חמצן

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
גז: חסר צבע נוזל: אפרפר כחלחל חמצן נוזלי
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 ניזול	90.19K (-182.96°C)
טמפרטורת מיצוק	54.36K (-218.79°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 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, 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, 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 חסר טעם, צבע או ריח בטמפרטורת החדר.

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

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)
	התרגשות אנרגטית
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 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

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 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 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, 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

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