מתכונת 10 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 · אלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית – Li, Be, C, Si, O, Ne

רב-ברירה

לאלו מן האטומים של היסודות הבאים: Li , Be , C , Si , O , Ne
יש אותו מספר אלקטרונים ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר?

א.
Li , Be בלבד.
ב.
C , Si בלבד.
ג.
O , Ne בלבד.
ד.
Be , Si בלבד.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – ל-C ול-Si יש 4 אלקטרונים ברמה החיצונית.

נרשום את היערכות האלקטרונים לפי המספר האטומי שבטבלה המחזורית:
אטוםמספר אטומיהיערכות אלקטרוניםאלקטרונים ברמה הגבוהה ביותר
Li32,11
Be42,22
C62,44
Si142,8,44
O82,66
Ne102,88
רק ל-C ול-Si יש אותו מספר אלקטרונים (ארבעה) ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר – שניהם נמצאים באותו טור (טור 4, משפחת הפחמן) בטבלה המחזורית. תשובה ב.
- א – ל-Li אלקטרון אחד ול-Be שניים (הם באותו מחזור, לא באותו טור).
- ג – ל-O שישה ול-Ne שמונה.
- ד – ל-Be שניים ול-Si ארבעה.
טעות נפוצה: לחשוב שליסודות באותו מחזור (שורה) יש אותו מספר אלקטרונים ברמה החיצונית – באותו מחזור יש אותו מספר רמות אנרגיה, ובאותו טור יש אותו מספר אלקטרוני ערכיות.

אטום	מספר אטומי	היערכות אלקטרונים	אלקטרונים ברמה הגבוהה ביותר
Li	3	2,1	1
Be	4	2,2	2
C	6	2,4	4
Si	14	2,8,4	4
O	8	2,6	6
Ne	10	2,8	8

שאלה 2 · חלקיקי האטום – מטען ומיקום

רב-ברירה

השאלה מתייחסת לחלקיקים שמהם בנוי האטום. קבעו מהו ההיגד הנכון.

א.
הנויטרון טעון במטען חיובי, והוא נמצא בגרעין האטום.
ב.
האלקטרון טעון במטען שלילי, והוא נמצא בגרעין האטום.
ג.
הפרוטון טעון במטען שלילי, והוא נמצא מחוץ לגרעין האטום.
ד.
הפרוטון טעון במטען חיובי, והוא נמצא בגרעין האטום יחד עם הנויטרונים.

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – הפרוטונים (מטען חיובי) והנויטרונים (ללא מטען) נמצאים בגרעין; האלקטרונים (מטען שלילי) נעים סביב הגרעין.

חלקיקי האטום:
החלקיקמטעןמיקום באטום
פרוטוןחיובי, +1+1+1בגרעין
נויטרוןללא מטען (ניטרלי)בגרעין
אלקטרוןשלילי, −1-1−1מחוץ לגרעין, ברמות האנרגיה (ענן האלקטרונים)
לכן הפרוטון טעון במטען חיובי ונמצא בגרעין יחד עם הנויטרונים – תשובה ד.
- א – לנויטרון אין מטען (הוא אכן נמצא בגרעין, אבל הוא ניטרלי).
- ב – האלקטרון אכן טעון במטען שלילי, אבל הוא נמצא מחוץ לגרעין, ברמות האנרגיה.
- ג – הפרוטון טעון במטען חיובי ונמצא בתוך הגרעין.
טעות נפוצה: לחשוב שכל החלקיקים הטעונים נמצאים בגרעין, או לייחס לנויטרון מטען.

החלקיק	מטען	מיקום באטום
פרוטון	חיובי, $+1$	בגרעין
נויטרון	ללא מטען (ניטרלי)	בגרעין
אלקטרון	שלילי, $-1$	מחוץ לגרעין, ברמות האנרגיה (ענן האלקטרונים)

שאלה 3 · אלקטרוני ערכיות ורמות אנרגיה – Li, Be, Na, Ca

רב-ברירה

לפניכם ארבעה היגדים, IV – I , הנוגעים לאטומים של היסודות ליתיום, Li ; בריליום, Be ; נתרן, Na ; וסידן, Ca .
I. לאטום ליתיום ולאטום בריליום יש מספר זהה של אלקטרוני ערכיות.
II. לאטום בריליום ולאטום סידן יש מספר זהה של אלקטרוני ערכיות.
III. באטום ליתיום ובאטום נתרן, האלקטרונים מאכלסים מספר זהה של רמות אנרגיה.
IV. באטום ליתיום ובאטום בריליום, 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: ד

תשובה:

ד – II ו-IV: Be ו-Ca באותו טור (2 אלקטרוני ערכיות); Li ו-Be באותו מחזור (2 רמות אנרגיה).

לפי המספרים האטומיים שבטבלה המחזורית נרשום היערכות אלקטרונים:
היסודמספר אטומיהיערכות אלקטרוניםאלקטרוני ערכיותרמות מאוכלסות
Li32,112
Be42,222
Na112,8,113
Ca202,8,8,224
- I שגוי: ל-Li יש אלקטרון ערכיות אחד ול-Be שניים (הם באותו מחזור, לא באותו טור).
- II נכון: ל-Be ול-Ca יש 2 אלקטרוני ערכיות – שניהם בטור השני.
- III שגוי: ב-Li מאוכלסות 2 רמות וב-Na 3 רמות (הם באותו טור, לא באותו מחזור).
- IV נכון: ב-Li וב-Be מאוכלסות 2 רמות אנרגיה – שניהם במחזור השני.
לכן התשובה היא ד – היגדים II ו-IV.

היסוד	מספר אטומי	היערכות אלקטרונים	אלקטרוני ערכיות	רמות מאוכלסות
Li	3	2,1	1	2
Be	4	2,2	2	2
Na	11	2,8,1	1	3
Ca	20	2,8,8,2	2	4

שאלה 4 · הרכב התרכובת היונית Na2O

רב-ברירה

מה ההיגד הנכון עבור התרכובת Na2O\text{Na}_2\text{O}Na2​O?

א.
התרכובת מורכבת ממולקולות $\text{Na}_2\text{O}$ .
ב.
התרכובת מורכבת מיוני נתרן, $\text{Na}^{+}$ , ויוני חמצן, $\text{O}^{2-}$ .
ג.
התרכובת מורכבת מיוני נתרן, $\text{Na}_2^{2+}$ , ויוני חמצן, $\text{O}^{2-}$ .
ד.
ביחידת הנוסחה של התרכובת יש אטום נתרן אחד ושני אטומי חמצן.

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ויוני O2−\text{O}^{2-}O2−.

Na2O\text{Na}_2\text{O}Na2​O היא תרכובת של מתכת (נתרן) ואל-מתכת (חמצן), ולכן היא תרכובת יונית.
•נתרן נמצא בטור 1 – לאטום אלקטרון אחד ברמה החיצונית (2,8,1). הוא מוסר אותו ויוצר יון Na+\text{Na}^{+}Na+.
•חמצן נמצא בטור 6 – לאטום 6 אלקטרונים ברמה החיצונית (2,6). הוא מקבל 2 אלקטרונים ויוצר יון O2−\text{O}^{2-}O2−.
•היחס 2:12:12:1 בנוסחה האמפירית נובע מאיזון המטענים: 2×(+1)+(−2)=02\times(+1)+(-2)=02×(+1)+(−2)=0.
לכן התרכובת מורכבת מיוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ויוני O2−\text{O}^{2-}O2− – תשובה ב.
- א – בתרכובת יונית אין מולקולות. Na2O\text{Na}_2\text{O}Na2​O היא נוסחה אמפירית שמציינת את היחס בין היונים בסריג.
- ג – אין יון Na22+\text{Na}_2^{2+}Na22+​: הנתרן יוצר יונים חד-אטומיים Na+\text{Na}^{+}Na+, והספרה 2 מציינת שיש פי 2 יוני נתרן מיוני חמצן.
- ד – הספרה 2 שייכת לנתרן: על כל יון חמצן אחד יש שני יוני נתרן, ולא להפך.

