גז נטול צבע וריח

גזים חסרי צבע וריח: הכוח הבלתי נראה שמעצב את עולמנו – מחנקן וחמצן ועד מתאן, רדון והליום

מבוא לעולם הגזים – המצב החמקמק של החומר

החומר סביבנו מופיע במצבי צבירה שונים, כאשר הגז מייצג את המצב האנרגטי והפחות מסודר מבין השלושה המוכרים לנו ביותר (מוצק, נוזל וגז). במצב הגזי, המולקולות או האטומים הבודדים המרכיבים את החומר רחוקים מאוד זה מזה, כמעט ואינם חווים כוחות משיכה ביניהם, ונמצאים בתנועה מתמדת, אקראית ומהירה. תנועה חופשית זו מאפשרת לגזים, בדומה לנוזלים, לזרום ממקום למקום, אך בניגוד לנוזלים שלהם נפח קבוע, לגזים אין נפח מוגדר משלהם. הם מתפשטים בחלל עד שהם ממלאים באופן אחיד את כל נפח הכלי המכיל אותם, תופעה המתוארת על ידי עיקרון אבוגדרו, הקובע כי נפחים שווים של גזים שונים, בתנאי לחץ וטמפרטורה זהים, מכילים מספר שווה של חלקיקים. האנרגיה הקינטית הגבוהה של חלקיקי הגז מבדילה אותו מנוזלים ומוצקים, אך היא נמוכה מזו של הפלזמה, מצב הצבירה הרביעי. המונח “גז”, שטבע במאה ה-17 המדען הפלמי ואן הלמונט בהשראת המילה היוונית “כאוס” (ריק), מתאר במדויק את האופי המתפשט והבלתי מוגבל לכאורה של מצב צבירה זה. בעוד מודל הגז האידיאלי מפשט את ההתנהגות הגזית תוך התעלמות מנפח החלקיקים ומהאינטראקציות ביניהם, גזים אמיתיים (כמו גז ון-דר-ולס) מציגים סטיות מאידיאליות זו, במיוחד בטמפרטורות נמוכות ובלחצים גבוהים, שם האינטראקציות הבין-מולקולריות הופכות משמעותיות יותר. מורכבות המולקולות עצמן, בין אם הן חד-אטומיות (כמו בגזים אצילים), דו-אטומיות (כמו חמצן וחנקן) או רב-אטומיות (כמו מתאן), משפיעה על דרגות החופש שלהן – היכולת לתנועה פנימית וסיבובית בנוסף לתנועה הקווית – ובהתאם על תכונותיהן התרמודינמיות. מאמר זה יתמקד בכמה מהגזים הנפוצים והחשובים ביותר המקיפים אותנו, שמאפיינם המשותף הוא היותם חסרי צבע וריח בתנאים רגילים, תכונה שהופכת אותם לבלתי נראים אך בעלי השפעה מכרעת על החיים ועל הסביבה.

