מתכונת 1 בכימיה - מבוא לכימיה 037182

יחידה אחת · שאלון 037182 · 11 שאלות · 1:30 שעות

מבחן מתכונת בכימיה, מבוא לכימיה, במבנה של בחינת הבגרות ולפי מיקוד תשפ"ז. כל שאלה בו בנויה כמו שאלה מבגרות אחרת. לכל סעיף יש תשובה ופתרון מלא - פתרו בזמן של הבחינה, ורק אחר כך פתחו את הפתרונות.

מבנה המתכונת

מבנה המתכונת: פרק ראשון (30 נק'): שאלות 1–7 רב-ברירה – 6 תשובות נכונות מתוך 7 מקנות 30 נקודות (5 לכל שאלה). פרק שני (40 נק'): שאלת מאמר חובה. פרק שלישי (30 נק'): יש לענות על 2 מתוך 3 שאלות, 15 נקודות לכל שאלה. משך: שעה וחצי.

פרק ראשון

שאלה 1 · משתנה תלוי בניסוי טמפרטורות רתיחה

רב-ברירה

תלמידים רצו לבדוק כיצד משפיע סוג הנוזל על טמפרטורת הרתיחה שלו. הם הכניסו 50 מ"ל של כל אחד משלושה נוזלים – מים, אתנול ואצטון – למבחנות זהות, חיממו כל מבחנה באותו מקור חום, ומדדו במדחום את הטמפרטורה שבה הנוזל רתח.
מהו המשתנה התלוי בניסוי זה?

א.
טמפרטורת הרתיחה של הנוזל
ב.
סוג הנוזל
ג.
נפח הנוזל במבחנה
ד.
מקור החום שבו חיממו את המבחנות

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – טמפרטורת הרתיחה של הנוזל, כי זה מה שהתלמידים מדדו.

המשתנה התלוי הוא הגורם שנמדד בניסוי, ושערכו תלוי בגורם שהחוקר משנה. התלמידים מדדו במדחום את הטמפרטורה שבה כל נוזל רתח, ולכן המשתנה התלוי הוא טמפרטורת הרתיחה – תשובה א.
- ב – סוג הנוזל (מים, אתנול, אצטון) הוא הגורם שהתלמידים שינו בכוונה – המשתנה הבלתי תלוי.
- ג – נפח הנוזל (50 מ"ל) נשמר זהה בכל המבחנות – גורם קבוע.
- ד – כל המבחנות חוממו באותו מקור חום – גורם קבוע.
טעות נפוצה: לבלבל בין המשתנה התלוי (מה שמודדים) לבין המשתנה הבלתי תלוי (מה שמשנים).

שאלה 2 · פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים – יונים של מגנזיום ונתרן

רב-ברירה

בטבלה שלפניכם מוצגים נתונים על ההרכב של שלושה חלקיקים שמסומנים באופן שרירותי באותיות X , Y ו- Z.
החלקיקמספר פרוטוניםמספר נויטרוניםהיערכות אלקטרונים
X12122,8
Y12132,8,2
Z11122,8
מהי הקביעה הנכונה?

החלקיק	מספר פרוטונים	מספר נויטרונים	היערכות אלקטרונים
X	12	12	2,8
Y	12	13	2,8,2
Z	11	12	2,8

א.
החלקיקים X ו- Z הם איזוטופים של אותו יסוד.
ב.
לחלקיקים X ו- Y יש אותו מספר מסה.
ג.
שלושת החלקיקים X , Y ו- Z הם אטומים ניטרליים.
ד.
X ו- Y הם חלקיקים של אותו יסוד, ו- X הוא יון חיובי.

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – ל-X ול-Y אותו מספר פרוטונים (12, מגנזיום), ול-X יש 10 אלקטרונים בלבד – יון Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+.

נחשב לכל חלקיק את מספר המסה (פרוטונים + נויטרונים), את מספר האלקטרונים (סכום ההיערכות) ואת המטען (פרוטונים פחות אלקטרונים):
החלקיקפרוטוניםאלקטרוניםמספר מסהמטעןזיהוי
X122+8 = 1012+12 = 242+יון Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+
Y122+8+2 = 1212+13 = 250אטום Mg
Z112+8 = 1011+12 = 231+יון Na+\text{Na}^{+}Na+
- ד נכונה: מספר הפרוטונים (המספר האטומי) קובע את סוג היסוד. ל-X ול-Y יש 12 פרוטונים – שניהם חלקיקים של מגנזיום. ב-X יש 12 פרוטונים ו-10 אלקטרונים, ולכן הוא יון חיובי שמטענו 2+.
- א שגויה: איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד – עם אותו מספר פרוטונים. ל-X יש 12 פרוטונים ול-Z יש 11, ולכן הם חלקיקים של יסודות שונים (העובדה שיש להם אותה היערכות אלקטרונים אינה הופכת אותם לאותו יסוד).
- ב שגויה: מספר המסה של X הוא 24 ושל Y הוא 25.
- ג שגויה: ב-X וב-Z מספר האלקטרונים קטן ממספר הפרוטונים – הם יונים חיוביים, ולא אטומים ניטרליים.

החלקיק	פרוטונים	אלקטרונים	מספר מסה	מטען	זיהוי
X	12	2+8 = 10	12+12 = 24	2+	יון $\text{Mg}^{2+}$
Y	12	2+8+2 = 12	12+13 = 25	0	אטום Mg
Z	11	2+8 = 10	11+12 = 23	1+	יון $\text{Na}^{+}$

שאלה 3 · מוצק בעל טמפרטורת היתוך גבוהה שאינו מוליך

רב-ברירה

למוצק נתון טמפרטורת היתוך גבוהה מאוד (מעל 1,500∘C1{,}500^{\circ}\text{C}1,500∘C). המוצק אינו מוליך זרם חשמלי, וגם לאחר שמתיכים אותו, הנוזל המתקבל אינו מוליך זרם חשמלי. מהו סוג הסריג של המוצק?

א.
סריג יוני.
ב.
סריג אטומרי.
ג.
סריג מולקולרי.
ד.
סריג מתכתי.

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – סריג אטומרי: רשת של קשרים קוולנטיים חזקים (טמפרטורת היתוך גבוהה מאוד) ללא חלקיקים טעונים ניידים.

נבחן את שתי התכונות:
1. טמפרטורת היתוך גבוהה מאוד – כדי להתיך את המוצק יש להתגבר על כוחות חזקים מאוד בין החלקיקים. זה מתאים לסריג אטומרי (קשרים קוולנטיים בכל הרשת) או לסריג יוני (קשרים יוניים), ולא לסריג מולקולרי.
2. אינו מוליך לא במוצק ולא בנוזל – אין בו חלקיקים טעונים ניידים בשום מצב. מוצק יוני היה מוליך במצב נוזל, ומתכת הייתה מוליכה כבר במצב מוצק.
לכן זהו סריג אטומרי (כמו יהלום) – תשובה ב.
- א – בחומר יוני היונים נעשים ניידים בהתכה, ולכן הנוזל היה מוליך.
- ג – בסריג מולקולרי הכוחות בין המולקולות חלשים יחסית, ולכן טמפרטורת ההיתוך נמוכה בהרבה.
- ד – מתכת מוליכה זרם חשמלי גם במצב מוצק, בזכות "ים האלקטרונים".
טעות נפוצה: לקבוע "סריג יוני" רק בגלל טמפרטורת ההיתוך הגבוהה, בלי לבדוק את המוליכות במצב נוזל.

