בגרות בכימיה מבוא לכימיה 037182 - קיץ 2018

לפי הקטע, שני הגזים המזיקים הם:

1. פחמן חד-חמצני, $\text{CO}_{(g)}$ – הגורם להרעלה בעשן (ובחדר עם תנור נפט ללא איוורור).

2. ציאניד, $\text{HCN}_{(g)}$ – שעלול להיווצר בבעירה של פלסטיק, כותנה, משי, גומי ונייר.

(החמצן ואדי המים המוזכרים בקטע אינם גורמים לנזק – הם חלק מהטיפול.)

פחמן חד-חמצני, $\text{CO}_{(g)}$ (לפי תחילת הקטע):

•נקשר להמוגלובין במקום החמצן, $\text{O}_{2(g)}$, ולכן רמות החמצן בדם יורדות.

•התוצאה – נזק קשה ביותר לרקמות בשל הירידה ברמות החמצן.

•התסמינים: כאבי ראש, סחרחורות, עייפות, בחילות, הקאות, כאבים בחזה, אובדן הכרה, ולבסוף מוות (בבני אדם ובבעלי חיים).

ציאניד, $\text{HCN}_{(g)}$ (לפי המשך הקטע):

•רעיל פי 20 מפחמן חד-חמצני.

•גורם להפסקת נשימה תוך דקות ספורות ולמוות.

לפחמן מספר אטומי 6 (לפי הטבלה המחזורית), ולכן באטום 6 אלקטרונים: 2 ברמה הראשונה (המלאה) ו-4 ברמה השנייה.

היערכות אלקטרונית: 2,4 – כלומר לפחמן 4 אלקטרונים ערכיים (טור 14, מחזור 2).

מספר האלקטרונים הערכיים: H – 1 (יוצר קשר אחד); C – 4 (2,4; יוצר 4 קשרים); N – 5 (2,5; 3 קשרים וזוג לא קושר אחד); O – 6 (2,6; 2 קשרים ושני זוגות לא קושרים). כל אטום (חוץ ממימן) משלים 8 אלקטרונים סביבו; מימן – 2.

$\text{O}_2$: שני אטומי חמצן קשורים בקשר כפול (O=O). על כל אטום חמצן שני זוגות אלקטרונים לא קושרים (4 אלקטרונים בקשר + 4 לא קושרים = 8).

$\text{H}_2\text{O}$: אטום חמצן במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד משני אטומי המימן (H–O–H). על אטום החמצן שני זוגות לא קושרים.

$\text{HCN}$: אטום פחמן במרכז: קשר יחיד לאטום המימן וקשר משולש לאטום החנקן ($\text{H–C}\equiv\text{N}$) – לפחמן 4 קשרים. על אטום החנקן זוג לא קושר אחד (6 אלקטרונים בקשר המשולש + 2 = 8). על הפחמן אין זוגות לא קושרים.

טעות נפוצה: לשכוח את הזוגות הלא קושרים על החמצן ועל החנקן, או לרשום קשר יחיד בין שני אטומי החמצן (אז לכל O היו רק 7 אלקטרונים).

הארבעה חומרים שנוסחאותיהם מופיעות בקטע: $\text{CO}_{(g)}$, $\text{O}_{2(g)}$, $\text{HCN}_{(g)}$, $\text{H}_2\text{O}_{(g)}$.

- יסוד – חומר טהור הבנוי מסוג אחד של אטומים.

- תרכובת – חומר טהור הבנוי משני סוגי אטומים או יותר הקשורים זה לזה.

נימוק: במולקולת $\text{O}_2$ שני אטומים מאותו סוג (חמצן) – יסוד. בכל אחת מהמולקולות האחרות קשורים יחד אטומים של שני יסודות או יותר – תרכובת.

טעות נפוצה: לקבוע ש-$\text{O}_2$ הוא תרכובת משום שיש במולקולה שני אטומים. מה שקובע הוא מספר סוגי האטומים, לא מספר האטומים.

מאזנים לפי הסדר: פחמן, מימן ובסוף חמצן (החמצן מופיע כיסוד, ולכן נוח לאזן אותו אחרון).

1. פחמן: משמאל 3 אטומי C (ב-$\text{C}_3\text{H}_8$) – לכן מקדם 3 ל-$\text{CO}_2$.

2. מימן: משמאל 8 אטומי H – בכל מולקולת מים 2, לכן מקדם 4 ל-$\text{H}_2\text{O}$ ($4\times2=8$).

3. חמצן: מימין $3\times2+4\times1=6+4=10$ אטומי O – לכן משמאל $\frac{10}{2}=5$ מולקולות $\text{O}_2$.

בדיקה:

המקדם של $\text{C}_3\text{H}_8$ הוא 1 (לא רושמים אותו).

טעות נפוצה: לשנות את המספרים הקטנים בנוסחאות (למשל לכתוב $\text{O}_{10}$) במקום לשנות רק את המקדמים.

$\text{CuCl}_2$ היא תרכובת יונית – בנויה מיונים חיוביים של מתכת ויונים שליליים של אל-מתכת.

•כלור (טור 17, היערכות 2,8,7) מקבל אלקטרון אחד ויוצר יון $\text{Cl}^{-}$.

•בנוסחה $\text{CuCl}_2$ יש שני יוני כלוריד על כל יון נחושת. כדי שהתרכובת תהיה נייטרלית: $x + 2\times(-1) = 0$, ולכן מטען יון הנחושת $+2$ – $\text{Cu}^{2+}$.

החלקיקים: יוני $\text{Cu}^{2+}$ ויוני $\text{Cl}^{-}$, ביחס 1:2.

טעות נפוצה: לרשום $\text{Cl}_2$ או $\text{Cl}_2^{2-}$ – בתרכובת יונית אין מולקולות $\text{Cl}_2$, אלא יוני כלוריד נפרדים.

•ליתיום (מספר אטומי 3): היערכות 2,1 – אלקטרון ערכי אחד. מתכת אלקלית (טור 1) – מוסר אלקטרון אחד ויוצר יון $\text{Li}^{+}$.

•ברום (מספר אטומי 35): הלוגן (טור 17) עם 7 אלקטרונים ערכיים – מקבל אלקטרון אחד ויוצר יון $\text{Br}^{-}$.

כדי שסכום המטענים יהיה אפס דרוש יחס 1:1, ולכן הנוסחה: $\text{LiBr}$ (נוסחה אמפירית של תרכובת יונית).

ליתיום ברומי מוצק בנוי בסריג יוני:

•החלקיקים בסריג הם יונים: יונים חיוביים $\text{Li}^{+}$ ויונים שליליים $\text{Br}^{-}$, ביחס 1:1.

•היונים מסודרים לסירוגין בסריג תלת-ממדי מסודר, כך שכל יון $\text{Li}^{+}$ מוקף ביוני $\text{Br}^{-}$, וכל יון $\text{Br}^{-}$ מוקף ביוני $\text{Li}^{+}$.

•בין היונים בעלי המטען ההפוך פועלת משיכה חשמלית – קשר יוני בסריג.

•במוצק היונים אינם ניידים – הם רק רוטטים סביב מקומם בסריג.

יון $\text{Br}^{-}$ (3 רמות אנרגיה מלאות ועוד רמה רביעית) גדול בהרבה מיון $\text{Li}^{+}$ (רמה אחת), ואפשר לסמן זאת בציור.

כן, ליתיום ברומי נוזל (מותך) מוליך חשמל.

נימוק: מוליכות חשמלית מחייבת חלקיקים טעונים ניידים. ליתיום ברומי בנוי מיונים $\text{Li}^{+}$ ו-$\text{Br}^{-}$. במוצק היונים קבועים במקומם בסריג ואינם ניידים, ולכן המוצק אינו מוליך. בהיתוך הסריג היוני מתפרק, היונים נעים בחופשיות ביחס זה לזה, וכאשר מחברים מקור מתח – היונים החיוביים נעים לכיוון אחד והשליליים לכיוון השני, וכך מועבר זרם חשמלי.

טעות נפוצה: לנמק בתנועת אלקטרונים חופשיים – זה הנימוק למוליכות של מתכות. בחומר יוני נוזל המוליכות נובעת מתנועת יונים.

כאשר חומר יוני קל תמס מתמוסס במים מתקבלת תמיסה – תערובת הומוגנית (אחידה) שבה אי אפשר להבחין במוצק. כאן מתקבלת תערובת הטרוגנית – רואים בה שני מרכיבים: מים ומוצק $\text{AgCl}$ שלא התמוסס (למשל משקע לבן בתחתית או עכירות). כלומר רוב החומר אינו מתמוסס במים – זהו חומר קשה תמס.

בהמסה של חומר יוני במים הסריג היוני מתפרק, והיונים עוברים לתמיסה כשהם מוקפים במולקולות מים (יונים מימיים, $(aq)$). את המים רושמים מעל החץ:

בדיקה: אטום Cu אחד ושני אטומי Cl בכל צד; סכום המטענים בצד ימין $(+2) + 2\times(-1) = 0$, כמו במוצק הנייטרלי משמאל.

טעות נפוצה: לרשום $\text{Cl}_{2(aq)}$ או $\text{Cl}_2^{-}$ – בתמיסה נוצרים שני יונים נפרדים של $\text{Cl}^{-}$, ולכן המקדם 2 נכתב לפני היון.

נכון. בכל כלי הוכנסו עשרה מסמרים. כדי שההשוואה בין הכלים תהיה הוגנת, משנים רק את הגורם הנבדק (רטיבות), ושומרים על כל שאר הגורמים קבועים – כאן מספר המסמרים (וסוגם – מסמרי ברזל). כך אפשר להשוות ישירות את מספר המסמרים שהחלידו בכל כלי.

לא נכון. בכלי הרטוב ההחלדה הופיעה כבר אחרי יום אחד, ואחרי חמישה ימים חמישה מסמרים השתנו; בכלי היבש לא היה שינוי שלושה ימים, ואחרי חמישה ימים רק מסמר אחד החליד. כלומר ברטיבות ההחלדה מהירה יותר.

תיקון: אפשר להסיק מתוצאות הניסוי כי רטיבות משפיעה על קצב ההחלדה של ברזל – ברטיבות קצב ההחלדה גבוה יותר.

לא נכון. תצפית היא מה שרואים (או מודדים) בחושים, בלי הסבר; פרשנות היא הסבר או מסקנה לגבי מה שנצפה.

•תצפיות בטבלה: "אין שינוי", "חמישה מסמרים שינו צבע מאפור לאדמדם".

•פרשנויות בטבלה: "מסמר אחד החליד", "שלושה מסמרים החלידו" – הקביעה שהמסמר החליד היא פרשנות של מה שנראה (שינוי צבע לאדמדם), ולא התצפית עצמה.

תיקון: בטבלה של תלמיד א' מופיעות תצפיות ופרשנויות.

הסבר: החלדה היא תגובה כימית בין הברזל לבין חמצן מהאוויר (בנוכחות מים). החלודה שנוצרת היא תרכובת של ברזל וחמצן (תחמוצת ברזל, מכילה גם מים), והיא נשארת על המסמר. לפי חוק שימור החומר, מסת החלודה שווה למסת הברזל שהגיב ועוד מסת החמצן (והמים) שהתחברו אליו. לכן מסת המסמר (ברזל + חלודה) עולה עם הזמן.

גרף I הוא היחיד שמתאר עלייה במסה – ולכן הוא המתאים. (השאלה מניחה שהחלודה נשארת על המסמר ונשקלת יחד איתו.)

•גרף II (מסה קבועה) – היה מתאים למסמר שלא מגיב, כמו בכלי היבש בימים הראשונים.

•גרף III (ירידה במסה) – היה מתאים לחומר שמאבד חלקיקים (למשל משתחרר ממנו גז). בהחלדה לא נפלט גז – להפך, נקלט חמצן מהאוויר.

טעות נפוצה: לחשוב שמסת המסמר יורדת כי "הברזל נאכל" בהחלדה. הברזל אינו נעלם – הוא הופך לחלודה שנשארת על המסמר, ונוסף אליו חמצן מהאוויר.

הסבר: ברזל הוא יסוד מתכתי – בנוי מסוג אחד של אטומים (Fe). המודל המקובל לסריג מתכתי הוא יונים חיוביים בים של אלקטרונים: יוני המתכת מסודרים בסריג, והאלקטרונים הערכיים שלהם אינם שייכים לאטום מסוים אלא נעים בחופשיות בין היונים. במודל A יש רק יוני ברזל ($\text{Fe}^{3+}$) ואלקטרונים ($e^{-}$) הפזורים ביניהם – בדיוק סריג מתכתי.

מודל B אינו מתאים לברזל: יש בו שני סוגי חלקיקים – יונים חיוביים $\text{Fe}^{3+}$ ויונים שליליים $\text{O}^{2-}$ – המסודרים לסירוגין. זהו מודל של סריג יוני של תרכובת של ברזל וחמצן, ולא של היסוד ברזל.

(המודל B סכמטי: מספר יוני הברזל בו שווה למספר יוני החמצן, ואילו בתחמוצת הברזל האמיתית, $\text{Fe}_2\text{O}_3$, היחס הוא 2:3 כדי שסכום המטענים יהיה אפס – ראו סעיף ה. לקביעה בסעיף זה מספיק שבמודל B יש שני סוגי יונים בעלי מטענים הפוכים.)

ברזל מוצק בנוי בסריג מתכתי: יוני ברזל חיוביים מסודרים בסריג, וביניהם ים של אלקטרונים – האלקטרונים הערכיים של האטומים, שאינם קשורים לאטום מסוים.

מוליכות חשמלית מחייבת חלקיקים טעונים ניידים. האלקטרונים בסריג המתכתי ניידים – הם נעים בחופשיות בין היונים בכל רחבי הסריג, גם כשהמתכת מוצקה. כשמחברים את הברזל למקור מתח, האלקטרונים נעים בכיוון אחד (לעבר הקוטב החיובי) – וכך עובר זרם חשמלי.

טעות נפוצה: לנמק ב"יונים ניידים" – במוצק המתכתי היונים החיוביים נשארים במקומם בסריג; מה שנע הם האלקטרונים.

מודל B מתאים לחומר יוני (תרכובת יונית) – סריג יוני.

במודל יש יונים חיוביים של מתכת ($\text{Fe}^{3+}$) ויונים שליליים של אל-מתכת ($\text{O}^{2-}$), מסודרים לסירוגין כך שכל יון מוקף ביונים בעלי מטען הפוך, והם מוחזקים במשיכה חשמלית (קשר יוני). זהו חומר כמו תחמוצת ברזל – החומר שמרכיב את החלודה. אין במודל אלקטרונים חופשיים.

הערה: בשרטוט מספר יוני הברזל שווה למספר יוני החמצן; בתרכובת האמיתית, כדי שסכום המטענים יהיה אפס, היחס הוא 2 יוני $\text{Fe}^{3+}$ לכל 3 יוני $\text{O}^{2-}$ – $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ($2\times(+3)+3\times(-2)=0$). המודל ממחיש רק את סוג הסריג.

שורה 1 – $3\text{C}_6\text{H}_6$: המקדם 3 = שלוש מולקולות; בכל מולקולה 6 אטומי פחמן ו-6 אטומי מימן קשורים זה לזה (סך הכול $3\times12=36$ אטומים). תיאור מילולי: 3 מולקולות שבכל אחת 6 אטומי פחמן ו-6 אטומי מימן. שני סוגי אטומים במולקולה – תרכובת. החומר בנוי ממולקולות – סריג מולקולרי.

שורה 2 – 5 מולקולות של מימן: מימן בנוי ממולקולות דו-אטומיות $\text{H}_2$, ולכן בשפת הכימאים: $5\text{H}_2$. סוג אחד של אטומים – יסוד. סריג מולקולרי.

שורה 3 – $\text{N}_2 + \text{O}_2$: תיאור מילולי: מולקולת חנקן ומולקולת חמצן (שני חומרים שונים יחד). אלה שני יסודות שאינם קשורים זה לזה – תערובת (של שני יסודות). לתערובת אין סוג סריג אחד, ולכן העמודה מסומנת בקו.

שורה 4 – יהלום: יהלום הוא צורה של היסוד פחמן; בשפת הכימאים: $\text{C}_{(s)}$ (או C). סוג אחד של אטומים – יסוד. אטומי הפחמן קשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים ברשת ענקית – סריג אטומרי (סריג קוולנטי).

שורה 5 – 2 מולקולות של $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$: בשפת הכימאים: $2\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ (המקדם 2 = שתי מולקולות, והמספרים הקטנים – מספר האטומים מכל סוג במולקולה). שלושה סוגי אטומים קשורים – תרכובת. סריג מולקולרי.

טעות נפוצה: לרשום "5 מולקולות של מימן" כ-$5\text{H}$ או $\text{H}_5$ – מימן הוא יסוד דו-אטומי, ולכן $5\text{H}_2$; המקדם מציין מספר מולקולות והמספר הקטן – מספר אטומים במולקולה.

יהלום בנוי בסריג אטומרי (סריג קוולנטי):

•החלקיקים בסריג הם אטומי פחמן בלבד (אין מולקולות נפרדות).

- כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים יחידים לארבעה אטומי פחמן שכנים (לפחמן 4 אלקטרונים ערכיים, היערכות 2,4), והם מסודרים סביבו במבנה מרחבי (ארבעון).

•כך נוצרת רשת תלת-ממדית ענקית ורציפה של קשרים קוולנטיים לאורך כל הגביש.

•כל האלקטרונים הערכיים משמשים בקשרים – אין אלקטרונים ניידים (ולכן יהלום אינו מוליך חשמל), ונדרשת אנרגיה רבה מאוד לשבור את הקשרים הקוולנטיים (ולכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה מאוד והוא קשה מאוד).

מי ים המלח הם תערובת: לפי הנתון הם מכילים מלחים שונים המומסים במים – כמה חומרים שונים (מים ומלחים) שאינם קשורים זה לזה בקשר כימי ובהרכב קבוע. (זו תמיסה – תערובת אחידה.) הופעת גושי מלח במקום שבו המים התאדו מראה שאפשר להפריד את המרכיבים בתהליך פיזיקלי.

נימוק: מי הים נמצאים במצב נוזל. בתהליך 1 מים נוזליים הופכים לגז – התאדות. מולקולות המים עוזבות את פני הים ועוברות לאוויר כאדי מים, ולכן כמות המים הנוזליים בים קטנה – המפלס יורד. המלחים אינם מתאדים ונשארים, ובמקומות שהמים התאדו מהם מופיעים גושי מלח.

- תהליך 2 – עיבוי (גז $\rightarrow$ נוזל): מוסיף מים נוזליים (כמו גשם), ולכן לא יגרום לירידה במפלס.

- תהליך 3 – המראה (מוצק $\rightarrow$ גז): מתאר מעבר של קרח לאדים; מי הים אינם מוצקים, ולכן תהליך זה אינו מתאר את מה שקורה למי הים.