מתכונת 8 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 הגבוהה ביותר – Li, B, N, Na, Mg, Ar

רב-ברירה

לאלו מן האטומים של היסודות הבאים: Li\text{Li}Li , B\text{B}B , N\text{N}N , Na\text{Na}Na , Mg\text{Mg}Mg , Ar\text{Ar}Ar
יש אותו מספר אלקטרונים ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר?

א.
$\text{Li}$ , $\text{B}$ , $\text{N}$ בלבד.
ב.
$\text{Na}$ , $\text{Mg}$ , $\text{Ar}$ בלבד.
ג.
$\text{Li}$ , $\text{Na}$ בלבד.
ד.
$\text{Mg}$ , $\text{Ar}$ בלבד.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – לאטומי Li\text{Li}Li ו-Na\text{Na}Na יש אלקטרון אחד ברמה החיצונית.

נרשום היערכות אלקטרונים לפי המספר האטומי (מהטבלה המחזורית) ונבדוק כמה אלקטרונים יש ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר:
אטוםמספר אטומיהיערכות אלקטרוניםאלקטרונים ברמה הגבוהה ביותר
Li\text{Li}Li32,11
B\text{B}B52,33
N\text{N}N72,55
Na\text{Na}Na112,8,11
Mg\text{Mg}Mg122,8,22
Ar\text{Ar}Ar182,8,88
רק ל-Li\text{Li}Li ול-Na\text{Na}Na יש אותו מספר אלקטרונים ברמה החיצונית – אלקטרון אחד. שניהם נמצאים בטור 1 (משפחת המתכות האלקליות) – תשובה ג.
- א – Li\text{Li}Li, B\text{B}B ו-N\text{N}N נמצאים באותו מחזור (שורה 2): יש להם אותו מספר רמות אנרגיה מאוכלסות (2), אבל מספר שונה של אלקטרונים ברמה החיצונית (1, 3, 5).
- ב – Na\text{Na}Na, Mg\text{Mg}Mg ו-Ar\text{Ar}Ar נמצאים במחזור 3: 1, 2 ו-8 אלקטרונים ברמה החיצונית.
- ד – ל-Mg\text{Mg}Mg יש 2 אלקטרונים ברמה החיצונית ול-Ar\text{Ar}Ar יש 8.
טעות נפוצה: לבלבל בין יסודות באותו מחזור (אותו מספר רמות) לבין יסודות באותו טור (אותו מספר אלקטרונים ברמה החיצונית).

אטום	מספר אטומי	היערכות אלקטרונים	אלקטרונים ברמה הגבוהה ביותר
$\text{Li}$	3	2,1	1
$\text{B}$	5	2,3	3
$\text{N}$	7	2,5	5
$\text{Na}$	11	2,8,1	1
$\text{Mg}$	12	2,8,2	2
$\text{Ar}$	18	2,8,8	8

שאלה 2 · גרף חימום של אמוניה

רב-ברירה

נתון גרף המתאר את השתנות הטמפרטורה כתלות בזמן החימום של אמוניה, NH3\text{NH}_3NH3​ (בגרף: heating time – זמן החימום):
איזה מהניסוחים הבאים מתאר את התהליך שעשוי להתרחש בטמפרטורה −33∘C-33^{\circ}\text{C}−33∘C ?

א.
$\text{NH}_{3(l)} \rightarrow \text{NH}_{3(g)}$
ב.
$2\text{NH}_{3(l)} \rightarrow \text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)}$
ג.
$\text{NH}_{3(s)} \rightarrow \text{NH}_{3(l)}$
ד.
$\text{NH}_{3(s)} \rightarrow \text{NH}_{3(g)}$

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – −33∘C-33^{\circ}\text{C}−33∘C היא טמפרטורת הרתיחה של האמוניה, ובה מתרחשת רתיחה: NH3(l)→NH3(g)\text{NH}_{3(l)} \rightarrow \text{NH}_{3(g)}NH3(l)​→NH3(g)​.

בגרף יש שני קטעים אופקיים, שבהם הטמפרטורה קבועה בזמן החימום ומתרחש שינוי במצב הצבירה:
•הקטע ב-−78∘C-78^{\circ}\text{C}−78∘C (הנמוך) הוא טמפרטורת ההיתוך (מוצק →\rightarrow→ נוזל).
•הקטע ב-−33∘C-33^{\circ}\text{C}−33∘C (הגבוה) הוא טמפרטורת הרתיחה (נוזל →\rightarrow→ גז).
לכן בטמפרטורה −33∘C-33^{\circ}\text{C}−33∘C מתרחשת רתיחה: NH3(l)→NH3(g)\text{NH}_{3(l)} \rightarrow \text{NH}_{3(g)}NH3(l)​→NH3(g)​. התשובה הנכונה היא א.
- ב שגויה: ברתיחה המולקולות NH3\text{NH}_3NH3​ מתרחקות זו מזו (נחלשים קשרי המימן בין המולקולות), אבל הקשרים הקוולנטיים שבתוך המולקולה אינם נשברים, ולכן לא נוצרים חנקן ומימן.
- ג שגויה: התכה מתרחשת בטמפרטורת ההיתוך, −78∘C-78^{\circ}\text{C}−78∘C, ולא ב-−33∘C-33^{\circ}\text{C}−33∘C.
- ד שגויה: לאמוניה יש תחום שבו היא נוזל (בין −78∘C-78^{\circ}\text{C}−78∘C ל-−33∘C-33^{\circ}\text{C}−33∘C), ובטמפרטורה −33∘C-33^{\circ}\text{C}−33∘C אין אמוניה מוצקה.
טעות נפוצה: לחשוב שטמפרטורה שלילית היא תמיד טמפרטורת היתוך. בגרף חימום הקטע האופקי השני (הגבוה יותר) הוא תמיד הרתיחה, גם כשהטמפרטורה שלילית.

שאלה 3 · נוסחה של תרכובת יונית – נתרן וגופרית

רב-ברירה

נתרן, Na(s)\text{Na}_{(s)}Na(s)​ , מגיב עם גופרית, S(s)\text{S}_{(s)}S(s)​ , ונוצרת תרכובת יונית.
מהי הנוסחה האמפירית של התרכובת שנוצרת בתגובה זו?

א.
$\text{NaS}$
ב.
$\text{Na}_2\text{S}$
ג.
$\text{NaS}_2$
ד.
$\text{Na}_3\text{S}_2$

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – Na2S\text{Na}_2\text{S}Na2​S: יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ויוני S2−\text{S}^{2-}S2− ביחס 2:1.

•נתרן הוא מתכת אלקלית (טור 1, היערכות 2,8,1). אטום נתרן מוסר אלקטרון אחד ויוצר יון Na+\text{Na}^{+}Na+.
•גופרית נמצאת בטור 16 (היערכות 2,8,6). אטום גופרית מקבל 2 אלקטרונים ויוצר יון S2−\text{S}^{2-}S2−.
כדי שהתרכובת תהיה ניטרלית דרושים שני יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ (2×(1+)=2+2 \times (1+) = 2+2×(1+)=2+) לכל יון S2−\text{S}^{2-}S2− (2−2-2−).
לכן הנוסחה האמפירית היא Na2S\text{Na}_2\text{S}Na2​S – תשובה ב.
- א (NaS\text{NaS}NaS) – סכום המטענים 1++2−=1−1+ + 2- = 1-1++2−=1−.
- ג (NaS2\text{NaS}_2NaS2​) – סכום המטענים 1++2×(2−)=3−1+ + 2 \times (2-) = 3-1++2×(2−)=3−; היחס הפוך.
- ד (Na3S2\text{Na}_3\text{S}_2Na3​S2​) – סכום המטענים 3++4−=1−3+ + 4- = 1-3++4−=1−.

שאלה 4 · תכונות חומרים יוניים

רב-ברירה

מהו המאפיין של חומרים יוניים, כמו נתרן כלורי, NaCl\text{NaCl}NaCl?

א.
הם מוליכים חשמל במצב מוצק
ב.
טמפרטורות ההיתוך שלהם נמוכות
ג.
הם מוליכים חשמל במצב נוזל (מותך)
ד.
הם בנויים ממולקולות נפרדות

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – חומרים יוניים מוליכים חשמל במצב נוזל, כי בו היונים ניידים.

חומר יוני בנוי מסריג יוני: יונים חיוביים ויונים שליליים המסודרים לסירוגין וקשורים בקשר יוני. במצב נוזל (מותך) הסריג מתפרק והיונים ניידים, ולכן החומר מוליך חשמל – תשובה ג.
- א – במצב מוצק היונים קבועים במקומם בסריג ואינם ניידים, ולכן חומר יוני מוצק אינו מוליך חשמל.
- ב – הקשר היוני בסריג חזק, ולכן טמפרטורות ההיתוך של חומרים יוניים גבוהות (למשל ל-NaCl כ-800 מעלות צלזיוס).
- ד – חומר יוני בנוי מיונים בסריג ענק ולא ממולקולות; נוסחתו (למשל NaCl) היא נוסחה אמפירית, המבטאת את היחס בין היונים.

שאלה 5 · זיהוי מתכת ואל-מתכת בשורה הרביעית

רב-ברירה

בטבלה שלפניכם מופיעות תכונות של יסודות המסומנים באופן שרירותי X ו-Y.
היסודות X ו-Y נמצאים בשורה הרביעית בטבלה המחזורית, באחד הטורים 1, 2, 13–18.
היסודXY
מוליכות חשמלית של היסוד במצב מוצקמוליךלא מוליך
מצב הצבירה של היסוד בטמפ' החדרמוצקנוזל
נוסחת ההידריד של היסוד (תרכובת עם מימן)XH2\text{XH}_2XH2​HY
מהי הקביעה הנכונה?

היסוד	X	Y
מוליכות חשמלית של היסוד במצב מוצק	מוליך	לא מוליך
מצב הצבירה של היסוד בטמפ' החדר	מוצק	נוזל
נוסחת ההידריד של היסוד (תרכובת עם מימן)	$\text{XH}_2$	HY

א.
X יכול להיות אשלגן, K, ו-Y יכול להיות קריפטון, Kr
ב.
נוסחת התרכובת בין X לבין Y היא $\text{XY}_2$ , והיא מוליכה חשמל במצב נוזל
ג.
X הוא יסוד ממשפחת ההלוגנים
ד.
היון של היסוד Y הוא $\text{Y}^{2-}$

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – X הוא Ca ו-Y הוא Br; התרכובת CaBr2\text{CaBr}_2CaBr2​ יונית ומוליכה חשמל בנוזל.

ניתוח הנתונים:
•X מוליך חשמל – מתכת. ההידריד XH2\text{XH}_2XH2​ מראה שאטום X מוסר שני אלקטרונים – טור 2. בשורה הרביעית זהו סידן, Ca.
•Y אינו מוליך חשמל – אל-מתכת. ההידריד HY מראה שלאטום Y חסר אלקטרון אחד לאוקטט – טור 17, הלוגן. בשורה הרביעית זהו ברום, Br (אכן נוזל בטמפרטורת החדר).
ב – נכון: X יוצר יון X2+\text{X}^{2+}X2+ ו-Y יוצר יון Y−\text{Y}^{-}Y−, ולכן הנוסחה היא XY2\text{XY}_2XY2​ (כמו CaBr2\text{CaBr}_2CaBr2​). זו תרכובת יונית (מתכת עם אל-מתכת); במצב נוזל היונים ניידים, ולכן היא מוליכה חשמל.
- א – לאשלגן (טור 1) ההידריד KH ולא XH2\text{XH}_2XH2​; קריפטון הוא גז אציל – בטמפרטורת החדר הוא גז, ואינו יוצר הידריד HY.
- ג – X מוליך חשמל ויוצר XH2\text{XH}_2XH2​ – זו מתכת מטור 2, לא הלוגן. ההלוגן הוא Y.
- ד – ל-Y חסר אלקטרון אחד להשלמת אוקטט, ולכן היון שלו Y−\text{Y}^{-}Y− ולא Y2−\text{Y}^{2-}Y2−.

שאלה 6 · מודלים של ארבעה סוגי סריגים

רב-ברירה

לפניכם ארבעה מודלים, I – IV, לתיאור מיקרוסקופי של ארבעה חומרים מוצקים.
במודל II הסימנים + ו- − מציינים מטען חשמלי; במודל IV הסימן e- מציין אלקטרון.
מהי השורה המציגה נכון את סוג הסריג של כל מודל?

א.
I – מולקולרי, II – יוני, III – אטומרי, IV – מתכתי
ב.
I – אטומרי, II – יוני, III – מולקולרי, IV – מתכתי
ג.
I – מולקולרי, II – מתכתי, III – אטומרי, IV – יוני
ד.
I – מתכתי, II – יוני, III – אטומרי, IV – מולקולרי

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – I מולקולרי, II יוני, III אטומרי, IV מתכתי.

נזהה כל מודל לפי סוג החלקיקים והקשרים ביניהם:
1. מודל I – סריג מולקולרי: יחידות נפרדות של שני אטומים קשורים (מולקולות), עם רווח בין מולקולה למולקולה; בין המולקולות אין קשרים קוולנטיים אלא כוחות בין-מולקולריים.
2. מודל II – סריג יוני: חלקיקים טעונים – יונים חיוביים (+) ויונים שליליים (−) – מסודרים לסירוגין, כך שכל יון מוקף ביונים בעלי מטען נגדי.
3. מודל III – סריג אטומרי: אטומים מסוג אחד, וכל אטום קשור בקשרים קוולנטיים (הקווים) לאטומים שכנים – רשת אחת רציפה ללא מולקולות נפרדות.
4. מודל IV – סריג מתכתי: יונים חיוביים בלבד, ובין היונים אלקטרונים (e-) הנעים בחופשיות – "ים של אלקטרונים".
לכן השורה הנכונה היא א.
- ב – החליפה בין I ל-III: ב-I יש מולקולות נפרדות, וב-III רשת רציפה של אטומים קשורים.
- ג – החליפה בין II ל-IV: ב-II יש יונים חיוביים ושליליים (יוני), וב-IV יונים חיוביים ואלקטרונים (מתכתי).
- ד – מודל I אינו מתכת (אין בו יונים ואלקטרונים), ומודל IV אינו מולקולרי.

שאלה 7 · אינטראקציות ון־דר־ואלס – זיהוי חומר שאינו מולקולרי

רב-ברירה

לפניכם רשימה של ארבעה חומרים במצב מוצק.
נתרן פלואורי, NaF(s)\text{NaF}_{(s)}NaF(s)​ ; קרח, H2O(s)\text{H}_2\text{O}_{(s)}H2​O(s)​ ; פחמן דו־חמצני מוצק ("קרח יבש"), CO2(s)\text{CO}_{2(s)}CO2(s)​ ; מתאן מוצק, CH4(s)\text{CH}_{4(s)}CH4(s)​
באיזה מן החומרים אין אינטראקציות ון־דר־ואלס בין החלקיקים?

א.
$\text{NaF}_{(s)}$
ב.
$\text{H}_2\text{O}_{(s)}$
ג.
$\text{CO}_{2(s)}$
ד.
$\text{CH}_{4(s)}$

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – NaF(s)\text{NaF}_{(s)}NaF(s)​: חומר יוני, החלקיקים בו הם יונים הקשורים בקשר יוני ואין בו מולקולות.

אינטראקציות ון־דר־ואלס פועלות בין מולקולות בכל החומרים המולקולריים.
- H2O\text{H}_2\text{O}H2​O, CO2\text{CO}_2CO2​, CH4\text{CH}_4CH4​ – שלושתם חומרים מולקולריים, ובמוצק שלהם יש אינטראקציות ון־דר־ואלס בין המולקולות. (בקרח פועלים בנוסף גם קשרי מימן בין המולקולות, אבל גם בו יש אינטראקציות ון־דר־ואלס.)
- NaF\text{NaF}NaF – חומר יוני: סריג של יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ויוני F−\text{F}^{-}F− הקשורים בקשר יוני. אין בו מולקולות, ולכן אין בו אינטראקציות ון־דר־ואלס – תשובה א.
טעות נפוצה: לבחור בקרח מפני שבין מולקולות המים יש קשרי מימן. קשרי מימן באים בנוסף לאינטראקציות ון־דר־ואלס ולא במקומן.

פרק שני

שאלה 8 · גזים מסוכנים בביוב – מימן גופרי ומתאן

שאלת מאמר40 נקודות

קראו את הקטע שלפניכם, וענו על כל הסעיפים א-ד שאחריו (שאלת חובה – 40 נקודות).
גזים מסוכנים בביוב
(1) בצנרת הביוב, בבורות ספיגה ובמכלים סגורים מתפרקות שאריות של חומרים אורגניים בסביבה שאין בה כמעט חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​.
(2) בתהליכי הפירוק נוצרים גזים, ושניים מהם מסוכנים במיוחד: מימן גופרי, H2S(g)\text{H}_2\text{S}_{(g)}H2​S(g)​, ומתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​.
(3) מימן גופרי הוא גז חסר צבע, בעל ריח של ביצים רקובות. הוא כבד מן האוויר, ולכן הוא מצטבר בבורות ובמקומות נמוכים.
(4) בריכוז נמוך הוא גורם לגירוי בעיניים ובדרכי הנשימה, לכאבי ראש ולבחילות.
(5) בריכוז גבוה הוא משתק את חוש הריח – האדם מפסיק להריח אותו דווקא כשהוא מסוכן ביותר – ושאיפתו עלולה לגרום לאובדן הכרה תוך זמן קצר ולמוות.
(6) מתאן הוא גז חסר צבע וחסר ריח, קל מן האוויר. הוא אינו רעיל, אבל הוא דליק מאוד, ותערובת של מתאן ואוויר עלולה להתפוצץ מניצוץ או מלהבה.
(7) כאשר הגזים האלה מצטברים בחלל סגור, הם דוחקים החוצה את האוויר, וכמות החמצן בחלל יורדת. אדם שנכנס לחלל כזה עלול להתעלף ממחסור בחמצן.
(8) לכן, לפני כניסה של עובדים לתא ביוב יש לאוורר אותו ולבדוק את הרכב האוויר בעזרת גלאי גזים, ובמקרה הצורך העובדים נושמים אוויר ממכל.
(9) גם אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​, נוצרת בפירוק של פסולת, והיא גורמת לריח החריף בביוב ובשירותים ציבוריים.
בקטע מוזכרים שני גזים מסוכנים הנוצרים בפירוק החומרים בביוב.

א.

(i)

רשמו את שמות שני הגזים המסוכנים שמוזכרים בשורה 2.

(ii)

מהן הסכנות של כל אחד משני הגזים שציינתם לבני אדם? פרטו על פי הקטע.

ב.

(i)

רשמו היערכות אלקטרונים לאטום גופרית, S.

(ii)

רשמו נוסחת ייצוג אלקטרונים למולקולות הבאות: מתאן, CH4\text{CH}_4CH4​ , מימן גופרי, H2S\text{H}_2\text{S}H2​S , אמוניה, NH3\text{NH}_3NH3​.

ג.

בקטע מוזכרים ארבעה חומרים בנוסחאותיהם (שורות 1, 2 ו-9).
קבעו עבור כל אחד מארבעת החומרים אם הוא יסוד או תרכובת. נמקו את קביעתכם.

ד.

מימן גופרי הוא גז דליק. בשריפה שלו באוויר הוא מגיב עם חמצן, ונוצרים הגז גופרית דו-חמצנית, SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​, ואדי מים.
לפניכם ניסוח תגובת השריפה של מימן גופרי, H2S(g)\text{H}_2\text{S}_{(g)}H2​S(g)​.
העתיקו את התגובה למחברתכם ואזנו אותה.
__ H2S(g)+__ O2(g)→__ SO2(g)+__ H2O(g)\_\_\,\text{H}_2\text{S}_{(g)} + \_\_\,\text{O}_{2(g)} \rightarrow \_\_\,\text{SO}_{2(g)} + \_\_\,\text{H}_2\text{O}_{(g)}__H2​S(g)​+__O2(g)​→__SO2(g)​+__H2​O(g)​

◂ פתרון מלא לשאלה 8

סעיף א

(i)

תשובה:

מימן גופרי, H2S(g)\text{H}_2\text{S}_{(g)}H2​S(g)​, ומתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​.

לפי שורה 2, שני הגזים המסוכנים הנוצרים בפירוק הם:
1. מימן גופרי, H2S(g)\text{H}_2\text{S}_{(g)}H2​S(g)​.
2. מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​.

(ii)

תשובה:

H2S\text{H}_2\text{S}H2​S: רעיל – בריכוז נמוך גירוי בעיניים ובדרכי הנשימה, כאבי ראש ובחילות; בריכוז גבוה משתק את חוש הריח וגורם לאובדן הכרה ולמוות. CH4\text{CH}_4CH4​: אינו רעיל אך דליק מאוד – תערובת עם אוויר עלולה להתפוצץ. שניהם דוחקים את האוויר מחלל סגור, וחוסר החמצן עלול לגרום להתעלפות.

מימן גופרי, H2S\text{H}_2\text{S}H2​S (שורות 3–5):
•בריכוז נמוך: גירוי בעיניים ובדרכי הנשימה, כאבי ראש ובחילות (שורה 4).
•בריכוז גבוה: משתק את חוש הריח, ולכן האדם אינו מרגיש בו כשהוא מסוכן ביותר; שאיפתו עלולה לגרום לאובדן הכרה תוך זמן קצר ולמוות (שורה 5).
•הוא כבד מן האוויר ומצטבר בבורות ובמקומות נמוכים (שורה 3).
מתאן, CH4\text{CH}_4CH4​ (שורה 6):
•אינו רעיל, אבל דליק מאוד: תערובת של מתאן ואוויר עלולה להתפוצץ מניצוץ או מלהבה.
לשני הגזים (שורה 7): כשהם מצטברים בחלל סגור הם דוחקים את האוויר, כמות החמצן יורדת, ואדם הנכנס לחלל עלול להתעלף ממחסור בחמצן.

סעיף ב

(i)

תשובה:

2,8,6

המספר האטומי של גופרית (מהטבלה המחזורית) הוא 16, ולכן לאטום גופרית 16 אלקטרונים: 2 ברמה הראשונה, 8 ברמה השנייה ו-6 ברמה השלישית.
היערכות האלקטרונים: 2,8,6 (6 אלקטרוני ערכיות; גופרית נמצאת במחזור השלישי ובטור השישי של היסודות הראשיים).

(ii)

תשובה:

CH4\text{CH}_4CH4​: C במרכז, 4 קשרים יחידים ל-H, ללא זוגות לא-קושרים. H2S\text{H}_2\text{S}H2​S: H–S–H, לגופרית 2 זוגות לא-קושרים. NH3\text{NH}_3NH3​: N במרכז, 3 קשרים יחידים ל-H, לחנקן זוג לא-קושר אחד.

אלקטרוני ערכיות: H – 1, C – 4 (2,4), N – 5 (2,5), S – 6 (2,8,6). כל אטום (פרט למימן) משלים לאוקטט (8 אלקטרונים), ומימן – ל-2 אלקטרונים.
- CH4\text{CH}_4CH4​: אטום הפחמן במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד מארבעת אטומי המימן (4 זוגות קושרים); אין זוגות לא-קושרים. סך אלקטרוני הערכיות: 4+4×1=84 + 4 \times 1 = 84+4×1=8.
- H2S\text{H}_2\text{S}H2​S: אטום הגופרית במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד משני אטומי המימן, ועל אטום הגופרית 2 זוגות אלקטרונים לא-קושרים (מבנה דומה לזה של מים). סך אלקטרוני הערכיות: 2×1+6=82 \times 1 + 6 = 82×1+6=8.
- NH3\text{NH}_3NH3​: אטום החנקן במרכז, קשור בקשר יחיד לכל אחד משלושת אטומי המימן, ועל אטום החנקן זוג אחד לא-קושר. סך אלקטרוני הערכיות: 5+3×1=85 + 3 \times 1 = 85+3×1=8.
טעות נפוצה: לשכוח את זוגות האלקטרונים הלא-קושרים על הגופרית ועל החנקן, או לצייר יותר מקשר אחד לאטום מימן.

סעיף ג

תשובה:

יסוד: חמצן O2\text{O}_2O2​. תרכובות: מימן גופרי H2S\text{H}_2\text{S}H2​S, מתאן CH4\text{CH}_4CH4​, אמוניה NH3\text{NH}_3NH3​.

ארבעת החומרים: O2\text{O}_2O2​ (שורה 1), H2S\text{H}_2\text{S}H2​S ו-CH4\text{CH}_4CH4​ (שורה 2), NH3\text{NH}_3NH3​ (שורה 9).
יסוד – חומר הבנוי מסוג אחד בלבד של אטומים. תרכובת – חומר הבנוי משני סוגי אטומים או יותר, הקשורים זה לזה ביחס קבוע.
החומרסוגי האטומים במולקולהיסוד / תרכובת
חמצן, O2\text{O}_2O2​סוג אחד: Oיסוד
מימן גופרי, H2S\text{H}_2\text{S}H2​Sשני סוגים: H, Sתרכובת
מתאן, CH4\text{CH}_4CH4​שני סוגים: C, Hתרכובת
אמוניה, NH3\text{NH}_3NH3​שני סוגים: N, Hתרכובת
נימוק: מולקולת O2\text{O}_2O2​ בנויה משני אטומים מאותו סוג (חמצן) – לכן חמצן הוא יסוד. בכל אחת מהמולקולות H2S\text{H}_2\text{S}H2​S, CH4\text{CH}_4CH4​ ו-NH3\text{NH}_3NH3​ יש אטומים של שני יסודות שונים – לכן הן תרכובות.
טעות נפוצה: לקבוע ש-O2\text{O}_2O2​ הוא תרכובת כי במולקולה שלו שני אטומים. מה שקובע הוא מספר סוגי האטומים, ולא מספר האטומים.

החומר	סוגי האטומים במולקולה	יסוד / תרכובת
חמצן, $\text{O}_2$	סוג אחד: O	יסוד
מימן גופרי, $\text{H}_2\text{S}$	שני סוגים: H, S	תרכובת
מתאן, $\text{CH}_4$	שני סוגים: C, H	תרכובת
אמוניה, $\text{NH}_3$	שני סוגים: N, H	תרכובת

סעיף ד

תשובה:

2H2S(g)+3O2(g)→2SO2(g)+2H2O(g)2\text{H}_2\text{S}_{(g)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}2H2​S(g)​+3O2(g)​→2SO2(g)​+2H2​O(g)​

מאזנים לפי הסדר: גופרית, מימן, ולבסוף חמצן (שמופיע כיסוד).
1. גופרית: במולקולת H2S\text{H}_2\text{S}H2​S אטום S אחד, ובמולקולת SO2\text{SO}_2SO2​ אטום S אחד – לכל מולקולת H2S\text{H}_2\text{S}H2​S נוצרת מולקולת SO2\text{SO}_2SO2​ אחת.
2. מימן: במולקולת H2S\text{H}_2\text{S}H2​S שני אטומי H, ובמולקולת מים שני אטומי H – לכל מולקולת H2S\text{H}_2\text{S}H2​S נוצרת מולקולת מים אחת.
3. חמצן: עבור מולקולת H2S\text{H}_2\text{S}H2​S אחת בצד התוצרים 2+1=32 + 1 = 32+1=3 אטומי O, כלומר דרושות 32\frac{3}{2}23​ מולקולות O2\text{O}_2O2​. כדי לקבל מקדמים שלמים מכפילים את כל המקדמים ב-2:
2H2S(g)+3O2(g)→2SO2(g)+2H2O(g)2\text{H}_2\text{S}_{(g)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}2H2​S(g)​+3O2(g)​→2SO2(g)​+2H2​O(g)​
בדיקה:
אטוםמגיביםתוצרים
H2×2=42 \times 2 = 42×2=42×2=42 \times 2 = 42×2=4
S22
O3×2=63 \times 2 = 63×2=62×2+2×1=62 \times 2 + 2 \times 1 = 62×2+2×1=6
טעות נפוצה: להשאיר מקדם שבר (32\frac{3}{2}23​) בניסוח הסופי, או לשנות אינדקסים בנוסחאות במקום לשנות רק את המקדמים.

אטום	מגיבים	תוצרים
H	$2 \times 2 = 4$	$2 \times 2 = 4$
S	2	2
O	$3 \times 2 = 6$	$2 \times 2 + 2 \times 1 = 6$

פרק שלישי

שאלה 9 · גז מתאן במכרות פחם – CH4 ו-CO2

שאלה פתוחה15 נקודות

מושגי יסוד
במכרות פחם משתחרר מהסלעים גז מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ . המתאן קל מהאוויר ומצטבר ליד תקרת המנהרות. תערובת של מתאן ואוויר עלולה להתפוצץ כאשר היא באה במגע עם להבה או עם ניצוץ. לכן בעבר השתמשו הכורים בפנסי בטיחות מיוחדים, וכיום משתמשים בפנסים חשמליים ומאווררים את המנהרות כדי להוריד את ריכוז המתאן. בבעירה של מתאן נוצרים פחמן דו-חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ , ואדי מים.

א.

קבע איזה כורה עלול לגרום לפיצוץ במכרה: כורה שמאיר את דרכו בנר דולק או כורה שמשתמש בפנס חשמלי סגור.
נמק את קביעתך.

ב.

לפניך חמישה חומרים שעשויים להימצא במכרה פחם:
CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ , CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ , אוויר , N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​
קבע עבור כל אחד מן החומרים אם הוא חומר טהור או תערובת. נמק את קביעתך.

ג.

רשום נוסחאות ייצוג אלקטרונים למולקולה של מתאן, CH4\text{CH}_4CH4​ , ולמולקולה של פחמן דו-חמצני, CO2\text{CO}_2CO2​.

ד.

נתונים שני חומרים: אשלגן ברומי, KBr(s)\text{KBr}_{(s)}KBr(s)​ , ונפתלן, C10H8(s)\text{C}_{10}\text{H}_{8(s)}C10​H8(s)​ . שני החומרים הם מוצקים לבנים. אשלגן ברומי מתמוסס היטב במים, ונפתלן אינו מתמוסס במים.
תאר בשלבים כלליים את מהלך הניסוי שיאפשר להבדיל בין שני החומרים.

ה.

לפניך גרף המתאר את השתנות הטמפרטורה ( ∘C^\circ\text{C}∘C ) כתלות בזמן החימום של החומר CH4\text{CH}_4CH4​ :

(i)

קבע מהי טמפרטורת ההיתוך של החומר CH4\text{CH}_4CH4​ .

(ii)

לפניך ניסוחים של שלושה תהליכים I – III :
I. CH4(s)→CH4(ℓ)\text{CH}_{4(s)} \rightarrow \text{CH}_{4(\ell)}CH4(s)​→CH4(ℓ)​
II. CH4(ℓ)→CH4(g)\text{CH}_{4(\ell)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}CH4(ℓ)​→CH4(g)​
III. CH4(g)→CH4(ℓ)\text{CH}_{4(g)} \rightarrow \text{CH}_{4(\ell)}CH4(g)​→CH4(ℓ)​
קבע איזה מבין שלושת התהליכים I, II או III, עשוי להתרחש בקטע CD.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

תשובה:

הכורה שמשתמש בנר דולק – להבה גלויה עלולה להצית את תערובת המתאן והאוויר ולגרום לפיצוץ.

הכורה שמאיר את דרכו בנר דולק.
לפי הקטע, תערובת של מתאן ואוויר עלולה להתפוצץ כאשר היא באה במגע עם להבה או עם ניצוץ. לנר דולק יש להבה גלויה, ולכן אם במנהרה הצטבר מתאן, הנר עלול להצית אותו ולגרום לפיצוץ. בפנס חשמלי סגור אין להבה גלויה, ולכן הסכנה קטנה בהרבה – זו הסיבה שכיום משתמשים בפנסים חשמליים.

סעיף ב

תשובה:

חומרים טהורים: CH4\text{CH}_4CH4​, CO2\text{CO}_2CO2​, N2\text{N}_2N2​, H2O\text{H}_2\text{O}H2​O. תערובת: אוויר.

חומר טהור בנוי מסוג אחד בלבד של חלקיקים (כאן – סוג אחד של מולקולות), ויש לו נוסחה כימית קבועה. תערובת מורכבת משני חומרים או יותר.
- CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ – חומר טהור (תרכובת): בנוי ממולקולות CH4\text{CH}_4CH4​ בלבד.
- CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ – חומר טהור (תרכובת): בנוי ממולקולות CO2\text{CO}_2CO2​ בלבד.
- N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ – חומר טהור (יסוד): בנוי ממולקולות N2\text{N}_2N2​ בלבד.
- H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ – חומר טהור (תרכובת): בנוי ממולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O בלבד.
- אוויר – תערובת: מורכב מכמה חומרים (בעיקר N2\text{N}_2N2​ ו-O2\text{O}_2O2​, וגם אדי מים, CO2\text{CO}_2CO2​ ועוד). אין לו נוסחה כימית אחת.

סעיף ג

תשובה:

CH4\text{CH}_4CH4​: אטום C במרכז עם ארבעה קשרים יחידים C–H\text{C–H}C–H, בלי זוגות לא קושרים; O=C=O\text{O=C=O}O=C=O עם שני זוגות לא קושרים על כל אטום חמצן.

CH4\text{CH}_4CH4​: סך אלקטרוני הערכיות 4+4×1=84+4\times1=84+4×1=8.
•אטום הפחמן במרכז, קשור בארבעה קשרים יחידים לארבעה אטומי מימן.
•אין זוגות אלקטרונים לא קושרים.
•בדיקה: 4×2=84\times2=84×2=8 אלקטרונים; לפחמן שמונה אלקטרונים סביבו, ולכל מימן – שניים.
CO2\text{CO}_2CO2​: סך אלקטרוני הערכיות 4+2×6=164+2\times6=164+2×6=16.
•אטום הפחמן במרכז, קשור לכל אטום חמצן בקשר כפול: O=C=O\text{O=C=O}O=C=O.
•על כל אטום חמצן שני זוגות אלקטרונים לא קושרים.
•בדיקה: 8+8=168+8=168+8=16 אלקטרונים; לכל אטום שמונה אלקטרונים סביבו.

סעיף ד

תשובה:

מחממים בעדינות כמות קטנה מכל מוצק (למשל במבחנות באמבט מים חמים): הנפתלן (חומר מולקולרי) נמס, ו-KBr\text{KBr}KBr (חומר יוני) נשאר מוצק. אפשר גם להכניס כל מוצק למים: KBr\text{KBr}KBr מתמוסס ותמיסתו מוליכה חשמל, והנפתלן אינו מתמוסס.

רעיון הניסוי: KBr(s)\text{KBr}_{(s)}KBr(s)​ הוא חומר יוני (יוני K+\text{K}^{+}K+ ויוני Br−\text{Br}^{-}Br−), ונפתלן הוא חומר מולקולרי. לחומרים מסוגים אלה יש תכונות שונות – טמפרטורת היתוך, ובמקרה זה גם מסיסות במים ומוליכות התמיסה.
שלבי הניסוי (דוגמה):
1. מכניסים כמות קטנה מכל מוצק למבחנה נפרדת ומסמנים את המבחנות (A ו-B).
2. מכניסים את שתי המבחנות לאמבט של מים חמים ומחממים אותן באותו אופן (עובדים במנדף, כי אדי נפתלן מזיקים).
3. תצפית צפויה: המוצק שנמס לנוזל הוא נפתלן – לחומר מולקולרי טמפרטורת היתוך נמוכה, כי הכוחות בין המולקולות חלשים יחסית. המוצק שנשאר מוצק הוא KBr\text{KBr}KBr – בחומר יוני יש משיכה חזקה בין היונים החיוביים והשליליים בסריג, ולכן טמפרטורת ההיתוך שלו גבוהה מאוד.
4. בדיקה נוספת: מכניסים כמות קטנה מכל מוצק לכוס עם מים מזוקקים ומערבבים. החומר שמתמוסס הוא KBr\text{KBr}KBr; בודקים במעגל חשמלי את תמיסתו – היא מוליכה (יונים ניידים). החומר שאינו מתמוסס הוא הנפתלן.
מסקנה: החומר שנמס בקלות ואינו מתמוסס במים הוא הנפתלן; החומר שנשאר מוצק, מתמוסס במים ותמיסתו מוליכה הוא KBr(s)\text{KBr}_{(s)}KBr(s)​.

סעיף ה

(i)

תשובה:

טמפרטורת ההיתוך של CH4\text{CH}_4CH4​ היא −182 ∘C-182\ ^\circ\text{C}−182 ∘C.

בגרף יש שני קטעים אופקיים – שבהם הטמפרטורה קבועה אף שממשיכים לחמם, כלומר מתרחש שינוי מצב צבירה:
•הקטע AB, בטמפרטורה של −182 ∘C-182\ ^\circ\text{C}−182 ∘C – הקטע הראשון (הטמפרטורה הנמוכה): היתוך (מוצק ← נוזל).
•הקטע CD, בטמפרטורה של −162 ∘C-162\ ^\circ\text{C}−162 ∘C – הקטע השני (הטמפרטורה הגבוהה): רתיחה (נוזל ← גז).
לכן טמפרטורת ההיתוך של CH4\text{CH}_4CH4​ היא −182 ∘C-182\ ^\circ\text{C}−182 ∘C (וטמפרטורת הרתיחה −162 ∘C-162\ ^\circ\text{C}−162 ∘C).
טעות נפוצה: לבחור בקטע CD (הארוך יותר) כהיתוך. ההיתוך הוא תמיד שינוי המצב הראשון בחימום של מוצק, בטמפרטורה הנמוכה יותר.

(ii)

תשובה:

תהליך II: CH4(ℓ)→CH4(g)\text{CH}_{4(\ell)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}CH4(ℓ)​→CH4(g)​ (רתיחה).

בקטע CD הטמפרטורה קבועה (−162 ∘C-162\ ^\circ\text{C}−162 ∘C) למרות החימום – זהו שינוי מצב הצבירה השני, אחרי שהמוצק כבר נמס (AB) והנוזל התחמם (BC). כלומר זו רתיחה: הנוזל הופך לגז. לכן בקטע זה מתרחש תהליך II: CH4(ℓ)→CH4(g)\text{CH}_{4(\ell)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}CH4(ℓ)​→CH4(g)​.
•תהליך I (היתוך) מתרחש בקטע AB, בטמפרטורה הנמוכה יותר.
•תהליך III (עיבוי – גז הופך לנוזל) מתרחש בקירור ולא בחימום.

שאלה 10 · נתרן ברומי, מתאן, כסף ויהלום – סוגי סריגים

שאלה פתוחה15 נקודות

סוגי חומרים
לפניכם טבלה בה צוינו חלק מהתכונות של ארבעה חומרים שסומנו באופן שרירותי באותיות A עד D.
נתונות נוסחאות של ארבעה חומרים: NaBr\text{NaBr}NaBr , CH4\text{CH}_4CH4​ , Ag\text{Ag}Ag , C\text{C}C(יהלום) .
החומרמצב צבירה בטמפרטורת החדרמוליכות חשמלית במוצקמוליכות חשמלית בנוזלסוג הסריג במצב מוצקנוסחת החומר
Aמוצקלא מוליךמוליך
Bגזלא מוליךלא מוליך
Cמוצקמוליךמוליך
Dמוצקלא מוליך-

החומר	מצב צבירה בטמפרטורת החדר	מוליכות חשמלית במוצק	מוליכות חשמלית בנוזל
A	מוצק	לא מוליך	מוליך
B	גז	לא מוליך	לא מוליך
C	מוצק	מוליך	מוליך
D	מוצק	לא מוליך	-

א.

העתיקו למחברתכם את הטבלה.

(i)

רשמו בטבלה שהעתקתם את סוג הסריג במצב צבירה מוצק (אטומרי, יוני, מולקולרי, מתכתי), עבור כל אחד מהחומרים שסומנו באותיות A-D.

(ii)

רשמו בטבלה שהעתקתם את נוסחת החומר המתאימה לכל אחת מהאותיות A – D.
בחרו מתוך הנוסחאות הנתונות של ארבעת החומרים.

ב.

התייחסו לשני המודלים I ו- II (בציור: Model I – מודל I, Model II – מודל II) וקבעו:

(i)

לאיזה מבין החומרים: NaBr\text{NaBr}NaBr , CH4\text{CH}_4CH4​ , Ag\text{Ag}Ag , C\text{C}C(יהלום) עשוי להתאים מודל I ?

(ii)

לאיזה מבין החומרים: NaBr\text{NaBr}NaBr , CH4\text{CH}_4CH4​ , Ag\text{Ag}Ag , C\text{C}C(יהלום) עשוי להתאים מודל II ?

(iii)

תארו במילים את המבנה המיקרוסקופי של נתרן ברומי, NaBr(s)\text{NaBr}_{(s)}NaBr(s)​ , תוך התייחסות לארגון החלקיקים, תנועתם והכוחות הפועלים ביניהם.

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

(i)

תשובה:

A – יוני; B – מולקולרי; C – מתכתי; D – אטומרי.

- A – מוצק שאינו מוליך במצב מוצק אך מוליך במצב נוזל: במוצק היונים קבועים במקומם, ובנוזל הם ניידים – סריג יוני.
- B – גז בטמפרטורת החדר: הכוחות בין החלקיקים חלשים, כלומר אלה כוחות בין מולקולות. במצב מוצק – סריג מולקולרי. (אין בו חלקיקים טעונים ניידים, ולכן אינו מוליך.)
- C – מוצק המוליך חשמל גם במצב מוצק וגם במצב נוזל: יש בו אלקטרונים חופשיים בשני המצבים – סריג מתכתי.
- D – מוצק שאינו מוליך, והמקף בעמודת הנוזל מציין שאין לו מצב נוזל רגיל (טמפרטורת ההיתוך גבוהה מאוד) – רשת קוולנטית של אטומים: סריג אטומרי.

(ii)

תשובה:

A – NaBr\text{NaBr}NaBr; B – CH4\text{CH}_4CH4​; C – Ag\text{Ag}Ag; D – C\text{C}C(יהלום).

- A – NaBr\text{NaBr}NaBr (נתרן ברומי): תרכובת של מתכת (Na) עם אל-מתכת (Br) – תרכובת יונית של יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ו-Br−\text{Br}^{-}Br−.
- B – CH4\text{CH}_4CH4​ (מתאן): חומר מולקולרי; בטמפרטורת החדר הוא גז, ואינו מוליך.
- C – Ag\text{Ag}Ag (כסף): מתכת – מוליכה במוצק ובנוזל בזכות האלקטרונים החופשיים.
- D – C\text{C}C(יהלום): סריג אטומרי שבו כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לארבעה אטומים; כל אלקטרוני הערכיות משתתפים בקשרים ואין אלקטרונים ניידים – אינו מוליך.
טעות נפוצה: לשייך את A לסריג אטומרי משום שהוא אינו מוליך במוצק – יש לבדוק גם את המוליכות במצב נוזל: חומר אטומרי (כמו יהלום) אינו הופך למוליך.

סעיף ב

(i)

תשובה:

NaBr\text{NaBr}NaBr

מודל I מציג שני סוגי חלקיקים טעונים: יונים חיוביים קטנים (+) ויונים שליליים גדולים (−), המסודרים לסירוגין בסדר קבוע, כך שכל יון מוקף ביונים בעלי מטען מנוגד. זהו סריג יוני, ולכן הוא מתאים ל-NaBr\text{NaBr}NaBr (יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ו-Br−\text{Br}^{-}Br− ביחס 1:1).

(ii)

תשובה:

Ag\text{Ag}Ag

מודל II מציג יונים חיוביים מסוג אחד המסודרים בסדר קבוע, ובינם אלקטרונים רבים (נקודות) הנעים בחופשיות – "ים של אלקטרונים". זהו סריג מתכתי, ולכן הוא מתאים ל-Ag\text{Ag}Ag (כסף).

(iii)

תשובה:

סריג יוני: יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ויוני Br−\text{Br}^{-}Br− ביחס 1:1, מסודרים בסדר קבוע לסירוגין; היונים תונדים סביב מקומם בלבד; בין יונים בעלי מטען מנוגד פועלים כוחות משיכה חשמליים חזקים (קשר יוני) בכל כיווני הסריג.

- החלקיקים וארגונם: נתרן ברומי בנוי מיונים: יוני נתרן חיוביים, Na+\text{Na}^{+}Na+, ויוני ברום שליליים, Br−\text{Br}^{-}Br−, ביחס 1:1. היונים מסודרים בסדר קבוע ומחזורי בסריג יוני תלת-ממדי, כך שכל יון מוקף ביונים בעלי מטען מנוגד.
- תנועת החלקיקים: היונים קבועים במקומם בסריג ורק תונדים (רוטטים) סביב מקומם; הם אינם נעים ממקום למקום.
- הכוחות בין החלקיקים: בין היונים בעלי המטענים המנוגדים פועלים כוחות משיכה חשמליים חזקים – קשר יוני – לכל כיווני הסריג (ובין יונים בעלי מטען זהה פועלים כוחות דחייה). אין בסריג מולקולות נפרדות.
(משום שהיונים אינם ניידים במוצק, נתרן ברומי מוצק אינו מוליך חשמל; בהתכה היונים נעשים ניידים והנוזל מוליך – בהתאם לשורה A בטבלה.)
טעות נפוצה: לתאר את NaBr\text{NaBr}NaBr כבנוי ממולקולות NaBr, או לטעון שהמוצק מוליך משום שיש בו יונים.

שאלה 11 · ניסוי אידוי אתנול – שאלת חקר וגרפים

שאלה פתוחה15 נקודות

מיומנויות החקר המדעי
ג'ל לחיטוי ידיים מכיל אתנול, C2H5OH(l)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)}C2​H5​OH(l)​. אחרי מריחת הג'ל האתנול מתאדה, והידיים מתייבשות.
תלמידים רצו לבדוק כמה זמן לוקח לאתנול להתאדות.
בניסוי נלקחו חמש צלחות פטרי זהות, והן הונחו על שולחן אחד בחדר שבו הטמפרטורה 25°C.
לכל צלחת הכניסו בעזרת מזרק נפח שונה של אתנול.
התלמידים מדדו את הזמן עד שהנוזל נעלם לגמרי מהצלחת.

א.

נסחו את שאלת החקר שנבדקה בניסוי.

ב.

לפניכם שני גרפים, I ו- II, שבנו תלמידים לתיאור תוצאות הניסוי (volume of ethanol – נפח האתנול; time to evaporate – הזמן עד להתאדות).

(i)

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

(ii)

רִשמו כותרת לגרף.

(iii)

כמה זמן ייקח ל- 2.5 מ"ל אתנול להתאדות?
העתיקו למחברתכם את הגרף וציינו על הגרף נתונים אלה.

(iv)

הסבירו מדוע פסלתם את הגרף האחר.

ג.

דנה ועומר ניסחו את שאלת החקר הבאה:
"כיצד משפיע סוג הנוזל (מים, אתנול, אצטון) על הזמן עד שהנוזל מתאדה לגמרי?"

(i)

ציינו שלושה גורמים אותם יש לשמור כגורמים קבועים בניסוי.

(ii)

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

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

תשובה:

כיצד משפיע נפח האתנול בצלחת פטרי (בטמפרטורה 25°C) על הזמן עד שהאתנול מתאדה לגמרי?

שאלת חקר קושרת בין המשתנה הבלתי תלוי לבין המשתנה התלוי:
•משתנה בלתי תלוי: נפח האתנול בכל צלחת.
•משתנה תלוי: הזמן עד שהאתנול מתאדה לגמרי.
שאלת החקר: "כיצד משפיע נפח האתנול בצלחת פטרי (בטמפרטורה 25°C) על הזמן עד שהאתנול מתאדה לגמרי?"
טעות נפוצה: לנסח "האם אתנול מתאדה מהר?" – שאלה כזו אינה מציינת את המשתנה ששונה בניסוי.

סעיף ב

(i)

תשובה:

גרף II.

גרף II מתאר נכון את הניסוי: המשתנה הבלתי תלוי (נפח האתנול, שהתלמידים קבעו מראש) מוצג על הציר האופקי (x), והמשתנה התלוי (הזמן שנמדד) מוצג על הציר האנכי (y).

(ii)

תשובה:

"הזמן (min) עד להתאדות מלאה של אתנול בצלחת פטרי בטמפרטורה 25°C כתלות בנפח האתנול (mL)"

הכותרת כוללת את המשתנה התלוי, את המשתנה הבלתי תלוי ואת התנאים הקבועים:
"הזמן (min) עד להתאדות מלאה של אתנול בצלחת פטרי בטמפרטורה 25°C כתלות בנפח האתנול (mL)"

(iii)

תשובה:

כ-16 דקות.

בניסוי לא נמדד הזמן עבור 2.5 mL, ולכן נעריך אותו לפי המגמה (אינטרפולציה): 2.5 mL נמצא בדיוק באמצע בין 2.0 mL (13 min) ל-3.0 mL (19 min).
t(2.5 mL)≈13 min+19 min−13 min3.0 mL−2.0 mL⋅(2.5 mL−2.0 mL)=13 min+3 min=16 mint_{(2.5\ \text{mL})} \approx 13\ \text{min} + \frac{19\ \text{min} - 13\ \text{min}}{3.0\ \text{mL} - 2.0\ \text{mL}}\cdot(2.5\ \text{mL}-2.0\ \text{mL}) = 13\ \text{min} + 3\ \text{min} = 16\ \text{min}t(2.5 mL)​≈13 min+3.0 mL−2.0 mL19 min−13 min​⋅(2.5 mL−2.0 mL)=13 min+3 min=16 min
כלומר, יידרשו כ-16 דקות (כל ערך בין 13 ל-19 דקות מתאים למגמה: ככל שנפח האתנול גדל, הזמן גדל).
בגרף שמעתיקים מוסיפים עמודה מעל הערך 2.5 mL – בין העמודה של 2.0 mL לעמודה של 3.0 mL – בגובה 16 min:

(iv)

תשובה:

בגרף I הצירים הפוכים: נפח האתנול (המשתנה הבלתי תלוי) מוצג על הציר האנכי, והזמן (המשתנה התלוי) על הציר האופקי.

פסלנו את גרף I כי הצירים בו הפוכים: נפח האתנול – המשתנה הבלתי תלוי, שהתלמידים קבעו מראש – מוצג על הציר האנכי, והזמן – המשתנה התלוי, שנמדד – מוצג על הציר האופקי. בגרף נכון המשתנה הבלתי תלוי על הציר האופקי והמשתנה התלוי על הציר האנכי.

סעיף ג

(i)

תשובה:

נפח הנוזל בכל צלחת, טמפרטורת החדר, צלחות זהות (אותו שטח פנים של הנוזל).

המשתנה הבלתי תלוי הוא סוג הנוזל והמשתנה התלוי הוא הזמן עד להתאדות. גורמים שיש לשמור קבועים (שלושה מתוך):
נפח הנוזל בכל צלחת (למשל 2.0 mL).
טמפרטורת החדר (למשל 25°C).
צלחות זהות – אותו שטח פנים של הנוזל.
זרימת האוויר – כל הצלחות באותו מקום, הרחק ממאוורר או מחלון.

(ii)

תשובה:

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

קביעה: יבחרו בגרף עמודות.
נימוק: המשתנה הבלתי תלוי – סוג הנוזל (מים, אתנול, אצטון) – הוא משתנה איכותי (קטגוריות). אין ערכי ביניים בין נוזל אחד לאחר, ולכן אין משמעות לקו רציף המחבר את התוצאות. בגרף עמודות כל נוזל מוצג כעמודה נפרדת.
גרף רציף מתאים כשהמשתנה הבלתי תלוי הוא מספרי ורציף – כמו נפח האתנול בניסוי הראשון.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ג – לאטומי $\text{Li}$ ו- $\text{Na}$ יש אלקטרון אחד ברמה החיצונית.
2	-	א – $-33^{\circ}\text{C}$ היא טמפרטורת הרתיחה של האמוניה, ובה מתרחשת רתיחה: $\text{NH}_{3(l)} \rightarrow \text{NH}_{3(g)}$ .
3	-	ב – $\text{Na}_2\text{S}$ : יוני $\text{Na}^{+}$ ויוני $\text{S}^{2-}$ ביחס 2:1.
4	-	ג – חומרים יוניים מוליכים חשמל במצב נוזל, כי בו היונים ניידים.
5	-	ב – X הוא Ca ו-Y הוא Br; התרכובת $\text{CaBr}_2$ יונית ומוליכה חשמל בנוזל.
6	-	א – I מולקולרי, II יוני, III אטומרי, IV מתכתי.
7	-	א – $\text{NaF}_{(s)}$ : חומר יוני, החלקיקים בו הם יונים הקשורים בקשר יוני ואין בו מולקולות.
8	א i	מימן גופרי, $\text{H}_2\text{S}_{(g)}$ , ומתאן, $\text{CH}_{4(g)}$ .
	א ii	$\text{H}_2\text{S}$ : רעיל – בריכוז נמוך גירוי בעיניים ובדרכי הנשימה, כאבי ראש ובחילות; בריכוז גבוה משתק את חוש הריח וגורם לאובדן הכרה ולמוות. $\text{CH}_4$ : אינו רעיל אך דליק מאוד – תערובת עם אוויר עלולה להתפוצץ. שניהם דוחקים את האוויר מחלל סגור, וחוסר החמצן עלול לגרום להתעלפות.
	ב i	2,8,6
	ב ii	$\text{CH}_4$ : C במרכז, 4 קשרים יחידים ל-H, ללא זוגות לא-קושרים. $\text{H}_2\text{S}$ : H–S–H, לגופרית 2 זוגות לא-קושרים. $\text{NH}_3$ : N במרכז, 3 קשרים יחידים ל-H, לחנקן זוג לא-קושר אחד.
	ג	יסוד: חמצן $\text{O}_2$ . תרכובות: מימן גופרי $\text{H}_2\text{S}$ , מתאן $\text{CH}_4$ , אמוניה $\text{NH}_3$ .
	ד	$2\text{H}_2\text{S}_{(g)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}$
9	א	הכורה שמשתמש בנר דולק – להבה גלויה עלולה להצית את תערובת המתאן והאוויר ולגרום לפיצוץ.
	ב	חומרים טהורים: $\text{CH}_4$ , $\text{CO}_2$ , $\text{N}_2$ , $\text{H}_2\text{O}$ . תערובת: אוויר.
	ג	$\text{CH}_4$ : אטום C במרכז עם ארבעה קשרים יחידים $\text{C–H}$ , בלי זוגות לא קושרים; $\text{O=C=O}$ עם שני זוגות לא קושרים על כל אטום חמצן.
	ד	מחממים בעדינות כמות קטנה מכל מוצק (למשל במבחנות באמבט מים חמים): הנפתלן (חומר מולקולרי) נמס, ו- $\text{KBr}$ (חומר יוני) נשאר מוצק. אפשר גם להכניס כל מוצק למים: $\text{KBr}$ מתמוסס ותמיסתו מוליכה חשמל, והנפתלן אינו מתמוסס.
	ה i	טמפרטורת ההיתוך של $\text{CH}_4$ היא $-182\ ^\circ\text{C}$ .
	ה ii	תהליך II: $\text{CH}_{4(\ell)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}$ (רתיחה).
10	א i	A – יוני; B – מולקולרי; C – מתכתי; D – אטומרי.
	א ii	A – $\text{NaBr}$ ; B – $\text{CH}_4$ ; C – $\text{Ag}$ ; D – $\text{C}$ (יהלום).
	ב i	$\text{NaBr}$
	ב ii	$\text{Ag}$
	ב iii	סריג יוני: יוני $\text{Na}^{+}$ ויוני $\text{Br}^{-}$ ביחס 1:1, מסודרים בסדר קבוע לסירוגין; היונים תונדים סביב מקומם בלבד; בין יונים בעלי מטען מנוגד פועלים כוחות משיכה חשמליים חזקים (קשר יוני) בכל כיווני הסריג.
11	א	כיצד משפיע נפח האתנול בצלחת פטרי (בטמפרטורה 25°C) על הזמן עד שהאתנול מתאדה לגמרי?
	ב i	גרף II.
	ב ii	"הזמן (min) עד להתאדות מלאה של אתנול בצלחת פטרי בטמפרטורה 25°C כתלות בנפח האתנול (mL)"
	ב iii	כ-16 דקות.
	ב iv	בגרף I הצירים הפוכים: נפח האתנול (המשתנה הבלתי תלוי) מוצג על הציר האנכי, והזמן (המשתנה התלוי) על הציר האופקי.
	ג i	נפח הנוזל בכל צלחת, טמפרטורת החדר, צלחות זהות (אותו שטח פנים של הנוזל).
	ג ii	גרף עמודות – כי המשתנה הבלתי תלוי (סוג הנוזל) הוא משתנה איכותי ולא מספרי רציף.

פרק ראשון

שאלה 1 · אלקטרונים ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר – Li, B, N, Na, Mg, Ar

שאלה 2 · גרף חימום של אמוניה

שאלה 3 · נוסחה של תרכובת יונית – נתרן וגופרית

שאלה 4 · תכונות חומרים יוניים

שאלה 5 · זיהוי מתכת ואל-מתכת בשורה הרביעית

ניתוח הנתונים:

שאלה 6 · מודלים של ארבעה סוגי סריגים

שאלה 7 · אינטראקציות ון־דר־ואלס – זיהוי חומר שאינו מולקולרי

פרק שני

שאלה 8 · גזים מסוכנים בביוב – מימן גופרי ומתאן

גזים מסוכנים בביוב

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

פרק שלישי

שאלה 9 · גז מתאן במכרות פחם – CH4 ו-CO2

מושגי יסוד

סעיף א

הכורה שמאיר את דרכו בנר דולק.

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

שלבי הניסוי (דוגמה):

סעיף ה

שאלה 10 · נתרן ברומי, מתאן, כסף ויהלום – סוגי סריגים

סוגי חומרים

סעיף א

סעיף ב

שאלה 11 · ניסוי אידוי אתנול – שאלת חקר וגרפים

מיומנויות החקר המדעי

סעיף א

סעיף ב

"הזמן (min) עד להתאדות מלאה של אתנול בצלחת פטרי בטמפרטורה 25°C כתלות בנפח האתנול (mL)"

סעיף ג

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד