מתכונת 5 בכימיה - מבוא לכימיה 037182

לפי הפסקה השנייה, חומרי CFC שמשתחררים לאוויר ומגיעים לגובה רב פוגעים בשכבת האוזון, המגינה על כדור הארץ מקרינה אולטרה-סגולית – ולכן הופסק השימוש בהם.

לפי הפסקה השלישית, איזובוטאן אינו פוגע בשכבת האוזון. זה היתרון שלו כחומר קירור.

(החיסרון שלו לעומת CFC, לפי הקטע: הוא דליק.)

לפי הפסקה השלישית, אמוניה אינה משמשת במקררים ביתיים משום ש:

1. היא רעילה.

2. יש לה ריח חריף ומגרה.

נשתמש במספר אלקטרוני הערכיות של כל אטום:

•H – 1 (קשר אחד); C – 4 (2,4; 4 קשרים); N – 5 (2,5; 3 קשרים וזוג לא קושר אחד); O – 6 (2,6; 2 קשרים ושני זוגות לא קושרים); F – 7 (2,7) ו-Cl – 7 (2,8,7): קשר אחד ושלושה זוגות לא קושרים.

$\text{NH}_3$: אטום חנקן במרכז, קשור בשלושה קשרים יחידים לשלושה אטומי מימן. על אטום החנקן זוג אלקטרונים לא קושר אחד (3 קשרים + זוג = 8 אלקטרונים).

$\text{CO}_2$: אטום פחמן במרכז, קשור בקשר כפול לכל אחד משני אטומי החמצן (O=C=O). על כל אטום חמצן שני זוגות לא קושרים.

$\text{CCl}_2\text{F}_2$: אטום פחמן במרכז, קשור בארבעה קשרים יחידים – לשני אטומי כלור ולשני אטומי פלואור. על כל אטום כלור ועל כל אטום פלואור שלושה זוגות אלקטרונים לא קושרים (קשר + 3 זוגות = 8 אלקטרונים). לפחמן אין זוגות לא קושרים.

טעות נפוצה: לשכוח את הזוג הלא קושר על החנקן, או את שלושת הזוגות הלא קושרים על אטומי ההלוגן.

אמוניה היא חומר מולקולרי. בהמסה במים המולקולות שלה לא מתפרקות – הן מתפזרות בין מולקולות המים. את הממס רושמים מעל החץ, ובתוצר מציינים $(aq)$:

טעות נפוצה: לשכוח לשנות את מצב הצבירה – לפני ההמסה האמוניה היא גז $(g)$, ואחריה היא מומסת במים $(aq)$.

זיקוק הוא שיטת הפרדה של תערובת נוזלית המבוססת על הבדל בטמפרטורות הרתיחה של רכיביה: הרכיב בעל טמפרטורת הרתיחה הנמוכה יותר הופך לגז ראשון, ואותו אוספים (ומעבים) בנפרד.

לפי הטבלה:

•טמפרטורת הרתיחה של פרופאן: $-42$°C.

•טמפרטורת הרתיחה של איזובוטאן: $-12$°C.

ההפרש הוא $-12-(-42)=30$°C. כשמחממים את התערובת הנוזלית לטמפרטורה שבין $-42$°C ל-$-12$°C, הפרופאן מגיע לטמפרטורת הרתיחה שלו והופך לגז שיוצא מהתערובת, ואילו האיזובוטאן עדיין נוזל – וכך מפרידים בין השניים.

מאזנים לפי אטומים (המקדם 2 לפני האיזובוטאן כבר נתון):

- פחמן: בשתי מולקולות איזובוטאן $2\cdot4=8$ אטומי C, ולכן נוצרות 8 מולקולות $\text{CO}_2$.

- מימן: בשתי מולקולות איזובוטאן $2\cdot10=20$ אטומי H, ובכל מולקולת מים 2 – לכן $20\div2=10$ מולקולות $\text{H}_2\text{O}$.

- בדיקת חמצן: באגף התוצרים $8\cdot2+10\cdot1=26$ אטומי O, ובאגף המגיבים $13\cdot2=26$ – מתאים למקדם 13 הנתון.

בדיקה: C: 8 = 8; H: 20 = 20; O: 26 = 26.

לפי הניסוח המאוזן, לשריפת 2 מולקולות איזובוטאן דרושות 13 מולקולות חמצן (יחס 2:13).

מספר מולקולות החמצן $= 6{,}000 \times \frac{13}{2} = 39{,}000$ מולקולות $\text{O}_2$.

טעות נפוצה: להכפיל ב-13 בלי לחלק ב-2 (ולקבל 78,000) – המקדם 13 מתאים לשתי מולקולות איזובוטאן ולא לאחת.

קביעה: המסה הכוללת בכלי שווה למסה שלפני התגובה.

נימוק – חוק שימור המסה: בתגובה כימית אטומים אינם נוצרים ואינם נעלמים – הקשרים בין האטומים מתפרקים ונוצרים קשרים חדשים, והאטומים מסתדרים מחדש במולקולות חדשות ($\text{CO}_2$ ו-$\text{H}_2\text{O}$). מספר האטומים מכל סוג זהה בשני אגפי הניסוח (C: 8, H: 20, O: 26). הכלי סגור, ולכן שום חומר אינו נכנס אליו ואינו יוצא ממנו – וסכום מסות התוצרים (ועודף המגיבים, אם נשאר) שווה למסה ההתחלתית.

תהליך האידוי של חומר הקירור בצינורות שבתוך המקרר הוא תהליך אנדותרמי.

במהלך האידוי האנרגיה נקלטת מהסביבה, והטמפרטורה של הסביבה (האוויר שבתוך המקרר) יורדת.

הסבר: לפי פסקה 1, "האידוי קולט אנרגיה מהאוויר ומהמזון שבתוך המקרר, ולכן הם מתקררים". כדי לעבור מנוזל לגז החלקיקים צריכים להתרחק זה מזה, ולשם כך דרושה אנרגיה. תהליך שבו אנרגיה עוברת מהסביבה אל החומר הוא תהליך אנדותרמי, והסביבה מתקררת.

טעות נפוצה: לחשוב שכל תהליך במכשיר חשמלי "פולט חום" – בתוך המקרר האידוי קולט אנרגיה; האנרגיה נפלטת לחדר בעיבוי שבגב המקרר.

ל-E שבעה אלקטרונים ברמה החיצונית (2, 7), ולכן הוא נמצא בטור 17 (זהו פלואור, F).

ל-B שתי רמות אנרגיה מאוכלסות (2, 4), ולכן הוא נמצא בשורה השנייה (זהו פחמן, C, מטור 14 – משפחת הפחמן).

באטום ניטרלי מספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים: $2 + 8 + 8 + 2 = 20$ פרוטונים (זהו סידן, Ca).

ל-E שבעה אלקטרוני ערכיות – הוא נמצא בטור 17, טור ההלוגנים (פלואור, כלור, ברום, יוד).

אלקטרוני הערכיות הם האלקטרונים ברמה החיצונית; ב-A יש 2 אלקטרונים ברמה השלישית.

ל-A (2, 8, 2) ול-D (2, 8, 8, 2) שני אלקטרוני ערכיות, ולכן שניהם בטור השני (מגנזיום וסידן).

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: $^{12}_{6}\text{C}$ – מספר אטומי 6, ולכן 6 פרוטונים ו-6 אלקטרונים; מספר מסה 12; נויטרונים: $12 - 6 = 6$.

שורה 2: מספר אטומי 11 – 11 פרוטונים ו-11 אלקטרונים; נויטרונים: $23 - 11 = 12$; לפי הטבלה המחזורית היסוד הוא נתרן: $^{23}_{11}\text{Na}$.

שורה 3: 20 אלקטרונים באטום ניטרלי – 20 פרוטונים, מספר אטומי 20 (סידן, Ca); מספר מסה: $20 + 20 = 40$; $^{40}_{20}\text{Ca}$.

שורה 4: 6 אלקטרונים – 6 פרוטונים, מספר אטומי 6 (פחמן, C); מספר מסה: $6 + 7 = 13$; $^{13}_{6}\text{C}$.

האיזוטופים הם $^{12}_{6}\text{C}$ ו-$^{13}_{6}\text{C}$.

נימוק: איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד – בעלי אותו מספר פרוטונים אך מספר נויטרונים שונה, ולכן מספר מסה שונה. לשני האטומים 6 פרוטונים (שניהם פחמן), אך לאחד 6 נויטרונים ולשני 7 (מספרי מסה 12 ו-13).

טעות נפוצה: לבחור ב-$^{40}_{20}\text{Ca}$ ו-$^{12}_{6}\text{C}$ כי בכל אחד מהם מספר הנויטרונים שווה למספר הפרוטונים – אך אלה אטומים של יסודות שונים.

נכון. ליתיום (3 אלקטרונים) נמצא בשורה השנייה – היערכות 2, 1: שתי רמות אנרגיה. נתרן (11 אלקטרונים) נמצא בשורה השלישית – היערכות 2, 8, 1: שלוש רמות אנרגיה.

לא נכון. לסידן 20 אלקטרונים, בהיערכות 2, 8, 8, 2. ברמה השלישית 8 אלקטרונים, ושני אלקטרוני הערכיות נמצאים ברמה הרביעית.

ההיגד המתוקן: באטום סידן, Ca, יש 8 אלקטרונים ברמה השלישית ו-2 אלקטרונים ברמה הרביעית.

לא נכון. סידן (טור 2) ואלומיניום (טור 13) הם מתכות. במוצק המתכתי יש סריג של יונים חיוביים המוקפים ב"ים" של אלקטרונים ניידים, ולכן הם מוליכים חשמל היטב במצב מוצק.

ההיגד המתוקן: לסידן, Ca, מוצק ולאלומיניום, Al, מוצק מוליכות חשמלית גבוהה.

לא נכון. לאטום חמצן 6 אלקטרוני ערכיות (2, 6); הוא קולט 2 אלקטרונים להשלמת אוקטט ויוצר יון $\text{O}^{2-}$. לאטום פלואור 7 אלקטרוני ערכיות (2, 7); הוא קולט אלקטרון אחד ויוצר יון $\text{F}^{-}$.

ההיגד המתוקן: ליוני חמצן, $\text{O}^{2-}$, מטען $2-$, וליוני פלואור, $\text{F}^{-}$, מטען $1-$; שניהם שליליים, אך המטענים שונים בגודלם.

במודל I יש שני סוגי אטומים, Si ו-O, הקשורים בקווים (קשרים קוולנטיים) לרשת ענקית ורציפה: כל אטום Si קשור לארבעה אטומי O, וכל אטום O קשור לשני אטומי Si. אין במודל מולקולות נפרדות ואין יונים – זה מודל של סריג אטומרי. היחס בין אטומי Si לאטומי O ברשת הוא 1:2, ולכן המודל מתאים לצורן דו-חמצני, $\text{SiO}_{2(s)}$.

במודל II יש יונים חיוביים בעלי מטען $3+$, מסודרים בשכבות, וביניהם סימני מינוס (אלקטרונים) הפזורים בכל המבנה. זה מודל הסריג המתכתי – יונים חיוביים בים של אלקטרונים. הוא מתאים לאלומיניום: לאטום Al יש 3 אלקטרוני ערכיות (2,8,3), ובסריג המתכתי הוא נמצא כיון $\text{Al}^{3+}$, ושלושת אלקטרוני הערכיות שלו חופשיים לנוע בסריג.

(המודל אינו מתאים ל-$\text{CaCl}_2$: בסריג יוני יש יונים שליליים, $\text{Cl}^{-}$, ולא אלקטרונים חופשיים, והמטען של יון הסידן הוא $2+$.)

- A – $\text{Al}_{(s)}$: מוליך חשמל גם במוצק וגם בנוזל. זה מתאים למתכת, שיש בה אלקטרונים חופשיים לנוע בכל מצב.

- B – $\text{SiO}_{2(s)}$: טמפרטורת ההיתוך הגבוהה ביותר (1710 $^{\circ}\text{C}$) ואין מוליכות לא במוצק ולא בנוזל. זה מתאים לסריג אטומרי (אין יונים ואין אלקטרונים חופשיים, וצריך לשבור קשרים קוולנטיים רבים כדי להתיך).

- C – $\text{P}_{4(s)}$: טמפרטורת ההיתוך הנמוכה ביותר (44 $^{\circ}\text{C}$) ואין מוליכות. זה מתאים לחומר מולקולרי, שבו הכוחות בין המולקולות (ואן-דר-ולס) חלשים יחסית ואין חלקיקים טעונים.

- D – $\text{CaCl}_{2(s)}$: אינו מוליך במוצק, אבל מוליך בנוזל (מותך). זה מתאים לחומר יוני: במוצק היונים קבועים במקומם, ובנוזל הם חופשיים לנוע.

חומר מוצק בטמפרטורת החדר אם טמפרטורת ההיתוך שלו גבוהה מטמפרטורת החדר (כ-$25^{\circ}\text{C}$). כדי להתיך חומר צריך להחליש או לשבור את הקשרים בין החלקיקים שבסריג, וכשהקשרים חזקים נדרשת לשם כך אנרגיה רבה (טמפרטורה גבוהה).

- A – אלומיניום (סריג מתכתי): החלקיקים הם יוני $\text{Al}^{3+}$ בים של אלקטרונים. ביניהם קשר מתכתי – משיכה חשמלית חזקה בין היונים החיוביים לבין האלקטרונים השליליים הנעים בחופשיות. הקשר החזק גורם לטמפרטורת היתוך גבוהה (660 $^{\circ}\text{C}$), ולכן החומר מוצק בטמפרטורת החדר.

- B – צורן דו-חמצני (סריג אטומרי): החלקיקים הם אטומי Si ו-O, הקשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים חזקים במבנה ענק רציף. כדי להתיך צריך לשבור קשרים קוולנטיים רבים, ולכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה מאוד (1710 $^{\circ}\text{C}$), והחומר מוצק בטמפרטורת החדר.

- D – סידן כלורי (סריג יוני): החלקיקים הם יוני $\text{Ca}^{2+}$ ויוני $\text{Cl}^{-}$. ביניהם קשר יוני – משיכה חשמלית חזקה בין יונים בעלי מטען מנוגד, בכל הכיוונים בסריג. הקשר החזק גורם לטמפרטורת היתוך גבוהה (772 $^{\circ}\text{C}$), ולכן החומר מוצק בטמפרטורת החדר.

חומר D הוא סידן כלורי, חומר יוני. בהמסה במים הסריג היוני מתפרק, והיונים מוקפים במולקולות מים (יונים מומסים, $(aq)$):

בדיקת איזון: Ca: 1 = 1; Cl: 2 = 2; מטען: 0 = $(+2)+2\times(-1)=0$.

טעות נפוצה: לרשום $\text{Cl}_{2}$ בצד התוצרים. בסריג היוני יש יונים $\text{Cl}^{-}$ בודדים, ובהמסה הם משתחררים כיונים נפרדים.

נימוק: מוליכות חשמלית מחייבת חלקיקים טעונים החופשיים לנוע. בתמיסה המימית של $\text{CaCl}_2$ יש יונים, $\text{Ca}^{2+}_{(aq)}$ ו-$\text{Cl}^{-}_{(aq)}$, שאינם קבועים עוד בסריג ונעים בחופשיות בתמיסה. כאשר מחברים את התמיסה למקור מתח, היונים החיוביים נעים לכיוון האלקטרודה השלילית והיונים השליליים לכיוון האלקטרודה החיובית, וכך עובר זרם חשמלי.

הסבר: הטמפרטורה של התמיסה עלתה מ-$20^{\circ}\text{C}$ ל-$36^{\circ}\text{C}$, כלומר ב-$36^{\circ}\text{C}-20^{\circ}\text{C}=16^{\circ}\text{C}$. עלייה בטמפרטורה מראה שבתהליך ההמסה נפלטה אנרגיה (חום) מהמערכת אל הסביבה – אל המים והתמיסה. תהליך שבו נפלטת אנרגיה הוא תהליך אקסותרמי. (בתהליך אנדותרמי נקלטת אנרגיה מהסביבה, והטמפרטורה של התמיסה הייתה יורדת.)

לפי הטבלה, בכל תוספת של 2 מ"ל תמיסת נתרן פחמתי מסת המשקע גדלה בכ-0.1 גרם (0.11, 0.09, 0.11, 0.09 גרם), עד 0.40 גרם ב-8 מ"ל. כלומר: הגרף מתחיל בראשית (0,0) ועולה באופן קבוע (קו ישר) לאורך כל תחום המדידה, בלי להתמתן – זו הצורה של גרף A.

- גרף B – עולה ואחר כך מתמתן לערך קבוע: בתוצאות אין התמתנות; גם בין 6 ל-8 מ"ל המסה עולה ב-0.09 גרם.

- גרף C – קו אופקי: מסת המשקע אינה תלויה בנפח – סותר את התוצאות.

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

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

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

טעות נפוצה: לסווג את היגד 3 כתצפית משום שרואים משקע לבן. רואים מוצק לבן, אבל לא רואים שזהו סידן פחמתי ולא רואים יונים – זהו פירוש.

המסה הכוללת לפני הערבוב:

נימוק – חוק שימור החומר: בתגובת השיקוע היונים $\text{Ca}^{2+}$ ו-$\text{CO}_3^{2-}$ מתחברים ויוצרים מוצק, אבל אף אטום (או יון) אינו נוצר או נעלם – הם רק מתארגנים מחדש. לכן סכום המסות לאחר הערבוב (המשקע + התמיסה) שווה לסכום מסות התמיסות לפני הערבוב:

בתגובה זו לא נוצר גז, ולכן שום חומר אינו בורח מהמבחנה.

טעות נפוצה: לענות "גבוהה מ-14.8 גרם" משום שנוצר מוצק "כבד". המוצק נוצר מיונים שכבר היו בתמיסות, ולכן המסה הכוללת אינה משתנה.