שאלה 5 · תיאור מצב צבירה מוצק

רב-ברירה

לפניך ארבעה היגדים a-d, המתייחסים למצבי צבירה שונים.
a. המרחקים בין חלקיקי החומר גדולים, והחלקיקים נעים במהירות בכל הכיוונים.
b. החומר שומר על צורתו גם כאשר מעבירים אותו לכלי אחר.
c. חלקיקי החומר מסודרים במבנה קבוע ונמצאים במגע זה עם זה.
d. אפשר לדחוס את החומר בקלות לנפח קטן יותר.
מהם ההיגדים שמתייחסים לתיאור מצב צבירה מוצק?

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

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – היגדים b ו-c בלבד.

נבדוק כל היגד:
- a – מרחקים גדולים בין החלקיקים ותנועה מהירה בכל הכיוונים: תיאור מיקרוסקופי של גז.
- b – החומר שומר על צורתו גם בכלי אחר (צורה קבועה): תיאור מאקרוסקופי של מוצק.
- c – חלקיקים מסודרים במבנה קבוע ובמגע זה עם זה: תיאור מיקרוסקופי של מוצק.
- d – אפשר לדחוס בקלות: תיאור מאקרוסקופי של גז. במוצק החלקיקים צמודים, ולכן כמעט אי אפשר לדחוס אותו.
היגדים b ו-c מתארים מוצק – תשובה א.
- ב – היגד b נכון, אבל גם היגד c מתאר מוצק.
- ג – שני ההיגדים מתארים גז.
- ד – היגד d מתאר גז.

שאלה 6 · נוסחה אמפירית של מגנזיום גופרי

רב-ברירה

מחממים תערובת של אבקת מגנזיום, Mg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​ , ואבקת גופרית, S(s)\text{S}_{(s)}S(s)​ , ונוצרת תרכובת יונית.
מהי הנוסחה האמפירית של התרכובת שנוצרת?

א.
$\text{Mg}_2\text{S}$
ב.
$\text{MgS}_2$
ג.
$\text{Mg}_2\text{S}_2$
ד.
$\text{MgS}$

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – MgS\text{MgS}MgS: יוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ ויוני S2−\text{S}^{2-}S2− ביחס 1:1.

•Mg (מספר אטומי 12, היערכות 2,8,2) נמצא בטור 2. הוא מוסר 2 אלקטרוני ערכיות ויוצר יון Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+.
•S (מספר אטומי 16, היערכות 2,8,6) נמצא בטור 6. הוא קולט 2 אלקטרונים להשלמת אוקטט ויוצר יון S2−\text{S}^{2-}S2−.
כדי שהתרכובת תהיה נייטרלית: (+2)+(−2)=0(+2)+(-2)=0(+2)+(−2)=0, כלומר היחס בין היונים הוא 1:1. הנוסחה האמפירית מבטאת את היחס הקטן ביותר בין היונים בסריג, ולכן היא MgS\text{MgS}MgS – תשובה ד.
- א Mg2S\text{Mg}_2\text{S}Mg2​S: המטען הכולל +4−2=+2+4-2=+2+4−2=+2.
- ב MgS2\text{MgS}_2MgS2​: המטען הכולל +2−4=−2+2-4=-2+2−4=−2.
- ג Mg2S2\text{Mg}_2\text{S}_2Mg2​S2​: המטען הכולל אמנם 0, אבל זה אינו היחס הקטן ביותר (2:2 מצטמצם ל-1:1), ולכן זו אינה נוסחה אמפירית.
טעות נפוצה: לחשוב שבחומר יוני יש "מולקולות" כמו Mg2S2\text{Mg}_2\text{S}_2Mg2​S2​. בסריג יוני יש מספר עצום של יונים, והנוסחה האמפירית מציינת רק את היחס הקטן ביותר ביניהם.

שאלה 7 · מעברי אנרגיה בהמסה ובאידוי

רב-ברירה

לפניכם תיאור של שלושה תהליכים III – I :
תהליך I: המיסו במים נתרן הידרוקסידי מוצק, NaOH(s)\text{NaOH}_{(s)}NaOH(s)​. הכוס שבה התרחשה ההמסה התחממה מאוד.
תהליך II: על גב היד טפטפו מעט אצטון נוזלי. בזמן שהאצטון התאדה, הרגישו קור במקום שעליו טפטפו אותו.
תהליך III: המיסו במים מלח מסוים, והתמיסה שהתקבלה מוליכה זרם חשמלי.
מהי המסקנה שניתן להסיק מהתצפיות על התהליכים I, II ו- III ?
תהליך Iתהליך IIתהליך III
א.אקסותרמיאנדותרמילא ניתן לקבוע ללא בדיקות נוספות
ב.אנדותרמיאקסותרמיאקסותרמי
ג.אקסותרמיאנדותרמיאנדותרמי
ד.אקסותרמיאקסותרמילא ניתן לקבוע ללא בדיקות נוספות

	תהליך I	תהליך II	תהליך III
א.	אקסותרמי	אנדותרמי	לא ניתן לקבוע ללא בדיקות נוספות
ב.	אנדותרמי	אקסותרמי	אקסותרמי
ג.	אקסותרמי	אנדותרמי	אנדותרמי
ד.	אקסותרמי	אקסותרמי	לא ניתן לקבוע ללא בדיקות נוספות

א.
תהליך I – אקסותרמי; תהליך II – אנדותרמי; תהליך III – לא ניתן לקבוע ללא בדיקות נוספות.
ב.
תהליך I – אנדותרמי; תהליך II – אקסותרמי; תהליך III – אקסותרמי.
ג.
תהליך I – אקסותרמי; תהליך II – אנדותרמי; תהליך III – אנדותרמי.
ד.
תהליך I – אקסותרמי; תהליך II – אקסותרמי; תהליך III – לא ניתן לקבוע ללא בדיקות נוספות.

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – I אקסותרמי (הכוס התחממה), II אנדותרמי (האידוי קלט חום מהיד), ועל III אי אפשר לקבוע ממוליכות בלבד.

- תהליך I – הכוס התחממה: בהמסה נפלטה אנרגיה (חום) לסביבה, ולכן ההמסה אקסותרמית.
- תהליך II – היד התקררה: כדי שהאצטון יתאדה הוא קולט אנרגיה (חום) מהסביבה – מהעור. לכן האידוי אנדותרמי.
- תהליך III – מוליכות התמיסה מראה שיש בה יונים ניידים, אבל אינה נותנת מידע על מעבר חום. כדי לקבוע יש למדוד את שינוי הטמפרטורה בזמן ההמסה – לא ניתן לקבוע ללא בדיקות נוספות.
תשובה א.
- ב – הפוך עבור I ו-II, וקובעת את III ללא נתון.
- ג – I ו-II נכונים, אבל אין נתון על מעבר אנרגיה בתהליך III.
- ד – תהליך II אינו אקסותרמי: תחושת הקור נובעת מכך שהאידוי קולט חום מהיד.
טעות נפוצה: לחשוב שבתהליך II "הקור עובר לעור". למעשה החום עובר מהעור אל האצטון המתאדה, ולכן העור מתקרר – התהליך אנדותרמי.

פרק שני

שאלה 8 · מימן – דלק נקי?

