בגרות בכימיה מבוא לכימיה 037182 - קיץ 2025

לפי הפסקה השנייה בקטע, ההתחממות הגלובלית בטווח הארוך עלולה לגרום ל:

1. היתוך קרחונים;

2. עליית מפלס מי הים;

3. אירועי מזג אוויר קיצוניים;

4. פגיעה במערכות אקולוגיות.

תוצאות אלה פוגעות בבני האדם ובסביבה, ולכן העלייה בטמפרטורה הממוצעת מהווה אתגר לטווח הארוך.

$\text{CO}_2$: אטום הפחמן במרכז, קשור לכל אחד משני אטומי החמצן בקשר כפול (O=C=O). על כל אטום חמצן שני זוגות אלקטרונים לא-קושרים. על אטום הפחמן אין זוגות לא-קושרים. סה"כ 16 אלקטרוני ערכיות ($4 + 2 \cdot 6$), וכל אטום מוקף באוקטט.

$\text{CH}_4$: אטום הפחמן במרכז, קשור בארבעה קשרים יחידים לארבעה אטומי מימן. אין זוגות לא-קושרים. סה"כ 8 אלקטרוני ערכיות ($4 + 4 \cdot 1$): לפחמן אוקטט ולכל מימן זוג אלקטרונים.

מאזנים לפי סוג אטום:

- פחמן: אטום C אחד בכל צד – מקדם 1 ל-$\text{CH}_4$ ול-$\text{CO}_2$.

- מימן: ב-$\text{CH}_4$ יש 4 אטומי H, ולכן נדרשות 2 מולקולות $\text{H}_2\text{O}$ (בכל אחת 2 אטומי H).

- חמצן: בתוצרים יש $2 + 2 \cdot 1 = 4$ אטומי O, ולכן נדרשות 2 מולקולות $\text{O}_2$.

בדיקה: מגיבים – C: 1, H: 4, O: 4; תוצרים – C: 1, H: 4, O: 4. התגובה מאוזנת.

•הקסאן, $\text{C}_6\text{H}_{14}$, ומתאן, $\text{CH}_4$, הם שניהם פחמימנים – חומרים מולקולריים שמולקולותיהם לא-קוטביות.

•בין מולקולות הקסאן לבין עצמן, ובין מולקולות מתאן לבין עצמן, פועלות רק אינטראקציות ואן דר ואלס. גם בין מולקולת מתאן למולקולת הקסאן נוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס דומות, ולכן מולקולות המתאן יכולות להתפזר בין מולקולות ההקסאן באופן אחיד – נוצרת תערובת הומוגנית.

•לעומת זאת, בין מולקולות המים פועלים קשרי מימן חזקים. מולקולות ההקסאן אינן יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים, ולכן מולקולות המים נשארות קשורות זו לזו והחומרים נפרדים לשתי שכבות – תערובת הטרוגנית בכלי ב'.

לפי הפסקה הראשונה, "המקור העיקרי לפליטת $\text{CO}_{2(g)}$ הוא שריפת דלקים פוסיליים, כמו: פחם, נפט וגז טבעי". גז טבעי הוא בעיקר מתאן. דלקים נשרפים כדי להפיק מהם אנרגיה (חום), ובפסקה השלישית מוצע להחליף אותם ב"אנרגיות מתחדשות" – כלומר הדלקים הפוסיליים משמשים כמקור אנרגיה.

תגובה שבה נפלטת אנרגיה לסביבה היא תגובה אקסותרמית ($\Delta H < 0$).

שני מאפיינים (מספיק לציין שניים מתוך הבאים):

1. המים הם חומר מולקולרי: הם בנויים ממולקולות $\text{H}_2\text{O}$ נפרדות.

2. כל מולקולת מים בנויה מאטום חמצן אחד ושני אטומי מימן, הקשורים בקשרים קוולנטיים.

3. בין מולקולות המים פועלים קשרי מימן (כוחות בין-מולקולריים).

4. מולקולת המים כפופה (זוויתית) וקוטבית.

בין אטום החמצן לכל אחד מאטומי המימן במולקולת המים יש קשר קוולנטי יחיד: זוג אלקטרונים משותף לשני האטומים, הנמשך לשני הגרעינים. (מכיוון שהחמצן מושך את זוג האלקטרונים חזק יותר מהמימן, הקשר קוולנטי קוטבי.)

טעות נפוצה: לענות "קשרי מימן" – קשרי מימן הם כוחות בין מולקולות מים שונות, ולא הקשרים שבתוך המולקולה.

