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.

30 תגובות

  • משה מילמן

    שימוש במימן כדלק בתחנות כח לייצור חשמל

    למה לא משתמשים במימן לשרפה בתחנות לייצור חשמל למשל במקום לשרוף פחם , והאם השריפה של המימן מזהמת יותר משרפה של פחם ואו גז בוטן

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שריפה הכי נקייה

    שלום משה

    שריפה של מימן היא הנקייה ביותר מכל הדלקים שיש - כשמימן נשרף הוא מתרכב עם חמצן ויוצר מים, כלומר שריפה של מימן כדלק יוצרת רק אדי מים - שלא מזהמים בכלל למעשה, בשום היבט.

    אז למה לא משתמשים בו? פשוט כי אין מקורות של מימן חופשי לשרוף. זה לא שיש מאגרי מימן כמו מאגרי נפט או פחם או גז פחממני. אתה יכול ליצר מימן ממים על ידי אלקטרוליזה - אבל בשביל זה אתה צריך חשמל, ואיך תייצר החשמל? בתחנת חשמל שפועלת על פחם או נפט או גז - ולא פתרת כלום (ובכלל גם למעשה תגרום להפסד אנרגיה, כי האנרגיה שתוכל לקבל היא לכל היותר מה שתשקיע בפירוק המים למימן מלכתחילה, אבל בפועל בגלל איבודי אנרגיה בדרך תפיק עוד פחות אנרגיה).

    בברכה

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

  • אנונימי

    האם גוף האדם גם מבצע פירוק של

    האם גוף האדם גם מבצע פירוק של המים?????

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    לא

    רק יצורים שמסוגלים לבצע פוטוסינתיזה (כמו צמחים וגם יצורים חד-תאיים מסויימים) מבצעים פירוק של מים.

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

  • שגיב.ו

    הגוף שלנו מקבל אנרגיה ומיים כאשר הוא ומפרק את הארנגיה נוצר חום

    תוצרים של חום הם המיים [הזעה] שנפלטת מהגוף כדי לקרר אותו

  • אברהם ב

    תגידו אין דרך ביולוגית להפיק

    תגידו אין דרך ביולוגית להפיק ממים מיימן וחמצן ? משהו בסגנון של שמרים ואלכוהול .

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    יש בעקיפין

    היי אברהם
    יש דרך ביולוגית - עקיפה: הרי בתהליך הפוטוסינתיזה (שמבצעים צמחים, אך גם אצות חד-תאיות) נפלט חמצן (שמקורו מפירוק מים) נקלט פחמן דו-חמצני ומיוצר הסוכר גלוקוז.
    בנוסף - ישנם חיידקים השתמשים בגלוקוז ופולטים גז מימן.
    אם תחבר את שני התהליכים יחדיו יש לך שיטה ביולוגית שמשתמשת באור השמש - והופכת מים (בסופו של דבר) לחמצן ולמימן.
    חוקרים מהטכניון בישראל בדיוק הצליחו בשנים האחרונות לפתח את התהליך, ראה כתבה כאן:
    https://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-5289763,00.html

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

  • דניאל

    תגובה

    ההסבר שלכם על הנושא מאוד ברור בהשוואה למקרות אחרים.

  • מישהיא שמתעניינת

    תוצרים

    שלום , נתנו לי שאלה ששואלת כמה חמצן וכמה מימן יוצא מ18 גרם של מים , אמרו לי שיצא 2 גרם מימן אך זה לי הגיוני שיהיה יותר חמצן ממימן במים - אז אני שואלת - האם ב18 גרם מים , שפירקו אותם בתהליך אלקטרוליזה , יוצא גרם אחד של חמצן ו2 גרם מימן?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    חוק שימור החומר

    שלום למתעניינת
    בעולם קיים מה שנקרא 'חוק שימור החומר' שקובע שחומר לא יכול להיעלם ולא יכול להיווצר מעצמו.
    מ-18 גרם מים שמפורקים אכן נוצרים 2 גרמים של מימן, אבל לא גרם אחד של חמצן, אלא ההפרש (חוק שימור החומר) - כלומר 16 גרם של חמצן.
    אפשר לדעת את זה מתוך הנוסחה הכימית של המים - H2O שקובעת את היחסים בין האטומים במולקולת המים - 2 אטומים של מימן, ואטום אחד של חמצן, בשילוב עם המשקלים היחסיים בין האטומים - אטום של חמצן שוקל פי-16 מאטום של מימן (שהוא האטום הכי קל בטבע), ולכן בפירוק כל מולקולת מים למימן וחמצן נוצרים שני אטומי מימן ואטום אחד של חמצן, שהיחס המשקלי ביניהם הוא 2 ל-16.

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

  • דויד נמיר

    בצבא, לפני הרבה שנים ולצורך

    בצבא, לפני הרבה שנים ולצורך מסויים, היינו מפריחים בלון מטאורולוגי. לשם ההפרחה היינו מייצרים, כמה שזכור לי, מימן במיכל שנקרא ״מחולל מימן״ מצורן ברזילי גס, צורן ברזלי עדין, סודה קאוסטית ומים במינונים שאינני זוכר. האם בעצם היינו מייצרים הליום?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    הייתם מיצרים מימן

    שלום דויד
    השיטה שאתה מתאר, היא שיטה שהומצאה ונמצאת בשימוש עוד מתקופת מלחמת העולם הראשונה להפקת מימן בתנאי שטח.
    הברזל רק שימש לייצוב התרכובת, כאשר התגובה הכימית הייתה בפועל בין הצורן (סיליקון Si) שבתרכובת, לבין המים והסודה הקאוסטית, לפי התגובה הכימית
    2NaOH + Si + H20 --> Na2SiO3 + 2H2
    אם זה מעניין אותך זה הדוח שמתאר את השיטה שהמציאו:
    https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19930091069.pdf
    וכאן על התרכובת צורן ברזילי:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrosilicon
    באופן כללי, התגובה דומה במעט לתגובה של מתכות אלקליות כמו נתרן ואשלגן לבין מים.
    מכיוון שהמימן הוא גז דליק ולכן לא בטיחותי, עברו עם השנים להשתמש בגז ההליום שהוא לא דליק כלל.

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

  • אחד

    חסר ההסבר בתחתית על אלקטרושליליות

    הובטח הסבר אך הוא לא מופיע

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    צודק

    בדיוק עברנו אתר לאחרונה, וכנראה הקישורים בתחתית הכתבה ירדו עם המעבר. הוספתי עכשיו הקישורים בגוף הכתבה. תודה.

    ד"ר אבי סאיג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • n

    מה מקור המים?

    יש מאין

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מהיכן משיגים מים

    אפשר להשתמש במי ברז פשוטים לצורך התגובות. אלא אם לא הבנתי את שאלתך - אם אתה מעוניין לדעת מקור המים ביקום ראה הערך 'מים' בויקיפדיה (באנגלית) יש שם הסבר מפורט.

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

  • יצחק

    שאלה

    אפשר לפרק גם מים מזוקקים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תיאורטית ומעשית

    אפשר להפיק מימן ממים מזוקקים בשיטות הכימיות שמוזכרות במאמר (כמו נתרן במים).
    פירוק בשיטת האלקטרוליזה - אפשר מבחינה תיאורטית, כי אפילו במים מזוקקים יש יונים (כלומר חלקיקים טעונים חשמלית) שנוצרים מפירוק עצמי של המים. אבל בפועל הריכוז שלהם כל-כך קטן במים מזוקקים, ככה שההולכה החשמלית של מים מזוקקים היא מאוד מאוד קטנה, ותהליך הפירוק החשמלי יקח זמן ארוך מאוד מאוד.

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

  • אבישי

    מכוניות מימן

    שלום
    מדוע מייצרים מכוניות מימן? הרי צריך להפיק מימן ע"י חשמל, ומתבזבזת אנרגיה, וגם צריך לשנע ולאחסן את המימן הזה. לא עדיף לעשות ישר מכוניות על חשמל (מה גם שהיום הטווח של מכוניות חשמליות הוא די גדול וגם זמן הטעינה שלהם נמוך)?

    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    צודק - עדיף מכוניות על חשמל

    {אבישי, אני מניח שזאת שאלת המשך לשאלות ששאלת קודם}
    אתה צודק - עדיף מכונית על חשמל, ואכן, אין באמת שום מכונית על מימן שנוסעת בצורה מסחרית (אי אפשר לומר ש"מיצרים" מכוניות על מימן, אולי אפשר לומר שמנסים לפתח), ואילו חשמליות או חשמליות למחצה כבר יש. הסיבה שבכל זאת מנסים לפתח מימן היא - שאפשר להפיק אותו גם מדלק, וגם מפחם (ואז אין צורך להשקיע אנרגיה רבה, בניגוד להפקת ממים שצורכת המון אנרגיה חשמלית), ושהוא אוגר בתוכו הרבה אנרגיה, ושתוצרי השריפה שלו נקיים לחלוטין - מים. אבל כאמור - זה רק פנטזיות, מכונית על מימן ביצור המוני - אין, ואני מעריך שגם לא תהייה, גם בגלל בעיות בטיחות חמורות: טרם נמצאה דרך לאחסן מימן בצורה בטיחותית וקלה - שתאונת דרכים לא תסתיים בפיצוץ שווה-ערך לפיצוץ של חומר-נפץ.

  • ליאת שרגנהיים

    מקור למאמר זה

    רציתי לדעת מה שם המשפחה של שגיא כדי לרשום מקור זה בעבודה שאני כותבת

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שגיא?

    שגיא הוא מי ששאל את השאלה. אני (שחתום בסוף הכתבה) עניתי / כתבתי את התשובה. (כתוב מאת...)

    שימי לב לתנאי השימוש של האתר - מותר להעתיק הכל, אבל לתת קרדיט גם לאתר 'דוידסון און-ליין' עם לינק.

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

  • אבישי

    שאלה על מימן

    שלום
    נכון בדלק, משקיעים מעט אנרגיה ומפיקים הרבה אנרגיה, והדלק נשרף. אז למה זה לא נכון גם למים?
    משקיעים אנרגיה מסוימת לאלקטרוליזה, ואז יוצאת יותר אנרגיה בצורת מימן?

    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובה

    כי אלו העובדות הפיזיקליות - שמראות המדידות...
    יותר ספציפית, זה לא מתרחש מפני שהמים נמצאים במינימום אנרגטי, כלומר הם חומר מאוד מאוד יציב, ככה שלא משקיעים 'אנרגיה מסויימת' כדי לעשות אלקטרוליזה, אלא אנרגיה רבה מאוד! שעולה על האנרגיה של המימן שמשתחרר - מה שהופך את התהליך ללא כדאי.
    (דלק - לעומת זאת, הוא חומר עתיר אנרגיה, ונמצא במקסימום אנרגטי, בדיוק ההפך המוחלט ממים).
    אבי

  • אבישי

    המשך לשאלה

    שלום
    אבל למה הפקת אנרגיה מדלק לא סותר את חוקי התרמודינמיקה, והפקת מימן ממים (שמפיקים יותר אנרגיה) זה כן סותר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    חוק שימור האנרגיה

    בטבע קיים חוק שימור האנרגיה, אין אנרגיה יש מאין.
    תערובת של דלק וחמצן - מכילה אנרגיה כימית רבה (פוטנציאלית) שהיא שמשתחררת בתהליך השריפה. מים - לא מכילים כבר אנרגיה פוטנציאלית.
    כדי להבין, תחשוב על זה כמו שתי אבנים שאחת נמצאת בבור (מקביל למים), ואחת נמצאת על גג של בניין (מקביל לדלק), זאת שנמצאת על הגג - יכולה ליפול בדחיפה קלה - ולשחרר אנרגיה, ואילו כדי שזאת שנמצאת בתוך הבור תשחרר אנרגיה - צריך קודם-כל להשקיע הרבה אנרגיה כדי להרים אותה מהבור - ואז כשנפיל אותה היא תשחרר את אותה האנרגיה שהשקענו בהרמה. בטבע אין דברים יש-מאיין - ולכל אנרגיה שמשתחררת יש מקור (מקור האנרגיה של פחם ונפט, הוא בשמש - ובצמחים (או יצורים חיים שאכלו צמחים) שקלטו את אנרגיית השמש לפני מיליוני שנים)
    בנוסף - כדאי לך לקרוא כתבה נרחבת: האם מים יכולים לשמש כדלק.
    ד"ר אבי סאייג

  • אבי הראל

    הפיכת פירוק המים למסחרי

    שלום,
    ברצוני לדעת האם אחד משלושת השיטות לפירוק המים יכול להפוך למסחרי, כך שיהיה כדאי לפרק את המים ולעשות שימוש במימן או בחמצן או בשניהם יחד כתחלופה למשל לנפט.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מסחרי

    שיקולים מסחריים נוגעים כבר בעלות חומרי הגלם והטכנולוגיות, ולא במדע.
    מימן - זול יותר ליצר (כיום) על ידי תגובות כימיות מנפט ופחם. שיטת האלקטרוליזה - משתלמת כלכלית רק במדינות בהם יש חשמל זול (כמו למשל נורבגיה שמפיקה את החשמל בעיקר ממפלי מים טבעיים). יש הצעות להשתמש בחשמל סולארי לצורך אלקטרוליזה (וכך ישמש המימן שהופק ביום ליצור חשמל בלילה). במדינות בהם חשמל מופק משריפה של נפט, גז או פחם - התהליך לא משתלם כלכלית, וגם לא אנרגטית (חוק שימור האנרגיה יגרום לכך שלא תוכל להפיק יותר אנרגיה ממה שהשקעת מלכתחילה בתחנת הכוח בשריפת הדלקים - ובגלל שתמיד יש איבודי אנרגיה וניצולת שאינה 100% למעשה תפיק במימן פחות אנרגיה ממה שנתן הדלק).
    אבי

  • ליאור

    שאלות

    האם ניתן לבצע אלקטרוליזה במגנט?
    האם עוצמת החשמל משפיעה על האלקטרוליזה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות

    את השאלה הראשונה לא כל-כך הבנתי, אם התכוונת לשאול 'האם ניתן לבצע אלקטרוליזה באמצעות שימוש במגנטים / שדות מגנטיים' - התשובה היא לא.
    "עוצמת" החשמל - משפיעה על האלקטרוליזה בשני היבטים: המתח החשמלי משפיע על התגובה הספציפית שתתרחש, לכל תגובת אלקטרוליזה מתח סף שצריך לעבור כדי שתתרחש (לרוב מדובר במתח נמוך של וולטים בודדים). הזרם (שנמדד באמפרים) משפיע על כמות האלקטרונים שעוברת במעגל החשמלי - שבעצם קובעת את כמות החומר שנוצר, ככל שהזרם רב יותר קצב יצירת תוצרי האלקטרוליזה גדול יותר.
    אבי