שאלת מאמר40 נקודות

ניתוח קטע מאמר מדעי - חובה
קראו את הקטע הבא וענו על כל הסעיפים שאחריו (שאלת חובה, 40 נקודות):
מימן – דלק נקי?
(1) החיפוש אחר דלקים שאינם פולטים פחמן דו-חמצני הוביל לעניין רב במימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​.
(2) כאשר מימן נשרף באוויר הוא מגיב עם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​, והתוצר היחיד הוא מים.
(3) מימן כמעט אינו נמצא בטבע כיסוד, ולכן יש להפיק אותו מתרכובות. אחת הדרכים היא
(4) אלקטרוליזה של מים: מעבירים זרם חשמלי במים שהוסף להם חומר המשפר את הולכת החשמל, והמים
(5) מתפרקים למימן ולחמצן. כדי לפרק את המים יש לספק להם אנרגיה חשמלית באופן רציף,
(6) ואם הזרם מופסק – הפירוק נעצר. במתקנים רבים האלקטרודות עשויות מהמתכת ניקל, Ni,
(7) שהיא מוליכה טובה של חשמל ועמידה בתנאי התהליך.
(8) אם החשמל לאלקטרוליזה מופק מאנרגיית השמש או הרוח, מתקבל מימן כמעט ללא פליטת
(9) פחמן דו-חמצני. עם זאת, מימן הוא גז קל מאוד, ולכן אחסונו והובלתו דורשים בדרך כלל מכלים
(10) בלחץ גבוה מאוד, וזהו אחד האתגרים העיקריים בשימוש במימן כדלק.

א.

על פי הקטע, כתבו מהו אחד האתגרים העיקריים בשימוש במימן כדלק, ומה הסיבה לו.

ב.

(i)

רשמו נוסחאות ייצוג אלקטרונים לשתי המולקולות: H2O\text{H}_2\text{O}H2​O , O2\text{O}_2O2​ .

(ii)

לפניכם ניסוח התגובה הלא מאוזן של פירוק מים באלקטרוליזה:
H2O(l)→H2(g)+O2(g)\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}H2​O(l)​→H2(g)​+O2(g)​
העתיקו את התגובה למחברת הבחינה ואזנו אותה.

(iii)

נתונים שני כלים א' ו- ב'. לכלי א' הכניסו הקסאן, C6H14(l)\text{C}_6\text{H}_{14(l)}C6​H14(l)​, ולכלי ב' מים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​.
מדען הזרים לשני הכלים גז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​, באותם תנאים. נמצא שבהקסאן התמוססה כמות גדולה יותר של מימן מאשר במים.
הסבירו מדוע המימן התמוסס בהקסאן טוב יותר מאשר במים.

ג.

האם תגובת הפירוק של מים למימן ולחמצן היא אנדותרמית או אקסותרמית? נמקו את תשובתכם על פי הקטע.

ד.

(i)

ציינו שני מאפיינים של המבנה המיקרוסקופי של המתכת ניקל, Ni.

(ii)

כיצד נקרא הקשר שבין החלקיקים בסריג הניקל?

ה.

לפניכם טבלה ובה נתונים על שלושה דלקים גזיים:
הדלקנוסחה כימיתאנרגיה הנפלטת בשריפת 1 גרם דלק (kJ)אנרגיה הנפלטת בשריפת 1 ליטר גז בטמפ' החדר ובלחץ אטמוספרי (kJ)מסת הפחמן הדו-חמצני הנפלט בשריפת 1 גרם דלק (g)
מימןH2\text{H}_2H2​14311.70
מתאן (גז טבעי)CH4\text{CH}_4CH4​55.636.32.75
פרופאןC3H8\text{C}_3\text{H}_8C3​H8​50.490.63.00
ישנן שתי עֶמְדות מרכזיות לגבי דלקים לחימום ולתחבורה: יש הסוברים שיש להחליף את הגז הטבעי במימן, ויש הסוברים שעדיף להמשיך להשתמש בגז טבעי.
התבססו על המידע שבטבלה ורשמו את הנימוק המתאים לכל אחת מהעמדות.

הדלק	נוסחה כימית	אנרגיה הנפלטת בשריפת 1 גרם דלק (kJ)	אנרגיה הנפלטת בשריפת 1 ליטר גז בטמפ' החדר ובלחץ אטמוספרי (kJ)	מסת הפחמן הדו-חמצני הנפלט בשריפת 1 גרם דלק (g)
מימן	$\text{H}_2$	143	11.7	0
מתאן (גז טבעי)	$\text{CH}_4$	55.6	36.3	2.75
פרופאן	$\text{C}_3\text{H}_8$	50.4	90.6	3.00

◂ פתרון מלא לשאלה 8

סעיף א

תשובה:

אחסון והובלה של המימן דורשים מכלים בלחץ גבוה מאוד, כי מימן הוא גז קל מאוד (שורות 9–10).

לפי שורות 9–10, "מימן הוא גז קל מאוד, ולכן אחסונו והובלתו דורשים בדרך כלל מכלים בלחץ גבוה מאוד, וזהו אחד האתגרים העיקריים בשימוש במימן כדלק".
- האתגר: אחסון והובלה של המימן – יש צורך במכלים העומדים בלחץ גבוה מאוד.
- הסיבה: מימן הוא גז קל מאוד, כלומר מסה קטנה שלו תופסת נפח גדול, ולכן כדי לאחסן כמות מספקת של דלק יש לדחוס אותו בלחץ גבוה.

סעיף ב

(i)

תשובה:

H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: O במרכז, שני קשרים יחידים ל-H ושני זוגות לא-קושרים על O; O2\text{O}_2O2​: O=O עם שני זוגות לא-קושרים על כל O.

H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: אטום החמצן במרכז, קשור בשני קשרים יחידים לשני אטומי מימן. על אטום החמצן שני זוגות אלקטרונים לא-קושרים. סה"כ 8 אלקטרוני ערכיות (6+2⋅16 + 2 \cdot 16+2⋅1): לחמצן אוקטט ולכל מימן זוג אלקטרונים.
O2\text{O}_2O2​: שני אטומי החמצן קשורים בקשר כפול (O=O), ועל כל אטום חמצן שני זוגות אלקטרונים לא-קושרים. סה"כ 12 אלקטרוני ערכיות (2⋅62 \cdot 62⋅6), וכל אטום מוקף באוקטט.

(ii)

תשובה:

2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 2\text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}2H2​O(l)​→2H2(g)​+O2(g)​

מאזנים לפי סוג אטום:
- חמצן: במולקולת O2\text{O}_2O2​ יש 2 אטומי O, ולכן נדרשות 2 מולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
- מימן: ב-2 מולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O יש 2⋅2=42 \cdot 2 = 42⋅2=4 אטומי H, ולכן נוצרות 2 מולקולות H2\text{H}_2H2​.
2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 2\text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}2H2​O(l)​→2H2(g)​+O2(g)​
בדיקה: מגיבים – H: 4, O: 2; תוצרים – H: 4, O: 2. התגובה מאוזנת.

(iii)

תשובה:

מימן והקסאן הם חומרים מולקולריים לא-קוטביים; בין מולקולותיהם פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד, ולכן מולקולות המימן מתפזרות בין מולקולות ההקסאן. בין מולקולות המים קשרי מימן חזקים, ומולקולות המימן אינן יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים.

