מים הם תרכובת הבנוייה מאטום אחד של חמצן, ושני אטומי מימן (H2O). כדי להפיק מהם מימן יש לפרק את התרכובת, ולכן ארחיב את השאלה ואסביר כיצד ניתן לפרק את מולקולת המים, באופן כללי.
כיוון שמולקולת המים מאוד יציבה (בעבר הרחוק המים אפילו נחשבו ליסוד), קשה לפרק אותה, ואם רוצים לעשות זאת יש להשתמש בכימיקלים מאוד ריאקטיבים ('פעילים' / 'אלימים') מבחינה כימית, או להשקיע הרבה אנרגיה. אפשר לפרק את המים פירוק חלקי: להפקת גז מימן בלבד או גז חמצן בלבד או לפרק אותם פירוק מלא לחמצן ומימן. נסביר על שלוש האפשרויות:
* פירוק המים להפקת מימן (H2) בלבד:
כיוון שהאלקטרושליליות (הסברים על אלקטרושליליות אפשר לראות בקישורים הבאים אלקטרושליליות, אלקטרושליליות סרט, השפעות אלקטרושליליות) של חמצן גדולה בהרבה מזו של המימן, בכל מולקולת מים אטומי המימן נמצאים במצב מחומצן, מצב של חסר באלקטרונים, ולכן – עלפי ההגיון, על מנת לשחרר מהמים מימן יש למצוא חומר שיספק למימן אלקטרונים, כלומר דרוש חומר מחזר (=חומר הנוטה למסור אלקטרונים) חזק. חומרים מחזרים חזקים הם מתכות, בייחוד המתכות האלקליות והמתכות האלקליות-עפרוריות: כגון ליתיום, נתרן, אשלגן, מגנזיום, סידן ועוד.
תגובה של נתרן עם מים ניתן לראות בסרט הבא:
בהתחלה נפלט גז מימן, אולם לאחר מס' שניות, גז המימן שנפלט מתלקח
התגובה היא:
2Na + 2H2O → H2 + 2NaOH
או תגובה של מגנזיום עם מים כפי שניתן לראות בשבקישור סרט הבא. ניתן לראות את הבועות של גז המימן נוצרות ליד מוט המגנזיום.
אולם גם מתכות אחרות פחות פעילות יכולות להגיב לחזר את המימן שבמים ולהוביל לשיחרור גז מימן כמו אלומיניום ואפילו ברזל (Fe) - אם מחממים את הברזל לטמפ' גבוהה בה הוא כבר מלובן, הוא מגיב עם המים באופן דומה לתגובת המתכות האלקליות:
Fe + H2O → FeO + H2
פירוק המים לחמצן ( O2) בלבד:
כיוון שהחמצן נמצא במצב מחוזר בכל מולקולת מים, כלומר במצב של עודף של אלקטרונים, כדי לשחרר חמצן מהמים, יש להשתמש במחמצן חזק, שיקח מהחמצן את עודף האלקטרונים, הבעיה – חמצן, כשמו כן הוא, הוא מהמחמצנים החזקים ביותר בטבע, ומעטים החומרים שיכולים 'לחמצן חמצן'. אולם יש מחמצן חזק יותר מחמצן – והוא הפלואור (F2) – שהוא גם היסוד בעל האלטרושליליות הגבוהה ביותר ולכן מצליח לחמצן כל חומר אחר בעולם. ובאמת, פלואור מגיב עם מים ומשחרר חמצן, לפי התגובה:
2F2(g) + 2H2O(l) → O2(g) + 4HF(aq)
לעיתים בתגובה יכול להשתחרר הגז אוזון (O3) במקום חמצן (O2)
3F2(g) + 3H2O(l) → O3(g) + 6HF(aq)
ישנה גם שיטה נוספת לשחרור חמצן מהמים – השיטה הביוכימית, באמצעות תהליך הפוטוסינתזה (פוטו=אור, סינתזה= הרכבה, כלומר הרכבה באמצעות אור) בו משתמשים הצמחים. הצמחים קולטים את אור השמש, המשמש להם מקור אנרגיה ליצור פחמימות (כמו הסוכר גלוקוז (C6H12O6) וחומרים אורגניים באופן כללי) ממים ופחמן דו-חמצני (CO2) בלבד כחומרי מקור. התגובה הכוללת של תהליך הפוטוסינתזה:
6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6O2+ אור
הערות לגבי התהליך:
א. התגובה האמיתית היא מורכבת הרבה יותר מהתגובה הרשומה כאו, וכוללת עשרות תת-תהליכים כימיים, שלא כולם עדיין ידועים על בוריים, ומחקר הפוטוסינתזה עדיין נמשך, רק לאחרונה הוצע שתהליכים קוונטיים הם המאפשרים את יעילותו הרבה של התהליך. לחצו כאן לכתבה (באנגלית) על הנושא.
ב. תיאורטית, גז החמצן שנפלט היה יכול לבוא גם מאטומי החמצן שנמצאים בפחמן הדו חמצני, אולם סימן איזוטופי של החמצנים (כלומר שימוש בחמצן שמשקלו האטומי שונה) גילה שכל החמצן שנפלט מקורו במולקולת המים, כלומר אכן מדובר בפירוק של מים.
ג. לא אגזים אם אומר- שהתגובה הנ"ל היא התגובה הכימית החשובה ביותר בעולם החי – היא המאפשרת לאגור את אנרגיית אור השמש במולקולות, לשימוש כאנרגיה כימית ולאפשר חיים לכל מגוון היצורים החיים בעולמינו. בנוסף – היא האחראית לקיומו של חמצן באטמוספירה שלנו, וגם לקיומם של נפט ופחם (בעקיפין).
פירוק להפקת מימן (H2) וחמצן (O2) בו-זמנית:
לפני 210 שנה, בשנת 1800, גילו הכימאים הבריטים ניקולסון וקארליש (ובצורה בלתי תלויה, כמו שקורה פעמים רבות במדע, גם הכימאי הגרמני ריטר) שאם מעבירים זרם חשמלי בתוך מים, הם מתפרקים לחמצן ומימן. הם כינו את התופעה אלקטרוליזה (אלקטרו- חשמל, ליזה- פירוק, כלומר פירוק על ידי חשמל).
תגובת הפירוק היא התגובה ההפוכה לתגובת השריפה של מימן וחמצן:
2H2O → 2H2 + O2 + חשמל
מערכת לאלקטרוליזה של מים. איור Ivan Akira, התמונה באדיבות ויקיפדיה
הזרם החשמלי מצליח גם לחזר את המימן (בקוטב השלילי, העשיר באלקטרונים) וגם ולחמצן את המימן (בקוטב החיובי). כדי שהאלקטרוליזה תתרחש בקצב מהיר, נהוג להוסיף 'אלקטרוליט' למים, כלומר מלח או חומר המתפרק ליונים וגורם להם להוליך חשמל יותר טוב. במהלך השנים תהליך האלקטרוליזה נמצא יעיל ביותר לפירוק תרכובות כימיות, והוא תהליך המשמש ליצור מתכות מתוך העפרות שלהם ולניקוי מתכות (על ידי תהליך של הפיכה למלח ואלקטרוליזה המחזירה למצב מתכתי).
מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
