מתכונת 9 בכימיה - מבוא לכימיה 037182

לפי שורות 2–4: אבק השריפה הוא תערובת של אשלגן חנקתי, פחם וגופרית. כאשר הוא בוער נוצרים במהירות רבה גזים חמים. הגזים האלה מעיפים את הזיקוק לגובה ומפוצצים אותו.

לפי שורות 10–11:

1. הרעש החזק מבהיל בעלי חיים.

2. העשן מכיל חלקיקים זעירים וגזים מזיקים, כמו גופרית דו-חמצנית (שנוצרת מבעירת הגופרית שבאבק השריפה) – זיהום אוויר.

לפי שורות 8–9:

1. ניצוצות לבנים בוהקים – אור לבן חזק שנפלט מהמתכת הבוערת.

2. עשן לבן שנשאר אחרי הבעירה.

אלה תצפיות – דברים שרואים בעין. (הקביעה שהעשן הלבן הוא תחמוצת המגנזיום היא פרשנות של התצפית; גם "חום רב" נמדד או מורגש, אך אינו נראה בעין מרחוק.)

לפי הקטע (שורות 5–7), הצבעים של הזיקוקים נוצרים בעזרת תרכובות של מתכות: תרכובות של נתרן פולטות אור צהוב, של סטרונציום – אור אדום, ושל נחושת – אור כחול-ירקרק.

לכן החומרים המתאימים הם:

- $\text{SrCl}_{2(s)}$ – תרכובת של סטרונציום – אור אדום.

- $\text{CuCl}_{2(s)}$ – תרכובת של נחושת – אור כחול-ירקרק.

- $\text{NaCl}_{(s)}$ – תרכובת של נתרן – אור צהוב.

שאר החומרים אינם מתאימים:

- $\text{Mg}_{(s)}$ היא מתכת (יסוד ולא תרכובת); לפי שורות 8–9 היא בוערת ופולטת אור לבן ולא צבעוני.

- $\text{S}_{8(s)}$ ו-$\text{C}_{(s)}$ (גופרית ופחם) הם מרכיבים של אבק השריפה – הדלק שבוער ומעיף את הזיקוק (שורות 2–4).

- $\text{O}_{2(g)}$ – החמצן שבאוויר, שהמתכות מגיבות איתו בבעירה. אין בו מתכת.

נכון. כדי להשוות בין החומרים, כל התנאים צריכים להיות זהים מלבד הגורם הנבדק (סוג החומר). שימוש באותו מבער הוא גורם קבוע. ניקוי התיל לפני כל בדיקה מבטיח שלא יישארו עליו שאריות של החומר הקודם, שעלולות לשנות את צבע הלהבה – כך הצבע שנצפה שייך רק לחומר הנבדק.

- $\text{NaCl}$ ו-$\text{NaBr}$ שונים ביון השלילי ($\text{Cl}^{-}$ לעומת $\text{Br}^{-}$), אבל יש להם אותו יון חיובי ($\text{Na}^{+}$) – ושניהם צובעים את הלהבה באותו צבע (צהוב).

- $\text{NaCl}$, $\text{SrCl}_2$, $\text{CaCl}_2$ ו-$\text{CuCl}_2$ מכילים כולם אותו יון שלילי ($\text{Cl}^{-}$), אבל יונים חיוביים שונים – והם צובעים את הלהבה בצבעים שונים.

היגד נכון: מתוצאות הניסוי אפשר להסיק כי צבע הלהבה נקבע לפי יון המתכת (היון החיובי) שבתרכובת. מסקנה זו מתאימה לקטע: "פולטות אור בצבע האופייני למתכת" (שורות 6–7).

נכון. תצפית היא מה שרואים או מודדים באופן ישיר. צבע הלהבה (צהוב) הוא דבר שהתלמידים ראו בעיניהם, ולכן זו תצפית. (לעומת זאת, הקביעה "יוני הנתרן צובעים את הלהבה בצהוב" היא פרשנות – מסקנה מהתצפיות.)

בבעירה המגנזיום מגיב עם החמצן שבאוויר שבתוך הכלי ונוצר מגנזיום חמצני (העשן הלבן – שורה 9). לפי חוק שימור החומר, בתגובה כימית האטומים אינם נוצרים ואינם נעלמים – הם רק מתארגנים מחדש. לכן סכום מסות המגיבים שווה לסכום מסות התוצרים.

הכלי סגור היטב: החמצן שהגיב הגיע מתוך הכלי, והתוצר (המגנזיום החמצני) נשאר בתוכו. לכן המסה הכוללת של הכלי ותוכנו אינה משתנה במהלך הבעירה – כמו בגרף II.

•גרף I (מסה עולה) אינו מתאים: מסת המוצק אמנם עולה (המגנזיום מתחבר לחמצן), אבל החמצן הזה היה כבר בתוך הכלי – לא נוסף חומר מבחוץ.

•גרף III (מסה יורדת) אינו מתאים: חומרים אינם יוצאים מהכלי, ולכן המסה אינה יכולה לרדת.

טעות נפוצה: לחשוב שהמסה משתנה משום שנוצר חומר חדש או משום שנפלטים אור וחום. אור וחום אינם חומר, ובכלי סגור המסה הכוללת נשמרת.

תגובה 1: בצד המגיבים 2 אטומי $\text{O}$ (במולקולת $\text{O}_2$), ולכן נרשום מקדם 2 לפני $\text{MgO}$. עכשיו בצד התוצרים 2 אטומי $\text{Mg}$, ולכן נרשום מקדם 2 גם לפני $\text{Mg}$.

בדיקה: $\text{Mg}$: 2 = 2 ; $\text{O}$: 2 = 2.

תגובה 2: במולקולת $\text{S}_8$ יש 8 אטומי גופרית, ולכן נרשום מקדם 8 לפני $\text{SO}_2$. בצד התוצרים יש עכשיו $8\times2=16$ אטומי חמצן, כלומר $8\text{O}_2$.

בדיקה: $\text{S}$: 8 = 8 ; $\text{O}$: 16 = 16.

לפי הקטע (שורות 8–9), הניצוצות הלבנים הבוהקים נוצרים מבעירה של מתכות, כמו מגנזיום ואלומיניום, באוויר.

- תגובה 1 – כן. זו בעירה של המתכת מגנזיום בחמצן, ונוצרת תחמוצת המתכת $\text{MgO}$ – העשן הלבן (שורה 9).

- תגובה 2 – לא. זו בעירה של גופרית (אל-מתכת), אחד ממרכיבי אבק השריפה. לפי שורה 11 בבעירה זו נוצר הגז המזיק גופרית דו-חמצנית, ולא הניצוצות הלבנים.

($\text{O}_2$ מופיע בשתי התגובות ונמנה פעם אחת.)

•מגנזיום הוא מתכת. לפי מודל הסריג המתכתי, הוא בנוי משכבות של יונים חיוביים ($\text{Mg}^{2+}$), וביניהם ים של אלקטרונים – אלקטרונים ניידים שאינם שייכים לאטום מסוים. המשיכה בין היונים החיוביים לאלקטרונים היא הקשר המתכתי.

•גופרית היא חומר מולקולרי. היא בנויה ממולקולות $\text{S}_8$, ובתוך כל מולקולה שמונת אטומי הגופרית קשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים – זוגות אלקטרונים משותפים לשני אטומים.

לפי המספר האטומי בטבלה המחזורית:

- פחמן (מספר אטומי 6) – 6 אלקטרונים: 2 ברמה הראשונה ו-4 בשנייה: 2,4.

- חמצן (מספר אטומי 8) – 8 אלקטרונים: 2,6.

שני הבדלים (מספיק לציין שניים):

1. מספר אלקטרוני הערכיות (ברמה החיצונית): בפחמן – 4; בחמצן – 6 (לכן פחמן בטור 4 וחמצן בטור 6).

2. המספר הכולל של אלקטרונים: בפחמן 6, בחמצן 8.

שימו לב: מספר רמות האנרגיה המאוכלסות זהה (שתי רמות – שניהם במחזור השני).

כללים:

- מספר הפרוטונים = המספר האטומי (פחמן – 6, חמצן – 8).

- מספר המסה = פרוטונים + נויטרונים.

- מטען = פרוטונים – אלקטרונים; באטום מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים.

שורה אחר שורה:

1. אטום $^{13}\text{C}$: פרוטונים 6; נויטרונים $13-6=7$; אלקטרונים 6; מטען 0.

2. אטום פחמן, 6 נויטרונים: פרוטונים 6; מספר מסה $6+6=12$ – סימול $^{12}\text{C}$; אלקטרונים 6.

3. אטום $^{18}\text{O}$: פרוטונים 8; נויטרונים $18-8=10$; אלקטרונים 8; מטען 0.

4. יון חמצן, 8 נויטרונים, מטען $-2$: פרוטונים 8; מספר מסה $8+8=16$ – סימול $^{16}\text{O}$; אלקטרונים: $8-x=-2$, ולכן $x=10$.

5. יון חמצן, 9 נויטרונים, 10 אלקטרונים: פרוטונים 8; מספר מסה $8+9=17$ – סימול $^{17}\text{O}$; מטען $8-10=-2$.

טעות נפוצה: לחשב את מספר הנויטרונים כמספר המסה פחות מספר האלקטרונים – ביון מספר האלקטרונים שונה ממספר הפרוטונים, ויש להחסיר את מספר הפרוטונים.

הסוג של אטום (לאיזה יסוד הוא שייך) נקבע לפי מספר הפרוטונים בגרעין – המספר האטומי.

- $^{12}\text{C}$: 6 פרוטונים, 6 נויטרונים.

- $^{13}\text{C}$: 6 פרוטונים, 7 נויטרונים.

לשניהם 6 פרוטונים, ולכן שניהם אטומי פחמן. הם נבדלים במספר הנויטרונים (6 לעומת 7) ולכן במספר המסה (12 לעומת 13). אטומים של אותו יסוד עם מספר נויטרונים שונה נקראים איזוטופים.

השערה: היערכות האלקטרונים של אטום חמצן היא 2,6 – ברמה החיצונית 6 אלקטרונים, וחסרים 2 אלקטרונים כדי שיהיו בה 8.

כשאטום חמצן קולט שני אלקטרונים נוצר יון $\text{O}^{2-}$ בהיערכות 2,8 – זו היערכות האלקטרונים של הגז האציל ניאון, Ne, שבה רמת האנרגיה החיצונית מלאה ויציבה (8 פרוטונים ו-10 אלקטרונים: מטען $8-10=-2$).

אילו היה קולט רק אלקטרון אחד, היה נוצר יון בהיערכות 2,7 – רמה חיצונית לא מלאה ולא יציבה. לכן היון הנוצר הוא $\text{O}^{2-}$.

- חמצן: במולקולת $\text{O}_2$ שני אטומי O. אם נוצרות 2 מולקולות $\text{CO}_2$ (4 אטומי O), דרושים 4 אטומי O במגיבים: 2 מ-2 מולקולות CO ועוד 2 ממולקולת $\text{O}_2$ אחת.

- פחמן: 2 מולקולות CO מספקות 2 אטומי C – בדיוק ל-2 מולקולות $\text{CO}_2$.

בדיקה: C: 2 = 2; O: $2+2=4$ = $2\cdot2=4$.

יסוד בנוי מסוג אחד בלבד של אטומים; תרכובת היא חומר טהור שהחלקיקים שלו בנויים משני סוגי אטומים או יותר.

- כלי A: כל החלקיקים הם מולקולות זהות שבכל אחת אטום פחמן אחד (שחור) ושני אטומי חמצן (אדומים) – $\text{CO}_2$ – תרכובת.

- כלי B: כל החלקיקים הם מולקולות זהות שבכל אחת אטום פחמן אחד ואטום חמצן אחד – CO – תרכובת.

לכן היגד II נכון.

•היגד I שגוי – באף אחד מהכלים אין מולקולות הבנויות מסוג אחד בלבד של אטומים.

•היגד III שגוי – כלי B אינו יסוד: אמנם בכל מולקולה בו רק שני אטומים, אבל הם משני סוגים שונים.

טעות נפוצה: לקבוע לפי מספר האטומים במולקולה ("מולקולה קטנה = יסוד") – הקובע הוא סוגי האטומים.

- B – Cu: מוליך חשמל גם במצב מוצק וגם במצב נוזל, וטמפרטורות היתוך ורתיחה גבוהות – חומר מתכתי.

- A – KCl: אינו מוליך במוצק אך מוליך בנוזל, טמפרטורת היתוך גבוהה ומסיסות טובה במים – חומר יוני.

- C ו-D – טמפרטורות היתוך ורתיחה נמוכות ואינם מוליכים חשמל – חומרים מולקולריים. C מסיס היטב מאוד במים – זוהי אמוניה, $\text{NH}_3$, שמולקולותיה יוצרות קשרי מימן עם מולקולות המים. D – מסיסות זניחה במים – זהו הקסאן, $\text{C}_6\text{H}_{14}$, שמולקולותיו לא-קוטביות.

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

- במוצק: היונים קבועים במקומם בסריג (יכולים רק לרטוט), 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.

טעות נפוצה: לכתוב שבנוזל "האלקטרונים חופשיים לנוע" – בחומר יוני נושאי המטען הם היונים.

החומר B (נחושת) הוא מתכת. הסריג המתכתי בנוי מיונים חיוביים של נחושת 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.

החומרים C ($\text{NH}_3$) ו-D ($\text{C}_6\text{H}_{14}$) הם חומרים מולקולריים. בהיתוך וברתיחה לא נשברים הקשרים הקוולנטיים שבתוך המולקולות, אלא רק מתגברים על הכוחות הבין-מולקולריים (אינטראקציות ואן דר ואלס, וב-C גם קשרי מימן). כוחות אלה חלשים בהרבה מהקשרים היוניים או המתכתיים (שבחומרים A ו-B), ולכן נדרשת אנרגיה קטנה יחסית להפרדת המולקולות – וטמפרטורות ההיתוך והרתיחה נמוכות.

החומר C הוא אמוניה, $\text{NH}_3$. במולקולה אטומי מימן קשורים לאטום חנקן, ועל אטום החנקן זוג אלקטרונים לא-קושר. לכן מולקולות האמוניה יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים. הכוחות הנוצרים בין מולקולות האמוניה למולקולות המים חזקים, ולכן מולקולות האמוניה מתפזרות בין מולקולות המים – המסיסות טובה מאוד.

סידן (טור 2) מוסר 2 אלקטרונים ויוצר יון $\text{Ca}^{2+}$. כלור (טור 17, הלוגן) קולט אלקטרון אחד ויוצר יון $\text{Cl}^{-}$. כדי שסכום המטענים יהיה אפס, דרושים שני יוני כלוריד לכל יון סידן: $(+2) + 2 \cdot (-1) = 0$. הנוסחה האמפירית: $\text{CaCl}_2$.

בהמסה של חומר יוני במים הסריג היוני מתפרק, והיונים מתפזרים בין מולקולות המים ומוקפים בהן (יונים מוּמָּים):

בדיקה: אטום Ca אחד ושני אטומי Cl בכל צד; מטען כולל: משמאל 0, מימין $(+2) + 2 \cdot (-1) = 0$.

טעות נפוצה: לרשום $\text{Cl}_2$ או $\text{Cl}_2^{2-}$ – בתמיסה נמצאים שני יוני כלוריד נפרדים, $2\text{Cl}^{-}_{(aq)}$.

כן, תמיסה מימית של סידן כלורי מוליכה חשמל. סידן כלורי הוא חומר יוני. במוצק היונים $\text{Ca}^{2+}$ ו-$\text{Cl}^{-}$ קבועים במקומם בסריג. בהמסה במים הסריג מתפרק והיונים המוּמָּים חופשיים לנוע בתמיסה; בהפעלת מתח היונים החיוביים נעים לעבר הקוטב השלילי והיונים השליליים לעבר הקוטב החיובי – וכך עובר זרם חשמלי.

- המשתנה הבלתי תלוי – הגורם שהתלמידים שינו בכוונה: נפח הצנצנת (250, 500, 750, 1000, 1500 מ"ל).

- המשתנה התלוי – הגורם שנמדד ומושפע מהשינוי: זמן הבעירה של הנר מן הכיסוי ועד שהלהבה כבתה (שניות).

גורם אחד מהבאים:

•הנר – "אותו נר" בכל המדידות.

•הרכב האוויר בצנצנת בתחילת כל מדידה – "מילאו את הצנצנת באוויר רענן".

•גודל הלהבה בתחילת המדידה – "המתינו עד שהלהבה התייצבה".

•אופן המדידה – אותו שעון עצר, מרגע הכיסוי ועד כיבוי הלהבה.

- תצפית – מה שרואים או מודדים ישירות, בלי הסבר.

- פירוש של תצפית – הסבר של מה שנצפה, לרוב ברמת החלקיקים או בעזרת תהליך שאי אפשר לראות ישירות.

- מסקנה – קביעה כללית הנובעת מכלל התוצאות ועונה על שאלת החקר.

לפי הגרף, 1250 מ"ל נמצאים באמצע הקטע הישר שבין 1000 מ"ל (28 שניות) לבין 1500 מ"ל (42 שניות):

לכן תצפית אפשרית: שעון העצר הראה כ-35 שניות כאשר הלהבה כבתה (בין 28 ל-42 שניות). תצפית נוספת אפשרית: הלהבה הלכה וקטנה עד שכבתה.

שימו לב: התצפית צריכה לתאר את מה שנמדד או נראה, ולא הסבר כמו "בצנצנת היה יותר חמצן" – זהו פירוש של תצפית.