המים הינם הנוזל עליו מבוססים, ותלויים בו לחלוטין, כל החיים. המים הינם מולקולה קטנה שנוסחתה היא H2O ומכילה חמצן ושני מימנים. למרות שהמים הינם מולקולה יציבה מאוד, ניתן לשבור אותה למרכיביה באמצעות הזרמת אנרגיה חשמלית ע"י אלקטרוליזה. בסרטון שלפנינו ניתן לראות כיצד ניתן לפרק את מולקולת המים ולחקור את תוצריהן. הניסוי מצריך ציוד מעבדה בסיסי ויש לבצע אותו בהשגחת מבוגר.
 

סרטון זה הופק בידי Ray Venables ותורגם בידי צוות אתר דוידסון אונליין

פיצול מולקולת מים ע"י אלקטרוליזה בוצע לראשונה ב-1800 ע"י וויליאם ניקולסון ואנטוני צ'רליז. בסוף המאה ה-19 שיטה זו (שכבר היתה זולה בהרבה) היוותה את השיטה העיקרית לייצור מימן בתעשייה, אם כי כיום נעשה שימוש בעיקר בשריפת גז טבעי לשם כך. כיום משמשת שיטה זו להפקת חמצן ממים בצוללות ובתחנות חלל. נעשו מספר נסיונות להשתמש במים כדלק באמצעות אלקטרוליזה, אולם נכון למרבה הצער, נכון להיום, לא ניתן להפיק חשמל בצורה יעילה ע"י אלקטרוליזה, משום שעל מנת לפרק את המים יש צורך באנרגיה חשמלית, בכמות גדולה מזו שמפיקים ע"י שריפת המימן, או במלים אחרות צריך להשקיע יותר אנרגיה ממה שמפיקים.

העקרון העומד בבסיס אלקטרוליזת מים, הינו אותו עקרון העומד בבסיס כל תא גלווני. אלקטרודה המחובר לחלק החיובי של ספק הכח (קתודה) מחזרת את המים (תורמת להם אלקטרונים) ובכך מושכת אליה את החמצן הטעון שלילית, בעוד שהאלקטרודה המחובר לצד השלילי של הספק (אנודה) מחמצנת את המים ובכך לוחת מהם אלקטרונים ומושכת אליה את המימן הטעון חיובית. יוני החמצן והמימן מתרכבים זה עם זה ליצירת H2 וO2 אותם אנו רואים כבועות גז. המימן הינו מאוד דליק ועל כן מתפוצץ במגע עם אש, בעוד שהחמצן מעודד בעירה, ועל כן מדליק מחדש את השיפוד העומם.
 

ארז גרטי
דוקטורנט, המחלקה לכימיה ביולוגית
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 יתקבלו תמיד בברכה.

27 תגובות

  • יעקב

    האם מתרחש שינוי ph במהלך התגובה?

  • אמנון

    טמפרטורה

    האם זמן התהליך תלוי בטמפרטורה? אם כן באיזה צורה? תודה

  • אמיתי

    כיצד ניתן לדעת מתי בדיוק החל

    כיצד ניתן לדעת מתי בדיוק החל תהליך הפירוק?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    רואים

    תוצרי האלקטרוליזה הם שני גזים - חמצן ומימן. ברגע שרואים שנוצרים בועות של גז ליד האלקטרודות שבמים - יודעים שתהליך הפירוק החל.

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

  • יהל

    אם תוכל לעזור לי

    האם ישנה עוצמת חשמל מקסימלית או מינימלית בא האלקטרוליזה לא תתרחש?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    יש

    שלום יהל.
    "עוצמת חשמל" זה לא גודל מוגדר מדעית. בחשמל נהוג לדבר על מתח - אותו מודדים בוולטים (מבטא אנרגיה של אלקטרונים שזורמים), ועל זרם (המבטא מספר האלקטרונים בשנייה) - אותו מודדים באמפרים.
    לגבי הזרם - אין הגבלה, זרם חלש משמעו קצב חלש של אלקטרוליזה, וזרם גבוה משמעו קצב גבוה של האלקטרוליזה.
    לגבי המתח - בהחלט יש מתח סף שמתחתיו מולקולות המים לא ישברו, ולא תתרחש אלקטרוליזה, המתח הספציפי תלוי בדרגת ה pH של התמיסה שלך. בכל מקרה הוא לא יותר מ- 3 וולט (אלו המתחים האופייניים של תגובות אלקטרוכימיות, ולכן זה גם סביבות המתח של רוב התאים החשמליים/ סוללות).

