בגרות בכימיה מבוא לכימיה 037182 - קיץ 2022

לפי הפסקה הראשונה, מאגרי הגז הטבעי בים התיכון מכילים מעל 98% מתאן, ואילו במאגרים אחרים אחוז המתאן יכול להיות רק כ-70% מהתערובת.

היתרון: הגז מהים התיכון הוא כמעט מתאן טהור, כלומר יש בו מעט מאוד רכיבים אחרים ($\text{N}_2$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{H}_2\text{S}$, פחמימנים ארוכים). לכן בכל כמות של גז יש יותר מתאן – הרכיב שמשמש כדלק – וצריך להפריד ממנו פחות רכיבים לפני השימוש.

לפי הפסקה השלישית, ההפרדה של הרכיבים שנמצאים בכמות מועטה נדרשת כדי לאפשר (מספיק לציין שתיים):

1. הזרמה טובה של הגז הטבעי בצנרת.

2. מניעת פגיעות וסתימות בצנרת המובילה את הגז.

3. מניעת פגיעה באיכות הסביבה.

נשתמש במספר אלקטרוני הערכיות של כל אטום (לפי היערכות האלקטרונים):

•H – 1 (יוצר קשר אחד); C – 4 (2,4; יוצר 4 קשרים); N – 5 (2,5; יוצר 3 קשרים, וזוג אחד לא קושר); S – 6 (2,8,6; יוצר 2 קשרים, ושני זוגות לא קושרים).

$\text{CH}_4$: אטום פחמן במרכז, קשור בארבעה קשרים קוולנטיים יחידים לארבעה אטומי מימן. אין זוגות לא קושרים (לפחמן 8 אלקטרונים סביבו, לכל מימן 2).

$\text{H}_2\text{S}$: אטום גופרית במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד משני אטומי המימן (H–S–H). על אטום הגופרית שני זוגות אלקטרונים לא קושרים (2 קשרים + 2 זוגות = 8 אלקטרונים סביב S).

$\text{N}_2$: שני אטומי חנקן קשורים בקשר משולש ($\text{N}\equiv\text{N}$), ועל כל אטום חנקן זוג אלקטרונים לא קושר אחד (3 קשרים + זוג אחד = 8 אלקטרונים סביב כל N).

טעות נפוצה: לשכוח את זוגות האלקטרונים הלא קושרים על S ועל N, או לרשום קשר יחיד בין שני אטומי החנקן.

מתאן הוא חומר מולקולרי. בהמסה המולקולות שלו לא מתפרקות – הן רק מתפזרות בין מולקולות הממס (פנטאן). את הממס רושמים מעל החץ, ובמצב הצבירה של התוצר מציינים שהחומר מומס בפנטאן:

טעות נפוצה: לרשום $(aq)$ – הסימון $(aq)$ שמור לתמיסה מימית, וכאן הממס הוא פנטאן.

זיקוק הוא שיטת הפרדה של תערובת נוזלית המבוססת על הבדל בטמפרטורות הרתיחה של רכיביה: מחממים את התערובת, הרכיב בעל טמפרטורת הרתיחה הנמוכה יותר רותח ראשון והופך לגז, ואת הגז אוספים (ומקררים) בנפרד.

לפי הטבלה:

•טמפרטורת הרתיחה של מתאן: $-161$°C.

•טמפרטורת הרתיחה של פנטאן: 36°C.

ההפרש בין טמפרטורות הרתיחה גדול מאוד ($36-(-161)=197$°C). לכן כשמחממים את התמיסה, המתאן מגיע לטמפרטורת הרתיחה שלו והופך לגז שיוצא מהתמיסה הרבה לפני שהפנטאן רותח. בטמפרטורה שבין $-161$°C ל-36°C המתאן נמצא במצב גז והפנטאן במצב נוזל – וכך אפשר להפריד ביניהם.

מאזנים לפי אטומים:

- פחמן: במולקולת פנטאן אחת 5 אטומי C, ולכן נוצרות 5 מולקולות $\text{CO}_2$.

- מימן: במולקולת פנטאן 12 אטומי H, ובכל מולקולת מים 2 – לכן $12\div2=6$ מולקולות $\text{H}_2\text{O}$.

- בדיקת חמצן: באגף התוצרים $5\cdot2+6\cdot1=16$ אטומי O, ובאגף המגיבים $8\cdot2=16$ אטומי O – מתאים למקדם 8 הנתון.

בדיקה: C: 5 = 5; H: 12 = 12; O: 16 = 16.

לפי הניסוח המאוזן, לשריפת מולקולה אחת של פנטאן דרושות 8 מולקולות חמצן (יחס 1:8).

מספר מולקולות החמצן $= 12{,}000 \times 8 = 96{,}000$ מולקולות $\text{O}_2$.

קביעה: מסת התוצרים שווה למסת המגיבים.

נימוק – חוק שימור המסה: בתגובה כימית אטומים אינם נוצרים ואינם נעלמים – הקשרים בין האטומים מתפרקים ונוצרים קשרים חדשים, כלומר האטומים רק מסתדרים מחדש במולקולות חדשות. מספר האטומים מכל סוג זהה בשני אגפי הניסוח (C: 5, H: 12, O: 16), ולכן סכום מסות המגיבים (פנטאן + חמצן) שווה לסכום מסות התוצרים (פחמן דו-חמצני + מים).

טעות נפוצה: לחשוב שהמסה קטנה כי ה"דלק נשרף ונעלם" – התוצרים הם גזים (ומים) שמסתם שווה למסת הפנטאן והחמצן שהגיבו.

תהליך שריפת הפנטאן הוא תהליך אקסותרמי.

במהלך השריפה האנרגיה נפלטת לסביבה, והטמפרטורה של הסביבה עולה.

הסבר: שריפה של דלק משחררת אנרגיה (לכן משתמשים בגז טבעי ובפחמימנים כדלקים). כשאנרגיה עוברת מהמערכת (החומרים המגיבים) אל הסביבה – התהליך אקסותרמי, והסביבה מתחממת.

לפי המספר האטומי בטבלה המחזורית:

- מימן (מספר אטומי 1) – אלקטרון אחד: היערכות 1.

- חנקן (מספר אטומי 7) – 7 אלקטרונים: 2 ברמה הראשונה ו-5 ברמה השנייה: היערכות 2,5.

שני הבדלים (מספיק לציין שניים):

1. מספר רמות האנרגיה שבהן יש אלקטרונים: באטום מימן – רמה אחת; באטום חנקן – שתי רמות (לכן מימן במחזור הראשון וחנקן במחזור השני).

2. מספר אלקטרוני הערכיות (ברמה החיצונית): במימן – 1; בחנקן – 5.

3. (אפשרות נוספת) המספר הכולל של אלקטרונים: במימן 1, בחנקן 7.

כללים:

- מספר הפרוטונים = המספר האטומי (מימן – 1, חנקן – 7 לפי הטבלה המחזורית).

- מספר המסה (המספר העליון בסימול האיזוטופ) = פרוטונים + נויטרונים, ולכן נויטרונים = מספר מסה – פרוטונים.

- מטען = פרוטונים – אלקטרונים. באטום (נייטרלי) מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים.

שורה אחר שורה:

1. אטום $^{3}\text{H}$: פרוטונים 1; נויטרונים $3-1=2$; אטום נייטרלי – אלקטרונים 1; מטען 0.

2. יון מימן, 1 נויטרון, מטען +1: פרוטונים 1; מספר מסה $1+1=2$ – סימול $^{2}\text{H}$; אלקטרונים $1-1=0$ (מטען $1-0=+1$).

3. יון מימן, 0 נויטרונים, 2 אלקטרונים: פרוטונים 1; מספר מסה $1+0=1$ – סימול $^{1}\text{H}$; מטען $1-2=-1$ (יון $\text{H}^{-}$).

4. אטום $^{11}\text{N}$: פרוטונים 7; נויטרונים $11-7=4$; אלקטרונים 7; מטען 0.

5. יון חנקן, 8 נויטרונים, מטען $-3$: פרוטונים 7; מספר מסה $7+8=15$ – סימול $^{15}\text{N}$; אלקטרונים: $7-x=-3$, ולכן $x=10$.

הערה על השורה של $^{11}\text{N}$: בטבלה מודפס הסימול $^{11}\text{N}$, והפתרון שלמעלה מתאים לנתון כפי שהוא מודפס. כדאי לדעת שבטבע אין איזוטופ כזה – האיזוטופים היציבים של חנקן הם $^{14}\text{N}$ ו-$^{15}\text{N}$, ו-$^{11}\text{N}$ הוא גרעין לא יציב במיוחד שנוצר רק במעבדה – ולכן ייתכן שזו טעות דפוס (למשל במקום $^{14}\text{N}$). דרך החישוב זהה בכל מקרה: פרוטונים 7 (המספר האטומי), אלקטרונים 7 (אטום נייטרלי), ונויטרונים = מספר המסה פחות 7 (עבור $^{14}\text{N}$ היו מתקבלים $14-7=7$ נויטרונים).

טעות נפוצה: לשנות את מספר הפרוטונים ביון. ביון משתנה רק מספר האלקטרונים; מספר הפרוטונים (וגם מספר הנויטרונים) נקבע על ידי הגרעין.

קרינת בטא (β) היא קרינה של חלקיקים – אלקטרונים הנפלטים במהירות גבוהה מגרעין של איזוטופ לא יציב (רדיואקטיבי), כמו גרעין הטריטיום $^{3}\text{H}$.

- הרכב: אלקטרון.

- מטען: שלילי, -1.

- מסה: זניחה (קטנה מאוד ביחס לפרוטון ולנויטרון).

- חדירות: בינונית – גדולה מזו של קרינת אלפא (שנעצרת בדף נייר), אבל קטנה מזו של קרינת גמא; קרינת בטא נעצרת, למשל, בשכבה דקה של מתכת (אלומיניום).

שימו לב: האלקטרון של קרינת בטא נפלט מהגרעין, ולא מאחת מרמות האנרגיה של האלקטרונים באטום.

קרינת גמא (γ) היא קרינה אלקטרומגנטית (לא חלקיקים) בעלת אנרגיה גבוהה מאוד; אין לה מטען ואין לה מסה.

השערה: בשל כושר החדירה הגבוה מאוד שלה (גבוה מזה של קרינת אלפא ובטא), קרינת גמא יכולה לעבור דרך העור והרקמות ולהגיע אל גידולים הנמצאים בעומק הגוף. האנרגיה הגבוהה שלה פוגעת בתאי הגידול והורסת אותם. מכוונים את הקרינה אל אזור הגידול כדי לפגוע בתאי הסרטן ככל האפשר ובתאים הבריאים כמה שפחות.

- חנקן: במגיבים 2 אטומי N (מולקולת $\text{N}_2$), ולכן נוצרות 2 מולקולות $\text{NH}_3$.

- מימן: ב-2 מולקולות $\text{NH}_3$ יש $2\cdot3=6$ אטומי H, ולכן דרושות $6\div2=3$ מולקולות $\text{H}_2$.

בדיקה: N: 2 = 2; H: 6 = 6.

חומר טהור בנוי מסוג אחד בלבד של חלקיקים (כל המולקולות זהות). תערובת מכילה שני סוגי חלקיקים או יותר.

- כלי A: כל החלקיקים הם מולקולות זהות של חנקן, $\text{N}_2$ (שני אטומים זהים בכל מולקולה) – חומר טהור (יסוד).

- כלי B: כל החלקיקים הם מולקולות זהות של אמוניה, $\text{NH}_3$ (אטום חנקן אחד ושלושה אטומי מימן בכל מולקולה) – חומר טהור (תרכובת).

לכן היגד I נכון: כל אחד משני הכלים מכיל חומר טהור.

•היגד II שגוי – אף אחד מהכלים אינו מכיל שני סוגי מולקולות.

•היגד III שגוי – כלי B אינו תערובת: העובדה שכל מולקולה בו בנויה משני סוגי אטומים הופכת אותו לתרכובת, לא לתערובת.

טעות נפוצה: לבלבל בין תרכובת (סוג אחד של מולקולות, הבנויות מכמה סוגי אטומים) לבין תערובת (כמה סוגים של חלקיקים).

- גרפיט, $\text{C}_{(s)}$ – סריג אטומרי: אטומי פחמן הקשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים ברשת (שכבות) ענקית; אין מולקולות נפרדות.

- גופרית, $\text{S}_{8(s)}$ – סריג מולקולרי: מולקולות $\text{S}_8$ נפרדות (בתוך כל מולקולה קשרים קוולנטיים) המסודרות בסריג ונמשכות זו לזו בכוחות בין-מולקולריים.

- נתרן גופרי, $\text{Na}_2\text{S}_{(s)}$ – סריג יוני: תרכובת של מתכת ואל-מתכת, הבנויה מיוני $\text{Na}^{+}$ ויוני $\text{S}^{2-}$ ביחס 2:1.

- נתרן, $\text{Na}_{(s)}$ – סריג מתכתי: יוני $\text{Na}^{+}$ בים של אלקטרונים.

היגד I – לא נכון. בגרפיט אין יונים כלל – הוא בנוי מאטומי פחמן. כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לשלושה אטומי פחמן בלבד בתוך השכבה, ולכן לכל אטום נשאר אלקטרון ערכיות אחד שאינו קשור לאטום מסוים ויכול לנוע לאורך השכבה.

תיקון: "גרפיט מוצק מוליך חשמל כי יש בו אלקטרונים ניידים."

היגד II – נכון. בתוך כל מולקולת $\text{S}_8$ אטומי הגופרית קשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים (זוגות אלקטרונים משותפים בין אטומי אל-מתכת).

היגד III – לא נכון. קשרי מימן נוצרים רק כשיש במולקולה אטום מימן הקשור לאטום F, O או N. במולקולת $\text{S}_8$ אין אטומי מימן בכלל.

תיקון: "בין המולקולות של גופרית יש אינטראקציות (קשרי) ון דר ואלס."

טעות נפוצה: להחליף בין הקשרים בתוך המולקולה (קוולנטיים) לבין הכוחות בין המולקולות (בין-מולקולריים).

- A – נתרן גופרי, $\text{Na}_2\text{S}$: לא מוליך במוצק אבל מוליך בנוזל (מותך) ומתמוסס במים – תכונות אופייניות לחומר יוני.

- B – גרפיט, $\text{C}$: מוליך חשמל במצב מוצק ואינו מתמוסס במים – מתאים לגרפיט, החומר האטומרי היחיד המוליך חשמל (בגלל האלקטרונים הניידים בשכבות). (גרפיט אינו נמס בתנאים רגילים, ולכן אינו מופיע כמוליך במצב נוזל.)

- C – נתרן, $\text{Na}$: מוליך חשמל גם במוצק וגם בנוזל, ומגיב עם מים – תכונות של מתכת; נתרן הוא מתכת אלקאלית המגיבה עם מים.

- D – גופרית, $\text{S}_8$: אינה מוליכה חשמל לא במוצק ולא בנוזל ואינה מתמוססת במים – חומר מולקולרי שבנוי ממולקולות נייטרליות, בלי חלקיקים טעונים ניידים.

חומר A הוא נתרן גופרי – חומר יוני הבנוי מיוני $\text{Na}^{+}$ ויוני $\text{S}^{2-}$ ביחס 2:1. בהמסה הסריג מתפרק והיונים מוקפים במולקולות מים:

בדיקה: Na: 2 = 2; S: 1 = 1; מטען: $0 = 2\cdot(+1)+(-2)$.

כן, התמיסה מוליכה חשמל.

נימוק: מוליכות חשמלית דורשת חלקיקים טעונים וניידים. בהמסה במים הסריג היוני מתפרק, ובתמיסה נמצאים יוני $\text{Na}^{+}_{(aq)}$ ויוני $\text{S}^{2-}_{(aq)}$ שיכולים לנוע בחופשיות בין מולקולות המים. כשמחברים את התמיסה למקור מתח, היונים החיוביים נעים לכיוון הקוטב השלילי והיונים השליליים לכיוון הקוטב החיובי – וכך עובר זרם חשמלי.

תנאי למוליכות חשמלית: נוכחות של חלקיקים טעונים חופשיים לנוע.

- חומר A (נתרן גופרי, חומר יוני): בהתכה הסריג היוני מתפרק, הקשר היוני בין היונים כבר לא מחזיק אותם במקום קבוע, ויוני $\text{Na}^{+}$ ו-$\text{S}^{2-}$ חופשיים לנוע בנוזל. היונים הניידים נושאים את המטען, ולכן הנוזל מוליך חשמל.

- חומר C (נתרן, מתכת): במתכת (במוצק ובנוזל כאחד) יש יוני $\text{Na}^{+}$ ב"ים של אלקטרונים" – אלקטרוני הערכיות אינם שייכים לאטום מסוים ונעים בחופשיות בכל החומר. האלקטרונים הניידים נושאים את הזרם, ולכן נתרן נוזל מוליך חשמל.

במצב מוצק חומר A (נתרן גופרי) בנוי מסריג יוני: יוני $\text{Na}^{+}$ ויוני $\text{S}^{2-}$ מסודרים במקומות קבועים ומוחזקים במקומם על ידי משיכה חשמלית חזקה (קשר יוני) ליונים בעלי המטען הנגדי שסביבם. היונים רק מתנודדים סביב מקומם ואינם יכולים לנוע לאורך החומר, ואין במוצק אלקטרונים ניידים. כיוון שאין חלקיקים טעונים ניידים – המוצק אינו מוליך חשמל.

טעות נפוצה: לכתוב "אין במוצק יונים". יש יונים – אבל הם אינם ניידים.

שאלת חקר מנסחים כשאלה הקושרת בין המשתנה הבלתי תלוי (מה שהחוקרים שינו בכוונה) לבין המשתנה התלוי (מה שמדדו):

•משתנה בלתי תלוי: מספר כפיות הסוכר החום בכל כוס.

•משתנה תלוי: הזמן עד שהסוכר המוצק מתמוסס (נעלם מהעין).

שאלת החקר: "כיצד משפיע מספר כפיות הסוכר החום המוכנסות ל-100 מ"ל מים בטמפרטורה 70°C על הזמן עד שהסוכר מתמוסס?"

טעות נפוצה: לנסח את השאלה "האם סוכר חום מתמוסס היטב במים חמים?" – זו מטרה כללית, והיא אינה מציינת את המשתנה שהשתנה בניסוי ואת המשתנה שנמדד.

גרף I מתאר נכון את הניסוי: בגרף מציגים את המשתנה הבלתי תלוי (מספר כפיות הסוכר, שהחוקרים קבעו מראש) על הציר האופקי (x), ואת המשתנה התלוי (הזמן שנמדד) על הציר האנכי (y). כך בדיוק בנוי גרף I.

כותרת לגרף צריכה לכלול את המשתנה התלוי ואת המשתנה הבלתי תלוי (ורצוי גם את התנאים הקבועים):

בניסוי לא נמדד הזמן עבור 3 כפיות, ולכן נעריך אותו לפי המגמה בתוצאות (אינטרפולציה): הערך 3 כפיות נמצא בדיוק באמצע בין 2 כפיות (29 שניות) ל-4 כפיות (35 שניות).

כלומר, יידרשו כ-32 שניות (כל ערך קרוב, בין 29 ל-35 שניות, מתאים למגמה: ככל שמספר הכפיות גדל, הזמן גדל).

בגרף שמעתיקים מוסיפים עמודה (או נקודה) חדשה מעל הערך 3 בציר מספר הכפיות – בין העמודה של 2 לעמודה של 4 – בגובה 32 שניות:

פסלנו את גרף II כי הצירים בו הפוכים: מספר כפיות הסוכר – המשתנה הבלתי תלוי, שהתלמידים קבעו מראש – מוצג על הציר האנכי, והזמן – המשתנה התלוי, שנמדד בניסוי – מוצג על הציר האופקי. בגרף נכון המשתנה הבלתי תלוי נמצא על הציר האופקי (x) והמשתנה התלוי על הציר האנכי (y).

בניסוי זה המשתנה הבלתי תלוי הוא סוג הסוכר והמשתנה התלוי הוא הזמן עד ההמסה. כל שאר הגורמים שעלולים להשפיע על הזמן חייבים להישאר קבועים (שלושה מתוך):

1. נפח המים בכל כוס (למשל 100 מ"ל).

2. טמפרטורת המים (למשל 70°C).

3. כמות הסוכר – אותה מסה (אותו מספר כפיות) מכל סוג סוכר.

4. אופן הערבוב – ערבוב באותו אופן ובאותה תדירות (למשל כל 10 שניות).

5. גודל הגרגרים של הסוכר / סוג הכוסות.

קביעה: יבחרו בגרף עמודות.

נימוק: המשתנה הבלתי תלוי – סוג הסוכר (לבן, חום, ענבים, פירות...) – הוא משתנה איכותי (שמות של קטגוריות) ולא משתנה מספרי. אין ערכי ביניים בין סוג סוכר אחד לאחר, ולכן אין משמעות לחיבור הנקודות בקו רציף. בגרף עמודות כל סוג סוכר מוצג כעמודה נפרדת, וגובה העמודה הוא הזמן שנמדד.

גרף רציף מתאים כשהמשתנה הבלתי תלוי הוא מספרי ורציף (למשל מסת הסוכר או טמפרטורת המים).