בלעדי החנקן לא יכולנו להזין את אוכלוסיית העולם, לייצר תרופות או להמריא לחלל. כל מה שרציתם לדעת על היסוד הנפוץ כל כך, שנוטים להתעלם ממנו שלא בצדק
הוא היסוד הטהור הנפוץ ביותר בכדור הארץ, ונוכח בכל חלק משמעותי של כל יצור חי, החל ב-DNA והחלבונים וכלה במקורות האנרגיה של התא. תהליכים שפותחו לניצולו מאפשרים להאכיל את אוכלוסיית העולם הגדלה בקצב מסחרר, לרפא מחלות, להטיס רקטות לחלל ואפילו להקל את חוויית הביקור אצל רופא שיניים. זהו החנקן – אחד היסודות הכי פחות מוערכים בעולם.
מולקולת החנקן (N2) מורכבת משני אטומי חנקן הקשורים זה לזה בקשר מאוד חזק הנקרא קשר קוולנטי משולש. זהו קשר כלומר קשר ששותפים בו שלושה זוגות של אלקטרונים. בזכות הקשר הכימי החזק הזה מדובר באחת המולקולות היציבות ביותר בעולם. מולקולות החנקן הן כ-78 אחוז מנפח האטמוספרה של כדור הארץ ומהאוויר שאנחנו נושמים. לכן אין פלא שהוא היסוד הרביעי בשכיחותו בגוף האדם ואחד היסודות החשובים ביותר כמעט בכל דבר שקורה בכדור הארץ, ובפרט בתהליכים ביולוגיים.
תפקידיו הביולוגיים הרבים של החנקן מתחילים במקום שבו מתחיל כל דבר חי מתחיל – בקוד הגנטי. הנוקלאוטידים, שהם המולקולות שבונות את הקוד הגנטי שלנו, נבדלים זה מזה בחלק הנקרא הבסיס החנקני ומתאפיין במבנה טבעת המכילה אטומי פחמן. גם בשלב שבו הקוד הגנטי מתורגם לחלבונים, החנקן משחק תפקיד מפתח. אבני היסוד של החלבונים הן חומצות האמינו - מולקולות המכילות חלק שמורכב מאטום חנקן שקשור לשני אטומי מימן – NH2). הקבוצה הזאת מאפשרת להן להתחבר זו לזו בקשר הנקרא קשר פפטידי, בו הן נקשרות זו לזו בשרשרת ארוכה .
בריאות וברכה
החנקן ותרכובותיו חיוניים לקיומם של חיים כפי שאנו מכירים אותם לקיים חיים. לא מפתיעה אם כן חשיבותו האדירה בשתי תעשיות ענק שממלאות תפקיד חיוני בקיום האנושי המודרני: תעשיית התרופות והמזון.
תרופות רבות מחקות את פעילותו של חלבון או אנזים, ואחרות מנסות למנוע מחלבון לבצע את תפקידו, או לפחות לעכב אותו. בשני המקרים דרושה בדרך כלל מולקולה דומה לחלבון, ועל כן יהיו בה קבוצות כימיות חנקניות. גם תרופות שעובדות במנגנונים אחרים מכילות בדרך כלל אטומי חנקן שמאפשרים להן להיטמע ולהגיב עם התרכובות הביולוגיות החנקניות הרבות שיש בתא. להערכתו של הכימאי דרק לאווה, בעל הבלוג In The Pipeline, כ-90 אחוזים מהתרופות מכילות תרכובות חנקן.
משאבים רבים מושקעים בפיתוח תהליכים שיאפשרו לכימאים לשלב אטומי חנקן במולקולות שעתידות להיות חלק מהמוצר הסופי. אבל זה לא הכול – והחנקן מעורב גם במטרות אחרות כמעט בכל שלבי התהליך: בקירור, באחסון, ובמניעת החמצון.
חישבו גם על החנקן הנוזלי. בתוכניות הבישול הרבות בטלוויזיה רובנו נחשפנו לנוזל הצונן שרותח, מבעבע ומעלה אדים בטמפרטורת החדר, ומאפשר להכין גלידה במהירות הבזק. אבל גלידה היא רק הבונוס. תגובות כימיות ומכשירים טכנולוגיים רבים זקוקים לקירור מהיר, יעיל וזול, ואת זה הנוזל החנקני הקר, שהטמפרטורה שלו מגיעה ל-196 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, עושה מצוין. לכן השימוש בו רווח מאוד.
החנקן משמש גם כגז מונע חמצון בשלל תהליכים של הכנת תרופות, כימיקלים ועוד. מולקולת החנקן יציבה מאוד בשל הקשר המשולש שמחבר בין האטומים שלה, כך שהיא "אדישה" כימית ולא מגיבה בקלות עם חומרים אחרים. כך היא מאפשרת עבודה נקייה ללא תגובות צדדיות בלתי רצויות.
החמצן, לעומת זאת, מגיב בקלות רבה כמעט לכל חומר, כך שקשה לבצע תגובות כימיות בנוכחותו בלי לקבל גם תוצרי חמצון לא רצויים. לכן מעדיפים לבצע תגובות כימיות ותהליכים נוספים בתאים או בחללים שמהם נשאבים החמצן וגזים אחרים, ובמקומם מזרימים פנימה חנקן טהור כדי לייצר סביבה אדישה כימית. בתעשיית התרופות, וגם בתעשיית עתירות ידע כמו תעשיית המוליכים למחצה, מנצלים גז חנקן בכמויות אדירות כדי לייצר חללים אדישים כימית שמאפשרים לצמצם תהליכי לוואי בזמן הייצור של תרופות, גלאים והתקנים אלקטרוניים.
החנקן שאנו אוכלים
המקום שבו החנקן חיוני, הכרחי ונחוץ ביותר הוא דווקא החקלאות. כדי להזין את אוכלוסיית העולם, שמונה כיום כ-7.7 מיליארדי בני אדם, נחוצות כמויות אדירות של מזון. כל סוגי המזון מבוססים בסופו של דבר על היכולת של צמחים להשתמש באנרגיית השמש ובגזים אטמוספריים כדי לצמוח ולייצר דלק ביולוגי שבעלי חיים יכולים לנצל.
החנקן הוא כאמור חלק בלתי נפרד מכל דבר חי, אבל יציבותו הרבה לא מאפשרת לצמחים להשתמש בו כדי לייצר חיים ולצמוח. רוב היצורים החיים, ובכללם הצמחים, נושמים את החנקן ופולטים אותו החוצה בלי שייטול חלק במחזור הביולוגי, רק קבוצה מצומצמת של חיידקים ואצות יודעים לנצל חנקן מהאוויר ולקבע אותו בקבוצות כימיות מגיבות יותר שיכולות להשתתף בתהליכים ביוכימיים. אורגניזמים כאלה יודעים לפרק את הקשר הכימי המשולש של מולקולת החנקן ולייצר אמוניה (NH3) – מולקולה שבה אטום חנקן קשור לשלושה אטומי מימן.
אם כן מסתמנת בעיה. מצד אחד אנחנו צריכים כמויות הולכות וגדלות של צמחים כדי להזין את האנושות; מצד שני הצמחים לא יודעים להשתמש בחנקן שקיים בשפע באוויר, כך שצמיחתם תלויה מאוד ביצורים אחרים – חיידקים ואצות מקבעי חנקן. ללא התערבות אנושית, מחסור בחנקן בחקלאות היה מוביל לרעב עולמי.
במהלך המאה ה-20 פיתחו פריץ הבר וקרל בוש תהליך שנחשב בעיני רבים להמצאה הגדולה ביותר של המאה. תהליך הבר-בוש משתמש בחנקן ומימן תחת לחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה כדי לייצר אמוניה. מהאמוניה אפשר לייצר דשנים שמספקים לצמחים את החנקן הדרוש להם כדי לגדול, וכך הם משתחררים מהתלות בקצב קיבוע החנקן של חיידקים ואצות.
השפעת התהליך הזה על העולם והאנושות עצומה. הרבה בזכותו, במהלך קצת יותר ממאה השנים האחרונות אוכלוסיית העולם תפחה מ-1.6 מיליארד בני אדם בראשית המאה ה-20 לכמעט שמונה מיליארד כיום.
עד היום מדובר באחד התהליכים התעשייתיים החשובים ביותר בעולם. משתמשים בו כדי לייצר יותר מ-500 מיליון טונות של דשנים מלאכותיים בשנה, שמאפשרים את החיים של כולנו. מאחר שהתהליך דורש תנאים קיצוניים של לחץ רב וטמפרטורה, פיתוח תהליכים יעילים יותר לניצול החנקן האטמוספרי לצורך ייצור דשנים וחומרים נוספים הוא עדיין אחד מתחומי המחקר החשובים ביותר בכימיה האורגנית.
האטום שיעיף אותנו לחלל
חנקן יכול לשמש גם לתהליכים הרבה יותר ראוותניים, כמו פיצוצים, מכוניות מירוץ ואפילו חלליות.
חומרי נפץ הם חומרים שיכולים לעבור תהליך כימי , שבמהלכו משתחררת אנרגיה רבה במהירות רבה (תהליך אקסותרמי). רבים מחומרי הנפץ הקיימים מבוססים על מולקולות חנקניות, ושמור להן גם מקום של כבוד בהיסטוריה של התחום. למעשה, תרכובת הניטרוגליצרין, המכילה חנקן, הייתה חומר הנפץ המרסק הראשון.
בניגוד לחומרי נפץ הודפים, שהשימוש בהם התרחב מאוד מאז המאה ה-18, בחומר נפץ מרסק כמות אנרגיה אדירה משתחררת כתוצאה מפירוק המולקולה של חומר הנפץ. מולקולות לא יציבות, שמכילות בדרך כלל אטומי חנקן וחמצן, יכולות לשחרר כמויות אנרגיה גדולות עם פירוקן ולכן הן פופולריות במיוחד כחומר נפץ.
את הניטרוגליצרין גילה הכימאי האיטלקי אסקניו סובררו (Sobrero), שגם נפצע כשחקר את החומר הנפיץ והרגיז. סובררו הבין את הסכנה האדירה הטמונה בתגליתו, ובשלב מסוים סירב להמשיך ולחקור אותה ואף השמיד חלק מרישומי הניסויים שלו.
המהנדס השוודי אלפרד נובל היה לבסוף זה שהצליח להשתלט על הניטרוגליצרין ולייצב אותו. הוא רשם פטנט על ההמצאה וקרא לה דינמיט. הדינמיט, שהכיל את אותן קבוצות חנקן עתירות אנרגיה, היה יציב יותר מניטרוגליצרין, ולכן מועד פחות לתאונות עבודה קטלניות. בשל כך יכלו להשתמש בו בקנה מידה תעשייתי למגוון צרכים נפיצים.
נובל, שהיה פציפיסט וציפה שהדינמיט יביא להישגים הנדסיים אדירים ויקדם את האנושות, התעשר בסופו של דבר בעיקר מתחמושת וכלי נשק. במותו הוא הותיר את רוב ההון העצום שצבר כדי להקים קרן שתעניק מדי שנה פרסים כספיים לאנשים שתרמו תרומה משמעותית למין האנושי. כך נולד הפרס החשוב והמוכר ביותר בעולם: פרס נובל.
את אותה אנרגיה אדירה שמובילה לפיצוץ אפשר לנצל גם להנעת עצמים. מנועים רקטיים, שמאפשרים לנו בין השאר לצאת מתחומי כוח המשיכה של כדור הארץ ולחקור את החלל, אינם זקוקים לשום חומר נוסף מלבד בדלק שמצוי בהם כדי לפעול. דלקים רקטיים רבים משתמשים באנרגיה הרבה הנפלטת בפירוק תרכובות חנקניות, או ביכולתן לשמש כמחמצנים חזקים במיוחד, כדי להניע טילים וחלליות במהירויות אדירות.
במכוניות מרוץ, לעומת זאת, מנצלים את גז החמצן הדו-חנקני (N2O) בצורה אחרת לגמרי כדי להאיץ את גושי המתכת המתוחכמים על גלגלים. הגז הזה מתפרק לגזי חנקן וחמצן, כך שריכוז החמצן יכול להגיע ליותר מ-30 אחוז. מנועי המכוניות פועלים על שריפת חמצן, וריכוז החמצן הגבוה, בהשוואה לאוויר הרגיל שיש בו רק 21 אחוזי חמצן, מאפשר לייצר יותר אנרגיה ולהניע את המכוניות מהר יותר.
מוזר מעט לציין שאותו חמצן דו-חנקני משמש גם כסם הרגעה שמעורר תחושת אופוריה כששואפים אותו. בשל כך הוא מכונה גם "גז הצחוק", והוא מוכר כבר שנים ארוכות כמשכך כאבים יעיל ובטוח יחסית. לכן הוא מסייע במגוון מצבים לא נעימים אצל רופאי השיניים או בשיכוך כאבים אצל קבוצות אוכלוסייה שסובלות מרגישות גבוהה לתרופות, כמו ילדים ויולדות. כך החנקן גומל לנו על הזלזול שלנו בו, בתחושה טובה ואפילו בקורטוב של צחוק בריא
