בגרות בכימיה מבוא לכימיה 037182 - קיץ 2024

יחידה אחת · שאלון 037182 · 11 שאלות · 1:45 שעות

בחינת הבגרות בכימיה, מבוא לכימיה, קיץ 2024, כל 11 השאלות כמו בשאלון. לכל סעיף יש תשובה ופתרון מלא: ניסוח מאוזן עם מצבי צבירה, הנוסחה מדף הנוסחאות, הצבה ותוצאה עם יחידות, והסבר במונחים שהבוחן מצפה להם.

הוראות הבחינה (כמו בשאלון)

משך הבחינה: שעה וארבעים וחמש דקות.
מבנה השאלון ומפתח ההערכה: בשאלון זה שלושה פרקים.
•פרק ראשון – (5×6) – 30 נקודות
•פרק שני – (40×1) – 40 נקודות
•פרק שלישי – (15×2) – 30 נקודות
•סך הכול – 100 נקודות
חומר עזר מותר בשימוש: הטבלה המחזורית (מצורף). מחשבון (כולל מחשבון גרפי).
הוראות מיוחדות:
1. בפרק הראשון יש שבע שאלות חובה. בכל אחת מן השאלות 1 – 7 מוצגות ארבע תשובות, ומהן יש לבחור בתשובה הנכונה. את התשובות הנכונות שבחרתם כתבו במחברת הבחינה. (לכל שאלה 5 נקודות; אם תענו נכון על שש שאלות לפחות, תקבלו את מלוא 30 הנקודות.)
2. בפרק השני יש שאלת מאמר. יש לענות על כל הסעיפים (40 נקודות).
3. בפרק השלישי יש שלוש שאלות. יש לענות על שתיים מהן (לכל שאלה 15 נקודות).
יש לכתוב במחברת הבחינה בלבד. יש לרשום "טיוטה" בראש כל עמוד המשמש טיוטה.
הנחיות מיוחדות לשנה זו: בשנת תשפ"ד (מלחמת "חרבות ברזל") הוארך משך הבחינה לשעה ו-45 דקות (במקום שעה וחצי).

פרק ראשון

שאלה 1 · יסוד, תרכובת ותערובת ברמה המיקרוסקופית

רב-ברירה

לפניכם ארבעה איורים IV – I המתארים באופן חלקי את המבנה המיקרוסקופי של ארבעה חומרים. עיגולים בגדלים ובצבעים שונים מסמלים סוגים שונים של אטומים.
איזה/ אילו מן האיורים I -IV מתאר/ מתארים מבנה מיקרוסקופי של יסוד?

א.
איור I בלבד.
ב.
איור III בלבד.
ג.
איורים I ו- III בלבד.
ד.
איורים II ו- IV בלבד.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – איורים I ו-III: בשניהם יש סוג אחד בלבד של אטומים.

יסוד הוא חומר הבנוי מסוג אחד בלבד של אטומים (אטומים בודדים או מולקולות שבהן כל האטומים זהים).
- איור I – אטומים בודדים, כולם מאותו סוג (עיגולים שחורים זהים) – יסוד (למשל גז אציל).
- איור III – מולקולות דו-אטומיות זהות, וכל מולקולה בנויה משני אטומים מאותו סוג (עיגולים לבנים) – יסוד (למשל O2\text{O}_2O2​ או N2\text{N}_2N2​).
- איור II – יש בו כמה סוגי חלקיקים: מולקולות דו-אטומיות של יסוד, מולקולה תלת-אטומית של תרכובת ואטומים בודדים של שני סוגים – זוהי תערובת.
- איור IV – מולקולות זהות, וכל מולקולה בנויה משני סוגי אטומים (שני לבנים ואחד שחור) – זוהי תרכובת.
לכן איורים I ו-III בלבד מתארים יסוד – תשובה ג.
- א, ב – כל אחת מהן מזכירה רק אחד משני האיורים של יסוד.
- ד – איור II הוא תערובת ואיור IV הוא תרכובת.
טעות נפוצה: לחשוב שחומר הבנוי ממולקולות (איור III) הוא בהכרח תרכובת. מולקולה שכל האטומים בה זהים היא מולקולה של יסוד.

שאלה 2 · פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים – איזוטופים ויונים

רב-ברירה

בטבלה שלפניכם מוצגים נתונים על ההרכב של שלושה חלקיקים שמסומנים באופן שרירותי באותיות X , Y ו- Z.
החלקיקמספר פרוטוניםמספר נויטרוניםהיערכות אלקטרונים
X8102,8
Y9102,8
Z882,6
מהי הקביעה הנכונה?

החלקיק	מספר פרוטונים	מספר נויטרונים	היערכות אלקטרונים
X	8	10	2,8
Y	9	10	2,8
Z	8	8	2,6

א.
לחלקיקים X ו- Y יש אותו מספר אטומי.
ב.
החלקיקים X ו- Z הם איזוטופים של אותו יסוד.
ג.
שלושת החלקיקים X , Y ו- Z הם יונים שליליים.
ד.
שלושת החלקיקים X , Y ו- Z הם אטומים של יסודות שונים.

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – ל-X ול-Z אותו מספר פרוטונים (8) ומספר נויטרונים שונה, ולכן הם איזוטופים של חמצן.

המספר האטומי שווה למספר הפרוטונים, ומספר האלקטרונים מחושב מהיערכות האלקטרונים:
החלקיקפרוטוניםאלקטרוניםמטעןמספר מסהזיהוי
X82+8 = 108 − 10 = −28 + 10 = 18יון 18O2−^{18}\text{O}^{2-}18O2−
Y92+8 = 109 − 10 = −19 + 10 = 19יון 19F−^{19}\text{F}^{-}19F−
Z82+6 = 808 + 8 = 16אטום 16O^{16}\text{O}16O
ל-X ול-Z אותו מספר פרוטונים (8), כלומר שניהם חלקיקים של היסוד חמצן, ומספר הנויטרונים שלהם שונה (10 לעומת 8) – לכן הם איזוטופים של אותו יסוד. העובדה ש-X הוא יון אינה משנה את זהות היסוד, כי היא נקבעת לפי מספר הפרוטונים בלבד. תשובה ב.
- א – ל-X יש 8 פרוטונים ול-Y יש 9 פרוטונים, ולכן המספרים האטומיים שלהם שונים.
- ג – ב-Z מספר האלקטרונים (8) שווה למספר הפרוטונים (8), ולכן Z אטום ניטרלי ולא יון.
- ד – X ו-Y הם יונים ולא אטומים, ו-X ו-Z הם חלקיקים של אותו יסוד.
טעות נפוצה: לקבוע את המספר האטומי לפי מספר האלקטרונים. ביון מספר האלקטרונים שונה ממספר הפרוטונים, ולכן X ו-Y "נראים" זהים בהיערכות האלקטרונים אף שהם יסודות שונים.

החלקיק	פרוטונים	אלקטרונים	מטען	מספר מסה	זיהוי
X	8	2+8 = 10	8 − 10 = −2	8 + 10 = 18	יון $^{18}\text{O}^{2-}$
Y	9	2+8 = 10	9 − 10 = −1	9 + 10 = 19	יון $^{19}\text{F}^{-}$
Z	8	2+6 = 8	0	8 + 8 = 16	אטום $^{16}\text{O}$

שאלה 3 · אלקטרוני ערכיות ורמות אנרגיה בטור ובמחזור

רב-ברירה

לפניכם ארבעה היגדים, IV – I , הנוגעים לאטומים של יסודות בטבלה המחזורית.
I. לאטומים של היסודות הנמצאים בטור השני, יש מספר זהה של אלקטרוני ערכיות.
II. באטומים של היסודות הנמצאים בטור השני, האלקטרונים מאכלסים מספר זהה של רמות אנרגיה.
III. לאטומים של היסודות הנמצאים במחזור השני (בשורה השנייה), יש מספר זהה של אלקטרוני ערכיות.
IV. באטומים של היסודות הנמצאים במחזור השני (בשורה השנייה), האלקטרונים מאכלסים מספר זהה של רמות אנרגיה.
מהם ההיגדים הנכונים?

א.
היגדים I ו- III בלבד.
ב.
היגדים I ו- IV בלבד.
ג.
היגדים II ו- III בלבד.
ד.
היגדים II ו- IV בלבד.

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – היגדים I ו-IV: בטור יש מספר זהה של אלקטרוני ערכיות, ובמחזור מספר זהה של רמות אנרגיה מאוכלסות.

- היגד I – נכון. יסודות באותו טור (אותה משפחה) הם בעלי אותו מספר אלקטרוני ערכיות. בטור השני: Be (2,2), Mg (2,8,2), Ca (2,8,8,2) – לכולם 2 אלקטרוני ערכיות.
- היגד II – שגוי. בטור, מספר רמות האנרגיה המאוכלסות גדל מיסוד ליסוד כלפי מטה: ב-Be שתי רמות, ב-Mg שלוש רמות, ב-Ca ארבע רמות.
- היגד III – שגוי. לאורך המחזור מספר אלקטרוני הערכיות גדל: Li (2,1) – אלקטרון ערכיות אחד, ... , F (2,7) – שבעה, Ne (2,8) – שמונה.
- היגד IV – נכון. מספר המחזור שווה למספר רמות האנרגיה המאוכלסות: לכל יסודות המחזור השני (Li עד Ne) האלקטרונים מאכלסים שתי רמות אנרגיה.
ההיגדים הנכונים הם I ו-IV – תשובה ב. כל אחת מהתשובות האחרות כוללת לפחות אחד מההיגדים השגויים II או III.
טעות נפוצה: להחליף בין המשמעות של הטור (משפחה – אותו מספר אלקטרוני ערכיות) לבין המשמעות של המחזור (שורה – אותו מספר רמות אנרגיה).

שאלה 4 · נוסחה של תרכובת יונית – ליתיום וחנקן

רב-ברירה

ליתיום, Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ , מגיב עם חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ .
מהי הנוסחה האמפירית של התרכובת שנוצרת בתגובה זו?

א.
$\text{LiN}_2$
ב.
$\text{LiN}_3$
ג.
$\text{Li}_2\text{N}$
ד.
$\text{Li}_3\text{N}$

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – Li3N\text{Li}_3\text{N}Li3​N: יוני Li+\text{Li}^{+}Li+ ויוני N3−\text{N}^{3-}N3− ביחס 3:1.

ליתיום הוא מתכת וחנקן הוא אל-מתכת, ולכן נוצרת תרכובת יונית.
•ליתיום (מספר אטומי 3, היערכות 2,1) נמצא בטור הראשון: מוסר אלקטרון ערכיות אחד ויוצר יון Li+\text{Li}^{+}Li+.
•חנקן (מספר אטומי 7, היערכות 2,5) נמצא בטור החמישי: מקבל 3 אלקטרונים כדי להשלים אוקטט ויוצר יון N3−\text{N}^{3-}N3−.
התרכובת ניטרלית, ולכן סכום המטענים חייב להיות אפס: 3×(+1)+1×(−3)=03 \times (+1) + 1 \times (-3) = 03×(+1)+1×(−3)=0. היחס בין היונים הוא 3 יוני ליתיום לכל יון חנקן, והנוסחה האמפירית היא Li3N\text{Li}_3\text{N}Li3​N – תשובה ד.
- א, ב – בנוסחאות אלה יש יותר אטומי חנקן מאטומי ליתיום, וסכום המטענים אינו אפס (+1+2(−3)=−5+1 + 2(-3) = -5+1+2(−3)=−5, +1+3(−3)=−8+1 + 3(-3) = -8+1+3(−3)=−8).
- ג – 2×(+1)+(−3)=−12 \times (+1) + (-3) = -12×(+1)+(−3)=−1: התרכובת לא הייתה ניטרלית.
טעות נפוצה: להעתיק את האינדקס 2 מהנוסחה N2\text{N}_2N2​ לנוסחת התרכובת. בתרכובת היונית החנקן מופיע כיון N3−\text{N}^{3-}N3− ולא כמולקולה N2\text{N}_2N2​.

שאלה 5 · מצב צבירה של מימן פלואורי וטמפרטורות היתוך ורתיחה

רב-ברירה

האיור שלפניכם מתאר את המבנה המיקרוסקופי של החומר מימן פלואורי , HF , הנמצא בכלי סגור, בטמפרטורה T.
טמפרטורת ההיתוך של מימן פלואורי היא −83∘C-83^{\circ}\text{C}−83∘C וטמפרטורת הרתיחה שלו היא 19∘C19^{\circ}\text{C}19∘C.
מהי הטמפרטורה המתאימה לטמפרטורה T, שבה מצוי הכלי הסגור?

א.
$-100^{\circ}\text{C}$
ב.
$0^{\circ}\text{C}$
ג.
$25^{\circ}\text{C}$
ד.
$100^{\circ}\text{C}$

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – 0∘C0^{\circ}\text{C}0∘C: באיור החומר נוזל, וזו הטמפרטורה היחידה בין טמפרטורת ההיתוך לטמפרטורת הרתיחה.

באיור המולקולות קרובות זו לזו, מסודרות באופן לא מסודר (אקראי) ונמצאות בתחתית הכלי בלבד – זהו תיאור של נוזל (בגז המולקולות רחוקות זו מזו ומתפזרות בכל נפח הכלי; במוצק הן מסודרות בסדר קבוע).
מימן פלואורי נמצא במצב נוזל בטמפרטורות שבין טמפרטורת ההיתוך לטמפרטורת הרתיחה: −83∘C<T<19∘C-83^{\circ}\text{C} < T < 19^{\circ}\text{C}−83∘C<T<19∘C. מבין התשובות רק 0∘C0^{\circ}\text{C}0∘C נמצאת בתחום זה – תשובה ב.
- א – −100∘C-100^{\circ}\text{C}−100∘C נמוכה מטמפרטורת ההיתוך, ולכן החומר יהיה מוצק.
- ג, ד – 25∘C25^{\circ}\text{C}25∘C ו-100∘C100^{\circ}\text{C}100∘C גבוהות מטמפרטורת הרתיחה, ולכן החומר יהיה גז.

שאלה 6 · מוליכות חשמלית של סוגי מוצקים

רב-ברירה

בטבלה שלפניכם מידע על המוליכות החשמלית של ארבעה חומרים מוצקים.
חלק מן המידע שבטבלה הוא נכון וחלק מן המידע הוא שגוי.
החומרמוליכות חשמלית במצב מוצקמוליכות חשמלית במצב נוזל
אשלגן, K(s)\text{K}_{(s)}K(s)​++
אשלגן ברומי, KBr(s)\text{KBr}_{(s)}KBr(s)​+−
גרפיט, C(s)גרפיט\text{C}_{(s)\text{גרפיט}}C(s)גרפיט​−+
צורן דו־חמצני, SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​−−
מהם החומרים שעבורם המידע שבטבלה הוא נכון?

החומר	מוליכות חשמלית במצב מוצק	מוליכות חשמלית במצב נוזל
אשלגן, $\text{K}_{(s)}$	+	+
אשלגן ברומי, $\text{KBr}_{(s)}$	+	−
גרפיט, $\text{C}_{(s)\text{גרפיט}}$	−	+
צורן דו־חמצני, $\text{SiO}_{2(s)}$	−	−

א.
$\text{K}_{(s)}$ ו- $\text{KBr}_{(s)}$
ב.
$\text{KBr}_{(s)}$ ו- $\text{C}_{(s)\text{גרפיט}}$
ג.
$\text{K}_{(s)}$ ו- $\text{C}_{(s)\text{גרפיט}}$
ד.
$\text{K}_{(s)}$ ו- $\text{SiO}_{2(s)}$

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – K(s)\text{K}_{(s)}K(s)​ ו-SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​.

- אשלגן, K\text{K}K – המידע נכון. מתכת: סריג מתכתי של יונים חיוביים בים של אלקטרונים חופשיים (ניידים), גם במוצק וגם בנוזל – מוליך בשני המצבים (+, +).
- אשלגן ברומי, KBr\text{KBr}KBr – המידע שגוי. חומר יוני: במוצק היונים K+\text{K}^{+}K+ ו-Br−\text{Br}^{-}Br− קבועים במקומם בסריג ואינם ניידים, ולכן אינו מוליך (−); בנוזל (בהתכה) היונים ניידים, ולכן מוליך (+). בטבלה הסימנים הפוכים.
- גרפיט – המידע שגוי. גרפיט מוליך חשמל במצב מוצק: בכל שכבה כל אטום פחמן קשור לשלושה אטומים בלבד, ואלקטרון אחד מכל אטום חופשי לנוע לאורך השכבה. לכן הסימן "−" במצב מוצק שגוי.
- צורן דו־חמצני, SiO2\text{SiO}_2SiO2​ – המידע נכון. סריג אטומרי (קוולנטי): כל האלקטרונים מעורבים בקשרים קוולנטיים בין האטומים, ואין בו יונים ולא אלקטרונים ניידים – אינו מוליך (−, −).
המידע נכון עבור K(s)\text{K}_{(s)}K(s)​ ו-SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​ – תשובה ד. כל אחת מהתשובות א, ב, ג כוללת את KBr\text{KBr}KBr או את הגרפיט, שהמידע עליהם שגוי.
טעות נפוצה: לחשוב שחומר יוני מוליך חשמל במצב מוצק כי יש בו יונים. כדי להוליך זרם חשמלי צריך חלקיקים טעונים ניידים.

שאלה 7 · אינטראקציות ון־דר־ואלס – זיהוי חומר מולקולרי

רב-ברירה

לפניכם רשימה של ארבעה חומרים. כל אחד מן החומרים הוא מוצק בטמפרטורת החדר.
יוד, I2(s)\text{I}_{2(s)}I2(s)​ ; נתרן, Na(s)\text{Na}_{(s)}Na(s)​ ; נתרן יודי, NaI(s)\text{NaI}_{(s)}NaI(s)​ ; יהלום, C(s)יהלום\text{C}_{(s)\text{יהלום}}C(s)יהלום​
באיזה מן החומרים יש אינטראקציות ון־דר־ואלס בין החלקיקים?

א.
$\text{I}_{2(s)}$
ב.
$\text{Na}_{(s)}$
ג.
$\text{NaI}_{(s)}$
ד.
$\text{C}_{(s)\text{יהלום}}$

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – I2(s)\text{I}_{2(s)}I2(s)​: חומר מולקולרי, ובין מולקולות I2\text{I}_2I2​ פועלות אינטראקציות ון־דר־ואלס.

אינטראקציות ון־דר־ואלס הן כוחות משיכה בין מולקולות, ולכן הן קיימות רק בחומר מולקולרי.
- יוד, I2\text{I}_2I2​ – חומר מולקולרי: בתוך כל מולקולה יש קשר קוולנטי בין שני אטומי היוד, ובין המולקולות (הלא-קוטביות) פועלות אינטראקציות ון־דר־ואלס – תשובה א.
- ב – נתרן, Na\text{Na}Na – מתכת: בין החלקיקים יש קשר מתכתי (משיכה בין יונים חיוביים לים האלקטרונים).
- ג – נתרן יודי, NaI\text{NaI}NaI – חומר יוני: בין היונים Na+\text{Na}^{+}Na+ ו-I−\text{I}^{-}I− יש קשר יוני.
- ד – יהלום – סריג אטומרי (קוולנטי): כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לארבעה אטומי פחמן אחרים; אין בו מולקולות נפרדות.

פרק שני

שאלה 8 · הגז הטבעי וחשיבותו כחומר דלק

שאלת מאמר

ניתוח קטע מדעי
קראו את הקטע שלפניכם, וענו על כל הסעיפים א-ה שאחריו (שאלת חובה – 40 נקודות).
הגז הטבעי וחשיבותו כחומר דלק
בתחילת המאה הנוכחית התגלה מאגר גדול של גז טבעי במים הכלכליים של ישראל.
הגז הטבעי, בדומה לנפט, הוא תערובת של פחמימנים (תרכובות של פחמן ומימן).
המרכיב העיקרי של הגז הטבעי הוא גז מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​.
מאגרי הגז הטבעי בעולם מכילים בממוצע כ-85% מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​. הגז הטבעי שהתגלה בישראל מכיל 99% מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​.
הגז הטבעי משמש בעיקר חומר דלק להפקת חשמל בתחנות כוח, במקום פחם, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ וחומרי דלק שמקורם בנפט.
בתגובת שריפה מגיבים הפחמימנים עם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​, נוצרים פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ ומים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ , ונפלטת אנרגיה המנוצלת להפקת חשמל.
הגז הטבעי הוא דלק ידידותי יותר לסביבה. כאשר שורפים גז טבעי נפלטים לאוויר פחות מזהמים, מה שמפחית משמעותית את הפגיעה בבריאות בציבור. בנוסף, בהשוואה לחומרי דלק אחרים, בשריפת גז טבעי נפלט פחות CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​, שהוא גז התורם להתחממות כדור הארץ.

א.

על פי הקטע, ציינו שני יתרונות שיש לשימוש בגז הטבעי שהתגלה במים הכלכליים של ישראל.

ב.

טמפרטורת הרתיחה של מתאן היא −161∘C-161^{\circ}\text{C}−161∘C.

(i)

קבעו איזה מבין שני הניסוחים (1) ו- (2) שלפניכם, מציג נכון את התהליך שמתרחש בטמפרטורה −161∘C-161^{\circ}\text{C}−161∘C. נמקו את קביעתכם.
(1) CH4(s)→CH4(l)\text{CH}_{4(s)} \rightarrow \text{CH}_{4(l)}CH4(s)​→CH4(l)​
(2) CH4(l)→CH4(g)\text{CH}_{4(l)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}CH4(l)​→CH4(g)​

(ii)

כתבו שני מאפיינים של המבנה המיקרוסקופי של מתאן בטמפרטורה −100∘C-100^{\circ}\text{C}−100∘C.

ג.

(i)

לפניכם שלושה ניסוחים (3) – (5) לתגובת השריפה של מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ . בחרו מבין הניסוחים (3) – (5), מהו הניסוח הנכון לתגובה זו. הסבירו מדוע כל אחד משני הניסוחים האחרים אינו נכון.
(3) CH4(g)→CO2(g)+2H2O(l)\text{CH}_{4(g)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}CH4(g)​→CO2(g)​+2H2​O(l)​
(4) CH4(g)+O2(g)→CO2(g)+H2O(l)\text{CH}_{4(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}CH4(g)​+O2(g)​→CO2(g)​+H2​O(l)​
(5) CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)\text{CH}_{4(g)} + 2\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}CH4(g)​+2O2(g)​→CO2(g)​+2H2​O(l)​

(ii)

רשמו נוסחאות ייצוג אלקטרוניות למולקולות של תוצרי התגובה.

(iii)

קבעו אם תגובת השריפה של מתאן היא תגובה אנדותרמית או אקסותרמית. נמקו את קביעתכם על פי הקטע.

ד.

הדיאגרמה שלפניכם מציגה את המסה של פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ (בק"ג) שנפלט בשריפת 1,000 טון של ארבעה חומרי דלק: פחם, גז טבעי, ושני חומרי דלק שמקורם בנפט (בנזין וסולר).
קבעו איזו מן העמודות, A- D, מייצגת את הגז הטבעי. נמקו את קביעתכם על פי הקטע.

ה.

מתאן מגיב עם אדי מים, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ , בטמפרטורה גבוהה, על פי תגובה (6) :
(6) CH4(g)+H2O(g)→CO(g)+3H2(g)\text{CH}_{4(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(g)} \rightarrow \text{CO}_{(g)} + 3\text{H}_{2(g)}CH4(g)​+H2​O(g)​→CO(g)​+3H2(g)​
דגימה של מתאן המכילה 1000 מולקולות מגיבה בשלמות עם אדי מים.
קבעו מהו המספר הכולל של מולקולות התוצרים בתום התגובה:
I – 2000 מולקולות,
II – 3000 מולקולות,
III – 4000 מולקולות.
נמקו את קביעתכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 8

סעיף א

תשובה:

(1) הגז הטבעי של ישראל טהור מאוד – 99% מתאן; (2) הוא דלק ידידותי יותר לסביבה: בשריפתו נפלטים פחות מזהמים (פחות פגיעה בבריאות הציבור) ופחות CO2\text{CO}_2CO2​ התורם להתחממות כדור הארץ. (אפשר גם: מאגר גדול שאפשר להשתמש בו במקום פחם ונפט להפקת חשמל.)

לפי הקטע אפשר לציין שניים מהיתרונות הבאים:
1. הרכב טהור יותר: "הגז הטבעי שהתגלה בישראל מכיל 99% מתאן", לעומת ממוצע של כ-85% מתאן במאגרים בעולם.
2. פחות מזהמים: "כאשר שורפים גז טבעי נפלטים לאוויר פחות מזהמים, מה שמפחית משמעותית את הפגיעה בבריאות הציבור".
3. פחות פחמן דו-חמצני: "בהשוואה לחומרי דלק אחרים, בשריפת גז טבעי נפלט פחות CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​, שהוא גז התורם להתחממות כדור הארץ".
4. מקור אנרגיה להפקת חשמל: מאגר גדול, והגז יכול לשמש חומר דלק בתחנות כוח "במקום פחם וחומרי דלק שמקורם בנפט".
יש לכתוב שני יתרונות שונים (למשל פחות מזהמים ופחות CO2\text{CO}_2CO2​), ולצטט או לנסח אותם לפי הקטע.

סעיף ב

(i)

תשובה:

ניסוח (2): CH4(l)→CH4(g)\text{CH}_{4(l)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}CH4(l)​→CH4(g)​ – רתיחה.

−161∘C-161^{\circ}\text{C}−161∘C היא טמפרטורת הרתיחה של מתאן. רתיחה היא מעבר ממצב נוזל למצב גז, ולכן הניסוח הנכון הוא (2): CH4(l)→CH4(g)\text{CH}_{4(l)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}CH4(l)​→CH4(g)​.
ניסוח (1) מתאר מעבר ממוצק לנוזל – היתוך – שמתרחש בטמפרטורת ההיתוך של מתאן, ולא בטמפרטורת הרתיחה.

(ii)

תשובה:

ב-−100∘C-100^{\circ}\text{C}−100∘C מתאן הוא גז: (1) המולקולות רחוקות מאוד זו מזו; (2) המולקולות נעות במהירות, באופן חופשי ואקראי בכל נפח הכלי.

−100∘C-100^{\circ}\text{C}−100∘C גבוהה מטמפרטורת הרתיחה של מתאן (−161∘C-161^{\circ}\text{C}−161∘C), ולכן בטמפרטורה זו מתאן נמצא במצב גז.
מאפיינים של המבנה המיקרוסקופי (שניים מהבאים):
•החלקיקים הם מולקולות CH4\text{CH}_4CH4​ (שבהן אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לארבעה אטומי מימן).
•המרחקים בין המולקולות גדולים מאוד ביחס לגודל המולקולות.
•המולקולות נעות במהירות, בתנועה חופשית ואקראית, ומתפזרות בכל נפח הכלי.
•אין סדר בין המולקולות, והכוחות הבין-מולקולריים ביניהן זניחים.

סעיף ג

(i)

תשובה:

ניסוח (5) הוא הנכון.

ניסוח (5) נכון: CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)\text{CH}_{4(g)} + 2\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}CH4(g)​+2O2(g)​→CO2(g)​+2H2​O(l)​
בדיקת מספר האטומים בשני צדי הניסוח:
אטוםמגיביםתוצרים
C11
H42·2 = 4
O2·2 = 42 + 2·1 = 4
מספר האטומים מכל סוג שווה בשני הצדדים, וכמתואר בקטע, המתאן מגיב עם חמצן ונוצרים פחמן דו-חמצני ומים.
ניסוח (3) שגוי: בתגובת שריפה החומר מגיב עם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​, ובניסוח זה החמצן לא מופיע במגיבים. כתוצאה מכך הניסוח גם אינו מאוזן: במגיבים אין אטומי חמצן כלל, ובתוצרים יש 4 אטומי חמצן.
ניסוח (4) שגוי: הניסוח אינו מאוזן. במגיבים יש 4 אטומי H ו-2 אטומי O, ובתוצרים יש רק 2 אטומי H ו-3 אטומי O – לא מתקיים חוק שימור המסה (מספר האטומים מכל סוג חייב להישמר).

אטום	מגיבים	תוצרים
C	1	1
H	4	2·2 = 4
O	2·2 = 4	2 + 2·1 = 4

(ii)

תשובה:

CO2\text{CO}_2CO2​: O=C=O עם שני זוגות לא קושרים על כל אטום חמצן; H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: H–O–H (מולקולה זוויתית) עם שני זוגות לא קושרים על אטום החמצן.

תוצרי התגובה הם פחמן דו-חמצני, CO2\text{CO}_2CO2​, ומים, H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
CO2\text{CO}_2CO2​: אטום פחמן (4 אלקטרוני ערכיות) במרכז, קשור בקשר כפול לכל אחד משני אטומי החמצן (6 אלקטרוני ערכיות כל אחד). על כל אטום חמצן יש שני זוגות אלקטרונים לא קושרים. סך הכול 4+2×6=164 + 2 \times 6 = 164+2×6=16 אלקטרוני ערכיות: 4 זוגות קושרים ו-4 זוגות לא קושרים.
H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: אטום חמצן במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד משני אטומי המימן, ועליו שני זוגות אלקטרונים לא קושרים. סך הכול 6+2×1=86 + 2 \times 1 = 86+2×1=8 אלקטרוני ערכיות: 2 זוגות קושרים ו-2 זוגות לא קושרים.
לכל אטום חמצן ולאטום הפחמן יש אוקטט אלקטרונים, ולכל אטום מימן – זוג אלקטרונים (דואט).

(iii)

תשובה:

אקסותרמית – לפי הקטע בתגובת השריפה "נפלטת אנרגיה המנוצלת להפקת חשמל".

תגובת השריפה של מתאן היא אקסותרמית.
נימוק לפי הקטע: "בתגובת שריפה מגיבים הפחמימנים עם חמצן... ונפלטת אנרגיה המנוצלת להפקת חשמל". תגובה שבה נפלטת אנרגיה לסביבה היא תגובה אקסותרמית (ΔH<0\Delta H < 0ΔH<0); הגז הטבעי משמש חומר דלק בדיוק משום שבשריפתו משתחררת אנרגיה.

סעיף ד

תשובה:

עמודה D – לפי הקטע, בהשוואה לחומרי דלק אחרים בשריפת גז טבעי נפלט פחות CO2\text{CO}_2CO2​, ו-D היא העמודה הנמוכה ביותר.

העמודה המייצגת את הגז הטבעי היא D.
נימוק לפי הקטע: "בהשוואה לחומרי דלק אחרים, בשריפת גז טבעי נפלט פחות CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​". לכן הגז הטבעי צריך להיות מיוצג על ידי העמודה שבה מסת הפחמן הדו-חמצני שנפלט היא הקטנה ביותר. בדיאגרמה זוהי עמודה D (פחות מ-5,000 ק"ג, לעומת כ-5,000 ק"ג ב-C, כ-10,000 ק"ג ב-B ויותר מ-30,000 ק"ג ב-A).

סעיף ה

תשובה:

III – 4000 מולקולות (1000 מולקולות CO ו-3000 מולקולות H₂).

לפי המקדמים בניסוח (6), מכל מולקולה אחת של CH4\text{CH}_4CH4​ (המגיבה עם מולקולה אחת של H2O\text{H}_2\text{O}H2​O) נוצרות מולקולה אחת של CO\text{CO}CO ו-3 מולקולות של H2\text{H}_2H2​, כלומר 4 מולקולות תוצרים.
CH4\text{CH}_4CH4​H2O\text{H}_2\text{O}H2​OCO\text{CO}COH2\text{H}_2H2​
יחס המקדמים1113
מספר מולקולות (מולקולות)1000100010003 × 1000 = 3000
מספר מולקולות התוצרים הכולל: 1000 מולקולות + 3000 מולקולות = 4000 מולקולות – תשובה III.
טעות נפוצה: לספור רק את מולקולות המימן (3000) או לחשוב שמספר המולקולות נשמר בתגובה. בתגובה כימית נשמר מספר האטומים מכל סוג, ולא מספר המולקולות.

	$\text{CH}_4$	$\text{H}_2\text{O}$	$\text{CO}$	$\text{H}_2$
יחס המקדמים	1	1	1	3
מספר מולקולות (מולקולות)	1000	1000	1000	3 × 1000 = 3000

פרק שלישי

שאלה 9 · יוד – משפחת ההלוגנים ואיזוטופים של יוד

שאלה פתוחה

מבנה האטום והטבלה המחזורית
יוד הוא יסוד שסמלו I ומספרו האטומי 53.

א.

(i)

לאיזו משפחה כימית שייך היסוד יוד?

(ii)

מהו מספר אלקטרוני הערכיות באטומי יוד? נמקו את תשובתכם.

(iii)

לפניכם ארבעה היגדים (1)–(4), הנוגעים למשפחות של יסודות בטבלה המחזורית.
מהם ההיגדים המאפיינים את משפחת היסודות אליה שייך היוד?
(1) היסודות בנויים ממולקולות דו-אטומיות.
(2) היסודות מעבירים זרם חשמלי במצב מוצק.
(3) כל היסודות הם גזים בטמפרטורת החדר.
(4) היסודות יוצרים תרכובות עם מתכות ועם אל-מתכות.

ב.

ברפואה מאבחנים בעיות בפעילות בלוטת התריס באמצעות יוד רדיואקטיבי.

(i)

בטבלה שלפניך מידע חלקי על שני איזוטופים רדיואקטיביים של יוד, I. העתיקו את הטבלה למחברת הבחינה והשלימו אותה.
סימול כימי של האיזוטופמספר אטומימספר מסהמספר פרוטוניםמספר אלקטרוניםמספר נויטרונים
53131I^{131}_{53}\text{I}53131​I
70

(ii)

איזוטופ 131I^{131}\text{I}131I פולט קרינה רדיואקטיבית והופך ל- 131Xe^{131}\text{Xe}131Xe.
קבעו מהו סוג הקרינה הרדיואקטיבית הנפלטת, α או β? נמקו את קביעתכם.

ג.

הכינו את התרכובת מגנזיום יודי, MgI2(s)\text{MgI}_{2(s)}MgI2(s)​, מהאיזוטופ 127I^{127}\text{I}127I .
מהו מספר הפרוטונים, מספר הנויטרונים ומספר האלקטרונים בחלקיקי היוד בתרכובת MgI2(s)\text{MgI}_{2(s)}MgI2(s)​?

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

(i)

תשובה:

משפחת ההלוגנים (הטור השביעי בטבלה המחזורית, טור 17).

בטבלה המחזורית יוד (53) נמצא באותו טור כמו פלואור (9), כלור (17) וברום (35) – משפחת ההלוגנים.

(ii)

תשובה:

7 אלקטרוני ערכיות.

לאטום יוד יש 7 אלקטרוני ערכיות.
נימוק: יוד נמצא במשפחת ההלוגנים (הטור השביעי של היסודות הראשיים), ולכל היסודות באותו טור אותו מספר אלקטרוני ערכיות – כמו לפלואור (2,7) ולכלור (2,8,7). (היערכות האלקטרונים של יוד היא 2,8,18,18,7: סכום 53 אלקטרונים, ובקליפה החיצונית 7.)

(iii)

תשובה:

היגדים (1) ו-(4).

- (1) מאפיין. ההלוגנים בנויים ממולקולות דו-אטומיות: F2\text{F}_2F2​, Cl2\text{Cl}_2Cl2​, Br2\text{Br}_2Br2​, I2\text{I}_2I2​ (שני אטומים קשורים בקשר קוולנטי יחיד).
- (2) אינו מאפיין. ההלוגנים הם אל-מתכות וחומרים מולקולריים; אין בהם חלקיקים טעונים ניידים, ולכן אינם מוליכים חשמל במצב מוצק (מוליכות במצב מוצק אופיינית למתכות).
- (3) אינו מאפיין. בטמפרטורת החדר F2\text{F}_2F2​ ו-Cl2\text{Cl}_2Cl2​ גזים, אבל Br2\text{Br}_2Br2​ נוזל ו-I2\text{I}_2I2​ מוצק.
- (4) מאפיין. ההלוגנים יוצרים תרכובות יוניות עם מתכות (למשל NaCl\text{NaCl}NaCl, MgI2\text{MgI}_2MgI2​) ותרכובות מולקולריות (קשרים קוולנטיים) עם אל-מתכות (למשל HI\text{HI}HI, HCl\text{HCl}HCl).

סעיף ב

(i)

תשובה:

שורה 1: 53, 131, 53, 53, 78. שורה 2: 53123I^{123}_{53}\text{I}53123​I, 53, 123, 53, 53, 70.

בשני האיזוטופים מדובר ביסוד יוד, ולכן המספר האטומי הוא 53 ומספר הפרוטונים 53. האטומים ניטרליים, ולכן מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים (53).
מספר המסה = מספר הפרוטונים + מספר הנויטרונים.
•שורה 1: מספר הנויטרונים = 131 − 53 = 78.
•שורה 2: מספר המסה = 53 + 70 = 123, ולכן הסימול הוא 53123I^{123}_{53}\text{I}53123​I.
סימול כימי של האיזוטופמספר אטומימספר מסהמספר פרוטוניםמספר אלקטרוניםמספר נויטרונים
53131I^{131}_{53}\text{I}53131​I53131535378
53123I^{123}_{53}\text{I}53123​I53123535370

סימול כימי של האיזוטופ	מספר אטומי	מספר מסה	מספר פרוטונים	מספר אלקטרונים	מספר נויטרונים
$^{131}_{53}\text{I}$	53	131	53	53	78
$^{123}_{53}\text{I}$	53	123	53	53	70

(ii)

תשובה:

קרינת β: מספר המסה נשאר 131 והמספר האטומי עלה ב-1 (מ-53 ל-54).

הקרינה הנפלטת היא β.
נימוק: יוד (מספר אטומי 53) הופך לקסנון (מספר אטומי 54, לפי הטבלה המחזורית), ומספר המסה נשאר 131:
53131I→ 54131Xe+ −10e^{131}_{53}\text{I} \rightarrow\ ^{131}_{54}\text{Xe} +\ ^{0}_{-1}\text{e}53131​I→ 54131​Xe+ −10​e
בפליטת β נויטרון בגרעין הופך לפרוטון ולאלקטרון, והאלקטרון נפלט מהגרעין. לכן מספר הפרוטונים גדל ב-1 ומספר המסה אינו משתנה – בדיוק מה שקרה.
אילו נפלטה קרינת α (גרעין הליום, 24He^{4}_{2}\text{He}24​He), המספר האטומי היה קטן ב-2 (ל-51, אנטימון) ומספר המסה היה קטן ב-4 (ל-127), ולא היה נוצר קסנון.

סעיף ג

תשובה:

ביון 127I−^{127}\text{I}^{-}127I−: 53 פרוטונים, 74 נויטרונים, 54 אלקטרונים.

MgI2\text{MgI}_2MgI2​ היא תרכובת יונית של מתכת ואל-מתכת. מגנזיום (טור שני) מוסר שני אלקטרונים ויוצר Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+, וכל אטום יוד (7 אלקטרוני ערכיות) מקבל אלקטרון אחד ויוצר יון יודי I−\text{I}^{-}I− (בדיקה: +2+2×(−1)=0+2 + 2 \times (-1) = 0+2+2×(−1)=0).
לכן חלקיקי היוד בתרכובת הם יונים 127I−^{127}\text{I}^{-}127I−:
•מספר פרוטונים = המספר האטומי = 53.
•מספר נויטרונים = מספר מסה − מספר פרוטונים = 127 − 53 = 74.
•מספר אלקטרונים = 53 + 1 = 54 (היון קיבל אלקטרון אחד).
טעות נפוצה: לכתוב 53 אלקטרונים, כאילו היוד בתרכובת הוא אטום ניטרלי. בתרכובת יונית היוד נמצא כיון שלילי.

שאלה 10 · סוגי סריגים: מגנזיום, אשלגן כלורי, יוד ויהלום

שאלה פתוחה

סוגי חומרים ותכונותיהם
לפניכם ארבעה איורים, a–d , המתארים באופן חלקי את המבנה המיקרוסקופי של ארבעה חומרים במצב מוצק:
מגנזיום, Mg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​ ; אשלגן כלורי, KCl(s)\text{KCl}_{(s)}KCl(s)​ ; יוד, I2(s)\text{I}_{2(s)}I2(s)​ ; יהלום, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​.

א.

העתיקו את הטבלה שלפניכם למחברת הבחינה, והשלימו אותה.
האיורנוסחת המוצק המתואר באיורסוגי החלקיקים במוצק
a
b
c
d

ב.

הסבירו מדוע מגנזיום, Mg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​ , מוליך חשמל ואילו יהלום, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​, אינו מוליך חשמל. בתשובתכם התייחסו למבנה המיקרוסקופי של החומרים.

ג.

אשלגן כלורי, KCl(s)\text{KCl}_{(s)}KCl(s)​, מתמוסס היטב במים.

(i)

נסחו את תהליך ההמסה במים של KCl(s)\text{KCl}_{(s)}KCl(s)​.

(ii)

התמיסה המימית של אשלגן כלורי מוליכה חשמל. הסבירו מדוע.

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

תשובה:

a – KCl\text{KCl}KCl, יונים K+\text{K}^{+}K+ ו-Cl−\text{Cl}^{-}Cl−; b – C\text{C}C (יהלום), אטומי פחמן; c – Mg\text{Mg}Mg, יונים Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ ואלקטרונים חופשיים; d – I2\text{I}_2I2​, מולקולות I2\text{I}_2I2​.

האיורנוסחת המוצק המתואר באיורסוגי החלקיקים במוצק
aKCl(s)\text{KCl}_{(s)}KCl(s)​יונים חיוביים K+\text{K}^{+}K+ ויונים שליליים Cl−\text{Cl}^{-}Cl−
bC(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ (יהלום)אטומי פחמן C\text{C}C
cMg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​יונים חיוביים Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ ואלקטרונים (חופשיים, ניידים)
dI2(s)\text{I}_{2(s)}I2(s)​מולקולות I2\text{I}_2I2​
הסבר הזיהוי:
- a – סריג של חלקיקים טעונים "+" ו-"−" לסירוגין: סריג יוני – אשלגן כלורי.
- b – רשת של אטומים זהים שכל אחד קשור לארבעה אטומים אחרים: סריג אטומרי (קוולנטי) – יהלום.
- c – יונים בעלי מטען +2 מוקפים במטענים שליליים (אלקטרונים): סריג מתכתי – מגנזיום (מגנזיום בטור השני, מוסר 2 אלקטרוני ערכיות ויוצר Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+).
- d – יחידות של שני אטומים זהים צמודים (מולקולות דו-אטומיות) מסודרות בסריג: סריג מולקולרי – יוד.

האיור	נוסחת המוצק המתואר באיור	סוגי החלקיקים במוצק
a	$\text{KCl}_{(s)}$	יונים חיוביים $\text{K}^{+}$ ויונים שליליים $\text{Cl}^{-}$
b	$\text{C}_{(s)}$ (יהלום)	אטומי פחמן $\text{C}$
c	$\text{Mg}_{(s)}$	יונים חיוביים $\text{Mg}^{2+}$ ואלקטרונים (חופשיים, ניידים)
d	$\text{I}_{2(s)}$	מולקולות $\text{I}_2$

סעיף ב

תשובה:

במגנזיום יש אלקטרונים חופשיים (ניידים) בסריג המתכתי; ביהלום כל אלקטרוני הערכיות קשורים בקשרים קוולנטיים בין האטומים ואין חלקיקים טעונים ניידים.

כדי שחומר יוליך חשמל צריכים להיות בו חלקיקים טעונים ניידים.
- מגנזיום בנוי מסריג מתכתי: יונים חיוביים Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ בסריג, וביניהם "ים" של אלקטרוני ערכיות שאינם שייכים לאטום מסוים ויכולים לנוע בחופשיות בכל הסריג. כאשר מפעילים מתח חשמלי האלקטרונים החופשיים נעים בכיוון מסוים – ולכן מגנזיום מוליך חשמל.
- יהלום בנוי מסריג אטומרי: כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לארבעה אטומי פחמן אחרים, וכל ארבעת אלקטרוני הערכיות של כל אטום משמשים בקשרים אלה ונמצאים בין שני אטומים מסוימים (אינם ניידים). בסריג אין יונים ואין אלקטרונים חופשיים – ולכן יהלום אינו מוליך חשמל.

סעיף ג

(i)

תשובה:

KCl(s)→H2O(l)K(aq)++Cl(aq)−\text{KCl}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{Cl}^{-}_{(aq)}KCl(s)​H2​O(l)​​K(aq)+​+Cl(aq)−​

בהמסה במים הסריג היוני מתפרק, והיונים מוקפים במולקולות מים (יונים מוּמָּסים, aq):
KCl(s)→H2O(l)K(aq)++Cl(aq)−\text{KCl}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{Cl}^{-}_{(aq)}KCl(s)​H2​O(l)​​K(aq)+​+Cl(aq)−​
בדיקה: אטום K אחד ואטום Cl אחד בכל צד; סכום המטענים בצד ימין: (+1)+(−1)=0(+1) + (-1) = 0(+1)+(−1)=0, כמו בצד שמאל.
טעות נפוצה: לרשום את המים כמגיב בניסוח ("KCl + H₂O") או לא לציין מצבי צבירה. המים הם הממס ונכתבים מעל החץ.

(ii)

תשובה:

בתמיסה יש יונים K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}K(aq)+​ ו-Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​ ניידים, הנעים כאשר מפעילים מתח.

בתמיסה המימית הסריג היוני התפרק, והיונים K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}K(aq)+​ ו-Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​ אינם קבועים במקומם אלא ניידים בתמיסה. כאשר מפעילים מתח חשמלי, היונים החיוביים נעים לכיוון הקוטב השלילי והיונים השליליים לכיוון הקוטב החיובי – כלומר יש בתמיסה חלקיקים טעונים ניידים, ולכן היא מוליכה חשמל.

שאלה 11 · ספיחת צבע מאכל על פחם פעיל

שאלה פתוחה

מיומנויות החקר המדעי
"פחם פעיל" הוא אבקה שחורה בעלת מבנה נקבובי המאפשר לה לקשור חומרים בתהליך הנקרא ספיחה. פחם פעיל משמש בין השאר לטיהור מים. כאשר המים עוברים תהליך סינון דרך פחם פעיל, הפחם הפעיל סופח אליו את החומרים הלא רצויים שנמצאים בתוכם.
בניסוי שביצעו במעבדה לכימיה, התלמידים העבירו תמיסה מימית של צבע מאכל כחול דרך פחם פעיל. לאחר הסינון התקבל נוזל חסר צבע.
האיור שלפניכם מתאר את מערכת הניסוי:
קבוצת תלמידים תכננה ניסוי נוסף על מנת לחקור כיצד מסת הפחם הפעיל משפיעה על עוצמת הצבע של הנוזל שמתקבל לאחר שתמיסה מימית של צבע מאכל כחול עוברת סינון דרך הפחם הפעיל.
לפניכם תיאור של מהלך הניסוי:
התלמידים הכינו חמש מערכות. לכל אחת מהמערכות הכניסו מסה שונה של פחם פעיל, כמפורט בטבלה שלפניכם:
מערכת מספר12345
מסת הפחם הפעיל (גרם)00.511.52
התלמידים הכינו תמיסה מימית של צבע מאכל כחול ובכל אחת מהמערכות סיננו נפח שווה של התמיסה.
התלמידים מדדו בעזרת מכשיר מדידה את עוצמת הצבע של הנוזל שהתקבל לאחר הסינון דרך הפחם פעיל.
המדידה בוצעה בסקלה מ-0 עד 6 : 0 – לחסר צבע ; 6 – לצבע כחול חזק.
לפניכם גרף המתאר את השינוי בעוצמת הצבע של התמיסה לאחר הסינון כתלות במסת הפחם הפעיל.

מערכת מספר	1	2	3	4	5
מסת הפחם הפעיל (גרם)	0	0.5	1	1.5	2

א.

(i)

ציינו את המשתנה התלוי ואת המשתנה הבלתי תלוי בניסוי זה.

(ii)

ציינו גורם אחד שנשמר קבוע בניסוי.

ב.

לפניכם ארבעה היגדים (1) – (4) הנוגעים לניסוי שהתלמידים ביצעו.
קבעו עבור כל אחד מן ההיגדים אם הוא מבטא: תצפית, פירוש של תצפית או מסקנה.
(1) הפחם הפעיל הוא מוצק בצבע שחור בצורת אבקה.
(2) הפחם הפעיל ספח רק חלק מהצבע הכחול.
(3) עוצמת הצבע של התמיסה הייתה שווה ל- 0.
(4) יש קשר בין מסת הפחם הפעיל לבין עוצמת הצבע של הנוזל לאחר הסינון.

ג.

התלמידים ביצעו ניסוי נוסף. הם העבירו תמיסה מימית של צבע מאכל כחול דרך 0.8 גרם פחם פעיל. רשמו תצפית אחת בניסוי זה המאפיינת את הנוזל שהתקבל לאחר הסינון.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

(i)

תשובה:

בלתי תלוי: מסת הפחם הפעיל (גרם). תלוי: עוצמת הצבע של הנוזל שהתקבל לאחר הסינון.

- המשתנה הבלתי תלוי – הגורם שהתלמידים שינו בכוונה: מסת הפחם הפעיל (0, 0.5, 1, 1.5, 2 גרם).
- המשתנה התלוי – הגורם שנמדד ומושפע מהשינוי: עוצמת הצבע של הנוזל שהתקבל לאחר הסינון (בסקלה 0–6).

(ii)

תשובה:

נפח התמיסה שסוננה בכל מערכת (או: אותה תמיסה של צבע מאכל כחול – אותו ריכוז).

גורם אחד מהבאים:
•נפח התמיסה שסוננה – "בכל אחת מהמערכות סיננו נפח שווה של התמיסה".
•ריכוז הצבע בתמיסה – כל המערכות קיבלו את אותה תמיסה שהוכנה מראש.
•סוג הצבע (צבע מאכל כחול) וסוג הפחם הפעיל.
•מכשיר המדידה ושיטת המדידה של עוצמת הצבע.

סעיף ב

תשובה:

(1) תצפית; (2) פירוש של תצפית; (3) תצפית; (4) מסקנה.

- תצפית – מה שרואים או מודדים ישירות בחושים או במכשיר, בלי הסבר.
- פירוש של תצפית – הסבר של מה שנצפה (לרוב ברמת החלקיקים או בתהליך שלא רואים ישירות).
- מסקנה – קביעה כללית הנובעת מכלל התוצאות של הניסוי, והיא עונה על שאלת החקר.
היגדסוגנימוק
(1)תצפיתצבע ומצב צבירה (אבקה שחורה) נראים ישירות בעין.
(2)פירוש של תצפיתהספיחה עצמה אינה נראית; זהו הסבר לכך שעוצמת הצבע ירדה אך לא הגיעה ל-0 (במערכות עם מסה קטנה של פחם פעיל).
(3)תצפיתזו תוצאת מדידה של מכשיר המדידה (במערכת עם 2 גרם פחם פעיל).
(4)מסקנהקביעה כללית על הקשר בין המשתנה הבלתי תלוי לתלוי, המבוססת על כל תוצאות הניסוי ועונה על שאלת החקר.

היגד	סוג	נימוק
(1)	תצפית	צבע ומצב צבירה (אבקה שחורה) נראים ישירות בעין.
(2)	פירוש של תצפית	הספיחה עצמה אינה נראית; זהו הסבר לכך שעוצמת הצבע ירדה אך לא הגיעה ל-0 (במערכות עם מסה קטנה של פחם פעיל).
(3)	תצפית	זו תוצאת מדידה של מכשיר המדידה (במערכת עם 2 גרם פחם פעיל).
(4)	מסקנה	קביעה כללית על הקשר בין המשתנה הבלתי תלוי לתלוי, המבוססת על כל תוצאות הניסוי ועונה על שאלת החקר.

סעיף ג

תשובה:

הנוזל שמתקבל לאחר הסינון כחול, בעוצמה בינונית (חלשה יותר מזו של התמיסה המקורית) – עוצמת צבע של כ-3 בסקלה.

לפי הגרף, עבור מסת פחם פעיל של 0.8 גרם עוצמת הצבע של הנוזל לאחר הסינון היא כ-3 (בין הערך כ-3.9 שב-0.5 גרם לבין הערך כ-2.5 שב-1 גרם).
לכן תצפית אפשרית: הנוזל שהתקבל לאחר הסינון כחול, בגוון חלש יותר מזה של התמיסה המקורית (אינו חסר צבע), ועוצמת הצבע שנמדדה היא כ-3.
שימו לב: התצפית צריכה לתאר את מה שרואים/מודדים (צבע הנוזל ועוצמתו), ולא הסבר כמו "הפחם ספח חלק מהצבע" – זהו פירוש של תצפית.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ג – איורים I ו-III: בשניהם יש סוג אחד בלבד של אטומים.
2	-	ב – ל-X ול-Z אותו מספר פרוטונים (8) ומספר נויטרונים שונה, ולכן הם איזוטופים של חמצן.
3	-	ב – היגדים I ו-IV: בטור יש מספר זהה של אלקטרוני ערכיות, ובמחזור מספר זהה של רמות אנרגיה מאוכלסות.
4	-	ד – $\text{Li}_3\text{N}$ : יוני $\text{Li}^{+}$ ויוני $\text{N}^{3-}$ ביחס 3:1.
5	-	ב – $0^{\circ}\text{C}$ : באיור החומר נוזל, וזו הטמפרטורה היחידה בין טמפרטורת ההיתוך לטמפרטורת הרתיחה.
6	-	ד – $\text{K}_{(s)}$ ו- $\text{SiO}_{2(s)}$ .
7	-	א – $\text{I}_{2(s)}$ : חומר מולקולרי, ובין מולקולות $\text{I}_2$ פועלות אינטראקציות ון־דר־ואלס.
8	א	(1) הגז הטבעי של ישראל טהור מאוד – 99% מתאן; (2) הוא דלק ידידותי יותר לסביבה: בשריפתו נפלטים פחות מזהמים (פחות פגיעה בבריאות הציבור) ופחות $\text{CO}_2$ התורם להתחממות כדור הארץ. (אפשר גם: מאגר גדול שאפשר להשתמש בו במקום פחם ונפט להפקת חשמל.)
	ב i	ניסוח (2): $\text{CH}_{4(l)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}$ – רתיחה.
	ב ii	ב- $-100^{\circ}\text{C}$ מתאן הוא גז: (1) המולקולות רחוקות מאוד זו מזו; (2) המולקולות נעות במהירות, באופן חופשי ואקראי בכל נפח הכלי.
	ג i	ניסוח (5) הוא הנכון.
	ג ii	$\text{CO}_2$ : O=C=O עם שני זוגות לא קושרים על כל אטום חמצן; $\text{H}_2\text{O}$ : H–O–H (מולקולה זוויתית) עם שני זוגות לא קושרים על אטום החמצן.
	ג iii	אקסותרמית – לפי הקטע בתגובת השריפה "נפלטת אנרגיה המנוצלת להפקת חשמל".
	ד	עמודה D – לפי הקטע, בהשוואה לחומרי דלק אחרים בשריפת גז טבעי נפלט פחות $\text{CO}_2$ , ו-D היא העמודה הנמוכה ביותר.
	ה	III – 4000 מולקולות (1000 מולקולות CO ו-3000 מולקולות H₂).
9	א i	משפחת ההלוגנים (הטור השביעי בטבלה המחזורית, טור 17).
	א ii	7 אלקטרוני ערכיות.
	א iii	היגדים (1) ו-(4).
	ב i	שורה 1: 53, 131, 53, 53, 78. שורה 2: $^{123}_{53}\text{I}$ , 53, 123, 53, 53, 70.
	ב ii	קרינת β: מספר המסה נשאר 131 והמספר האטומי עלה ב-1 (מ-53 ל-54).
	ג	ביון $^{127}\text{I}^{-}$ : 53 פרוטונים, 74 נויטרונים, 54 אלקטרונים.
10	א	a – $\text{KCl}$ , יונים $\text{K}^{+}$ ו- $\text{Cl}^{-}$ ; b – $\text{C}$ (יהלום), אטומי פחמן; c – $\text{Mg}$ , יונים $\text{Mg}^{2+}$ ואלקטרונים חופשיים; d – $\text{I}_2$ , מולקולות $\text{I}_2$ .
	ב	במגנזיום יש אלקטרונים חופשיים (ניידים) בסריג המתכתי; ביהלום כל אלקטרוני הערכיות קשורים בקשרים קוולנטיים בין האטומים ואין חלקיקים טעונים ניידים.
	ג i	$\text{KCl}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{Cl}^{-}_{(aq)}$
	ג ii	בתמיסה יש יונים $\text{K}^{+}_{(aq)}$ ו- $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ ניידים, הנעים כאשר מפעילים מתח.
11	א i	בלתי תלוי: מסת הפחם הפעיל (גרם). תלוי: עוצמת הצבע של הנוזל שהתקבל לאחר הסינון.
	א ii	נפח התמיסה שסוננה בכל מערכת (או: אותה תמיסה של צבע מאכל כחול – אותו ריכוז).
	ב	(1) תצפית; (2) פירוש של תצפית; (3) תצפית; (4) מסקנה.
	ג	הנוזל שמתקבל לאחר הסינון כחול, בעוצמה בינונית (חלשה יותר מזו של התמיסה המקורית) – עוצמת צבע של כ-3 בסקלה.

פרק ראשון

שאלה 1 · יסוד, תרכובת ותערובת ברמה המיקרוסקופית

שאלה 2 · פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים – איזוטופים ויונים

שאלה 3 · אלקטרוני ערכיות ורמות אנרגיה בטור ובמחזור

שאלה 4 · נוסחה של תרכובת יונית – ליתיום וחנקן

שאלה 5 · מצב צבירה של מימן פלואורי וטמפרטורות היתוך ורתיחה

שאלה 6 · מוליכות חשמלית של סוגי מוצקים

שאלה 7 · אינטראקציות ון־דר־ואלס – זיהוי חומר מולקולרי

פרק שני

שאלה 8 · הגז הטבעי וחשיבותו כחומר דלק

ניתוח קטע מדעי

הגז הטבעי וחשיבותו כחומר דלק

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

פרק שלישי

שאלה 9 · יוד – משפחת ההלוגנים ואיזוטופים של יוד

מבנה האטום והטבלה המחזורית

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

שאלה 10 · סוגי סריגים: מגנזיום, אשלגן כלורי, יוד ויהלום

סוגי חומרים ותכונותיהם

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

שאלה 11 · ספיחת צבע מאכל על פחם פעיל

מיומנויות החקר המדעי

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד