דילוג לתוכן המרכזי
GuyAI

מתכונת 2 בכימיה - מסלול סמסטר ראשון 037361

5 יח"ל (55%) · מסלול "סמסטר ראשון כבר בתיכון" · שאלון 037361 · 14 שאלות · 1:45 שעות

מבחן מתכונת בכימיה, מסלול סמסטר ראשון, 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 כמו שאלון 037361 תשפ"ו: פרק ראשון (50 נק'): רב-ברירה 24 נקודות (4 תשובות נכונות = מלוא הנקודות) ושאלת מאמר 26 נקודות. פרק שני (50 נק'): יש לענות על 2 מתוך 5 שאלות, 25 נקודות לכל שאלה. משך: שעה ו-45 דקות.

פרק ראשון

שאלה 1 · סוגי חלקיקים בחומרים – נתרן כלורי, נחושת, מים וגרפיט

רב-ברירה

לפניכם טבלה ובה שמות ונוסחאות של חומרים.

בעמודת החלקיקים רשומים שמות של סוגי חלקיקים.

מבין האפשרויות א–ד, מהי ההתאמה הנכונה בין החומר לבין החלקיקים המרכיבים אותו?

  1. א.

    נתרן כלורי, NaCℓ(s)\text{NaC}\ell_{(s)} – מולקולות של נתרן כלורי

  2. ב.

    נחושת, Cu(s)\text{Cu}_{(s)} – יונים חיוביים של נחושת ואלקטרונים ניידים

  3. ג.

    מים, H2O(ℓ)\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} – אטומי מימן ואטומי חמצן

  4. ד.

    גרפיט, C(s)\text{C}_{(s)} – מולקולות דו־אטומיות של פחמן

◂ פתרון מלא לשאלה 1
התשובה הנכונה: ב
תשובה:

ב – נחושת היא מתכת: סריג של יונים חיוביים של נחושת ב"ים" של אלקטרונים ניידים.

תשובה ב נכונה. נחושת היא יסוד מתכתי. לפי מודל הסריג המתכתי, המתכת בנויה מיונים חיוביים (האטומים לאחר שמסרו את אלקטרוני הערכיות) הנמצאים ב"ים" של אלקטרונים ניידים. הקשר המתכתי הוא המשיכה החשמלית בין היונים החיוביים לבין האלקטרונים הניידים.

למה האחרות שגויות:

- א. נתרן כלורי הוא חומר יוני (תרכובת של מתכת ואל־מתכת). הוא בנוי מסריג של יונים חיוביים Na+\text{Na}^{+} ויונים שליליים Cℓ−\text{C}\ell^{-}, ואין בו מולקולות.

- ג. מים הם חומר מולקולרי. החלקיקים הם מולקולות H2O\text{H}_2\text{O}: בכל מולקולה אטום חמצן קשור בקשרים קוולנטיים לשני אטומי מימן. האטומים אינם חלקיקים נפרדים בחומר.

- ד. גרפיט הוא חומר אטומרי: סריג ענק של אטומי פחמן הקשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים. אין בגרפיט מולקולות בדידות.

טעות נפוצה: לתאר חומר מולקולרי כ"אטומים" (במקום מולקולות), או חומר אטומרי כחומר הבנוי ממולקולות.

שאלה 2 · מסיסות צבענים במים – ליקופן וניקל גופרתי

רב-ברירה

לפניכם מידע על שני חומרים צבעוניים:

•ליקופן, C40H56(s)\text{C}_{40}\text{H}_{56(s)} – צבען אדום הנמצא בעגבניות. הליקופן הוא פחמימן: מולקולה ארוכה הבנויה מאטומי פחמן ומימן בלבד.

•ניקל גופרתי, NiSO4(s)\text{NiSO}_{4(s)} – חומר יוני בצבע ירוק.

נתונות שתי כוסות המכילות נפח זהה של מים מזוקקים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)} , שהם נוזל חסר צבע שקוף וצלול.

הטמפרטורה של המים בשתי הכוסות זהה. לכל אחת מן הכוסות מכניסים אחד מן החומרים.

רק באחת מן הכוסות מתקבלת תמיסה.

מהו צבע התמיסה המתקבלת?

  1. א.

    אדום

  2. ב.

    ירוק

  3. ג.

    חום

  4. ד.

    חסר צבע

◂ פתרון מלא לשאלה 2
התשובה הנכונה: ב
תשובה:

ב – ירוק: הניקל הגופרתי, חומר יוני, מתמוסס במים; הליקופן, פחמימן לא קוטבי, אינו מתמוסס במים.

התשובה: ב (ירוק).

מים הם חומר מולקולרי קוטבי; בין מולקולות המים פועלים קשרי מימן חזקים.

- ניקל גופרתי, NiSO4\text{NiSO}_4: חומר יוני. כאשר מכניסים אותו למים, מולקולות המים הקוטביות נמשכות אל היונים: הקצה השלילי של מולקולת המים (אטום O) אל יוני Ni2+\text{Ni}^{2+}, והקצה החיובי (אטומי H) אל יוני SO42−\text{SO}_4^{2-}. היונים מתפרקים מן הסריג ועוברים לתמיסה כיונים ממוימים:

NiSO4(s)→H2O(l)Ni(aq)2++SO42−(aq)\text{NiSO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{Ni}^{2+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}

מתקבלת תמיסה ירוקה.

- ליקופן: פחמימן גדול בעל ענן אלקטרונים גדול, לא קוטבי, שבין מולקולותיו פועלים כוחות ואן דר ואלס בלבד. מולקולות הליקופן אינן יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים. כדי שיתמוסס, היה צורך לפרק חלק מקשרי המימן בין מולקולות המים, ובמקומם היו נוצרות רק אינטראקציות חלשות בין מולקולות המים למולקולות הליקופן. לכן הליקופן אינו מתמוסס במים.

א – לא נכון: הליקופן האדום אינו מתמוסס במים (מתקבלת תערובת הטרוגנית).

ג – לא נכון: בכל כוס חומר אחד בלבד; אין ערבוב בין שני הצבעים.

ד – לא נכון: תמיסה של חומר צבעוני היא צבעונית.

שאלה 3 · מספר מולי יונים בתמיסת נתרן זרחתי

רב-ברירה

תמיסה מימית של נתרן זרחתי, Na3PO4(aq)\text{Na}_3\text{PO}_{4(aq)} , מכילה 4.924.92 גרם מומס.

מהו מספר המולים הכולל של היונים בתמיסה?

  1. א.

    0.120.12 מול

  2. ב.

    0.030.03 מול

  3. ג.

    0.090.09 מול

  4. ד.

    0.240.24 מול

◂ פתרון מלא לשאלה 3
התשובה הנכונה: א
תשובה:

א – 0.120.12 מול יונים.

תשובה א נכונה.

מסה מולרית: Mw(Na3PO4)=3⋅23.0+31.0+4⋅16.0=164.0 gmolM_w(\text{Na}_3\text{PO}_4) = 3\cdot 23.0 + 31.0 + 4\cdot 16.0 = 164.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}

מספר המולים של המומס: n=mMw=4.92 g164.0 gmol=0.03 moln = \frac{m}{M_w} = \frac{4.92\ \text{g}}{164.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 0.03\ \text{mol}

תהליך ההמסה במים: Na3PO4(s)→H2O(ℓ)3Na(aq)++PO43−(aq)\text{Na}_3\text{PO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} 3\text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{PO}_4^{3-}{}_{(aq)}

מכל מול מומס מתקבלים 44 מול יונים (33 מול Na+\text{Na}^{+} ו־11 מול PO43−\text{PO}_4^{3-}):

n(יונים)=4⋅0.03 mol=0.12 moln(\text{יונים}) = 4\cdot 0.03\ \text{mol} = 0.12\ \text{mol}

למה האחרות שגויות:

- ב – 0.030.03 מול הוא מספר המולים של המומס, ולא של היונים.

- ג – 0.090.09 מול הוא מספר המולים של יוני Na+\text{Na}^{+} בלבד.

- ד – 0.240.24 מול מתקבל מספירה שגויה של היונים (כאילו מתקבלים 88 יונים, למשל ספירת אטומי החמצן כיונים נפרדים). היון PO43−\text{PO}_4^{3-} הוא יון רב־אטומי אחד.

טעות נפוצה: לפרק יון רב־אטומי (כמו PO43−\text{PO}_4^{3-}) ליונים של האטומים המרכיבים אותו.

שאלה 4 · בעירת מגנזיום בפחמן דו־חמצני

רב-ברירה

מגנזיום בוער גם באווירה של פחמן דו־חמצני. לפניכם ניסוח התגובה: 2Mg(s)+CO2(g)→2MgO(s)+C(s)2\text{Mg}_{(s)} + \text{CO}_{2(g)} \rightarrow 2\text{MgO}_{(s)} + \text{C}_{(s)}

מהו ההיגד הנכון?

  1. א.

    אטומי המגנזיום עברו תהליך חיזור.

  2. ב.

    אטומי החמצן ב־ CO2(g)\text{CO}_{2(g)} עברו תהליך חיזור.

  3. ג.

    האלקטרונים בתגובה עברו מאטומי הפחמן אל אטומי המגנזיום.

  4. ד.

    אטומי הפחמן ב־ CO2(g)\text{CO}_{2(g)} עברו תהליך חיזור.

◂ פתרון מלא לשאלה 4
התשובה הנכונה: ד
תשובה:

ד – דרגת החמצון של אטומי הפחמן ירדה מ־+4+4 ל־00, כלומר הם עברו חיזור.

תשובה ד נכונה. נקבע דרגות חמצון:

- Mg\text{Mg} (יסוד): 00; ב־MgO\text{MgO}: Mg\text{Mg} +2+2, O\text{O} −2-2.

•ב־CO2\text{CO}_2: O\text{O} −2-2, ולכן C\text{C}: x+2⋅(−2)=0⇒x=+4x + 2\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +4. ב־C(s)\text{C}_{(s)} (יסוד): 00.

דרגת החמצון של הפחמן יורדת מ־+4+4 ל־00 – אטומי הפחמן קולטים אלקטרונים ועוברים חיזור. דרגת החמצון של המגנזיום עולה מ־00 ל־+2+2 – אטומי המגנזיום מוסרים אלקטרונים ועוברים חמצון.

למה האחרות שגויות:

- א. אטומי המגנזיום עברו חמצון (דרגת החמצון עלתה מ־00 ל־+2+2).

- ב. דרגת החמצון של החמצן היא −2-2 גם ב־CO2\text{CO}_2 וגם ב־MgO\text{MgO} – היא אינה משתנה.

- ג. האלקטרונים עוברים מאטומי המגנזיום (המחזר) אל אטומי הפחמן (שבחומר המחמצן CO2\text{CO}_2), ולא להפך.

טעות נפוצה: לחשוב שבכל תגובה שבה מעורב חמצן, החמצן הוא שעובר חיזור – כאן דרגת החמצון של החמצן אינה משתנה.

שאלה 5 · אתיל בוטנואט – ייצוג מקוצר של נוסחת מבנה

רב-ברירה

לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחת מבנה של אתיל בוטנואט, חומר ריח שמקנה ריח של אננס:

מהו ההיגד הנכון?

  1. א.

    במולקולת אתיל בוטנואט יש קבוצה פונקציונלית קרבוקסילית.

  2. ב.

    אתיל בוטנואט הוא איזומר של חומצה הקסאנואית, CH3(CH2)4COOH\text{CH}_3(\text{CH}_2)_4\text{COOH} .

  3. ג.

    הנוסחה המולקולרית של אתיל בוטנואט היא C6H10O2\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_2 .

  4. ד.

    במולקולת אתיל בוטנואט יש קשר כפול בין שני אטומי פחמן.

◂ פתרון מלא לשאלה 5
התשובה הנכונה: ב
תשובה:

ב – לשני החומרים הנוסחה המולקולרית C6H12O2\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_2 ומבנה שונה.

תשובה ב נכונה. בייצוג המקוצר כל קודקוד וכל קצה של קו מייצגים אטום פחמן, ולכל אטום פחמן קשורים אטומי מימן כך שיהיו לו ארבעה קשרים.

ספירה: 44 אטומי פחמן בצד החומצי (כולל אטום הפחמן של C=O\text{C}=\text{O}) ו־22 אטומי פחמן בצד הכוהלי – 66 אטומי פחמן; 22 אטומי חמצן; אטומי מימן: CH3\text{CH}_3 (33) + CH2\text{CH}_2 (22) + CH2\text{CH}_2 (22) + CH2\text{CH}_2 (22) + CH3\text{CH}_3 (33) =12= 12. הנוסחה המולקולרית: C6H12O2\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_2 (נוסחה מקוצרת: CH3CH2CH2COOCH2CH3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOCH}_2\text{CH}_3).

לחומצה הקסאנואית, CH3(CH2)4COOH\text{CH}_3(\text{CH}_2)_4\text{COOH}, יש גם כן 66 אטומי פחמן, 1212 אטומי מימן ו־22 אטומי חמצן – C6H12O2\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_2. לשני החומרים אותה נוסחה מולקולרית ומבנה שונה (אסטר לעומת חומצה קרבוקסילית), ולכן הם איזומרים.

למה האחרות שגויות:

- א. הקבוצה הפונקציונלית היא אסטרית, −COO−-\text{COO}-: אטום הפחמן של C=O\text{C}=\text{O} קשור לאטום חמצן הקשור לאטום פחמן נוסף. בקבוצה קרבוקסילית, −COOH-\text{COOH}, אטום החמצן קשור לאטום מימן.

- ג. במולקולה 1212 אטומי מימן ולא 1010.

- ד. הקשר הכפול היחיד במולקולה הוא C=O\text{C}=\text{O}; כל הקשרים בין אטומי הפחמן יחידים.

טעות נפוצה: לשכוח לספור את אטומי המימן שאינם מסומנים בייצוג המקוצר, או לבלבל בין קבוצה אסטרית לקבוצה קרבוקסילית.

שאלה 6 · גזים בנפח, בטמפרטורה ובלחץ זהים – חנקן ואתן

רב-ברירה

נתונים שני כלים סגורים, A ו־ B , שנפחם זהה.

כלי A מכיל את הגז חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)} .

כלי B מכיל את הגז אתן, C2H4(g)\text{C}_2\text{H}_{4(g)} .

הטמפרטורה בשני הכלים היא 25∘C25^\circ\text{C} , והלחץ בשני הכלים הוא 750 mmHg750\ \text{mmHg} .

מהו ההיגד הנכון?

  1. א.

    מספר האטומים בכלי A שווה למספר האטומים בכלי B .

  2. ב.

    מספר המולים של הגז בכלי B גדול פי שלושה ממספר המולים של הגז בכלי A .

  3. ג.

    המסה של הגז בכלי B גדולה מן המסה של הגז בכלי A , כי במולקולת אתן יש יותר אטומים.

  4. ד.

    המסה של הגז בכלי A שווה למסה של הגז בכלי B .

◂ פתרון מלא לשאלה 6
התשובה הנכונה: ד
תשובה:

ד – בנפח, בטמפרטורה ובלחץ זהים יש מספר מולים שווה, והמסה המולרית של שני הגזים שווה (28.0 gmol28.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}), ולכן המסות שוות.

ההיגד הנכון: ד.

לפי השערת אבוגדרו (וגם לפי PV=nRTPV=nRT): בכלים בעלי נפח שווה, בטמפרטורה שווה ובלחץ שווה יש מספר מולים שווה של גז, כלומר מספר מולקולות שווה:

n=PVRT ⇒ nA=nB=nn=\frac{PV}{RT}\ \Rightarrow\ n_A=n_B=n

מסות מולריות (לפי הטבלה המחזורית):

MN2=2⋅14.0=28.0 gmolMC2H4=2⋅12.0+4⋅1.0=28.0 gmolM_{\text{N}_2}=2\cdot14.0=28.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}\qquad M_{\text{C}_2\text{H}_4}=2\cdot12.0+4\cdot1.0=28.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}

ד – נכון: m=n⋅Mm=n\cdot M. מספר המולים שווה והמסה המולרית שווה, ולכן mA=n⋅28.0 gmol=mBm_A=n\cdot28.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=m_B.

א – לא נכון: מספר המולקולות שווה, אבל במולקולת N2\text{N}_2 יש 2 אטומים ובמולקולת C2H4\text{C}_2\text{H}_4 יש 6 אטומים. לכן בכלי B יש פי 3 אטומים.

ב – לא נכון: מספר המולים (המולקולות) שווה. פי 3 הוא היחס בין מספרי האטומים, לא בין מספרי המולים.

ג – לא נכון: המסה תלויה במסה המולרית, ולא במספר האטומים במולקולה. כאן המסות המולריות שוות.

(הלחץ נתון ב־mmHg: 750 mmHg=750760 atm750\ \text{mmHg}=\frac{750}{760}\ \text{atm}. אין צורך בחישוב, כי הלחץ זהה בשני הכלים.)

שאלה 7 · מיהול תמיסת נתרן גופרתי

רב-ברירה

נתונה תמיסה של נתרן גופרתי, Na2SO4(aq)\text{Na}_2\text{SO}_{4(aq)} , שנפחה 150 מ"ל וריכוזה 0.4 M0.4\ \text{M} .

הוסיפו לתמיסה 450 מ"ל מים מזוקקים וערבבו.

נבדקו ריכוזי היונים בתמיסה הסופית.

מבין השורות א–ד בטבלה שלפניכם, באיזו שורה ריכוזי היונים בתמיסה הסופית הם הנכונים?

ריכוז יוני נתרן Na(aq)+\text{Na}^{+}_{(aq)} (M)ריכוז יוני גופרה SO42−(aq)\text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)} (M)
א.0.200.10
ב.0.270.13
ג.0.100.10
ד.0.800.40
  1. א.

    [Na+]=0.20 M[\text{Na}^{+}]=0.20\ \text{M} , [SO42−]=0.10 M[\text{SO}_4^{2-}]=0.10\ \text{M}

  2. ב.

    [Na+]=0.27 M[\text{Na}^{+}]=0.27\ \text{M} , [SO42−]=0.13 M[\text{SO}_4^{2-}]=0.13\ \text{M}

  3. ג.

    [Na+]=0.10 M[\text{Na}^{+}]=0.10\ \text{M} , [SO42−]=0.10 M[\text{SO}_4^{2-}]=0.10\ \text{M}

  4. ד.

    [Na+]=0.80 M[\text{Na}^{+}]=0.80\ \text{M} , [SO42−]=0.40 M[\text{SO}_4^{2-}]=0.40\ \text{M}

◂ פתרון מלא לשאלה 7
התשובה הנכונה: א
תשובה:

א – [Na+]=0.20 M[\text{Na}^+]=0.20\ \text{M}, [SO42−]=0.10 M[\text{SO}_4^{2-}]=0.10\ \text{M}.

התשובה: א.

מספר המולים של המומס (לא משתנה במיהול):

nNa2SO4=C⋅V=0.4 molL⋅0.150 L=0.06 moln_{\text{Na}_2\text{SO}_4}=C\cdot V=0.4\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.150\ \text{L}=0.06\ \text{mol}

הנפח הסופי: V=150 mL+450 mL=600 mL=0.600 LV=150\ \text{mL}+450\ \text{mL}=600\ \text{mL}=0.600\ \text{L}

ריכוז הנתרן הגופרתי בתמיסה הסופית:

C=nV=0.06 mol0.600 L=0.1 molL=0.1 MC=\frac{n}{V}=\frac{0.06\ \text{mol}}{0.600\ \text{L}}=0.1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}=0.1\ \text{M}

התמוססות: Na2SO4(s)→H2O(l)2Na(aq)++SO42−(aq)\text{Na}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} 2\text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)} – מכל מול נתרן גופרתי מתקבלים 2 מול יוני נתרן ומול אחד של יוני גופרה:

[Na+]=2⋅0.1 M=0.20 M[SO42−]=0.10 M[\text{Na}^+]=2\cdot0.1\ \text{M}=0.20\ \text{M}\qquad [\text{SO}_4^{2-}]=0.10\ \text{M}

ב – לא נכון: מתקבל אם מחלקים בנפח המים שהוספו (450 מ"ל) במקום בנפח הכולל: 0.06 mol0.450 L=0.13 M\frac{0.06\ \text{mol}}{0.450\ \text{L}}=0.13\ \text{M}.

ג – לא נכון: לא הובא בחשבון היחס 2:1 בין יוני הנתרן ליוני הגופרה.

ד – לא נכון: אלה ריכוזי היונים בתמיסה לפני המיהול (2⋅0.4=0.8 M2\cdot0.4=0.8\ \text{M} ו־0.4 M0.4\ \text{M}).

שאלה 8 · ניסוח תגובות של חומצות ובסיסים עם מים – חומצה גופרתית ואחרות

רב-ברירה

מבין הניסוחים א–ד שלפניכם, מהו הניסוח הנכון?

  1. א.

    CH3NH2(g)+H2O(l)→CH3NH(aq)−+H3O(aq)+\text{CH}_3\text{NH}_{2(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{CH}_3\text{NH}^{-}_{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}

  2. ב.

    CH3COOH(l)+H2O(l)→CH3COOH2+(aq)+OH(aq)−\text{CH}_3\text{COOH}_{(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}_2^{+}{}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}

  3. ג.

    H2SO4(l)+2H2O(l)→2H3O(aq)++SO42−(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}

  4. ד.

    HBr(g)+H2O(l)→H3O(aq)++Br(aq)+\text{HBr}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{+}_{(aq)}

◂ פתרון מלא לשאלה 8
התשובה הנכונה: ג
תשובה:

ג – חומצה גופרתית מוסרת שני פרוטונים לשתי מולקולות מים; הניסוח מאוזן באטומים ובמטען.

התשובה: ג.

ג – נכון. חומצה גופרתית, H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4, היא חומצה: כל מולקולה מוסרת שני פרוטונים (H+\text{H}^+) לשתי מולקולות מים, המשמשות בסיס. נוצרים שני יוני הידרוניום ויון גופרה אחד:

H2SO4(l)+2H2O(l)→2H3O(aq)++SO42−(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}

מאוזן: H – 2+4=62+4=6 ו־66; S – 1=11=1; O – 4+2=64+2=6 ו־2+4=62+4=6; מטען: 0=2⋅(+1)+(−2)0=2\cdot(+1)+(-2).

א – לא נכון. מתיל אמין, CH3NH2\text{CH}_3\text{NH}_2, הוא בסיס (כמו אמוניה): לאטום N שלו זוג אלקטרונים לא קושר, והוא מקבל פרוטון ממולקולת מים. הניסוח הנכון:

CH3NH2(g)+H2O(l)→CH3NH3+(aq)+OH(aq)−\text{CH}_3\text{NH}_{2(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{CH}_3\text{NH}_3^{+}{}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}.

ב – לא נכון. חומצה אצטית היא חומצה: קבוצת הקרבוקסיל מוסרת פרוטון למים. הניסוח הנכון:

CH3COOH(l)+H2O(l)→H3O(aq)++CH3COO(aq)−\text{CH}_3\text{COOH}_{(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{CH}_3\text{COO}^{-}_{(aq)}.

ד – לא נכון. הניסוח אינו מאוזן במטען: באגף שמאל המטען הכולל 00, ובאגף ימין (+1)+(+1)=+2(+1)+(+1)=+2. כשמולקולת HBr מוסרת פרוטון (H+\text{H}^+), זוג האלקטרונים של הקשר H–Br נשאר אצל אטום Br, ונוצר יון ברומיד, Br−\text{Br}^-. הניסוח הנכון:

HBr(g)+H2O(l)→H3O(aq)++Br(aq)−\text{HBr}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)}.

טעות נפוצה: לבדוק בניסוח רק את מספר האטומים, בלי לבדוק את איזון המטענים.

שאלה 9 · מגנזיום – המתכת הקלה מן הים

שאלת מאמר26 נקודות

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה

קראו את הקטע שלפניכם, וענו על הסעיפים שאחריו לפי ההנחיות (שאלת חובה – 26 נקודות).

(המספרים בתחילת השורות הם מספרי השורות בקטע.)

מגנזיום – המתכת הקלה מן הים

1 מגנזיום, Mg\text{Mg} , הוא אחד היסודות הנפוצים בקרום כדור הארץ, והוא מהווה כ־ 2%2\%

2 ממשקלו. כמו מתכות פעילות אחרות, מגנזיום אינו נמצא בטבע באופן חופשי אלא רק

3 בתרכובות – במינרלים שבסלעים, וכיונים מומסים, Mg(aq)2+\text{Mg}^{2+}_{(aq)} , במי הים. בכל ליטר מי ים

4 יש כ־ 1.3 גרם יוני מגנזיום, ובמי ים המלח ריכוזם גבוה הרבה יותר. מי הים הם אפוא

5 מקור כמעט בלתי נדלה של מגנזיום.

6 אחת הדרכים להפקת מגנזיום מתחילה בהוספת סידן הידרוקסידי, Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2 , למי הים.

7 יוני המגנזיום מגיבים עם יוני ההידרוקסיד, ונוצר משקע לבן של מגנזיום הידרוקסידי,

8 Mg(OH)2(s)\text{Mg(OH)}_{2(s)} , שאינו מסיס במים. מסננים את המשקע ומגיבים אותו עם תמיסה של מימן

9 כלורי, HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)} . מתקבלת תמיסה של מגנזיום כלורי, ולאחר אידוי המים מתקבל מגנזיום

10 כלורי מוצק. בשלב האחרון מתיכים את המגנזיום הכלורי בטמפרטורה של כ־ 750∘C750^\circ\text{C} ,

11 ומעבירים דרכו זרם חשמלי. בתהליך הפירוק החשמלי מתקבלים מגנזיום נוזלי, Mg(l)\text{Mg}_{(l)} ,

12 וגז כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)} . את גז הכלור מנצלים להכנת מימן כלורי, שחוזר לתהליך.

13 למגנזיום בטבע שלושה איזוטופים יציבים: 24Mg^{24}\text{Mg} , 25Mg^{25}\text{Mg} ו־ 26Mg^{26}\text{Mg} . הנפוץ ביותר

14 מביניהם הוא 24Mg^{24}\text{Mg} . בתרכובות נמצא המגנזיום בצורת יונים Mg2+\text{Mg}^{2+} , שלהם אותה

15 היערכות אלקטרונים כמו לאטומים של הגז האציל ניאון.

16 מגנזיום הוא המתכת הקלה ביותר המשמשת לבניית חלקים ומבנים. צפיפותו כ־ 1.71.7 גרם

17 לסמ"ק – כשני שלישים מצפיפות האלומיניום ופחות מרבע מצפיפות הברזל, Fe\text{Fe} . לכן

18 משתמשים במגנזיום לייצור חלקים קלים במכוניות, במטוסים, באופניים ובמחשבים ניידים.

19 הפחתת המשקל של כלי רכב מקטינה את צריכת הדלק שלהם.

20 מגנזיום בוער באוויר בלהבה לבנה ומסנוורת, ונוצרת אבקה לבנה של מגנזיום חמצני,

21 MgO(s)\text{MgO}_{(s)} . משום כך משתמשים בו בזיקוקים ובאבוקות הצלה. אבל אותה תכונה הופכת

22 שריפות מגנזיום למסוכנות במיוחד. אסור לכבות שריפת מגנזיום במים: המתכת הלוהטת

23 מגיבה עם המים ונפלט גז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)} , שעלול להתלקח. מגנזיום בוער אפילו באווירה

24 של גז חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)} , ולכן גם חנקן אינו מתאים לכיבוי. שריפות מגנזיום מכבים בחול

25 יבש או באבקות כיבוי מיוחדות.

26 גם למגנזיום החמצני יש שימושים חשובים. זהו חומר יוני שטמפרטורת ההיתוך שלו גבוהה

27 מאוד, כ־ 2800∘C2800^\circ\text{C} , ולכן מצפים בו את הדפנות הפנימיות של תנורים תעשייתיים

28 שבהם מתיכים מתכות וזכוכית.

29 גז הכלור הנוצר בתהליך הוא גז רעיל בצבע ירקרק־צהבהב. את הכלור שאינו מנוצל באתר

30 דוחסים לתוך מכלי פלדה עבים, ובלחץ גבוה הוא הופך לנוזל. כך אפשר להוביל אותו

31 בבטחה למפעלים שבהם הוא משמש לחיטוי מים ולייצור חומרים רבים.

32 הפקת מגנזיום דורשת אנרגייה רבה, בעיקר בשלב הפירוק החשמלי. מִחזור של חלקי מגנזיום

33 משומשים חוסך את רוב האנרגייה הזאת, משום שהתכת המתכת המשומשת דורשת אנרגייה

34 קטנה בהרבה מהפקתה מחדש ממי הים.

ענו על כל הסעיפים א–ה ועל אחד מן הסעיפים ו או ז.

א.

בשלב האחרון של הפקת המגנזיום מתרחשת תגובת פירוק חשמלי של מגנזיום כלורי.

(1)

רשמו את נוסחת המגנזיום הכלורי המתקבל לאחר אידוי המים (שורות 9–10). הקפידו לרשום את מצב הצבירה.

(2)

מגנזיום כלורי מוצק אינו מוליך חשמל, ואילו מגנזיום כלורי מותך מוליך חשמל. הסבירו מדוע יש להתיך את המגנזיום הכלורי כדי לבצע את תהליך הפירוק החשמלי.

(3)

נסחו ואזנו את תגובת הפירוק החשמלי של מגנזיום כלורי מותך ליסודותיו. התבססו על הקטע והקפידו לרשום מצבי צבירה.

ב.
(1)

ציינו מאפיין מאקרוסקופי אחד המשותף לכל אחד מזוגות החומרים האלה:

i. מגנזיום כלורי – מגנזיום חמצני

ii. מגנזיום – ברזל

(2)

מהו ההיגד הנכון?

i. מי ים ומגנזיום הידרוקסידי הם תערובות.

ii. מי ים ואוויר הם תערובות.

ג.
(1)

הסבירו את ההיגד: "ליון Mg2+\text{Mg}^{2+} יש אותה היערכות אלקטרונים כמו לאטום ניאון, Ne\text{Ne} " (שורות 14–15).

(2)

נתון חלקיק של מגנזיום שיש בו 12 פרוטונים, 14 נייטרונים ו־ 10 אלקטרונים.

קבעו מה הם סמל היסוד, המספר האטומי, מספר המסה והמטען של החלקיק הנתון.

ד.

לפניכם שני היגדים המתייחסים לגז הכלור הנדחס לתוך מכלים (שורות 29–30). דוחסים כמות מסוימת של גז כלור בכלי סגור לנפח קטן יותר, בטמפרטורה קבועה, לפני שהוא הופך לנוזל. קבעו מהו ההיגד הנכון.

i. ככל שנפח הגז קטן, מספר מולקולות הכלור בכלי קטן.

ii. ככל שנפח הגז קטן, לחץ הגז בכלי גדל.

ה.

בקטע מוזכרים שלושה גזים: מימן, חנקן וכלור.

נתונות טמפרטורות הרתיחה של הגזים האלה: 20K20\text{K} , 77K77\text{K} , 239K239\text{K} .

מבין הטמפרטורות הנתונות, קבעו מהי טמפרטורת הרתיחה של כלור. ציינו את הגורם המשפיע על קביעתכם.

ו.

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

חשבו את הנפח של 14.2 גרם גז כלור בתנאים שבהם הלחץ הוא 2.0 atm2.0\ \text{atm} והטמפרטורה היא 27∘C27^\circ\text{C} . פרטו את חישוביכם.

נתון: R=0.082 atm⋅litermol⋅KR=0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{liter}}{\text{mol}\cdot\text{K}} .

ז.

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

נניח שבמפעל לדוגמה הפיקו 12 טון מגנזיום בתהליך הפירוק החשמלי המתואר בקטע.

חשבו כמה טון גז כלור נוצרו יחד עם המגנזיום. פרטו את חישוביכם.

נתון: 1 טון =1×106=1\times10^{6} גרם.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

(1)
תשובה:

MgCl2(s)\text{MgCl}_{2(s)}

מגנזיום כלורי הוא חומר יוני הבנוי מיוני מגנזיום, Mg2+\text{Mg}^{2+} (שורה 14), ומיוני כלוריד, Cl−\text{Cl}^-. כדי שסכום המטענים יהיה אפס, היחס הוא 1:21:2, והנוסחה האמפירית היא MgCl2\text{MgCl}_2. לפי שורות 9–10 מתקבל מגנזיום כלורי מוצק, ולכן: MgCl2(s)\text{MgCl}_{2(s)}.

(2)
תשובה:

בפירוק חשמלי היונים צריכים לנוע אל האלקטרודות; במוצק הם קבועים בסריג, ורק במצב נוזל (מותך) הם ניידים.

כדי שהיונים יהיו ניידים.

במגנזיום כלורי מוצק היונים Mg2+\text{Mg}^{2+} ו־Cl−\text{Cl}^- מסודרים בסריג יוני, קשורים בקשרים יוניים חזקים וקבועים במקומם (רק רוטטים). לכן אין חלקיקים טעונים ניידים, והמוצק אינו מוליך חשמל ואי אפשר לפרק אותו בזרם חשמלי. בהתכה הסריג נהרס, והיונים נעשים ניידים: יוני Mg2+\text{Mg}^{2+} נעים אל האלקטרודה השלילית ומקבלים אלקטרונים (נוצר מגנזיום), ויוני Cl−\text{Cl}^- נעים אל האלקטרודה החיובית ומוסרים אלקטרונים (נוצר כלור).

(3)
תשובה:

MgCl2(l)→Mg(l)+Cl2(g)\text{MgCl}_{2(l)} \rightarrow \text{Mg}_{(l)} + \text{Cl}_{2(g)}

MgCl2(l)→Mg(l)+Cl2(g)\text{MgCl}_{2(l)} \rightarrow \text{Mg}_{(l)} + \text{Cl}_{2(g)}

•המגנזיום הכלורי מותך, ולכן מצב הצבירה שלו (l)(l).

•לפי שורות 11–12 מתקבלים מגנזיום נוזלי, Mg(l)\text{Mg}_{(l)}, וגז כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)} (מולקולות דו־אטומיות).

איזון: Mg: 1=11=1; Cl: 2=22=2.

סעיף ב

(1)
תשובה:

i. מוצקים בטמפרטורת החדר בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה (או: אינם מוליכים חשמל במצב מוצק ומוליכים במצב נוזל). ii. מוליכים חשמל במצב מוצק (או: בעלי ברק מתכתי, מוליכים חום).

i. מגנזיום כלורי, MgCl2\text{MgCl}_2 – מגנזיום חמצני, MgO\text{MgO}: שניהם חומרים יוניים. מאפיין משותף אפשרי: מוצקים בטמפרטורת החדר, בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה (לפי הקטע מגנזיום כלורי מותך רק בכ־750∘C750^\circ\text{C}, שורה 10, ומגנזיום חמצני מתקבל כאבקה לבנה מוצקה, שורות 20–21, וטמפרטורת ההיתוך שלו כ־2800∘C2800^\circ\text{C}, שורות 26–27); או: אינם מוליכים חשמל במצב מוצק, אך מוליכים במצב נוזל.

ii. מגנזיום – ברזל: שניהם מתכות. מאפיין משותף אפשרי: מוליכים חשמל במצב מוצק; או: בעלי ברק מתכתי; או: מוליכים חום היטב.

(הצפיפות אינה מאפיין משותף – לפי שורה 17 צפיפות המגנזיום קטנה מרבע מצפיפות הברזל.)

(2)
תשובה:

ההיגד ii נכון.

ההיגד ii נכון. מי ים הם תמיסה – תערובת הומוגנית של מים ושל מלחים מומסים (למשל יוני Mg2+\text{Mg}^{2+}, שורות 3–4). אוויר הוא תערובת של גזים (חנקן, חמצן, ארגון ועוד).

ההיגד i אינו נכון: מגנזיום הידרוקסידי, Mg(OH)2\text{Mg(OH)}_2 (שורה 8), הוא תרכובת בעלת נוסחה כימית אחת – חומר טהור, ולא תערובת.

סעיף ג

(1)
תשובה:

באטום Mg יש 12 אלקטרונים (2,8,22,8,2); ביון Mg2+\text{Mg}^{2+}, שמסר 2 אלקטרונים, יש 10 אלקטרונים (2,82,8) – כמו באטום Ne (מספר אטומי 10): 2,82,8.

•המספר האטומי של מגנזיום הוא 12, ולכן באטום Mg יש 12 פרוטונים ו־12 אלקטרונים, בהיערכות 2,8,22,8,2 (שני אלקטרוני ערכיות – טור 2 בטבלה המחזורית).

•ביצירת יון מגנזיום האטום מוסר את שני אלקטרוני הערכיות, ונוצר יון בעל מטען 2+2+ (1212 פרוטונים, 1010 אלקטרונים) בהיערכות 2,82,8.

•המספר האטומי של ניאון הוא 10, ולכן באטום Ne יש 10 אלקטרונים בהיערכות 2,82,8.

לכן ליון Mg2+\text{Mg}^{2+} ולאטום Ne אותה היערכות אלקטרונים, 2,82,8 – רמה חיצונית מלאה (אוקטט). ההבדל ביניהם הוא במספר הפרוטונים בגרעין (12 לעומת 10).

(2)
תשובה:

1226Mg2+^{26}_{12}\text{Mg}^{2+} – מגנזיום, מספר אטומי 12, מספר מסה 26, מטען 2+2+.

- מספר אטומי = מספר הפרוטונים = 12 – היסוד מגנזיום, Mg.

- מספר מסה = פרוטונים + נייטרונים =12+14==12+14= 26 – האיזוטופ 26Mg^{26}\text{Mg} (אחד משלושת האיזוטופים שבשורה 13).

- מטען = פרוטונים − אלקטרונים =12−10=+2=12-10=+2 – יון חיובי, Mg2+\text{Mg}^{2+}.

הסימול: 1226Mg2+^{26}_{12}\text{Mg}^{2+}.

סעיף ד

תשובה:

ההיגד ii נכון.

ההיגד ii נכון.

- i אינו נכון: הכלי סגור, ולכן לא נכנסות אליו ולא יוצאות ממנו מולקולות כלור. בדחיסה המולקולות רק מתקרבות זו לזו; מספרן (מספר המולים) נשאר קבוע.

- ii נכון: לפי P=nRTVP=\frac{nRT}{V}: nn ו־TT קבועים, VV קטן – ולכן הלחץ PP גדל. ברמת החלקיקים: אותו מספר מולקולות נע באותה מהירות ממוצעת (הטמפרטורה קבועה) בנפח קטן יותר, ולכן מספר ההתנגשויות בכל יחידת שטח של דופן הכלי בכל שנייה גדל. (בלחץ גבוה מספיק הכלור הופך לנוזל, שורה 30.)

סעיף ה

תשובה:

239K239\text{K}; הגורם: גודל ענן האלקטרונים (חוזק כוחות ואן דר ואלס) – למולקולת Cl2\text{Cl}_2 ענן האלקטרונים הגדול ביותר.

טמפרטורת הרתיחה של כלור: 239K239\text{K} (הגבוהה ביותר).

מימן, חנקן וכלור בנויים ממולקולות דו־אטומיות של יסוד (H2\text{H}_2, N2\text{N}_2, Cl2\text{Cl}_2). הקשר בכל מולקולה הוא בין שני אטומים זהים, ולכן המולקולות אינן קוטביות, ובין המולקולות פועלים רק כוחות ואן דר ואלס.

הגורם המשפיע: חוזק כוחות ואן דר ואלס תלוי בגודל ענן האלקטרונים של המולקולות – ככל שענן האלקטרונים גדול יותר, הכוחות חזקים יותר, וטמפרטורת הרתיחה גבוהה יותר.

מספר האלקטרונים במולקולה: H2\text{H}_2 – 22, N2\text{N}_2 – 2⋅7=142\cdot7=14, Cl2\text{Cl}_2 – 2⋅17=342\cdot17=34. למולקולת Cl2\text{Cl}_2 ענן האלקטרונים הגדול ביותר, ולכן לכלור טמפרטורת הרתיחה הגבוהה ביותר, 239K239\text{K}.

(להשלמה: 20K20\text{K} – מימן, 77K77\text{K} – חנקן. טמפרטורת הרתיחה הגבוהה יחסית של כלור מסבירה מדוע אפשר להפוך אותו לנוזל בדחיסה בטמפרטורת החדר, שורה 30.)

סעיף ו

תשובה:

V≈2.46 LV\approx2.46\ \text{L}

המסה המולרית של כלור: MCl2=2⋅35.5=71.0 gmolM_{\text{Cl}_2}=2\cdot35.5=71.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}

מספר המולים:

n=mM=14.2 g71.0 gmol=0.200 moln=\frac{m}{M}=\frac{14.2\ \text{g}}{71.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.200\ \text{mol}

המרת הטמפרטורה לקלווין:

T=27∘C+273=300 KT=27^\circ\text{C}+273=300\ \text{K}

הנפח לפי חוק הגזים האידאליים PV=nRTPV=nRT:

V=nRTP=0.200 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅300 K2.0 atm=2.46 LV=\frac{nRT}{P}=\frac{0.200\ \text{mol}\cdot0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\cdot300\ \text{K}}{2.0\ \text{atm}}=2.46\ \text{L}

תשובה: הנפח הוא כ־2.46 L2.46\ \text{L} (כ־2.5 L2.5\ \text{L}).

טעויות נפוצות: שימוש במסה המולרית של אטום Cl (35.535.5) במקום של המולקולה Cl2\text{Cl}_2; הצבת הטמפרטורה במעלות צלזיוס.

סעיף ז

תשובה:

כ־35.135.1 טון Cl2\text{Cl}_2

ניסוח התגובה (סעיף א(3)):

MgCl2(l)→Mg(l)+Cl2(g)\text{MgCl}_{2(l)} \rightarrow \text{Mg}_{(l)} + \text{Cl}_{2(g)}

מסת המגנזיום בגרמים:

mMg=12 ton⋅1×106 gton=1.2×107 gm_{\text{Mg}}=12\ \text{ton}\cdot1\times10^{6}\ \frac{\text{g}}{\text{ton}}=1.2\times10^{7}\ \text{g}

מספר המולים של Mg:

nMg=mM=1.2×107 g24.3 gmol=4.94×105 moln_{\text{Mg}}=\frac{m}{M}=\frac{1.2\times10^{7}\ \text{g}}{24.3\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=4.94\times10^{5}\ \text{mol}

יחס מולים Mg:Cl2=1:1\text{Mg}:\text{Cl}_2=1:1:

nCl2=4.94×105 moln_{\text{Cl}_2}=4.94\times10^{5}\ \text{mol}

מסה מולרית: MCl2=2⋅35.5=71.0 gmolM_{\text{Cl}_2}=2\cdot35.5=71.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}

מסת הכלור:

m=n⋅M=4.94×105 mol⋅71.0 gmol=3.51×107 g=3.51×107 g1×106 gton=35.1 tonm=n\cdot M=4.94\times10^{5}\ \text{mol}\cdot71.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=3.51\times10^{7}\ \text{g}=\frac{3.51\times10^{7}\ \text{g}}{1\times10^{6}\ \frac{\text{g}}{\text{ton}}}=35.1\ \text{ton}

תשובה: נוצרו כ־35.1 טון גז כלור.

פרק שני

שאלה 10 · תרכובות גופרית – חמצון־חיזור וחישובים

שאלה פתוחה25 נקודות

חמצון–חיזור, חישובים

א.

לפניכם נוסחאות של חמש מולקולות:

S8, H2S, SO2, SO3, SCℓ2\text{S}_8 \quad,\ \text{H}_2\text{S} \quad,\ \text{SO}_2 \quad,\ \text{SO}_3 \quad,\ \text{SC}\ell_2
(1)

קבעו את דרגת החמצון של אטום הגופרית בכל אחת מן המולקולות.

(2)

קבעו באילו מן המולקולות הנתונות עשויים אטומי הגופרית לעבור גם תהליך חמצון וגם תהליך חיזור.

נמקו את קביעותיכם.

ב.

בתעשייה מייצרים חומצה גופרתית, H2SO4\text{H}_2\text{SO}_{4} , מגופרית. באחד השלבים מגיבה גופרית דו־חמצנית, SO2(g)\text{SO}_{2(g)} , עם חמצן בנוכחות זרז.

לפניכם ניסוח תגובה 1 :

1.2SO2(g)+O2(g)→2SO3(g)1.\quad 2\text{SO}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{3(g)}

קבעו מהו החומר המחמצן ומהו החומר המחזר בתגובה 1 . הסבירו את שתי הקביעות.

ג.

גופרית דו־חמצנית הנפלטת לאוויר מתמוססת במי הגשם ותורמת להיווצרות גשם חומצי.

לפניכם ניסוח תגובה 2 :

2.SO2(g)+H2O(ℓ)→H2SO3(aq)2.\quad \text{SO}_{2(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_{3(aq)}

האם תגובה 2 היא תגובת חמצון–חיזור? הסבירו את קביעתכם.

ד.

אשלגן גופרתי, K2SO4(s)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} , הוא חומר יוני המשמש דשן.

נסחו את תגובת ההמסה של K2SO4(s)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} במים.

ה.

המיסו 8.728.72 גרם K2SO4(s)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} במים, והכינו 200200 מ"ל תמיסה.

חשבו את הריכוז המולרי של תמיסת K2SO4(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(aq)} שהתקבלה. פרטו את חישוביכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

(1)
תשובה:

S8\text{S}_8: 00; H2S\text{H}_2\text{S}: −2-2; SO2\text{SO}_2: +4+4; SO3\text{SO}_3: +6+6; SCℓ2\text{SC}\ell_2: +2+2.

- S8\text{S}_8 – יסוד: 00.

- H2S\text{H}_2\text{S}: 2⋅(+1)+x=0⇒x=−22\cdot(+1) + x = 0 \Rightarrow x = -2.

- SO2\text{SO}_2: x+2⋅(−2)=0⇒x=+4x + 2\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +4.

- SO3\text{SO}_3: x+3⋅(−2)=0⇒x=+6x + 3\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +6.

- SCℓ2\text{SC}\ell_2: הכלור אלקטרושלילי יותר, ודרגת החמצון שלו −1-1: x+2⋅(−1)=0⇒x=+2x + 2\cdot(-1) = 0 \Rightarrow x = +2.

(2)
תשובה:

S8\text{S}_8, SO2\text{SO}_2, SCℓ2\text{SC}\ell_2 – דרגת החמצון של הגופרית בהן בין המזערית (−2-2) למרבית (+6+6).

לגופרית 66 אלקטרוני ערכיות: דרגת החמצון המרבית שלה +6+6, והמזערית −2-2 (8−6=28-6=2 אלקטרונים להשלמת שמונה).

•דרגת חמצון שבין −2-2 ל־+6+6 יכולה גם לעלות (חמצון) וגם לרדת (חיזור): S8\text{S}_8 (00), SO2\text{SO}_2 (+4+4), SCℓ2\text{SC}\ell_2 (+2+2).

•ב־H2S\text{H}_2\text{S} הגופרית בדרגה המזערית −2-2 – יכולה לעבור רק חמצון.

•ב־SO3\text{SO}_3 הגופרית בדרגה המרבית +6+6 – יכולה לעבור רק חיזור.

טעות נפוצה: לקבוע את דרגת החמצון של הגופרית ב־SCℓ2\text{SC}\ell_2 כשלילית, בלי להשוות את האלקטרושליליות של גופרית ושל כלור.

סעיף ב

תשובה:

החומר המחמצן: O2(g)\text{O}_{2(g)}; החומר המחזר: SO2(g)\text{SO}_{2(g)}.

נקבע דרגות חמצון:

•גופרית: ב־SO2\text{SO}_2 +4+4, ב־SO3\text{SO}_3 +6+6 – עלייה. אטומי הגופרית מוסרים אלקטרונים ועוברים חמצון; החומר שמוסר אלקטרונים הוא החומר המחזר – SO2(g)\text{SO}_{2(g)}.

•חמצן: ב־O2\text{O}_2 (יסוד) 00, ב־SO3\text{SO}_3 −2-2 – ירידה. אטומי החמצן של O2\text{O}_2 קולטים אלקטרונים ועוברים חיזור; החומר שקולט אלקטרונים הוא החומר המחמצן – O2(g)\text{O}_{2(g)}.

(דרגת החמצון של אטומי החמצן שב־SO2\text{SO}_2 נשארת −2-2.)

טעות נפוצה: לקבוע ש־SO2\text{SO}_2 הוא המחמצן משום ש"יש בו חמצן" – המחמצן הוא החומר שאטומיו קולטים אלקטרונים.

סעיף ג

תשובה:

לא – דרגות החמצון של כל האטומים אינן משתנות.

נקבע דרגות חמצון לפני התגובה ואחריה:

•גופרית: ב־SO2\text{SO}_2 +4+4; ב־H2SO3\text{H}_2\text{SO}_3: 2⋅(+1)+x+3⋅(−2)=0⇒x=+42\cdot(+1) + x + 3\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +4 – ללא שינוי.

•מימן: +1+1 ב־H2O\text{H}_2\text{O} וב־H2SO3\text{H}_2\text{SO}_3 – ללא שינוי.

•חמצן: −2-2 בכל החומרים – ללא שינוי.

אין שינוי בדרגות החמצון, כלומר אין מעבר אלקטרונים, ולכן תגובה 2 אינה תגובת חמצון–חיזור.

טעות נפוצה: לקבוע שכל תגובה של תחמוצת היא תגובת חמצון–חיזור – יש לבדוק את דרגות החמצון.

סעיף ד

תשובה:

K2SO4(s)→H2O(ℓ)2K(aq)++SO42−(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} 2\text{K}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}

אשלגן גופרתי בנוי מיוני K+\text{K}^{+} ומיוני גופרה רב־אטומיים, SO42−\text{SO}_4^{2-}, ביחס 2:12:1. בהמסה במים היונים נפרדים ומוקפים מולקולות מים:

K2SO4(s)→H2O(ℓ)2K(aq)++SO42−(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} 2\text{K}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}

בדיקה: אטומים – K\text{K} 2=22=2, S\text{S} 1=11=1, O\text{O} 4=44=4; מטען – 0=2⋅(+1)+(−2)0 = 2\cdot(+1) + (-2).

טעות נפוצה: לרשום K2+\text{K}_2^{+} במקום 2K+2\text{K}^{+}, או לפרק את יון הגופרה.

סעיף ה

תשובה:

0.250 molL0.250\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} (0.250M0.250\text{M})

מסה מולרית: Mw(K2SO4)=2⋅39.1+32.1+4⋅16.0=174.3 gmolM_w(\text{K}_2\text{SO}_4) = 2\cdot 39.1 + 32.1 + 4\cdot 16.0 = 174.3\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}

מספר מולים: n=mMw=8.72 g174.3 gmol=0.0500 moln = \frac{m}{M_w} = \frac{8.72\ \text{g}}{174.3\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 0.0500\ \text{mol}

נפח התמיסה בליטרים: V=200 mL=0.200 LV = 200\ \text{mL} = 0.200\ \text{L}

ריכוז מולרי: C=nV=0.0500 mol0.200 L=0.250 molLC = \frac{n}{V} = \frac{0.0500\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}} = 0.250\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}

טעות נפוצה: להציב את הנפח במיליליטרים, או לחשב את המסה המולרית עם אטום אשלגן אחד בלבד.

שאלה 11 · כהלים ואתרים – טמפרטורות רתיחה ומסיסות

שאלה פתוחה25 נקודות

מבנה וקישור, תרכובות פחמן

כהלים ואתרים הם תרכובות פחמן המשמשות, בין השאר, כממסים.

לפניכם שני גרפים. בגרף 1 מוצגות טמפרטורות הרתיחה של שלושה כהלים: אתנול, 1־פרופנול ו־1־בוטנול. בגרף 2 מוצגות טמפרטורות הרתיחה של שלושה אתרים: דימתיל אתר, אתיל מתיל אתר ודיאתיל אתר. כל הערכים נמדדו בלחץ של 11 אטמוספרה.

(נתוני הגרפים: גרף 1 – אתנול, C2H5OH\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}: 78oC78^{\text{o}}\text{C}; 1־פרופנול, CH3CH2CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}: 97oC97^{\text{o}}\text{C}; 1־בוטנול, CH3CH2CH2CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}: 118oC118^{\text{o}}\text{C}. גרף 2 – דימתיל אתר, CH3OCH3\text{CH}_3\text{OCH}_3: −24oC-24^{\text{o}}\text{C}; אתיל מתיל אתר, CH3OC2H5\text{CH}_3\text{OC}_2\text{H}_5: 7oC7^{\text{o}}\text{C}; דיאתיל אתר, C2H5OC2H5\text{C}_2\text{H}_5\text{OC}_2\text{H}_5: 35oC35^{\text{o}}\text{C}. הציר האנכי: טמפרטורת הרתיחה (oC)(^{\text{o}}\text{C}).)

א.
(1)

לפי הגרפים, רשמו את שם החומר שטמפרטורת הרתיחה שלו היא הגבוהה ביותר בכל אחד משני הגרפים.

(2)

רשמו ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה של כל אחד מן החומרים שרשמתם בתת־סעיף (1).

(3)

רשמו את הנוסחה המולקולרית של כל אחת מן המולקולות של החומרים שרשמתם בתת־סעיף (1).

(4)

טמפרטורת הרתיחה של דיאתיל אתר נמוכה בהרבה מטמפרטורת הרתיחה של 1־בוטנול.

קבעו מהו הגורם העיקרי להבדל זה.

ב.

בעבר שימש דיאתיל אתר כחומר הרדמה בניתוחים, אך הוא נדיף ודליק מאוד.

נסחו ואזנו את תגובת השרפה המלאה של דיאתיל אתר נוזלי, C4H10O(ℓ)\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}_{(\ell)} .

ג.

נתון ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של מולקולת החומר X\text{X} : CH3OCH2CH2CH3\text{CH}_3\text{OCH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3 .

טמפרטורת הרתיחה של החומר X\text{X} היא אחד משני הערכים: 39oC39^{\text{o}}\text{C} או 117oC117^{\text{o}}\text{C} .

קבעו מהי טמפרטורת הרתיחה של החומר X\text{X} .

הסבירו את קביעתכם.

ד.

הממס 2־בוטוקסיאתנול משמש בתכשירי ניקוי ביתיים להרחקת כתמי שמן ושומן. מכונה חומר זה מולקולה B\text{B} .

לפניכם ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של מולקולה B\text{B} .

(1)

ציינו את השמות של כל הקבוצות הפונקציונליות במולקולה B\text{B} .

(2)

הסבירו מדוע למולקולות B\text{B} יש מסיסות גם במים וגם בשמן.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

(1)
תשובה:

גרף 1: 1־בוטנול (118oC118^{\text{o}}\text{C}); גרף 2: דיאתיל אתר (35oC35^{\text{o}}\text{C}).

בגרף 1 העמודה הגבוהה ביותר היא של 1־בוטנול (118oC118^{\text{o}}\text{C}), ובגרף 2 – של דיאתיל אתר (35oC35^{\text{o}}\text{C}).

(2)
תשובה:

1־בוטנול: CH3CH2CH2CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}; דיאתיל אתר: CH3CH2OCH2CH3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_3.

- 1־בוטנול: שרשרת לא מסועפת של 44 אטומי פחמן, וקבוצה הידרוקסילית קשורה לאטום הפחמן הראשון: CH3CH2CH2CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}.

•דיאתיל אתר: אטום חמצן הקשור לשתי קבוצות אתיל: CH3CH2−O−CH2CH3\text{CH}_3\text{CH}_2-\text{O}-\text{CH}_2\text{CH}_3.

(3)
תשובה:

לשתי המולקולות הנוסחה המולקולרית C4H10O\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}.

- 1־בוטנול: 44 אטומי פחמן, 3+2+2+2+1=103+2+2+2+1 = 10 אטומי מימן ואטום חמצן אחד – C4H10O\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}.

•דיאתיל אתר: 44 אטומי פחמן, 3+2+2+3=103+2+2+3 = 10 אטומי מימן ואטום חמצן אחד – C4H10O\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}.

לשני החומרים אותה נוסחה מולקולרית ומבנה שונה – הם איזומרים.

(4)
תשובה:

בין מולקולות 1־בוטנול נוצרים קשרי מימן, ובין מולקולות דיאתיל אתר לא נוצרים קשרי מימן.

לשתי המולקולות אותה נוסחה מולקולרית, ולכן מספר אלקטרונים שווה (4242) – אינטראקציות ון־דר־ולס דומות בחוזקן.

הגורם העיקרי להבדל: קשרי מימן. במולקולת 1־בוטנול יש אטום מימן הקשור לאטום חמצן (קבוצת O−H\text{O}-\text{H}), ולכן בין מולקולותיו נוצרים קשרי מימן, החזקים מאינטראקציות ון־דר־ולס. במולקולת דיאתיל אתר כל אטומי המימן קשורים לאטומי פחמן, ולכן בין מולקולותיו לא נוצרים קשרי מימן.

טעות נפוצה: לייחס את ההבדל לגודל ענן האלקטרונים – לשני האיזומרים אותו מספר אלקטרונים.

סעיף ב

תשובה:

C4H10O(ℓ)+6O2(g)→4CO2(g)+5H2O(ℓ)\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}_{(\ell)} + 6\text{O}_{2(g)} \rightarrow 4\text{CO}_{2(g)} + 5\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}

בשרפה מלאה של תרכובת פחמן המכילה פחמן, מימן וחמצן נוצרים פחמן דו־חמצני ומים.

•פחמן: 44 אטומים – 4CO24\text{CO}_2.

•מימן: 1010 אטומים – 5H2O5\text{H}_2\text{O}.

•חמצן: בתוצרים 4⋅2+5=134\cdot 2 + 5 = 13 אטומים; במולקולת האתר אטום חמצן אחד, ולכן נדרשים 13−1=1213 - 1 = 12 אטומי חמצן מ־O2\text{O}_2, כלומר 6O26\text{O}_2.

C4H10O(ℓ)+6O2(g)→4CO2(g)+5H2O(ℓ)\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}_{(\ell)} + 6\text{O}_{2(g)} \rightarrow 4\text{CO}_{2(g)} + 5\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}

(אפשר לרשום גם H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}.)

טעות נפוצה: לשכוח את אטום החמצן שבמולקולת האתר בעת איזון אטומי החמצן.

סעיף ג

תשובה:

39oC39^{\text{o}}\text{C} – X\text{X} הוא אתר, ובין מולקולותיו אין קשרי מימן.

טמפרטורת הרתיחה של X\text{X} היא 39oC39^{\text{o}}\text{C}.

X\text{X} הוא אתר (אטום חמצן הקשור לשני אטומי פחמן), שנוסחתו המולקולרית C4H10O\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O} – כמו של 1־בוטנול ושל דיאתיל אתר. לכן מספר האלקטרונים במולקולה זהה, ואינטראקציות ון־דר־ולס דומות.

במולקולת X\text{X} אין אטום מימן הקשור לאטום חמצן, ולכן בין מולקולות X\text{X} לא נוצרים קשרי מימן, ופועלות ביניהן בעיקר אינטראקציות ון־דר־ולס (ואינטראקציות דו־קוטב חלשות). לכן טמפרטורת הרתיחה שלו קרובה לזו של האיזומר דיאתיל אתר (35oC35^{\text{o}}\text{C}) ונמוכה בהרבה מזו של 1־בוטנול (118oC118^{\text{o}}\text{C}), שבין מולקולותיו נוצרים קשרי מימן.

טעות נפוצה: לקבוע ש־X\text{X} יוצר קשרי מימן בין מולקולותיו משום שיש בו אטום חמצן – לשם כך נדרש אטום מימן הקשור לחמצן.

סעיף ד

(1)
תשובה:

קבוצה אתרית (אתר) וקבוצה הידרוקסילית (כוהל).

•אטום חמצן הקשור לשני אטומי פחמן (C−O−C\text{C}-\text{O}-\text{C}) – קבוצה אתרית (אתר).

•קבוצת −OH-\text{OH} הקשורה לאטום פחמן בקצה המולקולה – קבוצה הידרוקסילית (כוהל).

טעות נפוצה: לזהות את שני אטומי החמצן כשתי קבוצות הידרוקסיל – אל אטום החמצן האתרי לא קשור אטום מימן.

(2)
תשובה:

החלק הקוטבי (קבוצות OH\text{OH} ואתר) יוצר קשרי מימן עם מולקולות מים; החלק הלא קוטבי (שרשרת הבוטיל) יוצר אינטראקציות ון־דר־ולס עם מולקולות השמן.

כדי שחומר מולקולרי יתמוסס בממס, צריכים להיווצר קשרים בין מולקולות המומס למולקולות הממס.

- מסיסות במים: במולקולה B\text{B} יש קבוצת O−H\text{O}-\text{H} ואטום חמצן אתרי עם זוגות אלקטרונים לא קושרים. בין מולקולות B\text{B} לבין מולקולות המים נוצרים קשרי מימן: אטום המימן של קבוצת ה־OH\text{OH} יוצר קשר מימני עם אטום חמצן של מולקולת מים, ואטומי מימן של מולקולות המים יוצרים קשרי מימן עם אטומי החמצן (ההידרוקסילי והאתרי) של B\text{B}.

- מסיסות בשמן: במולקולה B\text{B} יש שרשרת פחמנית לא קוטבית (קבוצת בוטיל, 44 אטומי פחמן, וקבוצות CH2\text{CH}_2 נוספות). שרשרת זו יוצרת אינטראקציות ון־דר־ולס עם השרשראות הפחמניות הארוכות והלא קוטביות של מולקולות השמן.

טעות נפוצה: להסביר את המסיסות בשמן בקשרי מימן – במולקולות השמן אין קבוצות O−H\text{O}-\text{H}, והקשרים העיקריים הם אינטראקציות ון־דר־ולס.

שאלה 12 · הפיכת פחמן דו־חמצני למתאן – חוק הס והתעבות אדי מים

שאלה פתוחה25 נקודות

מבנה וקישור, אנרגייה

אחת הדרכים לנצל פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)} , היא להפוך אותו לדלק מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)} , בתגובה עם מימן בטמפרטורה גבוהה ובנוכחות זרז. בתגובה נוצרים גם אדי מים.

לפניכם שלוש תגובות וערכי ΔH0\Delta H^0 שלהן: תגובות השׂרֵפה של מימן ושל מתאן, ותהליך האידוי של מים.

1. H2(g)+12O2(g)→H2O(ℓ)ΔH10=−286kJ\quad \text{H}_{2(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \qquad \Delta H_1^0 = -286\text{kJ}

2. CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(ℓ)ΔH20=−890kJ\quad \text{CH}_{4(g)} + 2\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \qquad \Delta H_2^0 = -890\text{kJ}

3. H2O(ℓ)→H2O(g)ΔH30=+44kJ\quad \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H_3^0 = +44\text{kJ}

נתון ניסוח תגובה 4 של יצירת מתאן מפחמן דו־חמצני וממימן.

4. CO2(g)+4H2(g)→CH4(g)+2H2O(g)ΔH40=?\quad \text{CO}_{2(g)} + 4\text{H}_{2(g)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H_4^0 = ?

א.

חשבו את הערך של ΔH40\Delta H_4^0 .

ב.
(1)

סרטטו ייצוג מלא לנוסחת המבנה של מולקולת CH4\text{CH}_4 , וייצוג מלא לנוסחת המבנה של מולקולת CO2\text{CO}_2 .

(2)

רשמו את שני סוגי הקשרים הקוולנטיים שאטום הפחמן יוצר במולקולות האלה, וציינו לגבי כל אחד מהם אם הוא קשר יחיד, כפול או משולש.

ג.
(1)

האם תגובה 4 היא תגובה אקסותרמית או אנדותרמית? נמקו את קביעתכם.

(2)

חשבו את כמות החום המשתחררת כאשר מגיבים 88.088.0 גרם CO2(g)\text{CO}_{2(g)} בתגובה 4. פרטו את חישוביכם.

ד.

בסוף התהליך מקררים את תערובת הגזים, ואדי המים מתעבים ומופרדים מן המתאן.

לפניכם ארבע דיאגרמות אנרגייה a\text{a} , b\text{b} , c\text{c} ו־ d\text{d} .

קבעו איזו מן הדיאגרמות a\text{a} , b\text{b} , c\text{c} , d\text{d} מתארת בצורה נכונה את שינוי האנרגייה בתהליך ההתעבות של אדי מים.

נמקו את קביעתכם. בנימוק התייחסו לאינטראקציות בין החלקיקים.

◂ פתרון מלא לשאלה 12

סעיף א

תשובה:

ΔH40=−166 kJ\Delta H_4^0 = -166\ \text{kJ}

לפי חוק הס, אפשר לקבל את תגובה 4 מצירוף של תגובות 1–3:

•תגובה 1 כפול 44: 4H2(g)+2O2(g)→4H2O(ℓ)4\text{H}_{2(g)} + 2\text{O}_{2(g)} \rightarrow 4\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}, ΔH=4⋅(−286 kJ)=−1144 kJ\Delta H = 4\cdot(-286\ \text{kJ}) = -1144\ \text{kJ}

•תגובה 2 הפוכה: CO2(g)+2H2O(ℓ)→CH4(g)+2O2(g)\text{CO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)} + 2\text{O}_{2(g)}, ΔH=+890 kJ\Delta H = +890\ \text{kJ}

•תגובה 3 כפול 22: 2H2O(ℓ)→2H2O(g)2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}, ΔH=2⋅(+44 kJ)=+88 kJ\Delta H = 2\cdot(+44\ \text{kJ}) = +88\ \text{kJ}

בחיבור התגובות מצטמצמים 2O22\text{O}_2 ו־4H2O(ℓ)4\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} (משמאל 2+2=42+2=4 מול, ומימין 44 מול), ומתקבלת תגובה 4:

ΔH40=4ΔH10−ΔH20+2ΔH30=−1144 kJ+890 kJ+88 kJ=−166 kJ\Delta H_4^0 = 4\Delta H_1^0 - \Delta H_2^0 + 2\Delta H_3^0 = -1144\ \text{kJ} + 890\ \text{kJ} + 88\ \text{kJ} = -166\ \text{kJ}

טעות נפוצה: לשכוח את תגובה 3 – בתגובה 4 המים נוצרים במצב גז, ולא במצב נוזל.

סעיף ב

(1)
תשובה:

ראו איור.

- CH4\text{CH}_4: אטום פחמן מרכזי הקשור בקשרים יחידים לארבעה אטומי מימן.

- CO2\text{CO}_2: אטום פחמן מרכזי הקשור בקשר כפול לכל אחד משני אטומי החמצן, O=C=O\text{O}=\text{C}=\text{O}.

בייצוג מלא של נוסחת מבנה מסרטטים את כל האטומים ואת כל הקשרים (כל קשר – קו).

(2)
תשובה:

C−H\text{C}-\text{H} – קשר יחיד; C=O\text{C}=\text{O} – קשר כפול.

- C−H\text{C}-\text{H} – קשר יחיד (במתאן): זוג אלקטרונים קושר אחד.

- C=O\text{C}=\text{O} – קשר כפול (בפחמן דו־חמצני): שני זוגות אלקטרונים קושרים.

סעיף ג

(1)
תשובה:

אקסותרמית, כי ΔH40=−166 kJ<0\Delta H_4^0 = -166\ \text{kJ} < 0.

תגובה 4 היא אקסותרמית: ΔH40=−166 kJ<0\Delta H_4^0 = -166\ \text{kJ} < 0, כלומר האנתלפייה של התוצרים (CH4(g)+2H2O(g)\text{CH}_{4(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}) נמוכה מזו של המגיבים (CO2(g)+4H2(g)\text{CO}_{2(g)} + 4\text{H}_{2(g)}), והפרש האנרגייה משתחרר לסביבה כחום.

(2)
תשובה:

332 kJ332\ \text{kJ}

Mw(CO2)=12.0+2⋅16.0=44.0 gmolM_w(\text{CO}_2) = 12.0 + 2\cdot 16.0 = 44.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}

n(CO2)=mMw=88.0 g44.0 gmol=2.00 moln(\text{CO}_2) = \frac{m}{M_w} = \frac{88.0\ \text{g}}{44.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 2.00\ \text{mol}

לפי תגובה 4, בתגובה של 11 מול CO2\text{CO}_2 משתחררים 166 kJ166\ \text{kJ}. לכן:

Q=2.00 mol⋅166 kJmol=332 kJQ = 2.00\ \text{mol}\cdot 166\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}} = 332\ \text{kJ}

טעות נפוצה: לכפול את ΔH40\Delta H_4^0 במספר מולי המימן (44 מול לכל מול CO2\text{CO}_2) במקום במספר מולי ה־CO2\text{CO}_2.

סעיף ד

תשובה:

דיאגרמה b\text{b}.

דיאגרמה b\text{b} נכונה. תהליך ההתעבות: H2O(g)→H2O(ℓ)\text{H}_2\text{O}_{(g)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(\ell)}.

במצב גז מולקולות המים רחוקות זו מזו, וכמעט אין ביניהן קשרים. בהתעבות המולקולות מתקרבות, ונוצרים ביניהן קשרי מימן (ואינטראקציות ון־דר־ולס). ביצירת קשרים משתחררת אנרגייה, ולכן ההתעבות היא תהליך אקסותרמי (ΔH0<0\Delta H^0 < 0; לפי תגובה 3, ΔH0=−44 kJ\Delta H^0 = -44\ \text{kJ} למול).

בדיאגרמה b\text{b} המגיב H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)} נמצא ברמה הגבוהה, התוצר H2O(ℓ)\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} ברמה הנמוכה, והחץ פונה מטה – מן המגיב אל התוצר.

למה האחרות שגויות:

- a – רמות האנתלפייה נכונות, אך החץ פונה מעלה – מן הנוזל אל הגז; זו דיאגרמה של אידוי.

- c, d – אדי המים מוצגים ברמת אנתלפייה נמוכה מזו של המים הנוזליים, וזה שגוי: לגז אנתלפייה גבוהה יותר, משום שבנוזל נוצרו קשרים בין המולקולות.

טעות נפוצה: לחשוב שבהתעבות "נדרשת" אנרגייה כדי לקרר – בהתעבות משתחררת אנרגייה לסביבה.

שאלה 13 · חומצות ובסיסים בריכוזים שונים – pH ואנרגיה בתגובות סתירה

שאלה פתוחה25 נקודות

חומצות ובסיסים, אנרגייה

בשאלה זו מתוארים שלושה ניסויים.

ניסוי 1

תלמידים שפכו לתוך ארבע כוסות המסומנות באותיות A , B , C , D ארבע תמיסות צלולות, על פי המפורט בטבלה שלפניכם:

כוסABCD
נוזלתמיסת HI(aq)\text{HI}_{(aq)}תמיסת KOH(aq)\text{KOH}_{(aq)}תמיסת Sr(OH)2(aq)\text{Sr(OH)}_{2(aq)}תמיסת HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}
**נפח** (מ"ל)100200100100
**ריכוז** (M)0.50.20.20.1

הטמפרטורה של כל אחת מן התמיסות הייתה 21∘C21^\circ\text{C} .

התלמידים מדדו את ערך ה־ pH בכל אחת מן התמיסות.

א.
(1)

דרגו את התמיסות על פי ערך עולה של ה־ pH .

(2)

רשמו את הסימול של כל סוגי היונים הממוימים בכל אחת מן הכוסות A , B , C , D .

ב.

ניסוי 2

התלמידים שפכו את התמיסה KOH(aq)\text{KOH}_{(aq)} מכוס B אל התמיסה HI(aq)\text{HI}_{(aq)} שבכוס A וערבבו. במהלך הערבוב עלתה טמפרטורת התמיסה עד ל־ 22.8∘C22.8^\circ\text{C} .

(1)

נסחו את התגובה נטו שהתרחשה בעת ערבוב התמיסות.

(2)

האם התגובה שהתרחשה בכוס היא תגובה אקסותרמית או אנדותרמית? נמקו את תשובתכם. בנימוק התייחסו למעברי אנרגייה.

(3)

מהו ΔH0\Delta H^0 העשוי להתאים לתגובה שניסחתם: +57kJ+57\text{kJ} או −57kJ-57\text{kJ} ? נמקו את בחירתכם.

(4)

האם ערכו של ה־ pH בתום התגובה שהתרחשה הוא בתחום החומצי, בתחום הבסיסי או ניטרלי?

נמקו את תשובתכם או היעזרו בחישוב.

ג.

ניסוי 3

התלמידים שפכו את התמיסה Sr(OH)2(aq)\text{Sr(OH)}_{2(aq)} מכוס C אל התמיסה HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)} שבכוס D וערבבו. במהלך הערבוב השתנתה טמפרטורת התמיסה.

(1)

נסחו את התגובה נטו שהתרחשה בעת ערבוב התמיסות.

(2)

האם הטמפרטורה של התמיסה, לאחר הערבוב, עלתה או ירדה? נמקו את תשובתכם.

(3)

האם כמות האנרגייה שעברה בין המערכת ובין הסביבה בניסוי 3 זהה לכמות האנרגייה שעברה בין המערכת ובין הסביבה בניסוי 2? נמקו את תשובתכם.

(4)

האם ערכו של ΔH0\Delta H^0 לתגובה שניסחתם בתת־סעיף ג(1) שווה לערכו של ΔH0\Delta H^0 לתגובה שניסחתם בתת־סעיף ב(1) או שונה ממנו? נמקו את תשובתכם.

(5)

האם ערכו של ה־ pH בתום התגובה שהתרחשה בניסוי 3 הוא בתחום החומצי, בתחום הבסיסי או ניטרלי?

נמקו את תשובתכם או היעזרו בחישוב.

◂ פתרון מלא לשאלה 13

סעיף א

(1)
תשובה:

A < D < B < C

A < D < B < C

- A ו־D – תמיסות חומצה, pH קטן מ־7. ב־A ריכוז יוני ההידרוניום 0.5 M0.5\ \text{M}, וב־D רק 0.1 M0.1\ \text{M}. ככל שריכוז H3O+\text{H}_3\text{O}^{+} גבוה יותר ה־pH נמוך יותר, לכן A < D.

- B ו־C – תמיסות בסיס, pH גדול מ־7. ב־B: KOH→K++OH−\text{KOH} \rightarrow \text{K}^{+} + \text{OH}^{-}, ולכן [OH−]=0.2 M[\text{OH}^{-}]=0.2\ \text{M}. ב־C: Sr(OH)2→Sr2++2OH−\text{Sr(OH)}_2 \rightarrow \text{Sr}^{2+} + 2\text{OH}^{-}, ולכן [OH−]=2⋅0.2 M=0.4 M[\text{OH}^{-}]=2\cdot0.2\ \text{M}=0.4\ \text{M}. ככל שריכוז OH−\text{OH}^{-} גבוה יותר ה־pH גבוה יותר, לכן B < C.

טעות נפוצה: לדרג את B ו־C לפי ריכוז הבסיס (0.2 M בשתיהן) ולקבוע שערכי ה־pH שווים – כל יחידת Sr(OH)2\text{Sr(OH)}_2 משחררת שני יוני OH−\text{OH}^{-}, ולכן ריכוז יוני OH−\text{OH}^{-} ב־C כפול.

(2)
תשובה:

A: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}, I(aq)−\text{I}^{-}_{(aq)}; B: K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}, OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}; C: Sr(aq)2+\text{Sr}^{2+}_{(aq)}, OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}; D: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}, NO3−(aq)\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}

- כוס A: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} , I(aq)−\text{I}^{-}_{(aq)} (יינון: HI(g)+H2O(l)→H3O(aq)++I(aq)−\text{HI}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{I}^{-}_{(aq)})

- כוס B: K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)} , OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)} (המסה: KOH(s)→K(aq)++OH(aq)−\text{KOH}_{(s)} \rightarrow \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)})

- כוס C: Sr(aq)2+\text{Sr}^{2+}_{(aq)} , OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}

- כוס D: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} , NO3−(aq)\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)} (יינון: HNO3(l)+H2O(l)→H3O(aq)++NO3−(aq)\text{HNO}_{3(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{NO}_3^{-}{}_{(aq)})

סעיף ב

(1)
תשובה:

H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}

H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}

היונים K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)} ו־I(aq)−\text{I}^{-}_{(aq)} אינם משתתפים בתגובה (יונים צופים) ולכן אינם מופיעים בניסוח נטו.

(2)
תשובה:

אקסותרמית – אנרגיה עברה מן המערכת לסביבה, ולכן הטמפרטורה עלתה.

התגובה אקסותרמית. הטמפרטורה של התמיסה (הסביבה – המים שבהם מתרחשת התגובה) עלתה מ־21∘C21^\circ\text{C} ל־22.8∘C22.8^\circ\text{C}. משמע שבתגובה אנרגיה עברה מן המערכת (המגיבים) אל הסביבה: האנרגיה האצורה בתוצרים קטנה מזו שבמגיבים, וההפרש עבר לסביבה כחום, ΔH<0\Delta H<0.

(3)
תשובה:

ΔH0=−57 kJ\Delta H^0=-57\ \text{kJ}

ΔH0=−57 kJ\Delta H^0=-57\ \text{kJ}. התגובה אקסותרמית (תת־סעיף ב(2)) – אנרגיה עוברת מן המערכת לסביבה, ולכן האנתלפיה של התוצרים נמוכה מזו של המגיבים: ΔH0=Hתוצרים−Hמגיבים<0\Delta H^0=H_{\text{תוצרים}}-H_{\text{מגיבים}}<0. ערך חיובי מתאים לתגובה אנדותרמית, שבה הטמפרטורה הייתה יורדת.

(4)
תשובה:

חומצי – נשאר עודף של 0.01 mol0.01\ \text{mol} יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}.

בתחום החומצי.

nH3O+=C⋅V=0.5 molL⋅0.100 L=0.05 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=C\cdot V=0.5\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.05\ \text{mol}
nOH−=0.2 molL⋅0.200 L=0.04 moln_{\text{OH}^-}=0.2\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.200\ \text{L}=0.04\ \text{mol}

לפי הניסוח נטו היחס H3O+:OH−=1:1\text{H}_3\text{O}^{+}:\text{OH}^{-}=1:1, ולכן כל יוני ההידרוקסיד מגיבים (הם המגיב המגביל) ונשאר עודף של יוני הידרוניום:

nH3O+ (עודף)=0.05 mol−0.04 mol=0.01 moln_{\text{H}_3\text{O}^+\ \text{(עודף)}}=0.05\ \text{mol}-0.04\ \text{mol}=0.01\ \text{mol}
[H3O+]=0.01 mol0.300 L=0.033 M[\text{H}_3\text{O}^{+}]=\frac{0.01\ \text{mol}}{0.300\ \text{L}}=0.033\ \text{M}

יש בתמיסה עודף של יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}, ולכן היא חומצית (pH קטן מ־7).

טעות נפוצה: להסיק שהתמיסה ניטרלית כי "מערבבים חומצה ובסיס" – יש להשוות את מספרי המולים, ולא את הנפחים או הריכוזים בלבד.

סעיף ג

(1)
תשובה:

H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}

H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}

גם כאן היונים Sr2+\text{Sr}^{2+} ו־NO3−\text{NO}_3^{-} הם יונים צופים, והתגובה נטו היא תגובת סתירה בין יוני הידרוניום ליוני הידרוקסיד – אותה תגובה כמו בניסוי 2.

(2)
תשובה:

עלתה – זו אותה תגובת סתירה אקסותרמית; אנרגיה עוברת מן המערכת לסביבה.

הטמפרטורה עלתה. התגובה נטו זהה לזו של ניסוי 2 – תגובת סתירה בין H3O+\text{H}_3\text{O}^{+} ל־OH−\text{OH}^{-}, שהיא אקסותרמית (ΔH0<0\Delta H^0<0). לכן גם בניסוי 3 אנרגיה עברה מן המערכת לסביבה (לתמיסה), והטמפרטורה עלתה (אם כי פחות – ראו תת־סעיף ג(3)).

(3)
תשובה:

לא – בניסוי 3 הגיבו רק 0.01 mol0.01\ \text{mol} מכל סוג יון, לעומת 0.04 mol0.04\ \text{mol} בניסוי 2, ולכן עברה כמות אנרגיה קטנה פי 4.

לא, בניסוי 3 עברה כמות אנרגיה קטנה יותר (פי 4).

כמות האנרגיה שעוברת תלויה במספר המולים שהגיבו בפועל.

•ניסוי 2: nH3O+=0.05 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=0.05\ \text{mol} ו־nOH−=0.04 moln_{\text{OH}^-}=0.04\ \text{mol} → הגיבו 0.04 mol0.04\ \text{mol} מכל סוג (יוני OH−\text{OH}^{-} הם המגיב המגביל).

•ניסוי 3: nOH−=2⋅0.2 molL⋅0.100 L=0.04 moln_{\text{OH}^-}=2\cdot0.2\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.04\ \text{mol} ו־nH3O+=0.1 molL⋅0.100 L=0.01 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=0.1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.01\ \text{mol}. יוני ההידרוניום הם המגיב המגביל → הגיבו רק 0.01 mol0.01\ \text{mol} מכל סוג יון.

לכן האנרגיה שעברה: ניסוי 2 – 0.04 mol⋅57 kJmol=2.28 kJ0.04\ \text{mol}\cdot57\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}=2.28\ \text{kJ}; ניסוי 3 – 0.01 mol⋅57 kJmol=0.57 kJ0.01\ \text{mol}\cdot57\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}=0.57\ \text{kJ}, כלומר פי 4 פחות.

(4)
תשובה:

שווה (−57 kJ-57\ \text{kJ}) – זו אותה תגובה באותו ניסוח.

שווה – ΔH0=−57 kJ\Delta H^0=-57\ \text{kJ} בשני המקרים. ΔH0\Delta H^0 מתייחס לתגובה כפי שהיא מנוסחת – למספרי המולים שבמקדמי הניסוח (מול אחד H3O+\text{H}_3\text{O}^{+} עם מול אחד OH−\text{OH}^{-}), ולא לכמויות שהגיבו בפועל בניסוי. הניסוחים בתת־סעיפים ב(1) ו־ג(1) זהים, ולכן ערך ΔH0\Delta H^0 זהה. ההבדל בין הניסויים הוא רק בכמות האנרגיה הכוללת שעברה, התלויה במספר המולים שהגיבו (תת־סעיף ג(3)).

(5)
תשובה:

בסיסי – נשאר עודף של 0.03 mol0.03\ \text{mol} יוני OH−\text{OH}^{-}.

בתחום הבסיסי.

nOH−=0.04 moln_{\text{OH}^-}=0.04\ \text{mol} ו־nH3O+=0.01 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=0.01\ \text{mol} (תת־סעיף ג(3)). לפי היחס 1:11:1 כל יוני ההידרוניום מגיבים (הם המגיב המגביל) ונשאר עודף של יוני הידרוקסיד:

nOH− (עודף)=0.04 mol−0.01 mol=0.03 moln_{\text{OH}^-\ \text{(עודף)}}=0.04\ \text{mol}-0.01\ \text{mol}=0.03\ \text{mol}
[OH−]=0.03 mol0.200 L=0.15 M[\text{OH}^{-}]=\frac{0.03\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}}=0.15\ \text{M}

יש בתמיסה עודף של יוני OH−\text{OH}^{-}, ולכן היא בסיסית (pH גדול מ־7).

טעות נפוצה: לחשב nOH−=0.02 moln_{\text{OH}^-}=0.02\ \text{mol} (לפי ריכוז ה־Sr(OH)2\text{Sr(OH)}_2) ולשכוח שכל יחידת Sr(OH)2\text{Sr(OH)}_2 משחררת שני יוני OH−\text{OH}^{-}; גם אז התמיסה בסיסית, אבל העודף מחושב לא נכון.

שאלה 14 · אצטון מ־2־פרופנול – כוחות בין־מולקולריים, אנרגיה וזרז

שאלה פתוחה25 נקודות

מבנה וקישור, אנרגייה

אצטון (פרופנון), C3H6O\text{C}_3\text{H}_6\text{O} , הוא ממס נפוץ, המשמש למשל במסירי לק ובתעשיית הצבעים. אחת הדרכים לייצר אצטון בתעשייה היא פירוק בחימום של אדי 2־פרופנול, C3H8O\text{C}_3\text{H}_8\text{O} , בנוכחות זרז מוצק המכיל נחושת. בתגובה נוצרים אדי אצטון וגז מימן.

לפניכם ייצוג מלא של נוסחת המבנה של מולקולת אצטון:

א.

2־פרופנול משמש גם חומר חיטוי, וגם חומר גלם לייצור אצטון.

(1)

נתון ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה של מולקולת 2־פרופנול CH3CH(OH)CH3\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3 .

שרטטו ייצוג מלא של נוסחת המבנה עבור מולקולת 2־פרופנול.

(2)

טמפרטורת הרתיחה של אצטון נמוכה מטמפרטורת הרתיחה של 2־פרופנול.

הסבירו עובדה זו.

ב.

לפניכם ניסוח תגובת הפירוק של 2־פרופנול:

C3H8O(g)→C3H6O(g)+H2(g)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{(g)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_6\text{O}_{(g)} + \text{H}_{2(g)}

נתון כי האנרגייה הדרושה לפירוק הקשרים הקוולנטיים במולקולות המגיב גבוהה מן האנרגייה הנפלטת בעת יצירת הקשרים הקוולנטיים במולקולות התוצרים.

האם התגובה הנתונה היא אקסותרמית או אנדותרמית?

ג.

אצטון משמש גם חומר גלם לייצור חומרים אחרים. אחד מהם הוא החומר 4־הידרוקסי־4־מתיל־2־פנטנון, המשמש ממס בתעשיית הצבעים.

לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה שלו:

רשמו את שמות הקבוצות הפונקציונליות במולקולה זו.

ד.

לפניכם סרטוט סכמטי של דיאגרמת האנרגייה של תגובת הפירוק של 2־פרופנול בנוכחות הזרז.

(1)

התאימו כל אחד מן המושגים שבמחסן המילים אל האות המתאימה לו בדיאגרמה ( A , B , C , D , F ).

לכל אות מושג אחד.

מחסן המילים:

•שינוי באנתלפיית תגובה ( ΔH0\Delta H^0 )

•אנרגיית שפעול ( EaE_a )

•תצמיד משופעל

•מגיבים

•תוצרים

(2)

על פי הסרטוט הנתון, קבעו אם תגובת הפירוק של 2־פרופנול היא תגובה אקסותרמית או תגובה אנדותרמית. הסבירו את קביעתכם.

ה.

קבעו איזה משני הגדלים C או F המוצגים בסרטוט, ישתנה כאשר התגובה תתבצע ללא זרז. נמקו את קביעתכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 14

סעיף א

(1)
תשובה:

שרשרת של שלושה אטומי פחמן; לאטום הפחמן האמצעי קשורים אטום H אחד וקבוצת O–H; לכל אחד מאטומי הפחמן הקיצוניים שלושה אטומי H. כל הקשרים מסורטטים.

בייצוג מלא מסרטטים כל אטום וכל קשר:

•שלושה אטומי פחמן בשרשרת, הקשורים בקשרים יחידים.

•לכל אחד מאטומי הפחמן הקיצוניים קשורים שלושה אטומי H.

•לאטום הפחמן האמצעי קשורים אטום H אחד ואטום O; אטום ה־O קשור בקשר יחיד לאטום H (קבוצת O–H).

      H   H   H
      |   |   |
  H - C - C - C - H
      |   |   |
      H   O   H
          |
          H

(לכל אטום פחמן ארבעה קשרים, לאטום החמצן שני קשרים, לכל אטום מימן קשר אחד.)

(2)
תשובה:

בין מולקולות 2־פרופנול יש קשרי מימן (קבוצת O–H), ובין מולקולות אצטון אין – רק אינטראקציות ואן דר ואלס ודו־קוטב; גודל ענני האלקטרונים כמעט זהה.

שני החומרים מולקולריים; ברתיחה מתגברים על הכוחות בין המולקולות.

- 2־פרופנול: במולקולה יש קבוצת O–H (אטום H הקשור לאטום O, בעל אלקטרושליליות גבוהה), ולכן בין המולקולות נוצרים קשרי מימן – בנוסף לאינטראקציות ואן דר ואלס ולמשיכות דו־קוטב–דו־קוטב.

- אצטון: כל אטומי המימן קשורים לאטומי פחמן, ואין במולקולה קבוצת O–H, ולכן בין מולקולות אצטון אין קשרי מימן – פועלות רק אינטראקציות ואן דר ואלס ומשיכות דו־קוטב–דו־קוטב, החלשות מקשרי מימן.

•גודל ענני האלקטרונים כמעט זהה (אצטון, C3H6O\text{C}_3\text{H}_6\text{O} – 32 אלקטרונים; 2־פרופנול, C3H8O\text{C}_3\text{H}_8\text{O} – 34 אלקטרונים), ולכן ההבדל העיקרי הוא קשרי המימן.

לכן נדרשת אנרגיה קטנה יותר כדי להרחיק את מולקולות האצטון זו מזו, וטמפרטורת הרתיחה שלו נמוכה יותר.

טעות נפוצה: לטעון שבאצטון יש קשרי מימן כי יש בו אטומי H ואטום O – קשר מימן נוצר רק כאשר אטום H קשור ישירות לאטום O (או N, F).

סעיף ב

תשובה:

אנדותרמית (ΔH>0\Delta H>0).

התגובה אנדותרמית.

בתגובה כימית יש להשקיע אנרגיה כדי לפרק את הקשרים במגיבים, ונפלטת אנרגיה כאשר נוצרים הקשרים בתוצרים. לפי הנתון, האנרגיה המושקעת בפירוק הקשרים גדולה מן האנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים החדשים, ולכן בסך הכול המערכת קולטת אנרגיה מן הסביבה: ΔH>0\Delta H>0.

סעיף ג

תשובה:

קטון והידרוקסיל (כהל).

במולקולה שתי קבוצות פונקציונליות (לפי טבלת הקבוצות הפונקציונליות):

- קטון – משמאל: אטום פחמן הקשור בקשר כפול לאטום O ובקשרים יחידים לשני אטומי פחמן: −C(=O)−-\text{C}(=\text{O})- בתוך השרשרת.

- הידרוקסיל (כהל) – מימין: קבוצת −OH-\text{OH} הקשורה לאטום פחמן שכל קשריו האחרים יחידים.

טעות נפוצה: לזהות את קבוצת C=O\text{C=O} כאלדהיד – באלדהיד אטום הפחמן של C=O\text{C=O} קשור לאטום מימן; כאן הוא קשור לשני אטומי פחמן, ולכן זו קבוצת קטון.

סעיף ד

(1)
תשובה:

A – תצמיד משופעל; B – מגיבים; C – אנרגיית שפעול (EaE_a); D – תוצרים; F – ΔH0\Delta H^0

- A – תצמיד משופעל: נקודת המקסימום של העקומה.

- B – מגיבים: רמת האנרגיה בתחילת התגובה.

- C – אנרגיית שפעול (EaE_a): ההפרש בין רמת המגיבים לבין רמת התצמיד המשופעל.

- D – תוצרים: רמת האנרגיה בסוף התגובה.

- F – שינוי באנתלפיית התגובה (ΔH0\Delta H^0): ההפרש בין רמת התוצרים לבין רמת המגיבים.

(2)
תשובה:

אנדותרמית – רמת האנרגיה של התוצרים (D) גבוהה מזו של המגיבים (B).

אנדותרמית. לפי הסרטוט, רמת האנרגיה (האנתלפיה) של התוצרים (D) גבוהה מרמת האנרגיה של המגיבים (B), והחץ F מכוון כלפי מעלה. לכן ΔH0=Hתוצרים−Hמגיבים>0\Delta H^0=H_{\text{תוצרים}}-H_{\text{מגיבים}}>0 – במהלך התגובה המערכת קולטת אנרגיה מן הסביבה (התאמה לנתון בסעיף ב).

סעיף ה

תשובה:

C (אנרגיית השפעול) – ללא זרז היא תהיה גבוהה יותר; F (ΔH0\Delta H^0) לא ישתנה.

הגודל C – אנרגיית השפעול – ישתנה (ללא זרז הוא יהיה גדול יותר).

זרז מאפשר לתגובה להתרחש במסלול אחר, בעל אנרגיית שפעול נמוכה יותר, ולכן מגביר את קצב התגובה. הסרטוט מתאר את התגובה בנוכחות הזרז; ללא הזרז אנרגיית השפעול C תהיה גבוהה יותר (התצמיד המשופעל A יהיה ברמת אנרגיה גבוהה יותר).

הגודל F (ΔH0\Delta H^0) לא ישתנה: הזרז אינו משנה את המגיבים ואת התוצרים ולא את רמות האנרגיה שלהם, ולכן ההפרש ביניהם – שינוי האנתלפיה – נשאר זהה.

טעות נפוצה: לטעון שזרז משנה את ΔH\Delta H או את רמת האנרגיה של התוצרים.

טבלת התשובות
שאלהסעיףתשובה
1-

ב – נחושת היא מתכת: סריג של יונים חיוביים של נחושת ב"ים" של אלקטרונים ניידים.

2-

ב – ירוק: הניקל הגופרתי, חומר יוני, מתמוסס במים; הליקופן, פחמימן לא קוטבי, אינו מתמוסס במים.

3-

א – 0.120.12 מול יונים.

4-

ד – דרגת החמצון של אטומי הפחמן ירדה מ־+4+4 ל־00, כלומר הם עברו חיזור.

5-

ב – לשני החומרים הנוסחה המולקולרית C6H12O2\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_2 ומבנה שונה.

6-

ד – בנפח, בטמפרטורה ובלחץ זהים יש מספר מולים שווה, והמסה המולרית של שני הגזים שווה (28.0 gmol28.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}), ולכן המסות שוות.

7-

א – [Na+]=0.20 M[\text{Na}^+]=0.20\ \text{M}, [SO42−]=0.10 M[\text{SO}_4^{2-}]=0.10\ \text{M}.

8-

ג – חומצה גופרתית מוסרת שני פרוטונים לשתי מולקולות מים; הניסוח מאוזן באטומים ובמטען.

9א 1

MgCl2(s)\text{MgCl}_{2(s)}

א 2

בפירוק חשמלי היונים צריכים לנוע אל האלקטרודות; במוצק הם קבועים בסריג, ורק במצב נוזל (מותך) הם ניידים.

א 3

MgCl2(l)→Mg(l)+Cl2(g)\text{MgCl}_{2(l)} \rightarrow \text{Mg}_{(l)} + \text{Cl}_{2(g)}

ב 1

i. מוצקים בטמפרטורת החדר בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה (או: אינם מוליכים חשמל במצב מוצק ומוליכים במצב נוזל). ii. מוליכים חשמל במצב מוצק (או: בעלי ברק מתכתי, מוליכים חום).

ב 2

ההיגד ii נכון.

ג 1

באטום Mg יש 12 אלקטרונים (2,8,22,8,2); ביון Mg2+\text{Mg}^{2+}, שמסר 2 אלקטרונים, יש 10 אלקטרונים (2,82,8) – כמו באטום Ne (מספר אטומי 10): 2,82,8.

ג 2

1226Mg2+^{26}_{12}\text{Mg}^{2+} – מגנזיום, מספר אטומי 12, מספר מסה 26, מטען 2+2+.

ד

ההיגד ii נכון.

ה

239K239\text{K}; הגורם: גודל ענן האלקטרונים (חוזק כוחות ואן דר ואלס) – למולקולת Cl2\text{Cl}_2 ענן האלקטרונים הגדול ביותר.

ו

V≈2.46 LV\approx2.46\ \text{L}

ז

כ־35.135.1 טון Cl2\text{Cl}_2

10א 1

S8\text{S}_8: 00; H2S\text{H}_2\text{S}: −2-2; SO2\text{SO}_2: +4+4; SO3\text{SO}_3: +6+6; SCℓ2\text{SC}\ell_2: +2+2.

א 2

S8\text{S}_8, SO2\text{SO}_2, SCℓ2\text{SC}\ell_2 – דרגת החמצון של הגופרית בהן בין המזערית (−2-2) למרבית (+6+6).

ב

החומר המחמצן: O2(g)\text{O}_{2(g)}; החומר המחזר: SO2(g)\text{SO}_{2(g)}.

ג

לא – דרגות החמצון של כל האטומים אינן משתנות.

ד

K2SO4(s)→H2O(ℓ)2K(aq)++SO42−(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} 2\text{K}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}

ה

0.250 molL0.250\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} (0.250M0.250\text{M})

11א 1

גרף 1: 1־בוטנול (118oC118^{\text{o}}\text{C}); גרף 2: דיאתיל אתר (35oC35^{\text{o}}\text{C}).

א 2

1־בוטנול: CH3CH2CH2CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}; דיאתיל אתר: CH3CH2OCH2CH3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_3.

א 3

לשתי המולקולות הנוסחה המולקולרית C4H10O\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}.

א 4

בין מולקולות 1־בוטנול נוצרים קשרי מימן, ובין מולקולות דיאתיל אתר לא נוצרים קשרי מימן.

ב

C4H10O(ℓ)+6O2(g)→4CO2(g)+5H2O(ℓ)\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}_{(\ell)} + 6\text{O}_{2(g)} \rightarrow 4\text{CO}_{2(g)} + 5\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}

ג

39oC39^{\text{o}}\text{C} – X\text{X} הוא אתר, ובין מולקולותיו אין קשרי מימן.

ד 1

קבוצה אתרית (אתר) וקבוצה הידרוקסילית (כוהל).

ד 2

החלק הקוטבי (קבוצות OH\text{OH} ואתר) יוצר קשרי מימן עם מולקולות מים; החלק הלא קוטבי (שרשרת הבוטיל) יוצר אינטראקציות ון־דר־ולס עם מולקולות השמן.

12א

ΔH40=−166 kJ\Delta H_4^0 = -166\ \text{kJ}

ב 1

ראו איור.

ב 2

C−H\text{C}-\text{H} – קשר יחיד; C=O\text{C}=\text{O} – קשר כפול.

ג 1

אקסותרמית, כי ΔH40=−166 kJ<0\Delta H_4^0 = -166\ \text{kJ} < 0.

ג 2

332 kJ332\ \text{kJ}

ד

דיאגרמה b\text{b}.

13א 1

A < D < B < C

א 2

A: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}, I(aq)−\text{I}^{-}_{(aq)}; B: K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}, OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}; C: Sr(aq)2+\text{Sr}^{2+}_{(aq)}, OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}; D: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}, NO3−(aq)\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}

ב 1

H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}

ב 2

אקסותרמית – אנרגיה עברה מן המערכת לסביבה, ולכן הטמפרטורה עלתה.

ב 3

ΔH0=−57 kJ\Delta H^0=-57\ \text{kJ}

ב 4

חומצי – נשאר עודף של 0.01 mol0.01\ \text{mol} יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}.

ג 1

H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}

ג 2

עלתה – זו אותה תגובת סתירה אקסותרמית; אנרגיה עוברת מן המערכת לסביבה.

ג 3

לא – בניסוי 3 הגיבו רק 0.01 mol0.01\ \text{mol} מכל סוג יון, לעומת 0.04 mol0.04\ \text{mol} בניסוי 2, ולכן עברה כמות אנרגיה קטנה פי 4.

ג 4

שווה (−57 kJ-57\ \text{kJ}) – זו אותה תגובה באותו ניסוח.

ג 5

בסיסי – נשאר עודף של 0.03 mol0.03\ \text{mol} יוני OH−\text{OH}^{-}.

14א 1

שרשרת של שלושה אטומי פחמן; לאטום הפחמן האמצעי קשורים אטום H אחד וקבוצת O–H; לכל אחד מאטומי הפחמן הקיצוניים שלושה אטומי H. כל הקשרים מסורטטים.

א 2

בין מולקולות 2־פרופנול יש קשרי מימן (קבוצת O–H), ובין מולקולות אצטון אין – רק אינטראקציות ואן דר ואלס ודו־קוטב; גודל ענני האלקטרונים כמעט זהה.

ב

אנדותרמית (ΔH>0\Delta H>0).

ג

קטון והידרוקסיל (כהל).

ד 1

A – תצמיד משופעל; B – מגיבים; C – אנרגיית שפעול (EaE_a); D – תוצרים; F – ΔH0\Delta H^0

ד 2

אנדותרמית – רמת האנרגיה של התוצרים (D) גבוהה מזו של המגיבים (B).

ה

C (אנרגיית השפעול) – ללא זרז היא תהיה גבוהה יותר; F (ΔH0\Delta H^0) לא ישתנה.

כל האתר במבט אחד

קיצורי דרך לכל הכלים, הבגרויות והקורסים

GuyAI הוא המורה הפרטי המתקדם בישראל, המבוסס על מודלי הבינה המלאכותית החזקים בעולם בשילוב הידע הפדגוגי של GOOL. המערכת מספקת פתרונות לכל המקצועות ולכל הרמות - מיסודי ועד אקדמיה, וממתמטיקה ועד היסטוריה.