אטומים מאותו סוג יכולים להיות חלק מחומרים שונים. עבור היסוד המסומן בסמל "O" (מהשם הלטיני Oxygenium), ידועים שני חומרים פשוטים הנפוצים בטבע. הנוסחה של אחד מהם היא O2, השנייה היא O3. אלה הם שינויים אלוטרופיים של חמצן (אלוטרופים). ישנן תרכובות אחרות שהן פחות יציבות (O4 ו-O8). השוואה בין מולקולות ותכונות של חומרים תעזור להבין את ההבדל בין צורות אלו.
מהם שינויים אלוטרופיים?
יסודות כימיים רבים יכולים להתקיים בשתי צורות, שלוש או יותר. כל אחד מהשינויים הללו נוצר על ידי אטומים מאותו סוג. המדען J. Berzellius בשנת 1841 היה הראשון שכינה תופעה כזו אלוטרופיה. הסדירות הפתוחה שימשה במקור רק לאפיון חומרים בעלי מבנה מולקולרי. לדוגמה, ידועים שני שינויים אלוטרופיים של חמצן, שהאטומים שלהם יוצרים מולקולות. מאוחר יותר, החוקרים גילו כי שינויים יכולים להיות בין הגבישים. לפי מושגים מודרניים, אלוטרופיה היא אחד מהמקרים של פולימורפיזם. הבדלים בין צורות נגרמים על ידי מנגנוניםיצירת קשר כימי במולקולות ובגבישים. תכונה זו באה לידי ביטוי בעיקר באלמנטים של קבוצות 13-16 בטבלה המחזורית.
איך שילובים שונים של אטומים משפיעים על תכונות החומר?
שינויים אלוטרופיים של חמצן ואוזון נוצרים על ידי אטומים של היסוד עם המספר האטומי 8 ומספר זהה של אלקטרונים. אבל הם שונים במבנה, מה שהוביל לפער משמעותי במאפיינים.
| Signs | Oxygen | Ozone |
| הרכב המולקולה | 2 אטומי חמצן | 3 אטומי חמצן |
| בניין |
|
|
| מצב וצבע מצטברים | גז שקוף חסר צבע או נוזל כחול בהיר | גז כחול, נוזל כחול, מוצק סגול כהה |
| ריח | חסר | חד, מזכיר סופת רעמים, חציר טרי שנחתך |
| נקודת התכה (°C) | -219 | -193 |
| נקודת רתיחה (°C) | -183 | -112 |
|
Density (g/l) |
1, 4 | 2, 1 |
| מסיסות מים | מתמוסס מעט | טוב יותר מחמצן |
| Reactivity | בתנאים רגיליםיציב | מתפרק בקלות ליצירת חמצן |
מסקנות המבוססות על תוצאות ההשוואה: שינויים אלוטרופיים של חמצן אינם שונים בהרכב האיכותי שלהם. המבנה של מולקולה בא לידי ביטוי בתכונות הפיזיקליות והכימיות של חומרים.
האם כמויות החמצן והאוזון זהות בטבע?
חומר שהנוסחה שלו היא O2, נמצא באטמוספירה, בהידרוספירה, בקרום כדור הארץ ובאורגניזמים חיים. כ-20% מהאטמוספירה נוצרת על ידי מולקולות חמצן דו-אטומיות. בסטרטוספירה, בגובה של כ-12-50 ק"מ מפני כדור הארץ, ישנה שכבה הנקראת "מסך האוזון". הרכבו בא לידי ביטוי בנוסחה O3. האוזון מגן על כוכב הלכת שלנו על ידי קליטה אינטנסיבית של הקרניים המסוכנות של הספקטרום האדום והאולטרה סגול של השמש. ריכוז החומר משתנה כל הזמן, וערכו הממוצע נמוך - 0.001%. לפיכך, O2 ו-O3 הם שינויי חמצן אלוטרופיים שיש להם הבדלים משמעותיים בהפצה בטבע.
איך משיגים חמצן ואוזון?
חמצן מולקולרי הוא החומר הפשוט והחשוב ביותר על פני כדור הארץ. הוא נוצר בחלקים הירוקים של צמחים באור במהלך הפוטוסינתזה. עם פריקות חשמליות ממקור טבעי או מלאכותי, מולקולת החמצן הדיאטומית מתפרקת. הטמפרטורה בה מתחיל התהליך היא כ-2000 מעלות צלזיוס. חלק מהרדיקלים שנוצרו מתאחדים שוב ויוצרים חמצן. חלקיקים פעילים מסוימים מגיבים עם מולקולות דיאטומיותחַמצָן. תגובה זו מייצרת אוזון, אשר מגיב גם עם רדיקלים חופשיים של חמצן. זה יוצר מולקולות דיאטומיות. הפיכות התגובות מובילה לכך שריכוז האוזון האטמוספרי משתנה כל הזמן. בסטרטוספירה, היווצרות של שכבה המורכבת ממולקולות O3 קשורה לקרינה אולטרה סגולה מהשמש. ללא מגן מגן זה, קרניים מסוכנות עלולות להגיע אל פני כדור הארץ ולהרוס את כל צורות החיים.
שינויים אלוטרופיים של חמצן וגופרית
היסודות הכימיים O (Oxygenium) ו-S (Sulfur) נמצאים באותה קבוצה של הטבלה המחזורית, הם מאופיינים ביצירת צורות אלוטרופיות. מבין המולקולות עם מספר שונה של אטומי גופרית (2, 4, 6, 8), בתנאים רגילים, היציב ביותר הוא S8, הדומה לכתר בצורתו. גופרית מעוינת ומונוקלינית בנויים ממולקולות כאלה של 8 אטומים.
בטמפרטורה של 119 מעלות צלזיוס, הצורה המונוקלינית הצהובה יוצרת מסה צמיגה חומה - שינוי פלסטי. למחקר של שינויים אלוטרופיים של גופרית וחמצן יש חשיבות רבה בכימיה תיאורטית ובפעילויות מעשיות.
בקנה מידה תעשייתי, נעשה שימוש בתכונות החמצון של צורות שונות. האוזון משמש לחיטוי אוויר ומים. אבל בריכוזים מעל 0.16 מ"ג/מ"ק, הגז הזה מסוכן לבני אדם ובעלי חיים. חמצן מולקולרי חיוני לנשימה ומשמש בתעשייה וברפואה. אלוטרופי פחמן ממלאים תפקיד חשוב בפעילות כלכלית.(יהלום, גרפיט), זרחן (לבן, אדום) ויסודות כימיים אחרים.
