מתכונת 7 בכימיה - מבוא לכימיה 037182

לפי שורות 9–10, דשני החנקן הגדילו את היבול, אך שימוש מופרז בהם גורם לשטיפה של תרכובות חנקן אל מקורות המים ולזיהום שלהם. דשן שהצמח אינו מנצל נשאר בקרקע ונשטף אל מקורות המים. לכן חשוב להוסיף רק את כמות הדשן שהצמח זקוק לה – כך מתקבל יבול טוב בלי לזהם את מקורות המים.

$\text{NH}_3$: אטום החנקן במרכז, קשור בשלושה קשרים יחידים לשלושה אטומי מימן. על אטום החנקן זוג אלקטרונים לא-קושר אחד. סה"כ 8 אלקטרוני ערכיות ($5 + 3 \cdot 1$): לחנקן אוקטט ולכל מימן זוג אלקטרונים.

$\text{N}_2$: שני אטומי החנקן קשורים בקשר משולש (N≡N), ועל כל אטום חנקן זוג אלקטרונים לא-קושר אחד. סה"כ 10 אלקטרוני ערכיות ($2 \cdot 5$), וכל אטום מוקף באוקטט.

מאזנים לפי סוג אטום:

- חנקן: במולקולת $\text{N}_2$ יש 2 אטומי N, ולכן נדרשות 2 מולקולות $\text{NH}_3$.

- מימן: ב-2 מולקולות $\text{NH}_3$ יש $2 \cdot 3 = 6$ אטומי H, ולכן נדרשות 3 מולקולות $\text{H}_2$.

בדיקה: מגיבים – N: 2, H: 6; תוצרים – N: 2, H: 6. התגובה מאוזנת.

•במולקולת אמוניה, $\text{NH}_3$, אטומי המימן קשורים לאטום חנקן, ועל אטום החנקן יש זוג אלקטרונים לא-קושר. לכן מולקולות האמוניה יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים – בדומה לקשרי המימן שבין מולקולות המים לבין עצמן.

•בזכות הכוחות החזקים שנוצרים בין מולקולות האמוניה למולקולות המים, מולקולות האמוניה מתפזרות בין מולקולות המים – האמוניה מתמוססת היטב.

•לעומת זאת, מולקולות החנקן, $\text{N}_2$, לא-קוטביות ואין בהן אטומי מימן; הן אינן יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים, ובינן לבין מולקולות המים פועלות רק אינטראקציות ואן דר ואלס חלשות. מולקולות המים נשארות קשורות זו לזו בקשרי מימן, ולכן החנקן כמעט אינו מתמוסס.

לפי שורות 5–6, "במפעלים מנצלים את החום הנוצר במהלך התגובה לחימום מים ולהפקת קיטור". אם בתגובה נוצר חום שאפשר לנצל לחימום, פירוש הדבר שבתגובה נפלטת אנרגיה לסביבה. תגובה שבה נפלטת אנרגיה לסביבה היא תגובה אקסותרמית ($\Delta H < 0$).

טעות נפוצה: להסיק מכך שהתהליך "מתבצע בטמפרטורה גבוהה" (שורה 5) שהתגובה אנדותרמית. הטמפרטורה הגבוהה היא תנאי לביצוע התהליך, ואילו סוג התגובה נקבע לפי כך שבתגובה נוצר חום.

שני מאפיינים (מספיק לציין שניים מתוך הבאים):

1. החנקן הוא חומר מולקולרי: הוא בנוי ממולקולות $\text{N}_2$ נפרדות.

2. כל מולקולת חנקן בנויה משני אטומי חנקן הקשורים בקשר קוולנטי (משולש).

3. בין מולקולות החנקן פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס חלשות.

4. במצב גז המרחקים בין המולקולות גדולים מאוד ביחס לגודלן, והמולקולות נעות בתנועה מהירה ואקראית.

בין שני אטומי החנקן יש קשר קוולנטי משולש: שלושה זוגות אלקטרונים משותפים לשני האטומים. לכל אטום חנקן 5 אלקטרוני ערכיות, ולכן כל אטום חסר 3 אלקטרונים להשלמת אוקטט – ושני האטומים משתפים שלושה זוגות אלקטרונים.

טעות נפוצה: לענות "אינטראקציות ואן דר ואלס" – אלה כוחות בין מולקולות חנקן שונות, ולא הקשר שבתוך המולקולה.

נימוק לעמדה שיש להזריק אמוניה ישירות: לפי הטבלה, אחוז החנקן במסת האמוניה הוא 82.4% – הגבוה ביותר מבין הדשנים (כמעט פי 2 מאוריאה, 46.7%). לכן כדי להוסיף לקרקע אותה כמות של חנקן דרושה מסה קטנה יותר של אמוניה, וצריך לייצר, להוביל ולפזר פחות חומר. בנוסף, אין צורך בשלב ייצור נוסף של הפיכת האמוניה לאוריאה.

נימוק לעמדה שעדיף להפוך את האמוניה לאוריאה: לפי הטבלה, האמוניה היא גז בטמפרטורת החדר, ואילו האוריאה היא מוצק. מוצק קל יותר לאחסן, לארוז, להוביל ולפזר בשדות, ואין סכנה שיתפזר לאוויר (כגז בעל ריח חריף, שורה 7). לכן למרות שאחוז החנקן באוריאה נמוך יותר, השימוש בה נוח ובטוח יותר.

ליתיום נמצא בטור הראשון של הטבלה המחזורית, ולכן הוא שייך למשפחת המתכות האלקליות (יחד עם נתרן, Na, ואשלגן, K).

לאטום ליתיום יש 3 אלקטרונים (מספר אטומי 3 = מספר הפרוטונים = מספר האלקטרונים באטום ניטרלי). היערכות האלקטרונים: 2,1 – ברמה הראשונה 2 אלקטרונים וברמה השנייה (החיצונית) אלקטרון אחד.

אלקטרוני הערכיות הם האלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית, ולכן לאטום ליתיום יש אלקטרון ערכיות אחד. זה מתאים גם למיקומו בטור הראשון.

- (1) נכון: המתכות האלקליות הן מתכות – בסריג המתכתי יש יונים חיוביים ו"ים" של אלקטרונים חופשיים (ניידים), ולכן הן מוליכות חשמל במצב מוצק.

- (2) שגוי: מתכות בנויות מסריג מתכתי ולא ממולקולות. מולקולות דו-אטומיות מאפיינות את ההלוגנים (למשל $\text{Cl}_2$).

- (3) נכון: לאטומי המתכות האלקליות אלקטרון ערכיות אחד; הם מוסרים אותו ויוצרים יונים $\text{X}^{+}$ (למשל $\text{Li}^{+}$, $\text{Na}^{+}$).

- (4) שגוי: המתכות האלקליות הן מוצקים בטמפרטורת החדר.

- מספר אטומי = מספר הפרוטונים = 3 (לשני האיזוטופים – זה מה שקובע שהם ליתיום).

•באטום ניטרלי מספר האלקטרונים = מספר הפרוטונים = 3.

- מספר מסה = פרוטונים + נויטרונים, ולכן מספר נויטרונים = מספר מסה − מספר אטומי.

בשורה השנייה: מספר המסה הוא $3 + 4 = 7$, ולכן הסימול הוא $^{7}_{3}\text{Li}$.

אין הבדל במספר האלקטרונים: בכל אחד מהאטומים יש 3 אלקטרונים.

נימוק: לשני האיזוטופים אותו מספר אטומי (3), כלומר 3 פרוטונים בגרעין. באטום ניטרלי מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, ולכן בשניהם 3 אלקטרונים (היערכות 2,1).

ההבדל בין האיזוטופים הוא רק במספר הנויטרונים שבגרעין (3 לעומת 4), ולכן גם מספר המסה שונה (6 לעומת 7).

טעות נפוצה: לחשוב שלאיזוטופ בעל מספר מסה גבוה יותר יש יותר אלקטרונים. מספר המסה אינו כולל אלקטרונים.

ליתיום חמצני הוא תרכובת יונית, ובה חלקיקי הליתיום הם יונים $\text{Li}^{+}$ (אטום הליתיום מסר את אלקטרון הערכיות היחיד שלו).

- פרוטונים: 3 (המספר האטומי של ליתיום – אינו משתנה כשנוצר יון).

- נויטרונים: $7 - 3 = 4$ (האיזוטופ $^{7}\text{Li}$ – אינו משתנה כשנוצר יון).

- אלקטרונים: $3 - 1 = 2$ (היון $\text{Li}^{+}$ איבד אלקטרון אחד; היערכות 2).

טעות נפוצה: לכתוב 3 אלקטרונים, כמו באטום. בתרכובת יונית חלקיקי המתכת הם יונים חיוביים, ובהם פחות אלקטרונים מפרוטונים.

במודל I כל החלקיקים זהים (סוג אחד של אטומים), וכל אטום קשור בקשרים קוולנטיים לשלושה אטומים שכנים. האטומים יוצרים שכבות ענק של משושים, והשכבות מונחות זו מעל זו. זה מודל של סריג אטומרי בנוי שכבות, המתאים לגרפיט, $\text{C}_{(s)}$. (ביהלום, לעומת זאת, כל אטום פחמן קשור לארבעה אטומים במבנה תלת-ממדי.)

במודל II יש שני סוגי חלקיקים: חלקיקים בעלי מטען חיובי וחלקיקים בעלי מטען שלילי, באותו מספר, מסודרים לסירוגין בסריג. זה מודל של סריג יוני – יונים חיוביים ושליליים הנמשכים זה לזה. מבין החומרים הנתונים רק $\text{KBr}$ הוא יוני: יוני $\text{K}^{+}$ ויוני $\text{Br}^{-}$ ביחס 1:1, כמו במודל.

(המודל אינו מתאים לנחושת: בסריג מתכתי יש רק יונים חיוביים, והחלקיקים השליליים הם אלקטרונים קטנים הנעים בחופשיות, ולא יונים.)

- C – $\text{C}_{(s)}$ (גרפיט): טמפרטורה גבוהה מאוד (3650 $^{\circ}\text{C}$), הגבוהה ביותר בטבלה – מתאים לסריג אטומרי, שבו צריך לשבור קשרים קוולנטיים רבים. גרפיט מוליך חשמל במוצק: כל אטום פחמן קשור רק לשלושה אטומים, ואלקטרון הערכיות הרביעי של כל אטום חופשי לנוע לאורך השכבות.

- A – $\text{Cu}_{(s)}$: מוליך חשמל גם במוצק וגם בנוזל, וטמפרטורת ההיתוך שלו גבוהה (1085 $^{\circ}\text{C}$) אך נמוכה בהרבה מזו של C – מתאים למתכת, שיש בה אלקטרונים חופשיים בכל מצב.

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

- B – $\text{C}_{10}\text{H}_{8(s)}$: טמפרטורת ההיתוך הנמוכה ביותר (80 $^{\circ}\text{C}$) ואין מוליכות – מתאים לחומר מולקולרי, שבו הכוחות בין המולקולות חלשים יחסית ואין חלקיקים טעונים.

חומר מוצק בטמפרטורת החדר אם הקשרים בין החלקיקים שבסריג חזקים, כך שכדי להחליש או לשבור אותם נדרשת אנרגיה רבה – טמפרטורה גבוהה בהרבה מטמפרטורת החדר (כ-$25^{\circ}\text{C}$).

- A – נחושת (סריג מתכתי): החלקיקים הם יוני נחושת חיוביים בים של אלקטרונים. ביניהם קשר מתכתי – משיכה חשמלית חזקה בין היונים החיוביים לבין האלקטרונים הנעים בחופשיות. לכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה (1085 $^{\circ}\text{C}$), והחומר מוצק בטמפרטורת החדר.

- C – גרפיט (סריג אטומרי): החלקיקים הם אטומי פחמן. בתוך כל שכבה כל אטום קשור לשלושה אטומים שכנים בקשרים קוולנטיים חזקים, במבנה ענק. כדי להפוך את החומר לגז צריך לשבור קשרים קוולנטיים רבים, ולכן הטמפרטורה הנדרשת גבוהה מאוד (3650 $^{\circ}\text{C}$), והחומר מוצק בטמפרטורת החדר.

- D – אשלגן ברומי (סריג יוני): החלקיקים הם יוני $\text{K}^{+}$ ויוני $\text{Br}^{-}$. ביניהם קשר יוני – משיכה חשמלית חזקה בין יונים בעלי מטען מנוגד, בכל הכיוונים בסריג. לכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה (734 $^{\circ}\text{C}$), והחומר מוצק בטמפרטורת החדר.

חומר D הוא אשלגן ברומי, חומר יוני. בהמסה במים הסריג היוני מתפרק, והיונים מוקפים במולקולות מים:

בדיקת איזון: K: 1 = 1; Br: 1 = 1; מטען: 0 = $(+1)+(-1)=0$.

טעות נפוצה: לרשום בתוצרים $\text{K}_{(s)}$ ו-$\text{Br}_{2(l)}$. בהמסה החומר אינו מתפרק ליסודות; היונים שהיו בסריג רק נפרדים זה מזה ומוקפים במולקולות מים.

נימוק: בתמיסה המימית של $\text{KBr}$ יש יונים, $\text{K}^{+}_{(aq)}$ ו-$\text{Br}^{-}_{(aq)}$, שאינם קבועים עוד בסריג ונעים בחופשיות בתמיסה. אלה חלקיקים טעונים החופשיים לנוע: כאשר מחברים את התמיסה למקור מתח, יוני $\text{K}^{+}$ נעים לכיוון האלקטרודה השלילית ויוני $\text{Br}^{-}$ לכיוון האלקטרודה החיובית, וכך עובר זרם חשמלי.

הסבר: הטמפרטורה של התמיסה ירדה מ-$25^{\circ}\text{C}$ ל-$19^{\circ}\text{C}$, כלומר ב-$25^{\circ}\text{C}-19^{\circ}\text{C}=6^{\circ}\text{C}$. ירידה בטמפרטורה מראה שתהליך ההמסה קלט אנרגיה (חום) מהסביבה – מהמים ומהתמיסה, ולכן הם התקררו. תהליך שבו נקלטת אנרגיה הוא תהליך אנדותרמי. (בתהליך אקסותרמי נפלטת אנרגיה לסביבה, והטמפרטורה הייתה עולה.)

טעות נפוצה: לקבוע שהתהליך אקסותרמי משום ש"יצא קור". אין "פליטת קור" – הטמפרטורה יורדת משום שהתהליך קולט חום מהסביבה.

- מספר הפרוטונים שווה למספר האטומי ואינו משתנה ביצירת יון: לאלומיניום 13, לחמצן 8.

- באטום מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, והמטען 0.

- יון אלומיניום: 10 אלקטרונים ו-13 פרוטונים – מטען $13-10=+3$, כלומר $\text{Al}^{3+}$ (האטום מסר את 3 האלקטרונים של הרמה החיצונית).

- יון חמצן: מטען $-2$ – האטום קיבל 2 אלקטרונים: $8+2=10$ אלקטרונים, כלומר $\text{O}^{2-}$.

אלומיניום חמצני הוא חומר יוני הבנוי מיוני $\text{Al}^{3+}$ ויוני $\text{O}^{2-}$ ביחס $2:3$. בהיתוך הסריג היוני מתפרק והיונים נעשים ניידים בנוזל (המותך):

בדיקה: אטומי $\text{Al}$: 2 = 2 ; אטומי $\text{O}$: 3 = 3 ; מטען: $0 = 2\times(+3)+3\times(-2)=0$.

טעות נפוצה: לרשום $\text{Al}_2\text{O}_{3(\ell)}$ כתוצר, או לרשום יון $\text{O}_3^{6-}$. בהיתוך של חומר יוני מציגים את היונים החד-אטומיים הניידים במצב נוזל.

מוצק. אלומיניום חמצני הוא תרכובת יונית (מתכת + אל-מתכת). הוא בנוי מסריג יוני תלת ממדי, שבו כל יון $\text{Al}^{3+}$ מוקף ביוני $\text{O}^{2-}$ וכל יון $\text{O}^{2-}$ מוקף ביוני $\text{Al}^{3+}$. בין היונים בעלי המטענים ההפוכים יש משיכה חשמלית חזקה (קשר יוני) בכל הכיוונים. כדי להתיך את החומר יש להשקיע אנרגיה רבה כדי להחליש את המשיכה הזאת, ולכן טמפרטורת ההיתוך של חומרים יוניים גבוהה בהרבה מטמפרטורת החדר, והחומר מוצק בטמפרטורת החדר.

התגובה אנדותרמית. כדי שהתגובה תימשך יש לספק לה חום כל הזמן, וכאשר מפסיקים לחמם היא נפסקת. כלומר אנרגיה עוברת מהסביבה (מקור החום) אל המערכת (החומרים המגיבים). תגובה שבה נקלטת אנרגיה מהסביבה היא תגובה אנדותרמית.

(בתגובה אקסותרמית נפלטת אנרגיה לסביבה, והחום שנפלט יכול להמשיך ולקיים את התגובה גם בלי חימום מבחוץ – כמו בבעירה.)

טעות נפוצה: לקבוע שהתגובה אקסותרמית משום ש"יש בה חום". השאלה היא לאן עוברת האנרגיה: כאן היא נקלטת במערכת.