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

  • נעמה

    מוצק כחול

    עשיתי אלקטרוליזה עם מים מזוקקים, סודה לשתיה ואלקטרודות מאולתרות מחוט שנראה כמו נחושת. אחרי התגובה נשארו לי "חוטים" דקים של מוצק בצבע כחול צפים על המים. מהיכן הוא הגיע? חימצון של הנחושת?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    כן

    כן - צבעי מלחי הנחושת הם גוונים של כחול, כך שזה סביר מאוד שמדובר בנחושת שהתחמצנה.
    כדי למנוע דברים כאלה נהוג באלקטרוליזה לקחת אלקטרודות ממתכות אדישות (מבחינה כימית) עד כמה שאפשר -זהב או פלטינה. אופציה זולה יותר זה להשתמש באלקטרודות מגרפיט.

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

  • שמוליק מעודה

    כמות מול זמן

    שלום רב,
    יש לי שתי שאלות:
    בהנחה שכל התהליכים בטמפרטורה ולחץ קבועים וסטנדרטים.
    1) כמה זמן יקח לי ליצור יחידת נפח אחת של מימן וביחס מתאים של חמצן ( שימוש בסודה לשתיה ליצירת חמצן נקי ) ובהנחה שאני מפעיל מתח של 2v ( נבחר שרירותית ערך הגדול מ-1.48v, בהנחה שקצב יצירת הגז לינארי למתח המופעל )?
    2) לכמה זמן אוכל להפעיל תא דלק מימני מטכנולוגיית pem בשימוש ביחידת נפח אחת? בתודה מראש,
    שמוליק.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה

    שלום שמוליק,
    האתר מזמין שאלות מדעיות וסקרנות כללית.
    אם יש לך שאלה על ההבנה של עקרונות התא, נשמח לענות.
    לגבי השאלה הראשונה שלך, אנחנו בדרך כלל לא עונים לשאלות חישוביות.
    כנ"ל לגבי שאלתך השניה, מעבר לעובדה שאני לא בקיא בטכנולוגיה ששאלת עליה.

  • אלעד בצלאל

    אלקטרוליזה של מים

    מה מנגנון הפעולה באלקרוליזה של מים מזוקקים? אני מבין איך עובדת אלקטרוליזה של נתרן כלורי מומס במים , ואני יודע שמולקולת המים קוטבית החמצן למדא- והמימן למדא + . אבל אם כך אז המולקולה אמורה להמשך לאנודה וגם לקטודה ובעצם לא לזוז... כלומר בסופו של ענין המולקולה היא נייטראלית למרות הקיטוב ולכן אני לא מבין למה היא נמשכת לאלקטרודות . וגם לא כ"כ מבין איך החמצן מקבל אלקטרונים מהאלקטרודות ולא הופך ליון. בקיצור אשמח לחידוד.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מנגנון האלקטרוליזה ברמה האטומית

    היי אלעד – אתה פחות-או-יותר כתבת את התשובה בעצמך. אכן מולקולת המים היא מולקולה 'קוטבית' כאשר החמצן הוא בעל מטען חלקי שלילי, ולכן נמשך לאלקטרודה החיובית, והמימן בעל מטען חלקי חיובי – ולכן נמשך לאלקטרודה השלילית.
    צריך לזכור שאלקטרוליזה של מים מבוצעת בתוך מים – כלומר גם מולקולות המים עצמן מוקפות בעוד ועוד מולקולות מים. כאשר למשל אטום חמצן של מולקולת מים נמשך לאלקטרודה השלילית – אטומי המימן שלה, הטעונים חיובית, נמשכים על ידי אטומי חמצן (הטעונים כאמור שלילית) של מולקולות אחרות. הכוח החשמלי של האלקטרודה מצד אחד והמשיכה של מולקולות מים אחרות מצד שני גורמת למולקולה להתפרק, כאשר למים נפלטים יוני H+ (פרוטונים) מהמולקולה שהתפרקה, ושמיד מגיבים עם מולקולות המים האחרות ליצור יוני H3O+, ועל האלקטרודה נשארים יוני O2- שמיד מוסרים את עודף האלקטרונים שלהם לאלקטרודה החיובית, והופכים לחמצן אטומי – שמתחבר לחמצן מולקולרי ונפלט כגז.
    בקצרה על האנודה מתרחש התהליך:
    6H2O(l) --> O2(g) +4H3O+(aq) +4e-
    על הקתודה – השלילית, יש עודפי אלקטרונים, אלו נמסרים למימנים של מולקולות מים שצמודים לאלקטרודה, מה מה שגורם לפירוק המולקולה, התגובה הכוללת שמתרחשת:
    2H2O(l) +2e- ---> H2(g) + 2OH-(aq)
    כלומר על יד כל אלקטרודה נוצר גם גז, אבל גם יונים, יונים אלו אחר כך נודדים בתמיסה, ומתחברים ליצור מולקולות מים, לפי התגובה:
    H3O+(aq) + OH- --> 2H2O(l)
    (הוספת מלח למים מאיצה את האלקטרוליזה בעיקר בגלל העובדה הנ"ל – המלחים מתפרקים ליונים שמנטרלים היווצרות מטען חשמלי סביב האלקטרודות שיכול להיווצר עקב יצירת היונים).
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • ישראל

    שאלות באלקטרוליזה

    איזו מתכת יש להכניס למים (כדי לעשות אלקטרוליזה) והיא לא תחליד? האם ישנה שיטה להגדלת כמות החמצן בעת אלקטרוליזה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות באלקטרוליזה

    בעת תהליך יצירת הגזים על האלקטרודות באלקטרוליזה, מתחברים האטומים שלהים יחד למולקולות, במצב זה, המכונה לעיתים "גזים במצב התהוות" הגזים פעילים ביותר – כי אטומים בודדים (כמו אטום בודד של חמצן) הם פעילים ביותר מבחינה כימית, ו'תוקפים' את האלקטרודה, ולכן יש להשתמש במתכות האצילות ביותר שאפשר, שעמידות בפני קורוזיה: זהב או פלטינה. לחלופין – ניתן להשתמש באלקטרודה מגרפיט, שהיא פחות עמידה אבל זולה בהרבה.

    בקשר לשאלה השנייה – כמות החמצן תלוייה בזרם החשמלי שעובר בתהליך, ככל שהזרם יותר גבוה ככה יפלט יותר חמצן. כדי להגדיל את הזרם נהוג להוסיף מה שנקרא 'אלקטרוליט' לתמיסה – חומר שמתפרק ליונים ומגדיל את המוליכות החשמלית של התמיסה. לדוגמא – אפשר להמיס במים מלחים שונים. אבל צריך לבחור אותם בקפידה: אם תוסיף למשל מלח בישול למים, במקום לקבל חמצן – יתקבל כלור (תוצר פירוק של מלח הבישול). המלח NaOH/ נתר מאכל יעלה אתה המוליכות, ותוצר פירוקו הוא חמצן. כך שניתן להשתמש בו – בזהירות מירבית תוך שימוש באמצעי הגנה! מגע שלו עם העור גורם לכוויות כימיות קשות!

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

  • שי

    תלות בטמפרטורה

    שלום, אני מניח שכן אך כדי לבדוק האם אינטואיציה שלי נכונה, האם יש תלות במינימום המתח בו תקרה האלקטרוליזה (של המים) בטמפרטורה? ובנוסף אם יש לי דטרגנטים בתמיסה, האם הם משפיעים על האלקטרוליזה? האם הם יעברו אלקטרוליזה לפני או אחרי המים אם בכלל?

    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תלות בטמפרטורה- תשובה

    שלום,
    האנטואיציה שלך נכונה, בעצם כדי לבצע אלקטרוליזה יש להשקיע אנרגיה, ניתן להשקיע אותה בצורה חשמלית או בצורה תרמית. העלאת טמפ' התגובה תוריד את המתח הדרוש לפירוק המים. ישנה אפילו שיטה שמנסה להשתמש בעקרון הזה ולנצל את העלות הנמוכה יותר של חום לעומת חשמל כדי להפיק מימן ממים.
    כמובן שדטרגנטים ישפיעו על התגובה. מובן שאופי ההשפעה יהיה תלוי במידה רבה באופי הדטרגנט, אבל בהנחה שמדובר בדטרגנט סטנדרטי עם מטען שלילי הוא עתיד להיצמד ו"לסתום" את האלקטרודה החיובית.
    כעיקרון אלקטרוליזה קלאסית נעשית עם מים מזוקקים שכן גם המלחים המומסים במים משפיעים על התגובה ועשויים להפוך את האלקטרוליזה ליעילה פחות.
    חג שמח

  • אילן אפללו

    טמפרטורה ומלחים

    שתי שאלות:
    1-מהו המלח הטוב ביותר להפקת חמצן ?
    2-היכן ניתן למצוא מידע על כמות הטמפ' הטובה ביותר לאלקטרוליזה?
    אני מתכוון לבצע את הניסוי במתח של 12V וזרם של 6A
    אני מתלבט בין סודה קאוסטיק לסודה לשתייה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה

    היי אילן,
    כעיקרון יעילות פירוק המים תעלה עם עליה בטמפרטורה. מכיוון שאני מניח שהמערכת שלך לא מאפשרת להפעיל לחץ תוך כדי האלקטרוליזה, עדיף לעבוד בטמפרטורה הגבוהה ביותר האפשרית שהיא גם בטוחה (כלומר שאין חשש לרתיחה).
    מבחינת המלחים, הייתי ממליץ על סודה לשתייה בעיקר מבחינה בטיחותית. ההבדל בין המלחים אמור להיות זניח.

  • ישראל בן הרוש

    כלור

    יש לי כמה שאלות
    שאלה ראשונה: אם אני במעבדה בבית הספר(כמובן באישור המורה) עושה אלקטרוליזה לכלור יצא לי גז כלור?
    שאלה שנייה: כשממסים סוכר במים ועושים אלקטרוליזה למים שנמס בהם הסוכר אז יתפרק תרכובת הסוכר או גם המים?
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    כלור-תשובה

    א. אם עושים אלקטרוליזה בנוכחות של המלח סודיום כלוריד אז באנודה תתרחש מסירת אלקטרונים של הכלוריד (-Cl) להידרוניום (+H) מהמים. כתוצאה מכך ייווצר גז כלוריד רעיל מאוד. ולכן אין לנסות זאת ללא ציוד מתאים.
    ב. אני מניח שהתכוונת לסוכר שיש בבית (כלומר סוכרוז - C12H22O11). לרוב מבצעים פירוק של סוכרוז על-ידי חימום ולא באמצעות אלקטרוליזה. המסת סוכרוז במים לא תמנע את אלקטרוליזת המים מכיוון שעל מנת לפרק את הסוכר על-ידי אלקטרוליזה יש צורך בהפעלת מתחים גבוהים יותר (אנרגיה גבוהה יותר).
    מקווה שעזרתי.

  • ישראל בן הרוש

    עוד נוזלים

    איזה עוד נוזלים אפשר לעשות בהם אלקטוליזה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    דוגמא

    אלקטרוליזה ניתנת לביצוע גם בנוזלים אחרים. דוגמא אחת היא הקריאוליט (Na3AlF6). אלומיניום מופק על ידי אלקטרוליזה. היות ואלומיניום אוקסיד לא נמס במים ממסים אותו בקריאוליט מותך. זהו תהליך שצורך המון אנרגיה (1% מצריכת החשמל בארה"ב).
    מקווה שעזרתי.

  • גילי בראל

    אלקטרוליזה של מים

    לא ברור לי ההסבר על מסירת ה-e לתמיסה.ה - e המשוחררים מהאלקטרודה (לא אנודה?) טעונים שלילית ולכן, ייטו לכיוון המיימנים - הצד החיובי של מולקולת המים. האם הם מגיבים עם מולקולת המים? כי אם לא, למה שתהייה הפרדה לאטומים.
    או: האלקטרודה החיובית מושכת אליה את הצד השלילי - חמצן - מהמולקולה ובכוח החשמלי הזה מתאפשרת הפרדה? ובצד האלקטרודה השלילית נמשכים המיימנים ממולקולות המים וניתקים שוב, בזכות הכוח המשיכה החשמלי?
    האם נשלחת תשובה למיל? אשמח. תודה, גילי

  • צבי

    מה מאפייני הזרם שהחשמלי שצריך להזרים למים?

    האם זרם של 12 וולט הוא זרם שיספיק ליצור אלקטרוליזה? האם יש תלות בכמות הוואט? האם ניתן ליצור מתקן כזה שיזרים מימן וחמצן לקרבורטור של מכונית ישנה (חסרת מחשב רכב שעלול ל"התבלבל" מתערובת האויר דלק)?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה

    שלום צבי
    12 וולט הינו מתח חשמלי ולא זרם. זרם המופק מסוללה של 12 וולט באופן עקרוני אמור להספיק לאלקטרוליזה, לצורך העניין גם סוללת אצבע רגילה צריכה להספיק. עוצמת הזרם קובעת את מהירות התגובה (יותר אלקטרונים שעוברים, האלקטרוליזה חזקה יותר). וואט הינו יחידת הספק, כלומר כמה זרם עובר בפרק זמן מסויים, על כן גם כאן ככל שההספק גדל כך האלקטרוליזה תהיה חזקה יותר. אני חוזר על האזהרה שלי מהכתבה, לא לעשות בבית, אלא רק במעבדה מסודרת בליווי איש מקצוע, ועל כן אני מנוע מלענות על השאלה השלישית.
    כל טוב
    ארז

  • יחזקאל נאוי

    מתקן אלקרליזה

    איך מייצרים את המתקן הזה
    מאיפה לוקחים תמיסה h2so4

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה

    שלום יחזקאל ראשית תרשה לי לציין שאלקטרוליזה של מים כפי שבוצעה בסרטון זהו ניסוי שמומלץ לעשות במעבדה מאובזרת ותחת השגחת מבוגר. חומצה גופרתית הינה חומר מסוכן מאוד שעלול לגרום לכוויות קשות, ושימוש לא נכון במתקן האלקטרוליזה עלול להסתיים התחשמלות. אם אתה בכל זאת מתעקש ורוצה לערוך את הניסוי בתנאים ביתיים (כאמור תחת השגחת מבוגר) החלף את החומצה הגופרתית בתמיסת מלח (מלח מומס במים) המלח יחליף את החומצה הגופרתית כמוליך יונים, רק שבנוסף למימן ולחמצן יפלט גם כלור (ביחד עם החמצן). ניתן גם להשתמש במי ברז רגילים, אולם המוליכות שלהם ירודה יותר. את מקור המתח החשמלי הייתי מחליף בסוללה ביתית ומחבר אליה את האלקטרודות עם חוטי תיל דקים (רצוי מנחושת) אחד לכל קוטב. מתקן האלקטרוליזה הינו למעשה מתקן המורכב משתי אלקטרודות ממתכת אינרטית (זהב, פלטינה או כסף) המחוברות כל אחת לתיל המחובר לאחד מקטבי הסוללה האלקטרודות יכולות להיות חוט זהב, חוט פלטינה או חוט כסף. כאמור מוטב יהיה אם את הניסוי תעשה במעבדה מסודרת (מעבדת כימיה בתיכון מכילה את כל הרכיבים וניתן לערוך את הניסוי תחת השגחה של מורה או עובד מעבדה). בהצלחה ארז