חנקן (N₂) – היסוד השקט והחיוני באטמוספירה

החנקן, גז נטול צבע וריח, המסומל כימית כ-N₂, הוא גז המהווה את המרכיב הדומיננטי ביותר באטמוספירה של כדור הארץ, ותופס כ-78% מנפחה. מולקולת החנקן מורכבת משני אטומי חנקן הקשורים זה לזה בקשר קוולנטי משולש (N≡N), קשר חזק במיוחד המקנה למולקולה יציבות כימית רבה ואדישות יחסית בתנאים רגילים. תכונה זו הופכת את החנקן הגזי לחסר צבע, ריח וטעם, והוא אינו תומך בבעירה או בנשימה באופן ישיר. גילויו מיוחס למדען הסקוטי דניאל רתרפורד בשנת 1772, שזיהה אותו כמרכיב באוויר שאינו מאפשר בעירה, ולכן כונה בתחילה “אוויר שרוף”. למרות אדישותו הכימית כמולקולה (N₂), החנקן הוא יסוד חיוני מאין כמותו לחיים כפי שאנו מכירים אותם, שכן הוא מהווה מרכיב מרכזי בחומצות אמינו, אבני הבניין של החלבונים, ובחומצות גרעין (DNA ו-RNA). המעבר מחנקן אטמוספירי אדיש לצורות זמינות ביולוגית (תהליך הקיבוע) מתבצע בעיקר על ידי מיקרואורגניזמים ותהליכים תעשייתיים. תעשיית הכימיה רותמת את החנקן לייצור המוני של אמוניה (NH₃), חומר גלם קריטי לייצור דשנים חקלאיים שהגדילו דרמטית את תפוקת המזון העולמית, אך שימוש עודף בהם גם תורם לזיהום מקורות מים. האדישות הכימית של החנקן מנוצלת גם ביישומים תעשייתיים רבים אחרים: הוא משמש כגז מגן (אטמוספירה אינרטית) בתהליכים רגישים לחמצון, כגון ייצור רכיבים אלקטרוניים, ריתוך ועיבוד מתכות, וכן באריזות מזון להארכת חיי מדף (“אריזה באווירה מבוקרת”). חנקן נוזלי, המתקבל על ידי דחיסה וקירור של אוויר, הוא חומר קירור יעיל ביותר (-196°C) המשמש במחקר מדעי, בשימור דגימות ביולוגיות ורפואיות, וברפואה להקפאה והסרה של נגעים עוריים (קריותרפיה, המכונה לעיתים “אש קרה”). בנוסף, תרכובות חנקן משמשות כבסיס לחומרי נפץ רבי עוצמה (כמו ניטרוגליצרין ו-TNT), וגז הצחוק (N₂O), תרכובת חנקן וחמצן, משמש להרדמה קלה ברפואת שיניים.

חמצן (O₂) – נשימת החיים, האש והחמצון

החמצן (O₂), הגז השני בשכיחותו באטמוספירה (כ-21% מנפחה), הוא יסוד בעל חשיבות קיומית כפולה ומהותית לחיים על פני כדור הארץ. מולקולת החמצן, הבנויה משני אטומי חמצן הקשורים בקשר קוולנטי כפול (O=O), היא גז חסר צבע, ריח וטעם בטמפרטורת החדר. בניגוד מוחלט לאדישות היחסית של החנקן, החמצן הוא יסוד פעיל כימית ותגובתי ביותר, והוא החומר המחמצן הנפוץ ביותר בטבע. תכונה זו היא הבסיס לשני תהליכים מרכזיים: נשימה תאית, שבה יצורים חיים מפיקים אנרגיה על ידי חמצון מולקולות אורגניות בעזרת חמצן, ותהליכי בעירה, בהם חומרים מתרכבים במהירות עם חמצן תוך שחרור חום ואור. המקור העיקרי לחמצן האטמוספירי הוא תהליך הפוטוסינתזה המבוצע על ידי צמחים, אצות וחיידקים מסוימים, המשתמשים באנרגיית השמש כדי להפוך פחמן דו-חמצני ומים לסוכרים ולחמצן גזי. גילוי החמצן היה תהליך הדרגתי שבו היו מעורבים מספר מדענים, ביניהם קרל וילהלם שלה וג’וזף פריסטלי באמצע המאה ה-18, שייצרו את הגז אך פירשו את ממצאיהם במסגרת תורת הפלוגיסטון השגויה. היה זה אנטואן לבואזיה שזיהה את החמצן כיסוד, הבין את תפקידו המרכזי בבעירה ובנשימה, טבע את שמו (Oxygène – “יוצר חומצות”, מתוך אמונה שגויה שהוא מרכיב הכרחי בכל החומצות), ובכך הניח את היסודות לכימיה המודרנית. היכולת להנזיל חמצן (-183°C) פותחה בסוף המאה ה-19 ואפשרה שימושים חדשים. כיום, בנוסף לתפקידו החיוני בנשימה, החמצן משמש רבות ברפואה (הנשמה וטיפול בחולים), בצלילה ובתעופה, ובתעשייה הוא חיוני לתהליכי ייצור פלדה, ריתוך וחיתוך מתכות, וכמחמצן רב עוצמה בטילים וביישומים כימיים אחרים. אלוטרופ חשוב של חמצן הוא האוזון (O₃), גז רעיל המצוי בשכבות הגבוהות של האטמוספירה ומשמש כמגן חיוני מפני קרינה על-סגולה מזיקה מהשמש.

מתאן (CH₄) – גז הביצות, דלק מרכזי וגורם באפקט החממה

מתאן (גז נטול צבע וריח) הוא התרכובת האורגנית הפשוטה ביותר, המשתייכת למשפחת האלקאנים, ומופיעה בטבע כגז חסר צבע וריח (הריח המוכר של “גז בישול” מוסף לו באופן מלאכותי מטעמי בטיחות). מולקולת המתאן מורכבת מאטום פחמן מרכזי הקשור לארבעה אטומי מימן במבנה טטראהדרי. המתאן הוא המרכיב העיקרי (לרוב מעל 70-90%) של גז טבעי, אחד ממקורות האנרגיה המרכזיים בעולם המודרני. שריפתו המלאה בנוכחות חמצן משחררת אנרגיה רבה, ויוצרת בעיקר פחמן דו-חמצני ומים (CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O), ולכן הוא נחשב לדלק מאובנים “נקי” יחסית לדלקים אחרים כמו פחם ונפט, הפולטים מזהמים נוספים בעת שריפתם. עם זאת, למתאן יש גם צד סביבתי משמעותי פחות חיובי: הוא גז חממה רב עוצמה. על פני תקופה של 20 שנה, פוטנציאל ההתחממות הגלובלית של קילוגרם מתאן גבוה פי 84 מזה של קילוגרם פחמן דו-חמצני, אם כי זמן השהייה שלו באטמוספירה קצר יותר. ריכוז המתאן באטמוספירה עלה באופן דרמטי מאז המהפכה התעשייתית, בעיקר כתוצאה מפעילות אנושית. מקורות הפליטה העיקריים כוללים את תעשיית הדלקים המאובנים (דליפות בתהליכי הפקה, שינוע ואחסון של גז טבעי ונפט), חקלאות (תהליכי עיכול של בעלי חיים מעלי גרה, פירוק זבל אורגני, וגידול אורז בשדות מוצפים), והטמנת פסולת (פירוק אנאירובי של חומר אורגני במטמנות). בנוסף, קיימים מקורות טבעיים משמעותיים כמו אזורי ביצות (ומכאן כינויו “גז הביצות”), פעילות טרמיטים, והפשרת קרקעות קפאת-עד באזורים הארקטיים, תופעה המואצת על ידי ההתחממות הגלובלית ויוצרת מעגל משוב מסוכן. ההבנה הגוברת של השפעת המתאן על שינויי האקלים מניעה מאמצים להפחתת פליטותיו ממקורות אנושיים, למשל על ידי שיפור טכנולוגיות בתעשיית הגז והנפט, שינויים בניהול משק החי והטיפול בפסולת.

רדון (Rn) – הגז האציל הרדיואקטיבי והסיכון הסמוי מן הקרקע

בניגוד לגזים הקודמים שהם בעלי תפקידים חיוניים או שימושים נרחבים, הרדון (Rn) הוא גז אציל חסר צבע וריח המהווה בעיקר סיכון בריאותי סמוי. הרדון הוא יסוד כימי רדיואקטיבי, הנוצר באופן טבעי כחלק משרשרת הדעיכה הרדיואקטיבית של יסודות כבדים כמו אורניום ורדיום, המצויים בריכוזים משתנים בכל סוגי הקרקעות והסלעים בקרום כדור הארץ. כגז, הרדון מסוגל להתנדף מהקרקע ולחדור למבנים דרך סדקים ביסודות, צנרת, או להתערבב בחומרי בנייה שמקורם בקרקע, כמו מלט וחצץ. מכיוון שהוא כבד משמעותית מהאוויר, הוא נוטה להצטבר בחללים נמוכים ובלתי מאווררים כגון מרתפים, קומות קרקע, ובמיוחד במרחבים מוגנים (ממ”דים) האטומים יחסית. האיזוטופ הנפוץ והיציב ביותר של רדון הוא ²²²Rn, בעל זמן מחצית חיים של כ-3.8 ימים. במהלך זמן זה, הוא ובנות הדעיכה הרדיואקטיביות שלו פולטים קרינת אלפא, שהיא מסוכנת במיוחד בשאיפה. כאשר הרדון נשאף לריאות, חלקיקי האלפא הנפלטים פוגעים בתאי הריאה העדינים ועלולים לגרום לנזק גנטי המוביל להתפתחות סרטן הריאה לאורך זמן. למעשה, הרדון מוכר כיום על ידי ארגוני בריאות בינלאומיים כגורם השני בחשיבותו לסרטן הריאה אחרי עישון, והוא המקור העיקרי לחשיפה לקרינה מייננת טבעית עבור רוב האוכלוסייה. הסיכון גובר ככל שריכוז הרדון באוויר הנשאף גבוה יותר ומשך החשיפה ארוך יותר, והוא גבוה במיוחד עבור מעשנים וילדים. מכיוון שהרדון חסר צבע וריח, הדרך היחידה לדעת על נוכחותו היא באמצעות מדידה עם מכשור ייעודי. במדינות רבות, כולל ישראל, קיימות הנחיות ותקנים לגבי ריכוזי רדון מותרים במבנים, ומומלץ לבצע בדיקות, במיוחד בקומות נמוכות ובממ”דים, ולנקוט באמצעי אוורור או איטום במידת הצורך להפחתת הריכוזים.

הליום (He) – הקל שבגזים, פלאי הפיזיקה בטמפרטורות נמוכות

הליום (He) הוא גז אציל נוסף, אך בניגוד לרדון הרדיואקטיבי, הוא יציב, קל משקל ובעל תכונות פיזיקליות יוצאות דופן ההופכות אותו ליסוד מרתק ושימושי. ההליום הוא היסוד השני הקל ביותר (אחרי מימן) והשני הנפוץ ביותר ביקום, אם כי על פני כדור הארץ הוא נדיר יחסית. הוא גז חסר צבע, ריח וטעם, חד-אטומי, ואדיש לחלוטין מבחינה כימית – אינו יוצר תרכובות יציבות עם יסודות אחרים בתנאים רגילים. צפיפותו הנמוכה משמעותית מצפיפות האוויר היא התכונה המוכרת ביותר שלו, והיא הסיבה לשימוש הנפוץ בו למילוי בלונים וספינות אוויר (“צפלינים”). אולם, ייחודו האמיתי של ההליום מתגלה בטמפרטורות נמוכות ביותר. יש לו את נקודת הרתיחה הנמוכה ביותר מכל היסודות (4.2 קלווין, או כ-269- מעלות צלזיוס), והוא היסוד היחיד שאינו קופא ומתמצק בלחץ אטמוספירי רגיל, אפילו בטמפרטורת האפס המוחלט (0 קלווין); נדרש לחץ גבוה מאוד כדי להפוך אותו למוצק. כאשר מקררים הליום נוזלי מתחת לטמפרטורה של 2.175 קלווין (נקודת למדא), הוא עובר למצב צבירה ייחודי המכונה נוזל-על (Superfluid), או הליום II. במצב זה, ההליום מאבד לחלוטין את צמיגותו ויכול לזרום ללא כל חיכוך, לחדור דרך חרירים זעירים שנראים אטומים לנוזלים רגילים, “לטפס” על דפנות הכלי המכיל אותו כנגד כוח הכבידה, ולהפגין מוליכות חום גבוהה באופן חריג. תופעות קוונטיות אלו הופכות את ההליום הנוזלי לכלי מחקר חשוב בפיזיקה של טמפרטורות נמוכות. על כדור הארץ, הליום נוצר בעיקר כתוצר של דעיכה רדיואקטיבית של יסודות כבדים כמו אורניום ותוריום בסלעי הקרום, נלכד בסלעים נקבוביים ומצטבר יחד עם גז טבעי במרבצים תת-קרקעיים, משם הוא מופק מסחרית. בנוסף למילוי בלונים, הליום נוזלי הוא חומר קירור חיוני במגוון טכנולוגיות מתקדמות, כגון קירור מגנטים סופר-מוליכים במכשירי MRI ובמאיצי חלקיקים, וכן משמש ליצירת אטמוספירה אינרטית בריתוך, בגידול גבישים, בתעשיית האלקטרוניקה, ובתערובות נשימה לצלילה עמוקה למניעת “שכרון מעמקים” הנגרם מחנקן בלחץ גבוה.