מתכונת 6 בכימיה - מבוא לכימיה 037182

לפי הקטע אפשר לציין שניים מהיתרונות הבאים:

1. סילוק פחמן דו־חמצני: האסטרונאוטים נושפים $\text{CO}_2$ ו"יש לסלק אותו מאוויר התחנה, כי ריכוז גבוה שלו מזיק לבריאות" (שורות 4–5); המערכת מנצלת אותו כמגיב.

2. הפקת מים: "המים שנאספו מטוהרים ומשמשים שוב לשתייה ולהפקת חמצן" (שורה 9).

3. חיסכון בהובלה: "כך נחסכת כמות גדולה של מים שהיה צריך להביא מכדור הארץ" (שורה 9), והובלה מכדור הארץ "יקרה מאוד" (שורה 2).

4. ניצול המימן: המערכת מנצלת גם את המימן שנוצר בפירוק המים להפקת חמצן (שורות 3, 5).

יש לכתוב שני יתרונות שונים ולבסס אותם על הקטע.

$-218^{\circ}\text{C}$ היא טמפרטורת ההיתוך של חמצן. היתוך הוא מעבר ממצב מוצק למצב נוזל, ולכן הניסוח הנכון הוא (1): $\text{O}_{2(s)} \rightarrow \text{O}_{2(l)}$.

ניסוח (2) מתאר מעבר מנוזל לגז – רתיחה – שמתרחשת בטמפרטורת הרתיחה של חמצן, $-183^{\circ}\text{C}$, ולא ב-$-218^{\circ}\text{C}$.

$-200^{\circ}\text{C}$ גבוהה מטמפרטורת ההיתוך ($-218^{\circ}\text{C}$) ונמוכה מטמפרטורת הרתיחה ($-183^{\circ}\text{C}$), ולכן בטמפרטורה זו החמצן נמצא במצב נוזל.

מאפיינים של המבנה המיקרוסקופי (שניים מהבאים):

•החלקיקים הם מולקולות $\text{O}_2$ (שני אטומי חמצן הקשורים בקשר קוולנטי כפול).

•המולקולות קרובות מאוד זו לזו (צמודות כמעט כמו במוצק).

•אין סדר קבוע בין המולקולות.

•המולקולות נעות ומחליקות זו לצד זו, ולכן הנוזל מקבל את צורת הכלי.

ניסוח (4) נכון: $\text{CO}_{2(g)} + 4\text{H}_{2(g)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}$

לפי הקטע המגיבים הם פחמן דו־חמצני ומימן, והתוצרים הם מתאן ומים (שורות 5–6). בדיקת מספר האטומים:

מספר האטומים מכל סוג שווה בשני הצדדים – הניסוח מאוזן.

ניסוח (3) שגוי: הוא אינו מאוזן – במגיבים יש 2 אטומי H ו-2 אטומי O, ובתוצרים 6 אטומי H ואטום O אחד. לא נשמר מספר האטומים מכל סוג (חוק שימור החומר).

ניסוח (5) שגוי: אמנם מספר האטומים בו שווה בשני הצדדים, אבל התוצרים שבו אינם התוצרים המתוארים בקטע: לפי שורה 6 נוצרים מתאן ומים, ולא מתאן וחמצן.

תוצרי התגובה הם מתאן, $\text{CH}_4$, ומים, $\text{H}_2\text{O}$.

$\text{CH}_4$: אטום פחמן (4 אלקטרוני ערכיות) במרכז, קשור בארבעה קשרים קוולנטיים יחידים לארבעה אטומי מימן (אלקטרון ערכיות אחד לכל אחד). סך הכול $4 + 4 \times 1 = 8$ אלקטרוני ערכיות – 4 זוגות קושרים, ואין זוגות לא קושרים.

$\text{H}_2\text{O}$: אטום חמצן (6 אלקטרוני ערכיות) במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד משני אטומי המימן, ועליו שני זוגות אלקטרונים לא קושרים. סך הכול $6 + 2 \times 1 = 8$ אלקטרוני ערכיות – 2 זוגות קושרים ו-2 זוגות לא קושרים.

לאטום הפחמן ולאטום החמצן יש אוקטט, ולכל אטום מימן – זוג אלקטרונים.

התגובה היא אקסותרמית.

נימוק לפי הקטע: "בתגובה נפלטת אנרגיה, ולכן יש לקרר את הכלי שבו היא מתרחשת" (שורה 7). תגובה שבה נפלטת אנרגיה לסביבה היא תגובה אקסותרמית.

שימו לב: העובדה שהתגובה מתרחשת "בטמפרטורה גבוהה" (שורה 6) אינה הופכת אותה לאנדותרמית – הצורך לקרר את הכלי מראה שהמערכת פולטת חום.

עמודה C מייצגת את המים.

נימוק לפי הקטע: "תערובת התוצרים מקוררת: המים מתעבים ונאספים במצב נוזל, ואילו המתאן נשאר במצב גז" (שורה 8), והקירור נעשה לכ-$20^{\circ}\text{C}$.

חומר הוא נוזל בטמפרטורה מסוימת רק אם טמפרטורה זו נמוכה מטמפרטורת הרתיחה שלו. לכן טמפרטורת הרתיחה של המים חייבת להיות גבוהה מ-$20^{\circ}\text{C}$.

בדיאגרמה רק עמודה C ($100^{\circ}\text{C}$) גבוהה מ-$20^{\circ}\text{C}$; בעמודות A, B ו-D טמפרטורות הרתיחה שליליות ($-161$, $-253$ ו-$-183^{\circ}\text{C}$) – חומרים אלה הם גזים ב-$20^{\circ}\text{C}$, כמו המתאן שלפי הקטע "נשאר במצב גז".

לפי הניסוח $\text{CO}_{2(g)} + 4\text{H}_{2(g)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}$, מכל מולקולת $\text{CO}_2$ אחת נוצרות מולקולת $\text{CH}_4$ אחת ושתי מולקולות $\text{H}_2\text{O}$ – סך הכול 3 מולקולות תוצרים.

•מספר מולקולות $\text{CH}_4$: $1000 \times 1 = 1000$ מולקולות.

•מספר מולקולות $\text{H}_2\text{O}$: $1000 \times 2 = 2000$ מולקולות.

•סך הכול: $1000 + 2000 = 3000$ מולקולות – קביעה II.

טעות נפוצה: לכלול את מולקולות המימן המגיבות (4000) בחישוב, ולקבל 5000. מולקולות $\text{H}_2$ הן מגיבים, ולא תוצרים.

לפי הקטע, גז הכלור כבד מהאוויר, ולכן הוא מצטבר במקומות נמוכים, כמו מרתפים. בעת דליפה ריכוז הכלור במרתף יהיה גבוה, ואדם שישהה שם ינשום כמות גדולה של גז רעיל. על הגג – מקום גבוה ופתוח – הכלור אינו מצטבר, ולכן הסכנה קטנה יותר.

חומר טהור בנוי מסוג אחד בלבד של חלקיקים, ויש לו נוסחה כימית קבועה. תערובת מורכבת משני חומרים או יותר, ואין לה נוסחה כימית אחת.

- $\text{Cl}_{2(g)}$ – חומר טהור (יסוד): בנוי ממולקולות $\text{Cl}_2$ בלבד.

- $\text{HCl}_{(g)}$ – חומר טהור (תרכובת): בנוי ממולקולות $\text{HCl}$ בלבד.

- $\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}$ – חומר טהור (תרכובת): בנוי ממולקולות $\text{H}_2\text{O}$ בלבד.

- אוויר – תערובת: מכיל כמה חומרים, בעיקר חנקן וחמצן (וגם אדי מים, פחמן דו-חמצני ועוד).

- מי בריכה – תערובת: מכילים מים ובהם חומרים מומסים – חומרי החיטוי (כלור ותוצריו) ומלחים.

$\text{Cl}_2$: כלור הוא הלוגן (טור 7) – לכל אטום 7 אלקטרוני ערכיות; סך הכול $7+7=14$.

•קשר יחיד $\text{Cl–Cl}$ (זוג אלקטרונים משותף אחד).

•על כל אטום כלור שלושה זוגות אלקטרונים לא קושרים.

•בדיקה: $2+12=14$ אלקטרונים; לכל אטום כלור שמונה אלקטרונים סביבו.

$\text{HCl}$: סך אלקטרוני הערכיות $1+7=8$.

•קשר יחיד $\text{H–Cl}$.

•על אטום הכלור שלושה זוגות אלקטרונים לא קושרים.

•בדיקה: $2+6=8$ אלקטרונים; לכלור שמונה אלקטרונים סביבו, ולמימן – שניים.

רעיון הניסוי: $\text{CaCl}_{2(s)}$ הוא חומר יוני (יוני $\text{Ca}^{2+}$ ויוני $\text{Cl}^{-}$), והסוכר הוא חומר מולקולרי. שני החומרים מתמוססים במים, אך בתמיסה של חומר יוני יש יונים ניידים, ובתמיסה של חומר מולקולרי יש רק מולקולות ניטרליות. לכן אפשר להבדיל ביניהם לפי המוליכות החשמלית של התמיסה.

1. מכניסים לשתי כוסות אותו נפח של מים מזוקקים ומסמנים אותן (A ו-B).

2. מוסיפים לכוס A כמות קטנה מאחד המוצקים, ולכוס B אותה מסה מהמוצק השני, ומערבבים עד להמסה מלאה.

3. בונים מעגל חשמלי (סוללה, נורה או מד זרם, ושתי אלקטרודות) ומכניסים את האלקטרודות לכל תמיסה בתורה (שוטפים אותן במים מזוקקים בין הבדיקות).

4. תצפית צפויה: בתמיסה של אחד החומרים הנורה דולקת (יש מוליכות) – זו תמיסת $\text{CaCl}_2$: בהמסה הסריג היוני מתפרק ונוצרים יונים ניידים ($\text{CaCl}_{2(s)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + 2\text{Cl}^{-}_{(aq)}$). בתמיסה של החומר השני הנורה אינה דולקת – זו תמיסת הסוכר: מולקולות הסוכר מתפזרות במים בלי להתפרק ליונים.

מסקנה: החומר שתמיסתו מוליכה חשמל הוא $\text{CaCl}_{2(s)}$, והחומר שתמיסתו אינה מוליכה הוא הסוכר.

בגרף יש שני קטעים אופקיים – שבהם הטמפרטורה קבועה אף שממשיכים לחמם, כלומר מתרחש שינוי מצב צבירה:

•הקטע AB, בטמפרטורה של $-114\ ^\circ\text{C}$ – הקטע הראשון (הטמפרטורה הנמוכה): היתוך (מוצק ← נוזל).

•הקטע CD, בטמפרטורה של $-85\ ^\circ\text{C}$ – הקטע השני (הטמפרטורה הגבוהה): רתיחה (נוזל ← גז).

לכן טמפרטורת הרתיחה של $\text{HCl}$ היא $-85\ ^\circ\text{C}$ (וטמפרטורת ההיתוך $-114\ ^\circ\text{C}$).

בקטע AB הטמפרטורה קבועה ($-114\ ^\circ\text{C}$) למרות החימום – זהו שינוי מצב הצבירה הראשון בזמן החימום של המוצק, כלומר היתוך: המוצק הופך לנוזל. לכן בקטע זה מתרחש תהליך I: $\text{HCl}_{(s)} \rightarrow \text{HCl}_{(\ell)}$.

•תהליך II (רתיחה) מתרחש בקטע CD, בטמפרטורה הגבוהה יותר.

•תהליך III (עיבוי – גז הופך לנוזל) מתרחש בקירור ולא בחימום.

- C – Zn: החומר היחיד שמוליך חשמל גם במצב מוצק – חומר מתכתי (אבץ). שימו לב: טמפרטורת ההיתוך שלו (420 מעלות) נמוכה מזו של B, ולכן את המתכת מזהים לפי ההולכה במוצק ולא לפי טמפרטורת ההיתוך.

- B – LiCl: אינו מוליך במוצק אך מוליך בנוזל, טמפרטורת היתוך גבוהה ומסיסות טובה במים – חומר יוני (ליתיום כלורי).

- A – $\text{SiO}_2$: טמפרטורות היתוך ורתיחה גבוהות מאוד, ואינו מוליך חשמל לא במוצק ולא בנוזל – חומר בעל סריג אטומרי (צורן דו-חמצני).

- D – $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$: טמפרטורות היתוך ורתיחה נמוכות, אינו מוליך חשמל ומסיס במים – חומר מולקולרי (אתנול).

החומר B (LiCl) הוא חומר יוני, הבנוי מסריג של יונים חיוביים $\text{Li}^{+}$ ויונים שליליים $\text{Cl}^{-}$ הקשורים בקשר יוני.

- במוצק: היונים קבועים במקומם בסריג 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.

החומר C (אבץ) הוא מתכת. הסריג המתכתי בנוי מיונים חיוביים $\text{Zn}^{2+}$ 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.

טעות נפוצה: לכתוב שבמתכת "היונים ניידים" – במתכת נושאי המטען הם האלקטרונים הניידים.

החומר A ($\text{SiO}_2$) הוא חומר בעל סריג אטומרי: כל אטום צורן קשור בקשרים קוולנטיים לאטומי חמצן שכנים, וכל אטום חמצן קשור לשני אטומי צורן, כך שנוצר מבנה ענק אחד ללא מולקולות נפרדות. כדי להתיך את החומר יש לשבור קשרים קוולנטיים חזקים רבים, ולכן נדרשת אנרגיה רבה מאוד – וטמפרטורות ההיתוך והרתיחה גבוהות מאוד.

החומר D ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) הוא חומר מולקולרי. בהיתוך וברתיחה לא נשברים הקשרים הקוולנטיים שבתוך המולקולות, אלא רק מתגברים על הכוחות הבין-מולקולריים (קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס), החלשים בהרבה מקשרים קוולנטיים. לכן נדרשת אנרגיה קטנה יחסית להפרדת המולקולות – וטמפרטורות ההיתוך והרתיחה נמוכות.

טעות נפוצה: לכתוב שבהיתוך או ברתיחה של אתנול נשברים הקשרים הקוולנטיים שבמולקולה – המולקולות נשארות שלמות, ורק המרחקים ביניהן גדלים.

החומר D הוא אתנול, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$. במולקולה יש קבוצת OH – אטום מימן הקשור לאטום חמצן. לכן מולקולות האתנול יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים. הכוחות הנוצרים בין מולקולות האתנול למולקולות המים דומים בחוזקם לכוחות שבין מולקולות כל חומר לחוד, ולכן מולקולות האתנול מתפזרות בין מולקולות המים – המסיסות טובה.

אלומיניום (טור 13) מוסר 3 אלקטרונים ויוצר יון $\text{Al}^{3+}$. חמצן (טור 16) קולט 2 אלקטרונים ויוצר יון $\text{O}^{2-}$. כדי שסכום המטענים יהיה אפס, דרושים 2 יוני אלומיניום ו-3 יוני חמצן: $2 \cdot (+3) + 3 \cdot (-2) = 0$. הנוסחה האמפירית: $\text{Al}_2\text{O}_3$.

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

בדיקה: 2 אטומי Al ו-3 אטומי O בכל צד; מטען כולל: משמאל 0, מימין $2 \cdot (+3) + 3 \cdot (-2) = 0$.

טעות נפוצה: לרשום את היונים כ-$\text{Al}_2^{6+}$ ו-$\text{O}_3^{6-}$ – בסריג היוני כל יון הוא יון חד-אטומי נפרד.

כן, האלומיניום החמצני המותך מוליך חשמל. אלומיניום חמצני הוא חומר יוני. במוצק היונים $\text{Al}^{3+}$ ו-$\text{O}^{2-}$ 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.

לפי הטבלה, כשאורך סרט המגנזיום עולה מ-0 ל-4 ס"מ, נפח הגז עולה מ-0 ל-40 מ"ל (20 מ"ל לכל 2 ס"מ); כשהאורך עולה מ-4 ל-8 ס"מ, הנפח עולה רק מ-40 ל-49 מ"ל, ובין 6 ל-8 ס"מ הוא כמעט אינו משתנה (עלייה של 1 מ"ל בלבד).

כלומר: הגרף מתחיל בראשית (0,0), עולה, ואחר כך מתמתן ומתקרב לערך קבוע – זו הצורה של גרף C.

- גרף A – קו ישר עולה: נפח הגז היה ממשיך לגדול באותה מידה לכל תוספת אורך – סותר את התוצאות בניסויים 4 ו-5.

- גרף B – קו יורד: הנפח קטן כשהאורך גדל – 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. רואים בועות של גז, אבל לא רואים שזה מימן; זהו פירוש. גם היגד 5 אינו תצפית: רואים שנשאר מגנזיום, אבל ההסבר שהחומצה נגמרה הוא פירוש.

המסה הכוללת לפני התגובה:

נימוק – חוק שימור החומר: בתגובה כימית אטומים אינם נוצרים ואינם נעלמים; הם רק מתארגנים מחדש ויוצרים חומרים חדשים. מספר האטומים מכל סוג לפני התגובה שווה למספרם אחריה, ולכן המסה הכוללת אחרי התגובה שווה למסה הכוללת לפני התגובה:

המערכת סגורה (הבקבוק מחובר למזרק), ולכן גם הגז שנוצר נכלל במסה הכוללת.

טעות נפוצה: לענות "נמוכה מ-30.12 גרם" משום שנוצר גז, ו"גז אינו שוקל". לגז יש מסה; אילו הבקבוק היה פתוח, המשקל על המאזניים היה יורד בגלל בריחת הגז מהכלי, ולא בגלל "היעלמות" חומר.