בגרות בכימיה מבוא לכימיה 037182 - קיץ 2023

שני הגזים המזיקים המוזכרים בקטע:

1. פחמן חד-חמצני, $\text{CO}_{(g)}$ (פסקאות 1–3).

2. ציאניד, $\text{HCN}_{(g)}$ (פסקה 4).

פחמן חד-חמצני, $\text{CO}$ (לפי הפסקאות השנייה והשלישית):

•נקשר להמוגלובין בדם במקום החמצן, $\text{O}_2$, ולכן רמות החמצן בדם יורדות, והתוצאה היא נזק קשה ביותר לרקמות.

•תסמיני ההרעלה: כאבי ראש, סחרחורות, עייפות, בחילות, הקאות, כאבים בחזה, אובדן הכרה, ולבסוף מוות.

ציאניד, $\text{HCN}$ (לפי הפסקה הרביעית):

•רעיל פי 20 מפחמן חד-חמצני.

•שאיפתו גורמת להפסקת נשימה תוך דקות ספורות ולמוות.

המספר האטומי של פחמן (מהטבלה המחזורית) הוא 6, ולכן לאטום פחמן 6 אלקטרונים: 2 ברמה הראשונה ו-4 ברמה השנייה.

היערכות האלקטרונים: 2,4 (4 אלקטרוני ערכיות; פחמן נמצא במחזור השני ובטור הרביעי של היסודות הראשיים).

אלקטרוני ערכיות: H – 1, C – 4 (2,4), N – 5 (2,5), O – 6 (2,6). כל אטום (פרט למימן) משלים לאוקטט (8 אלקטרונים), ומימן – ל-2 אלקטרונים.

- $\text{O}_2$: קשר כפול בין שני אטומי החמצן (2 זוגות אלקטרונים קושרים), ולכל אטום חמצן 2 זוגות אלקטרונים לא-קושרים. סך אלקטרוני הערכיות: $2 \times 6 = 12$.

- $\text{H}_2\text{O}$: אטום החמצן במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד משני אטומי המימן, ועל אטום החמצן 2 זוגות אלקטרונים לא-קושרים. סך אלקטרוני הערכיות: $2 \times 1 + 6 = 8$.

- $\text{HCN}$: אטום הפחמן במרכז; קשר יחיד בין H ל-C וקשר משולש בין C ל-N; על אטום החנקן זוג אחד לא-קושר. סך אלקטרוני הערכיות: $1 + 4 + 5 = 10$ (4 זוגות קושרים + זוג לא-קושר אחד).

טעות נפוצה: לשכוח את זוגות האלקטרונים הלא-קושרים (על החמצן ועל החנקן), או לכתוב קשר יחיד בין C ל-N ב-HCN, שבו לפחמן ולחנקן לא היה אוקטט.

ארבעת החומרים המוזכרים בקטע: $\text{CO}$, $\text{O}_2$, $\text{HCN}$, $\text{H}_2\text{O}$.

יסוד – חומר הבנוי מסוג אחד בלבד של אטומים. תרכובת – חומר הבנוי משני סוגי אטומים או יותר, הקשורים זה לזה ביחס קבוע.

נימוק: מולקולת $\text{O}_2$ בנויה משני אטומים מאותו סוג (חמצן) – לכן חמצן הוא יסוד. בכל אחת מהמולקולות $\text{CO}$, $\text{HCN}$ ו-$\text{H}_2\text{O}$ יש אטומים של לפחות שני יסודות שונים – לכן הן תרכובות.

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

מאזנים לפי הסדר: פחמן, מימן, ולבסוף חמצן (שמופיע כיסוד).

1. פחמן: במולקולת פרופאן 3 אטומי C, ולכן נוצרות 3 מולקולות $\text{CO}_2$.

2. מימן: במולקולת פרופאן 8 אטומי H; בכל מולקולת מים 2 אטומי H, ולכן נוצרות $8 \div 2 = 4$ מולקולות $\text{H}_2\text{O}$.

3. חמצן: בצד התוצרים $3 \times 2 + 4 \times 1 = 10$ אטומי O, ולכן דרושות $10 \div 2 = 5$ מולקולות $\text{O}_2$.

בדיקה:

טעות נפוצה: לשנות אינדקסים בנוסחאות (למשל לכתוב $\text{O}_5$) במקום לשנות רק את המקדמים.

אל-מתכות מקבלות אלקטרונים ויוצרות יונים שליליים, ומטען היון נקבע לפי מספר האלקטרונים החסרים להשלמת אוקטט. לאטומים באותו טור יש אותו מספר אלקטרוני ערכיות, ולכן הם יוצרים יונים בעלי אותו מטען.

- W (מחזור 2) ו-Q (מחזור 3) נמצאים שניהם בטור השישי של היסודות הראשיים (6 אלקטרוני ערכיות). כל אחד מקבל 2 אלקטרונים ויוצר יון בעל מטען $2-$: $\text{W}^{2-}$, $\text{Q}^{2-}$.

•לחלופין: M (מחזור 3) ו-V (מחזור 4) בטור השביעי (הלוגנים, 7 אלקטרוני ערכיות) – כל אחד מקבל אלקטרון אחד ויוצר יון $1-$: $\text{M}^{-}$, $\text{V}^{-}$.

Z ו-X נמצאים בטור האחרון (הטור השמיני) – משפחת הגזים האצילים. לאטומים שלהם רמה חיצונית מלאה (אוקטט: Z – 2,8 ; X – 2,8,8), ולכן הם יציבים ואינם מוסרים או מקבלים אלקטרונים – אינם יוצרים יונים.

המתכות האלקליות הן היסודות בטור הראשון של הטבלה המחזורית, פרט למימן.

בדגם: C (מחזור 2) ו-I (מחזור 3) הן מתכות אלקליות; לאטומים שלהן אלקטרון ערכיות אחד.

A נמצא אמנם בטור הראשון, אבל הוא במחזור הראשון – זהו מימן, שהוא אל-מתכת ואינו מתכת אלקלית.

טעות נפוצה: לכלול את A (מימן) במתכות האלקליות רק משום שהוא בטור הראשון.

Q נמצא במחזור השלישי (3 רמות אנרגיה מאוכלסות) ובטור השישי של היסודות הראשיים (6 אלקטרוני ערכיות). לכן היערכות האלקטרונים שלו: 2,8,6 (בסך הכול 16 אלקטרונים).

בנוסחת ייצוג אלקטרונים של אטום מציירים סביב הסמל רק את אלקטרוני הערכיות.

- Q – בטור השישי, 6 אלקטרוני ערכיות (2,8,6): שני זוגות אלקטרונים ושני אלקטרונים בודדים.

- E – במחזור השלישי בטור הרביעי, 4 אלקטרוני ערכיות (2,8,4): ארבעה אלקטרונים בודדים, אחד בכל צד של הסמל.

W נמצא במחזור השני ובטור השישי, ולכן המספר האטומי שלו 8 (היערכות 2,6) – זהו חמצן.

•מספר הפרוטונים = המספר האטומי = 8 (זהה לשני האיזוטופים, כי שניהם אטומים של אותו יסוד).

•באטום ניטרלי מספר האלקטרונים = מספר הפרוטונים = 8.

•מספר הנויטרונים = מספר המסה − מספר הפרוטונים.

האיזוטופים נבדלים זה מזה רק במספר הנויטרונים.

המודל מראה יונים חיוביים (עיגולים כחולים עם +) המסודרים בסדר קבוע, ובינם אלקטרונים רבים (נקודות אדומות) הנעים בחופשיות – "ים של אלקטרונים". זהו מודל של סריג מתכתי, ולכן הוא מתאים ליסודות שהם מתכות.

בדגם הטבלה המחזורית שבשאלה מצויר קו מדורג המפריד בין המתכות (משמאל לקו ומתחתיו) לבין האל-מתכות (מימין לקו ומעליו). לפי הקו הזה המתכות בדגם הן:

- C, I – מתכות אלקליות (טור 1);

- L, K – מתכות בטור 2;

- R – בטור 13, מחזור 4 – מתחת לקו;

- G – בטור 14, מחזור 4: הקו עובר מעליו (מתחת ל-E) ומימינו, ולכן לפי הדגם הוא בצד המתכות.

תשובה: C, I, L, K, R, G.

המודל אינו מתאים ל-A (מימן) – אף שהוא בטור הראשון, הוא אל-מתכת – ולא ליסודות שמעל הקו ומימינו (T, D, W, E, Q, M, V), שהם אל-מתכות, ולא לגזים האצילים Z ו-X.

הערה: בטבלה המחזורית המצורפת לבחינה אין קו מדורג, ולכן קובע הקו המצויר בדגם שבשאלה. יש לדעת שהיסודות הסמוכים לקו (כמו G – גרמניום, וגם E – צורן, ו-T – בור) מכונים "מתכות למחצה": תכונותיהם ביניים בין מתכות לאל-מתכות, ומוליכותם החשמלית נמוכה בהרבה מזו של מתכת. במבחן יש לענות לפי הקו שבדגם, ולכן G נכלל; תשובה שמציינת רק את C, I, L, K, R ומנמקת שהן מתכות היא גם הגיונית, אך העיקר הוא שאין לכלול את A או אל-מתכות.

טעות נפוצה: לבחור את A משום שהוא בטור הראשון, או לבחור אל-מתכות.

- D – גז בטמפרטורת החדר: הכוחות בין החלקיקים חלשים, כלומר אלה כוחות בין מולקולות. במצב מוצק – סריג מולקולרי. (אין בו חלקיקים טעונים ניידים, ולכן אינו מוליך.)

- C – מוצק המוליך חשמל גם במצב מוצק וגם במצב נוזל: יש בו אלקטרונים חופשיים בשני המצבים – סריג מתכתי.

- A – מוצק שאינו מוליך, והמקף בעמודת הנוזל מציין שאין לו מצב נוזל רגיל (טמפרטורת ההיתוך גבוהה מאוד) – רשת קוולנטית של אטומים: סריג אטומרי.

- B – מוצק המוליך חשמל, וגם לו אין נתון למצב נוזל (טמפרטורת היתוך גבוהה מאוד) – סריג אטומרי שהוא מוליך: זהו המבנה השכבתי שבו לכל אטום אלקטרון ערכיות אחד שאינו משתתף בקשרים ונע לאורך השכבה.

אין בטבלה סריג יוני, כי אף אחד מהחומרים הנתונים אינו תרכובת של מתכת עם אל-מתכת.

- D – $\text{CO}_2$: חומר מולקולרי; בטמפרטורת החדר הוא גז, ואינו מוליך.

- C – $\text{Co}$ (קובלט): מתכת – מוליכה במוצק ובנוזל בזכות האלקטרונים החופשיים.

- A – $\text{C}$(יהלום): סריג אטומרי שבו כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לארבעה אטומים; כל אלקטרוני הערכיות משתתפים בקשרים ואין אלקטרונים ניידים – אינו מוליך.

- B – $\text{C}$(גרפיט): סריג אטומרי שכבתי שבו כל אטום פחמן קשור לשלושה אטומים בלבד; האלקטרון הרביעי של כל אטום נייד לאורך השכבה – מוליך חשמל.

טעות נפוצה: לבלבל בין $\text{Co}$ (קובלט, יסוד מתכתי – אות גדולה ואות קטנה) לבין $\text{CO}$ (תרכובת של פחמן וחמצן).

מודל I מציג אטומים מסוג אחד המסודרים בשכבות של משושים: בתוך כל שכבה האטומים קשורים בקשרים קוולנטיים, ובין השכבות פועלים כוחות ואן דר ואלס (חלשים). זהו המבנה של גרפיט, $\text{C}$(גרפיט).

מודל II מציג מולקולות נפרדות וזהות, שכל אחת בנויה משלושה אטומים: אטום אחד במרכז (אפור) ושני אטומים זהים מסוג אחר (אדומים) משני צדיו, במבנה קווי. זהו מודל של מולקולות פחמן דו-חמצני, $\text{CO}_2$ (O=C=O). המרחקים הגדולים בין המולקולות מתאימים לגז.

- החלקיקים וארגונם: יהלום בנוי מאטומי פחמן בלבד, המסודרים בסדר קבוע ומחזורי ברשת תלת-ממדית (סריג אטומרי). כל אטום פחמן קשור לארבעה אטומי פחמן שכנים, המסודרים סביבו במבנה של ארבעון (טטראדר).

- תנועת החלקיקים: האטומים קבועים במקומם בסריג ורק תונדים (רוטטים) סביב מקומם; אין להם תנועה מעבר לכך.

- הכוחות בין החלקיקים: בין כל האטומים הסמוכים פועלים קשרים קוולנטיים (זוגות אלקטרונים משותפים) – קשרים חזקים, הפרוסים לכל אורך הסריג. אין ביהלום מולקולות נפרדות ולכן אין בו כוחות בין-מולקולריים.

(בשל כך ליהלום טמפרטורת היתוך גבוהה מאוד והוא קשה מאוד; כל ארבעת אלקטרוני הערכיות של כל אטום משתתפים בקשרים, ולכן אין אלקטרונים ניידים והוא אינו מוליך חשמל.)

טעות נפוצה: לתאר את היהלום כבנוי ממולקולות או לייחס לו כוחות ואן דר ואלס – אלה קיימים בגרפיט בין השכבות, לא ביהלום.

לפי הטבלה, כשנפח האתאנול עולה מ-0 ל-10 מ"ל, אורך ה"נחש" עולה מ-0 ל-48 ס"מ; כשהנפח עולה מ-10 ל-15 מ"ל, האורך כמעט אינו משתנה (מ-48 ל-50 ס"מ, עלייה של 2 ס"מ בלבד).

כלומר: הגרף מתחיל בראשית (0,0), עולה בחדות, ואחר כך מתמתן ומתקרב לערך קבוע – זו הצורה של גרף B.

- גרף A – קו אופקי: אורך ה"נחש" אינו תלוי בנפח האתאנול – סותר את התוצאות.

- גרף C – קו יורד: האורך קטן כשהנפח גדל – סותר את התוצאות.

- תצפית – מה שנקלט בחושים או נמדד במכשיר, בלי הסבר.

- פירוש התצפית – הסבר של התצפית, לרוב ברמת החומרים/החלקיקים ובמונחי תגובה, שאינו נראה ישירות.

- מסקנה – תשובה לשאלת החקר, המתבססת על כלל התוצאות (הקשר בין המשתנה הבלתי תלוי למשתנה התלוי).

טעות נפוצה: לסווג את היגד 3 כתצפית. היווצרות $\text{CO}_2$ אינה נראית – רואים רק תפיחה, וההסבר שלה הוא פירוש.

נימוק – חוק שימור המסה: בתגובה כימית אטומים אינם נוצרים ואינם נעלמים; הם רק מתארגנים מחדש ויוצרים חומרים חדשים. מספר האטומים מכל סוג לפני התגובה שווה למספרם אחריה, ולכן המסה הכוללת של התוצרים שווה למסה הכוללת של המגיבים:

המסה הכוללת כוללת את כל התוצרים – גם את הגזים שנוצרים ($\text{CO}_{2(g)}$ ואדי מים).

טעות נפוצה: לענות "נמוכה מ-10 גרם" משום שאם הכלי פתוח, הגזים נפלטים והמשקל על המאזניים יורד. ירידה זו נובעת מבריחת חלק מהתוצרים (הגזים) מהכלי ולא מ"היעלמות" של חומר; המסה הכוללת של כל התוצרים היא 10 גרם.