מרכז ארצי למורי הכימיה - עמוד הבית

אתר נגיש חיפושדלג על חיפוש
Bannersדלג על Banners
חיפושדלג על חיפוש
סגירה
תוכן העמודדלג על תוכן העמוד

מימן

10/10/2019 15:58:09
מימן (הגדל)

ייצור מימן בתהליך FTS

מימן נוצר בשלב הראשון של תהליך FTS , שלב בו נוצר SynGas. מתרחשים שני תהליכים עוקבים, (1) ו- (2), בהם מערבבים מתאן, CH4(g) עם קיטור, H2O(g):

(1) CH4(g) + H2O(steam) ® CO(g) + 3H2(g)     DH1 = +206 kJ

בעודף קיטור מתקבלת כמות נוספת של מימן, תגובה (2):

(2) CO(g) + H2O(steam) ® CO2(g) + H2(g)      DH2 = -41 kJ

תגובה (3) מציגה את הכמות הכוללת של מימן המתקבלת ממול מתאן:

(3) CH4(g) + 2H2O(steam) ® CO2(g) + 4H2(g)       DH3

שאלה מספר 1

חשב את השינוי באנתלפיה של תגובה 3, DH3. פרט את חישוביך.

 

בקבוצות המחקר באוניברסיטת בר-אילן בהנחיית פרופ' ליאור אלבז נערכים מחקרים הנוגעים לשימוש במימן כמקור אנרגיה. בסרטון הבא מוצגים מחקרים הנערכים במעבדת המחקר של פרופ' אלבז.

 

שימושים של מימן

1. מימן כמקור אנרגיה ואוגר אנרגיה

חוקרים העוסקים בתחום האנרגיה מאמינים כי המימן הוא מקור האנרגיה העתידית ובנוסף ישמש כחומר האוגר אנרגיה עודפת (למשל: אנרגיה סולרית הנוצרת בחשיפה לשמש במהלך היום) וגם דלק העתיד במכוניות המונעות בתאי דלק, Fuel Cell.

 

שאלה מספר 2

תאי דלק הם מקור אנרגיה במכונית חשמלית.  התגובה הכוללת בתאי דלק היא:

(4) 2H2(g) + O2(g) ® 2H2O(l)       

א. I. הסבר מדוע תגובה זו היא תגובת חמצון-חיזור.   

II. קבע אם המימן עובר חמצון או עובר חיזור. נמק.

III. כמה מול אלקטרונים עוברים בתגובה (4), בה מגיבים 2 מול מימן? נמק.

 

ב. מימן משמש לאגירת אנרגיה. מקובל ליצור מימן בעזרת אנרגיית השמש בשעות היום על ידי פירוק מים בנוכחות זרז:

ראה את המבנית "כלכלת מימן".

זרז

(5) 2H2O(l)  ® 2H2(g) + O2(g)     DH = +572 kJ

המימן נאגר בשעות היום ומשתמשים בו כמקור אנרגיה בשעות הלילה.  

כמה אנרגיה משתחררת כאשר מגיבים 1 ק"ג מימן (העזר בתגובה (5))? פרט את חישוביך.

 

 

2. פיצוח פחמימנים

שימוש נוסף של מימן הוא ב"פיצוח" פחמימנים רווים (ללא קשרים כפולים): פחמימנים להם שרשראות ארוכות "נשברים" ומתקבלים פחמימנים להם שרשראות קצרות יותר.

פחמימנים ארוכים אינם ניצתים בקלות ואילו פחמימנים קצרים ניצתים בקלות רבה יותר ולכן הם מועדפים כחומרי דלק. כלומר, תוצרי פיצוח של פחמימנים ארוכים משמשים כסולר ולדלק סילוני.

הפיצוח מתרחש בצורה אקראית ומתקבלים פחמימנים קצרים להם מספר שונה של אטומי פחמן, פחמימנים מסועפים ולא מסועפים. בסרטון ניתן לראות פיצוח פחמימנים בדקה ה- 2.12.

תגובה (6) מתארת פיצוח אפשרי של הפטאן, C7H16(l):

(6) CH3(CH2)5CH3(l) + H2(g) ® CH3(CH2)2CH3(g) + CH3CH2CH3(g)

 

פעילות עם מודלים

א. I. בנה מודל של נוסחת מבנה למולקולה של הפטאן.

