביעית	7469.2 kJ/mol

חמצן (באנגלית: Oxygen) הוא יסוד כימי שמספרו האטומי 8 וסמלו הכימי O. 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.

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 ומחמצן חזק בעל ריח "חשמלי" אופייני.

לחמצן נוזלי ומוצק צבע כחול בהיר ולאוזון (O₃) נוזלי ומוצק צבע כחול כהה. לצורה אלוטרופית חדשה של חמצן, O₄ יש צבע אדום כשהיא מוצקה. O₄ מתקבל בהפעלת לחץ של 20 ג'יגה-פסקל על O₂. צורה זו של חמצן היא חומר מחמצן חזק יותר מאוזון או חמצן אטמוספירי.

שימושים

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

החמצן משמש גם לתהליכים תעשייתיים שונים, בהם הוא משמש דלק, 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 החמצן זוהה שוב על ידי הכימאי השבדי 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 עבודתו. שמו הלועזי של החמצן . (Oxygen) ניתן לו על ידי אנטואן לבואזיה שערך בו ניסויים רבים.

איזוטופים של חמצן

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

צורה בטבע ותפקיד ביולוגי

חמצן הינו אחד היסודות הנפוצים בטבע ומהווה 21% מהאוויר על פני כדור הארץ. לחמצן חשיבות מכרעת עבור קיום החיים הארציים, 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, הפחמן הדו-חמצני (CO₂), ועוד אלפי תרכובות אורגניות ההכרחיות לקיום החיים.
• אחד הביטויים של החמצן בטבע הוא גז האוזון (O₃), המסנן את המרכיב האולטרה סגול הנמצא בקרינת השמש.

באגמים, נחלים וימים, החמצן נפוץ הרבה פחות בשל מסיסותו הנמוכה במים. כ-6 מ"ל של חמצן נמסים בכל ליטר של 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 (בבעירה במחסור בחמצן - פחמן חד-חמצני). תהליך זה, כאמור, הוא המאפשר 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 עליו מפני הנזק. כיום משערים חוקרים כי הגורם העיקרי להזדקנות הוא הרס הדרגתי של החומר הגנטי על ידי רדיקלים כמו חמצן (וראו נוגדי חמצון) למרות הנזק הרב שצורוני חמצן ריאקטיבים עלולים לגרום, לרדיקאלים אלו תפקיד תפקודי בתאים בגופינו, 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 ביעילותן של מתכות מעובדות עבור האדם.

מבנה מולקולת החמצן

למולקולות חמצן, כאמור, 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 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 המצאות שני אלקטרונים שאינם מזווגים ובספינים מקבילים בחמצן האטמוספירי פרה-מגנטי במצב היסוד (טריפלט מגנטי), חמצן נוזלי נמשך למגנט.

מצבים מעוררים של מולקולת החמצן

מולקולת חמצן עשויה להמצא במצב מעורר בו הספינים של האלקטרונים האנטי-קושרים הפוכים כלומר במצב של סינגלט מגנטי בו 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 בפגים המקבלים אותו בריכוז גבוה מידי 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. מכיוון שהם יכולים לגרום נזק לתאים ול-DNA, הם עלולים לגרום לסרטן ולהזדקנות.

קישורים חיצוניים

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