שאלה 4 · תיאור מצב צבירה נוזל

רב-ברירה

לפניך ארבעה היגדים a-d, המתייחסים למצבי צבירה שונים.
a. החומר ממלא את כל הנפח של הכלי שבו הוא נמצא.
b. חלקיקי החומר קרובים זה לזה, אך אינם נמצאים במקומות קבועים ויכולים לנוע זה ליד זה.
c. לחומר נפח קבוע, אך צורתו משתנה לפי צורת הכלי שבו הוא נמצא.
d. חלקיקי החומר רק רוטטים סביב מקומות קבועים.
מהם ההיגדים שמתייחסים לתיאור מצב צבירה נוזל?

א.
היגד c בלבד.
ב.
היגדים a ו- b בלבד.
ג.
היגדים c ו- d בלבד.
ד.
היגדים b ו- c בלבד.

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – היגדים b ו-c בלבד.

נבדוק כל היגד:
- a – החומר ממלא את כל נפח הכלי: תיאור מאקרוסקופי של גז. נוזל שומר על נפחו ואינו ממלא כלי גדול ממנו.
- b – חלקיקים קרובים זה לזה אך אינם במקומות קבועים ונעים זה ליד זה: תיאור מיקרוסקופי של נוזל.
- c – נפח קבוע וצורה משתנה לפי הכלי: תיאור מאקרוסקופי של נוזל.
- d – חלקיקים שרק רוטטים סביב מקומות קבועים: תיאור מיקרוסקופי של מוצק.
שני ההיגדים b ו-c מתארים נוזל – תשובה ד.
- א – היגד c נכון, אבל גם היגד b מתאר נוזל.
- ב – היגד a מתאר גז.
- ג – היגד d מתאר מוצק.
טעות נפוצה: לבחור רק בתיאור המאקרוסקופי (מה שרואים) ולשכוח שגם תיאור ברמת החלקיקים מתייחס לאותו מצב צבירה.

שאלה 5 · הרכב התרכובת היונית אלומיניום פלואורי

רב-ברירה

מהו המשפט הנכון עבור התרכובת AlF3\text{AlF}_3AlF3​ ?

א.
התרכובת מורכבת מיוני אלומיניום, $\text{Al}^{+}$ , ויוני פלואור, $\text{F}_3^{-}$ .
ב.
התרכובת מורכבת ממולקולות אלומיניום, Al , וממולקולות פלואור, $\text{F}_2$ .
ג.
התרכובת מורכבת מיוני אלומיניום, $\text{Al}^{3+}$ , ויוני פלואור, $\text{F}^{-}$ .
ד.
התרכובת מורכבת מארבעה סוגי אטומים.

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – AlF3\text{AlF}_3AlF3​ היא תרכובת יונית של יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ ויוני F−\text{F}^{-}F− ביחס 1:3.

אלומיניום (Al) הוא מתכת בטור השלישי של היסודות הראשיים (טור 13), עם 3 אלקטרוני ערכיות (2,8,3). הוא מוסר את שלושתם ויוצר יון Al3+\text{Al}^{3+}Al3+.
פלואור (F) הוא הלוגן עם 7 אלקטרוני ערכיות (2,7). כל אטום פלואור מקבל אלקטרון אחד ויוצר יון F−\text{F}^{-}F−.
התרכובת ניטרלית: (+3)+3×(−1)=0(+3) + 3 \times (-1) = 0(+3)+3×(−1)=0, ולכן היחס הוא יון אלומיניום אחד לשלושה יוני פלואור – AlF3\text{AlF}_3AlF3​. תשובה ג.
- א – יון האלומיניום הוא Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ ולא Al+\text{Al}^{+}Al+, ואין יון F3−\text{F}_3^{-}F3−​: האינדקס 3 מציין שלושה יוני F−\text{F}^{-}F− נפרדים.
- ב – תרכובת יונית בנויה מיונים בסריג יוני, ולא ממולקולות של היסודות; התרכובת אינה מכילה את היסודות אלומיניום ופלואור עצמם.
- ד – בתרכובת שני סוגי אטומים בלבד (אלומיניום ופלואור); הספרה 3 היא מספר יוני הפלואור.
טעות נפוצה: לבלבל בין מספר סוגי האטומים לבין מספר האטומים (או היונים) בנוסחה.

שאלה 6 · יסודות עוקבים – טור 16, הלוגן וגז אציל

רב-ברירה

נתונים שלושה יסודות המסומלים באופן שרירותי באותיות D, E ו- G. יסודות אלו הם בעלי מספרים אטומיים עוקבים במערכה המחזורית. ידוע כי:
ליסוד G המספר האטומי הגבוה ביותר מבין השלושה.
היסוד G הוא ממשפחת הגזים האצילים.
מהו המשפט הנכון?

א.
היסוד E יוצר יונים שמטענם $2-$
ב.
התרכובת שנוצרת בתגובה בין D לבין E היא תרכובת יונית
ג.
לאטום G יש 7 אלקטרוני ערכיות
ד.
נוסחת ההידריד (תרכובת עם מימן, H) של יסוד D היא $\text{H}_2\text{D}$

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – D נמצא בטור 16 (6 אלקטרוני ערכיות), ולכן ההידריד שלו H2D\text{H}_2\text{D}H2​D.

זיהוי היסודות: המספרים האטומיים עוקבים ו-G, בעל המספר האטומי הגבוה ביותר, הוא גז אציל (טור 18). לכן:
•E נמצא בטור 17 – הלוגן, עם 7 אלקטרוני ערכיות (למשל F).
•D נמצא בטור 16, עם 6 אלקטרוני ערכיות (למשל O).
ד – נכון: לאטום D חסרים שני אלקטרונים להשלמת אוקטט, ולכן הוא יוצר שני קשרים קוולנטיים עם שני אטומי מימן: H2D\text{H}_2\text{D}H2​D (כמו H2O\text{H}_2\text{O}H2​O).
- א – E הוא הלוגן: הוא קולט אלקטרון אחד ויוצר יון שמטענו 1−1-1− (כמו F−\text{F}^{-}F−); יון שמטענו 2−2-2− מתאים ליסוד D.
- ב – D ו-E הם שניהם אל-מתכות; ביניהם נוצרים קשרים קוולנטיים ותרכובת מולקולרית, לא תרכובת יונית.
- ג – לגז אציל רמה חיצונית מלאה – 8 אלקטרוני ערכיות (פרט להליום); 7 אלקטרוני ערכיות יש להלוגן E.

שאלה 7 · מצב הצבירה של הלוגנים

רב-ברירה

בטמפרטורת החדר, פלואור, F2(g)\text{F}_{2(g)}F2(g)​ , נמצא במצב צבירה גז, בעוד יוד, I2(s)\text{I}_{2(s)}I2(s)​ , נמצא במצב צבירה מוצק.
מהי הסיבה העיקרית לכך?

א.
ענן האלקטרונים של מולקולת היוד גדול מענן האלקטרונים של מולקולת הפלואור, ולכן אינטראקציות ואן-דר-ולס בין מולקולות היוד חזקות יותר.
ב.
הקשר הקוולנטי בין שני אטומי היוד במולקולה חזק מהקשר הקוולנטי בין שני אטומי הפלואור במולקולה.
ג.
בין מולקולות היוד יש קשרי מימן, ואילו בין מולקולות הפלואור יש אינטראקציות ואן-דר-ולס בלבד.
ד.
יוד הוא מתכת ולכן הוא בנוי מסריג מתכתי, ואילו פלואור הוא אל-מתכת.

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – לשני החומרים יש רק אינטראקציות ואן-דר-ולס בין המולקולות, והן חזקות יותר בין מולקולות I2\text{I}_2I2​ בעלות ענן האלקטרונים הגדול.

F2\text{F}_2F2​ ו-I2\text{I}_2I2​ הם חומרים מולקולריים (שניהם ממשפחת ההלוגנים). בין המולקולות שלהם אין קשרי מימן (אין במולקולות אטומי H), ויש אינטראקציות ואן-דר-ולס בלבד.
חוזק אינטראקציות ואן-דר-ולס גדל עם גודל ענן האלקטרונים של המולקולה:
•במולקולת F2\text{F}_2F2​ יש 2×9=182\times9=182×9=18 אלקטרונים.
•במולקולת I2\text{I}_2I2​ יש 2×53=1062\times53=1062×53=106 אלקטרונים.
ענן האלקטרונים של I2\text{I}_2I2​ גדול בהרבה, ולכן האינטראקציות בין מולקולות היוד חזקות יותר, וטמפרטורות ההיתוך והרתיחה שלו גבוהות מטמפרטורת החדר – הוא מוצק. התשובה הנכונה היא א.
- ב שגויה: במעבר בין מצבי צבירה הקשרים הקוולנטיים שבתוך המולקולות אינם נשברים, ולכן חוזקם אינו קובע את מצב הצבירה.
- ג שגויה: אין במולקולת I2\text{I}_2I2​ אטומי מימן, ולכן אין בין מולקולות היוד קשרי מימן.
- ד שגויה: יוד הוא אל-מתכת (ממשפחת ההלוגנים) ובנוי ממולקולות I2\text{I}_2I2​.

פרק שני

שאלה 8 · ביו-אתנול – דלק מצמחים

שאלת מאמר40 נקודות

ניתוח קטע מאמר מדעי – חובה
קִראו את הקטע שלפניכם, וענו על כל הסעיפים א-ה שאחריו (שאלת חובה – 40 נקודות)
אתנול – דלק מצמחים
(1) אתנול, C2H5OH(l)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)}C2​H5​OH(l)​, הוא נוזל חסר צבע שאפשר לייצר מצמחים. בתהליך התסיסה, שמרים מפרקים סוכר שמקורו בצמחים כמו קני סוכר או תירס, ונוצרים אתנול ופחמן דו-חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​. אתנול המיוצר בדרך זו נקרא "ביו-אתנול". היתרון החשוב שלו הוא שמקורו מתחדש: את הצמחים אפשר לגדל מחדש בכל שנה, ובזמן הגידול הם קולטים מהאוויר פחמן דו-חמצני. לעומתו, בנזין מופק מנפט – מקור שאינו מתחדש.
(2) בתום התסיסה מתקבלת תמיסה מימית שריכוז האתנול בה נמוך יחסית (בדרך כלל לא יותר מכ-15%), משום שהשמרים מפסיקים לפעול כאשר ריכוז האתנול עולה. אתנול מתערבב עם מים בכל יחס, ולכן כדי לקבל אתנול מרוכז מפרידים אותו מהמים בזיקוק.
(3) במדינות רבות מוסיפים אתנול לבנזין, ובחלק מהמדינות מוכרים דלק שבו כ-10% אתנול. אתנול שמוסיפים לדלק צריך להיות כמעט נקי ממים: מים בדלק עלולים לגרום להיפרדות של הדלק לשתי שכבות ולפגוע במנוע. בשריפת אתנול במנוע נוצרים פחמן דו-חמצני ואדי מים, ומשתחררת אנרגיה המניעה את הרכב.

א.

(i)

מהו היתרון של ביו-אתנול על בנזין? הסבירו על פי הקטע.

(ii)

ציינו שתי סיבות מדוע אתנול שמוסיפים לדלק צריך להיות כמעט נקי ממים. התבססו על הקטע.

ב.

רִשמו נוסחאות ייצוג אלקטרונים לשלוש המולקולות: H2O\text{H}_2\text{O}H2​O , CO2\text{CO}_2CO2​ , O2\text{O}_2O2​.

ג.

(i)

אתנול מתמוסס היטב במים. רִשמו ניסוח המסה של אתנול במים.

(ii)

לפניכם טבלה ובה טמפרטורות רתיחה של החומרים אתנול ומים:
החומרC2H5OH(l)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)}C2​H5​OH(l)​H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​
טמפרטורת רתיחה (°C)78100
לפי הקטע (פסקה 2), אפשר להפריד אתנול מתמיסה מימית בעזרת זיקוק.
העזרו בנתונים בטבלה והסבירו עובדה זו.

החומר	$\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)}$	$\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
טמפרטורת רתיחה (°C)	78	100

ד.

לפניכם ניסוח מאוזן באופן חלקי של שריפת אתנול:
C2H5OH(l)+3O2(g)→__CO2(g)+__H2O(g)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow \_\_\text{CO}_{2(g)} + \_\_\text{H}_2\text{O}_{(g)}C2​H5​OH(l)​+3O2(g)​→__CO2(g)​+__H2​O(g)​

(i)

העתיקו למחברתכם את ניסוח התגובה, ואזנו אותה.

(ii)

קבעו כמה מולקולות של חמצן דרושות לשריפה של מדגם אתנול המכיל 4,500 מולקולות.

ה.

(i)

תלמיד שקל מבערה קטנה (מנורת ספירט) המכילה אתנול, הדליק אותה למשך 10 דקות, כיבה אותה ושקל אותה שוב. המסה של המבערה ירדה.
קבעו אם תוצאה זו סותרת את חוק שימור המסה. נמקו את קביעתכם.

(ii)

נתון מחסן מילים: עולה, יורדת, נפלטת, נקלטת, אקסותרמי, אנדותרמי.
העתיקו למחברתכם את המשפטים הבאים, השתמשו במחסן המילים והשלימו את המשפטים:
תהליך שריפת האתנול הוא תהליך \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ .
במהלך השריפה האנרגיה \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ לסביבה, והטמפרטורה של הסביבה \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_.

◂ פתרון מלא לשאלה 8

סעיף א

(i)

תשובה:

מקור הביו-אתנול מתחדש (צמחים שמגדלים מחדש בכל שנה וקולטים פחמן דו-חמצני בזמן הגידול), ואילו בנזין מופק מנפט – מקור שאינו מתחדש.

לפי הפסקה הראשונה, ביו-אתנול מיוצר מסוכר שמקורו בצמחים (קני סוכר, תירס). היתרון: מקורו מתחדש – את הצמחים אפשר לגדל מחדש בכל שנה, ובזמן הגידול הם קולטים פחמן דו-חמצני מהאוויר. לעומת זאת, בנזין מופק מנפט, שהוא מקור שאינו מתחדש – כמות הנפט מוגבלת, ומה שנוצל אינו חוזר.

(ii)

תשובה:

1) מים בדלק עלולים לגרום להיפרדות הדלק לשתי שכבות. 2) מים בדלק עלולים לפגוע במנוע.

לפי הפסקה השלישית, אתנול שמוסיפים לדלק צריך להיות כמעט נקי ממים כי:
1. מים בדלק עלולים לגרום להיפרדות של הדלק לשתי שכבות.
2. מים בדלק עלולים לפגוע במנוע.

סעיף ב

תשובה:

H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: H–O–H ועל O שני זוגות לא קושרים; CO2\text{CO}_2CO2​: O=C=O ועל כל O שני זוגות לא קושרים; O2\text{O}_2O2​: O=O ועל כל O שני זוגות לא קושרים.

נשתמש במספר אלקטרוני הערכיות של כל אטום (לפי היערכות האלקטרונים):
•H – 1 (יוצר קשר אחד); C – 4 (2,4; יוצר 4 קשרים); O – 6 (2,6; יוצר 2 קשרים, ועליו שני זוגות לא קושרים).
H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: אטום חמצן במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד משני אטומי המימן (H–O–H). על אטום החמצן שני זוגות אלקטרונים לא קושרים (2 קשרים + 2 זוגות = 8 אלקטרונים סביב O).
CO2\text{CO}_2CO2​: אטום פחמן במרכז, קשור בקשר כפול לכל אחד משני אטומי החמצן (O=C=O). לפחמן אין זוגות לא קושרים (4 קשרים = 8 אלקטרונים), ועל כל אטום חמצן שני זוגות לא קושרים.
O2\text{O}_2O2​: שני אטומי חמצן קשורים בקשר כפול (O=O), ועל כל אטום חמצן שני זוגות אלקטרונים לא קושרים (קשר כפול + 2 זוגות = 8 אלקטרונים סביב כל O).
טעות נפוצה: לרשום קשרים יחידים ב-CO2\text{CO}_2CO2​ או ב-O2\text{O}_2O2​ – אז לפחמן היו רק שני קשרים ולכל חמצן פחות משמונה אלקטרונים.

סעיף ג

(i)

תשובה:

C2H5OH(l)→מיםC2H5OH(aq)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} \xrightarrow{\text{מים}} \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(aq)}C2​H5​OH(l)​מים​C2​H5​OH(aq)​

אתנול הוא חומר מולקולרי. בהמסה במים המולקולות שלו לא מתפרקות – הן רק מתפזרות בין מולקולות המים (מוקפות במולקולות מים). את הממס רושמים מעל החץ, ובתוצר מציינים (aq)(aq)(aq) – תמיסה מימית:
C2H5OH(l)→מיםC2H5OH(aq)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} \xrightarrow{\text{מים}} \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(aq)}C2​H5​OH(l)​מים​C2​H5​OH(aq)​
טעות נפוצה: לפרק את האתנול ליונים (למשל OH−\text{OH}^{-}OH−) – אתנול הוא חומר מולקולרי, ובהמסה במים הוא אינו מתפרק ליונים.

(ii)

תשובה:

זיקוק מפריד לפי הבדל בטמפרטורות הרתיחה. לאתנול טמפרטורת רתיחה נמוכה (78°C) מזו של מים (100°C), ולכן בחימום הוא הופך לגז לפני המים; את האדים אוספים ומקררים בנפרד.

זיקוק הוא שיטת הפרדה של תערובת נוזלית המבוססת על הבדל בטמפרטורות הרתיחה של רכיביה: מחממים את התערובת, הרכיב בעל טמפרטורת הרתיחה הנמוכה יותר הופך לגז ראשון, ואת האדים מקררים (מעבים) ואוספים בכלי נפרד.
לפי הטבלה:
•טמפרטורת הרתיחה של אתנול: 78°C.
•טמפרטורת הרתיחה של מים: 100°C.
ההפרש הוא 100−78=22100-78=22100−78=22°C. לכן כשמחממים את התמיסה לטמפרטורה שבין 78°C ל-100°C, האתנול מגיע לטמפרטורת הרתיחה שלו והופך לגז, בעוד שרוב המים נשארים נוזל. האדים שנאספים ומתעבים עשירים באתנול – וכך מפרידים את האתנול מהמים.

סעיף ד

(i)

תשובה:

C2H5OH(l)+3O2(g)→2CO2(g)+3H2O(g)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(g)}C2​H5​OH(l)​+3O2(g)​→2CO2(g)​+3H2​O(g)​

מאזנים לפי אטומים:
- פחמן: במולקולת אתנול אחת 2 אטומי C, ולכן נוצרות 2 מולקולות CO2\text{CO}_2CO2​.
- מימן: במולקולת אתנול 6 אטומי H (5 + 1), ובכל מולקולת מים 2 – לכן 6÷2=36\div2=36÷2=3 מולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
- בדיקת חמצן: באגף התוצרים 2⋅2+3⋅1=72\cdot2+3\cdot1=72⋅2+3⋅1=7 אטומי O; באגף המגיבים 1+3⋅2=71+3\cdot2=71+3⋅2=7 אטומי O (אחד במולקולת האתנול ושישה בשלוש מולקולות O2\text{O}_2O2​) – מתאים למקדם 3 הנתון.
C2H5OH(l)+3O2(g)→2CO2(g)+3H2O(g)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(g)}C2​H5​OH(l)​+3O2(g)​→2CO2(g)​+3H2​O(g)​
בדיקה: C: 2 = 2; H: 6 = 6; O: 7 = 7.
טעות נפוצה: לשכוח את אטום החמצן שבמולקולת האתנול בספירת אטומי החמצן.

(ii)

תשובה:

13,500 מולקולות חמצן.

לפי הניסוח המאוזן, לשריפת מולקולה אחת של אתנול דרושות 3 מולקולות חמצן (יחס 1:3).
מספר מולקולות החמצן =4,500×3=13,500= 4{,}500 \times 3 = 13{,}500=4,500×3=13,500 מולקולות O2\text{O}_2O2​.

סעיף ה

(i)

תשובה:

לא סותרת. התוצרים – פחמן דו-חמצני ואדי מים – הם גזים שיצאו לאוויר ולא נשקלו; סכום מסות התוצרים שווה לסכום מסות האתנול והחמצן שהגיבו.

קביעה: התוצאה אינה סותרת את חוק שימור המסה.
נימוק: בתגובה כימית אטומים אינם נוצרים ואינם נעלמים – הם רק מסתדרים מחדש במולקולות חדשות, ולכן סכום מסות המגיבים שווה לסכום מסות התוצרים. בשריפה במבערה פתוחה:
•המגיבים הם אתנול (מהמבערה) וחמצן מהאוויר, שלא נשקל בתחילת הניסוי.
•התוצרים – CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ ו-H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ – הם גזים שהתפזרו לאוויר ולא נשארו על המאזניים.
המבערה איבדה את מסת האתנול שנשרף, אבל אם היו אוספים את כל התוצרים, מסתם הייתה שווה למסת האתנול והחמצן שהגיבו. (בכלי סגור המסה הכוללת הייתה נשארת קבועה.)
טעות נפוצה: לחשוב שהדלק "נעלם" בשריפה – האטומים שלו עוברים לתוצרים הגזיים.

(ii)

תשובה:

אקסותרמי; נפלטת; עולה.

תהליך שריפת האתנול הוא תהליך אקסותרמי.
במהלך השריפה האנרגיה נפלטת לסביבה, והטמפרטורה של הסביבה עולה.
הסבר: לפי פסקה 3, בשריפת אתנול "משתחררת אנרגיה המניעה את הרכב". כשאנרגיה עוברת מהחומרים המגיבים אל הסביבה – התהליך אקסותרמי, והסביבה מתחממת.

פרק שלישי

שאלה 9 · נתרן וכלור: מבנה האטום ואיזוטופים

שאלה פתוחה15 נקודות

מושגי יסוד, מבנה האטום והטבלה המחזורית
השאלה עוסקת באטומים נתרן, Na , כלור, Cl , ובתרכובת שלהם.
ענו על שני הסעיפים א , ב ועל אחד מן הסעיפים ג או ד.

א.

(i)

רשמו את הערכות האלקטרונים ברמות האנרגיה של אטום נתרן, ואת הערכות האלקטרונים ברמות האנרגיה של אטום כלור.

(ii)

רשמו את מספר אלקטרוני הערכיות של אטום נתרן, ואת מספר אלקטרוני הערכיות של אטום כלור.

ב.

לפניכם טבלה ובה מידע אודות מספר חלקיקים שונים.
העתיקו את הטבלה למחברתכם והשלימו אותה.
החלקיקסימול האיזוטופמספר פרוטוניםמספר ניטרוניםמספר אלקטרוניםהמטען החשמלי
אטום כלור18
אטום כלור1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl
יון כלור201−1-1−
אטום נתרן12
יון נתרן1123Na+^{23}_{11}\text{Na}^{+}1123​Na+

ג.

סעיף ג הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ד.

(i)

שניים מהחלקיקים המוצגים בטבלה הם איזוטופים. רשמו את הסימול שלהם.

(ii)

קבעו אם לשני האיזוטופים שרשמתם בתת-סעיף i יש אותה הערכת אלקטרונים ברמות האנרגיה. נמקו את קביעתכם.

ד.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ג.
נתרן מתכתי מגיב עם גז כלור בלהבה בהירה, ונוצר נתרן כלורי (מלח בישול) לפי התגובה הבאה:
Na(s)+Cl2(g)→NaCl(s)\text{Na}_{(s)} + \text{Cl}_{2(g)} \rightarrow \text{NaCl}_{(s)}Na(s)​+Cl2(g)​→NaCl(s)​

(i)

העתיקו את התגובה למחברתכם ואזנו אותה.

(ii)

תלמיד לקח כלי סגור ובו 4.6 גרם נתרן, Na(s)\text{Na}_{(s)}Na(s)​ , ו-7.1 גרם גז כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ .
החומרים הגיבו ליצירת נתרן כלורי, NaCl(s)\text{NaCl}_{(s)}NaCl(s)​ .
בסיום התגובה לא נשארו מגיבים בכלי.
מהי מסת הנתרן הכלורי שנוצר? נמקו תשובתכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

(i)

תשובה:

Na: 2,8,1 ; Cl: 2,8,7

לפי הטבלה המחזורית, המספר האטומי של נתרן הוא 11 ושל כלור 17, ולכן באטום נתרן יש 11 אלקטרונים ובאטום כלור 17 אלקטרונים. ממלאים את הרמות לפי הסדר (ברמה הראשונה עד 2 אלקטרונים, בשנייה עד 8):
•נתרן: 2,8,1
•כלור: 2,8,7

(ii)

תשובה:

נתרן – 1; כלור – 7.

אלקטרוני הערכיות הם האלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית:
•נתרן (2,8,1): 1 אלקטרון ערכיות (טור 1).
•כלור (2,8,7): 7 אלקטרוני ערכיות (טור 7).

סעיף ב

תשובה:

1735Cl^{35}_{17}\text{Cl}1735​Cl: 17p, 18n, 17e, 0; 1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl: 17p, 20n, 17e, 0; 1737Cl−^{37}_{17}\text{Cl}^{-}1737​Cl−: 17p, 20n, 18e; 1123Na^{23}_{11}\text{Na}1123​Na: 11p, 12n, 11e, 0; 1123Na+^{23}_{11}\text{Na}^{+}1123​Na+: 11p, 12n, 10e, 1+1+1+.

כללים: מספר הפרוטונים = המספר האטומי (כלור 17, נתרן 11, לפי הטבלה המחזורית). מספר המסה = מספר הפרוטונים + מספר הניטרונים. באטום נייטרלי מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים. ביון: מספר האלקטרונים = מספר הפרוטונים פחות המטען (יון 1−1-1− קלט אלקטרון אחד, יון 1+1+1+ מסר אלקטרון אחד).
החלקיקסימול האיזוטופמספר פרוטוניםמספר ניטרוניםמספר אלקטרוניםהמטען החשמלי
אטום כלור1735Cl^{35}_{17}\text{Cl}1735​Cl1718170
אטום כלור1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl1720170
יון כלור1737Cl−^{37}_{17}\text{Cl}^{-}1737​Cl−1720181−1-1−
אטום נתרן1123Na^{23}_{11}\text{Na}1123​Na1112110
יון נתרן1123Na+^{23}_{11}\text{Na}^{+}1123​Na+1112101+1+1+
חישובים:
•אטום כלור עם 18 ניטרונים: מספר המסה 17+18=3517+18=3517+18=35.
- 1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl: מספר הניטרונים 37−17=2037-17=2037−17=20.
•יון כלור: מספר המסה 17+20=3717+20=3717+20=37; מספר האלקטרונים 17+1=1817+1=1817+1=18.
•אטום נתרן עם 12 ניטרונים: מספר המסה 11+12=2311+12=2311+12=23.
- 1123Na+^{23}_{11}\text{Na}^{+}1123​Na+: מספר הניטרונים 23−11=1223-11=1223−11=12; מספר האלקטרונים 11−1=1011-1=1011−1=10.

החלקיק	סימול האיזוטופ	מספר פרוטונים	מספר ניטרונים	מספר אלקטרונים	המטען החשמלי
אטום כלור	$^{35}_{17}\text{Cl}$	17	18	17	0
אטום כלור	$^{37}_{17}\text{Cl}$	17	20	17	0
יון כלור	$^{37}_{17}\text{Cl}^{-}$	17	20	18	$1-$
אטום נתרן	$^{23}_{11}\text{Na}$	11	12	11	0
יון נתרן	$^{23}_{11}\text{Na}^{+}$	11	12	10	$1+$

סעיף ג

(i)

תשובה:

1735Cl^{35}_{17}\text{Cl}1735​Cl ו-1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl

איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד (אותו מספר פרוטונים, אותו מספר אטומי) שמספר הניטרונים שלהם שונה, ולכן גם מספר המסה שלהם שונה.
לשני אטומי הכלור בטבלה יש 17 פרוטונים, אבל לאחד 18 ניטרונים ולשני 20. לכן אלה האיזוטופים 1735Cl^{35}_{17}\text{Cl}1735​Cl ו-1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl.
(יון הכלור 1737Cl−^{37}_{17}\text{Cl}^{-}1737​Cl− אינו אטום אלא יון, ובנוסף יש לו אותו מספר ניטרונים כמו ל-1737Cl^{37}_{17}\text{Cl}1737​Cl. שני חלקיקי הנתרן הם אטום ויון של אותו איזוטופ, 23Na^{23}\text{Na}23Na.)

(ii)

תשובה:

כן – לשניהם 2,8,7.

קביעה: לשני האיזוטופים אותה הערכת אלקטרונים – 2,8,7.
נימוק: לשני האיזוטופים אותו מספר פרוטונים, 17 (זה המספר האטומי של כלור). באטום נייטרלי מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, ולכן בשני האטומים יש 17 אלקטרונים, המסודרים ברמות האנרגיה באותו אופן: 2,8,7. ההבדל בין האיזוטופים הוא רק במספר הניטרונים, הנמצאים בגרעין האטום; הניטרונים הם חלקיקים חסרי מטען ואינם משפיעים על מספר האלקטרונים ועל סידורם.

סעיף ד

(i)

תשובה:

2Na(s)+Cl2(g)→2NaCl(s)2\text{Na}_{(s)} + \text{Cl}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NaCl}_{(s)}2Na(s)​+Cl2(g)​→2NaCl(s)​

ב-Cl2\text{Cl}_2Cl2​ יש 2 אטומי Cl, ולכן רושמים 2 לפני NaCl\text{NaCl}NaCl. בצד התוצרים יש עכשיו 2 אטומי Na, ולכן רושמים 2 לפני Na:
2Na(s)+Cl2(g)→2NaCl(s)2\text{Na}_{(s)} + \text{Cl}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NaCl}_{(s)}2Na(s)​+Cl2(g)​→2NaCl(s)​
בדיקה: Na: 2 = 2; Cl: 2 = 2.

(ii)

תשובה:

11.7 g11.7\ \text{g}11.7 g

נימוק – חוק שימור המסה: בתגובה כימית אטומים אינם נוצרים ואינם נעלמים, הם רק מתחברים מחדש. לכן סכום מסות המגיבים שהגיבו שווה לסכום מסות התוצרים. הכלי סגור, ולכן שום חומר לא יצא ממנו ולא נכנס אליו. בסיום התגובה לא נשארו מגיבים, כלומר כל הנתרן וכל הכלור הפכו לתוצר היחיד, NaCl\text{NaCl}NaCl.
mNaCl=mNa+mCl2=4.6 g+7.1 g=11.7 gm_{\text{NaCl}} = m_{\text{Na}} + m_{\text{Cl}_2} = 4.6\ \text{g} + 7.1\ \text{g} = 11.7\ \text{g}mNaCl​=mNa​+mCl2​​=4.6 g+7.1 g=11.7 g
תשובה: נוצרו 11.7 g11.7\ \text{g}11.7 g של נתרן כלורי.

שאלה 10 · סוגי חומרים – חמצן, אשלגן פלואורי, קרח וליתיום

שאלה פתוחה15 נקודות

סוגי חומרים
לפניך שתי רשימות. רשימה אחת של ארבעה חומרים, ורשימה אחרת של ארבעה היגדים 1 – 4.
רשימת החומרים: O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , KF(s)\text{KF}_{(s)}KF(s)​ , H2O(s)\text{H}_2\text{O}_{(s)}H2​O(s)​ (קרח בטמפרטורה של −10 ∘C-10\ ^\circ\text{C}−10 ∘C) , Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ .
רשימת ההיגדים:
1. חומר הבנוי מיונים חיוביים ושליליים המסודרים במבנה תלת ממדי.
2. חומר מולקולרי שבטמפרטורה של −10 ∘C-10\ ^\circ\text{C}−10 ∘C המולקולות בו צפופות ומסודרות.
3. חומר מולקולרי שבתנאי החדר בנוי ממולקולות רחוקות מאוד זו מזו.
4. חומר הבנוי מיונים חיוביים ב"ים אלקטרונים".

א.

התאם לכל אחד מארבעת החומרים את ההיגד המתאים לו.
העתק למחברת הבחינה את הנוסחה של כל אחד מן החומרים ורשום לידו את מספר ההיגד המתאים לו.

ב.

רשום נוסחת ייצוג אלקטרונים למולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O ו- O2\text{O}_2O2​ .

ג.

הגז חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , מומס במי האקווריום, והדגים נושמים אותו. כתוב את ניסוח ההמסה במים של O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ .

ד.

בתגובה בין ליתיום, Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ , וחמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , נוצרת התרכובת ליתיום חמצני.

(1)

קבע מהו סוג התרכובת שנוצרת בתגובה: יונית או מולקולרית. נמק את קביעתך.

(2)

קבע איזו מבין הנוסחאות i-iv היא הנוסחה המתאימה ביותר לתרכובת ליתיום חמצני. נמק את קביעתך.
i. LiO\text{LiO}LiO ii. Li2O\text{Li}_2\text{O}Li2​O iii. Li3O\text{Li}_3\text{O}Li3​O iv. Li2O3\text{Li}_2\text{O}_3Li2​O3​

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

תשובה:

O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ – 3 ; KF(s)\text{KF}_{(s)}KF(s)​ – 1 ; H2O(s)\text{H}_2\text{O}_{(s)}H2​O(s)​ – 2 ; Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ – 4.

- Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ – היגד 4: ליתיום הוא מתכת (מתכת אלקלית); הסריג המתכתי בנוי מיונים חיוביים ב"ים של אלקטרונים".
- KF(s)\text{KF}_{(s)}KF(s)​ – היגד 1: תרכובת של מתכת (אשלגן) ואל-מתכת (פלואור) – חומר יוני, בנוי מיוני K+\text{K}^{+}K+ ויוני F−\text{F}^{-}F− המסודרים בסריג תלת ממדי.
- H2O(s)\text{H}_2\text{O}_{(s)}H2​O(s)​ – היגד 2: מים הם חומר מולקולרי, ובטמפרטורה של −10 ∘C-10\ ^\circ\text{C}−10 ∘C (מתחת לטמפרטורת ההיתוך, 0 ∘C0\ ^\circ\text{C}0 ∘C) הם מוצק – קרח: המולקולות צפופות ומסודרות בסריג מולקולרי.
- O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ – היגד 3: חמצן הוא חומר מולקולרי שבתנאי החדר הוא גז – המולקולות רחוקות מאוד זו מזו.

סעיף ב

תשובה:

H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: אטום O במרכז, שני קשרים יחידים O–H\text{O–H}O–H ושני זוגות אלקטרונים לא קושרים על החמצן; O=O\text{O=O}O=O עם שני זוגות לא קושרים על כל אטום חמצן.

H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: סך אלקטרוני הערכיות 6+2×1=86+2\times1=86+2×1=8.
•אטום החמצן במרכז, קשור בשני קשרים יחידים לשני אטומי מימן.
•על אטום החמצן שני זוגות אלקטרונים לא קושרים.
•בדיקה: 4+4=84+4=84+4=8 אלקטרונים; לחמצן שמונה אלקטרונים סביבו, ולכל מימן – שניים.
O2\text{O}_2O2​: סך אלקטרוני הערכיות 6+6=126+6=126+6=12.
•קשר כפול O=O\text{O=O}O=O (שני זוגות משותפים).
•על כל אטום חמצן שני זוגות אלקטרונים לא קושרים.
•בדיקה: 4+8=124+8=124+8=12 אלקטרונים; לכל אטום חמצן שמונה אלקטרונים סביבו.

סעיף ג

תשובה:

O2(g)→H2OO2(aq)\text{O}_{2(g)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{O}_{2(aq)}O2(g)​H2​O​O2(aq)​

O2\text{O}_2O2​ הוא חומר מולקולרי. בהמסה במים המולקולות אינן מתפרקות – הן מתפזרות בין מולקולות המים ומוקפות בהן. לכן בצד התוצרים נשאר O2\text{O}_2O2​ עם מצב הצבירה (aq)(aq)(aq):
O2(g)→H2O(ℓ)O2(aq)\text{O}_{2(g)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{O}_{2(aq)}O2(g)​H2​O(ℓ)​​O2(aq)​
טעות נפוצה: לפרק את המולקולה לאטומים (2O(aq)2\text{O}_{(aq)}2O(aq)​) או לרשום את המים כמגיב. המים נרשמים מעל החץ, כממס.

סעיף ד

(1)

תשובה:

יונית – תרכובת של מתכת (ליתיום) ואל-מתכת (חמצן).

תרכובת יונית. ליתיום הוא מתכת (מתכת אלקלית) וחמצן הוא אל-מתכת. בתגובה בין מתכת לאל-מתכת אטומי המתכת מוסרים אלקטרונים ויוצרים יונים חיוביים (Li+\text{Li}^{+}Li+), ואטומי האל-מתכת מקבלים אלקטרונים ויוצרים יונים שליליים (O2−\text{O}^{2-}O2−). היונים נמשכים זה לזה ויוצרים סריג יוני.

(2)

תשובה:

ii. Li2O\text{Li}_2\text{O}Li2​O

ii. Li2O\text{Li}_2\text{O}Li2​O.
•ליתיום (מספר אטומי 3, היערכות 2,1) נמצא בטור 1: הוא מוסר אלקטרון אחד ויוצר יון Li+\text{Li}^{+}Li+.
•חמצן (מספר אטומי 8, היערכות 2,6) נמצא בטור 6: הוא מקבל 2 אלקטרונים ויוצר יון O2−\text{O}^{2-}O2−.
•התרכובת ניטרלית, ולכן על כל יון O2−\text{O}^{2-}O2− יש שני יוני Li+\text{Li}^{+}Li+: 2×(+1)+(−2)=02\times(+1)+(-2)=02×(+1)+(−2)=0. היחס 2:12:12:1 – הנוסחה האמפירית Li2O\text{Li}_2\text{O}Li2​O.
(בנוסחאות האחרות סכום המטענים אינו אפס: LiO\text{LiO}LiO ← −1-1−1, Li3O\text{Li}_3\text{O}Li3​O ← +1+1+1, Li2O3\text{Li}_2\text{O}_3Li2​O3​ ← −4-4−4.)

