Archive

Posts Tagged ‘אלקטרוכימיה’

{שם משעשע (אותי) שקשור ולא קשור לרשימה} – על עקרון הפעולה של סוללה

אין איש או אישה שלא דמע למראה אדם הנע אנא ואנא בחיפוש נואש אחר מטען כדי להאריך, ולו במעט, בדקות ספורות, את חיי הסוללה של המכשיר הסלולרי.

"לא, אין לי מטען של אייפון, אחי, אני רק אנדרואיד".

מי מאיתנו לא החסיר פעימה למראה השלומיאל ששכח את אורות המכונית דלוקים כל הלילה וכעת זקוק לחסדי הזולת כדי להתניע את הרכב.

"לא, אחי, מצטער, אני לגמרי מאחר לעבודה".

מי מאיתנו לא גיחך ריחם על ההוא מהעבודה שתמיד מאחר.

"לא, זה לא להאמין, נגמרה הסוללה של השעון המעורר במהלך הלילה והוא לא צלצל. אתה מאמין לזה?"

תמונה 1: סוללות מסוגים שונים. המקור לתמונה: ויקיפדיה לשם הועלתה על ידי המשתמש en:User:Brianiac.

***

סוללות מהוות חלק בלתי נפרד מחיינו.

בשנת 1800 הציג אלסנדרו וולטה, פיזיקאי וכימאי איטלקי, את מה שמכונה היום 'הערימה הוולטאית' (Voltaic pile). הוא ערם לוחיות של נחושת ואבץ לסירוגין כשבין הלוחיות הפרידו בדים ספוגים במי-מלח (ראו תמונה 2). על ידי חיבור חוטי מתכת לשתי הלוחיות בקצוות הערימה הוא קיבל זרם חשמלי מתמשך. היה מדובר במהפכה, לא פחות, בחקר התופעות החשמליות.

וולטה העניק לחוקרי המדע מקור זרם חשמלי רציף שניתן לשלוט על עוצמתו על ידי קביעת מספר הלוחיות בערימה. עד אז ידעו לייצר חשמל רק באמצעות שפשוף חומרים מסוימים לקבלת חשמל סטטי, וידעו לאגור אותו בצנצנת ליידן שהיא סוג של קבל, ולכן הפריקה שלו מהירה ולא התאימה לשימוש מבוקר.

תמונה 2: ערימה וולטאית המוצגת באיטליה (Tempio Voltiano in Como). המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש GuidoB.

השימושים לא איחרו לבוא וכך נולד למשל תחום האלקטרוכימיה, ובעזרת תהליך האלקטרוליזה התגלו יסודות כימיים רבים.

הערימה הוולטאית היא בעצם הסוללה הראשונה ועקרון הפעולה שלה זהה רעיונית לסוללות בהן אנחנו משתמשים גם היום. עיקר ההבדל הוא בהנדסה, כלומר סוג החומרים והצורה בה הם מסודרים.

כלומר, כדי להבין כיצד פועלות סוללות ראשית יש להבין כיצד פועל תא וולטאי.

***

בשלב זה אני מעוניין להמליץ על דרך חלופית ואולי טובה יותר לקבל את אותו המידע שאני הולך לכתוב.

לטיילר דוויט (Tyler DeWitt) יש ערוץ יוטיוב בו הוא מעלה סרטונים שבהם הוא מסביר כימיה. עכשיו שמעו, ביוטיוב יש הרבה סרטונים, חלקם טובים, אבל דבר כזה עוד לא ראיתם. אם אתם אוהבים סרטונים ולא נרתעים מאנגלית, אני ממליץ לראות את הסרטון שלו על תאים וולטאים, במקום לבזבז את זמנכם בקריאת שאר הרשימה. מדובר במורה משכמו ומעלה, צריך לראות כדי להאמין. אני נעזרתי בחלקים רבים בסרטון שלו בכתיבת הרשימה.

***

טוב, אתם עדיין פה?

כדי להרכיב את התא הוולטאי שלנו נתחיל משני כלים עם מים שבאחד מומס אבץ גופרתי ובשני מומסת נחושת גופרתית (ראו איור 3). פעולה זאת דומה להמסת מלח שולחן במים. התרכובת NaCl (נתרן כלורי, מלח שולחן) מתפרקת במים לשני יונים: יון חיובי +Na ויון שלילי -Cl. משמעות סימן הפלוס היא שבאטום המסומן חסר אלקטרון אחד ולכן הוא בעל מטען חשמלי חיובי. בדומה, התרכובות הגופרתיות מתפרקות במים ליון שלילי SO4-2 וליונים חיוביים Zn+2 בכלי אחד ובשני Cu+2. משמעות ה-2 בסימון היא שבאטומים האלה חסרים שני אלקטרונים ולכן הם בעלי מטען חשמלי חיובי כפול.

השלב השני הוא הכנסה של אלקטרודה מתכתית עשויה אבץ לכלי עם האבץ המומס ואלקטרודה עשויה נחושת לכלי עם הנחושת המומסת. אם נחבר את שתי האלקטרודות אחת לשניה בחוט מוליך, זרם חשמלי יחל לזרום דרכו. אלקטרונים יחלו לנוע מהאבץ לנחושת ונוכל להשתמש בזרם החשמלי שנוצר כדי להפעיל, למשל, טוסטר משולשים (קטן).

איור 3: תרשים סכמטי של תא וולטאי (ללא גשר מלחים)

מדוע זורם זרם?

היונים של האבץ והנחושת מעוניינים באלקטרונים כדי להפוך לנייטרליים והדרך לקבל אותם הוא למשוך אותם מהצד השני דרך החוט המוליך. מסתבר שבקרב בין נחושת לאבץ על האלקטרונים, הנחושת נחושה יותר ומושכת אותם אליה (הסיבה לניצחון הנחושת קשורה במאזני אנרגיה שאינם חשובים להבנת העניין העיקרי).

אטום אבץ על האלקטרודה יאבד שני אלקטרונים, יהפוך ליון אבץ ויתמוסס לתוך המים. האלקטרונים שעברו צד יתחברו לאחד היונים המומסים של הנחושת בקרבת האלקטרודה. יון הנחושת יהפוך לנייטרלי ויתחבר לאלקטרודה. כלומר, תוך כדי התהליך אלקטרודת האבץ תתמוסס לתוך הנוזל ואלקטרודת הנחושת תלך ותשמין, כאשר תצופה באטומי נחושת מהנוזל (ראו איור 4).

איור 4: חמצון-חיזור. אטום אבץ מהאלקטרודה מאבד שני אלקטרונים ומומס לנוזל. יון נחושת נוטל שני אלקטרונים ומתחבר לאלקטרודה.

תהליך מסוג זה נקרא בעגה 'חמצון-חיזור' (Redox: reduction–oxidation reaction). האבץ מאבד אלקטרונים ולכן עובר חמצון והנחושת מקבלת אלקטרונים ולכן עוברת חיזור. כל אחד מהכלים עם היונים המומסים והאלקטרודה המתאימה נקרא חצי תא אלקטרוכימי. האבץ מכונה 'אנודה' והנחושת 'קתודה'.

דבר אחרון שהדחקנו עד עתה בתא הוולטאי הוא שהנוזלים מכילים גם יוני סולפט שליליים (SO4-2). בתחילת התהליך סך המטען בנוזל בשני הצדדים היה אפס. אך כעת, בצד של האבץ נוספים לנוזל יונים חיוביים, לכן יחד עם יוני הסולפט השליליים סך המטען כעת חיובי. בצד של הנחושת נגרעים מהנוזל יונים חיוביים, לכן יחד עם יוני הסולפט סך המטען שלילי. אם כך, כעת נוצר הפרש מטען ולכן מתח חשמלי בין הצדדים שמתנגד למעבר של אלקטרונים נוספים. כדי להמשיך ולקבל זרם יש צורך בגשר מלח (ראו איור 5).

גשר המלח מחבר בין שני מיכלי המים ומכיל מלח מומס שאינו מגיב עם החומרים הקיימים בניסוי. הגשר אינו מאפשר מעבר יונים מצד לצד ובו בעת מפריש את היונים שבו לנוזל וכך דואג לשמירת הנייטרליות בכל אחד מהצדדים.

איור 5: גשר מלח. בעקבות תהליך החמצון-חיזור נוצר הפרש מטען ולכן מתח חשמלי בין שתי חצאי התא האלקטרוכימי. כדי להחזיר את התא לנייטרליות משתמשים בגשר מלח המספק את היונים החסרים לנייטרליות.

***

איך כל זה קשור לסוללה המוכרת שקונים בחנות?

סוללה מסוג זה היא סוג של 'תא יבש' (dry cell) שבו הרעיון זהה, רק שבמקום נוזל יוני עושים שימוש בחומרים יבשים, למשל בג'ל.

בחנו את איור 6 וראו שאתם מזהים את החלקים העיקריים שמנינו עבור תא וולטאי: האנודה, הקתודה והחומר היוני.

איור 6: תרשים סכמטי של סוללה יבשה מסוג אבץ-פחמן. נסו לזהות מי האנודה, מי הקתודה והיכן החומר היוני. המקור לאיור: ויקיפדיה לשם הועלה על ידי המשתמש Pearson Scott Foresmann.

שימו לב שהאבץ במבנה זה משמש גם כאנודה וגם כחומר מבנה אוטם למניעת זליגה של שאר החומרים. אם נשתמש בסוללה מעבר להמלצת היצרן אנחנו עלולים לכלות את האבץ עד כדי כך שהאטימה בסוללה תפגע וחומרים לא אטרקטיביים יזלגו החוצה.

חמור קופץ בראש, או איך זה שאני עדיין משלם חשבון חשמל?

על עלייתו ונפילתו של ההיתוך הקר

ב-28 ביוני 1981, ערב הבחירות לכנסת העשירית, התראיין יעקב מרידור (מי שעתיד להיות שר הכלכלה בממשלת מנחם בגין שתקום) לרדיו והכריז כי הוא עובד עם מדען שהמציא מכונה לייצור אנרגיה ביכולת תפוקה אדירה ויעילות גבוהה ממה שהיה ידוע עד אז. הוא הסביר למראיינת: "זה כאילו לקחת נורה רגילה של בית ואת מאירה במנורה הזאת עיר שלמה כמו רמת גן", או כמו שזה ייחרט בזיכרון הקולקטיבי: נורה שתאיר את כל רמת-גן [1].

ב-23 במרץ 1989 ערכה אוניברסיטת יוטה מסיבת עיתונאים בסולט-לייק סיטי. מטרת ההתכנסות: להכריז בגאון על כך ששני פרופסורים מכובדים לכימיה מהאוניברסיטה, מרטין פליישמן (Fleischmann) וסטנלי פּוֹנס (Pons), גילו מקור אנרגיה בלתי נדלה ושאינו מזהם. הם כינו אותו 'היתוך קר' משום שלטענתם הוא ייצר תהליך של היתוך גרעיני (בדומה למה שמתרחש למשל בשמש) בצורה פשוטה במעבדה.

אז איך יכול להיות שבסוף שנת 2011 אני עדיין משלם הון תועפות לחברת חשמל על ייצור והובלת חשמל לביתי? על כך ברשימה הבאה.

תחנת הכוח רדינג מכיוון דרום-מערב. המקור: וויקיפדיה.

למעשה הסיפור פרץ בעיתונות כבר בבוקר אותו יום, שעות לפני מסיבת העיתונאים,  בכתבה בוול-סטריט ג'ורנל. במשך השבועות הבאים ימשיך העיתון לפרסם כתבות אופטימיות בנושא, כאשר שני הצדדים מרוויחים: האוניברסיטה משתמשת בעיתון למכור את רעיון ההיתוך הקר והעיתון משתמש בהיתוך הקר למכור עיתונים.

הידיעה הכתה גלים בקהילה המדעית. רבים ניסו לחשב ולבדוק האם מה שטענו פליישמן ופונס אפשרי. הבעיה הייתה שמעט מאוד פרטים טכניים ניתנו במסיבת העיתונאים וכל ניסיון לדלות מידע נוסף נתקל בחומה בצורה. נורת האזהרה הראשונה נדלקה, היכן ביקורת העמיתים?

אז מה בעצם טענו פליישמן ופונס? נשימה עמוקה … ובואו נתחיל. טענתם הייתה שבמהלך אלקטרוליזה של מים כבדים גרעיני דאוטריום נדחסו בצפיפות כל כך גבוהה על אלקטרודת הפלדיום עד שהם התחברו ושיחררו כמות אנרגיה גדולה. ולמי שהמושגים אינם מוכרים לו, להלן מקרא: אלקטרוליזה היא פירוק כימי של חומר על ידי זרם חשמלי, מים כבדים דומים למים רגילים, אך במקום שני אטומי מימן ישנם שני אטומי דאוטריום ואותו דאוטריום הוא איזוטופ של אטום המימן שגרעינו מכיל פרוטון ונויטרון בניגוד לפרוטון בלבד ולכן הוא כבד יותר.

איור סכמטי של תא אלקטרוליזה. המקור: וויקיפדיה.

גרעיני הדאוטריום הם בעלי מטען חשמלי חיובי ולכן דוחים אחד את השני. אך אם ניתן לקרב אותם מספיק, הכוח הגרעיני החזק נהיה דומיננטי ושני הגרעינים יתאחדו לגרעין הליום (שני פרוטונים ושני נויטרונים). מצב זה אינו יציב ואנרגיה עודפת תפלט על ידי שחרור נויטרונים וקרינת גמא, כאשר מאחור נשאר בין היתר הליום-3 (איזוטופ קל של הליום). תהליך זה אפשרי בטמפרטורות אדירות למשל בשמש (פצצת מימן מישהו?). לכן יצירת התהליך בטמפרטורה נמוכה ובתנאים מבוקרים במעבדה היה כל כך מהפכני וקשה לעיכול.

כך או אחרת, את התוצרים של התהליך (נויטרונים, גמא והליום) ניתן למדוד בכדי להכריע האם התבצע היתוך או שלא. מספר הנויטרונים עליהם דיווחו פליישמן ופונס היה נמוך בהרבה מהמצופה מתהליך היתוך גרעיני. כמו כן, אף קבוצה אחרת לא הצליחה לשחזר את התוצאות שלהם. ביקורת נוקבת נוספת שהועלתה הייתה שניסויי ביקורת פשוטים להפליא לא בוצעו. למשל ביצוע הניסוי עם מים רגילים במקום מים כבדים. אם התוצאות נותרות בעינן, יש בעיה בהיפותזה (מכיוון שכעת אין גרעיני דאוטריום). פליישמן ופונס לבסוף שוכנעו לבצע את ניסוי הביקורת אך מעולם לא חשפו את התוצאות.

בינתיים, למרות הספקנות של הקהילה המדעית, גורמים מדיניים בארה"ב הביעו עניין רב בהשקעה כלכלית בטכנולוגיה החדשה והאופוריה הרקיעה שחקים. ב-26 באפריל, כחודש לאחר מסיבת העיתונאים התכנס הקונגרס לדון בסוגית ההיתוך הקר. אוניברסיטת יוטה שכרה את שרותיה של חברת לובינג (Lobbying או שתדלנות בעברית) והכסף לפרויקט נראה מובטח.

ב-1 במאי, בכנס של ה-American Physical Society בבולטימור התקיים מושב מיוחד בנושא היתוך קר. פונס היה אמור להשתתף אך ביטל ברגע האחרון. במהלך ההרצאות התברר שהקונצנזוס בקהילה המדעית ביחס להיתוך הקר החל להתגבש. תיאורטיקנים הראו שההיתוך הקר מפר מספר לא מבוטל של חוקים פיזיקאליים וכימאים הצליחו להסביר את החום שהופק בניסוי ללא צורך בהיתוך גרעיני. הביקורת הגיע הפעם גם לעיתונים וגם לגורמים בממשל. ההצעה למימון ההיתוך הקר לא בוטלה אך מעולם לא הגיעה להצבעה.

מעשית ההיתוך הקר מת אבל פליישמן ופונס סירבו לוותר. הם עלו על עץ כל כך גבוה שעכשיו אפילו האפשרות של הודאה שאולי מה שהם מצאו לא היה היתוך אבל היה מעניין בפני עצמו כבר לא היה אפשרי עבורם. הם עזבו את אוניברסיטת יוטה והתגלגלו לעוד כמה מקומות אך היתוך קר לא יצא מזה [2].

אז מה היה לנו? שני מדענים פזיזים אשר מיהרו לתקשורת ללא ביקורת עמיתים ולאחר מכן ניסו להסתיר את הפרטים של הניסוי שביצעו; פוליטיקאים פתאים שהיו מוכנים לבזבז את כספי הציבור ועיתונות מגויסת ולא ביקורתית. ובשתי מילים: מדע רע!

אה כן, ומה עלה בגורלה של הנורה שתאיר את כל רמת-גן? ובכן, 'השותף המדעי' של מרידור התגלה כנוכל שהורשע בעברו בפלילים והשר הפך לחוכא ואיטלולא.

לקריאה נוספת בספר: 'Voodoo science – Robert Park'

———————————————————————-

[1] ניתן לקרא על הפרשה בוויקיפדיה או לצפות ביוטיוב בכתבה על הפרשה מארכיון ערוץ 1.
[2] במשך השנים המשיכו מספר מדענים וחברות לעבוד על היתוך קר (לפעמים תחת שמות אחרים). כל כמה שנים מישהו יוצא בהצהרות אבל מקור אנרגיה רציני מעולם לא הוצג. אם אתם מעוניינים, גשו לדיווחים הבאים פה, פה ופה (כולל קשר ישראלי) והחליטו בעצמכם אם אתם חושבים שיש דברים בגו.