האטמוספרה והרכב האוויר
שכבת הגזים העוטפת את כדור הארץ - ממה היא מורכבת וכיצד מזהים את מרכיביה?
מהי האטמוספרה?
האוויר כתערובת
הרכב האוויר - תערובת גזים
עובדה חשובה
הרכב האוויר זהה בכל מקום על פני כדור הארץ (למעט הבדלים מקומיים באדי מים ובמזהמים).
הרכב האוויר
| גז | סימן כימי | אחוז באוויר | תפקיד עיקרי |
|---|---|---|---|
| חנקן | N₂ | ~78% | גז "ניטרלי" - לא משתתף בנשימה או בעירה |
| חמצן | O₂ | ~21% | חיוני לנשימה ולתהליכי בעירה |
| ארגון | Ar | ~0.9% | גז אציל - אינו מגיב עם חומרים אחרים |
| פחמן דו-חמצני | CO₂ | ~0.04% | חיוני לפוטוסינתזה, גורם לאפקט חממה |
| גזים נוספים | Ne, H₂, O₃, CH₄... | כמויות זעירות | ניאון, מימן, אוזון, מתאן ועוד |
* שימו לב: למרות שהחמצן הוא ה"כוכב" בנשימה, הוא מהווה רק כחמישית מהאוויר!
חנקן (N₂) - 78%
הגז השכיח ביותר באוויר, אך אנחנו כמעט לא "משתמשים" בו.
תכונות: חסר ריח, חסר צבע, אינו דליק, אינו תומך בעירה.
החנקן עובר לגוף שלנו דרך הנשימה ויוצא החוצה כמעט ללא שינוי. הוא אדיש מבחינה כימית.
חמצן (O₂) - 21%
הגז החיוני לחיים! בלעדיו לא נוכל לנשום ולהפיק אנרגיה.
תכונות: חסר ריח, חסר צבע, תומך בבעירה (נר דולק בזכותו!).
בתאי הגוף, החמצן משתתף בנשימה תאית—תהליך שמפיק אנרגיה מהמזון שאנו אוכלים.
פחמן דו-חמצני (CO₂) - 0.03%
אחוז זעיר, אבל חשיבות עצומה לכוכב הארץ ולחיים עליו!
תפקידים:
• מקור פחמן לצמחים (פוטוסינתזה)
• שומר על חום כדור הארץ (אפקט החממה)
הגוף שלנו מייצר CO₂ כ"פסולת" של הנשימה התאית, ואנחנו נפטרים ממנו בנשיפה.
אדי מים וגזים אצילים
כ-1% מהאוויר מורכב מגזים נדירים יותר.
אדי מים: כמותם משתנה לפי מזג האוויר (לחות). ביום גשום יש יותר!
ארגון: גז אציל שאינו מגיב עם שום דבר.
גזים אצילים משמשים לתאורה (נורות ניאון) ולריתוך מתכות.
תכונות הגזים באטמוספרה - מבט מעמיק
פחמן דו-חמצני (CO₂) - פירוט
מקורות: נפלט בתהליכי בעירה ובתהליכי נשימה של יצורים חיים.
שימוש בטבע: נקלט מהאוויר על ידי צמחים ירוקים לייצור מזון (סוכר) בתהליך הפוטוסינתזה.
צפיפות: גבוהה מזו של האוויר (כבד יותר). בדרך כלל הרוח מערבלת את האוויר ומונעת שקיעה. אך במקומות ללא תנועת אוויר (כמו "מערת הכלבים" באיטליה), הוא עשוי להצטבר למטה וליצור שכבה מסוכנת.
הפקה במעבדה: תגובה בין חומץ לסודה לשתייה.
זיהוי: הגז מדכא בעירה - מכבה נר דולק.
חמצן (O₂) - פירוט
חשיבות: חיוני לבעירה ולנשימה. רוב היצורים החיים זקוקים לו להפקת אנרגיה.
קליטה: יצורי יבשה קולטים מהאוויר. יצורי מים קולטים חמצן המומס במים.
מקור: נפלט לאוויר על ידי צמחים בתהליך הפוטוסינתזה.
הפקה במעבדה: חימום החומר "קאלי" (אשלגן כלוראטי).
זיהוי: מעודד בעירה - גורם לקיסם עמום להידלק מחדש.
מימן (H₂) - פירוט
שכיחות: נדיר מאוד באוויר (1 למיליון חלקיקים), אך הוא החומר הנפוץ ביותר ביקום - מרכיב את הכוכבים והשמשות!
צפיפות: נמוכה בהרבה מהאוויר (קל מאוד). בעבר שימש לכדורים פורחים, אך השימוש הופסק כי הוא דליק ומסוכן.
הפקה במעבדה: תגובה בין מתכת אבץ לחומצה כלורית (HCl).
זיהוי: דליק מאוד - בקירוב קיסם דולק נשמע פיצוץ קל ("פופ").
חנקן (N₂) - פירוט
הגז העיקרי באוויר (~78%). אינו מאפשר נשימה או בעירה - הוא אדיש מבחינה כימית.
שימוש בטבע: חיידקים מסוימים קולטים אותו מהאוויר לבניית חלבונים, וכך הוא משתלב במארג המזון.
שימושים בתעשייה/רפואה: במצב צבירה נוזלי (בטמפרטורות נמוכות מאוד, כ-196- מעלות!) משמש להקפאה עמוקה - שימור רקמות, הסרת יבלות ועוד.
כיצד מזהים גזים?
רוב הגזים שקופים וחסרי צבע, אז איך נדע איזה גז לפנינו? יש מספר שיטות זיהוי:
זיהוי לפי ריח:
• אמוניה - ריח חריף וחזק (מים לניקוי)
• גז בישול - ריח מוסף בכוונה כדי לזהות דליפות
זיהוי לפי צבע:
• רוב הגזים שקופים וחסרי צבע
• יוד (כאשר הוא גז) - בעל צבע סגול ייחודי!
זיהוי לפי דליקות:
• חמצן - גורם ללהבה להתלקח חזק
• חנקן - מכבה להבות
• גזי דלק - נדלקים מעצמם
מבחן הקיסם הבוער
זהו מבחן פשוט לזיהוי חמצן: מכניסים קיסם עם גחלת לוהטת (לא להבה) לתוך כלי עם הגז.
- אם הגחלת מתלקחת ללהבה בוהקת ← זהו חמצן
- אם הגחלת נכבית ← זהו כנראה פחמן דו-חמצני או חנקן
- אם נשמע "פופ" והגז נדלק ← זהו מימן
הפקת גזים במעבדה - סיכום
ניתן להפיק גזים בתגובות כימיות פשוטות:
- חמצן ← חימום "קאלי" (אשלגן כלוראטי)
- פחמן דו-חמצני ← חומץ + סודה לשתייה
- מימן ← מתכת אבץ + חומצה כלורית (HCl)
לחץ אוויר וגובה
מה קורה לאוויר בגובה?
ככל שעולים בגובה, האטמוספרה נעשית דלילה יותר - צפיפות הגזים יורדת.
נתון מפתיע: גם בפסגת האוורסט (8,849 מ'), ההרכב של האוויר נשמר: 78% חנקן ו-21% חמצן - בדיוק כמו בגובה פני הים!
אז מה הבעיה?
בגלל הצפיפות הנמוכה, יש פחות חלקיקי חמצן בכל נשימה. כל שאיפה מכילה פחות חמצן, ולכן מטפסי הרים זקוקים למסכות חמצן.
האחוזים לא משתנים, אבל כמות החלקיקים בכל נשימה יורדת!
שאלה לחשיבה
מדוע מטפסי הרים הגבוהים זקוקים למסכות חמצן, למרות שאחוז החמצן באוויר לא משתנה?
למרות שהאחוזים נשמרים (21% חמצן), בגובה רב האוויר דליל יותר - יש פחות חלקיקים בכל נפח. לכן כל נשימה מכילה פחות חלקיקי חמצן, ומטפסי ההרים חשים קוצר נשימה ללא אספקת חמצן נוספת.
האוורסט נמצא בגובה 8,849 מ' - שם צפיפות האוויר כשליש בלבד מהצפיפות בגובה פני הים
הרבה אנשים חושבים שאנחנו נושמים חמצן טהור ונושפים פחמן דו-חמצני טהור. האמת שונה!
מה נכנס בשאיפה:
78% חנקן, 21% חמצן, 0.03% CO₂
מה יוצא בנשיפה:
78% חנקן, 16% חמצן, 4% CO₂
שימו לב: אפילו בנשיפה עדיין יש 16% חמצן! לכן הנשמה מפה לפה עובדת—האוויר שאנחנו נושפים עדיין מכיל מספיק חמצן להציל חיים.
ליד נאפולי באיטליה קיימת מערה מפורסמת שנקראת "מערת הכלבים" (Grotta del Cane).
במערה זו נפלט CO₂ מסדקים בקרקע. מכיוון שפחמן דו-חמצני כבד מהאוויר, הוא שוקע למטה ויוצר שכבה בגובה נמוך.
התוצאה: כלבים (שגובהם נמוך) שנכנסו למערה איבדו הכרה בגלל חוסר חמצן, בעוד בני אדם (שראשם גבוה יותר) לא הושפעו.
דוגמה זו ממחישה שגזים שונים יכולים להיפרד לפי צפיפותם כשאין תנועת אוויר (רוח) שמערבלת אותם.