המימן מתמוסס טוב יותר בהקסאן, כי הוא דומה להקסאן באופי הכוחות שבין המולקולות.
•מימן, H2\text{H}_2H2​, והקסאן, C6H14\text{C}_6\text{H}_{14}C6​H14​, הם חומרים מולקולריים שמולקולותיהם לא-קוטביות. בין מולקולות כל אחד מהם פועלות רק אינטראקציות ואן דר ואלס.
•בין מולקולות המימן למולקולות ההקסאן נוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס דומות, ולכן מולקולות המימן יכולות להתפזר בין מולקולות ההקסאן.
•בין מולקולות המים פועלים קשרי מימן חזקים. במולקולת H2\text{H}_2H2​ אטום המימן אינו קשור ל-N, O או F, ולכן מולקולות המימן אינן יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים. מולקולות המים נשארות קשורות זו לזו, ומעט מאוד מולקולות מימן חודרות ביניהן – המסיסות במים קטנה.

סעיף ג

תשובה:

אנדותרמית – לפי שורות 5–6, כדי לפרק את המים יש לספק להם אנרגיה חשמלית באופן רציף, ואם הזרם מופסק הפירוק נעצר; כלומר בתגובה נקלטת אנרגיה.

תגובת הפירוק של מים היא אנדותרמית.
לפי שורות 5–6, "כדי לפרק את המים יש לספק להם אנרגיה חשמלית באופן רציף, ואם הזרם מופסק – הפירוק נעצר". כלומר, התגובה מתרחשת רק כל עוד המערכת קולטת אנרגיה מבחוץ. תגובה שבה נקלטת אנרגיה מהסביבה היא תגובה אנדותרמית (ΔH>0\Delta H > 0ΔH>0).
(בהתאמה, לפי שורה 2 התגובה ההפוכה – שריפת מימן ויצירת מים – משמשת כדלק, כלומר נפלטת בה אנרגיה והיא אקסותרמית.)

סעיף ד

(i)

תשובה:

1. הניקל בנוי מסריג מתכתי ענק של יונים חיוביים של ניקל. 2. היונים מוקפים ב"ים" של אלקטרונים ניידים (אלקטרוני הערכיות), שאינם שייכים לאטום מסוים.

שני מאפיינים (מספיק לציין שניים מתוך הבאים):
1. ניקל הוא חומר מתכתי – בנוי מסריג ענק (אין בו מולקולות נפרדות).
2. בסריג מסודרים יונים חיוביים של ניקל.
3. היונים החיוביים מוקפים ב"ים" של אלקטרונים ניידים – אלקטרוני הערכיות, שאינם שייכים לאטום מסוים ונעים בכל הסריג.
4. בין היונים החיוביים לאלקטרונים הניידים פועלת משיכה חשמלית – הקשר המתכתי.
(האלקטרונים הניידים הם הסיבה לכך שניקל מוליך חשמל, כפי שנאמר בשורה 7.)

(ii)

תשובה:

קשר מתכתי.

הקשר בסריג הניקל הוא קשר מתכתי: המשיכה החשמלית בין היונים החיוביים של הניקל לבין "ים" האלקטרונים הניידים שמקיף אותם.
טעות נפוצה: לענות "קשר קוולנטי" או "קשר יוני" – בסריג מתכתי אין זוגות אלקטרונים משותפים לשני אטומים מסוימים ואין יונים שליליים.

סעיף ה

תשובה:

בעד מימן: בשריפת 1 גרם מימן נפלטת האנרגיה הגדולה ביותר (143 kJ, פי כ-2.6 ממתאן), ולא נפלט פחמן דו-חמצני. בעד גז טבעי: בשריפת 1 ליטר מתאן נפלטת אנרגיה גדולה פי כ-3.1 מבשריפת 1 ליטר מימן, ולכן לאותה כמות אנרגיה נדרש נפח מכל קטן יותר.

נימוק לעמדה שיש להחליף את הגז הטבעי במימן: לפי הטבלה, בשריפת 1 גרם מימן נפלטים 143 kJ – יותר מכל דלק אחר בטבלה (פי כ-2.6 מאשר בשריפת 1 גרם מתאן, 55.6 kJ). בנוסף, בשריפת מימן לא נפלט פחמן דו-חמצני (0 g), לעומת 2.75 g בשריפת 1 גרם מתאן. לכן המעבר למימן יפחית את פליטת גזי החממה.
נימוק לעמדה שעדיף להמשיך להשתמש בגז טבעי: לפי הטבלה, בשריפת 1 ליטר מתאן נפלטים 36.3 kJ, פי כ-3.1 מאשר בשריפת 1 ליטר מימן (11.7 kJ). כלומר, כדי לקבל אותה כמות אנרגיה יש צורך בנפח מימן גדול פי 3 בערך – ולכן נדרשים מכלים גדולים יותר או דחיסה בלחץ גבוה מאוד (בהתאם לאתגר המתואר בשורות 9–10).

פרק שלישי

שאלה 9 · גופרית ואשלגן: מבנה האטום ואיזוטופים

שאלה פתוחה15 נקודות

מושגי יסוד, מבנה האטום והטבלה המחזורית
השאלה עוסקת באטומים גופרית, S , אשלגן, K , 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 גופרית, ואת הערכות האלקטרונים ברמות האנרגיה של אטום אשלגן.

(ii)

רשמו את מספר אלקטרוני הערכיות של אטום גופרית, ואת מספר אלקטרוני הערכיות של אטום אשלגן.

ב.

לפניכם טבלה ובה מידע אודות מספר חלקיקים שונים.
העתיקו את הטבלה למחברתכם והשלימו אותה.
החלקיקסימול האיזוטופמספר פרוטוניםמספר ניטרוניםמספר אלקטרוניםהמטען החשמלי
אטום גופרית16
אטום גופרית1634S^{34}_{16}\text{S}1634​S
יון גופרית172−2-2−
אטום אשלגן22
יון אשלגן1939K+^{39}_{19}\text{K}^{+}1939​K+

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 שני האיזוטופים שרשמתם בתת-סעיף i נמצאים באותו מקום בטבלה המחזורית (באותו טור ובאותו מחזור). נמקו את קביעתכם.

ד.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ג.
אשלגן מתכתי מגיב עם גופרית בחימום, ונוצר אשלגן גופרי לפי התגובה הבאה:
K(s)+S(s)→K2S(s)\text{K}_{(s)} + \text{S}_{(s)} \rightarrow \text{K}_2\text{S}_{(s)}K(s)​+S(s)​→K2​S(s)​

(i)

העתיקו את התגובה למחברתכם ואזנו אותה.

(ii)

בכלי סגור הכניסו 7.8 גרם אשלגן, K(s)\text{K}_{(s)}K(s)​ , ו-3.2 גרם גופרית, S(s)\text{S}_{(s)}S(s)​ , וחיממו.
החומרים הגיבו ליצירת אשלגן גופרי, K2S(s)\text{K}_2\text{S}_{(s)}K2​S(s)​ .
בסיום התגובה לא נשארו מגיבים בכלי.
מהי מסת האשלגן הגופרי שנוצר? נמקו תשובתכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

(i)

תשובה:

S: 2,8,6 ; K: 2,8,8,1

לפי הטבלה המחזורית, המספר האטומי של גופרית הוא 16 ושל אשלגן 19, ולכן באטום גופרית יש 16 אלקטרונים ובאטום אשלגן 19 אלקטרונים. ממלאים את הרמות לפי הסדר (2, אחר כך 8, אחר כך 8):
•גופרית: 2,8,6
•אשלגן: 2,8,8,1

(ii)

תשובה:

גופרית – 6; אשלגן – 1.

אלקטרוני הערכיות הם האלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית:
•גופרית (2,8,6): 6 אלקטרוני ערכיות (טור 6).
•אשלגן (2,8,8,1): 1 אלקטרון ערכיות (טור 1).

סעיף ב

תשובה:

1632S^{32}_{16}\text{S}1632​S: 16p, 16n, 16e, 0; 1634S^{34}_{16}\text{S}1634​S: 16p, 18n, 16e, 0; 1633S2−^{33}_{16}\text{S}^{2-}1633​S2−: 16p, 17n, 18e; 1941K^{41}_{19}\text{K}1941​K: 19p, 22n, 19e, 0; 1939K+^{39}_{19}\text{K}^{+}1939​K+: 19p, 20n, 18e, 1+1+1+.

כללים: מספר הפרוטונים = המספר האטומי (גופרית 16, אשלגן 19, לפי הטבלה המחזורית). מספר המסה = מספר הפרוטונים + מספר הניטרונים. באטום נייטרלי מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים. ביון: מספר האלקטרונים = מספר הפרוטונים פחות המטען (יון 2−2-2− קלט 2 אלקטרונים, יון 1+1+1+ מסר אלקטרון אחד).
החלקיקסימול האיזוטופמספר פרוטוניםמספר ניטרוניםמספר אלקטרוניםהמטען החשמלי
אטום גופרית1632S^{32}_{16}\text{S}1632​S1616160
אטום גופרית1634S^{34}_{16}\text{S}1634​S1618160
יון גופרית1633S2−^{33}_{16}\text{S}^{2-}1633​S2−1617182−2-2−
אטום אשלגן1941K^{41}_{19}\text{K}1941​K1922190
יון אשלגן1939K+^{39}_{19}\text{K}^{+}1939​K+1920181+1+1+
חישובים:
•אטום גופרית עם 16 ניטרונים: מספר המסה 16+16=3216+16=3216+16=32.
- 1634S^{34}_{16}\text{S}1634​S: מספר הניטרונים 34−16=1834-16=1834−16=18.
•יון גופרית: מספר המסה 16+17=3316+17=3316+17=33; מספר האלקטרונים 16+2=1816+2=1816+2=18.
•אטום אשלגן עם 22 ניטרונים: מספר המסה 19+22=4119+22=4119+22=41.
- 1939K+^{39}_{19}\text{K}^{+}1939​K+: מספר הניטרונים 39−19=2039-19=2039−19=20; מספר האלקטרונים 19−1=1819-1=1819−1=18.
שימו לב: ליון S2−\text{S}^{2-}S2− וליון K+\text{K}^{+}K+ יש אותו מספר אלקטרונים, 18 (היערכות 2,8,8 כמו של ארגון).

החלקיק	סימול האיזוטופ	מספר פרוטונים	מספר ניטרונים	מספר אלקטרונים	המטען החשמלי
אטום גופרית	$^{32}_{16}\text{S}$	16	16	16	0
אטום גופרית	$^{34}_{16}\text{S}$	16	18	16	0
יון גופרית	$^{33}_{16}\text{S}^{2-}$	16	17	18	$2-$
אטום אשלגן	$^{41}_{19}\text{K}$	19	22	19	0
יון אשלגן	$^{39}_{19}\text{K}^{+}$	19	20	18	$1+$

סעיף ג

(i)

תשובה:

1632S^{32}_{16}\text{S}1632​S ו-1634S^{34}_{16}\text{S}1634​S

איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד (אותו מספר פרוטונים) שמספר הניטרונים שלהם שונה, ולכן מספר המסה שלהם שונה.
לשני אטומי הגופרית בטבלה יש 16 פרוטונים, אבל לאחד 16 ניטרונים ולשני 18. לכן אלה האיזוטופים 1632S^{32}_{16}\text{S}1632​S ו-1634S^{34}_{16}\text{S}1634​S.
(יון הגופרית הוא יון ולא אטום; גם 1941K^{41}_{19}\text{K}1941​K ו-1939K+^{39}_{19}\text{K}^{+}1939​K+ שייכים לאותו יסוד, אבל אחד מהם הוא יון.)

(ii)

תשובה:

כן – שניהם במחזור 3 ובטור 6.

קביעה: שני האיזוטופים נמצאים באותו מקום בטבלה המחזורית – מחזור 3, טור 6.
נימוק: מקומו של יסוד בטבלה המחזורית נקבע לפי המספר האטומי שלו, כלומר לפי מספר הפרוטונים בגרעין. לשני האיזוטופים אותו מספר פרוטונים, 16, ולכן לשניהם אותו מספר אטומי – שניהם אטומי גופרית. באטום נייטרלי יש 16 אלקטרונים, בהיערכות 2,8,6: שלוש רמות אנרגיה מאוכלסות (מחזור 3) ו-6 אלקטרוני ערכיות (טור 6). מספר הניטרונים, השונה בין האיזוטופים, אינו משפיע על המקום בטבלה.

סעיף ד

(i)

תשובה:

2K(s)+S(s)→K2S(s)2\text{K}_{(s)} + \text{S}_{(s)} \rightarrow \text{K}_2\text{S}_{(s)}2K(s)​+S(s)​→K2​S(s)​

בתוצר K2S\text{K}_2\text{S}K2​S יש 2 אטומי K ואטום S אחד. לכן רושמים 2 לפני K:
2K(s)+S(s)→K2S(s)2\text{K}_{(s)} + \text{S}_{(s)} \rightarrow \text{K}_2\text{S}_{(s)}2K(s)​+S(s)​→K2​S(s)​
בדיקה: K: 2 = 2; S: 1 = 1.

(ii)

תשובה:

11.0 g11.0\ \text{g}11.0 g

נימוק – חוק שימור המסה: בתגובה כימית האטומים רק מתחברים מחדש; הם אינם נוצרים ואינם נעלמים. לכן סכום מסות המגיבים שהגיבו שווה לסכום מסות התוצרים. הכלי סגור, ובסיום התגובה לא נשארו מגיבים, כלומר כל האשלגן וכל הגופרית הפכו לתוצר היחיד, K2S\text{K}_2\text{S}K2​S.
mK2S=mK+mS=7.8 g+3.2 g=11.0 gm_{\text{K}_2\text{S}} = m_{\text{K}} + m_{\text{S}} = 7.8\ \text{g} + 3.2\ \text{g} = 11.0\ \text{g}mK2​S​=mK​+mS​=7.8 g+3.2 g=11.0 g
תשובה: נוצרו 11.0 g11.0\ \text{g}11.0 g של אשלגן גופרי.

שאלה 10 · סוגי סריגים: יהלום, גלוקוז, אשלגן יודי וסידן

שאלה פתוחה15 נקודות

סוגי חומרים ותכונותיהם

א.

נתונות נוסחאות של ארבעה חומרים:
יהלום, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ , גלוקוז, C6H12O6(s)\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_{6(s)}C6​H12​O6(s)​ , אשלגן יודי, KI(s)\text{KI}_{(s)}KI(s)​ , סידן, Ca(s)\text{Ca}_{(s)}Ca(s)​ .
עבור כל אחד מארבעת החומרים רִשמו את סוג הסריג (מולקולרי, יוני, מתכתי או אטומרי) המתאים לו.

ב.

לפניכם שלושה היגדים, I-III, המתייחסים לחומרים הנתונים.
קְבעו לגבי כל אחד מן ההיגדים אם הוא נכון או לא נכון.
אם קבעתם שהיגד אינו נכון - תקנו את ההיגד וִרשמו אותו נכון.
I. יהלום מוליך חשמל כי יש בו אלקטרונים ניידים.
II. בין האטומים במולקולת גלוקוז יש קשרים קוולנטיים.
III. בין החלקיקים באשלגן יודי מוצק יש אינטראקציות ון דר ואלס.

ג.

בטבלה שלפניכם מוצגים ארבעה חומרים מוצקים שסומנו באופן שרירותי באותיות A עד D.
החומרמוליכות חשמלית – במוצקמוליכות חשמלית – בנוזלמסיסות / תגובה במים
A++מגיב
B--לא מתמוסס
C-+מתמוסס
D--מתמוסס
התאימו לכל אחת מהאותיות A - D שבטבלה את החומר המתאים מבין ארבעת החומרים הנתונים בסעיף א, וִרשמו את הנוסחה המתאימה לו.

החומר	מוליכות חשמלית – במוצק	מוליכות חשמלית – בנוזל	מסיסות / תגובה במים
A	+	+	מגיב
B	-	-	לא מתמוסס
C	-	+	מתמוסס
D	-	-	מתמוסס

ד.

(i)

נסחו את תהליך ההמסה במים של חומר C.

(ii)

האם התמיסה שהתקבלה מוליכה חשמל? נמקו.

ה.

(i)

הסבירו ברמה המיקרוסקופית (הרמה החלקיקית) עבור כל אחד משני החומרים A ו- C מדוע הוא מוליך זרם חשמלי בנוזל.

(ii)

הסבירו ברמה המיקרוסקופית מדוע חומר C אינו מוליך זרם חשמלי במוצק.

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

תשובה:

יהלום – אטומרי; גלוקוז – מולקולרי; KI – יוני; Ca – מתכתי.

- יהלום, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ – סריג אטומרי: אטומי פחמן שכל אחד מהם קשור בקשרים קוולנטיים לארבעה אטומי פחמן אחרים, ברשת תלת-ממדית ענקית; אין מולקולות נפרדות.
- גלוקוז, C6H12O6(s)\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_{6(s)}C6​H12​O6(s)​ – סריג מולקולרי: מולקולות נפרדות (בתוך כל מולקולה קשרים קוולנטיים בין אטומי C, H ו-O, שכולם אל-מתכות) המסודרות בסריג ונמשכות זו לזו בכוחות בין-מולקולריים.
- אשלגן יודי, KI(s)\text{KI}_{(s)}KI(s)​ – סריג יוני: תרכובת של מתכת ואל-מתכת, הבנויה מיוני K+\text{K}^{+}K+ ויוני I−\text{I}^{-}I− ביחס 1:1.
- סידן, Ca(s)\text{Ca}_{(s)}Ca(s)​ – סריג מתכתי: יוני Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ בים של אלקטרונים.

סעיף ב

תשובה:

I – לא נכון (יהלום אינו מוליך חשמל – אין בו אלקטרונים ניידים); II – נכון; III – לא נכון (בין היונים יש קשר יוני).

היגד I – לא נכון. ביהלום כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לארבעה אטומי פחמן, כך שכל ארבעת אלקטרוני הערכיות של כל אטום משתתפים בקשרים ואינם חופשיים לנוע. אין ביהלום אלקטרונים ניידים וגם לא יונים.
תיקון: "יהלום אינו מוליך חשמל כי אין בו אלקטרונים ניידים (כל אלקטרוני הערכיות משמשים בקשרים)."
היגד II – נכון. במולקולת גלוקוז האטומים C, H ו-O (כולם אל-מתכות) קשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים – זוגות אלקטרונים משותפים.
היגד III – לא נכון. אשלגן יודי הוא חומר יוני; אין בו מולקולות, ולכן אין בו כוחות בין-מולקולריים. בין יוני K+\text{K}^{+}K+ ליוני I−\text{I}^{-}I− יש משיכה חשמלית חזקה – קשר יוני.
תיקון: "בין החלקיקים באשלגן יודי מוצק יש קשר יוני (משיכה בין יונים חיוביים ליונים שליליים)."
טעות נפוצה: לייחס ליהלום מוליכות חשמלית כמו לגרפיט – בגרפיט כל אטום קשור לשלושה אטומים בלבד, ולכן נשאר אלקטרון נייד; ביהלום – לארבעה.

סעיף ג

תשובה:

A – Ca; B – C (יהלום); C – KI; D – C6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6C6​H12​O6​.

- A – סידן, Ca: מוליך חשמל גם במוצק וגם בנוזל, ומגיב עם מים – תכונות של מתכת (סידן מגיב עם מים).
- B – יהלום, C: אינו מוליך חשמל ואינו מתמוסס במים – חומר אטומרי שבו כל האלקטרונים קשורים בקשרים קוולנטיים חזקים ברשת אחת. (יהלום אינו נמס בתנאים רגילים; הסימן − בעמודת הנוזל מתאים לכך שאין בו חלקיקים טעונים ניידים.)
- C – אשלגן יודי, KI: לא מוליך במוצק, מוליך בנוזל (מותך) ומתמוסס במים – תכונות אופייניות לחומר יוני.
- D – גלוקוז, C6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6C6​H12​O6​: אינו מוליך חשמל לא במוצק ולא בנוזל, אבל מתמוסס במים – חומר מולקולרי הבנוי ממולקולות נייטרליות.
ההבחנה בין B ל-D: שניהם אינם מוליכים, אבל רק הגלוקוז מתמוסס במים.

סעיף ד

(i)

תשובה:

KI(s)→מיםK(aq)++I(aq)−\text{KI}_{(s)} \xrightarrow{\text{מים}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{I}^{-}_{(aq)}KI(s)​מים​K(aq)+​+I(aq)−​

חומר C הוא אשלגן יודי – חומר יוני הבנוי מיוני K+\text{K}^{+}K+ ויוני I−\text{I}^{-}I− ביחס 1:1. בהמסה הסריג מתפרק והיונים מוקפים במולקולות מים:
KI(s)→מיםK(aq)++I(aq)−\text{KI}_{(s)} \xrightarrow{\text{מים}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{I}^{-}_{(aq)}KI(s)​מים​K(aq)+​+I(aq)−​
בדיקה: K: 1 = 1; I: 1 = 1; מטען: 0=(+1)+(−1)0 = (+1)+(-1)0=(+1)+(−1).

(ii)

תשובה:

כן – בתמיסה יש יוני K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}K(aq)+​ ו-I(aq)−\text{I}^{-}_{(aq)}I(aq)−​ הנעים בחופשיות.

כן, התמיסה מוליכה חשמל.
נימוק: מוליכות חשמלית דורשת חלקיקים טעונים וניידים. בהמסה במים הסריג היוני מתפרק, ובתמיסה נמצאים יוני K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}K(aq)+​ ויוני I(aq)−\text{I}^{-}_{(aq)}I(aq)−​ שנעים בחופשיות בין מולקולות המים. כשמחברים את התמיסה למקור מתח, היונים החיוביים נעים לכיוון הקוטב השלילי והיונים השליליים לכיוון הקוטב החיובי – וכך עובר זרם חשמלי.

סעיף ה

(i)

תשובה:

A (סידן): במתכת הנוזלית יש אלקטרונים ניידים (ים של אלקטרונים). C (אשלגן יודי): בנוזל היונים חופשיים לנוע.

תנאי למוליכות חשמלית: נוכחות של חלקיקים טעונים חופשיים לנוע.
- חומר A (סידן, מתכת): במתכת (במוצק ובנוזל כאחד) יש יוני Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ ב"ים של אלקטרונים" – אלקטרוני הערכיות אינם שייכים לאטום מסוים ונעים בחופשיות בכל החומר. האלקטרונים הניידים נושאים את הזרם.
- חומר C (אשלגן יודי, חומר יוני): בהתכה הסריג היוני מתפרק, היונים כבר אינם מוחזקים במקומות קבועים, ויוני K+\text{K}^{+}K+ ו-I−\text{I}^{-}I− חופשיים לנוע בנוזל. היונים הניידים נושאים את המטען, ולכן הנוזל מוליך חשמל.

(ii)

תשובה:

במוצק היונים קבועים במקומם בסריג היוני (רק מתנודדים), ואין חלקיקים טעונים ניידים.

במצב מוצק אשלגן יודי בנוי מסריג יוני: יוני K+\text{K}^{+}K+ ויוני I−\text{I}^{-}I− 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.

שאלה 11 · המסת סידן כלורי – מסת המלח וטמפרטורת התמיסה

שאלה פתוחה15 נקודות

מיומנויות החקר המדעי
כאשר ממיסים במים את המלח סידן כלורי, CaCl2(s)\text{CaCl}_{2(s)}CaCl2(s)​, התמיסה מתחממת. תכונה זו מנוצלת למשל בשקיות חימום חד-פעמיות.
תלמידים בצעו ניסוי במעבדה. הם לקחו ארבע כוסות קלקר זהות, והכניסו לכל אחת מהן 100 מ"ל מים בטמפרטורה של 22 מעלות צלזיוס. לכל כוס הם הוסיפו מסה שונה של סידן כלורי וערבבו עד להמסה מלאה.
בסיום ההמסה התלמידים מדדו את הטמפרטורה הגבוהה ביותר שהגיעה אליה התמיסה בכל כוס.

א.

ענו על השאלות הבאות:

(i)

נסחו את שאלת החקר שנבדקה בניסוי.

(ii)

ציינו את המשתנה התלוי ואת המשתנה הבלתי תלוי בשאלת החקר שניסחתם.

(iii)

ציינו שני גורמים עליהם יש לשמור בניסוי כגורמים קבועים.

ב.

לפניכם שני גרפים, I ו- II המתארים את תוצאות הניסוי. בשני הגרפים הציר האופקי מתאר את מסת הסידן הכלורי (g) והציר האנכי את הטמפרטורה הסופית של התמיסה (0C^{0}\text{C}0C):
ענו על השאלות הבאות:

(i)

קבעו איזה משני הגרפים, I או II מתאר בצורה נכונה יותר את תוצאות הניסוי. הסבירו את בחירתכם.

(ii)

הסבירו איזה מידע נוסף נותן הגרף שבחרתם על פני הגרף השני.

(iii)

רשמו כותרת לגרף שבחרתם.

ג.

הסבירו את תוצאות הניסוי שהתקבלו על פי הגרפים.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

(i)

תשובה:

כיצד משפיעה מסת הסידן הכלורי המומס ב-100 מ"ל מים על הטמפרטורה הסופית של התמיסה?

שאלת חקר מנוסחת כשאלה הקושרת בין הגורם שמשנים (המשתנה הבלתי תלוי) לבין מה שמודדים (המשתנה התלוי):
"כיצד משפיעה מסת הסידן הכלורי המומס ב-100 מ"ל מים על הטמפרטורה הסופית של התמיסה?"

(ii)

תשובה:

משתנה תלוי: הטמפרטורה הסופית (הגבוהה ביותר) של התמיסה (מעלות צלזיוס). משתנה בלתי תלוי: מסת הסידן הכלורי (גרם).

- המשתנה הבלתי תלוי (מה שהתלמידים שינו): מסת הסידן הכלורי שהוכנסה לכל כוס (בגרם).
- המשתנה התלוי (מה שנמדד): הטמפרטורה הגבוהה ביותר של התמיסה בסיום ההמסה (במעלות צלזיוס).

(iii)

תשובה:

נפח המים (100 מ"ל) והטמפרטורה ההתחלתית של המים (22 מעלות צלזיוס); אפשר גם: סוג הכוסות.

גורמים קבועים (מספיק שניים):
נפח המים בכל כוס – 100 מ"ל.
הטמפרטורה ההתחלתית של המים – 22 מעלות צלזיוס.
סוג הכוסות (כוסות קלקר זהות, המבודדות חום באותה מידה).
סוג המלח (סידן כלורי מאותה אריזה).

סעיף ב

(i)

תשובה:

גרף II – כי המשתנה הבלתי תלוי, מסת הסידן הכלורי, הוא משתנה כמותי רציף, ולכן מתאים גרף נקודות על ציר מספרי רציף ולא גרף עמודות.

גרף II מתאר את התוצאות בצורה נכונה יותר.
המשתנה הבלתי תלוי – מסת הסידן הכלורי – הוא משתנה כמותי רציף: המסה יכולה לקבל כל ערך (גם בין 2 ל-4 גרם). לכן מציגים את התוצאות כנקודות על ציר מספרי רציף (גרף II). גרף עמודות (גרף I) מתאים למשתנה בלתי תלוי קטגוריאלי (למשל סוגים שונים של מלחים), שבו אין משמעות לערכים שבין העמודות.

(ii)

תשובה:

גרף II מראה שהטמפרטורה עולה באופן כמעט קווי עם המסה (כ-3.5 מעלות לכל 2 גרם), ומאפשר להעריך את הטמפרטורה עבור מסות שלא נמדדו.

גרף II מוצג על ציר מסה רציף (מ-0 עד 10 גרם), ולכן:
•אפשר לראות את המגמה – הקשר בין המשתנים: ככל שמסת הסידן הכלורי גדלה, הטמפרטורה הסופית עולה, והעלייה כמעט קבועה – כ-3.5 מעלות צלזיוס לכל 2 גרם נוספים (25.5, 29.0, 32.5, 36.0 מעלות), כלומר הנקודות מסתדרות בקירוב על קו ישר.
•אפשר להעביר קו מגמה ולהעריך את הטמפרטורה עבור מסות שלא נבדקו (למשל 5 גרם – כ-31 מעלות), וגם להאריך את הקו לכיוון מסה 0 – שם הטמפרטורה צריכה להיות הטמפרטורה ההתחלתית, 22 מעלות.
בגרף העמודות אין רצף בין הערכים, ולכן אי אפשר להסיק ממנו ערכים שבין העמודות.

(iii)

תשובה:

"הטמפרטורה הסופית של התמיסה כתלות במסת הסידן הכלורי".

כותרת של גרף מציינת את המשתנה התלוי כתלות במשתנה הבלתי תלוי:
"הטמפרטורה הסופית של התמיסה (0C^{0}\text{C}0C) כתלות במסת הסידן הכלורי המומס (g)".

סעיף ג

תשובה:

ההמסה של סידן כלורי היא תהליך אקסותרמי; ככל שמומסת מסה גדולה יותר של מלח, נפלטת יותר אנרגיה לאותה כמות מים, ולכן הטמפרטורה הסופית גבוהה יותר.

