בגרות בכימיה שיווי משקל, פולימרים, פיזיקלית 037282 - קיץ 2023

5 יח"ל (30%) · נבחני משנה ואקסטרניים · שאלון 037282 · 6 שאלות · 2 שעות

בחינת הבגרות בכימיה, שיווי משקל, פולימרים וכימיה פיזיקלית, קיץ 2023, כל 6 השאלות כמו בשאלון. לכל סעיף יש תשובה ופתרון מלא: ניסוח מאוזן עם מצבי צבירה, הנוסחה מדף הנוסחאות, הצבה ותוצאה עם יחידות, והסבר במונחים שהבוחן מצפה להם.

הוראות הבחינה (כמו בשאלון)

משך הבחינה: שעתיים.
מבנה השאלון ומפתח ההערכה: בשאלון זה שלושה פרקים, ובהם שש שאלות. יש לענות על שלוש שאלות לבחירתכם – 3313×3=10033\frac{1}{3} \times 3 = 1003331​×3=100 נקודות.
פרק ראשון – שיווי משקל כימי ואנטרופיה (שאלות 1–2); פרק שני – פולימרים (שאלות 3–4); פרק שלישי – כימיה פיזיקלית: מרמת הננו למיקרואלקטרוניקה (שאלות 5–6).
חומר עזר מותר בשימוש: (1) מחשבון (כולל מחשבון גרפי). (2) דפי נוסחאות ונתונים (מצורפים).
הוראות מיוחדות: אין.
שימו לב: בבחינה זו יש הנחיות מיוחדות. יש לענות על השאלות על פי הנחיות אלה. הקפידו על ניסוחים מאוזנים ועל רישום נכון של יחידות.
הנחיות מיוחדות לשנה זו: בראש כל שאלה מופיעה הנחיה – יש לענות על כל הסעיפים המחייבים בשאלה שנבחרה, ועל אחד בלבד משני סעיפי הבחירה שבה (סעיף שנבחר – אין לענות על הסעיף החלופי לו).

פרק ראשון – שיווי משקל כימי ואנטרופיה

שאלה 1 · תחמוצות חנקן – שיווי משקל, אנטרופיה וחוק הס

שאלה פתוחה

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ה, ועל אחד מן הסעיפים ו או ז.
השאלה עוסקת בתגובות שבהן מגיבות או נוצרות תחמוצות חנקן.
כשמכניסים חנקן דו-חמצני, NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​, שהוא גז בצבע חום, לכלי ריק, מתרחשת תגובה (1), שבה נוצר דו-חנקן ארבע חמצני, N2O4(g)\text{N}_2\text{O}_{4(g)}N2​O4(g)​, שהוא גז חסר צבע:
(1) 2NO2(g)⇌N2O4(g)ΔH(1)o<0ΔS1 מערכתo<0\quad 2\text{NO}_{2(g)} \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_{4(g)} \qquad \Delta H^o_{(1)} < 0 \qquad \Delta S^o_{1\ מערכת} < 02NO2(g)​⇌N2​O4(g)​ΔH(1)o​<0ΔS1 מערכתo​<0

א.

כיצד אפשר להבחין בהתרחשות תגובה (1) בתוך הכלי?

ב.

(i)

קבעו אם האנטרופיה של הסביבה עולה או יורדת במהלך התגובה.

(ii)

תגובה (1) ספונטנית בטמפרטורה 298 K298\ \text{K}298 K.
קבעו אם בטמפרטורה 298 K298\ \text{K}298 K השינוי באנטרופיה של הסביבה גדול מן השינוי באנטרופיה של המערכת או קטן ממנו. נמקו.

ג.

במעבדה ביצעו את תגובה (1) בכלי סגור I. נפחו של הכלי היה 1 ליטר.
לכלי I ריק הכניסו NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​, וסגרו את הכלי.
התרחשה תגובה (1), והמערכת הגיעה למצב שיווי משקל.
כשהמערכת בכלי I הגיעה למצב שיווי משקל, נמצאו בכלי 0.03 מול NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​.
הערך של קבוע שיווי משקל, Kc\text{K}_cKc​, עבור המערכת שבכלי I הוא 170.

(i)

רשמו את הביטוי של קבוע שיווי המשקל, Kc\text{K}_cKc​.

(ii)

חשבו את הריכוז של N2O4(g)\text{N}_2\text{O}_{4(g)}N2​O4(g)​ בכלי I במצב שיווי משקל. פרטו את החישובים.

ד.

כשהמערכת בכלי I הייתה במצב שיווי משקל, הוסיפו לכלי מעט N2O4(g)\text{N}_2\text{O}_{4(g)}N2​O4(g)​, ושיווי המשקל הופר.
לאחר זמן מה הגיעה המערכת למצב שיווי המשקל החדש.
קבעו אם במצב שיווי המשקל החדש הריכוז של NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​ היה גדול מן הריכוז של NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​ במצב שיווי המשקל הקודם, קטן ממנו או שווה לו. נמקו.

ה.

נתונה תגובה (2):
(2) 2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)ΔH2o=−114 kJΔS2 מערכתo=−147 JK\quad 2\text{NO}_{(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NO}_{2(g)} \qquad \Delta H^o_2 = -114\ \text{kJ} \qquad \Delta S^o_{2\ מערכת} = -147\ \frac{\text{J}}{\text{K}}2NO(g)​+O2(g)​→2NO2(g)​ΔH2o​=−114 kJΔS2 מערכתo​=−147 KJ​
קבעו אם תגובה (2) ספונטנית בתנאי תקן, בטמפרטורה 1100 K1100\ \text{K}1100 K. פרטו את החישובים ונמקו.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ז.
נתונות שתי תגובות (2)-(3):
(2) 2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)ΔH2o=−114.4 kJ\quad 2\text{NO}_{(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NO}_{2(g)} \qquad \Delta H^o_2 = -114.4\ \text{kJ}2NO(g)​+O2(g)​→2NO2(g)​ΔH2o​=−114.4 kJ
(3) N2(g)+2O2(g)→2NO2(g)ΔH3o=+66.4 kJ\quad \text{N}_{2(g)} + 2\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NO}_{2(g)} \qquad \Delta H^o_3 = +66.4\ \text{kJ}N2(g)​+2O2(g)​→2NO2(g)​ΔH3o​=+66.4 kJ
נתונה תגובה (4):
(4) 2NO(g)→N2(g)+O2(g)ΔH4o\quad 2\text{NO}_{(g)} \rightarrow \text{N}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \qquad \Delta H^o_42NO(g)​→N2(g)​+O2(g)​ΔH4o​
חשבו את ערכו של ΔH4o\Delta H^o_4ΔH4o​. פרטו את החישובים.

ז.

סעיף ז הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
נתונות שתי תגובות הפירוק של דו-חנקן חמצני, (5)-(6):
(5) 2N2O(g)→2N2(g)+O2(g)ΔH5o=−164.4 kJ\quad 2\text{N}_2\text{O}_{(g)} \rightarrow 2\text{N}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \qquad \Delta H^o_5 = -164.4\ \text{kJ}2N2​O(g)​→2N2(g)​+O2(g)​ΔH5o​=−164.4 kJ
(6) 2N2O(l)→2N2(g)+O2(g)ΔH6o<0\quad 2\text{N}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 2\text{N}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \qquad \Delta H^o_6 < 02N2​O(l)​→2N2(g)​+O2(g)​ΔH6o​<0
קבעו אם האנרגייה הנפלטת בתגובה (6) גדולה מהאנרגייה הנפלטת בתגובה (5), קטנה ממנה או שווה לה.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

סעיף א

תשובה:

הצבע החום בכלי נחלש (דוהה) במהלך התגובה.

הבחנה: עוצמת הצבע החום בכלי פוחתת.
בתחילה בכלי רק NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​, גז חום. בתגובה (1) נצרך NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​ ונוצר N2O4(g)\text{N}_2\text{O}_{4(g)}N2​O4(g)​ חסר הצבע, ולכן ריכוז NO2\text{NO}_2NO2​ בכלי קטן והצבע החום נחלש (עד שהמערכת מגיעה לשיווי משקל, ואז הצבע אינו משתנה עוד).
(אפשר גם למדוד את הלחץ בכלי הסגור: מ- 2 מול גז מגיבים נוצר 1 מול גז תוצר, מספר מולי הגז קטן ולכן הלחץ בכלי יורד.)

סעיף ב

(i)

תשובה:

האנטרופיה של הסביבה עולה.

קביעה: עולה.
תגובה (1) אקסותרמית (ΔH(1)o<0\Delta H^o_{(1)} < 0ΔH(1)o​<0): אנרגיה בצורת חום עוברת מהמערכת לסביבה. האנרגיה הנוספת מגדילה את תנועת החלקיקים בסביבה ואת מספר האפשרויות לפיזור האנרגיה בה, ולכן האנטרופיה של הסביבה עולה. בהתאם לנוסחה:
ΔSסביבהo=−ΔHoT>0(ΔHo<0)\Delta S^o_{סביבה} = -\frac{\Delta H^o}{T} > 0 \quad (\Delta H^o < 0)ΔSסביבהo​=−TΔHo​>0(ΔHo<0)

(ii)

תשובה:

גדול ממנו.

קביעה: השינוי באנטרופיה של הסביבה גדול (בערכו המוחלט) מן השינוי באנטרופיה של המערכת.
לפי החוק השני של התרמודינמיקה, בתהליך ספונטני האנטרופיה של היקום עולה: ΔSיקוםo>0\Delta S^o_{יקום} > 0ΔSיקוםo​>0.
ΔSיקוםo=ΔSמערכתo+ΔSסביבהo>0\Delta S^o_{יקום} = \Delta S^o_{מערכת} + \Delta S^o_{סביבה} > 0ΔSיקוםo​=ΔSמערכתo​+ΔSסביבהo​>0
ΔSמערכתo<0\Delta S^o_{מערכת} < 0ΔSמערכתo​<0 (נתון) ו- ΔSסביבהo>0\Delta S^o_{סביבה} > 0ΔSסביבהo​>0 (סעיף i). כדי שהסכום יהיה חיובי, העלייה באנטרופיה של הסביבה חייבת להיות גדולה מהירידה באנטרופיה של המערכת: ΔSסביבהo>∣ΔSמערכתo∣\Delta S^o_{סביבה} > |\Delta S^o_{מערכת}|ΔSסביבהo​>∣ΔSמערכתo​∣.
טעות נפוצה: להסיק שהתגובה אינה ספונטנית רק משום שהאנטרופיה של המערכת יורדת – יש להתחשב גם בשינוי באנטרופיה של הסביבה.

סעיף ג

(i)

תשובה:

Kc=[N2O4(g)][NO2(g)]2K_c = \dfrac{[\text{N}_2\text{O}_{4(g)}]}{[\text{NO}_{2(g)}]^2}Kc​=[NO2(g)​]2[N2​O4(g)​]​

ריכוז התוצר בחזקת המקדם שלו במונה, וריכוז המגיב בחזקת המקדם שלו (2) במכנה:
Kc=[N2O4(g)][NO2(g)]2K_c = \frac{[\text{N}_2\text{O}_{4(g)}]}{[\text{NO}_{2(g)}]^2}Kc​=[NO2(g)​]2[N2​O4(g)​]​
(הריכוזים הם ריכוזים בשיווי משקל, ביחידות mol/L\text{mol/L}mol/L.)

(ii)

תשובה:

[N2O4]=0.153 mol/L[\text{N}_2\text{O}_4] = 0.153\ \text{mol/L}[N2​O4​]=0.153 mol/L

ריכוז NO2\text{NO}_2NO2​ בשיווי משקל:
[NO2]=nV=0.03 mol1 L=0.03 molL[\text{NO}_2] = \frac{n}{V} = \frac{0.03\ \text{mol}}{1\ \text{L}} = 0.03\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}[NO2​]=Vn​=1 L0.03 mol​=0.03 Lmol​
מביטוי קבוע שיווי המשקל:
[N2O4]=Kc⋅[NO2]2=170⋅(0.03 molL)2=170⋅9×10−4=0.153 molL[\text{N}_2\text{O}_4] = K_c\cdot[\text{NO}_2]^2 = 170\cdot\left(0.03\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\right)^2 = 170\cdot 9\times10^{-4} = 0.153\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}[N2​O4​]=Kc​⋅[NO2​]2=170⋅(0.03 Lmol​)2=170⋅9×10−4=0.153 Lmol​

סעיף ד

תשובה:

גדול מן הריכוז במצב שיווי המשקל הקודם.

קביעה: ריכוז NO2\text{NO}_2NO2​ בשיווי המשקל החדש גדול מריכוזו בשיווי המשקל הקודם.
מיד לאחר ההוספה ריכוז N2O4\text{N}_2\text{O}_4N2​O4​ גדל, ולכן מנת הריכוזים Q=[N2O4][NO2]2Q = \frac{[\text{N}_2\text{O}_4]}{[\text{NO}_2]^2}Q=[NO2​]2[N2​O4​]​ גדלה ונעשית גדולה מ- KcK_cKc​ (הטמפרטורה לא השתנתה, ולכן KcK_cKc​ נשאר 170).
ברמת החלקיקים: כשריכוז N2O4\text{N}_2\text{O}_4N2​O4​ גדל, גדל מספר ההתנגשויות האפקטיביות של מולקולות N2O4\text{N}_2\text{O}_4N2​O4​ ביחידת זמן, ומהירות התגובה ההפוכה (N2O4→2NO2\text{N}_2\text{O}_4 \rightarrow 2\text{NO}_2N2​O4​→2NO2​) גדלה ונעשית גדולה ממהירות התגובה הישירה.
לכן מתרחשת בעיקר התגובה ההפוכה ונוצר NO2\text{NO}_2NO2​ נוסף, עד ש- QQQ שווה שוב ל- KcK_cKc​. בשיווי המשקל החדש ריכוז NO2\text{NO}_2NO2​ גדול מבשיווי המשקל הקודם (וגם ריכוז N2O4\text{N}_2\text{O}_4N2​O4​ גדול מהקודם – רק חלק מהתוספת מגיב).

סעיף ה

תשובה:

לא ספונטנית: ΔSיקוםo=−43.4 JK<0\Delta S^o_{יקום} = -43.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}} < 0ΔSיקוםo​=−43.4 KJ​<0

קביעה: תגובה (2) אינה ספונטנית ב- 1100 K1100\ \text{K}1100 K.
(מניחים ש- ΔHo\Delta H^oΔHo ו- ΔSמערכתo\Delta S^o_{מערכת}ΔSמערכתo​ כמעט אינם תלויים בטמפרטורה.)
1. השינוי באנטרופיה של הסביבה:
ΔSסביבהo=−ΔHoT=−−114,000 J1100 K=+103.6 JK\Delta S^o_{סביבה} = -\frac{\Delta H^o}{T} = -\frac{-114{,}000\ \text{J}}{1100\ \text{K}} = +103.6\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΔSסביבהo​=−TΔHo​=−1100 K−114,000 J​=+103.6 KJ​
2. השינוי באנטרופיה של היקום:
ΔSיקוםo=ΔSמערכתo+ΔSסביבהo=−147 JK+103.6 JK=−43.4 JK\Delta S^o_{יקום} = \Delta S^o_{מערכת} + \Delta S^o_{סביבה} = -147\ \frac{\text{J}}{\text{K}} + 103.6\ \frac{\text{J}}{\text{K}} = -43.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΔSיקוםo​=ΔSמערכתo​+ΔSסביבהo​=−147 KJ​+103.6 KJ​=−43.4 KJ​
לפי החוק השני של התרמודינמיקה, תהליך ספונטני הוא תהליך שבו האנטרופיה של היקום עולה. ב- 1100 K1100\ \text{K}1100 K מתקבל ΔSיקוםo<0\Delta S^o_{יקום} < 0ΔSיקוםo​<0, ולכן התגובה אינה ספונטנית בטמפרטורה זו (בטמפרטורה גבוהה העלייה באנטרופיה של הסביבה קטנה ואינה מפצה על הירידה באנטרופיה של המערכת).
טעות נפוצה: לשכוח להמיר kJ\text{kJ}kJ ל- J\text{J}J לפני החלוקה בטמפרטורה.

סעיף ו

תשובה:

ΔH4o=−180.8 kJ\Delta H^o_4 = -180.8\ \text{kJ}ΔH4o​=−180.8 kJ

לפי חוק הס, נצרף את התגובות הנתונות כך שסכומן ייתן את תגובה (4):
•תגובה (2) כמות שהיא: 2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)ΔHo=−114.4 kJ2\text{NO}_{(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NO}_{2(g)} \qquad \Delta H^o = -114.4\ \text{kJ}2NO(g)​+O2(g)​→2NO2(g)​ΔHo=−114.4 kJ
•תגובה (3) בכיוון ההפוך: 2NO2(g)→N2(g)+2O2(g)ΔHo=−66.4 kJ2\text{NO}_{2(g)} \rightarrow \text{N}_{2(g)} + 2\text{O}_{2(g)} \qquad \Delta H^o = -66.4\ \text{kJ}2NO2(g)​→N2(g)​+2O2(g)​ΔHo=−66.4 kJ
בחיבור מצטמצמים 2NO22\text{NO}_22NO2​ ומול אחד של O2\text{O}_2O2​, ומתקבלת תגובה (4): 2NO(g)→N2(g)+O2(g)2\text{NO}_{(g)} \rightarrow \text{N}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}2NO(g)​→N2(g)​+O2(g)​.
ΔH4o=ΔH2o−ΔH3o=−114.4 kJ−(+66.4 kJ)=−180.8 kJ\Delta H^o_4 = \Delta H^o_2 - \Delta H^o_3 = -114.4\ \text{kJ} - (+66.4\ \text{kJ}) = -180.8\ \text{kJ}ΔH4o​=ΔH2o​−ΔH3o​=−114.4 kJ−(+66.4 kJ)=−180.8 kJ

סעיף ז

תשובה:

האנרגייה הנפלטת בתגובה (6) קטנה מהאנרגייה הנפלטת בתגובה (5).

קביעה: בתגובה (6) נפלטת פחות אנרגייה.
התוצרים בשתי התגובות זהים (2N2(g)+O2(g)2\text{N}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}2N2(g)​+O2(g)​), ולכן גם האנתלפיה שלהם זהה. ההבדל הוא במצב הצבירה של המגיב:
מעבר מנוזל לגז (רתיחה) הוא תהליך אנדותרמי – יש להשקיע אנרגייה כדי להתגבר על הכוחות הבין-מולקולריים בנוזל. לכן האנתלפיה של 2N2O(l)2\text{N}_2\text{O}_{(l)}2N2​O(l)​ נמוכה מהאנתלפיה של 2N2O(g)2\text{N}_2\text{O}_{(g)}2N2​O(g)​.
מאחר שבתגובה (6) המגיב נמצא ברמת אנתלפיה נמוכה יותר והתוצרים באותה רמה, הפרש האנתלפיה בין המגיבים לתוצרים קטן יותר: ∣ΔH6o∣<∣ΔH5o∣|\Delta H^o_6| < |\Delta H^o_5|∣ΔH6o​∣<∣ΔH5o​∣.
(לפי חוק הס: ΔH6o=ΔH5o+2ΔHאידויo\Delta H^o_6 = \Delta H^o_5 + 2\Delta H^o_{אידוי}ΔH6o​=ΔH5o​+2ΔHאידויo​, ו- ΔHאידויo>0\Delta H^o_{אידוי} > 0ΔHאידויo​>0, ולכן ΔH6o\Delta H^o_6ΔH6o​ פחות שלילי מ- −164.4 kJ-164.4\ \text{kJ}−164.4 kJ.)

שאלה 2 · תגובות של מימן – דיאגרמת אנתלפיה, התנגשויות, אנטרופיה ושיווי משקל

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף ה ii: הצעת ניסוי (תכנון ניסוי) מסומנת X במיקוד 2027.

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ה, ועל אחד מן הסעיפים ו או ז.
השאלה עוסקת בתגובות שבהן מגיב או נוצר מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​.
תערובת של הגזים: מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​, וחמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​, נשמרת בכלי זכוכית סגור לאורך זמן, ללא שינוי.
כאשר משקיעים אנרגייה על ידי הפעלת ניצוץ חשמלי בתערובת הגזים מתרחשת תגובה (1).
(1) H2(g)+12O2(g)→H2O(g)ΔH1o=−241.8 kJ\quad \text{H}_{2(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H^o_1 = -241.8\ \text{kJ}H2(g)​+21​O2(g)​→H2​O(g)​ΔH1o​=−241.8 kJ

א.

איזו מן העקומות, A או B, מציגה באופן סכמתי את השתנות האנתלפייה במהלך תגובה (1)? נמקו.

ב.

איזה מבין ההיגדים, I או II, הוא ההיגד הנכון?
הסבירו את ההיגד שבחרתם באמצעות תורת ההתנגשויות.
I. בעקבות השקעת אנרגייה על ידי הפעלת ניצוץ חשמלי קטֵנה אנרגיית השפעול של התגובה (1), והתגובה מתרחשת.
II. בעקבות השקעת אנרגייה על ידי הפעלת ניצוץ חשמלי גדלה האנרגייה הקינטית של מולקולות המגיבים בתגובה (1), והתגובה מתרחשת.

ג.

בתגובה (2) מקבלים מתערובת הגזים: מימן וחמצן, ומים במצב נוזל.
(2) H2(g)+12O2(g)→H2O(l)ΔH2o\quad \text{H}_{2(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(l)} \qquad \Delta H^o_2H2(g)​+21​O2(g)​→H2​O(l)​ΔH2o​
נתונים שלושה ערכים של שינוי אנתלפייה: −197.7 kJ-197.7\ \text{kJ}−197.7 kJ , −241.8 kJ-241.8\ \text{kJ}−241.8 kJ , −285.9 kJ-285.9\ \text{kJ}−285.9 kJ .
קבעו איזה מבין הערכים האלה מתאים עבור ΔH2o\Delta H^o_2ΔH2o​. נמקו.

ד.

בתנאים מתאימים, מתאנול, CH3OH(g)\text{CH}_3\text{OH}_{(g)}CH3​OH(g)​, מגיב עם קיטור, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​, ונוצר מימן על פי תגובה (3).
(3) CH3OH(g)+H2O(g)→3H2(g)+CO2(g)\quad \text{CH}_3\text{OH}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(g)} \rightarrow 3\text{H}_{2(g)} + \text{CO}_{2(g)}CH3​OH(g)​+H2​O(g)​→3H2(g)​+CO2(g)​

(i)

בטבלה הנתונה מוצגים ערכים של אנטרופיה מולרית תקנית, SoS^oSo, של המגיבים והתוצרים בתגובה (3).
החומרCO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​CH3OH(g)\text{CH}_3\text{OH}_{(g)}CH3​OH(g)​
**אנטרופיה מולרית תקנית** So (JK⋅mol)S^o\ \left(\frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\right)So (K⋅molJ​)213.6130.6188.7239.9
חשבו את שינוי האנטרופיה במערכת, ΔSמערכתo\Delta S^o_{מערכת}ΔSמערכתo​, עבור תגובה (3). פרטו את החישובים.

החומר	$\text{CO}_{2(g)}$	$\text{H}_{2(g)}$	$\text{H}_2\text{O}_{(g)}$	$\text{CH}_3\text{OH}_{(g)}$
אנטרופיה מולרית תקנית $S^o\ \left(\frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\right)$	213.6	130.6	188.7	239.9

(ii)

בטמפרטורה 298 K298\ \text{K}298 K השינוי באנטרופיה של היקום הוא: ΔSיקוםo=+10.4 JK\Delta S^o_{יקום} = +10.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΔSיקוםo​=+10.4 KJ​.
חשבו את שינוי האנתלפייה, ΔH3o\Delta H^o_3ΔH3o​, עבור תגובה (3). פרטו את החישובים.

ה.

תגובה נוספת המשמשת להפקת H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ היא תגובה (4), שבה פחמן חד-חמצני, CO(g)\text{CO}_{(g)}CO(g)​, מגיב עם קיטור, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​.
(4) CO(g)+H2O(g)⇌H2(g)+CO2(g)ΔH4o<0\quad \text{CO}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(g)} \rightleftharpoons \text{H}_{2(g)} + \text{CO}_{2(g)} \qquad \Delta H^o_4 < 0CO(g)​+H2​O(g)​⇌H2(g)​+CO2(g)​ΔH4o​<0
ביצעו תגובה (4) בכלי סגור. בטבלה הנתונה מוצג מספר המולים של כל אחד מן הגזים שהוכנסו לכלי.
מספר המולים של גז שהוכנסו לכלי:
נפח הכלי (ליטר)CO(g)\text{CO}_{(g)}CO(g)​H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​
1.0000.20.2

נפח הכלי (ליטר)	$\text{CO}_{(g)}$	$\text{H}_2\text{O}_{(g)}$	$\text{H}_{2(g)}$	$\text{CO}_{2(g)}$
1.0	0	0	0.2	0.2

(i)

נתון היגד הנוגע למערכת בכלי. הסבירו מדוע ההיגד אינו נכון:
המערכת שבכלי אינה מגיעה למצב שיווי משקל, כי לתוך הכלי לא הוכנסו המגיבים: CO(g)\text{CO}_{(g)}CO(g)​ ו- H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​.

(ii)

הציעו שיטה הבודקת באופן ניסויי במעבדה אם המערכת של תגובה (4) נמצאת במצב שיווי משקל. הסבירו את השיטה שהצעתם.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ז.
נתונים ניסוחים של שני תהליכים, (6) ו- (7). רק אחד משני התהליכים הוא אקסותרמי.
(6) H2(g)+I2(s)→2HI(g)ΔH6o\quad \text{H}_{2(g)} + \text{I}_{2(s)} \rightarrow 2\text{HI}_{(g)} \qquad \Delta H^o_6H2(g)​+I2(s)​→2HI(g)​ΔH6o​
(7) H2(g)+I2(g)→2HI(g)ΔH7o\quad \text{H}_{2(g)} + \text{I}_{2(g)} \rightarrow 2\text{HI}_{(g)} \qquad \Delta H^o_7H2(g)​+I2(g)​→2HI(g)​ΔH7o​
איזה מבין שני תהליכים, (6) או (7), הוא התהליך האקסותרמי? נמקו.

ז.

סעיף ז הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
נתונות שתי תגובות a\textbf{a}a ו- b\textbf{b}b:
aC3H4(g)+4O2(g)→3CO2(g)+2H2O(g)ΔH3o=−1848.8 kJ\textbf{a} \quad \text{C}_3\text{H}_{4(g)} + 4\text{O}_{2(g)} \rightarrow 3\text{CO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H^o_3 = -1848.8\ \text{kJ}aC3​H4(g)​+4O2(g)​→3CO2(g)​+2H2​O(g)​ΔH3o​=−1848.8 kJ
bC3H8(g)+5O2(g)→3CO2(g)+4H2O(g)ΔH4o=−2043.6 kJ\textbf{b} \quad \text{C}_3\text{H}_{8(g)} + 5\text{O}_{2(g)} \rightarrow 3\text{CO}_{2(g)} + 4\text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H^o_4 = -2043.6\ \text{kJ}bC3​H8(g)​+5O2(g)​→3CO2(g)​+4H2​O(g)​ΔH4o​=−2043.6 kJ
מימן מגיב עם פרופין, C3H4(g)\text{C}_3\text{H}_{4(g)}C3​H4(g)​, ליצור פרופאן, C3H8(g)\text{C}_3\text{H}_{8(g)}C3​H8(g)​, על פי תגובה (5).
(5) 2H2(g)+C3H4(g)→C3H8(g)ΔH5o\quad 2\text{H}_{2(g)} + \text{C}_3\text{H}_{4(g)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_{8(g)} \qquad \Delta H^o_52H2(g)​+C3​H4(g)​→C3​H8(g)​ΔH5o​
היעזרו בתגובה (1) ובתגובות a\textbf{a}a ו- b\textbf{b}b וחשבו את הערך של ΔH5o\Delta H^o_5ΔH5o​. פרטו את החישובים.

◂ פתרון מלא לשאלה 2

סעיף א

תשובה:

עקומה B.

קביעה: עקומה B.
תגובה (1) אקסותרמית: ΔH1o=−241.8 kJ<0\Delta H^o_1 = -241.8\ \text{kJ} < 0ΔH1o​=−241.8 kJ<0. כלומר, האנתלפיה של התוצרים נמוכה מהאנתלפיה של המגיבים, ובמהלך התגובה נפלטת אנרגייה לסביבה.
בעקומה B רמת התוצרים נמוכה מרמת המגיבים (ΔH=Hתוצרים−Hמגיבים<0\Delta H = H_{תוצרים} - H_{מגיבים} < 0ΔH=Hתוצרים​−Hמגיבים​<0), ואילו בעקומה A רמת התוצרים גבוהה מרמת המגיבים – תגובה אנדותרמית.

סעיף ב

תשובה:

היגד II.

קביעה: היגד II נכון.
לפי תורת ההתנגשויות, תגובה מתרחשת כאשר מולקולות המגיבים מתנגשות בכיוון מתאים ובאנרגייה קינטית השווה לאנרגיית השפעול או גדולה ממנה (התנגשות אפקטיבית).
בטמפרטורת החדר כמעט לאף התנגשות בין מולקולות H2\text{H}_2H2​ ו- O2\text{O}_2O2​ אין אנרגייה קינטית מספיקה (אנרגיית השפעול גבוהה), ולכן התערובת נשמרת ללא שינוי.
הניצוץ החשמלי מוסר אנרגייה למולקולות שבאזור הניצוץ, והאנרגייה הקינטית שלהן גדלה. לכן חלק מההתנגשויות נעשות אפקטיביות, והתגובה מתחילה. מאחר שהתגובה אקסותרמית, האנרגייה הנפלטת מעלה את האנרגייה הקינטית של מולקולות נוספות, והתגובה ממשיכה בכל התערובת.
היגד I שגוי: אנרגיית השפעול היא תכונה של מסלול התגובה ואינה משתנה בהשקעת אנרגייה (רק זרז, המאפשר מסלול אחר, מקטין אותה).

סעיף ג

תשובה:

ΔH2o=−285.9 kJ\Delta H^o_2 = -285.9\ \text{kJ}ΔH2o​=−285.9 kJ

קביעה: ΔH2o=−285.9 kJ\Delta H^o_2 = -285.9\ \text{kJ}ΔH2o​=−285.9 kJ.
המגיבים בתגובות (1) ו-(2) זהים. בתגובה (2) התוצר הוא מים נוזליים. מעבר של מים מגז לנוזל (עיבוי) הוא תהליך אקסותרמי – נוצרים קשרי מימן בין המולקולות ונפלטת אנרגייה. לכן האנתלפיה של H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ נמוכה מזו של H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​, ובתגובה (2) נפלטת יותר אנרגייה מאשר בתגובה (1).
מכאן ΔH2o\Delta H^o_2ΔH2o​ שלילי יותר מ- ΔH1o=−241.8 kJ\Delta H^o_1 = -241.8\ \text{kJ}ΔH1o​=−241.8 kJ, והערך היחיד המתאים הוא −285.9 kJ-285.9\ \text{kJ}−285.9 kJ.
(הערך −241.8 kJ-241.8\ \text{kJ}−241.8 kJ מתאים לתגובה (1), והערך −197.7 kJ-197.7\ \text{kJ}−197.7 kJ פחות שלילי – מתאים למצב שבו נפלטת פחות אנרגייה, ולא לתוצר נוזלי.)

סעיף ד

(i)

תשובה:

ΔSמערכתo=+176.8 JK\Delta S^o_{מערכת} = +176.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΔSמערכתo​=+176.8 KJ​

ΔSמערכתo=ΣSתוצריםo−ΣSמגיביםo\Delta S^o_{מערכת} = \Sigma S^o_{תוצרים} - \Sigma S^o_{מגיבים}ΔSמערכתo​=ΣSתוצריםo​−ΣSמגיביםo​
ΣSתוצריםo=3 mol⋅130.6 JK⋅mol+1 mol⋅213.6 JK⋅mol=605.4 JK\Sigma S^o_{תוצרים} = 3\ \text{mol}\cdot 130.6\ \frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}} + 1\ \text{mol}\cdot 213.6\ \frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}} = 605.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΣSתוצריםo​=3 mol⋅130.6 K⋅molJ​+1 mol⋅213.6 K⋅molJ​=605.4 KJ​
ΣSמגיביםo=1 mol⋅239.9 JK⋅mol+1 mol⋅188.7 JK⋅mol=428.6 JK\Sigma S^o_{מגיבים} = 1\ \text{mol}\cdot 239.9\ \frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}} + 1\ \text{mol}\cdot 188.7\ \frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}} = 428.6\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΣSמגיביםo​=1 mol⋅239.9 K⋅molJ​+1 mol⋅188.7 K⋅molJ​=428.6 KJ​
ΔSמערכתo=605.4 JK−428.6 JK=+176.8 JK\Delta S^o_{מערכת} = 605.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}} - 428.6\ \frac{\text{J}}{\text{K}} = +176.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΔSמערכתo​=605.4 KJ​−428.6 KJ​=+176.8 KJ​
הסימן החיובי מתאים לעלייה במספר מולי הגז: 2 מול גז מגיבים ← 4 מול גז תוצרים.

(ii)

תשובה:

ΔH3o=+49.6 kJ\Delta H^o_3 = +49.6\ \text{kJ}ΔH3o​=+49.6 kJ

1. מהשינוי באנטרופיה של היקום נחשב את השינוי באנטרופיה של הסביבה:
ΔSיקוםo=ΔSמערכתo+ΔSסביבהo⇒ΔSסביבהo=ΔSיקוםo−ΔSמערכתo\Delta S^o_{יקום} = \Delta S^o_{מערכת} + \Delta S^o_{סביבה} \Rightarrow \Delta S^o_{סביבה} = \Delta S^o_{יקום} - \Delta S^o_{מערכת}ΔSיקוםo​=ΔSמערכתo​+ΔSסביבהo​⇒ΔSסביבהo​=ΔSיקוםo​−ΔSמערכתo​
ΔSסביבהo=10.4 JK−176.8 JK=−166.4 JK\Delta S^o_{סביבה} = 10.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}} - 176.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}} = -166.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΔSסביבהo​=10.4 KJ​−176.8 KJ​=−166.4 KJ​
2. מהשינוי באנטרופיה של הסביבה נחשב את שינוי האנתלפיה:
ΔSסביבהo=−ΔHoT⇒ΔH3o=−T⋅ΔSסביבהo=−298 K⋅(−166.4 JK)=+49,587 J≈+49.6 kJ\Delta S^o_{סביבה} = -\frac{\Delta H^o}{T} \Rightarrow \Delta H^o_3 = -T\cdot\Delta S^o_{סביבה} = -298\ \text{K}\cdot\left(-166.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}}\right) = +49{,}587\ \text{J} \approx +49.6\ \text{kJ}ΔSסביבהo​=−TΔHo​⇒ΔH3o​=−T⋅ΔSסביבהo​=−298 K⋅(−166.4 KJ​)=+49,587 J≈+49.6 kJ
התגובה אנדותרמית (ΔH3o>0\Delta H^o_3 > 0ΔH3o​>0), ובכל זאת ספונטנית ב- 298 K298\ \text{K}298 K בזכות העלייה הגדולה באנטרופיה של המערכת.

סעיף ה

(i)

תשובה:

התגובה הפיכה: H₂ ו-CO₂ מגיבים בתגובה ההפוכה ויוצרים CO ו-H₂O, עד שמהירויות שתי התגובות משתוות – שיווי משקל.

תגובה (4) היא תגובה הפיכה, ושיווי משקל אפשר להשיג מכל אחד משני הכיוונים.
בכלי יש H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ ו- CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​, והם מגיבים זה עם זה בתגובה ההפוכה:
H2(g)+CO2(g)→CO(g)+H2O(g)\text{H}_{2(g)} + \text{CO}_{2(g)} \rightarrow \text{CO}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(g)}H2(g)​+CO2(g)​→CO(g)​+H2​O(g)​
בתחילה מהירות התגובה ההפוכה מרבית ומהירות התגובה הישירה אפס (אין CO\text{CO}CO ו- H2O\text{H}_2\text{O}H2​O). ככל שנוצרים CO\text{CO}CO ו- H2O\text{H}_2\text{O}H2​O, מהירות התגובה הישירה גדלה, ומהירות התגובה ההפוכה קטנה (ריכוזי H2\text{H}_2H2​ ו- CO2\text{CO}_2CO2​ קטנים). כשהמהירויות משתוות, המערכת מגיעה למצב שיווי משקל דינמי, ובו ארבעת הגזים נמצאים בכלי בריכוזים קבועים.

(ii)

תשובה:

מדידת הטמפרטורה של הכלי (מבודד) לאורך זמן; כשהיא מפסיקה להשתנות – שיווי משקל. (לחלופין: מדידת ריכוז אחד הגזים לאורך זמן.)

הצעה: לבצע את התגובה בכלי סגור ומבודד תרמית ולמדוד את הטמפרטורה בכלי לאורך זמן. כאשר הטמפרטורה מפסיקה להשתנות – המערכת במצב שיווי משקל.
הסבר: התגובה הישירה אקסותרמית (ΔH4o<0\Delta H^o_4 < 0ΔH4o​<0), ולכן התגובה ההפוכה, המתרחשת בכלי בתחילה (H2+CO2→CO+H2O\text{H}_2 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{O}H2​+CO2​→CO+H2​O), אנדותרמית. כל עוד מתרחשת בכלי תגובה נטו בכיוון ההפוך, נקלטת אנרגייה והטמפרטורה בכלי המבודד יורדת. במצב שיווי משקל מהירות התגובה הישירה שווה למהירות התגובה ההפוכה, האנרגייה הנפלטת בתגובה הישירה שווה לאנרגייה הנקלטת בתגובה ההפוכה, ולכן הטמפרטורה קבועה.
דרך נוספת: לקחת מדי פעם דגימה קטנה מהכלי ולמדוד את ריכוז אחד הגזים (למשל CO2\text{CO}_2CO2​). כאשר הריכוז אינו משתנה עוד עם הזמן – המערכת בשיווי משקל.
שימו לב: מדידת לחץ אינה מתאימה כאן – מספר מולי הגז במגיבים ובתוצרים שווה (2 מול ← 2 מול), ולכן הלחץ בכלי אינו משתנה במהלך התגובה. גם מעקב אחר צבע אינו אפשרי – כל הגזים חסרי צבע.

סעיף ו

תשובה:

תהליך (7).

קביעה: תהליך (7) הוא האקסותרמי.
התוצרים בשני התהליכים זהים (2HI(g)2\text{HI}_{(g)}2HI(g)​), וגם המגיב H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​. ההבדל הוא במצב הצבירה של היוד.
מעבר יוד ממוצק לגז (המראה) הוא תהליך אנדותרמי – יש להשקיע אנרגייה כדי להתגבר על כוחות ואן דר ואלס בין מולקולות I2\text{I}_2I2​ בסריג המוצק. לכן האנתלפיה של I2(g)\text{I}_{2(g)}I2(g)​ גבוהה מזו של I2(s)\text{I}_{2(s)}I2(s)​.
לפי חוק הס: ΔH6o=ΔHהמראהo+ΔH7o\Delta H^o_6 = \Delta H^o_{המראה} + \Delta H^o_7ΔH6o​=ΔHהמראהo​+ΔH7o​, ומכיוון ש- ΔHהמראהo>0\Delta H^o_{המראה} > 0ΔHהמראהo​>0, מתקיים ΔH7o<ΔH6o\Delta H^o_7 < \Delta H^o_6ΔH7o​<ΔH6o​.
מאחר שרק אחד התהליכים אקסותרמי, זה התהליך שה- ΔHo\Delta H^oΔHo שלו קטן יותר (שלילי) – תהליך (7). בתהליך (6) חלק מהאנרגייה מושקע בהמראת היוד, ולכן הוא אנדותרמי.

סעיף ז

תשובה:

ΔH5o=−288.8 kJ\Delta H^o_5 = -288.8\ \text{kJ}ΔH5o​=−288.8 kJ

לפי חוק הס, נצרף את התגובות כך שסכומן ייתן את תגובה (5):
•תגובה (1) כפול 2: 2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)ΔHo=2⋅(−241.8 kJ)=−483.6 kJ2\text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H^o = 2\cdot(-241.8\ \text{kJ}) = -483.6\ \text{kJ}2H2(g)​+O2(g)​→2H2​O(g)​ΔHo=2⋅(−241.8 kJ)=−483.6 kJ
•תגובה a\textbf{a}a כמות שהיא: C3H4(g)+4O2(g)→3CO2(g)+2H2O(g)ΔHo=−1848.8 kJ\text{C}_3\text{H}_{4(g)} + 4\text{O}_{2(g)} \rightarrow 3\text{CO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H^o = -1848.8\ \text{kJ}C3​H4(g)​+4O2(g)​→3CO2(g)​+2H2​O(g)​ΔHo=−1848.8 kJ
•תגובה b\textbf{b}b בכיוון ההפוך: 3CO2(g)+4H2O(g)→C3H8(g)+5O2(g)ΔHo=+2043.6 kJ3\text{CO}_{2(g)} + 4\text{H}_2\text{O}_{(g)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_{8(g)} + 5\text{O}_{2(g)} \qquad \Delta H^o = +2043.6\ \text{kJ}3CO2(g)​+4H2​O(g)​→C3​H8(g)​+5O2(g)​ΔHo=+2043.6 kJ
בחיבור מצטמצמים 5O25\text{O}_25O2​, 3CO23\text{CO}_23CO2​ ו- 4H2O4\text{H}_2\text{O}4H2​O, ומתקבלת תגובה (5): 2H2(g)+C3H4(g)→C3H8(g)2\text{H}_{2(g)} + \text{C}_3\text{H}_{4(g)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_{8(g)}2H2(g)​+C3​H4(g)​→C3​H8(g)​.
ΔH5o=2ΔH1o+ΔHao−ΔHbo=−483.6 kJ−1848.8 kJ+2043.6 kJ=−288.8 kJ\Delta H^o_5 = 2\Delta H^o_1 + \Delta H^o_{\textbf{a}} - \Delta H^o_{\textbf{b}} = -483.6\ \text{kJ} - 1848.8\ \text{kJ} + 2043.6\ \text{kJ} = -288.8\ \text{kJ}ΔH5o​=2ΔH1o​+ΔHao​−ΔHbo​=−483.6 kJ−1848.8 kJ+2043.6 kJ=−288.8 kJ

פרק שני – פולימרים

שאלה 3 · פולימרים לייצור סיבים – ניילון, PET, PGA ו-PLGA

שאלה פתוחה

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
השאלה עוסקת בפולימרים אחדים המשמשים לייצור סיבים.
נתונות נוסחאות מבנה של המונומרים שמהם מקבלים את הפולימרים (1)-(4):
פולימר (1) - ניילון 10,5 , משמש, בין השאר, לייצור סיבים לגרבוני נשים.
הוא מתקבל מן המונומרים:
(H2N−(CH2)5−NH2\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_5-\text{NH}_2H2​N−(CH2​)5​−NH2​ ו- HOOC−(CH2)8−COOH\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_8-\text{COOH}HOOC−(CH2​)8​−COOH)
פולימר (2) - פוליאתילן טרפתאלט (PET) משמש, בין השאר, לייצור בקבוקים לשתייה קלה.
הוא מתקבל מן המונומרים:
(HO−CH2−CH2−OH\text{HO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{OH}HO−CH2​−CH2​−OH ו- HOOC−C6H4−COOH\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}HOOC−C6​H4​−COOH, חומצה טרפתאלית – שתי הקבוצות הקרבוקסיליות במצבים מנוגדים על טבעת הבנזן)
נתונות נוסחאות מבנה של המונומרים שמהם אפשר לקבל את הפולימרים (3) ו- (4):
(חומצה גליקולית: HO−CH2−COOH\text{HO}-\text{CH}_2-\text{COOH}HO−CH2​−COOH; חומצה לקטית: HO−CH(CH3)−COOH\text{HO}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{COOH}HO−CH(CH3​)−COOH)
פולימר (3) - פולי-חומצה גליקולית (PGA) משמש, בין השאר, לייצור אריגים.
קופולימר (4) - PLGA , קופולימר אקראי המתקבל מחומצה לקטית ומחומצה גליקולית.
קופולימר זה משמש, בין השאר, לייצור חוטי תפירה לניתוחים.

א.

(i)

קבעו באיזו שיטת פלמור - דחיסה או סיפוח, הוכן כל אחד מארבעת הפולימרים (1)-(4).

(ii)

רשמו את נוסחת המבנה ליחידה החוזרת של כל אחד משלושת הפולימרים (1)-(3).

ב.

(i)

אחוז הגבישיות של פולימר (2) גבוה מאחוז הגבישיות של פולימר (1). הסבירו מדוע.

(ii)

הפולימרים (1) ו- (2) מתאימים לייצור סיבים.
ציינו שתי סיבות לכך עבור כל אחד מן הפולימרים האלה.

ג.

בטבלה הנתונה מוצגים ערכי TmT_mTm​ של שני פולימרים.
הפולימרטמפרטורת היתוך Tm (oC)T_m\ (^o\text{C})Tm​ (oC)
פולי-חומצה לקטית (PLA)160
פולי-חומצה גליקולית (PGA)220
הסבירו את ההבדל בין ערכי TmT_mTm​ של שני הפולימרים.

הפולימר	טמפרטורת היתוך $T_m\ (^o\text{C})$
פולי-חומצה לקטית (PLA)	160
פולי-חומצה גליקולית (PGA)	220

ד.

(i)

רשמו נוסחת מבנה לקטע מייצג של הקופולימר האקראי (4).

(ii)

טמפרטורת ההיתוך, TmT_mTm​, של קופולימר (4) נמוכה מטמפרטורת ההיתוך של פולימר (3).
הסבירו מדוע.

ה.

בטבלה הנתונה מוצגים ערכי TgT_gTg​ וערכי TmT_mTm​ של שני הפולימרים.
הפולימרטמפרטורה זגוגית Tg (oC)T_g\ (^o\text{C})Tg​ (oC)טמפרטורת היתוך Tm (oC)T_m\ (^o\text{C})Tm​ (oC)
פוליאתילן טרפתאלט (PET) - פולימר (2)70265
פולימר פוליאתילן אדיפט (PEA)−45-45−4550
נוסחת המבנה של היחידה החוזרת של PEA:
(−C(=O)−(CH2)4−C(=O)−O−CH2−CH2−O−-\text{C}(=\text{O})-(\text{CH}_2)_4-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-−C(=O)−(CH2​)4​−C(=O)−O−CH2​−CH2​−O−)
סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
באיזה מהפולימרים, PET או PEA , המרחק הממוצע בין קצות השרשרות גדול יותר?
הניחו שאורך השרשרות בשני הפולימרים דומה. נמקו את הקביעה.

הפולימר	טמפרטורה זגוגית $T_g\ (^o\text{C})$	טמפרטורת היתוך $T_m\ (^o\text{C})$
פוליאתילן טרפתאלט (PET) - פולימר (2)	70	265
פולימר פוליאתילן אדיפט (PEA)	$-45$	50

ו.

בטבלה הנתונה מוצגים ערכי TgT_gTg​ וערכי TmT_mTm​ של שני הפולימרים.
הפולימרטמפרטורה זגוגית Tg (oC)T_g\ (^o\text{C})Tg​ (oC)טמפרטורת היתוך Tm (oC)T_m\ (^o\text{C})Tm​ (oC)
פוליאתילן טרפתאלט (PET) - פולימר (2)70265
פולימר פוליאתילן אדיפט (PEA)−45-45−4550
נוסחת המבנה של היחידה החוזרת של PEA:
(−C(=O)−(CH2)4−C(=O)−O−CH2−CH2−O−-\text{C}(=\text{O})-(\text{CH}_2)_4-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-−C(=O)−(CH2​)4​−C(=O)−O−CH2​−CH2​−O−)
סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
הסבירו מדוע ערך ה- TmT_mTm​ של PET גבוה מערך ה- TmT_mTm​ של PEA .

הפולימר	טמפרטורה זגוגית $T_g\ (^o\text{C})$	טמפרטורת היתוך $T_m\ (^o\text{C})$
פוליאתילן טרפתאלט (PET) - פולימר (2)	70	265
פולימר פוליאתילן אדיפט (PEA)	$-45$	50

◂ פתרון מלא לשאלה 3

סעיף א

(i)

תשובה:

כל ארבעת הפולימרים (1)-(4) הוכנו בפלמור דחיסה.

קביעה: (1), (2), (3) ו-(4) – כולם בפלמור דחיסה.
לאף אחד מהמונומרים אין קשר כפול C=C\text{C}=\text{C}C=C (הדרוש לפלמור סיפוח). לכל מונומר יש שתי קבוצות פונקציונליות המסוגלות להגיב זו עם זו: −NH2-\text{NH}_2−NH2​ ו- −COOH-\text{COOH}−COOH או −OH-\text{OH}−OH ו- −COOH-\text{COOH}−COOH. בכל צעד של יצירת קשר נפלטת מולקולה קטנה – מים.
•פולימר (1), ניילון: דיאמין + חומצה דו-קרבוקסילית ← קשרים אמידיים (פוליאמיד).
•פולימר (2), PET: דיאול + חומצה דו-קרבוקסילית ← קשרים אסטריים (פוליאסטר).
•פולימר (3), PGA: חומצה גליקולית – בכל מונומר קבוצת −OH-\text{OH}−OH וקבוצת −COOH-\text{COOH}−COOH ← קשרים אסטריים.
•קופולימר (4), PLGA: חומצה לקטית + חומצה גליקולית ← קשרים אסטריים.

(ii)

תשובה:

(1) −NH−(CH2)5−NH−CO−(CH2)8−CO−-\text{NH}-(\text{CH}_2)_5-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_8-\text{CO}-−NH−(CH2​)5​−NH−CO−(CH2​)8​−CO−; (2) −O−CH2−CH2−O−CO−C6H4−CO−-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-−O−CH2​−CH2​−O−CO−C6​H4​−CO−; (3) −O−CH2−CO−-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-−O−CH2​−CO−

בכל קשר שנוצר יוצא OH\text{OH}OH מהקבוצה הקרבוקסילית ו- H\text{H}H מקבוצת האמין או ההידרוקסיל (נפלטת מולקולת מים).
- פולימר (1), ניילון: −N(H)−(CH2)5−N(H)−C(=O)−(CH2)8−C(=O)−-\text{N}(\text{H})-(\text{CH}_2)_5-\text{N}(\text{H})-\text{C}(=\text{O})-(\text{CH}_2)_8-\text{C}(=\text{O})-−N(H)−(CH2​)5​−N(H)−C(=O)−(CH2​)8​−C(=O)−
  (שני אטומי N, כל אחד קשור לאטום H; שני פחמנים קרבוניליים C=O\text{C}=\text{O}C=O – שני קשרים אמידיים ביחידה).
- פולימר (2), PET: −O−CH2−CH2−O−C(=O)−C6H4−C(=O)−-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-\text{C}(=\text{O})-\text{C}_6\text{H}_4-\text{C}(=\text{O})-−O−CH2​−CH2​−O−C(=O)−C6​H4​−C(=O)−
  (טבעת בנזן שאליה קשורות שתי קבוצות C=O\text{C}=\text{O}C=O במצבים מנוגדים; שני קשרים אסטריים ביחידה).
- פולימר (3), PGA: −O−CH2−C(=O)−-\text{O}-\text{CH}_2-\text{C}(=\text{O})-−O−CH2​−C(=O)−
  (המונומר פחות מולקולת מים; קשר אסטרי בין היחידות).

סעיף ב

(i)

תשובה:

בעמוד השדרה של PET טבעות בנזן שטוחות וקשיחות; השרשרות ישרות ונארזות במסודר. בניילון 10,5 קטעי (CH2)(\text{CH}_2)(CH2​) ארוכים וגמישים המתפתלים באופן אקראי ומפריעים לסידור.

גבישיות היא מידת הסידור המרחבי של השרשרות: אזורים גבישיים נוצרים כשקטעי שרשרות ישרים נארזים זה לצד זה באופן מסודר.
- PET (פולימר 2): בעמוד השדרה יש טבעות בנזן מישוריות וקשיחות. הסיבוב סביב הקשרים בעמוד השדרה מוגבל, השרשרות פחות מתפתלות ופרושות יותר, וטבעות הבנזן השטוחות של שרשרות סמוכות יכולות להיערם זו מול זו. לכן השרשרות נארזות בצורה מסודרת וצפופה.
- ניילון 10,5 (פולימר 1): בעמוד השדרה יש רצפים ארוכים של קבוצות CH2\text{CH}_2CH2​ (5 ו-8 ביחידה החוזרת) עם סיבוב חופשי סביב הקשרים היחידים. קטעים אלה גמישים ומתפתלים באופן אקראי, ולכן קשה יותר לסדר את השרשרות במבנה גבישי (וגם הקבוצות האמידיות היוצרות קשרי מימן מרוחקות זו מזו לאורך השרשרת).
לכן אחוז הגבישיות של PET גבוה יותר.

(ii)

תשובה:

(1): שרשרות קוויות ללא הסתעפויות; קשרי מימן בין השרשרות. (2): שרשרות קוויות קשיחות (טבעות בנזן) – גבישיות גבוהה; אינטראקציות דו-קוטב בין קבוצות אסטריות ו-Tm גבוה.

סיב דורש שרשרות ארוכות שאפשר לסדר במקביל לאורך הסיב (גבישיות גבוהה) ואינטראקציות חזקות בין השרשרות, כדי שהסיב יהיה חזק ויציב בטמפרטורת השימוש.
פולימר (1), ניילון 10,5:
1. השרשרות קוויות, ללא הסתעפויות וללא קבוצות צדדיות גדולות – אפשר למתוח ולסדר אותן במקביל לאורך הסיב.
2. בין קבוצות האמיד של שרשרות סמוכות נוצרים קשרי מימן (N−H⋯O=C\text{N}-\text{H}\cdots\text{O}=\text{C}N−H⋯O=C) – אינטראקציות חזקות המחזיקות את השרשרות המסודרות זו ליד זו ומקנות לסיב חוזק.
פולימר (2), PET:
1. השרשרות קוויות, וטבעות הבנזן בעמוד השדרה הופכות אותן לקשיחות ופרושות – הן נארזות במסודר, ואחוז הגבישיות גבוה (סעיף ב i).
2. בין הקבוצות האסטריות הקוטביות של שרשרות סמוכות יש אינטראקציות דו-קוטב–דו-קוטב, ובין טבעות הבנזן (ענן אלקטרונים גדול) – כוחות ואן דר ואלס חזקים יחסית; לכן ה- TmT_mTm​ (265ºC) וה- TgT_gTg​ (70ºC) גבוהים מטמפרטורת השימוש והסיב שומר על צורתו ועל חוזקו.

סעיף ג

תשובה:

ב- PLA יש קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ צדדית המפריעה לסידור הצפוף של השרשרות – גבישיות נמוכה יותר ואינטראקציות חלשות יותר בין השרשרות; לכן TmT_mTm​ של PLA נמוך מזה של PGA.

TmT_mTm​ היא הטמפרטורה שבה האזורים הגבישיים נהרסים. ככל שהשרשרות מסודרות וצפופות יותר והאינטראקציות ביניהן חזקות יותר, דרושה אנרגייה רבה יותר – TmT_mTm​ גבוה יותר.
- PGA: היחידה החוזרת −O−CH2−CO−-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-−O−CH2​−CO− – אין קבוצות צדדיות (רק אטומי H). השרשרות יכולות להתקרב זו לזו ולהיארז בצורה מסודרת וצפופה – אחוז גבישיות גבוה, ואינטראקציות דו-קוטב–דו-קוטב חזקות בין הקבוצות האסטריות הקוטביות (שמספרן ליחידת אורך שרשרת גבוה).
- PLA: היחידה החוזרת −O−CH(CH3)−CO−-\text{O}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CO}-−O−CH(CH3​)−CO− – לכל יחידה קבוצת מתיל צדדית. הקבוצות הצדדיות מרחיקות את השרשרות זו מזו ומפריעות לאריזה מסודרת; אחוז הגבישיות נמוך יותר והאינטראקציות בין השרשרות חלשות יותר.
לכן דרושה פחות אנרגייה להרס האזורים הגבישיים של PLA, ו- TmT_mTm​ שלו (160ºC) נמוך מזה של PGA (220ºC).

סעיף ד

(i)

תשובה:

למשל: −O−CH(CH3)−CO−O−CH2−CO−O−CH2−CO−O−CH(CH3)−CO−O−CH(CH3)−CO−O−CH2−CO−-\text{O}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-−O−CH(CH3​)−CO−O−CH2​−CO−O−CH2​−CO−O−CH(CH3​)−CO−O−CH(CH3​)−CO−O−CH2​−CO−

בקופולימר אקראי שתי היחידות – היחידה מחומצה לקטית −O−CH(CH3)−C(=O)−-\text{O}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{C}(=\text{O})-−O−CH(CH3​)−C(=O)− והיחידה מחומצה גליקולית −O−CH2−C(=O)−-\text{O}-\text{CH}_2-\text{C}(=\text{O})-−O−CH2​−C(=O)− – מסודרות לאורך השרשרת ברצף לא סדיר, והן מחוברות בקשרים אסטריים.
קטע מייצג (לדוגמה, שש יחידות בסדר לקטית–גליקולית–גליקולית–לקטית–לקטית–גליקולית):
−O−CH∣CH3−C∣∣O−O−CH2−C∣∣O−O−CH2−C∣∣O−O−CH∣CH3−C∣∣O−O−CH∣CH3−C∣∣O−O−CH2−C∣∣O−-\text{O}-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{CH}}}-\overset{\text{O}}{\overset{||}{\text{C}}}-\text{O}-\text{CH}_2-\overset{\text{O}}{\overset{||}{\text{C}}}-\text{O}-\text{CH}_2-\overset{\text{O}}{\overset{||}{\text{C}}}-\text{O}-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{CH}}}-\overset{\text{O}}{\overset{||}{\text{C}}}-\text{O}-\underset{\text{CH}_3}{\underset{|}{\text{CH}}}-\overset{\text{O}}{\overset{||}{\text{C}}}-\text{O}-\text{CH}_2-\overset{\text{O}}{\overset{||}{\text{C}}}-−O−CH3​∣CH​​−C∣∣O−O−CH2​−C∣∣O−O−CH2​−C∣∣O−O−CH3​∣CH​​−C∣∣O−O−CH3​∣CH​​−C∣∣O−O−CH2​−C∣∣O−
חשוב שהרצף לא יהיה סדיר (לא לסירוגין קבוע) – אחרת זה אינו קופולימר אקראי.

(ii)

תשובה:

בקופולימר האקראי רצף היחידות אינו סדיר וקבוצות CH3\text{CH}_3CH3​ פזורות באקראי – השרשרות אינן נארזות במסודר, הגבישיות קטנה והאינטראקציות חלשות; לכן TmT_mTm​ נמוך.

ב- PGA (פולימר 3) כל היחידות זהות וללא קבוצות צדדיות; השרשרות סדירות ונארזות במסודר – גבישיות גבוהה ו- TmT_mTm​ גבוה.
בקופולימר האקראי PLGA היחידות הלקטיות, הנושאות קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ צדדית, מפוזרות לאורך השרשרת במקומות אקראיים. המבנה הלא סדיר מונע מהשרשרות להתאים זו לזו ולהיארז בצורה מסודרת: אחוז הגבישיות קטן, והמרחק הממוצע בין השרשרות גדל, ולכן האינטראקציות ביניהן חלשות יותר.
נדרשת פחות אנרגייה להרס האזורים הגבישיים, ולכן TmT_mTm​ של קופולימר (4) נמוך מזה של פולימר (3).

סעיף ה

תשובה:

ב- PET.

קביעה: ב- PET.
שרשרת פולימר נוטה לפיתול אקראי, הנובע מהסיבוב החופשי סביב הקשרים היחידים בעמוד השדרה. ככל שהפיתול האקראי מופרע יותר, השרשרת פרושה יותר והמרחק הממוצע בין קצותיה גדול יותר.
- PET: בעמוד השדרה יש טבעות בנזן קשיחות ומישוריות. בתוך הטבעת אין סיבוב חופשי, והיא מגבילה גם את הסיבוב סביב הקשרים הסמוכים לה. לכן השרשרת קשיחה ופרושה, והמרחק בין קצותיה גדול.
- PEA: עמוד השדרה בנוי מקבוצות CH2\text{CH}_2CH2​ וקבוצות אסטר, עם סיבוב חופשי סביב הקשרים היחידים (ובמיוחד ברצף (CH2)4(\text{CH}_2)_4(CH2​)4​). השרשרת גמישה ומתפתלת בקלות, והמרחק בין קצותיה קטן.
התאמה לנתונים: ה- TgT_gTg​ של PET (70ºC) גבוה בהרבה מזה של PEA (−45-45−45ºC) – עדות לשרשרת קשיחה יותר.

סעיף ו

תשובה:

שרשרות PET קשיחות (טבעות בנזן) ונארזות במסודר – גבישיות גבוהה ואינטראקציות חזקות יותר בין השרשרות; שרשרות PEA גמישות – גבישיות ואינטראקציות קטנות יותר.

TmT_mTm​ היא הטמפרטורה שבה נהרסים האזורים הגבישיים; היא תלויה במידת הסידור של השרשרות ובחוזק האינטראקציות ביניהן.
- PET: טבעות הבנזן בעמוד השדרה הופכות את השרשרת לקשיחה ופרושה. שרשרות ישרות נארזות במסודר ובצפיפות, וטבעות הבנזן המישוריות (ענן אלקטרונים גדול) של שרשרות סמוכות נערמות זו מול זו – כוחות ואן דר ואלס חזקים יחסית, בנוסף לאינטראקציות דו-קוטב–דו-קוטב בין הקבוצות האסטריות. אחוז הגבישיות גבוה.
- PEA: אין טבעות; עמוד השדרה גמיש (רצף (CH2)4(\text{CH}_2)_4(CH2​)4​ עם סיבוב חופשי), השרשרות מתפתלות ונארזות פחות טוב. גם האינטראקציות בין השרשרות חלשות יותר (אין ערימה של טבעות, ענני אלקטרונים קטנים יותר).
לכן נדרשת אנרגייה רבה יותר כדי להרוס את האזורים הגבישיים של PET, ו- TmT_mTm​ שלו (265ºC) גבוה בהרבה מזה של PEA (50ºC).

שאלה 4 · קוולר, ניילון 6,6, דקרון ופרספקס – מבנה ותכונות

שאלה פתוחה

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ועל אחד מן הסעיפים ד או ה.
בטבלה מוצגים נתונים של ארבעה פולימרים, (1)-(4), שאורך השרשרות הממוצע שלהם דומה.
שם הפולימרנוסחת מבנה של היחידה החוזרתTg (oC)T_g\ (^o\text{C})Tg​ (oC)Tm (oC)T_m\ (^o\text{C})Tm​ (oC)
(1)קוולר−NH−C6H4−NH−CO−C6H4−CO−-\text{NH}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{NH}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-−NH−C6​H4​−NH−CO−C6​H4​−CO−-500
(2)ניילון 6,6−NH−(CH2)6−NH−CO−(CH2)4−CO−-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_4-\text{CO}-−NH−(CH2​)6​−NH−CO−(CH2​)4​−CO−80265
(3)דקרון−O−CH2−CH2−O−CO−C6H4−CO−-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-−O−CH2​−CH2​−O−CO−C6​H4​−CO−70265
(4)פרספקס−CH2−C(CH3)(COOCH3)−-\text{CH}_2-\text{C}(\text{CH}_3)(\text{COOCH}_3)-−CH2​−C(CH3​)(COOCH3​)−105160
(בקוולר ובדקרון טבעות הבנזן קשורות לשרשרת במצבים מנוגדים, -C6H4-\text{-C}_6\text{H}_4\text{-}-C6​H4​-; בפרספקס הקבוצה −C(=O)−O−CH3-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-\text{CH}_3−C(=O)−O−CH3​ קשורה לאותו פחמן שקשורה אליו קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​.)

	שם הפולימר	נוסחת מבנה של היחידה החוזרת	$T_g\ (^o\text{C})$	$T_m\ (^o\text{C})$
(1)	קוולר	$-\text{NH}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{NH}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-$	-	500
(2)	ניילון 6,6	$-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_4-\text{CO}-$	80	265
(3)	דקרון	$-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-$	70	265
(4)	פרספקס	$-\text{CH}_2-\text{C}(\text{CH}_3)(\text{COOCH}_3)-$	105	160

א.

(i)

אילו מן הפולימרים שבטבלה נוצרים בפלמור על ידי דחיסה?

(ii)

רשמו נוסחאות מבנה למונומרים של כל אחד מן הפולימרים שציינו בתת-סעיף א i .

ב.

(i)

הסבירו מדוע ערך ה- TmT_mTm​ של פולימר (1) גבוה מערך ה- TmT_mTm​ של פולימר (2).

(ii)

הסבירו מדוע ערך ה- TmT_mTm​ של פולימר (2) שווה לערך ה- TmT_mTm​ של פולימר (3).

ג.

(i)

הסבירו מדוע ערך ה- TgT_gTg​ של פולימר (4) הוא גבוה.

(ii)

פולימר (4) הוא פולימר אמורפי. הסבירו עובדה זו.

(iii)

עבור פולימר (1) לא נמדד ערך ה- TgT_gTg​ . הסבירו מדוע.

ד.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
פרספקס - פולימר (4), משמש תחליף לעצם בשל קשיחותו.
ציינו גורם אחד התורם לקשיחותו הגבוהה של פולימר זה. הסבירו.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ד.
כאשר אטומי המימן האמידיים בפולימר (2) מוחלפים בקבוצות מתיליות, −CH3-\text{CH}_3−CH3​ , מתקבל פולימר (5) שנקרא ניילון (N-מתיל) 6,6 :
(5) −N(CH3)−(CH2)6−N(CH3)−CO−(CH2)4−CO−\quad -\text{N}(\text{CH}_3)-(\text{CH}_2)_6-\text{N}(\text{CH}_3)-\text{CO}-(\text{CH}_2)_4-\text{CO}-−N(CH3​)−(CH2​)6​−N(CH3​)−CO−(CH2​)4​−CO−
ערך ה- TgT_gTg​ של פולימר (5) נמוך מערך ה- TgT_gTg​ של פולימר (2). הסבירו מדוע.

◂ פתרון מלא לשאלה 4

סעיף א

(i)

תשובה:

קוולר (1), ניילון 6,6 (2) ודקרון (3).

קביעה: פולימרים (1), (2) ו-(3).
בעמוד השדרה שלהם יש קשרים אמידיים (קוולר, ניילון 6,6 – פוליאמידים) או קשרים אסטריים (דקרון – פוליאסטר), הנוצרים בתגובת דחיסה בין קבוצה קרבוקסילית לקבוצת אמין או הידרוקסיל, תוך פליטת מולקולות מים.
פרספקס (4) נוצר בפלמור סיפוח: עמוד השדרה שלו בנוי רק מאטומי פחמן הקשורים בקשרים יחידים (−CH2−C−-\text{CH}_2-\text{C}-−CH2​−C−), והוא מתקבל מפתיחת הקשר הכפול C=C\text{C}=\text{C}C=C של המונומר.

(ii)

תשובה:

(1) H2N−C6H4−NH2\text{H}_2\text{N}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{NH}_2H2​N−C6​H4​−NH2​ + HOOC−C6H4−COOH\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}HOOC−C6​H4​−COOH; (2) H2N−(CH2)6−NH2\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2H2​N−(CH2​)6​−NH2​ + HOOC−(CH2)4−COOH\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_4-\text{COOH}HOOC−(CH2​)4​−COOH; (3) HO−CH2−CH2−OH\text{HO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{OH}HO−CH2​−CH2​−OH + HOOC−C6H4−COOH\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}HOOC−C6​H4​−COOH

מפרקים כל קשר אמידי/אסטרי ביחידה החוזרת ומוסיפים H\text{H}H לאטום ה- N או ה- O ו- OH\text{OH}OH לפחמן הקרבונילי:
- קוולר (1): 1,4-דיאמינובנזן H2N−C6H4−NH2\text{H}_2\text{N}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{NH}_2H2​N−C6​H4​−NH2​ (שתי קבוצות NH2\text{NH}_2NH2​ במצבים מנוגדים על טבעת בנזן) וחומצה טרפתאלית HOOC−C6H4−COOH\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}HOOC−C6​H4​−COOH (שתי קבוצות COOH\text{COOH}COOH במצבים מנוגדים על טבעת בנזן).
- ניילון 6,6 (2): 1,6-דיאמינוהקסאן H2N−(CH2)6−NH2\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2H2​N−(CH2​)6​−NH2​ וחומצה אדיפית (חומצה הקסאן-דיאואית) HOOC−(CH2)4−COOH\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_4-\text{COOH}HOOC−(CH2​)4​−COOH.
- דקרון (3): אתילן גליקול (1,2-אתאן-דיאול) HO−CH2−CH2−OH\text{HO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{OH}HO−CH2​−CH2​−OH וחומצה טרפתאלית HOOC−C6H4−COOH\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}HOOC−C6​H4​−COOH.

סעיף ב

(i)

תשובה:

בקוולר עמוד השדרה קשיח (טבעות בנזן) – שרשרות ישרות ומסודרות מאוד, עם קשרי מימן ואינטראקציות בין טבעות; בניילון 6,6 קטעי CH₂ גמישים.

TmT_mTm​ תלויה במידת הסידור (הגבישיות) של השרשרות ובחוזק האינטראקציות ביניהן.
בשני הפולימרים יש קבוצות אמיד, ובין השרשרות נוצרים קשרי מימן N−H⋯O=C\text{N}-\text{H}\cdots\text{O}=\text{C}N−H⋯O=C.
- קוולר: עמוד השדרה בנוי מטבעות בנזן מישוריות וקבוצות אמיד בלבד – השרשרת קשיחה מאוד, ישרה ופרושה (כמעט אין סיבוב חופשי). השרשרות נארזות במקביל בסדר גבוה מאוד, קבוצות האמיד צפופות לאורך השרשרת ויוצרות קשרי מימן רבים, וטבעות הבנזן השטוחות של שרשרות סמוכות נערמות זו על זו (כוחות ואן דר ואלס חזקים בין עננים אלקטרונים גדולים).
- ניילון 6,6: ברצפים (CH2)6(\text{CH}_2)_6(CH2​)6​ ו- (CH2)4(\text{CH}_2)_4(CH2​)4​ יש סיבוב חופשי – השרשרת גמישה ומתפתלת, הסידור פחות מושלם, וקבוצות האמיד מרוחקות יותר זו מזו – פחות קשרי מימן ליחידת אורך.
לכן נדרשת אנרגייה רבה הרבה יותר להרס הסידור בקוולר, ו- TmT_mTm​ שלו (500ºC) גבוה מזה של ניילון 6,6 (265ºC).

(ii)

תשובה:

שני גורמים מנוגדים מתקזזים: לניילון 6,6 קשרי מימן חזקים אך שרשרת גמישה; לדקרון אין קשרי מימן אך עמוד שדרה קשיח עם טבעות בנזן.

TmT_mTm​ מושפעת גם מחוזק האינטראקציות בין השרשרות וגם מקשיחות השרשרת (המאפשרת סידור מסודר):
- ניילון 6,6 (2): בין קבוצות האמיד של שרשרות סמוכות נוצרים קשרי מימן – אינטראקציות חזקות. מצד שני, השרשרת גמישה (רצפי CH2\text{CH}_2CH2​ ללא טבעות).
- דקרון (3): אין אטום H הקשור ל- N או ל- O, ולכן אין קשרי מימן בין השרשרות – רק אינטראקציות דו-קוטב–דו-קוטב בין הקבוצות האסטריות וכוחות ואן דר ואלס, חלשות יותר. מצד שני, טבעות הבנזן בעמוד השדרה הופכות את השרשרת לקשיחה ופרושה, והשרשרות נארזות במסודר (וטבעות הבנזן נערמות זו מול זו).
היתרון של ניילון 6,6 (אינטראקציות חזקות יותר) מקוזז על ידי היתרון של דקרון (שרשרת קשיחה ומסודרת יותר), ולכן במקרה זה ערכי TmT_mTm​ שלהם שווים – 265ºC.

סעיף ג

(i)

תשובה:

על כל פחמן שני בעמוד השדרה שתי קבוצות צדדיות (CH3\text{CH}_3CH3​ ו- COOCH3\text{COOCH}_3COOCH3​ הגדולה והקוטבית) – הן מגבילות את הסיבוב סביב הקשרים, ויש אינטראקציות דו-קוטב בין השרשרות.

TgT_gTg​ היא הטמפרטורה שמעליה קטעי שרשרת באזורים האמורפיים מתחילים לנוע (סיבוב סביב הקשרים היחידים בעמוד השדרה). ככל שהתנועה מוגבלת יותר, TgT_gTg​ גבוה יותר.
בפרספקס, על כל אטום פחמן שני בעמוד השדרה קשורות שתי קבוצות צדדיות: CH3\text{CH}_3CH3​ וקבוצת אסטר −COOCH3-\text{COOCH}_3−COOCH3​ גדולה.
1. הקבוצות הצדדיות הגדולות מפריעות מרחבית לסיבוב סביב הקשרים היחידים בעמוד השדרה – השרשרת קשיחה.
2. קבוצת האסטר קוטבית, ובין קבוצות האסטר של שרשרות סמוכות יש אינטראקציות דו-קוטב–דו-קוטב, המגבילות עוד את תנועת קטעי השרשרות.
לכן נדרשת אנרגייה רבה (טמפרטורה גבוהה – 105ºC) כדי שקטעי השרשרת יתחילו לנוע.

(ii)

תשובה:

הקבוצות הצדדיות הגדולות (מסודרות באופן לא סדיר לאורך השרשרת) מונעות מהשרשרות להתקרב ולהיארז במסודר – אין אזורים גבישיים.

פולימר אמורפי הוא פולימר שבו השרשרות מסודרות באופן אקראי, ללא אזורים גבישיים (ללא סידור מרחבי מסודר).
בפרספקס לכל יחידה חוזרת יש שתי קבוצות צדדיות, והקבוצה −COOCH3-\text{COOCH}_3−COOCH3​ גדולה ומסועפת. הקבוצות הצדדיות מרחיקות את השרשרות זו מזו ומונעות מהן להתקרב ולהיארז במקביל בצורה מסודרת. בנוסף, הקבוצות הצדדיות פונות לכיוונים שונים באופן לא סדיר לאורך השרשרת, כך שהשרשרות אינן מתאימות זו לזו. לכן לא נוצרים אזורים גבישיים, והפולימר אמורפי (ושקוף – תכונה החשובה לשימושיו).
(הערה: לפולימר אמורפי אין אזורים גבישיים ולכן אין לו נקודת היתוך חדה; הערך Tm=160oCT_m = 160^o\text{C}Tm​=160oC שבטבלה מתאר את הטמפרטורה שבה הפולימר מתרכך לגמרי והופך לנוזל צמיגי הזורם.)

(iii)

תשובה:

קוולר כמעט כולו גבישי – אין בו אזורים אמורפיים, ולכן אין מעבר זגוגי.

TgT_gTg​ מאפיינת רק את האזורים האמורפיים של פולימר: זו הטמפרטורה שבה קטעי שרשרת באזורים אלה מתחילים לנוע.
שרשרות קוולר ישרות וקשיחות מאוד (טבעות בנזן וקבוצות אמיד בלבד), והן נארזות במקביל בסדר גבוה מאוד ומוחזקות בקשרי מימן רבים ובאינטראקציות בין טבעות הבנזן. כמעט כל החומר גבישי, וכמעט אין בו אזורים אמורפיים – לכן אין מעבר זגוגי שאפשר למדוד, ואין לו ערך TgT_gTg​.

סעיף ד

תשובה:

הקבוצות הצדדיות הגדולות (CH3\text{CH}_3CH3​ ו- COOCH3\text{COOCH}_3COOCH3​) מגבילות את תנועת קטעי השרשרת – TgT_gTg​ (105ºC) גבוה מטמפרטורת הגוף, והפולימר במצב זגוגי קשיח.

גורם: הקבוצות הצדדיות הגדולות בשרשרת – CH3\text{CH}_3CH3​ ו- −COOCH3-\text{COOCH}_3−COOCH3​ על כל פחמן שני בעמוד השדרה.
הסבר: הקבוצות הצדדיות הגדולות מפריעות לסיבוב סביב הקשרים היחידים בעמוד השדרה, ולכן קטעי השרשרות אינם יכולים לנוע זה ביחס לזה. כתוצאה מכך TgT_gTg​ של פרספקס גבוה (105ºC) – גבוה בהרבה מטמפרטורת הגוף (37ºC). בטמפרטורת הגוף הפולימר נמצא מתחת ל- TgT_gTg​, במצב זגוגי: השרשרות קפואות במקומן, והחומר קשיח ואינו מתעוות.
(גורם אפשרי נוסף: אינטראקציות דו-קוטב–דו-קוטב בין קבוצות האסטר הקוטביות של שרשרות סמוכות, המחזיקות את השרשרות ומגבילות את תנועתן.)

סעיף ה

תשובה:

בפולימר (5) אין אטום H קשור ל- N – אין קשרי מימן בין השרשרות, רק אינטראקציות דו-קוטב וואן דר ואלס חלשות יותר; קטעי השרשרת נעים בטמפרטורה נמוכה יותר.

TgT_gTg​ היא הטמפרטורה שמעליה קטעי שרשרת באזורים האמורפיים מתחילים לנוע. ככל שהאינטראקציות בין השרשרות חזקות יותר, דרושה אנרגייה רבה יותר לתנועה זו.
- ניילון 6,6 (2): בקבוצת האמיד יש אטום H הקשור לאטום N. בין ה- N−H\text{N}-\text{H}N−H של שרשרת אחת לאטום ה- O של קבוצת C=O\text{C}=\text{O}C=O בשרשרת סמוכה נוצרים קשרי מימן – אינטראקציות חזקות המגבילות את תנועת קטעי השרשרות.
- פולימר (5): אטומי ה- H שעל ה- N הוחלפו בקבוצות CH3\text{CH}_3CH3​, ואין בשרשרת אטום H הקשור לאטום N או O. לכן אין קשרי מימן בין השרשרות – רק אינטראקציות דו-קוטב–דו-קוטב וכוחות ואן דר ואלס, חלשות יותר. (בנוסף, קבוצות המתיל מרחיקות מעט את השרשרות זו מזו.)
לכן קטעי השרשרות בפולימר (5) מתחילים לנוע בטמפרטורה נמוכה יותר – TgT_gTg​ שלו נמוך מזה של ניילון 6,6.

פרק שלישי – כימיה פיזיקלית

שאלה 5 · גזי האוויר – ספקטרום מימן, אורביטלים מולקולריים של חנקן ושלטי ניאון

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף א: חישוב אנרגיות מעבר בין רמות האנרגיה של אטום המימן (מודל בוהר) – לפי מיקוד 2027 מודל בוהר נדרש באופן איכותי בלבד, ללא חישובי רמות או מעברי אנרגיה.

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
השאלה עוסקת בגזים אחדים שהם מרכיבי האוויר.
הגרף הנתון מתאר את הרכב האוויר בטמפרטורה של 25oC25^o\text{C}25oC ובלחות 60% בלחץ 1 אטמוספרה.
(חנקן 76.63%; חמצן 20.56%; אדי מים 1.86%; גזים אצילים, פחמן דו-חמצני, מימן 0.95%)

א.

הדיאגרמה הנתונה מציגה ארבע רמות האנרגייה הראשונות (E4−E1\text{E}_4 - \text{E}_1E4​−E1​) של אטום מימן.
(E1=−13.6 eV\text{E}_1 = -13.6\ \text{eV}E1​=−13.6 eV ; E2=−3.4 eV\text{E}_2 = -3.4\ \text{eV}E2​=−3.4 eV ; E3=−1.51 eV\text{E}_3 = -1.51\ \text{eV}E3​=−1.51 eV ; E4=−0.85 eV\text{E}_4 = -0.85\ \text{eV}E4​=−0.85 eV)

(i)

חשבו את אנרגיית המעבר מרמת האנרגייה E1\text{E}_1E1​ לרמת האנרגייה E2\text{E}_2E2​ ביחידות ג'אול (J). פרטו את החישובים.

(ii)

קבעו אם פלפל אדום בולע קרינה הנפלטת במעבר אנרגייה E3→E2\text{E}_3 \rightarrow \text{E}_2E3​→E2​ .
פרטו את החישובים, ונמקו.

ב.

בבדיקת ספקטרום הפליטה של אטום מימן, H(g)\text{H}_{(g)}H(g)​ , נצפה קו סגול המתאים לאורך גל של 434 nm434\ \text{nm}434 nm .
מהי התדירות המתאימה לאורך גל זה? פרטו את החישובים.

ג.

כדי להאיץ את ההבשלה של מגוון פֵּרות וירקות שנקטפו, מפזרים תערובת גזים במקום האחסון שלה הפֵּרות והירקות. התערובת מכילה בעיקר גז חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , וכ- 5% גז אתילן.

(i)

העתיקו מדפי הנוסחאות למחברת הבחינה את דיאגרמת האורביטלים המולקולריים המתאימה למולקולת חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , והשלימו בה את אכלוס האלקטרונים:
•עבור שני אטומי חנקן
•עבור מולקולת חנקן.

(ii)

ציינו את אורביטלי ה- HOMO וה- LUMO בהיערכות האלקטרונים במולקולת חנקן במצב אלקטרוני יסודי.

(iii)

חשבו את סדר הקשר של מולקולת חנקן. פרטו את החישובים.

ד.

יש שלטי פרסומת מאירים שהם נורות שבהן אטומי ניאון מעוררים.
שתיים מהתדירויות העיקריות של הקרינה הנפלטת משלט ניאון מאיר הן:
4.83⋅1014 Hz4.83\cdot10^{14}\ \text{Hz}4.83⋅1014 Hz , 4.27⋅1014 Hz4.27\cdot10^{14}\ \text{Hz}4.27⋅1014 Hz .
באיזה צבע נראה לעין ניאון מאיר: אדום או כחול? פרטו את החישובים, ונמקו.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
רשמו אפשרות אחת להיערכות האלקטרונים באטום ניאון במצב אלקטרוני מעורר.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
האנרגייה הדרושה לעירור מולקולה אחת של חמצן היא 1.566⋅10−19 J1.566\cdot10^{-19}\ \text{J}1.566⋅10−19 J .
חשבו את אורך הגל של הקרינה המתאימה לעירור של מולקולת חמצן. פרטו את החישובים.

◂ פתרון מלא לשאלה 5

סעיף א

(i)

תשובה:

ΔE=1.632×10−18 J\Delta E = 1.632\times10^{-18}\ \text{J}ΔE=1.632×10−18 J

ΔE=E2−E1=−3.4 eV−(−13.6 eV)=10.2 eV\Delta E = E_2 - E_1 = -3.4\ \text{eV} - (-13.6\ \text{eV}) = 10.2\ \text{eV}ΔE=E2​−E1​=−3.4 eV−(−13.6 eV)=10.2 eV
המרה לג'אול לפי 1 eV=1.6⋅10−19 J1\ \text{eV} = 1.6\cdot10^{-19}\ \text{J}1 eV=1.6⋅10−19 J:
ΔE=10.2 eV⋅1.6⋅10−19 JeV=1.632⋅10−18 J\Delta E = 10.2\ \text{eV}\cdot 1.6\cdot10^{-19}\ \frac{\text{J}}{\text{eV}} = 1.632\cdot10^{-18}\ \text{J}ΔE=10.2 eV⋅1.6⋅10−19 eVJ​=1.632⋅10−18 J
(זו האנרגייה שהאלקטרון צריך לקלוט כדי לעבור מהרמה הראשונה לשנייה.)

(ii)

תשובה:

לא בולע: λ=656 nm\lambda = 656\ \text{nm}λ=656 nm – אור אדום, והפלפל האדום מפזר (מחזיר) אור אדום.

קביעה: פלפל אדום אינו בולע קרינה זו.
אנרגיית הפוטון הנפלט:
E=E3−E2=−1.51 eV−(−3.4 eV)=1.89 eVE = E_3 - E_2 = -1.51\ \text{eV} - (-3.4\ \text{eV}) = 1.89\ \text{eV}E=E3​−E2​=−1.51 eV−(−3.4 eV)=1.89 eV
אורך הגל, לפי EeV=1240λnmE_{eV} = \frac{1240}{\lambda_{nm}}EeV​=λnm​1240​:
λ=1240EeV=12401.89=656 nm\lambda = \frac{1240}{E_{eV}} = \frac{1240}{1.89} = 656\ \text{nm}λ=EeV​1240​=1.891240​=656 nm
לפי גלגל הצבעים, 656 nm656\ \text{nm}656 nm נמצא בתחום האדום (622−780 nm622-780\ \text{nm}622−780 nm).
צבעו של עצם הוא צבע האור שהוא מפזר (מחזיר); העצם בולע את הצבע המשלים. פלפל אדום נראה אדום משום שהוא מפזר אור אדום ובולע את הצבע המשלים לאדום (ירוק). לכן הוא אינו בולע את הקרינה האדומה שאורך הגל שלה 656 nm656\ \text{nm}656 nm – הוא מפזר אותה.

סעיף ב

תשובה:

ν=6.91⋅1014 Hz\nu = 6.91\cdot10^{14}\ \text{Hz}ν=6.91⋅1014 Hz

λ=cν⇒ν=cλ\lambda = \frac{c}{\nu} \Rightarrow \nu = \frac{c}{\lambda}λ=νc​⇒ν=λc​
λ=434 nm=434⋅10−9 m\lambda = 434\ \text{nm} = 434\cdot10^{-9}\ \text{m}λ=434 nm=434⋅10−9 m
ν=3.0⋅108 msec434⋅10−9 m=6.91⋅1014 1sec=6.91⋅1014 Hz\nu = \frac{3.0\cdot10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{sec}}}{434\cdot10^{-9}\ \text{m}} = 6.91\cdot10^{14}\ \frac{1}{\text{sec}} = 6.91\cdot10^{14}\ \text{Hz}ν=434⋅10−9 m3.0⋅108 secm​​=6.91⋅1014 sec1​=6.91⋅1014 Hz

סעיף ג

(i)

תשובה:

תרשים ב; כל אטום N: 2s2 2p32s^2\,2p^32s22p3; N2\text{N}_2N2​: σ2s2 σ2s∗2 π2p4 σ2p2\sigma_{2s}^2\,\sigma_{2s}^{*2}\,\pi_{2p}^4\,\sigma_{2p}^2σ2s2​σ2s∗2​π2p4​σ2p2​

עבור N2\text{N}_2N2​ משתמשים בתרשים ב (המתאים ל- N2, C2, B2\text{N}_2,\ \text{C}_2,\ \text{B}_2N2​, C2​, B2​), שבו רמת σ2p\sigma_{2p}σ2p​ גבוהה מרמות π2p\pi_{2p}π2p​.
אטומי החנקן (משני צידי הדיאגרמה): לכל אטום N (1s2 2s2 2p31s^2\,2s^2\,2p^31s22s22p3) יש 5 אלקטרוני ערכיות – 2 אלקטרונים באורביטל 2s2s2s (זוג, ספינים מנוגדים), ו-3 אלקטרונים באורביטלים 2p2p2p – אלקטרון בודד בכל אחד משלושת האורביטלים, באותו כיוון ספין (כלל הונד).
מולקולת החנקן (באמצע): 10 אלקטרוני ערכיות מאוכלסים מהרמה הנמוכה לגבוהה, לכל היותר 2 אלקטרונים בעלי ספין מנוגד בכל אורביטל:
σ2s2 σ2s∗2 π2p4 σ2p2 π2p∗0 σ2p∗0\sigma_{2s}^2\ \sigma_{2s}^{*2}\ \pi_{2p}^4\ \sigma_{2p}^2\ \pi_{2p}^{*0}\ \sigma_{2p}^{*0}σ2s2​ σ2s∗2​ π2p4​ σ2p2​ π2p∗0​ σ2p∗0​
(שני אורביטלי π2p\pi_{2p}π2p​ – זוג בכל אחד; π2p∗\pi^*_{2p}π2p∗​ ו- σ2p∗\sigma^*_{2p}σ2p∗​ ריקים.)

(ii)

תשובה:

HOMO: σ2p\sigma_{2p}σ2p​; LUMO: π2p∗\pi^*_{2p}π2p∗​

HOMO – האורביטל המולקולרי המאוכלס הגבוה ביותר באנרגייה: σ2p\sigma_{2p}σ2p​ (בתרשים ב הוא מעל π2p\pi_{2p}π2p​).
LUMO – האורביטל המולקולרי הלא מאוכלס הנמוך ביותר באנרגייה: π2p∗\pi^*_{2p}π2p∗​.

(iii)

תשובה:

סדר קשר = 3

סדר קשר=(מספר אלקטרונים באורביטלים קושרים)−(מספר אלקטרונים באורביטלים אנטי קושרים)2\text{סדר קשר} = \frac{(\text{מספר אלקטרונים באורביטלים קושרים}) - (\text{מספר אלקטרונים באורביטלים אנטי קושרים})}{2}סדר קשר=2(מספר אלקטרונים באורביטלים קושרים)−(מספר אלקטרונים באורביטלים אנטי קושרים)​
אלקטרונים באורביטלים קושרים: σ2s2+π2p4+σ2p2=8\sigma_{2s}^2 + \pi_{2p}^4 + \sigma_{2p}^2 = 8σ2s2​+π2p4​+σ2p2​=8; באנטי קושרים: σ2s∗2=2\sigma_{2s}^{*2} = 2σ2s∗2​=2.
סדר קשר=8−22=3\text{סדר קשר} = \frac{8 - 2}{2} = 3סדר קשר=28−2​=3
(אם כוללים גם את אלקטרוני 1s1s1s: 10−42=3\frac{10-4}{2} = 3210−4​=3 – אותה תוצאה.) סדר קשר 3 מתאים לקשר משולש N≡N\text{N}\equiv\text{N}N≡N.

סעיף ד

תשובה:

אדום: λ1=621 nm\lambda_1 = 621\ \text{nm}λ1​=621 nm, λ2=703 nm\lambda_2 = 703\ \text{nm}λ2​=703 nm – בתחום הכתום-אדום, ולא בתחום הכחול.

קביעה: אדום.
λ=cν\lambda = \frac{c}{\nu}λ=νc​
λ1=3.0⋅108 msec4.83⋅1014 1sec=6.21⋅10−7 m=621 nm\lambda_1 = \frac{3.0\cdot10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{sec}}}{4.83\cdot10^{14}\ \frac{1}{\text{sec}}} = 6.21\cdot10^{-7}\ \text{m} = 621\ \text{nm}λ1​=4.83⋅1014 sec1​3.0⋅108 secm​​=6.21⋅10−7 m=621 nm
λ2=3.0⋅108 msec4.27⋅1014 1sec=7.03⋅10−7 m=703 nm\lambda_2 = \frac{3.0\cdot10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{sec}}}{4.27\cdot10^{14}\ \frac{1}{\text{sec}}} = 7.03\cdot10^{-7}\ \text{m} = 703\ \text{nm}λ2​=4.27⋅1014 sec1​3.0⋅108 secm​​=7.03⋅10−7 m=703 nm
לפי גלגל הצבעים: 703 nm703\ \text{nm}703 nm בתחום האדום (622−780 nm622-780\ \text{nm}622−780 nm), ו- 621 nm621\ \text{nm}621 nm בקצה התחום הכתום, צמוד לגבול האדום. שני אורכי הגל רחוקים מתחום הכחול (455−492 nm455-492\ \text{nm}455−492 nm).
שלט הניאון פולט את הקרינה, והעין רואה את צבע האור הנפלט – לכן הניאון המאיר נראה אדום (אדום-כתום).

סעיף ה

תשובה:

למשל: 1s2 2s2 2p5 3s11s^2\,2s^2\,2p^5\,3s^11s22s22p53s1

במצב היסוד לאטום ניאון (10 אלקטרונים): 1s2 2s2 2p61s^2\,2s^2\,2p^61s22s22p6.
במצב מעורר אלקטרון אחד (או יותר) נמצא ברמה גבוהה יותר מזו שבמצב היסוד, כשמספר האלקטרונים נשאר 10. לדוגמה, אלקטרון מ- 2p2p2p עבר לאורביטל 3s3s3s:
1s2 2s2 2p5 3s11s^2\,2s^2\,2p^5\,3s^11s22s22p53s1
(אפשרויות נכונות נוספות: 1s2 2s2 2p5 3p11s^2\,2s^2\,2p^5\,3p^11s22s22p53p1 או 1s2 2s1 2p6 3s11s^2\,2s^1\,2p^6\,3s^11s22s12p63s1.)

סעיף ו

תשובה:

λ=1.27⋅10−6 m=1270 nm\lambda = 1.27\cdot10^{-6}\ \text{m} = 1270\ \text{nm}λ=1.27⋅10−6 m=1270 nm

E=hν⇒ν=Eh=1.566⋅10−19 J6.63⋅10−34 J⋅sec=2.362⋅1014 1secE = h\nu \Rightarrow \nu = \frac{E}{h} = \frac{1.566\cdot10^{-19}\ \text{J}}{6.63\cdot10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{sec}} = 2.362\cdot10^{14}\ \frac{1}{\text{sec}}E=hν⇒ν=hE​=6.63⋅10−34 J⋅sec1.566⋅10−19 J​=2.362⋅1014 sec1​
λ=cν=3.0⋅108 msec2.362⋅1014 1sec=1.27⋅10−6 m=1270 nm\lambda = \frac{c}{\nu} = \frac{3.0\cdot10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{sec}}}{2.362\cdot10^{14}\ \frac{1}{\text{sec}}} = 1.27\cdot10^{-6}\ \text{m} = 1270\ \text{nm}λ=νc​=2.362⋅1014 sec1​3.0⋅108 secm​​=1.27⋅10−6 m=1270 nm
(דרך נוספת: E=1.566⋅10−19 J1.6⋅10−19 JeV=0.979 eVE = \frac{1.566\cdot10^{-19}\ \text{J}}{1.6\cdot10^{-19}\ \frac{\text{J}}{\text{eV}}} = 0.979\ \text{eV}E=1.6⋅10−19 eVJ​1.566⋅10−19 J​=0.979 eV, ו- λ=12400.979≈1267 nm\lambda = \frac{1240}{0.979} \approx 1267\ \text{nm}λ=0.9791240​≈1267 nm – אותה תוצאה בקירוב.) אורך גל זה ארוך מתחום האור הנראה – קרינה תת-אדומה.

שאלה 6 · קפה – כרומופור, ספקטרום בליעה של ויטמין B6 ואורביטלים מולקולריים

שאלה פתוחה

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ועל אחד מן הסעיפים ד או ה.
השאלה עוסקת במשקאות המיוצרים מפולי קפה.

א.

בגרעיני קפה ירוק נמצא, בין השאר, חומר המכונה IBMP .
נתון ייצוג מקוצר לנוסחת מבנה של מולקולת חומר זה.

(i)

העתיקו את הנוסחה למחברת הבחינה, והקיפו את הכרומופור.

(ii)

הצבע הירוק של פולי קפה אינו נגרם מן החומר IBMP . הסבירו מדוע.

ב.

יש סוגי קפה שכדי לשפר את איכותם, מוסיפים להם ויטמינים, למשל ויטמינים מסוג B .
נתון קטע מספקטרום הבליעה של ויטמין B6 .
(בגרף: שיא בליעה I באורך גל 210 nm210\ \text{nm}210 nm, ושיא בליעה II באורך גל 290 nm290\ \text{nm}290 nm; הציר האופקי – אורך גל בין 190190190 ל- 390 nm390\ \text{nm}390 nm.)
בספקטרום הבליעה הנתון יש שתי בליעות שעוצמתן מרבית.
בטווח אורכי הגל 390 nm−780 nm390\ \text{nm} - 780\ \text{nm}390 nm−780 nm , שאינו מופיע בספקטרום הנתון, אין בליעות שהעוצמה שלהן משמעותית.

(i)

קבעו באיזו משתי הבליעות, I או II , אנרגיית הפוטון של הקרינה גדולה יותר.
נמקו ללא חישובים.

(ii)

על פי קביעתכם בתת-סעיף ב i , חשבו את אנרגיית הפוטון הגדולה יותר. פרטו את החישובים.

(iii)

חשבו את תדירות הקרינה, המתאימה לפוטון שאת האנרגייה שלו חישבתם בתת-סעיף ב ii .
פרטו את החישובים.

(iv)

קבעו אם תדירות הקרינה, שחישבתם בתת-סעיף ב iii , גבוהה מתדירות הקרינה של אור ירוק או נמוכה ממנה. נמקו ללא חישובים.

ג.

היעזרו בקטע מספקטרום הבליעה של ויטמין B6 , וקבעו אם ויטמין B6 הוא חומר צבעוני או חסר צבע. נמקו את הקביעה.

ד.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
רופאים ממליצים שלא להרבות בשתיית קפה.
אחת הסיבות לכך היא שקפה מעכב ספיחה של יוני סידן, Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ , בגוף. יוני סידן דרושים, בין השאר, לגוף לבניית עצמות.
רשמו אכלוס אלקטרונים של יון סידן.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ד.
פולי קפה מכילים, בין השאר, זרחן.
נתון אכלוס אלקטרונים במולקולת זרחן, P2\text{P}_2P2​ .
σ1s2 σ1s∗2 σ2s2 σ2s∗2 π2p4 σ2p2 π2p∗4 σ2p∗2 σ3s2 σ3s∗2 π3p4 σ3p2 π3p∗ σ3p∗\sigma_{1s}^2\,\sigma_{1s}^{*2}\,\sigma_{2s}^2\,\sigma_{2s}^{*2}\,\pi_{2p}^4\,\sigma_{2p}^2\,\pi_{2p}^{*4}\,\sigma_{2p}^{*2}\,\sigma_{3s}^2\,\sigma_{3s}^{*2}\,\pi_{3p}^4\,\sigma_{3p}^2\,\pi_{3p}^{*}\,\sigma_{3p}^{*}σ1s2​σ1s∗2​σ2s2​σ2s∗2​π2p4​σ2p2​π2p∗4​σ2p∗2​σ3s2​σ3s∗2​π3p4​σ3p2​π3p∗​σ3p∗​
איזה חלקיק יציב יותר: מולקולה P2\text{P}_2P2​ או יון P2+\text{P}_2^{+}P2+​ ? נמקו.

◂ פתרון מלא לשאלה 6

סעיף א

(i)

תשובה:

הכרומופור הוא הטבעת הארומטית (פיראזין): שני קשרים כפולים C=N\text{C}=\text{N}C=N וקשר כפול C=C\text{C}=\text{C}C=C לסירוגין עם קשרים יחידים.

כרומופור הוא החלק במולקולה האחראי לבליעת קרינה – מערכת של קשרים כפולים מצומדים (קשרים כפולים ויחידים לסירוגין), שבה אלקטרוני ה- π\piπ אינם מאותרים.
ב- IBMP מערכת הקשרים המצומדים היא הטבעת בת שישה האטומים: שני קשרים כפולים C=N\text{C}=\text{N}C=N וקשר כפול C=C\text{C}=\text{C}C=C לסירוגין עם קשרים יחידים. השרשרת הפחמימנית (איזובוטיל) וקבוצת המתוקסי (−O−CH3-\text{O}-\text{CH}_3−O−CH3​) מכילות קשרים יחידים בלבד ואינן חלק מהמערכת המצומדת.

(ii)

תשובה:

הכרומופור קטן (שלושה קשרים כפולים מצומדים בלבד) – הפרש האנרגייה HOMO–LUMO גדול, והחומר בולע בתחום העל-סגול ולא בתחום הנראה; לכן IBMP חסר צבע.

חומר נראה צבעוני אם הוא בולע אור בתחום הנראה (390−780 nm390-780\ \text{nm}390−780 nm); הצבע הנראה הוא הצבע המשלים לצבע הנבלע (לצבע ירוק – בליעה של אור אדום-סגול).
ב- IBMP מערכת הקשרים המצומדים קצרה – שלושה קשרים כפולים בלבד בטבעת. ככל שמערכת הצימוד קצרה יותר, הפרש האנרגייה בין אורביטל ה- HOMO לאורביטל ה- LUMO גדול יותר, והקרינה הדרושה לעירור אלקטרוני היא בעלת אנרגייה גבוהה – אורך גל קצר, בתחום העל-סגול (UV).
לכן IBMP אינו בולע אור נראה, הוא חסר צבע, והצבע הירוק של הפולים נגרם על ידי חומרים אחרים שבהם מערכת קשרים מצומדים ארוכה יותר.

סעיף ב

(i)

תשובה:

בבליעה I (210 nm210\ \text{nm}210 nm).

קביעה: בבליעה I.
אנרגיית הפוטון עומדת ביחס הפוך לאורך הגל (E=hcλE = \frac{hc}{\lambda}E=λhc​). בליעה I נמצאת באורך גל קצר יותר (210 nm210\ \text{nm}210 nm) מבליעה II (290 nm290\ \text{nm}290 nm), ולכן אנרגיית הפוטון בה גדולה יותר.

(ii)

תשובה:

E=5.90 eV=9.47⋅10−19 JE = 5.90\ \text{eV} = 9.47\cdot10^{-19}\ \text{J}E=5.90 eV=9.47⋅10−19 J

לפי EeV=1240λnmE_{eV} = \frac{1240}{\lambda_{nm}}EeV​=λnm​1240​:
E=1240210=5.90 eVE = \frac{1240}{210} = 5.90\ \text{eV}E=2101240​=5.90 eV
ובג'אול: E=5.90 eV⋅1.6⋅10−19 JeV=9.45⋅10−19 JE = 5.90\ \text{eV}\cdot 1.6\cdot10^{-19}\ \frac{\text{J}}{\text{eV}} = 9.45\cdot10^{-19}\ \text{J}E=5.90 eV⋅1.6⋅10−19 eVJ​=9.45⋅10−19 J.
או ישירות, לפי E=hν=hcλE = h\nu = \frac{hc}{\lambda}E=hν=λhc​:
E=6.63⋅10−34 J⋅sec⋅3.0⋅108 msec210⋅10−9 m=9.47⋅10−19 JE = \frac{6.63\cdot10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{sec}\cdot 3.0\cdot10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{sec}}}{210\cdot10^{-9}\ \text{m}} = 9.47\cdot10^{-19}\ \text{J}E=210⋅10−9 m6.63⋅10−34 J⋅sec⋅3.0⋅108 secm​​=9.47⋅10−19 J
(ההבדל הקטן בין 9.45 ל- 9.47 נובע מעיגול הקבועים.)

(iii)

תשובה:

ν=1.43⋅1015 Hz\nu = 1.43\cdot10^{15}\ \text{Hz}ν=1.43⋅1015 Hz

E=hν⇒ν=Eh=9.47⋅10−19 J6.63⋅10−34 J⋅sec=1.43⋅1015 1sec=1.43⋅1015 HzE = h\nu \Rightarrow \nu = \frac{E}{h} = \frac{9.47\cdot10^{-19}\ \text{J}}{6.63\cdot10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{sec}} = 1.43\cdot10^{15}\ \frac{1}{\text{sec}} = 1.43\cdot10^{15}\ \text{Hz}E=hν⇒ν=hE​=6.63⋅10−34 J⋅sec9.47⋅10−19 J​=1.43⋅1015 sec1​=1.43⋅1015 Hz
(בדיקה: ν=cλ=3.0⋅108 msec210⋅10−9 m=1.43⋅1015 Hz\nu = \frac{c}{\lambda} = \frac{3.0\cdot10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{sec}}}{210\cdot10^{-9}\ \text{m}} = 1.43\cdot10^{15}\ \text{Hz}ν=λc​=210⋅10−9 m3.0⋅108 secm​​=1.43⋅1015 Hz.)

(iv)

תשובה:

גבוהה מתדירות האור הירוק.

קביעה: גבוהה מתדירות האור הירוק.
התדירות עומדת ביחס הפוך לאורך הגל (ν=cλ\nu = \frac{c}{\lambda}ν=λc​). אורך הגל של הקרינה הנבלעת (210 nm210\ \text{nm}210 nm, תחום העל-סגול) קצר בהרבה מאורך הגל של אור ירוק (492−577 nm492-577\ \text{nm}492−577 nm לפי גלגל הצבעים), ולכן תדירותה גבוהה יותר.

סעיף ג

תשובה:

חסר צבע – בולע רק בתחום העל-סגול (210, 290 nm) ואינו בולע בתחום הנראה.

קביעה: ויטמין B6 חסר צבע.
חומר נראה צבעוני רק אם הוא בולע חלק מהאור בתחום הנראה (390−780 nm390-780\ \text{nm}390−780 nm); הצבע הנראה הוא הצבע המשלים לצבע הנבלע.
שתי הבליעות המשמעותיות של ויטמין B6 נמצאות ב- 210 nm210\ \text{nm}210 nm וב- 290 nm290\ \text{nm}290 nm – בתחום העל-סגול, ולפי הנתון אין לו בליעות משמעותיות בטווח 390−780 nm390-780\ \text{nm}390−780 nm. לכן כל צבעי האור הנראה אינם נבלעים (מועברים או מפוזרים כולם), והחומר נראה חסר צבע (לבן כאבקה).

סעיף ד

תשובה:

Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p61s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^61s22s22p63s23p6

לאטום סידן (מספר אטומי 20) 20 אלקטרונים: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s21s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^21s22s22p63s23p64s2.
ביון Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ האטום איבד את שני אלקטרוני הערכיות מאורביטל 4s4s4s (הרמה החיצונית), ונשארו 18 אלקטרונים:
Ca2+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6\text{Ca}^{2+}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6Ca2+: 1s22s22p63s23p6
(אכלוס זהה לזה של אטום ארגון.)

סעיף ה

תשובה:

P2\text{P}_2P2​ – סדר הקשר בו 3, וב- P2+\text{P}_2^+P2+​ 2.5.

קביעה: מולקולת P2\text{P}_2P2​ יציבה יותר.
ככל שסדר הקשר גבוה יותר, הקשר חזק יותר והחלקיק יציב יותר.
ב- P2\text{P}_2P2​ (30 אלקטרונים; האורביטלים π3p∗\pi^*_{3p}π3p∗​ ו- σ3p∗\sigma^*_{3p}σ3p∗​ ריקים):
•אלקטרונים באורביטלים קושרים: σ1s2, σ2s2, π2p4, σ2p2, σ3s2, π3p4, σ3p2\sigma_{1s}^2,\ \sigma_{2s}^2,\ \pi_{2p}^4,\ \sigma_{2p}^2,\ \sigma_{3s}^2,\ \pi_{3p}^4,\ \sigma_{3p}^2σ1s2​, σ2s2​, π2p4​, σ2p2​, σ3s2​, π3p4​, σ3p2​ – סה״כ 18.
•אלקטרונים באורביטלים אנטי קושרים: σ1s∗2, σ2s∗2, π2p∗4, σ2p∗2, σ3s∗2\sigma_{1s}^{*2},\ \sigma_{2s}^{*2},\ \pi_{2p}^{*4},\ \sigma_{2p}^{*2},\ \sigma_{3s}^{*2}σ1s∗2​, σ2s∗2​, π2p∗4​, σ2p∗2​, σ3s∗2​ – סה״כ 12.
סדר קשר(P2)=18−122=3\text{סדר קשר}(\text{P}_2) = \frac{18 - 12}{2} = 3סדר קשר(P2​)=218−12​=3
ביון P2+\text{P}_2^+P2+​ חסר אלקטרון אחד, והוא מוצא מה- HOMO – האורביטל הקושר σ3p\sigma_{3p}σ3p​ (σ3p1\sigma_{3p}^1σ3p1​):
סדר קשר(P2+)=17−122=2.5\text{סדר קשר}(\text{P}_2^+) = \frac{17 - 12}{2} = 2.5סדר קשר(P2+​)=217−12​=2.5
סדר הקשר ב- P2\text{P}_2P2​ (3) גדול מזה שב- P2+\text{P}_2^+P2+​ (2.5), ולכן P2\text{P}_2P2​ יציבה יותר.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	א	הצבע החום בכלי נחלש (דוהה) במהלך התגובה.
	ב i	האנטרופיה של הסביבה עולה.
	ב ii	גדול ממנו.
	ג i	$K_c = \dfrac{[\text{N}_2\text{O}_{4(g)}]}{[\text{NO}_{2(g)}]^2}$
	ג ii	$[\text{N}_2\text{O}_4] = 0.153\ \text{mol/L}$
	ד	גדול מן הריכוז במצב שיווי המשקל הקודם.
	ה	לא ספונטנית: $\Delta S^o_{יקום} = -43.4\ \frac{\text{J}}{\text{K}} < 0$
	ו	$\Delta H^o_4 = -180.8\ \text{kJ}$
	ז	האנרגייה הנפלטת בתגובה (6) קטנה מהאנרגייה הנפלטת בתגובה (5).
2	א	עקומה B.
	ב	היגד II.
	ג	$\Delta H^o_2 = -285.9\ \text{kJ}$
	ד i	$\Delta S^o_{מערכת} = +176.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}}$
	ד ii	$\Delta H^o_3 = +49.6\ \text{kJ}$
	ה i	התגובה הפיכה: H₂ ו-CO₂ מגיבים בתגובה ההפוכה ויוצרים CO ו-H₂O, עד שמהירויות שתי התגובות משתוות – שיווי משקל.
	ה ii	מדידת הטמפרטורה של הכלי (מבודד) לאורך זמן; כשהיא מפסיקה להשתנות – שיווי משקל. (לחלופין: מדידת ריכוז אחד הגזים לאורך זמן.)
	ו	תהליך (7).
	ז	$\Delta H^o_5 = -288.8\ \text{kJ}$
3	א i	כל ארבעת הפולימרים (1)-(4) הוכנו בפלמור דחיסה.
	א ii	(1) $-\text{NH}-(\text{CH}_2)_5-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_8-\text{CO}-$ ; (2) $-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-$ ; (3) $-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-$
	ב i	בעמוד השדרה של PET טבעות בנזן שטוחות וקשיחות; השרשרות ישרות ונארזות במסודר. בניילון 10,5 קטעי $(\text{CH}_2)$ ארוכים וגמישים המתפתלים באופן אקראי ומפריעים לסידור.
	ב ii	(1): שרשרות קוויות ללא הסתעפויות; קשרי מימן בין השרשרות. (2): שרשרות קוויות קשיחות (טבעות בנזן) – גבישיות גבוהה; אינטראקציות דו-קוטב בין קבוצות אסטריות ו-Tm גבוה.
	ג	ב- PLA יש קבוצת $\text{CH}_3$ צדדית המפריעה לסידור הצפוף של השרשרות – גבישיות נמוכה יותר ואינטראקציות חלשות יותר בין השרשרות; לכן $T_m$ של PLA נמוך מזה של PGA.
	ד i	למשל: $-\text{O}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CO}-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CO}-$
	ד ii	בקופולימר האקראי רצף היחידות אינו סדיר וקבוצות $\text{CH}_3$ פזורות באקראי – השרשרות אינן נארזות במסודר, הגבישיות קטנה והאינטראקציות חלשות; לכן $T_m$ נמוך.
	ה	ב- PET.
	ו	שרשרות PET קשיחות (טבעות בנזן) ונארזות במסודר – גבישיות גבוהה ואינטראקציות חזקות יותר בין השרשרות; שרשרות PEA גמישות – גבישיות ואינטראקציות קטנות יותר.
4	א i	קוולר (1), ניילון 6,6 (2) ודקרון (3).
	א ii	(1) $\text{H}_2\text{N}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{NH}_2$ + $\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}$ ; (2) $\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2$ + $\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_4-\text{COOH}$ ; (3) $\text{HO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{OH}$ + $\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}$
	ב i	בקוולר עמוד השדרה קשיח (טבעות בנזן) – שרשרות ישרות ומסודרות מאוד, עם קשרי מימן ואינטראקציות בין טבעות; בניילון 6,6 קטעי CH₂ גמישים.
	ב ii	שני גורמים מנוגדים מתקזזים: לניילון 6,6 קשרי מימן חזקים אך שרשרת גמישה; לדקרון אין קשרי מימן אך עמוד שדרה קשיח עם טבעות בנזן.
	ג i	על כל פחמן שני בעמוד השדרה שתי קבוצות צדדיות ( $\text{CH}_3$ ו- $\text{COOCH}_3$ הגדולה והקוטבית) – הן מגבילות את הסיבוב סביב הקשרים, ויש אינטראקציות דו-קוטב בין השרשרות.
	ג ii	הקבוצות הצדדיות הגדולות (מסודרות באופן לא סדיר לאורך השרשרת) מונעות מהשרשרות להתקרב ולהיארז במסודר – אין אזורים גבישיים.
	ג iii	קוולר כמעט כולו גבישי – אין בו אזורים אמורפיים, ולכן אין מעבר זגוגי.
	ד	הקבוצות הצדדיות הגדולות ( $\text{CH}_3$ ו- $\text{COOCH}_3$ ) מגבילות את תנועת קטעי השרשרת – $T_g$ (105ºC) גבוה מטמפרטורת הגוף, והפולימר במצב זגוגי קשיח.
	ה	בפולימר (5) אין אטום H קשור ל- N – אין קשרי מימן בין השרשרות, רק אינטראקציות דו-קוטב וואן דר ואלס חלשות יותר; קטעי השרשרת נעים בטמפרטורה נמוכה יותר.
5	א i	$\Delta E = 1.632\times10^{-18}\ \text{J}$
	א ii	לא בולע: $\lambda = 656\ \text{nm}$ – אור אדום, והפלפל האדום מפזר (מחזיר) אור אדום.
	ב	$\nu = 6.91\cdot10^{14}\ \text{Hz}$
	ג i	תרשים ב; כל אטום N: $2s^2\,2p^3$ ; $\text{N}_2$ : $\sigma_{2s}^2\,\sigma_{2s}^{*2}\,\pi_{2p}^4\,\sigma_{2p}^2$
	ג ii	HOMO: $\sigma_{2p}$ ; LUMO: $\pi^*_{2p}$
	ג iii	סדר קשר = 3
	ד	אדום: $\lambda_1 = 621\ \text{nm}$ , $\lambda_2 = 703\ \text{nm}$ – בתחום הכתום-אדום, ולא בתחום הכחול.
	ה	למשל: $1s^2\,2s^2\,2p^5\,3s^1$
	ו	$\lambda = 1.27\cdot10^{-6}\ \text{m} = 1270\ \text{nm}$
6	א i	הכרומופור הוא הטבעת הארומטית (פיראזין): שני קשרים כפולים $\text{C}=\text{N}$ וקשר כפול $\text{C}=\text{C}$ לסירוגין עם קשרים יחידים.
	א ii	הכרומופור קטן (שלושה קשרים כפולים מצומדים בלבד) – הפרש האנרגייה HOMO–LUMO גדול, והחומר בולע בתחום העל-סגול ולא בתחום הנראה; לכן IBMP חסר צבע.
	ב i	בבליעה I ( $210\ \text{nm}$ ).
	ב ii	$E = 5.90\ \text{eV} = 9.47\cdot10^{-19}\ \text{J}$
	ב iii	$\nu = 1.43\cdot10^{15}\ \text{Hz}$
	ב iv	גבוהה מתדירות האור הירוק.
	ג	חסר צבע – בולע רק בתחום העל-סגול (210, 290 nm) ואינו בולע בתחום הנראה.
	ד	$\text{Ca}^{2+}$ : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6$
	ה	$\text{P}_2$ – סדר הקשר בו 3, וב- $\text{P}_2^+$ 2.5.

פרק ראשון – שיווי משקל כימי ואנטרופיה

שאלה 1 · תחמוצות חנקן – שיווי משקל, אנטרופיה וחוק הס

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ה, ועל אחד מן הסעיפים ו או ז.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ז.

סעיף ז הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.

סעיף א

הבחנה: עוצמת הצבע החום בכלי פוחתת.

סעיף ב

קביעה: עולה.

קביעה: השינוי באנטרופיה של הסביבה גדול (בערכו המוחלט) מן השינוי באנטרופיה של המערכת.

סעיף ג

סעיף ד

קביעה: ריכוז NO2\text{NO}_2NO2​ בשיווי המשקל החדש גדול מריכוזו בשיווי המשקל הקודם.

סעיף ה

קביעה: תגובה (2) אינה ספונטנית ב- 1100 K1100\ \text{K}1100 K.

סעיף ו

סעיף ז

קביעה: בתגובה (6) נפלטת פחות אנרגייה.

שאלה 2 · תגובות של מימן – דיאגרמת אנתלפיה, התנגשויות, אנטרופיה ושיווי משקל

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ה, ועל אחד מן הסעיפים ו או ז.

מספר המולים של גז שהוכנסו לכלי:

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ז.

סעיף ז הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.

סעיף א

קביעה: עקומה B.

סעיף ב

קביעה: היגד II נכון.

סעיף ג

קביעה: ΔH2o=−285.9 kJ\Delta H^o_2 = -285.9\ \text{kJ}ΔH2o​=−285.9 kJ.

סעיף ד

סעיף ה

הצעה: לבצע את התגובה בכלי סגור ומבודד תרמית ולמדוד את הטמפרטורה בכלי לאורך זמן. כאשר הטמפרטורה מפסיקה להשתנות – המערכת במצב שיווי משקל.

סעיף ו

קביעה: תהליך (7) הוא האקסותרמי.

סעיף ז

פרק שני – פולימרים

שאלה 3 · פולימרים לייצור סיבים – ניילון, PET, PGA ו-PLGA

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.

סעיף א

קביעה: (1), (2), (3) ו-(4) – כולם בפלמור דחיסה.

סעיף ב

פולימר (1), ניילון 10,5:

פולימר (2), PET:

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

קביעה: ב- PET.

סעיף ו

שאלה 4 · קוולר, ניילון 6,6, דקרון ופרספקס – מבנה ותכונות

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ועל אחד מן הסעיפים ד או ה.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ד.

סעיף א

קביעה: פולימרים (1), (2) ו-(3).

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

גורם: הקבוצות הצדדיות הגדולות בשרשרת – CH3\text{CH}_3CH3​ ו- −COOCH3-\text{COOCH}_3−COOCH3​ על כל פחמן שני בעמוד השדרה.

סעיף ה

פרק שלישי – כימיה פיזיקלית

שאלה 5 · גזי האוויר – ספקטרום מימן, אורביטלים מולקולריים של חנקן ושלטי ניאון

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.

סעיף א

קביעה: פלפל אדום אינו בולע קרינה זו.

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

קביעה: אדום.

סעיף ה

סעיף ו

שאלה 6 · קפה – כרומופור, ספקטרום בליעה של ויטמין B6 ואורביטלים מולקולריים

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ועל אחד מן הסעיפים ד או ה.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ד.

סעיף א

סעיף ב

קביעה: ריכוז $\text{NO}_2$ בשיווי המשקל החדש גדול מריכוזו בשיווי המשקל הקודם.

קביעה: תגובה (2) אינה ספונטנית ב- $1100\ \text{K}$ .

קביעה: $\Delta H^o_2 = -285.9\ \text{kJ}$ .

גורם: הקבוצות הצדדיות הגדולות בשרשרת – $\text{CH}_3$ ו- $-\text{COOCH}_3$ על כל פחמן שני בעמוד השדרה.

קביעה: מולקולת $\text{P}_2$ יציבה יותר.