→תכונות פיזיקליות של מימן

מימן הוא גז חסר צבע, חסר ריח, חסר טעם ואינו רעיל. המימן נמצא באחוזים מעטים באטמוספירה, אבל שכיח בתרכובות כמו מים ופחמימנים.

המימן קל מהאוויר, מחצית ממסתו של גז ההליום, He_(g), ולכן בעבר מלאו בלונים פורחים וספינות אוויר בגז המימן. מזה שנים רבות משתמשים בהליום ולא במימן למילוי, היות ונמצא כי בתגובה עם החמצן באוויר מימן מתפוצץ ומהווה סכנה. ראה פיצוץ של ספינת האוויר הידנבורג במהלך הנחיתה במנצ'סטר ארה"ב בשנת 1937. על הספינה היו 97 אנשים, מהם 36 נהרגו.

אטומי מימן גזי מצויים בשמש שלנו. תגובות גרעיניות של המימן בשמש הן מקור אנרגיה חשוב לכדור הארץ.

 

שאלה מספר 1

א. I. לאיזה משני הגזים, הליום או מימן, טמפרטורת רתיחה נמוכה יותר? נמק.

II. הסבר מדוע לשני הגזים טמפרטורת רתיחה מאוד נמוכה.

ב. ממלאים בגז שני כלים בעלי נפח שווה:

• לכלי הראשון מכניסים מימן ולכלי השני מכניסים הליום.
• הלחץ בכלי הראשון קטן פי 2 מהלחץ בכלי השני.
• הטמפרטורה בשני הכלים שווה.

לפניכם 2 היגדים, I - II. עבור כל היגד קבעו אם נכון או לא נכון ונמקו.

I. בשני הכלים מספר שווה של מולקולות.

II. בשני הכלים מספר שווה של אטומים.

 

מימן מתכתי במצב צבירה נוזל, H_(l) או מוצק H_(s)

בטמפרטורות נמוכות (קרוב לאפס המוחלט) ובלחצים גבוהים (כ- 250,000 אטמוספרות) למימן מבנה של מתכת.

בלחץ הגבוה ובטמפרטורות הנמוכות, המבנה המיקרוסקופי של מימן בתנאים אלו דומה למבנה של מתכות - קטיונים ב"ים" של אלקטרונים. גם התכונות המאקרוסקופית דומות למתכת ונמצא שלנוזל, H_(l) או למוצק H_(s), מוליכות חשמלית טובה.

 

תגובות ושימושים של מימן

1.      מימן הוא חומר נפיץ/דליק (יכול להתפוצץ בריכוז מינימלי של גז מימן הנמצא בתערובת הומוגנית עם חמצן). התגובה המתרחשת:

(1)           2H_2(g) + O_2(g) → 2H₂O_(l)        ΔH^o = - 572 kJ

• יש מעט תחנות כוח בהן מקור האנרגיה לייצור החשמל הוא מימן.
• שימוש במימן כחומר דלק לחלליות (חומר הדלק השכיח בחלליות הוא הידרזין, N₂H_4(l)). לנאסא יש מיכל המימן הנוזלי הגדול בעולם.
• מקור אנרגיה בתאי דלק.

2.      מימן מגיב עם חנקן בנוכחות זרז ליצירת אמוניה:

(2)            3H_2(g) + N_2(g) → 2NH_3(g)f       

• אמוניה משמשת חומר גלם לדשנים.
• אמוניה נוזלית, , משמשת לקירור.
• אמוניה שהיא חומר בסיסי, משמשת ל"לכידת" גזים חומציים מתערובת גז הפליטה בתחנות כוח.

3.      במטרה לקבל נחושת, מגיבים מימן עם תחמוצת של נחושת:

(3)       H_2(g) + CuO_(s) → Cu_(s) + H₂O_(l)         ΔH^o = - 101 kJ

חוטי נחושת משמשים להולכה ברשת החשמל.

4.      אידוי מימן נוזלי:

(4)             H_2(l) →  H_2(g)        ΔH^o > 0

משמש לקירור בתהליך האנדותרמי: אנרגיה בצורת חום עוברת מהסביבה למערכת, האנרגיה בסביבה יורדת. טמפרטורה היא מדד לאנרגיה קינטית ממוצעת, ולכן הטמפרטורה בסביבה הקרובה יורדת.

5.      משמש לפיצוח פחמימנים - קבלת פחמימנים להם שרשראות קצרות מפחמימנים להם שרשראות ארוכות:

(5)               C₇H_16(l) + H_2(g) → C₄H_10(g) + C₃H_8(g)f

כמו כן משמש מימן כחומר גלם לייצור מתאנול, CH₃OH_(l), די מתיל אתר, CH₃OCH_3(g), ועוד.

 

שאלה מספר 2

א. חשבו את האנרגיה הנפלטת בתגובה (1) של 250 מ"ל H_2(g) עם עודף חמצן. פרטו את חישוביכם. נפח מול מימן בתנאי הניסוי שווה 28 ליטר.

ב. בתגובה של 5.4×10²² מולקולות מימן עם עודף מולקולות חנקן, N_2(g), נפלטת אנרגיה בשיעור 2.76 kJ. חשבו את השינוי באנתלפיה, ΔH^o ,עבור תגובה (2). פרטו את חישוביכם. 

ג. בהיגד "בתגובה של 1 גרם מימן עם עודף CuO_(s) בתגובה (3), נקלטת אנרגיה בשיעור 101 kJ" יש שתי טעויות. ציינו את שתי הטעויות בהיגד ונמקו.

 

שימוש במימן לאגירת אנרגיה

שימוש במימן כמקור אנרגיה שומר על איכות הסביבה כי אין פליטת מזהמים. מימן משמש כמקור אנרגיה עתידי חשוב ביותר ומשמש גם כחומר אוגר אנרגיה.

מייצרים אנרגיה נקייה, לדוגמה מתאים פוטו וולטאיים וטורבינות רוח. באנרגיה שמייצרים משתמשים כמקור אנרגיה לייצור חשמל וכו' ובאנרגיה העודפת משתמשים להפקת מימן באלקטרוליזה של מים:

(1)           2H₂O_(l) → 2H_2(g) + O_2(g)    ΔH > 0

אגירה של המימן מאפשרת להשתמש במימן כמקור אנרגיה כאשר אין אפשרות ליצור אנרגיה מהשמש או מטורבינות רוח. את המימן ניתן לאגור במספר דרכים. לפניך 3 דרכים אפשריות:

1. מכלים

ניתן לאכסן מימן נוזלי, H_2(l), במכלים. החיסרון הוא שבמטרה ליצור מימן נוזלי ממימן גזי:

(2)            H_2(g) → H_2(l)v

מושקעת אנרגיה גבוהה בייצור לחצים גבוהים (טמפרטורת הרתיחה של מימן נוזלי היא -253^oC). כמו כן המימן רותח במהלך אחסון הנוזל ולכן חשוב להתקין שסתומים במכלים במטרה למנוע הצטברות של לחץ גבוה ופיצוץ אפשרי. שחרור הלחץ במכל גורם לאיבוד כמויות מימן שעלותו גבוהה.

 

שאלה מספר 3

א. הסבירו מדוע לחץ גבוה מאפשר קבלה של מימן במצב צבירה נוזל ממימן במצב צבירה גז.

ב. I. קבעו אם תגובה (2) היא תגובה אקזותרמית או אנדותרמית. נמקו.

II. נסחו תהליך רתיחה של מימן נוזלי.

 

2. אגירה בחומרים המכילים מימן.

ניתן לאגור מימן בהידרידים – תרכובות המכילות מימן, לדוגמה אלומיניום הידריד, AlH_3(s). בשלב ראשון מגיבים אלומיניום, Al_(s), עם מימן ליצירת הידריד:

(1)             2Al_(s) + 3H_2(g) → 2AlH_3(s)     ΔH = -22.8 kJ

את ההידריד (אלומיניום מימני) מאחסנים, וכאשר יש דרישה למימן, מתרחשת התגובה ההפוכה, בה משתחרר מימן אותו ניתן לנצל כמקור לאנרגיה:

(2)            2AlH_3(s) → 2Al_(s) + 3H_2(g)v

לאגירת מימן בהידרידים מתכתיים חסרון היות ואין אפשרות לנצל פעם נוספת את ההידרידים הנקיים לאגירת מימן.

יש חסרון בשימוש בחומרים ה"מאחסנים" מימן:

• אם הקישור של המימן לחומר חזק - נדרשת אנרגיה גבוהה כדי לפרק את התרכובות ולקבל מימן נקי.
• אם הקישור של המימן לחומר חלש - רק חלק מהמימן נקשר לחומר.

מחקרים בוחנים אפשרויות להתגבר על חסרונות אלו.

 

3. אגירה במערות מלח

היום בוחנים אפשרות של אגירת מימן במערות מלח כאפשרות האופטימלית לאחסון מימן. מימן היא "מולקולה קטנה" ולכן יכולה לעבור דיפוזיה בקלות מכל חומר כמעט. אבל מסתבר כי מולקולות מימן הכלואות במערת מלח דחוס, אינן עוברות דיפוזיה. בארץ יש מערות מלח רבות באזור ים המלח. בתאריך 28.3.2019 פורסם כי חוקרי מערות מצאו כי המערה הארוכה בעולם (10 ק"מ לפחות) נמצאת בדרום ים המלח.

כמו כן ניתן לאחסן מימן במאגרי גז טבעי ריקים במעמקי הים.

 

שאלה מספר 4

א. הסבירו מדוע מולקולה של מימן, H₂, היא "מולקולה קטנה".

ב. ציינו שני מאפיינים של מערה המתאימה לאגירת מימן.

ג. בבתי הזיקוק בחיפה מייצרים 5 טון מימן בשעה.

I. אם מקור המימן היה AlH_3(s), כמה אנרגיה יש להשקיע כדי לקבל 5 טון מימן? פרטו את חישוביכם.

II. מהי המסה של AlH_3(s) הדרושה לייצור 5 טון מימן? פרטו את חישוביכם.

 

פרופ' עמנואל פלד מאוניברסיטת תל-אביב בנה מערכת אגירה של מימן המכילה שני מכלים: האחד מכיל HBr והשני מכיל מימן, H_2(g):

• באנרגיה העודפת משתמשים במימן ו- HBr לייצור HBr₃ .
• כאשר רוצים להשתמש באנרגיה האגורה, מגיבים את HBr₃ ומקבלים שוב HBr ומימן.

את המימן מנצלים לייצור אנרגיה מתאי דלק. המערכת עובדת במעגל סגור ללא פליטת גזים או שקיעת מוצקים – לכן אין איבוד של חומרים או סתימות במערכת, וניתן להשתמש במערכת לייצור מימן לזמן בלתי מוגבל.

 

ייצור מימן

מימן באטמוספרה מצוי באחוזים נמוכים ביותר (חלקיק אחד למיליון) אולם הוא היסוד הנפוץ ביקום. הכוכבים הנראים לעינינו, השמשות השונות ברחבי היקום - עשויים בעיקר מימן.

בכדור הארץ ניתן למצוא אטומי מימן כמרכיב בתרכובות של פחמימנים ובמים המצויים בטבע. להלן שש אפשרויות להפקת מימן מתרכובות המכילות אטומי מימן.

1.    ייצור  תעשייתי של מימן מתקבל בתגובה של פחמימנים עם קיטור. בבתי הזיקוק בחיפה מייצרים מימן בתגובה של  מתאן, CH_4(g), המרכיב העיקרי של תערובת הגז הטבעי, עם קיטור: (ראו מבנית "מוצרי המשך של גז טבעי")

A.    CH_4(g) + 2H₂O_(steam) → CO_2(g) + 4H_2(g)v

2.   במעבדה מייצרים מימן בתגובה של מתכת, למשל אבץ, Zn_(s), עם תמיסה חומצית:

B.     Zn_(s) + 2H₃O⁺_(aq) ® Zn²⁺_(aq) + 2H₂O_(l) + H_2(g)v

כמו שניתן לראות באיור, את בועות המימן הנוצרות בתהליך ניתן להדליק.

 

3.  מתכות אלקליות, למשל K_(s) מגיבות עם מים ונוצר מימן:

C.      2K_(s) + 2H₂O_(l) ® 2K⁺_(aq) + 2OH^-_(aq) + H_2(g)v

קיימת בעיה לקבל מימן בשיטה זו היות ונפלטת אנרגיה גבוהה הגורמת לפיצוץ המימן. תגובה של ליתיום, Li_(s), במים אינה פולטת אנרגיה גבוהה ולכן אפשרי לייצר מימן בתגובה של ליתיום עם מים. אבל ליתיום היא מתכת יקרה מאוד.

 

4.      לבואזיה שחי במאה ה- 18, נתן את השם Hydrogen למימן. הוא הפיק מימן בתגובה של ברזל, Fe_(s), עם קיטור:

D.      2Fe_(s) + 3H₂O_(steam) → Fe₂O_3(s) +3H_2(s)n

5.      הידרידים מתכתיים, הם חומרים מאוד לא יציבים ומגיבים עם מים לקבלת מימן. לדוגמה: תגובה של נתרן הידרידי עם מים:

E.      NaH_(s) + H₂O_(steam) →  Na⁺_(aq) + OH^-_(aq) +H_2(s)b

6.      ניתן לקבל מימן באלקטרוליזה של מים:

F.      2H₂O_(l)  → 2H_2(g) + O_2(g)v

מחקרים רבים נערכים היום במטרה לאפשר קבלת מימן ממים, שהם חומר נפוץ, זול, לא רעיל וידידותי לסביבה.

 

שאלה מספר 5

שש התגובות, A – F, לקבלת מימן הן תגובות חמצון חיזור. עבור כל אחת משש התגובות:

א. קבעו איזה חומר עובר חיזור. נמקו.

ב. קבעו אם המימן שנוצר הוא תוצר חמצון או תוצר חיזור. נמקו.

ג. כמה מול אלקטרונים עוברים בתגובה בה נוצרים 2 מול מימן? נמקו.

 

שאלה מספר 6

בסרטון הבא מוצגות תצפיות בהן מכניסים מתכות אלקליות למים.

א. צפו בסרטון וענו על השאלות הבאות:

I. הפיצוץ של המימן נגרם בתגובה עם החמצן באוויר. נסחו תגובה מתאימה.

II. האם הייתם ממליצים להשתמש באנרגיה שמקורה בשריפת מימן כחומר דלק למכוניות במקום דלק סטנדרטי? נמקו.

ב. הסעיף דן במתכת האלקלית ליתיום, Li_(s).

I. שומרים על ליתיום בכלי זכוכית אטום לאוויר. כאשר חושפים את המתכת לאוויר, נוצרת התחמוצת Li₂O_(s). נסחו תגובה מאוזנת לקבלת התחמוצת.

II. מכניסים למים 2 גרם ליתיום. בהנחה שהמימן לא יתפוצץ, מה יהיה הנפח שלו בתנאי החדר (נפח מולרי של הגז שווה 25 ליטר)? פרטו את חישוביכם.

בתשובתכם היעזרו בניסוח התגובה C.

 

שאלה מספר 7

א. I. רשמו נוסחאות אמפיריות לתרכובת של מגנזיום, Mg_(s) עם מימן ושל אלומיניום, Al_(s), עם מימן.

II. נסחו תגובה מתאימה בה מתקבל אלומיניום הידרידי מהיסודות מימן ואלומיניום.

ב. בחימום של נתרן הידרידי, מתקבל מימן במצב צבירה גז ונתרן, Na_(s).

נסחו תגובה מתאימה של חימום ההידריד.

ג. עבור כל אחת מהתגובות שניסחתם בסעיפים אII  ו-ב':

I. קבעו אם התגובה היא תגובת חמצון חיזור.

II. אם קבעתם שהתגובה היא תגובת חמצון חיזור -

• זהו את החומר המחזר.
• כמה מול אלקטרונים עוברים למול הידריד (אלומיניום הידריד או נתרן הידריד).
• כמה מול אלקטרונים עוברים בתגובה בה מגיבים או נוצרים 1 גרם הידריד.

 

שאלה מספר 8

בטבלה שלפניכם מוצגות התגובות המתרחשות במהלך אלקטרוליזה של מים בסביבה חומצית או בסביבה בסיסית:

* לתגובה    Pt²⁺_(aq) + 2Ag_(s) → Pt_(s) + 2Ag⁺_(aq)

שני חצאי תא

חצי תא העובר חימצון:   Ag_(s) → Ag⁺_(aq) + e

חצי תא העובר חיזור:   Pt²⁺_(aq) + 2e → Pt_(s)

א. מהו חצי התא העובר חמצון בסביבה חומצית: חצי תא A או חצי תא B? נמקו.

ב. בניסוי שעורכים מכניסים לחצי תא B 250 מ"ל  0.8 M Ba(OH)_2(aq) .

I. קבעו אם התגובה מתרחשת בסביבה חומצית או בסביבה בסיסית. נמקו.

II. כמה מול אלקטרונים עוברים בתגובה של  250 מ"ל תמיסה בריכוז 0.8 M? פרטו את חישוביכם.