תיאור התוצאות: לפי הגרפים, ככל שמסת הסידן הכלורי גדלה (מ-2 ל-8 גרם), הטמפרטורה הסופית של התמיסה עולה (מכ-25.5 לכ-36 מעלות צלזיוס).
הסבר: תהליך ההמסה של סידן כלורי במים הוא תהליך אקסותרמי – בתהליך נפלטת אנרגיה לסביבה, כלומר למים שבכוס, ולכן הם מתחממים:
CaCl2(s)→Ca(aq)2++2Cl(aq)−\text{CaCl}_{2(s)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + 2\text{Cl}^{-}_{(aq)}CaCl2(s)​→Ca(aq)2+​+2Cl(aq)−​
כאשר ממיסים מסה גדולה יותר של מלח באותו נפח מים (100 מ"ל), מתמוססים יותר יונים ונפלטת יותר אנרגיה, ואותה כמות מים קולטת יותר אנרגיה – ולכן הטמפרטורה עולה יותר. מכיוון שכמות האנרגיה הנפלטת גדלה ביחס ישר למסת המלח, העלייה בטמפרטורה כמעט קבועה לכל 2 גרם נוספים.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ב – ל-C ול-Si יש 4 אלקטרונים ברמה החיצונית.
2	-	ד – הפרוטונים (מטען חיובי) והנויטרונים (ללא מטען) נמצאים בגרעין; האלקטרונים (מטען שלילי) נעים סביב הגרעין.
3	-	ד – II ו-IV: Be ו-Ca באותו טור (2 אלקטרוני ערכיות); Li ו-Be באותו מחזור (2 רמות אנרגיה).
4	-	ב – יוני $\text{Na}^{+}$ ויוני $\text{O}^{2-}$ .
5	-	א – היגדים b ו-c בלבד.
6	-	ד – $\text{MgS}$ : יוני $\text{Mg}^{2+}$ ויוני $\text{S}^{2-}$ ביחס 1:1.
7	-	א – I אקסותרמי (הכוס התחממה), II אנדותרמי (האידוי קלט חום מהיד), ועל III אי אפשר לקבוע ממוליכות בלבד.
8	א	אחסון והובלה של המימן דורשים מכלים בלחץ גבוה מאוד, כי מימן הוא גז קל מאוד (שורות 9–10).
	ב i	$\text{H}_2\text{O}$ : O במרכז, שני קשרים יחידים ל-H ושני זוגות לא-קושרים על O; $\text{O}_2$ : O=O עם שני זוגות לא-קושרים על כל O.
	ב ii	$2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 2\text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}$
	ב iii	מימן והקסאן הם חומרים מולקולריים לא-קוטביים; בין מולקולותיהם פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד, ולכן מולקולות המימן מתפזרות בין מולקולות ההקסאן. בין מולקולות המים קשרי מימן חזקים, ומולקולות המימן אינן יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים.
	ג	אנדותרמית – לפי שורות 5–6, כדי לפרק את המים יש לספק להם אנרגיה חשמלית באופן רציף, ואם הזרם מופסק הפירוק נעצר; כלומר בתגובה נקלטת אנרגיה.
	ד i	1. הניקל בנוי מסריג מתכתי ענק של יונים חיוביים של ניקל. 2. היונים מוקפים ב"ים" של אלקטרונים ניידים (אלקטרוני הערכיות), שאינם שייכים לאטום מסוים.
	ד ii	קשר מתכתי.
	ה	בעד מימן: בשריפת 1 גרם מימן נפלטת האנרגיה הגדולה ביותר (143 kJ, פי כ-2.6 ממתאן), ולא נפלט פחמן דו-חמצני. בעד גז טבעי: בשריפת 1 ליטר מתאן נפלטת אנרגיה גדולה פי כ-3.1 מבשריפת 1 ליטר מימן, ולכן לאותה כמות אנרגיה נדרש נפח מכל קטן יותר.
9	א i	S: 2,8,6 ; K: 2,8,8,1
	א ii	גופרית – 6; אשלגן – 1.
	ב	$^{32}_{16}\text{S}$ : 16p, 16n, 16e, 0; $^{34}_{16}\text{S}$ : 16p, 18n, 16e, 0; $^{33}_{16}\text{S}^{2-}$ : 16p, 17n, 18e; $^{41}_{19}\text{K}$ : 19p, 22n, 19e, 0; $^{39}_{19}\text{K}^{+}$ : 19p, 20n, 18e, $1+$ .
	ג i	$^{32}_{16}\text{S}$ ו- $^{34}_{16}\text{S}$
	ג ii	כן – שניהם במחזור 3 ובטור 6.
	ד i	$2\text{K}_{(s)} + \text{S}_{(s)} \rightarrow \text{K}_2\text{S}_{(s)}$
	ד ii	$11.0\ \text{g}$
10	א	יהלום – אטומרי; גלוקוז – מולקולרי; KI – יוני; Ca – מתכתי.
	ב	I – לא נכון (יהלום אינו מוליך חשמל – אין בו אלקטרונים ניידים); II – נכון; III – לא נכון (בין היונים יש קשר יוני).
	ג	A – Ca; B – C (יהלום); C – KI; D – $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ .
	ד i	$\text{KI}_{(s)} \xrightarrow{\text{מים}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{I}^{-}_{(aq)}$
	ד ii	כן – בתמיסה יש יוני $\text{K}^{+}_{(aq)}$ ו- $\text{I}^{-}_{(aq)}$ הנעים בחופשיות.
	ה i	A (סידן): במתכת הנוזלית יש אלקטרונים ניידים (ים של אלקטרונים). C (אשלגן יודי): בנוזל היונים חופשיים לנוע.
	ה ii	במוצק היונים קבועים במקומם בסריג היוני (רק מתנודדים), ואין חלקיקים טעונים ניידים.
11	א i	כיצד משפיעה מסת הסידן הכלורי המומס ב-100 מ"ל מים על הטמפרטורה הסופית של התמיסה?
	א ii	משתנה תלוי: הטמפרטורה הסופית (הגבוהה ביותר) של התמיסה (מעלות צלזיוס). משתנה בלתי תלוי: מסת הסידן הכלורי (גרם).
	א iii	נפח המים (100 מ"ל) והטמפרטורה ההתחלתית של המים (22 מעלות צלזיוס); אפשר גם: סוג הכוסות.
	ב i	גרף II – כי המשתנה הבלתי תלוי, מסת הסידן הכלורי, הוא משתנה כמותי רציף, ולכן מתאים גרף נקודות על ציר מספרי רציף ולא גרף עמודות.
	ב ii	גרף II מראה שהטמפרטורה עולה באופן כמעט קווי עם המסה (כ-3.5 מעלות לכל 2 גרם), ומאפשר להעריך את הטמפרטורה עבור מסות שלא נמדדו.
	ב iii	"הטמפרטורה הסופית של התמיסה כתלות במסת הסידן הכלורי".
	ג	ההמסה של סידן כלורי היא תהליך אקסותרמי; ככל שמומסת מסה גדולה יותר של מלח, נפלטת יותר אנרגיה לאותה כמות מים, ולכן הטמפרטורה הסופית גבוהה יותר.

פרק ראשון

שאלה 1 · אלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית – Li, Be, C, Si, O, Ne

שאלה 2 · חלקיקי האטום – מטען ומיקום

שאלה 3 · אלקטרוני ערכיות ורמות אנרגיה – Li, Be, Na, Ca

שאלה 4 · הרכב התרכובת היונית Na2O

שאלה 5 · תיאור מצב צבירה מוצק

שאלה 6 · נוסחה אמפירית של מגנזיום גופרי

שאלה 7 · מעברי אנרגיה בהמסה ובאידוי

פרק שני

שאלה 8 · מימן – דלק נקי?

ניתוח קטע מאמר מדעי - חובה

מימן – דלק נקי?

סעיף א

סעיף ב

המימן מתמוסס טוב יותר בהקסאן, כי הוא דומה להקסאן באופי הכוחות שבין המולקולות.

סעיף ג

תגובת הפירוק של מים היא אנדותרמית.

סעיף ד

סעיף ה

פרק שלישי

שאלה 9 · גופרית ואשלגן: 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: שני האיזוטופים נמצאים באותו מקום בטבלה המחזורית – מחזור 3, טור 6.

סעיף ד

שאלה 10 · סוגי סריגים: יהלום, גלוקוז, אשלגן יודי וסידן

סוגי חומרים ותכונותיהם

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

שאלה 11 · המסת סידן כלורי – מסת המלח וטמפרטורת התמיסה

מיומנויות החקר המדעי

סעיף א

"כיצד משפיעה מסת הסידן הכלורי המומס ב-100 מ"ל מים על הטמפרטורה הסופית של התמיסה?"

סעיף ב

גרף II מתאר את התוצאות בצורה נכונה יותר.

סעיף ג

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד