שלושה גזים, שלוש תשובות
מימן, חמצן וחנקן הם כולם גזים חסרי צבע וחסרי ריח. מלאו בהם שלוש צנצנות, ולא תוכלו להבחין ביניהם במבט. קיסם עץ בוער מבחין ביניהם מיד, וזו הבדיקה שבה משתמשים בשיעורי כימיה.
בצנצנת של חמצן הלהבה גדלה פתאום ונעשית בהירה יותר. בצנצנת של חנקן היא כבה. כשמחזיקים אותה בפתח של צנצנת מימן, נשמע פופ קטן ומצפצף. בצנצנת של אוויר רגיל לא קורה הרבה: הלהבה ממשיכה לבעור כמו שבערה בחוץ.
נסו: תחת הגז בצנצנת, בחרו חמצן, אחר כך חנקן ואחר כך מימן, וצפו בקיסם בכל פעם שהוא נטבל פנימה. חזרו לאוויר כדי להשוות.
בעירה היא תגובה עם חמצן
להבה היא תגובה כימית. העץ החם פולט גזים שמתרכבים עם חמצן ומשחררים אנרגיה בצורת חום ואור. רק כחמישית מהאוויר היא חמצן, ורוב השאר הוא חנקן שאינו לוקח חלק בתגובה. בצנצנת של חמצן טהור הלהבה פוגשת בערך פי חמישה חמצן, ולכן התגובה מהירה בהרבה והלהבה בוערת בעוז. מאותה סיבה קיסם שרק קצהו לוחש מתלקח מחדש בחמצן. זו הבדיקה המקובלת לזיהוי הגז.
בחנקן טהור אין חמצן כלל, ולכן התגובה נעצרת והלהבה כבה ומשאירה אחריה תמרת עשן דקה. חנקן לא מכבה אש בכך שהוא עושה לה משהו. הוא פשוט תופס את מקומו של החמצן. פחמן דו־חמצני מכבה להבה באותה דרך.
למה חנקן לא עושה כלום
שלושת הגזים בנויים ממולקולות של שני אטומים מחוברים: H₂, O₂ ו־N₂. מה שמחבר אותם הוא קשר קוולנטי: שני האטומים חולקים ביניהם אלקטרונים, בזוגות. שני אטומי מימן חולקים זוג אחד, קשר יחיד. שני אטומי חמצן חולקים שני זוגות, קשר כפול. שני אטומי חנקן חולקים שלושה זוגות, קשר משולש.
ככל ששני אטומים חולקים יותר זוגות, כך הם מחזיקים זה בזה חזק יותר. פירוק מול של מולקולות חנקן (כ־28 גרם) לאטומים דורש 945 קילוג’אול, כמעט פי שניים מ־498 kJ שדורש החמצן, ויותר מפי שניים מ־436 kJ שדורש המימן. תגובה חייבת לשבור את הקשרים הישנים לפני שקשרים חדשים יכולים להיווצר, ובחנקן הצעד הראשון הזה יקר כל כך שכמעט שום דבר לא מצליח לעשות אותו בטמפרטורות של היום־יום. זו הסיבה שחנקן מהווה את רוב האוויר, ובכל זאת כמעט לא מגיב עם שום דבר שבו.
נסו: הזיזו את התקרבות למולקולות לכיוון מולקולות. הצנצנת נסגרת ואתם רואים מה יש בתוכה, ואז מולקולה אחת מתרוממת החוצה, מוגדלת, והזוגות המשותפים שלה מצוירים כמקלות. בחרו כל גז בתורו והשוו את הקשרים בטבלה שליד הניסוי.
אותן מולקולות מסבירות גם את האוויר שבצנצנת. מכל מאה מולקולות של אוויר יבש, כ־78 הן חנקן, 21 הן חמצן ואחת היא אטום ארגון, גז שאינו מגיב עד כדי כך שהאטומים שלו אף פעם לא מתחברים לזוגות. מימן כמעט אין בו.
מימן: קל, מהיר ולהוט לבעור
מולקולת מימן שוקלת כ־2 יחידות מסה אטומיות, לעומת 28 של חנקן ו־32 של חמצן. ליטר אוויר שוקל בערך פי ארבעה־עשר מליטר מימן, ולכן בלון מימן מתרומם בכוח כזה. במעבדה אמיתית מחזיקים לעיתים קרובות צנצנת מימן כשפתחה כלפי מטה, כדי שהגז לא ירחף החוצה.
באותה טמפרטורה, לכל סוג של מולקולה בגז יש אותה אנרגיית תנועה ממוצעת. האנרגיה הזאת היא חצי המסה כפול ריבוע המהירות, ולכן מולקולה קלה חייבת לנוע מהר יותר כדי לשאת אותה אנרגיה. ב־20 °C מולקולות המימן נעות בממוצע בכ־1,750 מטרים בשנייה, מהר כמעט פי ארבעה מ־470 של החנקן ומ־440 של החמצן. חממו את הגז, וכולן מאיצות לפי השורש הריבועי של הטמפרטורה המוחלטת: פי ארבעה בטמפרטורה בקלווין, פי שניים במהירות.
נסו: הביטו פנימה עם מימן, ואז עברו לחמצן. אחר כך נסו את מקפיא ואת תנור חם תחת טמפרטורה, וצפו במהירויות שבטבלה.
מימן בוער כי הקשרים שהוא יכול ליצור עם חמצן מחזיקים חזק בהרבה מאלה שהוא מוותר עליהם. יצירת שתי מולקולות מים, H₂O, שוברת שני קשרי H–H וקשר O=O אחד, כ־1,370 kJ למול חמצן, אבל יוצרת ארבעה קשרי O–H ששווים כ־1,850 kJ. ההפרש, בערך 480 kJ, משתחרר כחום. בפתח הצנצנת המימן שבורח מתערבב עם אוויר, והלהבה מציתה את כל הכיס הקטן בבת אחת: הפופ הוא פיצוץ זעיר. המים שנוצרים מתעבים לאדים דקים על הזכוכית הקרה.
איפה פוגשים אותם
אתם נושמים חמצן: התאים שלכם משתמשים בו כדי לשחרר אנרגיה מהמזון, בגרסה איטית יותר של בעירה. בבתי חולים נותנים חמצן טהור לחולים שמתקשים לקבל ממנו מספיק מהאוויר, ורתכים שורפים בו דלק כדי להגיע לטמפרטורות גבוהות יותר.
גם האדישות של החנקן מועילה. שקיות צ’יפס ממולאות בו כדי להרחיק את החמצן ולשמור על המזון טרי, וחנקן נוזלי ב־−196 °C מקפיא דברים במהירות. ובכל זאת, כל יצור חי זקוק לאטומי חנקן כדי לבנות חלבונים ו־DNA, וכמעט שום דבר לא מסוגל לפרק את הקשר המשולש כדי להשיג אותם. כמה חיידקי קרקע מסוגלים, וגם הברק עושה זאת. מאז תחילת המאה ה־20 עושה זאת במפעלים תהליך הבר־בוש: הוא מחבר חנקן למימן בלחץ גבוה, על גבי זרז של ברזל, ומייצר אמוניה לדשנים.
מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום, הדלק של הכוכבים, ובטילי חלל הוא בוער עם חמצן במנועים הראשיים. על פני כדור הארץ כמעט כולו כלוא במים ובתרכובות אחרות. בעירה שלו יוצרת רק מים, ולכן חוקרים אותו כדלק נקי, אף שרוב המימן שמיוצר היום עדיין מופק מגז טבעי.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מראה את התוצאה הידועה של כל בדיקה, במקום לדמות את הכימיה של להבה. בדיקה אמיתית תלויה במידת הטוהר של הגז, במהירות שבה מכניסים את הקיסם ובכמות הגז שכבר דלפה מהצנצנת. מימן שמעורב במעט אוויר משמיע פופ חזק; מימן טהור מאוד משמיע פופ שקט יותר ואז בוער בפתח הצנצנת בלהבה חיוורת שקשה לראות באור יום. הסצנה מדליקה מחדש את הקיסם בין הבדיקות וחוזרת על הבדיקה כאילו בכל פעם עם צנצנת חדשה.
המולקולות מצוירות גדולות פי עשרות מיליונים מגודלן האמיתי ומואטות פי יותר מעשרת אלפים, כדי שאפשר יהיה לעקוב אחריהן בעין. הן גם מעטות מדי בהרבה: בצנצנת כזאת יש כ־10²² מולקולות. בגז אמיתי הן מתנגשות זו בזו מיליארדי פעמים בשנייה; כאן הן רק ניתזות מהזכוכית, כמו בגז האידיאלי של ספרי הלימוד. המהירויות שלהן עוקבות אחרי הפיזור האמיתי של כל גז בכל טמפרטורה. אנרגיות הקשר שבטבלה הן לפירוק המולקולות בגז בטמפרטורת החדר, והחלקים של כל גז באוויר הם של אוויר יבש, בלי אדי מים ובלי ה־0.04 % של פחמן דו־חמצני.