מתכונת 2 בכימיה - שיווי משקל, פולימרים וכימיה פיזיקלית 037282

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

מבחן מתכונת בכימיה, שיווי משקל, פולימרים וכימיה פיזיקלית, 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: שש שאלות, שתיים מכל פרק (שיווי משקל ואנטרופיה; פולימרים; כימיה פיזיקלית). יש לענות על 3 שאלות כלשהן, 33⅓ נקודות לכל שאלה. משך: שעתיים.

פרק ראשון – שיווי משקל כימי ואנטרופיה

שאלה 1 · הפקת 2־פרופנול מאצטון ומימן – ΔH, אנטרופיה, קבוע שיווי משקל וטמפרטורה

שאלה פתוחה33⅓ נקודות

השאלה עוסקת בתגובה (1) שבה אצטון (פרופנון), CH3COCH3(g)\text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)}CH3​COCH3(g)​ , מגיב עם מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , ומתקבל 2־פרופנול, CH3CH(OH)CH3(l)\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)}CH3​CH(OH)CH3(l)​ – ממס נפוץ וחומר חיטוי.
(1) CH3COCH3(g)+H2(g)→CH3CH(OH)CH3(l)ΔS(1) מערכת0=−245 JK\quad \text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)} + \text{H}_{2(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)} \qquad \Delta S^0_{(1)\ \text{מערכת}} = -245\ \frac{\text{J}}{\text{K}}CH3​COCH3(g)​+H2(g)​→CH3​CH(OH)CH3(l)​ΔS(1) מערכת0​=−245 KJ​
בטבלה שלפניך מוצגים ערכים של אנתלפיית ההתהוות התקנית, ΔHf0\Delta H^0_fΔHf0​ , עבור החומרים המשתתפים בתגובה (1).
החומר2־פרופנול CH3CH(OH)CH3(l)\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)}CH3​CH(OH)CH3(l)​מימן H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​אצטון CH3COCH3(g)\text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)}CH3​COCH3(g)​
**אנתלפיית ההתהוות התקנית, ΔHf0\Delta H^0_fΔHf0​** (kJmol)\left(\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)(molkJ​)−318.1-318.1−318.1(משבצת מוצללת)−217.1-217.1−217.1

החומר	2־פרופנול $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)}$	מימן $\text{H}_{2(g)}$	אצטון $\text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)}$
אנתלפיית ההתהוות התקנית, $\Delta H^0_f$ $\left(\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)$	$-318.1$	(משבצת מוצללת)	$-217.1$

א.

(i)

חשב את שינוי האנתלפייה בתגובה (1), ΔH(1)0\Delta H^0_{(1)}ΔH(1)0​ . פרט את חישוביך.

(ii)

הסבר מדוע במהלך תגובה (1) האנטרופיה של המערכת יורדת.

ב.

באחד מתהליכי הייצור התעשייתיים של 2־פרופנול מבצעים את התגובה בין אצטון למימן בטמפרטורה גבוהה, שבה כל החומרים נמצאים במצב גז – תגובה (2):
(2) CH3COCH3(g)+H2(g)⇌CH3CH(OH)CH3(g)ΔH(2)0<0\quad \text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)} + \text{H}_{2(g)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(g)} \qquad \Delta H^0_{(2)} < 0CH3​COCH3(g)​+H2(g)​⇌CH3​CH(OH)CH3(g)​ΔH(2)0​<0

(i)

גם במהלך תגובה (2) אנטרופיית המערכת יורדת.
במהלך איזו משתי התגובות, (1) או (2), הירידה באנטרופיה גדולה יותר? נמק.

(ii)

קבע אם במהלך תגובה (2), המתבצעת בכלי סגור בנפח קבוע ובטמפרטורה קבועה, הלחץ בכלי עולה, יורד או אינו משתנה. נמק.

(iii)

קבע באיזו משתי התגובות, (1) או (2), משתחררת אנרגייה רבה יותר. נמק.

ג.

במעבדה ערכו ניסוי I : לכלי סגור שנפחו 1 ליטר הכניסו את המגיבים של תגובה (2).
הכלי הוחזק בטמפרטורה 500 K500\ \text{K}500 K ולאחר זמן t המערכת הגיעה למצב שיווי משקל.
הגרף שלפניך מתאר את השתנות הריכוזים של מרכיבי המערכת עם הזמן.
רשום את הביטוי של קבוע שיווי המשקל, KcK_cKc​ , עבור תגובה (2), וחשב את ערכו. פרט את חישוביך.

ד.

בניסוי II ביצעו את תגובה (2) בטמפרטורה 600 K600\ \text{K}600 K . קבע אם ערך KcK_cKc​ עבור תגובה (2) בטמפרטורה זו גדול מן הערך שחישבת בסעיף ג, קטן ממנו או שווה לו. נמק.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

סעיף א

(i)

תשובה:

ΔH(1)0=−101.0 kJ\Delta H^0_{(1)} = -101.0\ \text{kJ}ΔH(1)0​=−101.0 kJ

המשבצת של המימן מוצללת: מימן הוא יסוד במצבו התקני, ולכן ΔHf0(H2(g))=0 kJmol\Delta H^0_f(\text{H}_{2(g)}) = 0\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}ΔHf0​(H2(g)​)=0 molkJ​.
ΔH0=∑ΔHf תוצרים0−∑ΔHf מגיבים0\Delta H^0 = \sum \Delta H^0_{f\ \text{תוצרים}} - \sum \Delta H^0_{f\ \text{מגיבים}}ΔH0=∑ΔHf תוצרים0​−∑ΔHf מגיבים0​
ΔH(1)0=1 mol⋅(−318.1 kJmol)−[1 mol⋅(−217.1 kJmol)+1 mol⋅0 kJmol]\Delta H^0_{(1)} = 1\ \text{mol}\cdot\left(-318.1\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right) - \left[1\ \text{mol}\cdot\left(-217.1\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right) + 1\ \text{mol}\cdot 0\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]ΔH(1)0​=1 mol⋅(−318.1 molkJ​)−[1 mol⋅(−217.1 molkJ​)+1 mol⋅0 molkJ​]
ΔH(1)0=−318.1 kJ−(−217.1 kJ)=−101.0 kJ\Delta H^0_{(1)} = -318.1\ \text{kJ} - (-217.1\ \text{kJ}) = -101.0\ \text{kJ}ΔH(1)0​=−318.1 kJ−(−217.1 kJ)=−101.0 kJ
התגובה אקסותרמית.
טעות נפוצה: לחסר את המגיבים מהתוצרים עם שגיאת סימן – −(−217.1)-(-217.1)−(−217.1) הוא +217.1+217.1+217.1.

(ii)

תשובה:

מ־2 מול גז במגיבים מתקבלים 0 מול גז (התוצר נוזל) – פחות פיזור של חלקיקים ושל אנרגיה.

במגיבים יש 2 מול חלקיקי גז (1 mol CH3COCH3(g)1\ \text{mol}\ \text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)}1 mol CH3​COCH3(g)​ ו־1 mol H2(g)1\ \text{mol}\ \text{H}_{2(g)}1 mol H2(g)​), ובתוצרים אין גז כלל – מתקבל 2־פרופנול נוזל.
במצב גז החלקיקים רחוקים זה מזה ונעים בחופשיות בכל נפח הכלי, ויש להם מספר רב מאוד של מצבים מיקרוסקופיים אפשריים – פיזור רב של החלקיקים ושל האנרגיה. בנוזל החלקיקים צפופים וחופש התנועה שלהם קטן יותר, ולכן מספר המצבים המיקרוסקופיים קטן יותר.
מאחר שבתגובה (1) מספר מולי הגז יורד (מ־2 ל־0), פיזור החלקיקים והאנרגיה קטן – האנטרופיה של המערכת יורדת (ΔS(1)0=−245 JK<0\Delta S^0_{(1)} = -245\ \frac{\text{J}}{\text{K}} < 0ΔS(1)0​=−245 KJ​<0).

סעיף ב

(i)

תשובה:

בתגובה (1).

קביעה: הירידה באנטרופיה גדולה יותר בתגובה (1).
המגיבים בשתי התגובות זהים: 2 מול גז (CH3COCH3(g)+H2(g)\text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)} + \text{H}_{2(g)}CH3​COCH3(g)​+H2(g)​).
•בתגובה (2) מתקבל 1 מול גז – מספר מולי הגז יורד מ־2 ל־1.
•בתגובה (1) מתקבל 2־פרופנול נוזל – מספר מולי הגז יורד מ־2 ל־0.
האנטרופיה של חומר במצב גז גבוהה מזו של אותו חומר במצב נוזל (בגז פיזור החלקיקים והאנרגיה גדול יותר). לכן האנטרופיה של התוצר בתגובה (1) נמוכה מזו של התוצר בתגובה (2), ואילו האנטרופיה של המגיבים זהה – הירידה באנטרופיה בתגובה (1) גדולה יותר.

(ii)

תשובה:

הלחץ בכלי יורד.

קביעה: הלחץ יורד.
בתגובה (2) מכל 2 מול גז מגיבים נוצר 1 מול גז תוצר, ולכן במהלך התגובה מספר מולי הגז בכלי קטן.
בנפח קבוע ובטמפרטורה קבועה הלחץ עומד ביחס ישר למספר מולי הגז: פחות חלקיקי גז מתנגשים בדפנות הכלי ליחידת זמן, ולכן הלחץ בכלי יורד.

(iii)

תשובה:

בתגובה (1).

קביעה: בתגובה (1) משתחררת אנרגייה רבה יותר.
המגיבים בשתי התגובות זהים, וההבדל הוא רק במצב הצבירה של התוצר: בתגובה (1) מתקבל 2־פרופנול נוזל ובתגובה (2) – 2־פרופנול גז.
במעבר של 2־פרופנול מגז לנוזל (עיבוי) נוצרות אינטראקציות בין־מולקולריות (קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס), ולכן העיבוי משחרר אנרגייה. כלומר, האנתלפייה של CH3CH(OH)CH3(l)\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)}CH3​CH(OH)CH3(l)​ נמוכה מזו של CH3CH(OH)CH3(g)\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(g)}CH3​CH(OH)CH3(g)​, ו־ΔH(1)0\Delta H^0_{(1)}ΔH(1)0​ שלילי יותר מ־ΔH(2)0\Delta H^0_{(2)}ΔH(2)0​ – בתגובה (1) משתחררת אנרגייה רבה יותר.

סעיף ג

תשובה:

Kc=[CH3CH(OH)CH3][CH3COCH3]⋅[H2]K_c = \dfrac{[\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3]}{[\text{CH}_3\text{COCH}_3]\cdot[\text{H}_2]}Kc​=[CH3​COCH3​]⋅[H2​][CH3​CH(OH)CH3​]​ ; Kc=15 M−1K_c = 15\ \text{M}^{-1}Kc​=15 M−1 (ב־500 K500\ \text{K}500 K)

ביטוי קבוע שיווי המשקל עבור תגובה (2) (כל ריכוז בחזקת המקדם שלו בניסוח):
Kc=[CH3CH(OH)CH3(g)][CH3COCH3(g)]⋅[H2(g)]K_c = \frac{[\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(g)}]}{[\text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)}]\cdot[\text{H}_{2(g)}]}Kc​=[CH3​COCH3(g)​]⋅[H2(g)​][CH3​CH(OH)CH3(g)​]​
מהגרף – הריכוזים במצב שיווי משקל (מהזמן t ואילך הריכוזים קבועים):
- [CH3CH(OH)CH3]=0.30 M[\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3] = 0.30\ \text{M}[CH3​CH(OH)CH3​]=0.30 M
- [CH3COCH3]=0.10 M[\text{CH}_3\text{COCH}_3] = 0.10\ \text{M}[CH3​COCH3​]=0.10 M
- [H2]=0.20 M[\text{H}_2] = 0.20\ \text{M}[H2​]=0.20 M
(בדיקת התאמה ליחס המולים 1:1:1 – ריכוז האצטון ירד ב־0.40−0.10=0.30 M0.40-0.10=0.30\ \text{M}0.40−0.10=0.30 M, ריכוז המימן ירד ב־0.50−0.20=0.30 M0.50-0.20=0.30\ \text{M}0.50−0.20=0.30 M וריכוז 2־פרופנול עלה ב־0.30 M0.30\ \text{M}0.30 M – מתאים.)
Kc=0.30 M0.10 M⋅0.20 M=0.30 M0.020 M2=15 M−1K_c = \frac{0.30\ \text{M}}{0.10\ \text{M}\cdot 0.20\ \text{M}} = \frac{0.30\ \text{M}}{0.020\ \text{M}^2} = 15\ \text{M}^{-1}Kc​=0.10 M⋅0.20 M0.30 M​=0.020 M20.30 M​=15 M−1
Kc=15 M−1K_c = 15\ \text{M}^{-1}Kc​=15 M−1 בטמפרטורה 500 K500\ \text{K}500 K.
טעות נפוצה: להציב בביטוי את ריכוזי ההתחלה (0.40 ו־0.50) במקום הריכוזים בשיווי משקל.

סעיף ד

תשובה:

קטן מ־15 (הערך ב־500 K500\ \text{K}500 K).

קביעה: ב־600 K600\ \text{K}600 K ערך KcK_cKc​ קטן מן הערך שחושב בסעיף ג.
תגובה (2) אקסותרמית בכיוון הישיר (ΔH(2)0<0\Delta H^0_{(2)} < 0ΔH(2)0​<0), ולכן התגובה ההפוכה אנדותרמית.
בהעלאת הטמפרטורה (מ־500 K500\ \text{K}500 K ל־600 K600\ \text{K}600 K), לפי עקרון לה־שטלייה, מצב שיווי המשקל נקבע יותר לכיוון התגובה האנדותרמית, הבולעת חום – הכיוון ההפוך (פירוק 2־פרופנול לאצטון ולמימן).
לכן בשיווי משקל ב־600 K600\ \text{K}600 K ריכוז התוצר נמוך יותר וריכוזי המגיבים גבוהים יותר, ומנת הריכוזים בשיווי משקל – KcK_cKc​ – קטנה יותר. עבור תגובה אקסותרמית ערך KcK_cKc​ קטן כשהטמפרטורה עולה.

שאלה 2 · הפקת כלור ממימן כלורי וחמצן – שיווי משקל ואנטרופיה

שאלה פתוחה33⅓ נקודות

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
מימן כלורי, HCl(g)\text{HCl}_{(g)}HCl(g)​, מתקבל כתוצר לוואי בתהליכים תעשייתיים רבים. אפשר להשתמש בו להפקת כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​, בתגובה עם חמצן מהאוויר, בטמפרטורה גבוהה ובנוכחות זרז. התגובה מתוארת בניסוח (1):
(1)4HCl(g)+O2(g)⇌2Cl2(g)+2H2O(g)ΔHo=−114.4 kJ(1)\qquad 4\text{HCl}_{(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightleftharpoons 2\text{Cl}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}\qquad \Delta H^o=-114.4\ \text{kJ}(1)4HCl(g)​+O2(g)​⇌2Cl2(g)​+2H2​O(g)​ΔHo=−114.4 kJ
בטבלה שלפניכם מוצגים ערכים של אנטרופיה מולרית תקנית של המגיבים ושל התוצרים בתגובה (1).
החומרH2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​HCl(g)\text{HCl}_{(g)}HCl(g)​
**אנטרופיה מולרית תקנית** So (JK⋅mol)S^o\ \left(\frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\right)So (K⋅molJ​)188.8223.1205.2186.9

החומר	$\text{H}_2\text{O}_{(g)}$	$\text{Cl}_{2(g)}$	$\text{O}_{2(g)}$	$\text{HCl}_{(g)}$
אנטרופיה מולרית תקנית $S^o\ \left(\frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}\right)$	188.8	223.1	205.2	186.9

א.

(i)

רשמו את הביטוי של קבוע שיווי משקל, Kc, עבור תגובה (1).

(ii)

לפניכם שני ערכים של קבוע שיווי משקל עבור תגובה (1), 3.5⋅1023.5\cdot10^{2}3.5⋅102 ו- 8.2⋅1048.2\cdot10^{4}8.2⋅104 , בטמפרטורות שונות: ב- 600 K וב- 800 K .
התאימו כל ערך של קבוע שיווי משקל לטמפרטורה המתאימה. הסבירו את בחירתכם.

ב.

(i)

חשבו את שינוי האנטרופיה של המערכת, ΔSo\Delta S^oΔSoמערכת , עבור תגובה (1). פרטו את חישוביכם.

(ii)

הסבירו את סימנו של שינוי האנטרופיה של המערכת עבור תגובה (1).

ג.

במערכת של תגובה (1), הנמצאת בשיווי משקל, בוצעו השינויים iii-i :
i  הגדלת ריכוזו של O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​
ii  הגדלת ריכוזו של H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​
iii  הוספת זרז
קבעו אם, כתוצאה מכל אחד מהשינויים iii-i , ריכוזו של Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ במצב שיווי המשקל החדש יהיה גדול מריכוזו לפני השינוי, קטן ממנו או שווה לו. נמקו כל אחת מקביעותיכם.

ד.

למערכת של תגובה (1), הנמצאת בשיווי משקל, מוסיפים אדי מים, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ , בלי לשנות את הטמפרטורה ואת נפח הכלי.
כיצד תושפע מהירות התגובה ההפוכה מיד לאחר הוספת אדי המים? נמקו.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
חשבו את שינוי האנטרופיה של הסביבה, ΔSo\Delta S^oΔSoסביבה , עבור תגובה (1) בטמפרטורה 298 K .
פרטו את חישוביכם.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
הסבירו את סימנו של שינוי האנטרופיה של הסביבה, ΔSo\Delta S^oΔSoסביבה , עבור תגובה (1).

◂ פתרון מלא לשאלה 2

סעיף א

(i)

תשובה:

Kc=[Cl2(g)]2⋅[H2O(g)]2[HCl(g)]4⋅[O2(g)]K_c=\frac{[\text{Cl}_{2(g)}]^2\cdot[\text{H}_2\text{O}_{(g)}]^2}{[\text{HCl}_{(g)}]^4\cdot[\text{O}_{2(g)}]}Kc​=[HCl(g)​]4⋅[O2(g)​][Cl2(g)​]2⋅[H2​O(g)​]2​

ריכוזי התוצרים בחזקת המקדמים במונה, ריכוזי המגיבים בחזקת המקדמים במכנה. כל החומרים גזים, ולכן גם אדי המים מופיעים בביטוי:
Kc=[Cl2(g)]2⋅[H2O(g)]2[HCl(g)]4⋅[O2(g)]K_c=\frac{[\text{Cl}_{2(g)}]^2\cdot[\text{H}_2\text{O}_{(g)}]^2}{[\text{HCl}_{(g)}]^4\cdot[\text{O}_{2(g)}]}Kc​=[HCl(g)​]4⋅[O2(g)​][Cl2(g)​]2⋅[H2​O(g)​]2​

(ii)

תשובה:

600 K: Kc=8.2⋅104K_c=8.2\cdot10^{4}Kc​=8.2⋅104; 800 K: Kc=3.5⋅102K_c=3.5\cdot10^{2}Kc​=3.5⋅102.

ב-600 K: Kc=8.2⋅104K_c=8.2\cdot10^{4}Kc​=8.2⋅104; ב-800 K: Kc=3.5⋅102K_c=3.5\cdot10^{2}Kc​=3.5⋅102.
התגובה הישירה אקסותרמית (ΔHo=−114.4 kJ\Delta H^o=-114.4\ \text{kJ}ΔHo=−114.4 kJ). לפי עקרון לה-שטלייה, העלאת הטמפרטורה מעודדת את התגובה האנדותרמית – התגובה ההפוכה. לכן ב-800 K מצב שיווי המשקל מוסט לכיוון המגיבים: ריכוזי Cl2\text{Cl}_2Cl2​ ו-H2O\text{H}_2\text{O}H2​O קטנים, וריכוזי HCl\text{HCl}HCl ו-O2\text{O}_2O2​ גדלים – ערך KcK_cKc​ קטן יותר. לכן הערך הקטן (3.5⋅1023.5\cdot10^{2}3.5⋅102) מתאים ל-800 K, והערך הגדול (8.2⋅1048.2\cdot10^{4}8.2⋅104) מתאים ל-600 K.

סעיף ב

(i)

תשובה:

ΔSo\Delta S^oΔSoמערכת =−129.0 JK=-129.0\ \frac{\text{J}}{\text{K}}=−129.0 KJ​

ΔSsyso=ΣSproductso−ΣSreactantso\Delta S^o_{\text{sys}}=\Sigma S^o_{\text{products}}-\Sigma S^o_{\text{reactants}}ΔSsyso​=ΣSproductso​−ΣSreactantso​
תוצרים: 2 mol⋅223.1 JK⋅mol+2 mol⋅188.8 JK⋅mol=823.8 JK2\ \text{mol}\cdot 223.1\ \frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}+2\ \text{mol}\cdot 188.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}=823.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}}2 mol⋅223.1 K⋅molJ​+2 mol⋅188.8 K⋅molJ​=823.8 KJ​
מגיבים: 4 mol⋅186.9 JK⋅mol+1 mol⋅205.2 JK⋅mol=952.8 JK4\ \text{mol}\cdot 186.9\ \frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}+1\ \text{mol}\cdot 205.2\ \frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}=952.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}}4 mol⋅186.9 K⋅molJ​+1 mol⋅205.2 K⋅molJ​=952.8 KJ​
ΔSsyso=823.8 JK−952.8 JK=−129.0 JK\Delta S^o_{\text{sys}}=823.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}}-952.8\ \frac{\text{J}}{\text{K}}=-129.0\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΔSsyso​=823.8 KJ​−952.8 KJ​=−129.0 KJ​

(ii)

תשובה:

שלילי: מ-5 מול גז מתקבלים 4 מול גז.

שינוי האנטרופיה של המערכת שלילי.
כל החומרים גזים. מ-5 מול חלקיקי גז במגיבים (4 mol4\ \text{mol}4 mol של HCl\text{HCl}HCl ו-1 mol1\ \text{mol}1 mol של O2\text{O}_2O2​) מתקבלים 4 מול חלקיקי גז בתוצרים (2 mol2\ \text{mol}2 mol של Cl2\text{Cl}_2Cl2​ ו-2 mol2\ \text{mol}2 mol של H2O\text{H}_2\text{O}H2​O). מספר חלקיקי הגז קטן, ולכן קטן מספר האפשרויות לסידור החלקיקים ולפיזור האנרגיה ביניהם – האנטרופיה של המערכת קטנה.

סעיף ג

תשובה:

i – גדול; ii – קטן; iii – שווה.

i – ריכוז Cl2\text{Cl}_2Cl2​ יהיה גדול יותר. הגדלת ריכוז O2\text{O}_2O2​ (מגיב) מגדילה את מהירות התגובה הישירה, ושיווי המשקל מוסט לכיוון התוצרים. בתגובה הישירה נוצר Cl2\text{Cl}_2Cl2​, ולכן ריכוזו במצב שיווי המשקל החדש גדול מריכוזו לפני השינוי.
ii – ריכוז Cl2\text{Cl}_2Cl2​ יהיה קטן יותר. הגדלת ריכוז H2O\text{H}_2\text{O}H2​O (תוצר) מגדילה את מהירות התגובה ההפוכה, ושיווי המשקל מוסט לכיוון המגיבים. בתגובה ההפוכה Cl2\text{Cl}_2Cl2​ נצרך, ולכן ריכוזו במצב שיווי המשקל החדש קטן יותר.
iii – ריכוז Cl2\text{Cl}_2Cl2​ יהיה שווה לריכוזו לפני השינוי. זרז מגדיל באותה מידה את מהירות התגובה הישירה ואת מהירות התגובה ההפוכה, ולכן אינו משנה את מצב שיווי המשקל – הוא רק מקצר את הזמן להגעה לשיווי משקל.

סעיף ד

תשובה:

מהירות התגובה ההפוכה תגדל.

מהירות התגובה ההפוכה תגדל.
אדי המים הם מגיב בתגובה ההפוכה (2Cl2(g)+2H2O(g)→4HCl(g)+O2(g)2\text{Cl}_{2(g)}+2\text{H}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow4\text{HCl}_{(g)}+\text{O}_{2(g)}2Cl2(g)​+2H2​O(g)​→4HCl(g)​+O2(g)​). לאחר ההוספה יש יותר מולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O ביחידת נפח, ולכן גדלה תדירות ההתנגשויות בין מולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O למולקולות Cl2\text{Cl}_2Cl2​, וגדל מספר ההתנגשויות הפוריות ליחידת זמן – מהירות התגובה ההפוכה גדלה.
(ברגע הראשון מהירות התגובה הישירה אינה משתנה, ולכן שיווי המשקל מוסט לכיוון המגיבים.)
טעות נפוצה: לבלבל בין התגובה הישירה להפוכה – אדי המים הם תוצר של התגובה הישירה, אך מגיב של התגובה ההפוכה.

סעיף ה

תשובה:

ΔSo\Delta S^oΔSoסביבה =+383.9 JK=+383.9\ \frac{\text{J}}{\text{K}}=+383.9 KJ​

ΔSsurro=−ΔHoT\Delta S^o_{\text{surr}}=-\frac{\Delta H^o}{T}ΔSsurro​=−TΔHo​
ΔHo=−114.4 kJ=−114,400 J\Delta H^o=-114.4\ \text{kJ}=-114{,}400\ \text{J}ΔHo=−114.4 kJ=−114,400 J , T=298 KT=298\ \text{K}T=298 K
ΔSsurro=−−114,400 J298 K=+383.9 JK\Delta S^o_{\text{surr}}=-\frac{-114{,}400\ \text{J}}{298\ \text{K}}=+383.9\ \frac{\text{J}}{\text{K}}ΔSsurro​=−298 K−114,400 J​=+383.9 KJ​

סעיף ו

תשובה:

חיובי – התגובה אקסותרמית, חום עובר לסביבה.

שינוי האנטרופיה של הסביבה חיובי.
התגובה אקסותרמית (ΔHo=−114.4 kJ<0\Delta H^o=-114.4\ \text{kJ}<0ΔHo=−114.4 kJ<0). החום המשתחרר בתגובה עובר לסביבה, מגביר את תנועת החלקיקים בסביבה ואת מספר האפשרויות לפיזור האנרגיה ביניהם, ולכן האנטרופיה של הסביבה גדלה (ΔSsurro=−ΔHoT>0\Delta S^o_{\text{surr}}=-\frac{\Delta H^o}{T}>0ΔSsurro​=−TΔHo​>0).

פרק שני – פולימרים

שאלה 3 · זיפים של מברשות שיניים ופוליאסטרים מתכלים – PBT, ניילון 6,12 ו-P4HB

שאלה פתוחה33⅓ נקודות

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
השאלה עוסקת בפולימרים המשמשים לייצור זיפים של מברשות שיניים ובפוליאסטרים המתפרקים בגוף.
נתונות נוסחאות המבנה של המונומרים שמהם מקבלים את הפולימרים (1)-(4).
פולימר (1) – פוליבוטילן טרפתאלט (PBT), משמש, בין השאר, לייצור זיפים של מברשות שיניים ולייצור חלקים של מכשירי חשמל.
הוא מתקבל מן המונומרים:
HO−(CH2)4−OH\text{HO}-(\text{CH}_2)_4-\text{OH}HO−(CH2​)4​−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)
פולימר (2) – ניילון 6,12, משמש, בין השאר, לייצור זיפים של מברשות שיניים.
הוא מתקבל מן המונומרים:
H2N−(CH2)6−NH2\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2H2​N−(CH2​)6​−NH2​ ו- HOOC−(CH2)10−COOH\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_{10}-\text{COOH}HOOC−(CH2​)10​−COOH
נתונות נוסחאות המבנה של המונומרים שמהם אפשר לקבל את הפולימרים (3) ו- (4):
חומצה 4-הידרוקסיבוטנואית: HO−(CH2)3−COOH\text{HO}-(\text{CH}_2)_3-\text{COOH}HO−(CH2​)3​−COOH ; חומצה 6-הידרוקסיהקסאנואית: HO−(CH2)5−COOH\text{HO}-(\text{CH}_2)_5-\text{COOH}HO−(CH2​)5​−COOH
פולימר (3) – פולי-(4-הידרוקסיבוטנואט) (P4HB), מתקבל מחומצה 4-הידרוקסיבוטנואית. הוא מתפרק בגוף ומשמש, בין השאר, לייצור חוטי תפירה נספגים.
קופולימר (4) – קופולימר אקראי המתקבל מחומצה 4-הידרוקסיבוטנואית ומחומצה 6-הידרוקסיהקסאנואית, בכמויות דומות.

א.

(i)

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

(ii)

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

ב.

(i)

בתהליך ייצור הזיפים מותחים את הסיבים של פולימר (2) לאחר יציאתם מן הנחיר, ואחוז הגבישיות שלהם עולה.
הסבירו מדוע.

(ii)

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

ג.

בטבלה הנתונה מוצגים ערכי TmT_mTm​ של שני פוליאסטרים, המתקבלים מאותו דיאול.
הפולימרנוסחת היחידה החוזרתטמפרטורת היתוך Tm (oC)T_m\ (^o\text{C})Tm​ (oC)
פוליבוטילן טרפתאלט (PBT) – פולימר (1)−O−(CH2)4−O−CO−C6H4−CO−-\text{O}-(\text{CH}_2)_4-\text{O}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-−O−(CH2​)4​−O−CO−C6​H4​−CO−225
פוליבוטילן סוקסינאט (PBS)−O−(CH2)4−O−CO−(CH2)2−CO−-\text{O}-(\text{CH}_2)_4-\text{O}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_2-\text{CO}-−O−(CH2​)4​−O−CO−(CH2​)2​−CO−115
הסבירו את ההבדל בין ערכי TmT_mTm​ של שני הפולימרים.

הפולימר	נוסחת היחידה החוזרת	טמפרטורת היתוך $T_m\ (^o\text{C})$
פוליבוטילן טרפתאלט (PBT) – פולימר (1)	$-\text{O}-(\text{CH}_2)_4-\text{O}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-$	225
פוליבוטילן סוקסינאט (PBS)	$-\text{O}-(\text{CH}_2)_4-\text{O}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_2-\text{CO}-$	115

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 TmT_mTm​ של שני פוליאמידים המתקבלים מאותו דיאמין, H2N−(CH2)6−NH2\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2H2​N−(CH2​)6​−NH2​.
הפולימרנוסחת היחידה החוזרתטמפרטורת היתוך Tm (oC)T_m\ (^o\text{C})Tm​ (oC)
ניילון 6,12 – פולימר (2)−NH−(CH2)6−NH−CO−(CH2)10−CO−-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{10}-\text{CO}-−NH−(CH2​)6​−NH−CO−(CH2​)10​−CO−218
ניילון 6,T−NH−(CH2)6−NH−CO−C6H4−CO−-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-−NH−(CH2​)6​−NH−CO−C6​H4​−CO−370
(בניילון 6,T טבעת הבנזן קשורה לשרשרת במצבים מנוגדים.)
סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
באיזה מהפולימרים, ניילון 6,12 או ניילון 6,T, המרחק הממוצע בין קצות השרשרות גדול יותר?
הניחו שאורך השרשרות בשני הפולימרים דומה. נמקו את הקביעה.

הפולימר	נוסחת היחידה החוזרת	טמפרטורת היתוך $T_m\ (^o\text{C})$
ניילון 6,12 – פולימר (2)	$-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{10}-\text{CO}-$	218
ניילון 6,T	$-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-$	370

ו.

בטבלה הנתונה מוצגים ערכי TmT_mTm​ של שני פוליאמידים המתקבלים מאותו דיאמין, H2N−(CH2)6−NH2\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2H2​N−(CH2​)6​−NH2​.
הפולימרנוסחת היחידה החוזרתטמפרטורת היתוך Tm (oC)T_m\ (^o\text{C})Tm​ (oC)
ניילון 6,12 – פולימר (2)−NH−(CH2)6−NH−CO−(CH2)10−CO−-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{10}-\text{CO}-−NH−(CH2​)6​−NH−CO−(CH2​)10​−CO−218
ניילון 6,T−NH−(CH2)6−NH−CO−C6H4−CO−-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-−NH−(CH2​)6​−NH−CO−C6​H4​−CO−370
(בניילון 6,T טבעת הבנזן קשורה לשרשרת במצבים מנוגדים.)
סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
הסבירו מדוע ערך ה- TmT_mTm​ של ניילון 6,T גבוה מערך ה- TmT_mTm​ של ניילון 6,12.

הפולימר	נוסחת היחידה החוזרת	טמפרטורת היתוך $T_m\ (^o\text{C})$
ניילון 6,12 – פולימר (2)	$-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{10}-\text{CO}-$	218
ניילון 6,T	$-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-$	370

◂ פתרון מלא לשאלה 3

סעיף א

(i)

תשובה:

כל ארבעת הפולימרים (1)-(4) – 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 מחוץ לטבעת (הדרוש לפלמור סיפוח). לכל מונומר שתי קבוצות פונקציונליות שמגיבות זו עם זו, ובכל יצירת קשר נפלטת מולקולת מים:
- (1), PBT: דיאול + חומצה דו-קרבוקסילית ← קשרים אסטריים (פוליאסטר).
- (2), ניילון 6,12: דיאמין + חומצה דו-קרבוקסילית ← קשרים אמידיים (פוליאמיד).
- (3), P4HB: בכל מולקולה של חומצה 4-הידרוקסיבוטנואית קבוצת −OH-\text{OH}−OH וקבוצת −COOH-\text{COOH}−COOH ← קשרים אסטריים.
- (4): שתי חומצות הידרוקסיליות ← קשרים אסטריים (קופולימר).

(ii)

תשובה:

(1) −O−(CH2)4−O−CO−C6H4−CO−-\text{O}-(\text{CH}_2)_4-\text{O}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-−O−(CH2​)4​−O−CO−C6​H4​−CO−; (2) −NH−(CH2)6−NH−CO−(CH2)10−CO−-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{10}-\text{CO}-−NH−(CH2​)6​−NH−CO−(CH2​)10​−CO−; (3) −O−(CH2)3−CO−-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{CO}-−O−(CH2​)3​−CO−

בכל קשר שנוצר יוצאת קבוצת OH\text{OH}OH מהקבוצה הקרבוקסילית ואטום H\text{H}H מקבוצת ההידרוקסיל או האמין (נפלטת מולקולת מים):
- פולימר (1), PBT: −O−(CH2)4−O−C(=O)−C6H4−C(=O)−-\text{O}-(\text{CH}_2)_4-\text{O}-\text{C}(=\text{O})-\text{C}_6\text{H}_4-\text{C}(=\text{O})-−O−(CH2​)4​−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 (2), ניילון 6,12: −N(H)−(CH2)6−N(H)−C(=O)−(CH2)10−C(=O)−-\text{N}(\text{H})-(\text{CH}_2)_6-\text{N}(\text{H})-\text{C}(=\text{O})-(\text{CH}_2)_{10}-\text{C}(=\text{O})-−N(H)−(CH2​)6​−N(H)−C(=O)−(CH2​)10​−C(=O)−
- פולימר (3), P4HB: −O−(CH2)3−C(=O)−-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{C}(=\text{O})-−O−(CH2​)3​−C(=O)− (המונומר פחות מולקולת מים; קשר אסטרי בין היחידות).

סעיף ב

(i)

תשובה:

המתיחה פורשת את השרשרות המפותלות ומסדרת אותן במקביל לציר הסיב; שרשרות מקבילות מתקרבות, קבוצות האמיד שלהן נעמדות זו מול זו ויוצרות קשרי מימן – נוצרים יותר אזורים גבישיים.

לפני המתיחה רוב קטעי השרשרות בסיב מפותלים באופן אקראי ומסודרים בכיוונים שונים (אזורים אמורפיים רבים).
בזמן המתיחה השרשרות נפרשות ומסתדרות במקביל לציר הסיב. כששרשרות ישרות ומקבילות מתקרבות זו לזו, קבוצות האמיד שלהן יכולות לעמוד זו מול זו, ונוצרים ביניהן קשרי מימן N−H⋯O=C\text{N}-\text{H}\cdots\text{O}=\text{C}N−H⋯O=C המחזיקים אותן בסידור המסודר.
כך גדל החלק של השרשרות הנמצא בסידור מרחבי מסודר – אחוז הגבישיות עולה (והסיב נעשה חזק יותר בכיוון המתיחה).

(ii)

תשובה:

(1): שרשרות קוויות וקשיחות (טבעות בנזן) – גבישיות גבוהה; אינטראקציות דו-קוטב בין קבוצות האסטר ו- TmT_mTm​ גבוה. (2): שרשרות קוויות ללא הסתעפויות; קשרי מימן בין השרשרות; קטעי CH2\text{CH}_2CH2​ ארוכים – ספיגת מים נמוכה.

זיף צריך להיות חזק וגמיש-קפיצי, לשמור על צורתו במים חמים, ולא לספוג הרבה מים.
פולימר (1), PBT:
1. השרשרות קוויות, וטבעות הבנזן בעמוד השדרה הופכות אותן לקשיחות ופרושות – הן נארזות במסודר, ואחוז הגבישיות גבוה.
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 TmT_mTm​ (כ- 225ºC) גבוה בהרבה מטמפרטורת השימוש.
פולימר (2), ניילון 6,12:
1. השרשרות קוויות, ללא הסתעפויות וללא קבוצות צדדיות – אפשר לסדר אותן במקביל לאורך הסיב (סעיף ב i).
2. בין קבוצות האמיד של שרשרות סמוכות נוצרים קשרי מימן – אינטראקציות חזקות המקנות לסיב חוזק.
(סיבה אפשרית נוספת: קטעי CH2\text{CH}_2CH2​ ארוכים – 10 קבוצות בחלק החומצי – מקטינים את מספר קבוצות האמיד הקוטביות ליחידת אורך, ולכן הפולימר סופג מעט מים והזיף אינו מתרכך במים.)

סעיף ג

תשובה:

ב- PBT טבעת בנזן קשיחה ושטוחה בעמוד השדרה – שרשרות פרושות, נארזות במסודר, ובין הטבעות כוחות ואן דר ואלס חזקים; ב- PBS קטע (CH2)2(\text{CH}_2)_2(CH2​)2​ גמיש – פחות סדר ואינטראקציות חלשות יותר. לכן TmT_mTm​ של PBT גבוה.

TmT_mTm​ היא הטמפרטורה שבה נהרסים האזורים הגבישיים; היא תלויה במידת הסידור של השרשרות ובחוזק האינטראקציות ביניהן.
שני הפולימרים מכילים אותו קטע דיאול −O−(CH2)4−O−-\text{O}-(\text{CH}_2)_4-\text{O}-−O−(CH2​)4​−O− ושתי קבוצות אסטר ביחידה. ההבדל הוא בחלק החומצי:
- PBT: בעמוד השדרה טבעת בנזן מישורית וקשיחה – אין בה סיבוב חופשי, והיא מגבילה את הסיבוב בקשרים הסמוכים. השרשרות קשיחות ופרושות ונארזות במסודר, וטבעות הבנזן השטוחות של שרשרות סמוכות נערמות זו מול זו – כוחות ואן דר ואלס חזקים יחסית (ענן אלקטרונים גדול).
- PBS: במקום הטבעת קטע (CH2)2(\text{CH}_2)_2(CH2​)2​ עם סיבוב חופשי – השרשרת גמישה ומתפתלת, נארזת בסדר נמוך יותר, והאינטראקציות בין השרשרות חלשות יותר.
לכן נדרשת אנרגיה רבה יותר להרס האזורים הגבישיים של PBT, ו- TmT_mTm​ שלו (225ºC) גבוה מזה של PBS (115ºC).

סעיף ד

(i)

תשובה:

למשל: −O−(CH2)3−CO−O−(CH2)5−CO−O−(CH2)5−CO−O−(CH2)3−CO−O−(CH2)3−CO−O−(CH2)5−CO−-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{CO}-−O−(CH2​)3​−CO−O−(CH2​)5​−CO−O−(CH2​)5​−CO−O−(CH2​)3​−CO−O−(CH2​)3​−CO−O−(CH2​)5​−CO−

בקופולימר האקראי שתי היחידות – −O−(CH2)3−C(=O)−-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{C}(=\text{O})-−O−(CH2​)3​−C(=O)− (מחומצה 4-הידרוקסיבוטנואית) ו- −O−(CH2)5−C(=O)−-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{C}(=\text{O})-−O−(CH2​)5​−C(=O)− (מחומצה 6-הידרוקסיהקסאנואית) – מחוברות בקשרים אסטריים ומסודרות ברצף לא סדיר.
קטע מייצג (לדוגמה, שש יחידות בסדר: 4, 6, 6, 4, 4, 6):
−O−(CH2)3−C(=O)−O−(CH2)5−C(=O)−O−(CH2)5−C(=O)−O−(CH2)3−C(=O)−O−(CH2)3−C(=O)−O−(CH2)5−C(=O)−-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{C}(=\text{O})-−O−(CH2​)3​−C(=O)−O−(CH2​)5​−C(=O)−O−(CH2​)5​−C(=O)−O−(CH2​)3​−C(=O)−O−(CH2​)3​−C(=O)−O−(CH2​)5​−C(=O)−
הרצף אינו סדיר (לא לסירוגין קבוע) – זה מה שמאפיין קופולימר אקראי.

(ii)

תשובה:

בקופולימר האקראי המרחקים בין קבוצות האסטר משתנים באופן לא סדיר – השרשרות אינן מתאימות זו לזו ואינן נארזות במסודר; הגבישיות קטנה ו- TmT_mTm​ נמוך.

ב- P4HB (פולימר 3) כל היחידות זהות, וקבוצות האסטר מופיעות במרווחים קבועים לאורך השרשרת. השרשרות סדירות, מתאימות זו לזו ונארזות במסודר – יש אזורים גבישיים, ובהם הקבוצות האסטריות של שרשרות סמוכות עומדות זו מול זו (אינטראקציות דו-קוטב–דו-קוטב).
בקופולימר האקראי היחידות הקצרות והארוכות מסודרות בסדר מקרי, ולכן המרחקים בין קבוצות האסטר משתנים באופן לא סדיר. השרשרות אינן מתאימות זו לזו ואינן נארזות במסודר: אחוז הגבישיות קטן, והאינטראקציות בין השרשרות חלשות יותר.
לכן נדרשת פחות אנרגיה להרס האזורים הגבישיים, ו- TmT_mTm​ של הקופולימר נמוך מזה של P4HB.

סעיף ה

תשובה:

בניילון 6,T.

קביעה: בניילון 6,T.
שרשרת פולימר נוטה לפיתול אקראי בגלל הסיבוב החופשי סביב הקשרים היחידים בעמוד השדרה. ככל שיש בעמוד השדרה יותר אזורים קשיחים, הפיתול האקראי מופרע, השרשרת פרושה יותר והמרחק הממוצע בין קצותיה גדול יותר.
- ניילון 6,T: בכל יחידה חוזרת טבעת בנזן קשיחה ומישורית – בתוך הטבעת אין סיבוב חופשי, והיא מגבילה גם את הסיבוב סביב הקשרים הסמוכים לה. השרשרת קשיחה ופרושה, והמרחק בין קצותיה גדול.
- ניילון 6,12: עמוד השדרה בנוי בעיקר מקבוצות CH2\text{CH}_2CH2​ (6 ו- 10 ביחידה), עם סיבוב חופשי סביב הקשרים היחידים. השרשרת גמישה ומתפתלת בקלות, והמרחק בין קצותיה קטן.

סעיף ו

תשובה:

בניילון 6,T טבעות בנזן קשיחות – שרשרות פרושות הנארזות במסודר, עם קשרי מימן וכוחות ואן דר ואלס חזקים בין הטבעות; בניילון 6,12 קטע (CH2)10(\text{CH}_2)_{10}(CH2​)10​ גמיש – פחות סדר.

TmT_mTm​ תלויה במידת הסידור של השרשרות (גבישיות) ובחוזק האינטראקציות ביניהן.
בשני הפולימרים יש קבוצות אמיד, ובין השרשרות נוצרים קשרי מימן.
- ניילון 6,T: טבעת הבנזן הופכת את השרשרת לקשיחה ופרושה (סעיף ה). שרשרות ישרות נארזות במסודר ובצפיפות; טבעות הבנזן המישוריות של שרשרות סמוכות נערמות זו מול זו – כוחות ואן דר ואלס חזקים (ענן אלקטרונים גדול), בנוסף לקשרי המימן. ביחידה החוזרת הקצרה יותר, קבוצות האמיד צפופות יותר.
- ניילון 6,12: קטע (CH2)10(\text{CH}_2)_{10}(CH2​)10​ ארוך וגמיש – השרשרת מתפתלת ונארזת פחות טוב, וקבוצות האמיד מרוחקות יותר זו מזו – פחות קשרי מימן ליחידת אורך.
לכן נדרשת אנרגיה רבה הרבה יותר להרס האזורים הגבישיים של ניילון 6,T, ו- TmT_mTm​ שלו (370ºC) גבוה בהרבה מזה של ניילון 6,12 (218ºC).

שאלה 4 · PB־1, PAN, PMAN ו־MXD6 – פלמור, טמפרטורה זגוגית וקופולימר

שאלה פתוחה33⅓ נקודות

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
בטבלה מוצג מידע על ארבעה פולימרים וכן מובאות נוסחאות מבנה של המונומרים שלהם.
שם הפולימר המתקבל מן המונומר / המונומרים הנתוניםנוסחה / נוסחאות מבנה של המונומר / המונומרים של הפולימרטמפרטורה זגוגית, Tg\text{T}_gTg​ , של הפולימר (oC)(^o\text{C})(oC)שימושים אחדים של הפולימר
פולי(1־בוטן) (PB־1)CH2=CH−CH2−CH3\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2-\text{CH}_3CH2​=CH−CH2​−CH3​−24-24−24צינורות למים חמים
פוליאקרילוניטריל (PAN)CH2=CH−CN\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CN}CH2​=CH−CN97סיבים אקריליים; חומר מוצא לייצור סיבי פחמן
פולימתאקרילוניטריל (PMAN)CH2=C(CH3)−CN\text{CH}_2=\text{C}(\text{CH}_3)-\text{CN}CH2​=C(CH3​)−CN120קופולימרים שלו משמשים באריזות החוסמות מעבר גזים
MXD6HOOC−(CH2)4−COOH\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_4-\text{COOH}HOOC−(CH2​)4​−COOH + H2N−CH2−C6H4−CH2−NH2\text{H}_2\text{N}-\text{CH}_2-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_2-\text{NH}_2H2​N−CH2​−C6​H4​−CH2​−NH2​85בקבוקים רב־שכבתיים החוסמים מעבר חמצן

שם הפולימר המתקבל מן המונומר / המונומרים הנתונים	נוסחה / נוסחאות מבנה של המונומר / המונומרים של הפולימר	טמפרטורה זגוגית, $\text{T}_g$ , של הפולימר $(^o\text{C})$	שימושים אחדים של הפולימר
פולי(1־בוטן) (PB־1)	$\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2-\text{CH}_3$	$-24$	צינורות למים חמים
פוליאקרילוניטריל (PAN)	$\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CN}$	97	סיבים אקריליים; חומר מוצא לייצור סיבי פחמן
פולימתאקרילוניטריל (PMAN)	$\text{CH}_2=\text{C}(\text{CH}_3)-\text{CN}$	120	קופולימרים שלו משמשים באריזות החוסמות מעבר גזים
MXD6	$\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_4-\text{COOH}$ + $\text{H}_2\text{N}-\text{CH}_2-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_2-\text{NH}_2$	85	בקבוקים רב־שכבתיים החוסמים מעבר חמצן

א.

(i)

קִבעו באיזו שיטת פִּלמור – דחיסה או סיפוח – הוכן כל אחד מארבעת הפולימרים.

(ii)

רִשמו את נוסחת המבנה ליחידה החוזרת של כל אחד מארבעת הפולימרים.

ב.

מתחת לטמפרטורה הזגוגית, Tg\text{T}_gTg​ , פולימר אמורפי קשיח ושביר כמו זכוכית; מעליה הוא נעשה רך וגמיש.
תארו ברמת החלקיקים מה קורה לשרשרות הפולימר כאשר מחממים אותו מטמפרטורה הנמוכה מ־ Tg\text{T}_gTg​ לטמפרטורה הגבוהה מ־ Tg\text{T}_gTg​ (אך נמוכה מ־ Tm\text{T}_mTm​ ).

ג.

(i)

הַסבירו מדוע ערך ה־ Tg\text{T}_gTg​ של PAN גבוה מערך ה־ Tg\text{T}_gTg​ של PB־1 .

(ii)

הַסבירו מדוע ערך ה־ Tg\text{T}_gTg​ של PMAN גבוה מערך ה־ Tg\text{T}_gTg​ של PAN .

(iii)

הַסבירו מדוע ערך ה־ Tg\text{T}_gTg​ של MXD6 הוא גבוה יחסית.

ד.

פוליאקרילוניטריל טהור קשה לעיבוד לסיבים. לכן מייצרים סיבים אקריליים מקופולימר של אקרילוניטריל, CH2=CH−CN\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CN}CH2​=CH−CN , עם כמות קטנה של מתיל אקרילט, CH2=CH−COO−CH3\text{CH}_2=\text{CH}-\text{COO}-\text{CH}_3CH2​=CH−COO−CH3​ .
רִשמו קטע מייצג של קופולימר אקראי של אקרילוניטריל ומתיל אקרילט.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
חוקרים ביצעו פלמור בשני כלים, A ו־ B , כדי לקבל MXD6 .
לכל אחד משני הכלים הכניסו החוקרים אותה כמות של מונומרים.
לכלי B הם הכניסו גם מעט חומצה אצטית, CH3−COOH\text{CH}_3-\text{COOH}CH3​−COOH , שהגיבה בכלי.
שרשרות הפולימר שהתקבל בכלי B קצרות משרשרות הפולימר שהתקבל בכלי A . הַסבירו עובדה זו.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
חוקרים ביצעו פלמור בשני כלים, A ו־ B , כדי לקבל MXD6 .
לכל אחד משני הכלים הכניסו החוקרים אותה כמות של מונומרים.
לכלי B הם הכניסו גם מעט חומצה אצטית, CH3−COOH\text{CH}_3-\text{COOH}CH3​−COOH , שהגיבה בכלי.
קִבעו אם היחידה החוזרת של הפולימר שהתקבל בכלי B זהה ליחידה החוזרת של הפולימר שהתקבל בכלי A או שונה ממנה. נמקו.

◂ פתרון מלא לשאלה 4

סעיף א

(i)

תשובה:

PB־1, PAN ו־ PMAN – פלמור סיפוח; MXD6 – פלמור דחיסה.

PB־1, PAN ו־ PMAN – פלמור סיפוח: לכל אחד מהם מונומר אחד ובו קשר כפול C=C\text{C}=\text{C}C=C ; בפלמור הקשר הכפול נפתח והמונומרים מתחברים זה לזה בלי שנפלטת מולקולה קטנה.
MXD6 – פלמור דחיסה: שני מונומרים, ולכל אחד שתי קבוצות פונקציונליות (שתי קבוצות קרבוקסיליות; שתי קבוצות אמיניות). קבוצה קרבוקסילית מגיבה עם קבוצה אמינית ונוצר קשר אמידי תוך פליטת מולקולת מים.

(ii)

תשובה:

PB־1: −CH2−CH(CH2CH3)−-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_2\text{CH}_3)-−CH2​−CH(CH2​CH3​)− ; PAN: −CH2−CH(CN)−-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-−CH2​−CH(CN)− ; PMAN: −CH2−C(CH3)(CN)−-\text{CH}_2-\text{C}(\text{CH}_3)(\text{CN})-−CH2​−C(CH3​)(CN)− ; MXD6: −NH−CH2−C6H4−CH2−NH−CO−(CH2)4−CO−-\text{NH}-\text{CH}_2-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_2-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_4-\text{CO}-−NH−CH2​−C6​H4​−CH2​−NH−CO−(CH2​)4​−CO−

•PB־1: −CH2−CH(CH2−CH3)−-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_2-\text{CH}_3)-−CH2​−CH(CH2​−CH3​)− (קבוצה צדדית אתילית).
•PAN: −CH2−CH(C≡N)−-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{C}\equiv\text{N})-−CH2​−CH(C≡N)−
•PMAN: −CH2−C(CH3)(C≡N)−-\text{CH}_2-\text{C}(\text{CH}_3)(\text{C}\equiv\text{N})-−CH2​−C(CH3​)(C≡N)− (שתי קבוצות צדדיות על אותו אטום פחמן).
•MXD6: −NH−CH2−C6H4−CH2−NH−CO−(CH2)4−CO−-\text{NH}-\text{CH}_2-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_2-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_4-\text{CO}-−NH−CH2​−C6​H4​−CH2​−NH−CO−(CH2​)4​−CO−
בפולימרי הסיפוח היחידה החוזרת זהה בהרכבה למונומר (הקשר הכפול הפך ליחיד). בפולימר הדחיסה היחידה החוזרת מכילה שארית של כל אחד משני המונומרים, בלי אטומי H ו־ OH שנפלטו כמים.

סעיף ב

תשובה:

מתחת ל־ Tg\text{T}_gTg​ השרשרות "קפואות" ורק רוטטות במקומן; מעל Tg\text{T}_gTg​ קטעי שרשרות באזורים האמורפיים מתחילים לנוע ולהסתובב סביב קשרים יחידים.

מתחת ל־ Tg\text{T}_gTg​ : לשרשרות אין די אנרגיה כדי להתגבר על כוחות המשיכה ביניהן. השרשרות "קפואות" במקומן – הן רק רוטטות סביב מקומן, ואינן יכולות להסתובב או לזוז זו ביחס לזו. לכן הפולימר קשיח ושביר.
בחימום אל מעל Tg\text{T}_gTg​ : האנרגיה של השרשרות גדלה. באזורים האמורפיים קטעים של שרשרות מתחילים לנוע: הם מסתובבים סביב קשרים יחידים בעמוד השדרה ומחליקים זה ליד זה. השרשרות אינן נפרדות לגמרי (האזורים הגבישיים, אם יש, נשארים מסודרים עד Tm\text{T}_mTm​), ולכן הפולימר רך וגמיש אך עדיין מוצק.

סעיף ג

(i)

תשובה:

ב־ PAN יש קבוצה קוטבית C≡N\text{C}\equiv\text{N}C≡N ולכן משיכות דו־קוטב–דו־קוטב חזקות בין השרשרות; ב־ PB־1 רק כוחות ואן דר ואלס.

בשני הפולימרים יש קבוצה צדדית אחת בכל יחידה חוזרת, בגודל דומה (קבוצה אתילית ב־ PB־1, קבוצה −C≡N-\text{C}\equiv\text{N}−C≡N ב־ PAN).
ב־ PAN הקשר C≡N\text{C}\equiv\text{N}C≡N קוטבי מאוד (הפרש אלקטרושליליות בין C ל־ N), ולכן בין השרשרות פועלות משיכות דו־קוטב–דו־קוטב חזקות, נוסף על כוחות ואן דר ואלס. ב־ PB־1 השרשרות אינן קוטביות, ופועלים ביניהן רק כוחות ואן דר ואלס.
כדי שקטעי השרשרות יתחילו לנוע זה ליד זה יש להתגבר על כוחות המשיכה ביניהם; ב־ PAN נדרשת לכך יותר אנרגיה, ולכן Tg\text{T}_gTg​ שלו גבוהה יותר.

(ii)

תשובה:

ב־ PMAN שתי קבוצות צדדיות (CH₃ ו־ CN) על אותו אטום פחמן מגבילות את הסיבוב סביב הקשרים בעמוד השדרה – השרשרת קשיחה יותר.

ב־ PMAN כל אטום פחמן שני בעמוד השדרה נושא שתי קבוצות צדדיות – −CH3-\text{CH}_3−CH3​ ו־ −C≡N-\text{C}\equiv\text{N}−C≡N – ואילו ב־ PAN אטום פחמן זה נושא קבוצת −C≡N-\text{C}\equiv\text{N}−C≡N ואטום H קטן.
שתי הקבוצות הצדדיות תופסות נפח רב ליד עמוד השדרה ומפריעות לסיבוב סביב הקשרים היחידים C−C\text{C}-\text{C}C−C ; לכן השרשרת של PMAN קשיחה יותר. בנוסף, ענן האלקטרונים של היחידה החוזרת גדול יותר, ולכן כוחות ואן דר ואלס בין השרשרות חזקים יותר. (הקבוצה הקוטבית C≡N\text{C}\equiv\text{N}C≡N קיימת בשני הפולימרים.)
לכן נדרשת יותר אנרגיה כדי שקטעי השרשרות יתחילו לנוע, ו־ Tg\text{T}_gTg​ של PMAN גבוהה יותר.

(iii)

תשובה:

בין שרשרות MXD6 נוצרים קשרי מימן בין הקבוצות האמידיות; גם טבעות הבנזן הקשיחות בעמוד השדרה תורמות.

MXD6 הוא פוליאמיד: בכל יחידה חוזרת יש שתי קבוצות אמידיות. בין אטום H הקשור לאטום N בשרשרת אחת ובין אטום O של קבוצת C=O\text{C}=\text{O}C=O בשרשרת שכנה נוצרים קשרי מימן – כוחות משיכה חזקים בהרבה מכוחות ואן דר ואלס.
בנוסף, טבעת הבנזן בעמוד השדרה היא קטע קשיח שאינו מסתובב, ולכן השרשרת קשיחה יחסית.
כדי שקטעי השרשרות יתחילו לנוע יש לשבור חלק מקשרי המימן ולהתגבר על קשיחות השרשרת, ולכן Tg\text{T}_gTg​ גבוהה יחסית (למשל לעומת PB־1).

סעיף ד

תשובה:

לדוגמה: −CH2−CH(CN)−CH2−CH(CN)−CH2−CH(COOCH3)−CH2−CH(CN)−CH2−CH(COOCH3)−CH2−CH(CN)−-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{COOCH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{COOCH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-−CH2​−CH(CN)−CH2​−CH(CN)−CH2​−CH(COOCH3​)−CH2​−CH(CN)−CH2​−CH(COOCH3​)−CH2​−CH(CN)−

בקופולימר אקראי שני סוגי המונומרים מופיעים לאורך אותה שרשרת בסדר לא קבוע. כל מונומר תורם יחידה −CH2−CH(X)−-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{X})-−CH2​−CH(X)− , כאשר X=−CN\text{X} = -\text{CN}X=−CN (מאקרילוניטריל) או X=−COOCH3\text{X} = -\text{COOCH}_3X=−COOCH3​ (ממתיל אקרילט).
קטע מייצג (6 יחידות, בסדר אקראי):
−CH2−CH(CN)−CH2−CH(CN)−CH2−CH(COOCH3)−CH2−CH(CN)−CH2−CH(COOCH3)−CH2−CH(CN)−-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{COOCH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{COOCH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-−CH2​−CH(CN)−CH2​−CH(CN)−CH2​−CH(COOCH3​)−CH2​−CH(CN)−CH2​−CH(COOCH3​)−CH2​−CH(CN)−
טעות נפוצה: לרשום רצף מתחלף קבוע (A–B–A–B) – זהו קופולימר מתחלף ולא אקראי; או להשאיר קשר כפול ביחידות.

סעיף ה

תשובה:

לחומצה האצטית קבוצה קרבוקסילית אחת בלבד: כשהיא מגיבה עם קבוצה אמינית בקצה שרשרת, הקצה נחסם והשרשרת אינה יכולה להמשיך להתארך מצד זה.

בפלמור דחיסה השרשרת מתארכת משני קצותיה, כי לכל מונומר שתי קבוצות פונקציונליות: בכל פעם שקבוצה אמינית בקצה שרשרת מגיבה עם קבוצה קרבוקסילית, נוצר קשר אמידי, ובקצה החדש נשארת קבוצה פונקציונלית חופשית להמשך התגובה.
לחומצה אצטית יש קבוצה קרבוקסילית אחת בלבד. כאשר היא מגיבה עם קבוצה אמינית בקצה שרשרת, נוצר קשר אמידי, אבל בקצה החדש יש קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ שאינה יכולה להגיב. הקצה "נחסם", והשרשרת אינה ממשיכה לגדול מצד זה.
לכן בכלי B שרשרות רבות מפסיקות לגדול מוקדם, ומתקבלות שרשרות קצרות יותר (דרגת פלמור ממוצעת קטנה יותר).

סעיף ו

תשובה:

היחידה החוזרת זהה.

היחידה החוזרת זהה.
היחידה החוזרת נקבעת לפי שני המונומרים שמהם בנויה השרשרת: −NH−CH2−C6H4−CH2−NH−CO−(CH2)4−CO−-\text{NH}-\text{CH}_2-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_2-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_4-\text{CO}-−NH−CH2​−C6​H4​−CH2​−NH−CO−(CH2​)4​−CO− , בשני הכלים.
החומצה האצטית מגיבה רק בקצוות של שרשרות (כי יש לה קבוצה פונקציונלית אחת), ולכן היא אינה נכנסת לתוך השרשרת ואינה חלק מן היחידה החוזרת. היא משנה רק את קצות השרשרות ואת אורכן.

פרק שלישי – כימיה פיזיקלית

שאלה 5 · נפתלן, טטרצן ופנטצן, זאקסנתין ומתיל אורנג' – צימוד, צבע, הפרש HOMO–LUMO וספקטרום פליטה של אבץ

שאלה פתוחה33⅓ נקודות

ענה על הסעיפים א, ב, ג, ו, ועל אחד מן הסעיפים ד או ה.
במעבדה חקרו שלושה פחמימנים ארומטיים, הבנויים מטבעות בנזן מאוחות בשורה:
— \quad נפתלן (שתי טבעות) — שימש בעבר בכדורים נגד עש.
— \quad טטרצן (ארבע טבעות).
— \quad פנטצן (חמש טבעות) — משמש מוליך למחצה אורגני בטרנזיסטורים גמישים.
לפניך נוסחאות המבנה של שלושת החומרים (A – נפתלן, B – טטרצן, C – פנטצן; אטומי הפחמן והמימן אינם מסומנים):

א.

הצבעים של החומרים שונים: אחד לבן, אחד כתום ואחד סגול כהה. איזה חומר הוא כתום, ואיזה סגול? נמק.

ב.

המסו כמות קטנה מכל אחד מן החומרים בממס אורגני חסר צבע.
התקבלו שלוש תמיסות: תמיסה (1) סגולה, תמיסה (2) כתומה, תמיסה (3) חסרת צבע.

(i)

תמיסה (3) התקבלה על ידי המסת החומר הלבן. הסבר מדוע תמיסה (3) היא חסרת צבע.

(ii)

לכל אחת משלוש התמיסות מדדו את אורך הגל שבו הבליעה מקסימלית.
אורכי הגל הם: 474 nm474\ \text{nm}474 nm , 286 nm286\ \text{nm}286 nm , 580 nm580\ \text{nm}580 nm .
התאם כל אחד מאורכי הגל שנמדדו לכל אחת מן התמיסות (1) , (2) , (3) . נמק.

(iii)

חשב את הפרש האנרגייה בין אורביטל ה־ HOMO לאורביטל ה־ LUMO עבור פנטצן. פרט את חישוביך.

ג.

זאקסנתין הוא צבען צהוב, הנמצא, בין השאר, בגרעיני תירס. במולקולת זאקסנתין יש מערכת של 11 קשרים כפולים C=C\text{C}=\text{C}C=C מצומדים (9 בשרשרת מרכזית ארוכה ו־ 2 בטבעות שבקצותיה).
קבע באיזה אורך גל, 450 nm450\ \text{nm}450 nm או 570 nm570\ \text{nm}570 nm , מולקולות הזאקסנתין בולעות קרינה. נמק.

ד.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ה.
סטירן, C6H5−CH=CH2\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}=\text{CH}_2C6​H5​−CH=CH2​ , הוא נוזל חסר צבע המשמש מונומר לייצור פוליסטירן.
הסבר מדוע סטירן בולע קרינה באורך גל קצר יותר מאורך הגל שבו זאקסנתין בולע.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ד.
מתיל אורנג' הוא צבען המשמש אינדיקטור לחומציות. בתמיסה בסיסית הוא צהוב, ונוסחת המבנה של החלקיק בתמיסה זו היא:
(CH3)2N−C6H4−N=N−C6H4−SO3−(\text{CH}_3)_2\text{N}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{N}=\text{N}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{SO}_3^{-}(CH3​)2​N−C6​H4​−N=N−C6​H4​−SO3−​
(שתי טבעות הבנזן קשורות לקבוצות שבצדיהן בעמדות מנוגדות.)
קבע אם החלקיק בולע אור בתחום הנראה. הסבר את קביעתך ברמה מיקרוסקופית.

ו.

בספקטרום פליטה של מנורת אבץ מופיעים, בין השאר, קווים באורכי הגל האלה:
213.9 nm213.9\ \text{nm}213.9 nm , 307.6 nm307.6\ \text{nm}307.6 nm , 481.1 nm481.1\ \text{nm}481.1 nm , 636.2 nm636.2\ \text{nm}636.2 nm .

(i)

קבע עבור כל אחד מאורכי גל אלה באיזה תחום הוא נמצא — אינפרה אדום (תת־אדום), אור נראה או אולטרה סגול (על־סגול). נמק.

(ii)

קבע לאיזה מאורכי גל אלה מתאימים פוטונים בעלי האנרגייה הנמוכה ביותר. נמק ללא חישוב.

◂ פתרון מלא לשאלה 5

סעיף א

תשובה:

טטרצן (B) – כתום; פנטצן (C) – סגול (נפתלן – לבן).

טטרצן כתום, פנטצן סגול (ונפתלן הוא החומר הלבן).
מספר הקשרים הכפולים המצומדים: בנפתלן – 5, בטטרצן – 9, בפנטצן – 11; כל הקשרים הכפולים בכל מולקולה מצומדים זה לזה.
ככל שמערכת הקשרים הכפולים המצומדים גדולה יותר, אלקטרוני ה־ π\piπ אל־מאותרים על פני אזור גדול יותר, והפרש האנרגיה בין אורביטל ה־ HOMO לאורביטל ה־ LUMO קטן יותר – החומר בולע פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה יותר, באורך גל ארוך יותר.
•נפתלן (מערכת קטנה) בולע רק באולטרה־סגול – אינו בולע אור נראה, ולכן לבן.
•טטרצן בולע בתחום הכחול, וצבעו הוא הצבע המשלים לכחול – כתום.
•פנטצן (המערכת הגדולה ביותר) בולע באורך גל ארוך יותר – בתחום הצהוב, וצבעו הוא הצבע המשלים לצהוב – סגול.

סעיף ב

(i)

תשובה:

בנפתלן מערכת צימוד קטנה – הפרש HOMO–LUMO גדול, והוא בולע רק באולטרה־סגול; גם הממס אינו בולע אור נראה, ולכן כל האור הנראה עובר.

החומר הלבן הוא נפתלן. במולקולה שלו מערכת צימוד קטנה (שתי טבעות, 5 קשרים כפולים מצומדים), ולכן ההפרש בין אורביטל ה־ HOMO לאורביטל ה־ LUMO גדול. הפוטונים שהאנרגיה שלהם מתאימה להפרש זה הם בתחום האולטרה־סגול (אורך גל קצר מ־ 390 nm390\ \text{nm}390 nm), ולכן נפתלן אינו בולע אור נראה. גם הממס חסר צבע – אינו בולע אור נראה. כל אורכי הגל של האור הנראה עוברים דרך התמיסה, ולכן היא חסרת צבע.

(ii)

תשובה:

תמיסה (1) – 580 nm580\ \text{nm}580 nm; תמיסה (2) – 474 nm474\ \text{nm}474 nm; תמיסה (3) – 286 nm286\ \text{nm}286 nm.

- תמיסה (3) (חסרת צבע, נפתלן) – 286 nm286\ \text{nm}286 nm: תחום האולטרה־סגול (קצר מ־ 390 nm390\ \text{nm}390 nm) – אין בליעה בתחום הנראה; מתאים למערכת הצימוד הקטנה ביותר.
- תמיסה (2) (כתומה, טטרצן) – 474 nm474\ \text{nm}474 nm: 474 nm474\ \text{nm}474 nm בתחום הכחול (455455455–492 nm492\ \text{nm}492 nm), והצבע המשלים לכחול הוא כתום.
- תמיסה (1) (סגולה, פנטצן) – 580 nm580\ \text{nm}580 nm: 580 nm580\ \text{nm}580 nm בתחום הצהוב (577577577–597 nm597\ \text{nm}597 nm), והצבע המשלים לצהוב הוא סגול. לפנטצן מערכת הצימוד הגדולה ביותר, ולכן הוא בולע באורך הגל הארוך ביותר (הפרש HOMO–LUMO הקטן ביותר).

(iii)

תשובה:

ΔE≈2.14 eV≈3.4⋅10−19 J\Delta E \approx 2.14\ \text{eV} \approx 3.4\cdot 10^{-19}\ \text{J}ΔE≈2.14 eV≈3.4⋅10−19 J

פנטצן בולע בבליעה מקסימלית ב־ λ=580 nm\lambda = 580\ \text{nm}λ=580 nm (תת־סעיף ii). אנרגיית הפוטון הנבלע שווה להפרש האנרגיה בין ה־ HOMO ל־ LUMO:
EeV=1240λnm=1240580 nm≈2.14 eVE_{\text{eV}} = \frac{1240}{\lambda_{\text{nm}}} = \frac{1240}{580\ \text{nm}} \approx 2.14\ \text{eV}EeV​=λnm​1240​=580 nm1240​≈2.14 eV
ביחידות ג'אול:
E=2.14 eV⋅1.6⋅10−19 JeV≈3.42⋅10−19 JE = 2.14\ \text{eV}\cdot 1.6\cdot 10^{-19}\ \tfrac{\text{J}}{\text{eV}} \approx 3.42\cdot 10^{-19}\ \text{J}E=2.14 eV⋅1.6⋅10−19 eVJ​≈3.42⋅10−19 J
(ובדרך נוספת: E=hcλ=6.63⋅10−34 J⋅s⋅3.0⋅108 ms580⋅10−9 m≈3.43⋅10−19 JE = \frac{hc}{\lambda} = \frac{6.63\cdot 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}\cdot 3.0\cdot 10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{s}}}{580\cdot 10^{-9}\ \text{m}} \approx 3.43\cdot 10^{-19}\ \text{J}E=λhc​=580⋅10−9 m6.63⋅10−34 J⋅s⋅3.0⋅108 sm​​≈3.43⋅10−19 J)

סעיף ג

תשובה:

450 nm450\ \text{nm}450 nm

קביעה: זאקסנתין בולע קרינה ב־ 450 nm450\ \text{nm}450 nm.
זאקסנתין צבעו צהוב. הצבע הנראה הוא הצבע המשלים לצבע האור הנבלע. לפי גלגל הצבעים, הצבע שמול הצהוב הוא הסגול (390390390–455 nm455\ \text{nm}455 nm), ו־ 450 nm450\ \text{nm}450 nm נמצא בתחום זה. לכן זאקסנתין בולע אור סגול, ואנו רואים אותו צהוב.
אילו היה בולע ב־ 570 nm570\ \text{nm}570 nm (תחום הירוק), היינו רואים את הצבע המשלים לירוק – אדום, ולא צהוב.

סעיף ד

תשובה:

בסטירן מערכת צימוד קטנה (טבעת בנזן וקשר כפול אחד) – הפרש HOMO–LUMO גדול; בזאקסנתין מערכת ארוכה של 11 קשרים כפולים מצומדים – הפרש קטן.

בסטירן מערכת הצימוד קטנה: טבעת בנזן אחת וקשר כפול C=C\text{C}=\text{C}C=C אחד הקשור אליה – אלקטרוני ה־ π\piπ אל־מאותרים על פני שמונה אטומי פחמן בלבד, וההפרש בין אורביטל ה־ HOMO לאורביטל ה־ LUMO גדול.
בזאקסנתין יש מערכת ארוכה של 11 קשרים כפולים מצומדים, ואלקטרוני ה־ π\piπ אל־מאותרים על פני אזור גדול בהרבה; ככל שמערכת הצימוד ארוכה יותר, ההפרש בין ה־ HOMO ל־ LUMO קטן יותר.
לפי E=hcλE = \frac{hc}{\lambda}E=λhc​: סטירן בולע פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה – באורך גל קצר (באולטרה־סגול, ולכן הוא חסר צבע), ואילו זאקסנתין בולע פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה יותר – באורך גל ארוך יותר (בתחום הנראה).

סעיף ה

תשובה:

כן – בולע אור נראה (סגול־כחול), בזכות מערכת צימוד ארוכה (שתי טבעות בנזן וקשר N=N\text{N}=\text{N}N=N) והפרש HOMO–LUMO קטן.

קביעה: החלקיק בולע אור בתחום הנראה.
הסבר ברמה המיקרוסקופית: בחלקיק יש מערכת צימוד ארוכה – שתי טבעות בנזן המחוברות דרך קשר כפול N=N\text{N}=\text{N}N=N, כך שכל הקשרים הכפולים (שלושה בכל טבעת ו־ N=N\text{N}=\text{N}N=N) מתחלפים עם קשרים יחידים. גם זוג האלקטרונים הלא קושר של אטום החנקן בקבוצה (CH3)2N−(\text{CH}_3)_2\text{N}-(CH3​)2​N− משתתף באל־איתור. אלקטרוני ה־ π\piπ אל־מאותרים על פני כמעט כל החלקיק, ולכן ההפרש בין אורביטל ה־ HOMO לאורביטל ה־ LUMO קטן, ואנרגיה זו מתאימה לפוטונים של אור נראה.
העובדה שהתמיסה צבעונית (צהובה) מראה שהחלקיק בולע אור נראה: הוא בולע את הצבע המשלים לצהוב – סגול (וחלק מהכחול), ואנו רואים את האור שאינו נבלע – צהוב.

סעיף ו

(i)

תשובה:

213.9 nm213.9\ \text{nm}213.9 nm, 307.6 nm307.6\ \text{nm}307.6 nm – אולטרה סגול; 481.1 nm481.1\ \text{nm}481.1 nm, 636.2 nm636.2\ \text{nm}636.2 nm – אור נראה.

תחום האור הנראה הוא בערך 390390390–780 nm780\ \text{nm}780 nm. קרינה באורך גל קצר מ־ 390 nm390\ \text{nm}390 nm היא אולטרה סגול, וקרינה באורך גל ארוך מ־ 780 nm780\ \text{nm}780 nm היא אינפרה אדום.
- 213.9 nm213.9\ \text{nm}213.9 nm, 307.6 nm307.6\ \text{nm}307.6 nm – קצרים מ־ 390 nm390\ \text{nm}390 nm – אולטרה סגול.
- 481.1 nm481.1\ \text{nm}481.1 nm (כחול, 455455455–492 nm492\ \text{nm}492 nm) ו־ 636.2 nm636.2\ \text{nm}636.2 nm (אדום, 622622622–780 nm780\ \text{nm}780 nm) – בין 390390390 ל־ 780 nm780\ \text{nm}780 nm – אור נראה.
אף אחד מהקווים אינו בתחום האינפרה אדום.

(ii)

תשובה:

636.2 nm636.2\ \text{nm}636.2 nm

636.2 nm636.2\ \text{nm}636.2 nm.
אנרגיית הפוטון E=hcλE = \frac{hc}{\lambda}E=λhc​ עומדת ביחס הפוך לאורך הגל: ככל שאורך הגל ארוך יותר, אנרגיית הפוטון נמוכה יותר. 636.2 nm636.2\ \text{nm}636.2 nm הוא אורך הגל הארוך ביותר מבין הארבעה, ולכן לפוטונים שלו האנרגיה הנמוכה ביותר.

שאלה 6 · שכבת האוזון – UVC ו־UVB, ספקטרה בליעה של O₃ ו־O₂, צבע, מנורת אבץ ופער אנרגיה ביהלום

שאלה פתוחה33⅓ נקודות

שכבת האוזון בסטרטוספרה מגנה על היצורים החיים בכדור הארץ מפני קרינה אולטרה־סגולה (UV) המגיעה מן השמש. קרינה זו עלולה לפגוע בתאים חיים, בין השאר בחומר התורשתי שלהם.
בין סוגי הקרינה האולטרה־סגולה: UVC בתחום אורכי הגל 100 nm−280 nm100\ \text{nm} - 280\ \text{nm}100 nm−280 nm ,
ו־ UVB בתחום אורכי הגל 280 nm−315 nm280\ \text{nm} - 315\ \text{nm}280 nm−315 nm .

א.

קבע איזו קרינה, UVC או UVB , גורמת נזק גדול יותר לתאים חיים. נמק.

ב.

בגרף שלפניך מוצגים באופן סכמטי ספקטרה בליעה של אוזון, O3\text{O}_3O3​ , ושל חמצן, O2\text{O}_2O2​ .
באטמוספרה יש הרבה יותר מולקולות O2\text{O}_2O2​ ממולקולות O3\text{O}_3O3​ . למרות זאת, ההגנה מפני קרינת UV בתחום 220 nm−300 nm220\ \text{nm} - 300\ \text{nm}220 nm−300 nm ניתנת בעיקר על ידי האוזון. הסבר עובדה זו.

ג.

קיימים חרוזים המכילים צבען פוטוכרומי. בתוך הבית החרוזים חסרי צבע, אך כאשר הם נחשפים לקרינת UV מן השמש, מולקולות הצבען משנות את מבנן, ומתחילות לבלוע אור באורך גל 610 nm610\ \text{nm}610 nm . מה צבעם של החרוזים בשמש? נמק.

ד.

כדי למדוד בליעה של קרינת UV במעבדה, משתמשים בין השאר במנורת אבץ. מנורה זו פולטת קרינה אולטרה־סגולה בעיקר באורך גל 213.9 nm213.9\ \text{nm}213.9 nm .

(i)

חשב את תדירות הקרינה הנפלטת באורך גל 213.9 nm213.9\ \text{nm}213.9 nm . פרט את חישוביך.

(ii)

הסבר מדוע ספקטרום הפליטה של מנורת אבץ הוא קווי ולא רציף.

ה.

גלאים לקרינת UV אפשר להכין מיהלום. יהלום בנוי מאטומי פחמן בלבד, והפרש האנרגיה בין פס ההולכה לפס הערכיות שלו הוא 5.5 eV5.5\ \text{eV}5.5 eV .

(i)

יהלום הוא מבודד חשמלי. הסבר עובדה זו על פי מבנה פסי האנרגיה.

(ii)

קבע אם הקרינה של מנורת האבץ (213.9 nm213.9\ \text{nm}213.9 nm) יכולה להעביר אלקטרונים ביהלום מפס הערכיות לפס ההולכה, וקבע אם אור כחול באורך גל 450 nm450\ \text{nm}450 nm יכול לעשות זאת. נמק בעזרת חישוב.

◂ פתרון מלא לשאלה 6

סעיף א

תשובה:

UVC – אורך הגל קצר יותר, ולכן אנרגיית הפוטונים גדולה יותר.

קביעה: קרינת UVC גורמת נזק גדול יותר.
E=hν=h⋅cλE = h\nu = \frac{h \cdot c}{\lambda}E=hν=λh⋅c​ – ככל שאורך הגל קצר יותר, אנרגיית הפוטון גדולה יותר.
אורכי הגל של קרינת UVC (100−280 nm100-280\ \text{nm}100−280 nm) קצרים מאלה של UVB (280−315 nm280-315\ \text{nm}280−315 nm), ולכן לפוטונים של UVC יש אנרגיה גדולה יותר (למשל, לפי EeV=1240λnmE_{eV} = \frac{1240}{\lambda_{nm}}EeV​=λnm​1240​: ב־ 250 nm250\ \text{nm}250 nm כ־ 5.0 eV5.0\ \text{eV}5.0 eV , וב־ 300 nm300\ \text{nm}300 nm כ־ 4.1 eV4.1\ \text{eV}4.1 eV).
פוטונים בעלי אנרגיה גדולה יותר יכולים לעורר מולקולות בתאים ולשבור בהן קשרים, ולכן הנזק גדול יותר.

סעיף ב

תשובה:

O2\text{O}_2O2​ בולע רק באורכי גל קצרים מכ־ 200 nm ואינו בולע בתחום 220–300 nm, ואילו O3\text{O}_3O3​ בולע בעוצמה גבוהה בתחום זה (שיא בכ־ 255 nm).

לפי הגרף:
- חמצן, O2\text{O}_2O2​ , בולע בעוצמה רק באורכי גל קצרים מכ־ 200 nm200\ \text{nm}200 nm . בתחום 220−300 nm220-300\ \text{nm}220−300 nm הבליעה שלו כמעט אפסית – קרינה זו עוברת דרכו, ולכן גם הכמות הגדולה של O2\text{O}_2O2​ באטמוספרה אינה עוצרת אותה.
- אוזון, O3\text{O}_3O3​ , בולע בעוצמה גבוהה בכל התחום של כ־ 220−300 nm220-300\ \text{nm}220−300 nm (שיא הבליעה בכ־ 255 nm255\ \text{nm}255 nm), כלומר את רוב קרינת ה־ UVC ואת חלק מקרינת ה־ UVB .
חומר יכול להגן מפני קרינה רק אם הוא בולע אותה. לכן, אף שיש פחות אוזון, הוא שבולע את הקרינה בתחום 220−300 nm220-300\ \text{nm}220−300 nm ומונע את הגעתה לפני כדור הארץ.

סעיף ג

תשובה:

כחול – החרוזים בולעים אור כתום (610 nm), והצבע הנראה הוא הצבע המשלים לכתום.

קביעה: החרוזים כחולים.
אורך הגל 610 nm610\ \text{nm}610 nm נמצא בתחום האור הכתום (597−622 nm597-622\ \text{nm}597−622 nm בגלגל הצבעים), כלומר בשמש הצבען בולע אור כתום.
הצבע הנראה הוא הצבע המשלים לצבע הנבלע – הצבע הנמצא מולו בגלגל הצבעים. הצבע המשלים לכתום הוא כחול.
(בבית, לפני החשיפה, מבנה הצבען שונה והוא בולע רק קרינת UV , ולכן החרוזים חסרי צבע.)

סעיף ד

(i)

תשובה:

ν≈1.4⋅1015 1sec\nu \approx 1.4 \cdot 10^{15}\ \frac{1}{\text{sec}}ν≈1.4⋅1015 sec1​ (Hz)

λ=cν ⇒ ν=cλ\lambda = \frac{c}{\nu} \ \Rightarrow\ \nu = \frac{c}{\lambda}λ=νc​ ⇒ ν=λc​ , עם c=3.0⋅108 msecc = 3.0 \cdot 10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{sec}}c=3.0⋅108 secm​ .
המרת אורך הגל למטרים: λ=213.9 nm⋅10−9 mnm=2.139⋅10−7 m\lambda = 213.9\ \text{nm} \cdot 10^{-9}\ \frac{\text{m}}{\text{nm}} = 2.139 \cdot 10^{-7}\ \text{m}λ=213.9 nm⋅10−9 nmm​=2.139⋅10−7 m .
ν=cλ=3.0⋅108 msec2.139⋅10−7 m≈1.4⋅1015 1sec\nu = \frac{c}{\lambda} = \frac{3.0 \cdot 10^{8}\ \frac{\text{m}}{\text{sec}}}{2.139 \cdot 10^{-7}\ \text{m}} \approx 1.4 \cdot 10^{15}\ \frac{1}{\text{sec}}ν=λc​=2.139⋅10−7 m3.0⋅108 secm​​≈1.4⋅1015 sec1​

(ii)

תשובה:

האלקטרונים באטומי האבץ יכולים להימצא רק ברמות אנרגיה מוגדרות; בכל מעבר מרמה גבוהה לנמוכה נפלט פוטון שהאנרגיה שלו שווה להפרש בין הרמות, ולכן נפלטים רק אורכי גל מסוימים.

כאשר מעבירים זרם חשמלי דרך אדי המתכת בנורה, האטומים מקבלים אנרגיה, והאלקטרונים שלהם עוברים לרמות אנרגיה גבוהות (עירור). כשהאלקטרונים חוזרים לרמות אנרגיה נמוכות יותר, נפלטים פוטונים.
האנרגיה של האלקטרונים באטום מקוונטטת: האלקטרונים יכולים להימצא רק ברמות אנרגיה מוגדרות, ולכן הפרשי האנרגיה בין הרמות הם ערכים מסוימים בלבד. האנרגיה של כל פוטון שנפלט שווה להפרש האנרגיה בין שתי הרמות שביניהן עבר האלקטרון (ΔE=hν=h⋅cλ\Delta E = h\nu = \frac{h \cdot c}{\lambda}ΔE=hν=λh⋅c​), ולכן נפלטים רק פוטונים בעלי אנרגיות מסוימות – כלומר רק אורכי גל מסוימים. בספקטרום מתקבלים קווים נפרדים, ולא תחום רציף של אורכי גל.

סעיף ה

(i)

תשובה:

פס הערכיות מלא, פס ההולכה ריק, ופער האנרגיה ביניהם גדול מאוד (5.5 eV) – בטמפרטורת החדר אלקטרונים כמעט אינם עוברים לפס ההולכה, ולכן אין אלקטרונים חופשיים להולכה.

בסריג היהלום האורביטלים של אטומי הפחמן יוצרים פסי אנרגיה. פס הערכיות מלא באלקטרונים: האלקטרונים בו אינם יכולים לנוע בתגובה למתח חשמלי, כי אין בפס זה רמות ריקות שאליהן יוכלו לעבור. פס ההולכה, שבו אלקטרונים יכולים לנוע, ריק.
פער האנרגיה האסור בין שני הפסים ביהלום גדול מאוד (5.5 eV5.5\ \text{eV}5.5 eV). האנרגיה התרמית בטמפרטורת החדר קטנה בהרבה מפער זה, ולכן כמעט שום אלקטרון אינו עובר לפס ההולכה. אין אלקטרונים שיכולים לנוע ולהוליך זרם – היהלום הוא מבודד.

(ii)

תשובה:

קרינה של 213.9 nm – כן (≈5.8 eV>5.5 eV\approx 5.8\ \text{eV} > 5.5\ \text{eV}≈5.8 eV>5.5 eV); אור של 450 nm – לא (≈2.8 eV<5.5 eV\approx 2.8\ \text{eV} < 5.5\ \text{eV}≈2.8 eV<5.5 eV).

אנרגיות הפוטונים, לפי EeV=1240λnmE_{eV} = \frac{1240}{\lambda_{nm}}EeV​=λnm​1240​:
E(213.9 nm)=1240213.9≈5.8 eVE(450 nm)=1240450≈2.8 eVE(213.9\ \text{nm}) = \frac{1240}{213.9} \approx 5.8\ \text{eV} \qquad E(450\ \text{nm}) = \frac{1240}{450} \approx 2.8\ \text{eV}E(213.9 nm)=213.91240​≈5.8 eVE(450 nm)=4501240​≈2.8 eV
כדי להעביר אלקטרון מפס הערכיות לפס ההולכה, אנרגיית הפוטון צריכה להיות לפחות שווה לפער האנרגיה, 5.5 eV5.5\ \text{eV}5.5 eV .
- קרינת מנורת האבץ – כן: 5.8 eV>5.5 eV5.8\ \text{eV} > 5.5\ \text{eV}5.8 eV>5.5 eV , ולכן הפוטונים נבלעים ומעבירים אלקטרונים לפס ההולכה (והגלאי מוליך זרם).
- אור כחול – לא: 2.8 eV<5.5 eV2.8\ \text{eV} < 5.5\ \text{eV}2.8 eV<5.5 eV , ולכן הפוטונים אינם יכולים להעביר אלקטרונים לפס ההולכה.
לכן גלאי יהלום מגיב לקרינת UV באורכי גל קצרים, אך אינו מגיב לאור נראה.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	א i	$\Delta H^0_{(1)} = -101.0\ \text{kJ}$
	א ii	מ־2 מול גז במגיבים מתקבלים 0 מול גז (התוצר נוזל) – פחות פיזור של חלקיקים ושל אנרגיה.
	ב i	בתגובה (1).
	ב ii	הלחץ בכלי יורד.
	ב iii	בתגובה (1).
	ג	$K_c = \dfrac{[\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3]}{[\text{CH}_3\text{COCH}_3]\cdot[\text{H}_2]}$ ; $K_c = 15\ \text{M}^{-1}$ (ב־ $500\ \text{K}$ )
	ד	קטן מ־15 (הערך ב־ $500\ \text{K}$ ).
2	א i	$K_c=\frac{[\text{Cl}_{2(g)}]^2\cdot[\text{H}_2\text{O}_{(g)}]^2}{[\text{HCl}_{(g)}]^4\cdot[\text{O}_{2(g)}]}$
	א ii	600 K: $K_c=8.2\cdot10^{4}$ ; 800 K: $K_c=3.5\cdot10^{2}$ .
	ב i	$\Delta S^o$ מערכת $=-129.0\ \frac{\text{J}}{\text{K}}$
	ב ii	שלילי: מ-5 מול גז מתקבלים 4 מול גז.
	ג	i – גדול; ii – קטן; iii – שווה.
	ד	מהירות התגובה ההפוכה תגדל.
	ה	$\Delta S^o$ סביבה $=+383.9\ \frac{\text{J}}{\text{K}}$
	ו	חיובי – התגובה אקסותרמית, חום עובר לסביבה.
3	א i	כל ארבעת הפולימרים (1)-(4) – בפלמור דחיסה.
	א ii	(1) $-\text{O}-(\text{CH}_2)_4-\text{O}-\text{CO}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CO}-$ ; (2) $-\text{NH}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{10}-\text{CO}-$ ; (3) $-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{CO}-$
	ב i	המתיחה פורשת את השרשרות המפותלות ומסדרת אותן במקביל לציר הסיב; שרשרות מקבילות מתקרבות, קבוצות האמיד שלהן נעמדות זו מול זו ויוצרות קשרי מימן – נוצרים יותר אזורים גבישיים.
	ב ii	(1): שרשרות קוויות וקשיחות (טבעות בנזן) – גבישיות גבוהה; אינטראקציות דו-קוטב בין קבוצות האסטר ו- $T_m$ גבוה. (2): שרשרות קוויות ללא הסתעפויות; קשרי מימן בין השרשרות; קטעי $\text{CH}_2$ ארוכים – ספיגת מים נמוכה.
	ג	ב- PBT טבעת בנזן קשיחה ושטוחה בעמוד השדרה – שרשרות פרושות, נארזות במסודר, ובין הטבעות כוחות ואן דר ואלס חזקים; ב- PBS קטע $(\text{CH}_2)_2$ גמיש – פחות סדר ואינטראקציות חלשות יותר. לכן $T_m$ של PBT גבוה.
	ד i	למשל: $-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_3-\text{CO}-\text{O}-(\text{CH}_2)_5-\text{CO}-$
	ד ii	בקופולימר האקראי המרחקים בין קבוצות האסטר משתנים באופן לא סדיר – השרשרות אינן מתאימות זו לזו ואינן נארזות במסודר; הגבישיות קטנה ו- $T_m$ נמוך.
	ה	בניילון 6,T.
	ו	בניילון 6,T טבעות בנזן קשיחות – שרשרות פרושות הנארזות במסודר, עם קשרי מימן וכוחות ואן דר ואלס חזקים בין הטבעות; בניילון 6,12 קטע $(\text{CH}_2)_{10}$ גמיש – פחות סדר.
4	א i	PB־1, PAN ו־ PMAN – פלמור סיפוח; MXD6 – פלמור דחיסה.
	א ii	PB־1: $-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_2\text{CH}_3)-$ ; PAN: $-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-$ ; PMAN: $-\text{CH}_2-\text{C}(\text{CH}_3)(\text{CN})-$ ; MXD6: $-\text{NH}-\text{CH}_2-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_2-\text{NH}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_4-\text{CO}-$
	ב	מתחת ל־ $\text{T}_g$ השרשרות "קפואות" ורק רוטטות במקומן; מעל $\text{T}_g$ קטעי שרשרות באזורים האמורפיים מתחילים לנוע ולהסתובב סביב קשרים יחידים.
	ג i	ב־ PAN יש קבוצה קוטבית $\text{C}\equiv\text{N}$ ולכן משיכות דו־קוטב–דו־קוטב חזקות בין השרשרות; ב־ PB־1 רק כוחות ואן דר ואלס.
	ג ii	ב־ PMAN שתי קבוצות צדדיות (CH₃ ו־ CN) על אותו אטום פחמן מגבילות את הסיבוב סביב הקשרים בעמוד השדרה – השרשרת קשיחה יותר.
	ג iii	בין שרשרות MXD6 נוצרים קשרי מימן בין הקבוצות האמידיות; גם טבעות הבנזן הקשיחות בעמוד השדרה תורמות.
	ד	לדוגמה: $-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{COOCH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{COOCH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CN})-$
	ה	לחומצה האצטית קבוצה קרבוקסילית אחת בלבד: כשהיא מגיבה עם קבוצה אמינית בקצה שרשרת, הקצה נחסם והשרשרת אינה יכולה להמשיך להתארך מצד זה.
	ו	היחידה החוזרת זהה.
5	א	טטרצן (B) – כתום; פנטצן (C) – סגול (נפתלן – לבן).
	ב i	בנפתלן מערכת צימוד קטנה – הפרש HOMO–LUMO גדול, והוא בולע רק באולטרה־סגול; גם הממס אינו בולע אור נראה, ולכן כל האור הנראה עובר.
	ב ii	תמיסה (1) – $580\ \text{nm}$ ; תמיסה (2) – $474\ \text{nm}$ ; תמיסה (3) – $286\ \text{nm}$ .
	ב iii	$\Delta E \approx 2.14\ \text{eV} \approx 3.4\cdot 10^{-19}\ \text{J}$
	ג	$450\ \text{nm}$
	ד	בסטירן מערכת צימוד קטנה (טבעת בנזן וקשר כפול אחד) – הפרש HOMO–LUMO גדול; בזאקסנתין מערכת ארוכה של 11 קשרים כפולים מצומדים – הפרש קטן.
	ה	כן – בולע אור נראה (סגול־כחול), בזכות מערכת צימוד ארוכה (שתי טבעות בנזן וקשר $\text{N}=\text{N}$ ) והפרש HOMO–LUMO קטן.
	ו i	$213.9\ \text{nm}$ , $307.6\ \text{nm}$ – אולטרה סגול; $481.1\ \text{nm}$ , $636.2\ \text{nm}$ – אור נראה.
	ו ii	$636.2\ \text{nm}$
6	א	UVC – אורך הגל קצר יותר, ולכן אנרגיית הפוטונים גדולה יותר.
	ב	$\text{O}_2$ בולע רק באורכי גל קצרים מכ־ 200 nm ואינו בולע בתחום 220–300 nm, ואילו $\text{O}_3$ בולע בעוצמה גבוהה בתחום זה (שיא בכ־ 255 nm).
	ג	כחול – החרוזים בולעים אור כתום (610 nm), והצבע הנראה הוא הצבע המשלים לכתום.
	ד i	$\nu \approx 1.4 \cdot 10^{15}\ \frac{1}{\text{sec}}$ (Hz)
	ד ii	האלקטרונים באטומי האבץ יכולים להימצא רק ברמות אנרגיה מוגדרות; בכל מעבר מרמה גבוהה לנמוכה נפלט פוטון שהאנרגיה שלו שווה להפרש בין הרמות, ולכן נפלטים רק אורכי גל מסוימים.
	ה i	פס הערכיות מלא, פס ההולכה ריק, ופער האנרגיה ביניהם גדול מאוד (5.5 eV) – בטמפרטורת החדר אלקטרונים כמעט אינם עוברים לפס ההולכה, ולכן אין אלקטרונים חופשיים להולכה.
	ה ii	קרינה של 213.9 nm – כן ( $\approx 5.8\ \text{eV} > 5.5\ \text{eV}$ ); אור של 450 nm – לא ( $\approx 2.8\ \text{eV} < 5.5\ \text{eV}$ ).

פרק ראשון – שיווי משקל כימי ואנטרופיה

שאלה 1 · הפקת 2־פרופנול מאצטון ומימן – ΔH, אנטרופיה, קבוע שיווי משקל וטמפרטורה

סעיף א

סעיף ב

קביעה: הירידה באנטרופיה גדולה יותר בתגובה (1).

קביעה: הלחץ יורד.

קביעה: בתגובה (1) משתחררת אנרגייה רבה יותר.

סעיף ג

סעיף ד

קביעה: ב־600 K600\ \text{K}600 K ערך KcK_cKc​ קטן מן הערך שחושב בסעיף ג.

שאלה 2 · הפקת כלור ממימן כלורי וחמצן – שיווי משקל ואנטרופיה

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

פרטו את חישוביכם.

סעיף א

ב-600 K: Kc=8.2⋅104K_c=8.2\cdot10^{4}Kc​=8.2⋅104; ב-800 K: Kc=3.5⋅102K_c=3.5\cdot10^{2}Kc​=3.5⋅102.

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

פרק שני – פולימרים

שאלה 3 · זיפים של מברשות שיניים ופוליאסטרים מתכלים – PBT, ניילון 6,12 ו-P4HB

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), PBT:

פולימר (2), ניילון 6,12:

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

קביעה: בניילון 6,T.

סעיף ו

שאלה 4 · PB־1, PAN, PMAN ו־MXD6 – פלמור, טמפרטורה זגוגית וקופולימר

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

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

היחידה החוזרת זהה.

פרק שלישי – כימיה פיזיקלית

שאלה 5 · נפתלן, טטרצן ופנטצן, זאקסנתין ומתיל אורנג' – צימוד, צבע, הפרש HOMO–LUMO וספקטרום פליטה של אבץ

ענה על הסעיפים א, ב, ג, ו, ועל אחד מן הסעיפים ד או ה.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ד.

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

קביעה: זאקסנתין בולע קרינה ב־ 450 nm450\ \text{nm}450 nm.

סעיף ד

סעיף ה

קביעה: החלקיק בולע אור בתחום הנראה.

סעיף ו

636.2 nm636.2\ \text{nm}636.2 nm.

שאלה 6 · שכבת האוזון – UVC ו־UVB, ספקטרה בליעה של O₃ ו־O₂, צבע, מנורת אבץ ופער אנרגיה ביהלום

סעיף א

קביעה: קרינת UVC גורמת נזק גדול יותר.

סעיף ב

סעיף ג

קביעה: החרוזים כחולים.

סעיף ד

סעיף ה

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד

קביעה: ב־ $600\ \text{K}$ ערך $K_c$ קטן מן הערך שחושב בסעיף ג.

ב-600 K: $K_c=8.2\cdot10^{4}$ ; ב-800 K: $K_c=3.5\cdot10^{2}$ .

קביעה: זאקסנתין בולע קרינה ב־ $450\ \text{nm}$ .

$636.2\ \text{nm}$ .