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.

 

4 תגובות

  • אנונימי

    כשהמים עולים אז הצמר פלדה

    כשהמים עולים אז הצמר פלדה נמצא בתוך המים ואז הצמר דוחה את המים ולכן המפלס עולה . שאלתי אם זה גורם לבעיה בניסוי או שזה מתקזז אם זה שגם נפח האוויר לא בדיוק נפח הכוס אלה נפח הכוס פחות נפח הצמר פלדה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    זה תלוי – אבל בכל מקרה לא קריטי

    אם אתה מצליח לסדר את צמר הפלדה בצורה אחידה כמו מין 'עמוד' אחיד בתוך הכוס מלמטה עד קצה הכוס, אז הנפחים מתקזזים כמו שכתבת, כלומר – לכל אורך הכוס, נפח האוויר הפנוי לתגובה הוא נפח הכוס פחות נפח צמר הפלדה, וכיוון שכאן עושים חישוב באחוזים אז הנפח של צמר הפלדה מתקזז בחישוב.
    אם צמר הפלדה נמצא בעיקר בתחתית הכוס – אז זה לא מתקזז כי אין נפח אחיד של אוויר לאורך כל הכוס (נגיד בסנטימטר הראשון שבתחתית הכוס, שם נמצא צמר הפלדה, יש פחות אוויר מבסנטימטר שמעליו – שם זה כוס ריקה). אבל – זה יחסית זניח, הנפח הכולל של צמר הפלדה הוא קטן מאוד – במונחים של 'גובה כוס', פיסה קטנה של צמר פלדה גורמת לשינוי גובה מים של מילימטר בודד או שניים, כך שבשביל הניסוי הביתי שהצגנו, ויכולות המדידה שלנו זה לא משנה הרבה.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אנונימי

    תודה רבה על הניסוי המדהים!

    נ.ב. חבל שלא מצורפות לניסויים "הוראות הכנה", אני אישית לא יכול להכנס ליוטיוב במחשב שלי ואיני יכול לצפות בסרטון... היה מאוד עוזר אם היו מוסיפים גם הוראות קצרות בכתב, בכל מקרה, לפעמים זה גם יותר ברור. תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אם יוטיוב חסום אצלך

    סביר שספק האינטרנט שלך הוא שחוסם את יוטיוב - למה שלא תבקש ממנו לפתוח את הצפיה ביוטיוב? בחסימה מוחלטת אתה שופך את התינוק עם המים, ביוטיוב, כמו באינטרנט בכלל יש דברים טובים מאוד לצד דברים פחות טובים, בגלל הפחות טובים אתה מעדיף להחמיץ את הטובים מאוד?
    פתרון אחר - אתה יכול לפחות להוריד את קובץ התמלול של הסרט, למשל באתר הזה:
    http://www.vidqt.com/id/HglYwcgAzfo?lang=iw

    או באמצעות האתר הבא, עבור כל סרט שלו יש תמלול ביוטיוב (כל הסרטים של 'מדע בבית'):
    http://downsub.com/

    החלטתי לא להוסיף את מהלך הניסוי בכתב, כי זה כפילות מיותרת.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע