זרחן (לא כל הזהוב - זהב) - מדע גדול, בקטנה : מדע גדול, בקטנה

יסוד הזרחן מסומן באות P, מלשון המילה "פוספורוס" (Phosphrous), או בעברית - נושא האור. הזרחן הוא היסוד ה-15 בטבלה המחזורית. לזרחן יש מספר אלוטרופים [1] - תרכובות בעלות נוסחה מולקולרית זהה אך מבנה שונה, שלהן תכונות שונות. הגרסאות הנפוצות ביותר של זרחן בטבע הן זרחן לבן - המשמש בין השאר בתעשיית הנשק - וזרחן אדום אשר נמצא בראשי גפרורים. זרחן הוא חומר דליק בעל יכולת מיוחדת - הוא מסוגל לזרוח ולהפיץ אור.

התהליך בו זרחן מפיץ אור נקרא פוספורנסציה, על שם היסוד, אך הוא מתרחש גם בחומרים שאינם זרחן. פליטת אור מחומרים נובעת משינויים אלקטרוניים המתרחשים עקב חשיפה של החומר לאנרגיה: מעבר של אנרגיה גורם למעבר אלקטרוני ממצב יסוד למצב אנרגטי יותר, הנקרא "מצב מעורר". באופן טבעי מערכות יציבות כאשר האנרגיה שלהן מינימלית, על כן המצב המעורר זמני. המעבר מהמצב המעורר למצב היסוד מלווה בפליטת אנרגיה בצורת אור וחום.
פליטת האור משתנה מחומר לחומר בעוצמה, אורך הגל (ובכך גם צבע האור) ומשך הפליטה. פוספורסנציה מאפיינת פליטת אור לאורך זמן ארוך [2].

השוני במשך הפליטה נובע מהמצבים האלקטרוניים בהם חומר יכול להיות: מצב יסוד או מעורר, ומצב כפילות ספין.
לאלקטרונים יש תכונה בשם ספין עליה כתבנו בעבר [3]. באופן פשטני ביותר אפשר להגדיר אותה כסיבוב פנימי של החלקיק שיכול להתבצע כלפי מעלה או מטה. כאשר יש לנו שני אלקטרונים או יותר, האנרגיה שלהם תלויה גם ביחס בין הספינים שלהם. כפילות ספין נוצרת כאשר יש לנו שני מצבים או יותר בעלי אותה אנרגיה. למשל, אם לחומר יש 2 אלקטרונים, נפתחות עבורנו 4 אופציות לסידור הסיבובים של שלהם: למעלה-למעלה, למעלה-למטה, למטה-למעלה ולמטה-למטה. בגלל שהאלקטרונים טעונים שלילית ודוחים אחד את השני (כמו מגנטים בעלי קוטב זהה), האנרגיה של כל אחת מהאפשרויות שונה.
עבור כל אחת מאופציות אלו ניתן לחשב את הערך של "כפילות ספין", כלומר לספור סידורים בעלי אנרגיה זהה. כמות משתנה של סידורי אלקטרונים עם אנרגיה זהה נותנים ערכים שונים לכפילות ספין: ערך של 4 נקראת "קוורטט", 3 - "טריפלט", 2 - "דובלט" ו1 - "סינגלט".

בפוספורסנציה מתבצע מעבר בחומר בין מצבים בעלי כפילות ספין שונה: זהו מעבר איטי יחסית (יכול לקחת בין שניות לשעות) - האלקטרונים צריכים לשנות את כיוון הסיבוב שלהם. במקום לפלוט את כל האנרגיה האגורה בחומר בבת אחת, החומר משחרר אותה באופן הדרגתי וכך מתקבלת הארה לאורך זמן.

בזרחן תהליך ההארה לא מתבצע באופן ספונטני - מחקרים שבדקו את הפוספורסנציה של זרחן הראו שכדי לקבל הארה יש לחשוף אותו לחמצן (הנוכח באוויר) ולכמות קטנה ביותר של מים (גם היא נוכחת באוויר כלחות). כאשר ייבשו זרחן או לחלופין שאבו את האוויר ממיכל סגור שהכיל אותו, פליטת האור הפסיקה.
הפוספורסנציה כאן היא תגובה כימית שבמהלכה מתבצע מעבר מדובלט לסינגלט: זרחן מגיב עם חמצן ליצירת תחמוצת זרחן (HPO). המעבר מדובלט לסינגלט המתרחש בתגובה זו הוא איטי ונותן הארה לאורך זמן.
לחלופין, ניתן לקבל הארה וחום גם דרך חימום של הזרחן: את תופעה זו אנו מכירים מגפרורים שמתלקחים בעת הפעלת חיכוך על הראש העטוף בזרחן. שימושיות הזרחן נובעת מהתנאים הנוחים שבהם ניתן לקבל הארה מהחומר [4].

בציור מתואר ד"ר הניג בראנד, אלכימאי גרמני שחי בהמבורג במאה ה-17.

כמו כל האלכימאים בתקופתו, הניג היה במרדף אובססיבי אחרי אבן החכמים, חומר פלאי בעל יכולת להפוך מתכות לזהב. היגיון בריא וסקרנות הובילו אותו לחפש זהב במקום בלתי צפוי... בשתן, שהוא כמובן זהוב.
הוא אסף כמויות אדירות של שתן והרתיח אותן במרתף הבית שלו כדי לזקק מהן את אבן החכמים, עד שבשלב מסוים התקבל מוצק שחור ומוצק לבנבן. את המוצק הלבן הוא חימם עד שלפתע הוא התפוצץ. שאריות מהכלי השבור נאספו ע"י הניג והתחילו לזרוח באור ירקרק בחושך.
בלי ידיעתו, הניג גילה את הזרחן. שתן מכיל כמות גדולה של תרכובות זרחן, שלאחר זיקוק וחימום הפכו לאחד מהאלוטרופים של הזרחן - זרחן לבן. הוא טבע את השם Phosphorous - נותן אור בלטינית. רק לאחר מותו הוא קיבל קרדיט על גילוי היסוד [5].

סרטון יוטיוב חמוד על הניג בראנד:

מקורות:
[1] https://goo.gl/RPtta2
[2] https://goo.gl/5msyRR
[3] https://goo.gl/HCr41t
[4] https://goo.gl/CZKt6W
[5] https://goo.gl/rJ3Pxi

מאת:

נתי הררי