נימוק לעמדה שיש להפחית את ריכוז $\text{CO}_2$: לפי הטבלה, ריכוז $\text{CO}_2$ באטמוספירה הוא 420 ppm – גבוה בהרבה מריכוז $\text{N}_2\text{O}$ (0.33 ppm, פי כ-1,270) ומריכוז $\text{CH}_4$ (1.9 ppm). בגלל הכמות הגדולה, התרומה הכוללת של $\text{CO}_2$ להתחממות היא הגדולה ביותר, ולכן הפחתתו תשפיע הכי הרבה.

(הערכה: מכפלת הריכוז בפוטנציאל החימום – $\text{CO}_2$: $420 \cdot 1 = 420$; $\text{N}_2\text{O}$: $0.33 \cdot 265 \approx 87.5$; $\text{CH}_4$: $1.9 \cdot 28 \approx 53.2$.)

נימוק לעמדה שיש להפחית את $\text{N}_2\text{O}$: לפי הטבלה, פוטנציאל החימום של $\text{N}_2\text{O}$ גבוה פי 265 מזה של $\text{CO}_2$ – כל כמות של $\text{N}_2\text{O}$ גורמת לחימום גדול פי 265 מאותה כמות של $\text{CO}_2$. לכן הפחתה של כמות קטנה של $\text{N}_2\text{O}$ תביא להפחתה משמעותית בהתחממות, בהשקעה קטנה יחסית.

ל-A אלקטרון ערכיות אחד (ברמה החיצונית), ולכן הוא נמצא בטור הראשון (זהו נתרן, Na).

ל-B שלוש רמות אנרגיה מאוכלסות (2, 8, 3), ולכן הוא נמצא בשורה השלישית (זהו אלומיניום, Al).

באטום ניטרלי מספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים: $2 + 8 + 5 = 15$ פרוטונים (זהו זרחן, P).

ל-E רמה חיצונית מלאה עם 8 אלקטרונים (2, 8, 8 – ארגון, Ar), ולכן הוא נמצא בטור האחרון – טור הגזים האצילים.

אלקטרוני הערכיות הם האלקטרונים ברמה החיצונית; ב-D יש 7 אלקטרונים ברמה השלישית.

להלוגנים 7 אלקטרוני ערכיות, ולכן היסוד D (כלור, Cl) שייך למשפחת ההלוגנים.

הקשרים שבהם משתמשים:

•מספר אטומי = מספר הפרוטונים; באטום ניטרלי גם מספר האלקטרונים שווה לו.

•מספר מסה = מספר פרוטונים + מספר נויטרונים.

•את סמל היסוד מוצאים בטבלה המחזורית לפי המספר האטומי.

שורה 1: $^{40}_{18}\text{Ar}$ – מספר אטומי 18, ולכן 18 פרוטונים ו-18 אלקטרונים; מספר מסה 40; נויטרונים: $40 - 18 = 22$.

שורה 2: מספר אטומי 43 – 43 פרוטונים ו-43 אלקטרונים; מספר מסה: $43 + 56 = 99$; לפי הטבלה המחזורית היסוד הוא טכנציום: $^{99}_{43}\text{Tc}$.

שורה 3: 29 אלקטרונים באטום ניטרלי – 29 פרוטונים, מספר אטומי 29 (נחושת, Cu); נויטרונים: $64 - 29 = 35$; $^{64}_{29}\text{Cu}$.

שורה 4: 18 אלקטרונים – 18 פרוטונים, מספר אטומי 18 (ארגון, Ar); מספר מסה: $18 + 24 = 42$; $^{42}_{18}\text{Ar}$.

האיזוטופים הם $^{40}_{18}\text{Ar}$ ו-$^{42}_{18}\text{Ar}$.

נימוק: איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד – בעלי אותו מספר פרוטונים (אותו מספר אטומי) אך מספר נויטרונים שונה, ולכן מספר מסה שונה. לשני האטומים 18 פרוטונים (שניהם ארגון), אך לאחד 22 נויטרונים ולשני 24 (מספרי מסה 40 ו-42).

לא נכון. מגנזיום (12 אלקטרונים) נמצא בשורה השלישית – היערכות 2, 8, 2: שלוש רמות אנרגיה. אשלגן (19 אלקטרונים) נמצא בשורה הרביעית – היערכות 2, 8, 8, 1: ארבע רמות אנרגיה.

ההיגד המתוקן: לאשלגן, K, יש יותר רמות אנרגיה (מאוכלסות) מאשר למגנזיום, Mg.

לא נכון. לזרחן 15 אלקטרונים, בהיערכות 2, 8, 5. ברמה הראשונה יש מקום ל-2 אלקטרונים בלבד.

ההיגד המתוקן: לזרחן, P, יש 2 אלקטרונים ברמה הראשונה (ו-8 אלקטרונים ברמה השנייה).

נכון. בריום (טור 2) ורובידיום (טור 1) הם מתכות. במוצק המתכתי יש סריג של יונים חיוביים המוקפים ב"ים" של אלקטרונים ניידים, ולכן הם מוליכים חשמל היטב במצב מוצק.

לא נכון. לאטום מגנזיום 2 אלקטרוני ערכיות (2, 8, 2); הוא מוסר אותם ויוצר יון חיובי $\text{Mg}^{2+}$. לאטום גופרית 6 אלקטרוני ערכיות (2, 8, 6); הוא קולט 2 אלקטרונים להשלמת אוקטט ויוצר יון שלילי $\text{S}^{2-}$.

ההיגד המתוקן: ליוני גופרית, $\text{S}^{2-}$, מטען שלילי ($2-$), וליוני מגנזיום, $\text{Mg}^{2+}$, מטען חיובי ($2+$); המטענים שווים בגודלם אך הפוכים בסימנם.

- D – Al: מוליך חשמל גם במצב מוצק וגם במצב נוזל, וטמפרטורות היתוך ורתיחה גבוהות – חומר מתכתי.

- C – NaBr: אינו מוליך במוצק אך מוליך בנוזל, טמפרטורת היתוך גבוהה ומסיסות טובה במים – חומר יוני.

- A ו-B – טמפרטורות היתוך ורתיחה נמוכות ואינם מוליכים חשמל – חומרים מולקולריים. B מסיס היטב במים – זהו מתנול, $\text{CH}_3\text{OH}$, שמולקולותיו יוצרות קשרי מימן עם מולקולות המים. A – מסיסות זניחה במים – זהו $\text{CCl}_4$, שמולקולותיו לא-קוטביות.

החומר C (NaBr) הוא חומר יוני, הבנוי מסריג של יונים חיוביים $\text{Na}^{+}$ ויונים שליליים $\text{Br}^{-}$ הקשורים בקשר יוני.

- במוצק: היונים קבועים במקומם בסריג (יכולים רק לרטוט), ואין חלקיקים טעונים ניידים – ולכן אין הולכה חשמלית.

- בנוזל (מותך): הסריג היוני מתפרק, היונים חופשיים לנוע, ובהפעלת מתח הם נעים לעבר האלקטרודות – ולכן יש הולכה חשמלית.

טעות נפוצה: לכתוב שבנוזל "האלקטרונים חופשיים לנוע" – בחומר יוני נושאי המטען הם היונים.

החומר D (אלומיניום) הוא מתכת. הסריג המתכתי בנוי מיונים חיוביים ($\text{Al}^{3+}$) המוקפים ב"ים" של אלקטרוני ערכיות שאינם שייכים לאטום מסוים וניידים בכל הסריג. גם במצב מוצק וגם במצב נוזל האלקטרונים חופשיים לנוע, ולכן המתכת מוליכה חשמל בשני המצבים.

החומרים A ($\text{CCl}_4$) ו-B ($\text{CH}_3\text{OH}$) הם חומרים מולקולריים. בהיתוך וברתיחה לא נשברים הקשרים הקוולנטיים שבתוך המולקולות, אלא רק מתגברים על הכוחות הבין-מולקולריים (אינטראקציות ואן דר ואלס, וב-B גם קשרי מימן). כוחות אלה חלשים בהרבה מהקשרים היוניים או המתכתיים (שבחומרים C ו-D), ולכן נדרשת אנרגיה קטנה יחסית להפרדת המולקולות – וטמפרטורות ההיתוך והרתיחה נמוכות.

החומר B הוא מתנול, $\text{CH}_3\text{OH}$. במולקולה יש קבוצת OH – אטום מימן הקשור לאטום חמצן. לכן מולקולות המתנול יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים (כמו שמולקולות המים יוצרות ביניהן). הכוחות הנוצרים בין מולקולות המתנול למולקולות המים דומים בחוזקם לכוחות שבין מולקולות כל חומר לחוד, ולכן מולקולות המתנול מתפזרות בין מולקולות המים – המסיסות טובה.

מגנזיום (טור 2) מוסר 2 אלקטרונים ויוצר יון $\text{Mg}^{2+}$. יוד (טור 17, הלוגן) קולט אלקטרון אחד ויוצר יון $\text{I}^{-}$. כדי שסכום המטענים יהיה אפס, דרושים שני יוני יודיד לכל יון מגנזיום: $(+2) + 2 \cdot (-1) = 0$. הנוסחה האמפירית: $\text{MgI}_2$.

בהיתוך של חומר יוני הסריג המוצק מתפרק ליונים ניידים במצב נוזל:

בדיקה: אטום Mg אחד ושני אטומי I בכל צד; מטען כולל: משמאל 0, מימין $(+2) + 2 \cdot (-1) = 0$.

כן, המגנזיום היודי המותך מוליך חשמל. מגנזיום יודי הוא חומר יוני. במוצק היונים $\text{Mg}^{2+}$ ו-$\text{I}^{-}$ קבועים במקומם בסריג. לאחר ההיתוך הסריג מתפרק והיונים חופשיים לנוע; בהפעלת מתח היונים החיוביים נעים לעבר הקוטב השלילי והיונים השליליים לעבר הקוטב החיובי – וכך עובר זרם חשמלי.

שאלת חקר מנוסחת כשאלה הקושרת בין הגורם שמשנים (המשתנה הבלתי תלוי) לבין מה שמודדים (המשתנה התלוי):

- המשתנה הבלתי תלוי (מה שהתלמידים שינו): מסת הסודה לשתייה שהוכנסה לכל כוס (בגרם).

- המשתנה התלוי (מה שנמדד): נפח הנוזל שנותר בכוס בסיום התגובה (במ"ל).

גורמים קבועים (מספיק שניים):

1. נפח החומץ שנשפך לכל כוס (כפי שנכתב – "נפח שווה של חומץ").

2. סוג החומץ וריכוזו (אותו בקבוק חומץ).

3. נפח וצורה של הכוסות הכימיות ("כוסות כימיות בנפח שווה").

4. הטמפרטורה של החומרים בתחילת הניסוי.

המשתנה הבלתי תלוי – מסת הסודה לשתייה – הוא משתנה כמותי רציף: המסה יכולה לקבל כל ערך (גם בין 0.5 ל-1 גרם). לכן מציגים את התוצאות כנקודות על ציר מספרי רציף (גרף I). גרף עמודות (גרף II) מתאים למשתנה בלתי תלוי קטגוריאלי (למשל סוגים שונים של חומרים), שבו אין משמעות לערכים שבין העמודות. בגרף II ערכי המסה מוצגים כקטגוריות נפרדות, כאילו אין ביניהן רצף.

גרף I מוצג על ציר מסה רציף (מ-0 עד 2.5 גרם), ולכן:

•אפשר לראות את המגמה – הקשר בין המשתנים: ככל שמסת הסודה גדלה, נפח הנוזל שנותר קטן, והירידה הולכת וקטנה (מ-110 מ"ל ל-80 מ"ל בין 0.5 ל-1 גרם, ורק מ-68 ל-60 מ"ל בין 1.5 ל-2 גרם).

•אפשר להעביר קו מגמה ולהעריך את נפח הנוזל עבור מסות שלא נבדקו בניסוי (למשל 0.75 גרם), וגם לשער מה יקרה מעבר לתחום שנמדד.

בגרף העמודות אין רצף בין הערכים, ולכן אי אפשר להסיק ממנו ערכים שבין העמודות.

כותרת של גרף מציינת את המשתנה התלוי כתלות במשתנה הבלתי תלוי:

"נפח הנוזל שנותר בכוס (מ"ל) כתלות במסת הסודה לשתייה (גרם)".

תיאור התוצאות: לפי הגרפים, ככל שמסת הסודה לשתייה גדלה (מ-0.5 ל-2 גרם), נפח הנוזל שנותר בכוס קטן (מכ-110 מ"ל לכ-60 מ"ל).

הסבר: הסודה לשתייה מגיבה עם החומץ (החומצה) ונוצר גז פחמן דו-חמצני. כאשר מוסיפים מסה גדולה יותר של סודה לשתייה לאותו נפח חומץ, מגיבה כמות גדולה יותר של חומרים ונוצר יותר גז פחמן דו-חמצני. לפי תיאור הניסוי, הגז שנוצר סוחף איתו חלק מהנוזל החוצה; ככל שנוצר יותר גז, הוא סוחף יותר נוזל אל מחוץ לכוס, ולכן נפח הנוזל שנותר בכוס קטן יותר.

הירידה בנפח הולכת וקטנה ככל שהמסה גדלה – כנראה מפני שנפח החומץ קבוע: ככל שמוסיפים יותר סודה, החומץ הולך ומנוצל, ותוספת סודה מייצרת פחות ופחות גז נוסף.