כיצד למדוד את ריכוז החמצן בבית

בניסוי הנוכחי נראה שיטה למדידת אחוז החמצן באוויר, שמצריכה אמצעים ביתיים וסבלנות :-) בלבד, באמצעות תגובה כימית איטית הדומה לשריפה, בין החמצן לברזל.

ציוד

  • צמר פלדה
  • כוס ישרה
  • צלחת עמוקה
  • מים
  • סרגל (אם ממש רוצים לעשות מדידה מדוייקת)

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

האוויר שאנו נושמים איננו חומר טהור, הוא למעשה תערובת של גזים, שמכילה בין היתר חנקן, חמצן, ארגון, פחמן דו-חמצני, ועוד רבים אחרים (בכמויות קטנות). עבורנו, בני האדם, כמו עבור כמעט כל היצורים החיים – החמצן הוא הגז החיוני לחיים. הגוף משתמש בחמצן (עם סוכרים וחומרי מזון אחרים) כדי להפיק אנרגיה לכל תהליכי הגוף. על חיוניות החמצן תעיד העובדה שכמה עשרות שניות בלי חמצן גוררים מוות של התאים במוח (שגוררים מוות של הגוף כולו).

החמצן הוא חומר מאוד פעיל מבחינה כימית, הוא מסוגל להגיב עם אלפי חומרים אחרים, בדרך כלל כאשר חמצן מגיב עם חומרים אחרים מה שמקבלים זה אש, שריפה.

החמצן מסוגל לשרוף באש אפילו ברזל – כפי שאפשר לראות בניסוי קודם שלנו – ברזל בוער.

בניסוי הנוכחי, אנחנו משתמשים בשיטה מתונה של תגובת השריפה בין ברזל לחמצן (בנוכחות מים), כך שבמקום שתתרחש תוך מספר שניות, היא מתרחשת תוך כמה ימים. התגובה מוכרת לכולם מחיי היום-יום: זו התגובה שיוצרת חלודה על פני הברזל, שהיא תוצר של תגובה בין ברזל (Fe בסימון של הכימאים), חמצן (O2) ומים (H2O).

מבחינה כימית, התגובה שמתרחשת בעת יצירת חלודה (Fe2O3.3H2O(S)) היא:

2Fe(s) + 1.5O2(g) + 3H2O(l) -----> Fe2O3.3H2O(S)

או במילים: ברזל + חמצן + מים --> יוצרים חלודה

התגובה הזאת טובה למדידת ריכוז החמצן שבאוויר, משום שהיא לא יוצרת גזים, התוצר היחיד שלה הוא חלודה מוצקה. בתגובות שריפה אחרות, כמו למשל שריפה של נר – נוצר גז פחמן דו חמצני, שמקשה על החשבונות, משום שמצד אחד גז אחד נצרך בתגובה - החמצן, ומצד שני גז אחר נפלט - פחמן דו חמצני. בנוסף – לא נוצר בה חום רב במהירות, שאופייני לתגובות שריפה, כך שלא נוצר אוויר חם שמתקרר ומשנה את נפחו, ושהופך חשבונות לחישוב ריכוז החמצן לבלתי אפשריות מבחינה מעשית, כמו בניסוי נר "שואב" מים לתוך כוס.

התרחשות תגובת ההחלדה גורמת לכך שהחמצן בתוך הכוס הולך ומתמעט (כי הופך לחלודה ביחד עם הברזל) מה שגורם ללחץ האוויר שבכוס לרדת מתחת לרמה של לחץ האוויר החיצוני (כלומר הלחץ שמחוץ לכוס), כי חלק מהגזים שהיו בה – פשוט נעלמים. בשלב הזה פועלים על המים שהכוס מכסה שני לחצים – לחץ האוויר החיצוני ולחץ האוויר הנמוך שבתוך הכוס. כיוון שהלחץ החיצוני גדול יותר מהלחץ הפנימי, הוא דוחס את המים או הנוזל פנימה לתוך הכוס – שמתמלאת נוזלים. כלומר אם נרצה לדייק מבחינה מדעית, נאמר שהמים נדחפים לתוך הכוס, ולא "נשאבים" לתוכה.

כדי ליצור שוויון לחצים, המים ממלאים בדיוק את נפח החמצן שנצרך בתגובה – ולכן באמצעות מדידת גובה עמוד המים שנוצר בסוף בכוס ניתן לדעת בדיוק את כמות החמצן שהייתה בכוס, ומכאן לחשב בקלות את ריכוז החמצן שבאוויר.

אפשר לנסות ולמדוד את ריכוז החמצן במקומות שונים - כמו למשל מרתף חסר חלונות שלא אוורר כבר הרבה זמן, ולראות האם שם ריכוז החמצן נמוך יותר.