שאלה 11 · ניסוי מלח וטמפרטורת קיפאון – שאלת חקר וגרפים

שאלה פתוחה15 נקודות

מיומנויות החקר המדעי
בחורף, במדינות קרות, מפזרים מלח בישול (נתרן כלורי, NaCl) על כבישים ומדרכות כדי למנוע היווצרות קרח.
תלמידים רצו לבדוק כיצד כמות המלח במים משפיעה על הטמפרטורה שבה המים קופאים.
בניסוי נלקחו חמש מבחנות זהות. לכל מבחנה הכניסו 100 מ"ל מים מזוקקים.
לכל מבחנה הכניסו מסה שונה של נתרן כלורי וערבבו עד שכל המלח התמוסס.
את המבחנות הכניסו לתערובת קירור, ובכל מבחנה מדדו במדחום את הטמפרטורה שבה החלו להיווצר גבישי קרח (טמפרטורת הקיפאון).

א.

נסחו את שאלת החקר שנבדקה בניסוי.

ב.

לפניכם שני גרפים, I ו- II, שבנו תלמידים לתיאור תוצאות הניסוי (mass of NaCl – מסת הנתרן כלורי; freezing temperature – טמפרטורת הקיפאון).

(i)

קִבעו איזה משני הגרפים, I או II, מתאר נכון את הניסוי שנערך.

(ii)

רִשמו כותרת לגרף.

(iii)

מהי טמפרטורת הקיפאון הצפויה של תמיסה שבה הומסו 20 גרם נתרן כלורי ב-100 מ"ל מים?
העתיקו למחברתכם את הגרף וציינו על הגרף נתונים אלה.

(iv)

הסבירו מדוע פסלתם את הגרף האחר.

ג.

נועה ואיתי ניסחו את שאלת החקר הבאה:
"כיצד משפיע סוג המלח שממיסים במים על טמפרטורת הקיפאון של התמיסה?"

(i)

ציינו שלושה גורמים אותם יש לשמור כגורמים קבועים בניסוי.

(ii)

באיזה סוג גרף (רציף או עמודות) יבחרו נועה ואיתי כדי להציג את תוצאותיהם? נמקו את קביעתכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

תשובה:

כיצד משפיעה מסת הנתרן כלורי המומסת ב-100 מ"ל מים על טמפרטורת הקיפאון של התמיסה?

שאלת חקר מנסחים כשאלה הקושרת בין המשתנה הבלתי תלוי (מה שהתלמידים שינו בכוונה) לבין המשתנה התלוי (מה שמדדו):
•משתנה בלתי תלוי: מסת הנתרן כלורי בכל מבחנה.
•משתנה תלוי: טמפרטורת הקיפאון של התמיסה.
שאלת החקר: "כיצד משפיעה מסת הנתרן כלורי המומסת ב-100 מ"ל מים על טמפרטורת הקיפאון של התמיסה?"
טעות נפוצה: לנסח "האם מלח מונע קרח בכבישים?" – זו שאלה כללית שאינה מציינת את המשתנה ששונה ואת המשתנה שנמדד.

סעיף ב

(i)

תשובה:

גרף I.

גרף I מתאר נכון את הניסוי: בגרף מציגים את המשתנה הבלתי תלוי (מסת הנתרן כלורי, שהתלמידים קבעו מראש) על הציר האופקי (x), ואת המשתנה התלוי (טמפרטורת הקיפאון שנמדדה) על הציר האנכי (y). כך בנוי גרף I.

(ii)

תשובה:

"טמפרטורת הקיפאון (°C) של תמיסת נתרן כלורי ב-100 מ"ל מים כתלות במסת הנתרן כלורי (g)"

כותרת לגרף צריכה לכלול את המשתנה התלוי ואת המשתנה הבלתי תלוי (ורצוי גם את התנאים הקבועים):
"טמפרטורת הקיפאון (°C) של תמיסת נתרן כלורי ב-100 מ"ל מים כתלות במסת הנתרן כלורי (g)"

(iii)

תשובה:

כ-−12.5-12.5−12.5°C.

בניסוי לא נמדדה טמפרטורת הקיפאון עבור 20 g, ולכן נעריך אותה לפי המגמה בתוצאות (אינטרפולציה): הערך 20 g נמצא בדיוק באמצע בין 15 g (−9-9−9°C) ל-25 g (−16-16−16°C).
T(20 g)≈−9 ∘C+(−16 ∘C)−(−9 ∘C)25 g−15 g⋅(20 g−15 g)=−9 ∘C−3.5 ∘C=−12.5 ∘CT_{(20\ \text{g})} \approx -9\ ^{\circ}\text{C} + \frac{(-16\ ^{\circ}\text{C}) - (-9\ ^{\circ}\text{C})}{25\ \text{g} - 15\ \text{g}}\cdot(20\ \text{g}-15\ \text{g}) = -9\ ^{\circ}\text{C} - 3.5\ ^{\circ}\text{C} = -12.5\ ^{\circ}\text{C}T(20 g)​≈−9 ∘C+25 g−15 g(−16 ∘C)−(−9 ∘C)​⋅(20 g−15 g)=−9 ∘C−3.5 ∘C=−12.5 ∘C
כלומר, טמפרטורת הקיפאון הצפויה היא כ-−12.5-12.5−12.5°C (ערך בתחום של כ-−12-12−12°C עד כ-−13-13−13°C מתאים למגמה: ככל שמסת המלח גדלה, טמפרטורת הקיפאון יורדת).
בגרף שמעתיקים מוסיפים עמודה חדשה מעל הערך 20 g – בין העמודה של 15 g לעמודה של 25 g – בגובה −12.5-12.5−12.5°C:

(iv)

תשובה:

בגרף II המשתנה הבלתי תלוי (מסת המלח) מוצג על הציר האנכי והמשתנה התלוי (טמפרטורת הקיפאון) על הציר האופקי – ההפך מהמקובל.

פסלנו את גרף II כי הצירים בו הפוכים: מסת הנתרן כלורי – המשתנה הבלתי תלוי, שהתלמידים קבעו מראש – מוצגת על הציר האנכי, וטמפרטורת הקיפאון – המשתנה התלוי, שנמדד בניסוי – מוצגת על הציר האופקי. בגרף נכון המשתנה הבלתי תלוי נמצא על הציר האופקי (x) והמשתנה התלוי על הציר האנכי (y).

סעיף ג

(i)

תשובה:

נפח המים (100 מ"ל), מסת המלח בכל מבחנה, טמפרטורת תערובת הקירור.

בניסוי זה המשתנה הבלתי תלוי הוא סוג המלח והמשתנה התלוי הוא טמפרטורת הקיפאון. כל שאר הגורמים שעלולים להשפיע על התוצאה חייבים להישאר קבועים (שלושה מתוך):
נפח המים בכל מבחנה (למשל 100 מ"ל).
מסת המלח – אותה מסה מכל סוג מלח.
סוג המים – מים מזוקקים בכל המבחנות.
תערובת הקירור – אותה תערובת באותה טמפרטורה.
אופן המדידה – אותו מדחום ומבחנות זהות.

(ii)

תשובה:

גרף עמודות – כי המשתנה הבלתי תלוי (סוג המלח) הוא משתנה איכותי (קטגוריות) ולא משתנה מספרי רציף.

קביעה: יבחרו בגרף עמודות.
נימוק: המשתנה הבלתי תלוי – סוג המלח (נתרן כלורי, אשלגן כלורי, סידן כלורי...) – הוא משתנה איכותי (שמות של קטגוריות) ולא משתנה מספרי. אין ערכי ביניים בין סוג מלח אחד לאחר, ולכן אין משמעות לחיבור הנקודות בקו רציף. בגרף עמודות כל סוג מלח מוצג כעמודה נפרדת, וגובה העמודה הוא טמפרטורת הקיפאון שנמדדה.
גרף רציף מתאים כשהמשתנה הבלתי תלוי הוא מספרי ורציף (למשל מסת המלח).

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	א – טמפרטורת הרתיחה של הנוזל, כי זה מה שהתלמידים מדדו.
2	-	ד – ל-X ול-Y אותו מספר פרוטונים (12, מגנזיום), ול-X יש 10 אלקטרונים בלבד – יון $\text{Mg}^{2+}$ .
3	-	ב – סריג אטומרי: רשת של קשרים קוולנטיים חזקים (טמפרטורת היתוך גבוהה מאוד) ללא חלקיקים טעונים ניידים.
4	-	ד – היגדים b ו-c בלבד.
5	-	ג – $\text{AlF}_3$ היא תרכובת יונית של יוני $\text{Al}^{3+}$ ויוני $\text{F}^{-}$ ביחס 1:3.
6	-	ד – D נמצא בטור 16 (6 אלקטרוני ערכיות), ולכן ההידריד שלו $\text{H}_2\text{D}$ .
7	-	א – לשני החומרים יש רק אינטראקציות ואן-דר-ולס בין המולקולות, והן חזקות יותר בין מולקולות $\text{I}_2$ בעלות ענן האלקטרונים הגדול.
8	א i	מקור הביו-אתנול מתחדש (צמחים שמגדלים מחדש בכל שנה וקולטים פחמן דו-חמצני בזמן הגידול), ואילו בנזין מופק מנפט – מקור שאינו מתחדש.
	א ii	1) מים בדלק עלולים לגרום להיפרדות הדלק לשתי שכבות. 2) מים בדלק עלולים לפגוע במנוע.
	ב	$\text{H}_2\text{O}$ : H–O–H ועל O שני זוגות לא קושרים; $\text{CO}_2$ : O=C=O ועל כל O שני זוגות לא קושרים; $\text{O}_2$ : O=O ועל כל O שני זוגות לא קושרים.
	ג i	$\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} \xrightarrow{\text{מים}} \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(aq)}$
	ג ii	זיקוק מפריד לפי הבדל בטמפרטורות הרתיחה. לאתנול טמפרטורת רתיחה נמוכה (78°C) מזו של מים (100°C), ולכן בחימום הוא הופך לגז לפני המים; את האדים אוספים ומקררים בנפרד.
	ד i	$\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(g)}$
	ד ii	13,500 מולקולות חמצן.
	ה i	לא סותרת. התוצרים – פחמן דו-חמצני ואדי מים – הם גזים שיצאו לאוויר ולא נשקלו; סכום מסות התוצרים שווה לסכום מסות האתנול והחמצן שהגיבו.
	ה ii	אקסותרמי; נפלטת; עולה.
9	א i	Na: 2,8,1 ; Cl: 2,8,7
	א ii	נתרן – 1; כלור – 7.
	ב	$^{35}_{17}\text{Cl}$ : 17p, 18n, 17e, 0; $^{37}_{17}\text{Cl}$ : 17p, 20n, 17e, 0; $^{37}_{17}\text{Cl}^{-}$ : 17p, 20n, 18e; $^{23}_{11}\text{Na}$ : 11p, 12n, 11e, 0; $^{23}_{11}\text{Na}^{+}$ : 11p, 12n, 10e, $1+$ .
	ג i	$^{35}_{17}\text{Cl}$ ו- $^{37}_{17}\text{Cl}$
	ג ii	כן – לשניהם 2,8,7.
	ד i	$2\text{Na}_{(s)} + \text{Cl}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NaCl}_{(s)}$
	ד ii	$11.7\ \text{g}$
10	א	$\text{O}_{2(g)}$ – 3 ; $\text{KF}_{(s)}$ – 1 ; $\text{H}_2\text{O}_{(s)}$ – 2 ; $\text{Li}_{(s)}$ – 4.
	ב	$\text{H}_2\text{O}$ : אטום O במרכז, שני קשרים יחידים $\text{O–H}$ ושני זוגות אלקטרונים לא קושרים על החמצן; $\text{O=O}$ עם שני זוגות לא קושרים על כל אטום חמצן.
	ג	$\text{O}_{2(g)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{O}_{2(aq)}$
	ד 1	יונית – תרכובת של מתכת (ליתיום) ואל-מתכת (חמצן).
	ד 2	ii. $\text{Li}_2\text{O}$
11	א	כיצד משפיעה מסת הנתרן כלורי המומסת ב-100 מ"ל מים על טמפרטורת הקיפאון של התמיסה?
	ב i	גרף I.
	ב ii	"טמפרטורת הקיפאון (°C) של תמיסת נתרן כלורי ב-100 מ"ל מים כתלות במסת הנתרן כלורי (g)"
	ב iii	כ- $-12.5$ °C.
	ב iv	בגרף II המשתנה הבלתי תלוי (מסת המלח) מוצג על הציר האנכי והמשתנה התלוי (טמפרטורת הקיפאון) על הציר האופקי – ההפך מהמקובל.
	ג i	נפח המים (100 מ"ל), מסת המלח בכל מבחנה, טמפרטורת תערובת הקירור.
	ג ii	גרף עמודות – כי המשתנה הבלתי תלוי (סוג המלח) הוא משתנה איכותי (קטגוריות) ולא משתנה מספרי רציף.

פרק ראשון

שאלה 1 · משתנה תלוי בניסוי טמפרטורות רתיחה

שאלה 2 · פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים – יונים של מגנזיום ונתרן

שאלה 3 · מוצק בעל טמפרטורת היתוך גבוהה שאינו מוליך

שאלה 4 · תיאור מצב צבירה נוזל

שאלה 5 · הרכב התרכובת היונית אלומיניום פלואורי

שאלה 6 · יסודות עוקבים – טור 16, הלוגן וגז אציל

שאלה 7 · מצב הצבירה של הלוגנים

פרק שני

שאלה 8 · ביו-אתנול – דלק מצמחים

ניתוח קטע מאמר מדעי – חובה

אתנול – דלק מצמחים

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

פרק שלישי

שאלה 9 · נתרן וכלור: מבנה האטום ואיזוטופים

מושגי יסוד, מבנה האטום והטבלה המחזורית

סעיף ג הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ד.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ג.

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

קביעה: לשני האיזוטופים אותה הערכת אלקטרונים – 2,8,7.

סעיף ד

שאלה 10 · סוגי חומרים – חמצן, אשלגן פלואורי, קרח וליתיום

סוגי חומרים

רשימת ההיגדים:

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

ii. Li2O\text{Li}_2\text{O}Li2​O.

שאלה 11 · ניסוי מלח וטמפרטורת קיפאון – שאלת חקר וגרפים

מיומנויות החקר המדעי

סעיף א

סעיף ב

"טמפרטורת הקיפאון (°C) של תמיסת נתרן כלורי ב-100 מ"ל מים כתלות במסת הנתרן כלורי (g)"

סעיף ג

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד

ii. $\text{Li}_2\text{O}$ .