II. פרק את המודל שבנית לשתי מולקולות בהתאם לתוצרים הנתונים בתגובה (5). 

שים לב מה נדרש להוסיף במטרה לקבל את הפחמימנים הרווים.

 

ב. I. בנה פעם נוספת את המודל שבנית בסעיף אI.

II. את המודל שבנית עליך לפרק לשלוש מולקולות.

הסבר ללא עבודה עם המודל, כמה מולקולות מימן נדרשות כדי לקבל את שלושת הפחמימנים.

III. פרק את המודל של המולקולה שבנית לשלוש מולקולות. בחן אם תשובתך לסעיף אII נכונה.

כל הכבוד! בפיצוח הפחמימן שבצעת - נלקחה מולקולה המרכיבה חומר שהמחיר שלו בשוק נמוך,  והתקבלה מולקולות המרכיבות חומרים שהמחיר שלהם בשוק גבוה יותר.  

 

3. ייצור אמוניה ממימן

השימוש העיקרי של אמוניה הוא ייצור חנקת אשלגן, KNO3(s) וחומצה חנקתית, HNO3(l). יש שימושים תעשייתיים לאמוניה כגז קירור (למשל במפעלי עיבוד בשר ועופות) וכמנטרל עודפי תערובות חומציות (למשל בבתי הזיקוק).  

אמוניה מייצרים בתהליך הבר: תגובה בין מימן וחנקן, N2(g), בנוכחות זרז ובהשקעת אנרגיה גבוהה המשמשת לקבלת טמפרטורות ולחצים גבוהים.

(7) N2(g)  +  3H2(g)  ®  2NH3(g)

מקור החנקן הוא באוויר, ואילו מימן ניתן לקבל בשלב הראשון של FTS.

 

בעבר אחסנו אמוניה במיכל ענק עשוי בטון במפרץ חיפה, מיכל היכול להכיל עד 12,000 טון אמוניה נוזלית, NH3(l). לפני מספר שנים היו הפגנות בהן דרשו התושבים לסגור את מיכל האמוניה. הייתה סכנה כי בעת מלחמה, הפצצה של המכל שבו מאגר של אמוניה נוזלית, תשתחרר לאוויר כמות אדירה של אמוניה רעילה לאוויר.

המיכל רוקן בתאריך 31.8.2017 וכנראה לא ייבנה מיכל אחר באזור. כיום מייצרים תרכובות חנקן  במפעל חיפה כימיקלים הנמצא בדרום במישור רותם. האמוניה מיובאת לנמל אשדוד ומשם משונעת למפעל באיזו-טנקים.

 

 

שאלה מספר 3

א. מאחסנים את האמוניה במכלים במצב צבירה נוזלי. כאשר האמוניה משתחררת לאוויר, היא מתנדפת והופכת לגז.

I. נסח תהליך מתאים בו האמוניה הופכת לגז.

II. הנח כי האמוניה נאספת במיכל סגור. מהו נפח המכל אם נפח של מול גז במכל הסגור הוא 20 ליטר. פרט את חישוביך.

 

ב. בניסוי מעבדה בעבעו NH3(g) לכלי המכיל מים. נסח את התהליך המתרחש.

 

ג. התגובה בין מימן לחנקן לקבלת אמוניה היא אקסוטרמית.

I. קבע אם בתהליך בו מתקבלת אמוניה במצב גזי נפלטת יותר אנרגיה מהאנרגיה הנפלטת בתהליך בו מתקבלת אמוניה במצב צבירה נוזל.

II. הצג את שתי התגובות המוזכרות בסעיף גI על דיאגרמה המתארת את שינויי האנרגיה במהלך התגובה.

 

4. מימן כחומר קירור

מימן הוא חומר המגיב היטב עם חמצן (תהליך שריפה), ולכן נמנעים בשימוש של מימן כחומר מקרר. אבל כן נעשה שימוש במימן כחומר מקרר לגנרטורים גדולים, בתחנות כוח לייצור חשמל.

המימן מקרר כאשר מימן במצב צבירה נוזל הופך למימן במצב צבירה גז.

 

 שאלה מספר 4

א. נסח תהליך המתאר את השינוי במימן במהלך קירור הגנרטור.

 

ב. רשום תיאור מיקרוסקופי של המגיב ושל התוצר בתהליך שניסחת בסעיף א'.

 

ב. הסבר מדוע מימן מקרר במהלך השינוי שתיארת בסעיף א'.

עבור לתוכן העמוד