מתכונת 4 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 · יסודות באותו טור בטבלה המחזורית

רב-ברירה

האותיות z , y , x מסמלות אטומים של שלושה יסודות הנמצאים באותו טור בטבלה המחזורית.
לאטום x יש 6 אלקטרוני ערכיות.
בטבלה שלפניך מוצג מספר רמות האנרגיה המאוכלסות באלקטרונים באטומים אלה.
האטוםמספר רמות האנרגיה המאוכלסות
x2
y3
z4
מהי הקביעה הנכונה?

האטום	מספר רמות האנרגיה המאוכלסות
x	2
y	3
z	4

א.
אנרגיית היינון הראשונה של אטום z גבוהה מאנרגיית היינון הראשונה של אטום x.
ב.
הרדיוס של אטום y קטן מהרדיוס של אטום x.
ג.
היערכות האלקטרונים באטום y היא 2,8,6.
ד.
אטום x יוצר יון חד־אטומי שמטענו $2+$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – לאטום y שלוש רמות מאוכלסות ו־6 אלקטרוני ערכיות, ולכן היערכות האלקטרונים בו 2,8,6.

התשובה הנכונה: ג.
היסודות נמצאים באותו טור, ולכן לכל האטומים אותו מספר אלקטרוני ערכיות – 6 (טור 16). מספר רמות האנרגיה המאוכלסות שווה למספר השורה: x בשורה 2 (חמצן), y בשורה 3 (גופרית), z בשורה 4.
- ג – נכון. לאטום y שלוש רמות אנרגיה מאוכלסות, ובחיצונית שבהן 6 אלקטרוני ערכיות. הרמה הראשונה מכילה 2 אלקטרונים והשנייה 8, ולכן ההיערכות היא 2,8,6 (16 אלקטרונים – גופרית).
- א – לא נכון. באטום z יש יותר רמות אנרגיה מאוכלסות מאשר באטום x, ולכן אלקטרוני הערכיות שלו רחוקים יותר מהגרעין ונמשכים אליו חלש יותר. אנרגיית היינון הראשונה של z נמוכה מזו של x.
- ב – לא נכון. לאטום y יש רמת אנרגיה מאוכלסת אחת יותר מאשר לאטום x, ולכן הרדיוס שלו גדול מהרדיוס של x.
- ד – לא נכון. לאטום x יש 6 אלקטרוני ערכיות; הוא אל־מתכת, וקל לו יותר לקבל 2 אלקטרונים ולהגיע לשמונה אלקטרונים ברמה החיצונית. לכן הוא יוצר יון שמטענו 2−2-2− (כמו O2−\text{O}^{2-}O2−), ולא 2+2+2+.

שאלה 2 · נוסחה אמפירית של תרכובת יונית: סידן וחנקן

רב-ברירה

סידן, Ca(s)\text{Ca}_{(s)}Ca(s)​ , מגיב בחימום עם גז חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ .
מהי הנוסחה האמפירית של התרכובת שנוצרת בתגובה זו?

א.
$\text{CaN}_2$
ב.
$\text{Ca}_2\text{N}_3$
ג.
$\text{CaN}$
ד.
$\text{Ca}_3\text{N}_2$

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – Ca3N2\text{Ca}_3\text{N}_2Ca3​N2​

התשובה הנכונה: ד.
סידן הוא מתכת בטור 2 (2 אלקטרוני ערכיות; היערכות 2,8,8,22,8,8,22,8,8,2) ויוצר יון Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+. חנקן הוא אל־מתכת בטור 5 (5 אלקטרוני ערכיות; היערכות 2,52,52,5) ויוצר יון N3−\text{N}^{3-}N3− (קולט 3 אלקטרונים ומגיע לאוקטט). נוצרת תרכובת יונית שבה סכום המטענים הוא אפס: 3⋅(+2)+2⋅(−3)=03\cdot(+2)+2\cdot(-3)=03⋅(+2)+2⋅(−3)=0. לכן הנוסחה האמפירית היא Ca3N2\text{Ca}_3\text{N}_2Ca3​N2​.
- א – לא נכון. הנוסחה CaN2\text{CaN}_2CaN2​ מושפעת מהנוסחה N2\text{N}_2N2​ של היסוד, אבל בתרכובת היונית אין מולקולות N2\text{N}_2N2​; גם סכום המטענים אינו אפס: (+2)+2⋅(−3)=−4(+2)+2\cdot(-3)=-4(+2)+2⋅(−3)=−4.
- ב – לא נכון. זו החלפת המטענים בטעות: 2⋅(+2)+3⋅(−3)=−52\cdot(+2)+3\cdot(-3)=-52⋅(+2)+3⋅(−3)=−5.
- ג – לא נכון. ביחס 1:1 סכום המטענים הוא (+2)+(−3)=−1(+2)+(-3)=-1(+2)+(−3)=−1.

שאלה 3 · קוטביות קשרים ומולקולות – מבנים שונים

רב-ברירה

לפניך ארבע מולקולות והמבנה המרחבי של כל אחת מהן:
NH3\text{NH}_3NH3​ – פירמידה משולשת; BF3\text{BF}_3BF3​ – משולש מישורי; H2S\text{H}_2\text{S}H2​S – זוויתי; CS2\text{CS}_2CS2​ – קווי.
לפניך ארבעה היגדים, א-ד, הנוגעים לקשרים הקוולנטיים במולקולה ולקוטביות המולקולה.
מהו ההיגד הנכון?

א.
במולקולה $\text{CS}_2$ כל הקשרים הקוולנטיים קוטביים והמולקולה לא קוטבית.
ב.
במולקולה $\text{BF}_3$ כל הקשרים הקוולנטיים קוטביים והמולקולה קוטבית.
ג.
במולקולה $\text{H}_2\text{S}$ כל הקשרים הקוולנטיים לא קוטביים והמולקולה לא קוטבית.
ד.
במולקולה $\text{NH}_3$ כל הקשרים הקוולנטיים קוטביים והמולקולה קוטבית.

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד

ערכי אלקטרושליליות מן הטבלה: H 2.1, B 2.0, C 2.5, N 3.0, S 2.5, F 4.0.
ב־NH3\text{NH}_3NH3​: הפרש האלקטרושליליות בקשר N–H הוא 3.0−2.1=0.93.0-2.1=0.93.0−2.1=0.9, ולכן כל הקשרים קוטביים (מטען חלקי שלילי על N). במבנה של פירמידה משולשת מרכז המטענים החלקיים החיוביים (על אטומי H) אינו מתלכד עם מרכז המטען החלקי השלילי (על N) – המולקולה קוטבית. תשובה ד.
- א – שגויה: ב־CS2\text{CS}_2CS2​ האלקטרושליליות של C ושל S שווה (2.5), ולכן הקשרים לא קוטביים (המולקולה אכן לא קוטבית).
- ב – שגויה: הקשרים B–F קוטביים (הפרש 2.0), אך במבנה משולש מישורי סימטרי מרכזי המטענים מתלכדים – המולקולה לא קוטבית.
- ג – שגויה: בקשר S–H הפרש האלקטרושליליות 2.5−2.1=0.42.5-2.1=0.42.5−2.1=0.4 – הקשרים קוטביים, ובמבנה זוויתי המולקולה קוטבית.

שאלה 4 · תרכובת יונית מיסודות טור 2 וטור 7

רב-ברירה

האותיות X ו־ Y הן סמלים שרירותיים המייצגים שני יסודות.
היסוד X נמצא בשורה השלישית ובטור 2 של הטבלה המחזורית.
היסוד Y נמצא בשורה השנייה או בשורה השלישית, בטור 7 של הטבלה המחזורית.
בתגובה בין היסודות X ו־ Y התקבלה תרכובת.
מבין ההיגדים א-ד, מהו ההיגד הנכון בנוגע לתרכובת זו?

א.
נוסחת התרכובת היא $\text{X}_2\text{Y}_{(s)}$ .
ב.
בטמפרטורת החדר התרכובת היא נוזל, המורכב ממולקולות שנוסחתן המולקולרית היא $\text{XY}_2$ .
ג.
במצב נוזלי (התך) התרכובת מוליכה חשמל.
ד.
בתרכובת, היסוד X נמצא בצורת יונים שליליים $\text{X}^{2-}$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – התך התרכובת מוליך חשמל

X הוא מגנזיום (שורה 3, טור 2) – מתכת; Y הוא פלואור או כלור (טור 7) – אל־מתכת. מתכת ואל־מתכת יוצרות תרכובת יונית: X מוסר שני אלקטרונים ויוצר X2+\text{X}^{2+}X2+, וכל אטום Y קולט אלקטרון אחד ויוצר Y−\text{Y}^{-}Y−. הנוסחה האמפירית: XY2\text{XY}_2XY2​ (למשל MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​).
בהתכה הסריג היוני מתפרק, והיונים נעשים ניידים; יונים ניידים הם נושאי מטען, ולכן ההתך מוליך חשמל – היגד ג נכון.
•א – יחס היונים הוא 1:2 (XY2\text{XY}_2XY2​), לא X2Y\text{X}_2\text{Y}X2​Y.
•ב – תרכובת יונית היא מוצק בטמפרטורת החדר (משיכות חזקות בין היונים בסריג), ואינה בנויה ממולקולות; XY2\text{XY}_2XY2​ היא נוסחה אמפירית.
•ד – X הוא מתכת, ולכן הוא יוצר יון חיובי X2+\text{X}^{2+}X2+, לא שלילי.

שאלה 5 · סילאן – דרגת חמצון, קוטביות וכוחות בין מולקולות

רב-ברירה

למולקולה של סילאן, SiH4\text{SiH}_4SiH4​ , צורה של טטראדר.
לפניך שלושה היגדים, I-III :
I. דרגת החמצון של אטום הצורן במולקולה SiH4\text{SiH}_4SiH4​ היא +4+4+4 .
II. במולקולה SiH4\text{SiH}_4SiH4​ יש דו־קוטב קבוע.
III. בחומר SiH4(l)\text{SiH}_{4(l)}SiH4(l)​ יש קשרי מימן בין המולקולות.
מה הם ההיגדים הנכונים?

א.
I בלבד.
ב.
I ו־ II בלבד.
ג.
I ו־ III בלבד.
ד.
II ו־ III בלבד.

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – היגד I בלבד.

היגד I – נכון. לפי טבלת האלקטרושליליות, H (2.1) אלקטרושלילי יותר מ־Si (1.8). לכן אלקטרוני כל קשר Si–H משויכים למימן: לכל אטום H דרגת חמצון −1-1−1. במולקולה ניטרלית:
x+4⋅(−1)=0⇒x=+4x + 4\cdot(-1) = 0 \Rightarrow x = +4x+4⋅(−1)=0⇒x=+4
היגד II – שגוי. ארבעת הקשרים Si–H קוטביים במידה מועטה (הפרש 2.1−1.8=0.32.1-1.8=0.32.1−1.8=0.3), אך הם זהים ומסודרים סימטרית בטטראדר ⇐ הקוטביות מתקזזת ואין דו־קוטב קבוע.
היגד III – שגוי. אטומי המימן קשורים לאטום צורן ולא לאטום N, O או F, ובמולקולה אין זוגות אלקטרונים לא קושרים. בין מולקולות SiH4\text{SiH}_4SiH4​ יש רק אינטראקציות ון־דר־ולס.
ההיגד הנכון: I בלבד – תשובה א.
טעות נפוצה: לקבוע שדרגת החמצון של מימן היא תמיד +1+1+1 ולקבל עבור Si את הערך −4-4−4. בקשר עם אטום אלקטרושלילי פחות ממנו (כמו Si) דרגת החמצון של המימן היא −1-1−1.

שאלה 6 · שינוי pH בערבוב תמיסות בנפחים שונים

רב-ברירה

ערכו ארבעה ניסויים כמפורט בטבלה שלפניכם.
בכל אחד מן הניסויים לקחו 50 מ"ל תמיסה מקורית, ובדקו את ערך ה־ pH שלה.
הוסיפו לתמיסה המקורית 100 מ"ל תמיסה אחרת, ערבבו, ובדקו את ערך ה־ pH של התמיסה שהתקבלה.
הריכוז של כל אחת מן התמיסות לפני הערבוב היה 0.1 M0.1\ \text{M}0.1 M .
ניסויהתמיסה המקורית (50 מ"ל)התמיסה שהוסיפו (100 מ"ל)
1HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​
2KOH(aq)\text{KOH}_{(aq)}KOH(aq)​HCℓ(aq)\text{HC}\ell_{(aq)}HCℓ(aq)​
3H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​HCℓ(aq)\text{HC}\ell_{(aq)}HCℓ(aq)​
4NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​Ba(OH)2(aq)\text{Ba(OH)}_{2(aq)}Ba(OH)2(aq)​
נמצא כי ערך ה־ pH של התמיסה שהתקבלה היה שונה מזה של התמיסה המקורית.
מבין ארבע האפשרויות א–ד, מהי האפשרות הנכונה?

ניסוי	התמיסה המקורית (50 מ"ל)	התמיסה שהוסיפו (100 מ"ל)
1	$\text{HNO}_{3(aq)}$	$\text{NaOH}_{(aq)}$
2	$\text{KOH}_{(aq)}$	$\text{HC}\ell_{(aq)}$
3	$\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}$	$\text{HC}\ell_{(aq)}$
4	$\text{NaOH}_{(aq)}$	$\text{Ba(OH)}_{2(aq)}$

א.
בניסוי 1 ערך ה־ pH של התמיסה שהתקבלה היה נמוך מזה של התמיסה המקורית.
ב.
בניסוי 2 ערך ה־ pH של התמיסה שהתקבלה היה גבוה מזה של התמיסה המקורית.
ג.
בניסוי 3 ערך ה־ pH של התמיסה שהתקבלה היה גבוה מזה של התמיסה המקורית.
ד.
בניסוי 4 ערך ה־ pH של התמיסה שהתקבלה היה נמוך מזה של התמיסה המקורית.

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – ריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ יורד מ־0.2 M ל־0.133 M, ולכן ה־pH עולה.

תשובה: ג.
מספר המולים של המומס בתמיסה המקורית: n=C⋅V=0.1 mol/L⋅0.050 L=0.005 moln = C \cdot V = 0.1\ \text{mol/L} \cdot 0.050\ \text{L} = 0.005\ \text{mol}n=C⋅V=0.1 mol/L⋅0.050 L=0.005 mol; בתמיסה שהוסיפו: n=0.1 mol/L⋅0.100 L=0.01 moln = 0.1\ \text{mol/L} \cdot 0.100\ \text{L} = 0.01\ \text{mol}n=0.1 mol/L⋅0.100 L=0.01 mol. הנפח הסופי: 50 mL+100 mL=150 mL=0.150 L50\ \text{mL} + 100\ \text{mL} = 150\ \text{mL} = 0.150\ \text{L}50 mL+100 mL=150 mL=0.150 L.
- ניסוי 3 (ג – נכון): כל מולקולת H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ יוצרת שני יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, ולכן בתמיסה המקורית [H3O+]=2⋅0.1 M=0.2 M[\text{H}_3\text{O}^{+}] = 2 \cdot 0.1\ \text{M} = 0.2\ \text{M}[H3​O+]=2⋅0.1 M=0.2 M. אחרי הערבוב: n(H3O+)=2⋅0.005 mol+0.01 mol=0.02 moln(\text{H}_3\text{O}^{+}) = 2 \cdot 0.005\ \text{mol} + 0.01\ \text{mol} = 0.02\ \text{mol}n(H3​O+)=2⋅0.005 mol+0.01 mol=0.02 mol, ו־[H3O+]=0.02 mol0.150 L=0.133 M[\text{H}_3\text{O}^{+}] = \frac{0.02\ \text{mol}}{0.150\ \text{L}} = 0.133\ \text{M}[H3​O+]=0.150 L0.02 mol​=0.133 M. ריכוז יוני ההידרוניום ירד (הוסיפו תמיסה חומצית פחות מן המקורית), התמיסה פחות חומצית, ולכן ה־pH גבוה יותר.
- ניסוי 1 (א – לא נכון): 0.005 mol0.005\ \text{mol}0.005 mol של H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ מגיבים עם 0.005 mol0.005\ \text{mol}0.005 mol מתוך 0.01 mol0.01\ \text{mol}0.01 mol של OH−\text{OH}^{-}OH−: H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(ℓ)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}H3​O(aq)+​+OH(aq)−​→2H2​O(ℓ)​. נשארים בעודף 0.005 mol0.005\ \text{mol}0.005 mol של OH−\text{OH}^{-}OH− – התמיסה בסיסית, וה־pH שלה גבוה מזה של החומצה המקורית.
- ניסוי 2 (ב – לא נכון): 0.005 mol0.005\ \text{mol}0.005 mol של OH−\text{OH}^{-}OH− מגיבים עם 0.005 mol0.005\ \text{mol}0.005 mol מתוך 0.01 mol0.01\ \text{mol}0.01 mol של H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+; נשארים בעודף 0.005 mol0.005\ \text{mol}0.005 mol של H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ – התמיסה חומצית, וה־pH שלה נמוך מזה של תמיסת ה־KOH המקורית.
- ניסוי 4 (ד – לא נכון): במקור [OH−]=0.1 M[\text{OH}^{-}] = 0.1\ \text{M}[OH−]=0.1 M. אחרי הערבוב: n(OH−)=0.005 mol+2⋅0.01 mol=0.025 moln(\text{OH}^{-}) = 0.005\ \text{mol} + 2 \cdot 0.01\ \text{mol} = 0.025\ \text{mol}n(OH−)=0.005 mol+2⋅0.01 mol=0.025 mol, ו־[OH−]=0.025 mol0.150 L=0.167 M[\text{OH}^{-}] = \frac{0.025\ \text{mol}}{0.150\ \text{L}} = 0.167\ \text{M}[OH−]=0.150 L0.025 mol​=0.167 M – ריכוז יוני OH−\text{OH}^{-}OH− עלה, ולכן ה־pH גבוה יותר ולא נמוך.
טעות נפוצה: לחשוב שהוספת חומצה לתמיסה חומצית תמיד מורידה את ה־pH. הקובע הוא ריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ בתמיסה הסופית.

שאלה 7 · חמצון-חיזור בתגובת מי חמצן עם כלור

רב-ברירה

כדי להרחיק שאריות של כלור, Cl2\text{Cl}_2Cl2​ , ממים המשמשים בתהליכים תעשייתיים, אפשר להוסיף להם מי חמצן, H2O2(aq)\text{H}_2\text{O}_{2(aq)}H2​O2(aq)​ .
התגובה מתוארת בניסוח:
H2O2(aq)+Cl2(aq)→2HCl(aq)+O2(g)\text{H}_2\text{O}_{2(aq)} + \text{Cl}_{2(aq)} \rightarrow 2\text{HCl}_{(aq)} + \text{O}_{2(g)}H2​O2(aq)​+Cl2(aq)​→2HCl(aq)​+O2(g)​
מהי הקביעה הנכונה בנוגע לתגובה זו?

א.
אטומי O במולקולות של $\text{H}_2\text{O}_{2(aq)}$ הם המחמצן.
ב.
אטומי Cl במולקולות של $\text{Cl}_{2(aq)}$ עוברים חמצון.
ג.
אטומי H במולקולות של $\text{H}_2\text{O}_{2(aq)}$ עוברים חיזור.
ד.
אטומי O במולקולות של $\text{H}_2\text{O}_{2(aq)}$ הם המחזר.

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד — דרגת החמצון של O ב־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​ עולה מ־−1-1−1 ל־0, ולכן הוא המחזר.

דרגות חמצון:
האטוםבמגיביםבתוצריםשינוי
O ב־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​−1-1−10 (ב־O2\text{O}_2O2​)עלייה — חמצון
H ב־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​+1+1+1+1+1+1 (ב־HCl)אין
Cl ב־Cl2\text{Cl}_2Cl2​0−1-1−1 (ב־HCl)ירידה — חיזור
(ב־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​: 2(+1)+2x=0⇒x=−12(+1)+2x=0 \Rightarrow x=-12(+1)+2x=0⇒x=−1.)
אטומי O ב־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​ מוסרים אלקטרונים (עוברים חמצון), ולכן הם המחזר. תשובה ד נכונה. אטומי Cl קולטים אלקטרונים — הם המחמצן.
•א שגויה: אטומי O עוברים חמצון, ולכן הם המחזר ולא המחמצן.
•ב שגויה: אטומי Cl עוברים חיזור (0→−10 \rightarrow -10→−1).
•ג שגויה: דרגת החמצון של H אינה משתנה.
בדיקת איזון: H — 2 בכל צד; O — 2 בכל צד; Cl — 2 בכל צד. אלקטרונים: שני אטומי O מוסרים יחד 2 אלקטרונים, ושני אטומי Cl קולטים יחד 2 אלקטרונים.
טעות נפוצה: לייחס לחמצן דרגת חמצון −2-2−2 גם ב־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​.

האטום	במגיבים	בתוצרים	שינוי
O ב־ $\text{H}_2\text{O}_2$	$-1$	0 (ב־ $\text{O}_2$ )	עלייה — חמצון
H ב־ $\text{H}_2\text{O}_2$	$+1$	$+1$ (ב־HCl)	אין
Cl ב־ $\text{Cl}_2$	0	$-1$ (ב־HCl)	ירידה — חיזור

שאלה 8 · תגובת חומצה–בסיס – ייצור אמון גופרתי

רב-ברירה

את הדשן אמון גופרתי, (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ , אפשר לייצר בתגובה בין אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , לבין חומצה גופרתית, H2SO4(l)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}H2​SO4(l)​ .
התוצר הוא מוצק יוני, הבנוי מיוני אמוניום, NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​ , ומיוני גופרה, SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ .
ניסוח התגובה הוא:
2NH3(g)+H2SO4(l)→(NH4)2SO4(s)2\text{NH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{SO}_{4(l)} \rightarrow (\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}2NH3(g)​+H2​SO4(l)​→(NH4​)2​SO4(s)​
מהי הקביעה הנכונה?

א.
בתגובה זו אמוניה, $\text{NH}_{3(g)}$ , היא המחזר.
ב.
בתגובה זו חומצה גופרתית, $\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}$ , היא הבסיס.
ג.
בתגובה זו חומצה גופרתית היא החומצה, וכל מולקולה שלה מוסרת שני פרוטונים.
ד.
בתגובה זו כל מולקולת אמוניה מוסרת פרוטון אחד.

◂ פתרון מלא לשאלה 8

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – כל מולקולת H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ מוסרת שני פרוטונים לשתי מולקולות NH3\text{NH}_3NH3​.

בתגובה עוברים פרוטונים (H+\text{H}^{+}H+) ממולקולת החומצה הגופרתית למולקולות האמוניה: נוצרים שני יוני NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​ ויון SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ אחד, שמרכיבים את הסריג היוני של (NH4)2SO4(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4(NH4​)2​SO4​. זו תגובת חומצה–בסיס:
- H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ מוסרת פרוטונים – חומצה. ביון SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ אין אטומי מימן, כלומר כל מולקולת חומצה גופרתית מסרה את שני הפרוטונים שלה (ולכן היחס בניסוח הוא 2 מולקולות אמוניה לכל מולקולת חומצה). לכן ג נכונה.
- NH3\text{NH}_3NH3​ קולטת פרוטון (בעזרת זוג האלקטרונים הלא קושר שעל אטום החנקן) – בסיס.
- א שגויה: זו אינה תגובת חמצון־חיזור – דרגות החמצון אינן משתנות (N נשאר −3-3−3, H נשאר +1+1+1, S נשאר +6+6+6, O נשאר −2-2−2), ולכן אין בתגובה מחמצן ומחזר.
- ב שגויה: החומצה הגופרתית מוסרת פרוטונים, כלומר היא החומצה; הבסיס הוא האמוניה.
- ד שגויה: מולקולת אמוניה קולטת פרוטון והופכת ליון NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​; היא אינה מוסרת פרוטון.

שאלה 9 · מאמר: הפשרת קרח בכבישים ובמטוסים

שאלת מאמר26 נקודות

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה
קראו את הקטע שלפניכם, וענו על הסעיפים שאחריו לפי ההנחיות (שאלת חובה – 26 נקודות).
קרח על הכביש ועל כנפי המטוס
בחורף, במדינות קרות, שכבה דקה של קרח על כבישים ועל מדרכות עלולה לגרום לתאונות. גם קרח
שמצטבר על כנפי מטוסים מסוכן, משום שהוא משנה את זרימת האוויר סביב הכנף. לכן משתמשים
בחורף בשיטות שונות כדי להמיס קרח קיים ולמנוע היווצרות של קרח חדש.
השיטה הנפוצה בכבישים היא פיזור מלח – בעיקר נתרן כלורי, NaCl\text{NaCl}NaCl , שנכרה ממרבצי מלח סלע.
המלח מתמוסס בשכבה הדקה של מים נוזליים שנמצאת על פני הקרח, ונוצרת תמיסת מלח.
טמפרטורת הקיפאון של תמיסת המלח נמוכה מ־ 0∘C0^{\circ}\text{C}0∘C , ולכן הקרח הבא איתה במגע נמס גם כאשר
טמפרטורת האוויר נמוכה מאפס. נתרן כלורי יעיל עד כ־ −9∘C-9^{\circ}\text{C}−9∘C ; בקור עז יותר משתמשים
בסידן כלורי, CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​ , ובמגנזיום כלורי, MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​ , שיעילים גם בטמפרטורות נמוכות יותר.
להמסה של סידן כלורי במים יש יתרון נוסף: זהו תהליך אקסותרמי, והחום הנפלט מסייע להמסת הקרח.
לעומת זאת, ההמסה של נתרן כלורי במים היא תהליך אנדותרמי מעט.
לעיתים מרססים את הכבישים בתמיסת מלח מרוכזת עוד לפני שהשלג מתחיל לרדת. התמיסה
מונעת מן הקרח להיצמד לאספלט, ומקלה על פינוי השלג.
לשימוש במלחים יש גם מחיר סביבתי. כשהשלג נמס, יוני הכלוריד, Cl−\text{Cl}^{-}Cl− , נשטפים אל הקרקע,
אל הנחלים ואל מי התהום. ריכוז גבוה של יוני כלוריד פוגע בצמחים ובבעלי חיים של מים מתוקים.
לכן בשדות תעופה, על גשרים ובאזורים רגישים משתמשים לעיתים במלחים שאינם מכילים יוני
כלוריד, כמו אשלגן אצטטי, CH3COOK\text{CH}_3\text{COOK}CH3​COOK , ונתרן פורמיאטי, HCOONa\text{HCOONa}HCOONa .
על כנפי המטוסים אין מפזרים מלח. לפני ההמראה בימי כפור מרססים עליהן תמיסה חמה של
פרופאן־1,2־דיול (פרופילן גליקול) במים. תרכובת זו מתערבבת עם מים בכל יחס, וטמפרטורת
הקיפאון של התמיסה נמוכה בהרבה מ־ 0∘C0^{\circ}\text{C}0∘C . התמיסה החמה ממיסה את הקרח, ושכבה דקה
שלה נשארת על הכנף ומעכבת היווצרות של קרח חדש עד ההמראה.
על כבישים קפואים מפזרים גם חול, אך הוא אינו ממיס את הקרח: גרגרי החול רק מגדילים את
החיכוך בין הצמיגים לבין הקרח.
הבנת התכונות של מים ושל תמיסות מאפשרת לבחור בכל מצב את החומר המתאים, ולהגן
בעת ובעונה אחת על בטיחות הנוסעים ועל הסביבה.
ענו על הסעיפים א, ב, ד, ה, ו, ז ועל אחד מן הסעיפים ג או ח.

א.

בשורות 4–16 מוזכרים יוני נתרן, אשלגן, סידן, מגנזיום, כלוריד, אצטט ( CH3COO−\text{CH}_3\text{COO}^{-}CH3​COO− ) ופורמיאט ( HCOO−\text{HCOO}^{-}HCOO− ).
רשמו נוסחאות של 4 תרכובות יוניות שאינן מוזכרות בקטע, שעשויות להיווצר מן היונים האלה.

ב.

בתמיסה שמרססים על הכבישים לפני השלג (שורה 11) ריכוז יוני הכלוריד הוא 4.0 mol/L4.0\ \text{mol/L}4.0 mol/L .
במי אגם שלא הושפע מפיזור מלח נמדדה מסה של 0.0100.0100.010 גרם יוני כלוריד ב־ 1 ק"ג מים.
פי כמה גדולה המסה של יוני הכלוריד ב־ 1 ליטר תמיסת הריסוס לעומת המסה של יוני הכלוריד ב־ 1 ק"ג מי האגם? פרטו את חישוביכם.

ג.

סעיף ג הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ח.
לפניכם נוסחת המבנה של מולקולת פרופאן־1,2־דיול (שורה 18).

(i)

התבוננו בנוסחת המבנה, וקבעו לכמה אטומים קשור כל אטום חמצן במולקולה ובאיזה סוג קשרים. קבעו גם אילו אטומי מימן במולקולה יכולים ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים, ונמקו.

(ii)

נסחו את תהליך ההמסה של פרופאן־1,2־דיול הנוזלי במים.

ד.

לפניכם שני היגדים: I ו־ II . קבעו עבור כל היגד אם הוא נכון או לא נכון.
I. בעת היתוך של קרח בטמפרטורה של 0∘C0^{\circ}\text{C}0∘C האנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות המים גדלה.
II. בעת היתוך של קרח נשברים חלק מקשרי המימן בין מולקולות המים, ולא נשברים הקשרים הקוולנטיים בתוך המולקולות.

ה.

בלילה קר מים שנשארו על הכביש קופאים.
קבעו אם תהליך הקפיאה של המים הוא תהליך אנדותרמי או אקסותרמי.
הסבירו ובססו את תשובתכם על סוגי הכוחות הפועלים בין המולקולות.

ו.

משאית פיזרה על כביש 0.50 טון סידן כלורי, CaCl2(s)\text{CaCl}_{2(s)}CaCl2(s)​ . כמה יוני כלוריד פוזרו על הכביש? פרטו את חישוביכם.
נתון: 1 טון =1×106= 1 \times 10^{6}=1×106 גרם.

ז.

לפניכם שלושה היגדים: I , II ו־ III . התבססו על המאמר המדעי וקבעו עבור כל אחד מן ההיגדים אם הוא נכון או לא נכון.
I. פיזור נתרן כלורי על כביש שהטמפרטורה בו −20∘C-20^{\circ}\text{C}−20∘C ימיס את הקרח ביעילות.
II. ההמסה של סידן כלורי במים מחממת את הסביבה הקרובה, ואילו ההמסה של נתרן כלורי במים מקררת אותה מעט.
III. חול מפוזר על הכביש מוריד את טמפרטורת הקיפאון של המים.

ח.

סעיף ח הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ג.
לפניכם דיאגרמת אנתלפיה סכמתית עבור 1 מול פרופאן־1,2־דיול (שורה 18). המצב d\text{d}d מייצג את היסודות שמהם מורכב פרופאן־1,2־דיול, במצבם התקני.

(i)

מהו מצב הצבירה של פרופאן־1,2־דיול בכל אחד מן המצבים: a,b,c\text{a}, \text{b}, \text{c}a,b,c ?

(ii)

הסבירו מדוע מעבר האנתלפיה d–c\text{d–c}d–c גדול ממעבר האנתלפיה b–a\text{b–a}b–a .

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

תשובה:

למשל: KCl\text{KCl}KCl, CH3COONa\text{CH}_3\text{COONa}CH3​COONa, (CH3COO)2Ca(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Ca}(CH3​COO)2​Ca, (HCOO)2Mg(\text{HCOO})_2\text{Mg}(HCOO)2​Mg (מתאימות גם HCOOK\text{HCOOK}HCOOK, (CH3COO)2Mg(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg}(CH3​COO)2​Mg, (HCOO)2Ca(\text{HCOO})_2\text{Ca}(HCOO)2​Ca).

היונים החיוביים: Na+\text{Na}^{+}Na+, K+\text{K}^{+}K+, Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+, Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+. היונים השליליים: Cl−\text{Cl}^{-}Cl−, CH3COO−\text{CH}_3\text{COO}^{-}CH3​COO−, HCOO−\text{HCOO}^{-}HCOO−.
בתרכובת יונית היחס בין היונים הוא כזה שסכום המטענים שווה לאפס. בקטע כבר מוזכרים NaCl\text{NaCl}NaCl, CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​, MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​, CH3COOK\text{CH}_3\text{COOK}CH3​COOK ו־HCOONa\text{HCOONa}HCOONa, ולכן יש לבחור תרכובות אחרות, למשל:
•אשלגן כלורי: KCl\text{KCl}KCl (יחס 1:11:11:1)
•נתרן אצטטי: CH3COONa\text{CH}_3\text{COONa}CH3​COONa (יחס 1:11:11:1)
•סידן אצטטי: (CH3COO)2Ca(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Ca}(CH3​COO)2​Ca (יחס Ca2+:CH3COO−=1:2\text{Ca}^{2+} : \text{CH}_3\text{COO}^{-} = 1:2Ca2+:CH3​COO−=1:2)
•מגנזיום פורמיאטי: (HCOO)2Mg(\text{HCOO})_2\text{Mg}(HCOO)2​Mg (יחס 1:21:21:2)
מתאימות גם: HCOOK\text{HCOOK}HCOOK, (CH3COO)2Mg(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg}(CH3​COO)2​Mg, (HCOO)2Ca(\text{HCOO})_2\text{Ca}(HCOO)2​Ca.
טעות נפוצה: לרשום CaCH3COO\text{CaCH}_3\text{COO}CaCH3​COO – בלי לאזן את המטענים (2+2+2+ מול 1−1-1−).

סעיף ב

תשובה:

פי 1.42×1041.42 \times 10^{4}1.42×104 (מסת Cl−\text{Cl}^-Cl− בליטר תמיסת הריסוס: 142 g142\ \text{g}142 g).

מסת יוני הכלוריד ב־1 ליטר תמיסת ריסוס:
n=C⋅V=4.0 molL⋅1 L=4.0 moln = C \cdot V = 4.0\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 1\ \text{L} = 4.0\ \text{mol}n=C⋅V=4.0 Lmol​⋅1 L=4.0 mol
m=n⋅Mw=4.0 mol⋅35.5 gmol=142 gm = n \cdot M_w = 4.0\ \text{mol} \cdot 35.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 142\ \text{g}m=n⋅Mw​=4.0 mol⋅35.5 molg​=142 g
מסת יוני הכלוריד ב־1 ק"ג מי האגם (נתון): 0.010 g0.010\ \text{g}0.010 g
היחס:
142 g0.010 g=1.42×104\frac{142\ \text{g}}{0.010\ \text{g}} = 1.42 \times 10^{4}0.010 g142 g​=1.42×104
מסת יוני הכלוריד בליטר תמיסת ריסוס גדולה פי 1.42×1041.42 \times 10^{4}1.42×104 (כ־14,200) ממסתם בק"ג מי האגם.

סעיף ג

(i)

תשובה:

כל אטום חמצן קשור לשני אטומים (פחמן ומימן) בקשרים קוולנטיים יחידים (קוטביים). רק שני אטומי המימן הקשורים לאטומי חמצן יכולים ליצור קשרי מימן.

•בנוסחת המבנה כל אחד משני אטומי החמצן קשור לשני אטומים: לאטום פחמן ולאטום מימן – בקשרים קוולנטיים יחידים (C–O\text{C–O}C–O ו־O–H\text{O–H}O–H). שני הקשרים קוטביים: הפרש האלקטרושליליות ב־O–H\text{O–H}O–H הוא 3.5−2.1=1.43.5-2.1=1.43.5−2.1=1.4, וב־C–O\text{C–O}C–O הוא 3.5−2.5=1.03.5-2.5=1.03.5−2.5=1.0.
- אטומי המימן שיכולים ליצור קשרי מימן: רק שני אטומי המימן הקשורים לאטומי חמצן (בקבוצות –OH\text{–OH}–OH). אטום מימן כזה קשור לאטום בעל אלקטרושליליות גבוהה, ולכן הוא טעון מטען חלקי חיובי ניכר (δ+\delta^+δ+), ויכול להימשך לזוג אלקטרונים לא קושר של אטום חמצן במולקולת מים.
•ששת אטומי המימן הקשורים לאטומי פחמן אינם יוצרים קשרי מימן: הקשר C–H\text{C–H}C–H כמעט אינו קוטבי.
- (גם אטומי החמצן של המולקולה, שיש להם זוגות אלקטרונים לא קושרים, יכולים לקבל קשרי מימן מאטומי המימן של מולקולות המים.)

(ii)

תשובה:

C3H8O2(l)→C3H8O2(aq)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(l)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(aq)}C3​H8​O2(l)​→C3​H8​O2(aq)​

פרופאן־1,2־דיול הוא חומר מולקולרי; בהמסה המולקולות נשארות שלמות (אינן מתפרקות ליונים) ומתפזרות בין מולקולות המים:
C3H8O2(l)→C3H8O2(aq)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(l)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(aq)}C3​H8​O2(l)​→C3​H8​O2(aq)​
(אפשר גם CH3CH(OH)CH2OH(l)→CH3CH(OH)CH2OH(aq)\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{OH}_{(l)} \rightarrow \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{OH}_{(aq)}CH3​CH(OH)CH2​OH(l)​→CH3​CH(OH)CH2​OH(aq)​.)

סעיף ד

תשובה:

I – לא נכון; II – נכון.

- היגד I – לא נכון. האנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים קשורה לטמפרטורה. בזמן ההיתוך הטמפרטורה נשארת קבועה (0∘C0^{\circ}\text{C}0∘C), ולכן גם האנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות אינה משתנה. האנרגיה הנקלטת בהיתוך משמשת לשבירת חלק מן הקשרים בין המולקולות (היא מגדילה את האנרגיה הפוטנציאלית של המערכת).
- היגד II – נכון. היתוך הוא שינוי במצב הצבירה ולא שינוי כימי: גם לפני ההיתוך וגם אחריו החומר הוא H2O\text{H}_2\text{O}H2​O. לכן נשברים רק חלק מן הקשרים בין המולקולות (קשרי מימן), והקשרים הקוולנטיים O–H\text{O–H}O–H בתוך המולקולות – שהם חזקים בהרבה – נשארים.

סעיף ה

תשובה:

אקסותרמי – בקפיאה נוצרים קשרי מימן נוספים (והכוחות בין המולקולות מתחזקים), ויצירת קשרים כרוכה בפליטת אנרגיה.

הקפיאה היא תהליך אקסותרמי (ΔH<0\Delta H < 0ΔH<0).
H2O(l)→H2O(s)\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(s)}H2​O(l)​→H2​O(s)​
בין מולקולות המים פועלים קשרי מימן (וגם אינטראקציות ואן דר ואלס). בקפיאה המולקולות מתקבעות במקומות קבועים בסריג, ונוצרים ביניהן קשרי מימן נוספים – בקרח כל מולקולה קשורה בקשרי מימן לארבע מולקולות שכנות. יצירת קשרים (כוחות משיכה) בין חלקיקים מלווה בפליטת אנרגיה לסביבה, ולכן התהליך אקסותרמי. זהו התהליך ההפוך להיתוך, שהוא אנדותרמי.
טעות נפוצה: לחשוב שקפיאה "צורכת קור" ולכן היא אנדותרמית – למעשה המים פולטים חום לסביבה כשהם קופאים.

סעיף ו

תשובה:

כ־5.42×10275.42 \times 10^{27}5.42×1027 יוני כלוריד.

m=0.50 ton=0.50×106 g=5.0×105 gm = 0.50\ \text{ton} = 0.50 \times 10^{6}\ \text{g} = 5.0 \times 10^{5}\ \text{g}m=0.50 ton=0.50×106 g=5.0×105 g
Mw(CaCl2)=40.1+2⋅35.5=111.1 gmolM_w(\text{CaCl}_2) = 40.1 + 2 \cdot 35.5 = 111.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}Mw​(CaCl2​)=40.1+2⋅35.5=111.1 molg​
nCaCl2=mMw=5.0×105 g111.1 gmol=4.50×103 moln_{\text{CaCl}_2} = \frac{m}{M_w} = \frac{5.0 \times 10^{5}\ \text{g}}{111.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 4.50 \times 10^{3}\ \text{mol}nCaCl2​​=Mw​m​=111.1 molg​5.0×105 g​=4.50×103 mol
לפי הנוסחה CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​, בכל יחידה יש שני יוני כלוריד: CaCl2(s)→Ca(aq)2++2Cl(aq)−\text{CaCl}_{2(s)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + 2\text{Cl}^{-}_{(aq)}CaCl2(s)​→Ca(aq)2+​+2Cl(aq)−​
nCl−=2⋅4.50×103 mol=9.00×103 moln_{\text{Cl}^-} = 2 \cdot 4.50 \times 10^{3}\ \text{mol} = 9.00 \times 10^{3}\ \text{mol}nCl−​=2⋅4.50×103 mol=9.00×103 mol
N=n⋅NA=9.00×103 mol⋅6.02×1023 1mol=5.42×1027N = n \cdot N_A = 9.00 \times 10^{3}\ \text{mol} \cdot 6.02 \times 10^{23}\ \frac{1}{\text{mol}} = 5.42 \times 10^{27}N=n⋅NA​=9.00×103 mol⋅6.02×1023 mol1​=5.42×1027 יוני כלוריד.
טעות נפוצה: לשכוח להכפיל ב־2 ולקבל 2.71×10272.71 \times 10^{27}2.71×1027 – זה מספר יוני הסידן (או מספר יחידות הנוסחה).

סעיף ז

תשובה:

I – לא נכון; II – נכון; III – לא נכון.

- I – לא נכון. לפי שורות 7–8, נתרן כלורי יעיל רק עד כ־−9∘C-9^{\circ}\text{C}−9∘C; בקור עז יותר משתמשים בסידן כלורי ובמגנזיום כלורי.
- II – נכון. לפי שורה 9, ההמסה של סידן כלורי היא תהליך אקסותרמי – חום נפלט לסביבה (ומסייע להמסת הקרח). לפי שורה 10, ההמסה של נתרן כלורי היא תהליך אנדותרמי מעט – נקלט מעט חום מן הסביבה, והיא מתקררת מעט.
- III – לא נכון. לפי שורות 21–22, החול אינו ממיס את הקרח; הוא רק מגדיל את החיכוך בין הצמיגים לבין הקרח.

סעיף ח

(i)

תשובה:

a – מוצק, C3H8O2(s)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(s)}C3​H8​O2(s)​; b – נוזל, C3H8O2(l)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(l)}C3​H8​O2(l)​; c – גז, C3H8O2(g)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(g)}C3​H8​O2(g)​.

המעברים ממוצק לנוזל (היתוך) ומנוזל לגז (אידוי) הם תהליכים אנדותרמיים, ולכן האנתלפיה של אותה כמות חומר עולה בסדר: מוצק < נוזל < גז.
- a (האנתלפיה הנמוכה ביותר) – פרופאן־1,2־דיול במצב מוצק, C3H8O2(s)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(s)}C3​H8​O2(s)​.
- b – במצב נוזל, C3H8O2(l)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(l)}C3​H8​O2(l)​.
- c – במצב גז, C3H8O2(g)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(g)}C3​H8​O2(g)​.
- d – היסודות 3C(s)+4H2(g)+O2(g)3\text{C}_{(s)} + 4\text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}3C(s)​+4H2(g)​+O2(g)​ (כפי שמצוין בדיאגרמה).

(ii)

תשובה:

a→b הוא היתוך – נשברים רק חלק מקשרי המימן ומאינטראקציות ואן דר ואלס בין המולקולות; c→d הוא שינוי כימי (פירוק החומר ליסודות) – נשברים הקשרים הקוולנטיים בתוך המולקולות, והם חזקים בהרבה מן הכוחות הבין־מולקולריים.

- המעבר a→b\text{a} \rightarrow \text{b}a→b (היתוך): שינוי במצב הצבירה. נשברים רק חלק מקשרי המימן (בין קבוצות ההידרוקסיל) ומאינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות פרופאן־1,2־דיול (כוחות בין־מולקולריים); המולקולות נשארות שלמות.
- המעבר c→d\text{c} \rightarrow \text{d}c→d: שינוי כימי – פירוק המולקולות ליסודות: C3H8O2(g)→3C(s)+4H2(g)+O2(g)\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(g)} \rightarrow 3\text{C}_{(s)} + 4\text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}C3​H8​O2(g)​→3C(s)​+4H2(g)​+O2(g)​. בתהליך נשברים הקשרים הקוולנטיים C–H\text{C–H}C–H, C–C\text{C–C}C–C, C–O\text{C–O}C–O ו־O–H\text{O–H}O–H בתוך המולקולות (ונוצרים הקשרים ביסודות).
קשרים קוולנטיים (בתוך מולקולות) חזקים בהרבה מכוחות בין־מולקולריים כמו קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס. לכן בפירוק המולקולות ליסודות מעורבת אנרגיה גדולה בהרבה מאשר בשבירת חלק מן הכוחות הבין־מולקולריים בהיתוך – ומעבר האנתלפיה d–c\text{d–c}d–c גדול בהרבה מ־b–a\text{b–a}b–a.

פרק שני

שאלה 10 · הפקת נתרן ממלח סלעים וקשרי מימן בין אצטון למים

שאלה פתוחה25 נקודות

מבנה וקישור, חישובים
נתרן, Na(s)\text{Na}_{(s)}Na(s)​ , הוא מתכת רכה בצבע כסוף, המגיבה בקלות עם מים ועם חמצן שבאוויר. בטבע נתרן מצוי רק בתרכובות, למשל בנתרן כלורי, NaCℓ(s)\text{NaC}\ell_{(s)}NaCℓ(s)​ , שהוא המרכיב העיקרי של מלח סלעים.
בתעשייה מפיקים נתרן מנתרן כלורי מותך, NaCℓ(ℓ)\text{NaC}\ell_{(\ell)}NaCℓ(ℓ)​ , שצבעו לבן במצב מוצק. בתהליך מעבירים זרם חשמלי בנתרן הכלורי המותך, ומתקבלים נתרן נוזלי וגז כלור, Cℓ2(g)\text{C}\ell_{2(g)}Cℓ2(g)​ , שצבעו צהוב־ירקרק.
לפניכם ניסוח לא מאוזן של התגובה:
NaCℓ(ℓ)→זרם חשמליNa(ℓ)+Cℓ2(g)\text{NaC}\ell_{(\ell)} \xrightarrow{\text{זרם חשמלי}} \text{Na}_{(\ell)} + \text{C}\ell_{2(g)}NaCℓ(ℓ)​זרם חשמלי​Na(ℓ)​+Cℓ2(g)​

א.

העתיקו את ניסוח התגובה למחברת הבחינה ואזנו אותו.

ב.

ציינו שינוי מאקרוסקופי אחד היכול להעיד על התרחשות התגובה.

ג.

בטבלה שלפניכם מוצגים נתונים המתאימים לשניים מן החומרים בתגובה.
סימול החומרהולכה חשמלית במצב מוצקהולכה חשמלית במצב נוזל
A×√
B√√
מבין כל החומרים בתגובה, קבעו מהו חומר A\text{A}A ומהו חומר B\text{B}B .

סימול החומר	הולכה חשמלית במצב מוצק	הולכה חשמלית במצב נוזל
A	×	√
B	√	√

ד.

בחרו באחד מן החומרים שקבעתם בסעיף ג, והסבירו את נתוני ההולכה החשמלית של חומר זה במצב צבירה מוצק ובמצב צבירה נוזל.

ה.

נתון מלח סלעים שמסתו 111 טון.
נתרן כלורי, NaCℓ(s)\text{NaC}\ell_{(s)}NaCℓ(s)​ , מהווה 97.5%97.5\%97.5% ממסת מלח הסלעים.
את כל הנתרן הכלורי שבמלח הסלעים התיכו, והפיקו ממנו נתרן וכלור על פי התגובה שאיזנתם בסעיף א.
חשבו את הנפח של גז Cℓ2(g)\text{C}\ell_{2(g)}Cℓ2(g)​ שהשתחרר, אם נמדד בלחץ של 1520 mmHg1520\ \text{mmHg}1520 mmHg ובטמפרטורה של 27∘C27^{\circ}\text{C}27∘C . פרטו את חישוביכם.
נתונים: 111 טון =1×106= 1\times 10^6=1×106 גרם ; 1 atm=760 mmHg1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg}1 atm=760 mmHg

ו.

אצטון (פרופנון), CH3COCH3\text{CH}_3\text{COCH}_3CH3​COCH3​ , משמש ממס נפוץ, למשל במסירי לק. אצטון מתערבב עם מים בכל יחס.
לפניכם ארבעה איורים 1–4. בכל איור מסורטטות מולקולת אצטון ומולקולת מים, וקו מקווקו ביניהן.
קבעו איזה מן האיורים 1, 2, 3, 4 מתאר בצורה נכונה קשר מימני בין מולקולת אצטון למולקולת מים.

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

תשובה:

2NaCℓ(ℓ)→2Na(ℓ)+Cℓ2(g)2\text{NaC}\ell_{(\ell)} \rightarrow 2\text{Na}_{(\ell)} + \text{C}\ell_{2(g)}2NaCℓ(ℓ)​→2Na(ℓ)​+Cℓ2(g)​

מאזנים את אטומי הכלור: במולקולת Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​ יש 222 אטומי כלור, ולכן נדרשות 222 יחידות NaCℓ\text{NaC}\ellNaCℓ; לפיהן נקבע המקדם 222 ל־Na\text{Na}Na:
2NaCℓ(ℓ)→זרם חשמלי2Na(ℓ)+Cℓ2(g)2\text{NaC}\ell_{(\ell)} \xrightarrow{\text{זרם חשמלי}} 2\text{Na}_{(\ell)} + \text{C}\ell_{2(g)}2NaCℓ(ℓ)​זרם חשמלי​2Na(ℓ)​+Cℓ2(g)​
בדיקה: Na\text{Na}Na: 2=22=22=2; Cℓ\text{C}\ellCℓ: 2=22=22=2.
טעות נפוצה: לכתוב Cℓ\text{C}\ellCℓ במקום Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​ כדי "לחסוך" באיזון – אסור לשנות נוסחאות של חומרים, רק מקדמים.

סעיף ב

תשובה:

היווצרות גז בצבע צהוב־ירקרק (בועות של גז), או הופעת נוזל מתכתי כסוף.

המגיב, נתרן כלורי, הוא חומר לבן (במצב מוצק) שאין לו צבע מיוחד במצב נוזל, ואילו בין התוצרים יש גז צהוב־ירקרק. לכן שינוי מאקרוסקופי אפשרי: שחרור גז בצבע צהוב־ירקרק (בועות גז).
תשובה אפשרית נוספת: הופעת נוזל כסוף בעל ברק מתכתי (נתרן).
טעות נפוצה: לתאר שינוי שאינו נראה לעין, למשל "נוצרו מולקולות Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​".

סעיף ג

תשובה:

A\text{A}A – נתרן כלורי, NaCℓ\text{NaC}\ellNaCℓ; B\text{B}B – נתרן, Na\text{Na}Na.

חומר A אינו מוליך חשמל במצב מוצק אך מוליך במצב נוזל – זו תכונה של חומר יוני: A\text{A}A הוא נתרן כלורי, NaCℓ\text{NaC}\ellNaCℓ (תרכובת של מתכת ואל־מתכת).
חומר B מוליך חשמל גם במצב מוצק וגם במצב נוזל – זו תכונה של מתכת: B\text{B}B הוא נתרן, Na\text{Na}Na.
Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​ הוא חומר מולקולרי, הבנוי ממולקולות ניטרליות, ואינו מוליך חשמל באף מצב צבירה – לכן אינו מתאים לאף שורה.

סעיף ד

תשובה:

נתרן כלורי: במוצק היונים קבועים במקומם בסריג ואינם ניידים, בנוזל היונים ניידים. (או: נתרן – אלקטרונים ניידים בסריג המתכתי גם במוצק וגם בנוזל.)

הולכה חשמלית מחייבת נוכחות של חלקיקים טעונים ניידים.
אפשרות 1 – נתרן כלורי (A\text{A}A): NaCℓ\text{NaC}\ellNaCℓ הוא חומר יוני, הבנוי מסריג של יונים חיוביים Na+\text{Na}^{+}Na+ ויונים שליליים Cℓ−\text{C}\ell^{-}Cℓ− הקשורים בקשר יוני. במצב מוצק היונים קבועים במקומם בסריג (אינם ניידים), ואין בחומר אלקטרונים ניידים – לכן אינו מוליך חשמל. במצב נוזל הסריג נהרס והיונים ניידים – לכן החומר מוליך חשמל.
אפשרות 2 – נתרן (B\text{B}B): נתרן הוא מתכת, הבנויה מסריג מתכתי של יונים חיוביים Na+\text{Na}^{+}Na+ ו"ים" של אלקטרונים ניידים (בלתי מאותרים). האלקטרונים הניידים קיימים גם במצב מוצק וגם במצב נוזל, ולכן נתרן מוליך חשמל בשני המצבים.
טעות נפוצה: לייחס את ההולכה של חומר יוני נוזלי לאלקטרונים ניידים – בחומר יוני הנושאים של המטען הם היונים.

סעיף ה

תשובה:

כ־1.03×105 L1.03\times 10^{5}\ \text{L}1.03×105 L (102,500102{,}500102,500 ליטר; 8.33×1038.33\times 10^{3}8.33×103 מול Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​).

מסת NaCℓ\text{NaC}\ellNaCℓ: m(NaCℓ)=0.975⋅1×106 g=9.75×105 gm(\text{NaC}\ell) = 0.975 \cdot 1\times 10^{6}\ \text{g} = 9.75\times 10^{5}\ \text{g}m(NaCℓ)=0.975⋅1×106 g=9.75×105 g
מסה מולרית: Mw(NaCℓ)=23.0+35.5=58.5 gmolM_w(\text{NaC}\ell) = 23.0 + 35.5 = 58.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}Mw​(NaCℓ)=23.0+35.5=58.5 molg​
מספר מולי NaCℓ\text{NaC}\ellNaCℓ: n=mMw=9.75×105 g58.5 gmol=1.667×104 moln = \frac{m}{M_w} = \frac{9.75\times 10^{5}\ \text{g}}{58.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 1.667\times 10^{4}\ \text{mol}n=Mw​m​=58.5 molg​9.75×105 g​=1.667×104 mol
יחס מולים (לפי 2NaCℓ→2Na+Cℓ22\text{NaC}\ell \rightarrow 2\text{Na} + \text{C}\ell_22NaCℓ→2Na+Cℓ2​): n(NaCℓ):n(Cℓ2)=2:1n(\text{NaC}\ell) : n(\text{C}\ell_2) = 2:1n(NaCℓ):n(Cℓ2​)=2:1
n(Cℓ2)=1.667×104 mol2=8.33×103 moln(\text{C}\ell_2) = \frac{1.667\times 10^{4}\ \text{mol}}{2} = 8.33\times 10^{3}\ \text{mol}n(Cℓ2​)=21.667×104 mol​=8.33×103 mol
המרת יחידות: P=1520 mmHg760 mmHgatm=2 atmP = \frac{1520\ \text{mmHg}}{760\ \frac{\text{mmHg}}{\text{atm}}} = 2\ \text{atm}P=760 atmmmHg​1520 mmHg​=2 atm ; T=27+273=300 KT = 27 + 273 = 300\ \text{K}T=27+273=300 K
נפח הגז (PV=nRTPV = nRTPV=nRT):
V=nRTP=8.33×103 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅300 K2 atm=1.03×105 LV = \frac{nRT}{P} = \frac{8.33\times 10^{3}\ \text{mol} \cdot 0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \cdot 300\ \text{K}}{2\ \text{atm}} = 1.03\times 10^{5}\ \text{L}V=PnRT​=2 atm8.33×103 mol⋅0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅300 K​=1.03×105 L
טעות נפוצה: להציב את הלחץ ב־mmHg\text{mmHg}mmHg או את הטמפרטורה ב־∘C^{\circ}\text{C}∘C במשוואת הגזים – עם R=0.082R = 0.082R=0.082 יש להציב לחץ ב־atm\text{atm}atm וטמפרטורה ב־K\text{K}K. טעות נוספת: לחשב לפי מסת מלח הסלעים כולה במקום לפי 97.5%97.5\%97.5% ממנה.

סעיף ו

תשובה:

איור 3.

איור 3 נכון. קשר מימני נוצר בין אטום מימן הקשור קוולנטית לאטום קטן ואלקטרושלילי מאוד (F\text{F}F, O\text{O}O או N\text{N}N) במולקולה אחת, לבין זוג אלקטרונים לא קושר של אטום F\text{F}F, O\text{O}O או N\text{N}N במולקולה שכנה.
במולקולת אצטון אין אטום מימן הקשור לאטום חמצן (כל אטומי המימן קשורים לאטומי פחמן), ולכן המימן המשתתף בקשר המימני חייב להגיע ממולקולת המים. באיור 3 אטום מימן של קשר O−H\text{O}-\text{H}O−H במולקולת המים נמשך אל זוג אלקטרונים לא קושר של אטום החמצן במולקולת האצטון – קשר מימני תקין.
למה האחרים שגויים:
- איור 1: הקו המקווקו מחבר בין שני אטומי חמצן (זוג אלקטרונים לא קושר מול זוג אלקטרונים לא קושר), ללא אטום מימן ביניהם – זה אינו קשר מימני.
- איור 2: המימן המשתתף קשור לאטום פחמן. קשר C−H\text{C}-\text{H}C−H כמעט אינו קוטבי (הפרש אלקטרושליליות 0.40.40.4), ולכן מימן זה אינו יוצר קשר מימני.
- איור 4: הקו המקווקו מחבר בין שני אטומי מימן – אין כאן זוג אלקטרונים לא קושר, ולכן זה אינו קשר מימני.
טעות נפוצה: לחשוב שאצטון אינו יכול ליצור קשרי מימן כלל – בין מולקולות אצטון לבין עצמן אין קשרי מימן, אך עם מולקולות מים הוא יוצר קשרי מימן דרך זוגות האלקטרונים הלא קושרים של אטום החמצן.

שאלה 11 · גופרית ותרכובותיה – חמצון–חיזור וחישובים

שאלה פתוחה25 נקודות

חמצון–חיזור, חישובים
השאלה עוסקת ביסוד גופרית ובכמה מתרכובותיו. סמל היסוד גופרית הוא 16S_{16}\text{S}16​S .
בגז טבעי ובנפט גולמי יש לעיתים קרובות מימן גופרי, H2S(g)\text{H}_2\text{S}_{(g)}H2​S(g)​ , שיש להרחיקו לפני השימוש בדלק.
מפיקים גופרית, S(s)\text{S}_{(s)}S(s)​ , מן המימן הגופרי בתגובה עם גופרית דו־חמצנית, SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​ .
לפניכם ניסוח התגובה (תגובה 1):
1.2H2S(g)+SO2(g)→3S(s)+2H2O(g)1.\qquad 2\text{H}_2\text{S}_{(g)} + \text{SO}_{2(g)} \rightarrow 3\text{S}_{(s)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}1.2H2​S(g)​+SO2(g)​→3S(s)​+2H2​O(g)​

א.

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

ב.

הריכוז של יוני גופרה, SO42−(aq)\text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}SO42−​(aq)​ , במי הים הוא כ־ 2.7 גרם לליטר.
חשבו את ריכוז יוני SO42−(aq)\text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}SO42−​(aq)​ במי הים ביחידות של מול לליטר (M) . פרטו את חישוביכם.

ג.

כאשר מחממים גופרית עם חומצה גופרתית מרוכזת מתקבלים גופרית דו־חמצנית ואדי מים.
לפניכם ניסוח התגובה (תגובה 2):
2.S(s)+2H2SO4(l)→3SO2(g)+2H2O(g)2.\qquad \text{S}_{(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_{4(l)} \rightarrow 3\text{SO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)}2.S(s)​+2H2​SO4(l)​→3SO2(g)​+2H2​O(g)​
התבססו על ניסוח תגובה 2 וקבעו עבור כל אחד מן ההיגדים שלפניכם אם הוא נכון או לא נכון.
נמקו את קביעותיכם.

(i)

כל מולקולות הגופרית הדו־חמצנית, SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​ , הן תוצר של תהליך חיזור.

(ii)

האטומים בגופרית המוצקה, S(s)\text{S}_{(s)}S(s)​ , עברו תהליך חמצון.

ד.

גופרית דו־חמצנית משמשת לייצור חומצה גופרתית. בשלב הראשון מגיבה גופרית דו־חמצנית, SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​ , עם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , ונוצרת גופרית תלת־חמצנית, SO3(g)\text{SO}_{3(g)}SO3(g)​ .

(1)

רשמו ניסוח מאוזן של התגובה לייצור SO3(g)\text{SO}_{3(g)}SO3(g)​ .

(2)

בכלי סגור הגיבו 128.2 גרם SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​ עם 24.0 גרם O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ . התגובה התרחשה עד שאחד המגיבים נגמר.
מהי מסת SO3(g)\text{SO}_{3(g)}SO3(g)​ שהתקבלה? פרטו את חישוביכם.

ה.

מגנזיום גופרתי, MgSO4(aq)\text{MgSO}_{4(aq)}MgSO4(aq)​ , משמש בחקלאות כמקור למגנזיום. מייצרים את תמיסתו על ידי הוספת תמיסה מימית של חומצה גופרתית, H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ , למגנזיום הידרוקסידי מוצק, Mg(OH)2(s)\text{Mg(OH)}_{2(s)}Mg(OH)2(s)​ .
לפניכם ניסוח התגובה (תגובה 3):
3.Mg(OH)2(s)+2H3O(aq)++SO42−(aq)→Mg(aq)2++SO42−(aq)+4H2O(l)3.\qquad \text{Mg(OH)}_{2(s)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)} \rightarrow \text{Mg}^{2+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)} + 4\text{H}_2\text{O}_{(l)}3.Mg(OH)2(s)​+2H3​O(aq)+​+SO42−​(aq)​→Mg(aq)2+​+SO42−​(aq)​+4H2​O(l)​
האם תגובה 3 היא תגובת חמצון–חיזור? הסבירו את תשובתכם.

ו.

התרכובת בריום גופרתי, BaSO4(s)\text{BaSO}_{4(s)}BaSO4(s)​ , משמשת בדימות רנטגן של מערכת העיכול.
אפשר להכין BaSO4(s)\text{BaSO}_{4(s)}BaSO4(s)​ בתגובת שיקוע, בין תמיסת נתרן גופרתי, Na2SO4(aq)\text{Na}_2\text{SO}_{4(aq)}Na2​SO4(aq)​ , ובין תמיסת בריום כלורי, BaCl2(aq)\text{BaCl}_{2(aq)}BaCl2(aq)​ .
לפניכם ניסוח נטו של תגובת השיקוע (תגובה 4):
4.Ba(aq)2++SO42−(aq)→BaSO4(s)4.\qquad \text{Ba}^{2+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)} \rightarrow \text{BaSO}_{4(s)}4.Ba(aq)2+​+SO42−​(aq)​→BaSO4(s)​
ערבבו 200 מ"ל תמיסת Na2SO4(aq)\text{Na}_2\text{SO}_{4(aq)}Na2​SO4(aq)​ בריכוז 0.25 M0.25\ \text{M}0.25 M עם 100 מ"ל תמיסת BaCl2(aq)\text{BaCl}_{2(aq)}BaCl2(aq)​ בריכוז 0.50 M0.50\ \text{M}0.50 M . כל החומרים הגיבו בשלמות.
מהי מסת המשקע שהתקבל? פרטו את חישוביכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

תשובה:

המחמצן: SO2\text{SO}_2SO2​; המחזר: H2S\text{H}_2\text{S}H2​S.

דרגות החמצון של S: ב־H2S\text{H}_2\text{S}H2​S: 2⋅(+1)+x=0⇒x=−22\cdot(+1)+x=0 \Rightarrow x=-22⋅(+1)+x=0⇒x=−2; ב־SO2\text{SO}_2SO2​: x+2⋅(−2)=0⇒x=+4x+2\cdot(-2)=0 \Rightarrow x=+4x+2⋅(−2)=0⇒x=+4; ב־S (יסוד): 000.
המחמצן: SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​. דרגת החמצון של S יורדת מ־+4+4+4 ל־000: אטומי S ב־SO2\text{SO}_2SO2​ מקבלים אלקטרונים (עוברים חיזור), כלומר SO2\text{SO}_2SO2​ גורם לחמצון של H2S\text{H}_2\text{S}H2​S – הוא המחמצן.
המחזר: H2S(g)\text{H}_2\text{S}_{(g)}H2​S(g)​. דרגת החמצון של S עולה מ־−2-2−2 ל־000: אטומי S ב־H2S\text{H}_2\text{S}H2​S מוסרים אלקטרונים (עוברים חמצון), ואת האלקטרונים מקבל SO2\text{SO}_2SO2​ – לכן H2S\text{H}_2\text{S}H2​S הוא המחזר.
(דרגות החמצון של H, +1+1+1, ושל O, −2-2−2, אינן משתנות.)
טעות נפוצה: לקבוע שהמחמצן הוא החומר שעובר חמצון – בפועל המחמצן עצמו עובר חיזור.

סעיף ב

תשובה:

≈0.028 M\approx 0.028\ \text{M}≈0.028 M

ב־1 L1\ \text{L}1 L מי ים יש 2.7 g2.7\ \text{g}2.7 g יוני גופרה. המסה המולרית של SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ (מסת האלקטרונים זניחה):
M=32.1+4⋅16.0=96.1 gmolM=32.1+4\cdot16.0=96.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M=32.1+4⋅16.0=96.1 molg​
n=mM=2.7 g96.1 gmol=0.0281 moln=\frac{m}{M}=\frac{2.7\ \text{g}}{96.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.0281\ \text{mol}n=Mm​=96.1 molg​2.7 g​=0.0281 mol
C=nV=0.0281 mol1 L=0.0281 M≈0.028 MC=\frac{n}{V}=\frac{0.0281\ \text{mol}}{1\ \text{L}}=0.0281\ \text{M}\approx0.028\ \text{M}C=Vn​=1 L0.0281 mol​=0.0281 M≈0.028 M
תשובה: ריכוז יוני SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ הוא כ־0.028 M0.028\ \text{M}0.028 M.
טעות נפוצה: לחשב את המסה המולרית לפי אטום גופרית בלבד (32.1 gmol32.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}32.1 molg​) ולא לפי היון כולו.

סעיף ג

(i)

תשובה:

לא נכון – חלק ממולקולות SO2\text{SO}_2SO2​ הן תוצר של חמצון (מ־S) וחלקן תוצר של חיזור (מ־H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​).

לא נכון. דרגות החמצון של S: ב־S (יסוד) – 000; ב־H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​: 2⋅(+1)+x+4⋅(−2)=0⇒x=+62\cdot(+1)+x+4\cdot(-2)=0 \Rightarrow x=+62⋅(+1)+x+4⋅(−2)=0⇒x=+6; ב־SO2\text{SO}_2SO2​ – +4+4+4.
•מולקולת SO2\text{SO}_2SO2​ אחת (מתוך שלוש) נוצרת מאטום S של הגופרית המוצקה: דרגת החמצון עולה מ־000 ל־+4+4+4 – זהו תוצר של חמצון.
•שתי מולקולות SO2\text{SO}_2SO2​ נוצרות מאטומי S של החומצה הגופרתית: דרגת החמצון יורדת מ־+6+6+6 ל־+4+4+4 – תוצר של חיזור.
לכן לא כל מולקולות SO2\text{SO}_2SO2​ הן תוצר של תהליך חיזור.

(ii)

תשובה:

נכון – דרגת החמצון של S עולה מ־0 ל־+4+4+4.

נכון. ב־S(s)\text{S}_{(s)}S(s)​ (יסוד) דרגת החמצון היא 000, וב־SO2\text{SO}_2SO2​ היא +4+4+4. דרגת החמצון עולה: אטומי הגופרית מסרו אלקטרונים (לאטומי S שבחומצה הגופרתית), ולכן עברו תהליך חמצון.

סעיף ד

(1)

תשובה:

2SO2(g)+O2(g)→2SO3(g)2\text{SO}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{3(g)}2SO2(g)​+O2(g)​→2SO3(g)​

2SO2(g)+O2(g)→2SO3(g)2\text{SO}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{3(g)}2SO2(g)​+O2(g)​→2SO3(g)​
 איזון: S: 2 = 2; O: 2⋅2+2=62\cdot2+2=62⋅2+2=6 באגף שמאל, 2⋅3=62\cdot3=62⋅3=6 באגף ימין.

(2)

תשובה:

120 g120\ \text{g}120 g (120.2 גרם) SO3\text{SO}_3SO3​

מולים של המגיבים:
MSO2=32.1+2⋅16.0=64.1 gmolM_{\text{SO}_2}=32.1+2\cdot16.0=64.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MSO2​​=32.1+2⋅16.0=64.1 molg​ ; MO2=2⋅16.0=32.0 gmolM_{\text{O}_2}=2\cdot16.0=32.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MO2​​=2⋅16.0=32.0 molg​
nSO2=128.2 g64.1 gmol=2.00 molnO2=24.0 g32.0 gmol=0.750 moln_{\text{SO}_2}=\frac{128.2\ \text{g}}{64.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=2.00\ \text{mol}\qquad n_{\text{O}_2}=\frac{24.0\ \text{g}}{32.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.750\ \text{mol}nSO2​​=64.1 molg​128.2 g​=2.00 molnO2​​=32.0 molg​24.0 g​=0.750 mol
קביעת המגיב המגביל: לפי היחס SO2:O2=2:1\text{SO}_2:\text{O}_2=2:1SO2​:O2​=2:1, כדי שיגיבו 2.00 mol2.00\ \text{mol}2.00 mol SO2\text{SO}_2SO2​ דרושים 1.00 mol1.00\ \text{mol}1.00 mol O2\text{O}_2O2​, אך יש רק 0.750 mol0.750\ \text{mol}0.750 mol. לכן החמצן הוא המגיב המגביל, ו־SO2\text{SO}_2SO2​ נמצא בעודף.
יחס מולים O2:SO3=1:2\text{O}_2:\text{SO}_3=1:2O2​:SO3​=1:2:
nSO3=2⋅0.750 mol=1.50 moln_{\text{SO}_3}=2\cdot0.750\ \text{mol}=1.50\ \text{mol}nSO3​​=2⋅0.750 mol=1.50 mol
MSO3=32.1+3⋅16.0=80.1 gmolM_{\text{SO}_3}=32.1+3\cdot16.0=80.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MSO3​​=32.1+3⋅16.0=80.1 molg​
mSO3=n⋅M=1.50 mol⋅80.1 gmol=120.2 g≈120 gm_{\text{SO}_3}=n\cdot M=1.50\ \text{mol}\cdot80.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=120.2\ \text{g}\approx120\ \text{g}mSO3​​=n⋅M=1.50 mol⋅80.1 molg​=120.2 g≈120 g
תשובה: מתקבלים כ־120 g120\ \text{g}120 g SO3\text{SO}_3SO3​.
טעות נפוצה: לחשב את כמות התוצר לפי SO2\text{SO}_2SO2​ (ולקבל 160 g160\ \text{g}160 g) בלי לבדוק איזה מגיב מגביל.

סעיף ה

תשובה:

לא – אין שינוי בדרגות החמצון (אין מעבר אלקטרונים); זו תגובת חומצה–בסיס.

לא, תגובה 3 אינה תגובת חמצון–חיזור.
נבדוק את דרגות החמצון לפני התגובה ואחריה:
•Mg: +2+2+2 ב־Mg(OH)2\text{Mg(OH)}_2Mg(OH)2​ וגם +2+2+2 ב־Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+.
•O: −2-2−2 ב־OH−\text{OH}^{-}OH−, ב־H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ וב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
•H: +1+1+1 בכל החומרים.
•S: +6+6+6 ב־SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ לפני ואחרי (יוני הגופרה הם יונים צופים).
אף דרגת חמצון אינה משתנה, כלומר אין מעבר אלקטרונים – ולכן זו אינה תגובת חמצון–חיזור. זוהי תגובת חומצה–בסיס: יוני ההידרוקסיד שבמוצק מקבלים פרוטונים מיוני ההידרוניום, ונוצרים מים.

סעיף ו

תשובה:

11.7 g11.7\ \text{g}11.7 g (11.67 גרם) BaSO4\text{BaSO}_4BaSO4​

מולים של כל יון:
nSO42−=nNa2SO4=C⋅V=0.25 molL⋅0.200 L=0.050 moln_{\text{SO}_4^{2-}}=n_{\text{Na}_2\text{SO}_4}=C\cdot V=0.25\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.200\ \text{L}=0.050\ \text{mol}nSO42−​​=nNa2​SO4​​=C⋅V=0.25 Lmol​⋅0.200 L=0.050 mol
nBa2+=nBaCl2=0.50 molL⋅0.100 L=0.050 moln_{\text{Ba}^{2+}}=n_{\text{BaCl}_2}=0.50\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.050\ \text{mol}nBa2+​=nBaCl2​​=0.50 Lmol​⋅0.100 L=0.050 mol
לפי תגובה 4 היחס Ba2+:SO42−:BaSO4=1:1:1\text{Ba}^{2+}:\text{SO}_4^{2-}:\text{BaSO}_4=1:1:1Ba2+:SO42−​:BaSO4​=1:1:1, ושני המגיבים מגיבים בשלמות, לכן:
nBaSO4=0.050 moln_{\text{BaSO}_4}=0.050\ \text{mol}nBaSO4​​=0.050 mol
מסה מולרית: MBaSO4=137.3+32.1+4⋅16.0=233.4 gmolM_{\text{BaSO}_4}=137.3+32.1+4\cdot16.0=233.4\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MBaSO4​​=137.3+32.1+4⋅16.0=233.4 molg​
m=n⋅M=0.050 mol⋅233.4 gmol=11.67 g≈11.7 gm=n\cdot M=0.050\ \text{mol}\cdot233.4\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=11.67\ \text{g}\approx11.7\ \text{g}m=n⋅M=0.050 mol⋅233.4 molg​=11.67 g≈11.7 g
תשובה: מסת המשקע (BaSO4(s)\text{BaSO}_{4(s)}BaSO4(s)​) היא כ־11.7 g11.7\ \text{g}11.7 g.
טעות נפוצה: להכפיל את מספר המולים של SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ ב־2 בגלל שני יוני הנתרן שבנוסחה Na2SO4\text{Na}_2\text{SO}_4Na2​SO4​ – בכל יחידת Na2SO4\text{Na}_2\text{SO}_4Na2​SO4​ יש יון גופרה אחד בלבד.

שאלה 12 · אמוניה: גזים, קצב פירוק וחישובים

שאלה פתוחה25 נקודות

סטויכיומטריה - מצב גז וקצב תגובות
השאלה עוסקת בגזים אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , ומימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ .

א.

(i)

שני כלים סגורים הוחזקו באותה טמפרטורה קבועה.
הכלי הראשון, שנפחו 1.00 ליטר, מכיל 0.68 גרם אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ .
הכלי השני, שנפחו 2.00 ליטר, מכיל 1.12 גרם חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ .
קבע אם הלחץ בכלי השני גדול מהלחץ בכלי הראשון, קטן ממנו או שווה לו. נמק את קביעתך.

(ii)

דרך ברז, מזרימים לכלי השני גז חנקן בקצב קבוע. נפח הכלי והטמפרטורה נשארים קבועים.
איזה מהגרפים IV-I שלפניך הוא תיאור סכמתי נכון של הלחץ בכלי השני במהלך ההזרמה כתלות בזמן?
נמק את קביעתך.

ב.

בטמפרטורה גבוהה, ובנוכחות זרז מתכתי, אמוניה מתפרקת לחנקן ולמימן.

(i)

נסח ואזן את התגובה.

(ii)

ביצעו את התגובה בתוך מזרק, כשהטמפרטורה והלחץ נשמרו קבועים.
קבע אם במהלך התגובה נפח המזרק גדל, קטן או לא השתנה. נמק את קביעתך.

ג.

התייחס לתגובה שניסחת בסעיף ב i.

(i)

ביצעו שני ניסויים באותה טמפרטורה ועם אותה כמות אמוניה. בניסוי 1 הזרז היה במצב אבקה דקה, ובניסוי 2 – גוש אחד של אותו זרז, באותה מסה. קצב התגובה בניסוי 1 היה גבוה יותר.
קבע איזה מבין ההיגדים a או b מסביר נכון עובדה זו.
a. בניסוי 1 שטח הפנים של הזרז, שעליו מתרחשת התגובה, גדול יותר.
b. בניסוי 1 הזרז מקטין את ΔH\Delta HΔH של התגובה יותר מאשר בניסוי 2.

(ii)

בניסוי נוסף נמצא כי קצב פירוק האמוניה ב-600oC600^{o}\text{C}600oC גבוה מקצב הפירוק ב-400oC400^{o}\text{C}400oC (כל שאר התנאים זהים).
ציין את הגורם המשפיע על קצב התגובה שמסביר עובדה זו.

ד.

אמוניה מגיבה עם מימן כלורי, HCl(g)\text{HCl}_{(g)}HCl(g)​ , ונוצר מוצק לבן – אמון כלורי, על פי התגובה:
NH3(g)+HCl(g)→NH4Cl(s)\text{NH}_{3(g)} + \text{HCl}_{(g)} \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}_{(s)}NH3(g)​+HCl(g)​→NH4​Cl(s)​
בכלי אחד היו 1.70 גרם NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ . בכלי אחר, שנפחו 2.00 ליטר, היה HCl(g)\text{HCl}_{(g)}HCl(g)​ בטמפרטורה של 27oC27^{o}\text{C}27oC ובלחץ של 912 mmHg (נתון: 1 atm = 760 mmHg).
חיברו את הכלים, והתגובה התרחשה עד תום.
חשב את המסה של NH4Cl(s)\text{NH}_4\text{Cl}_{(s)}NH4​Cl(s)​ שהתקבלה. פרט את חישוביך.

◂ פתרון מלא לשאלה 12

סעיף א

(i)

תשובה:

קטן – אותו מספר מולים (0.0400 mol) בנפח כפול, ולכן הלחץ בכלי השני חצי מהלחץ בכלי הראשון.

הלחץ בכלי השני קטן מהלחץ בכלי הראשון (חצי ממנו).
מספר המולים בכל כלי, n=mMn = \frac{m}{M}n=Mm​:
- M(NH3)=14.0+3⋅1.0=17.0 gmolM(\text{NH}_3) = 14.0 + 3\cdot 1.0 = 17.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(NH3​)=14.0+3⋅1.0=17.0 molg​ ⟸ n(NH3)=0.68 g17.0 g/mol=0.0400 moln(\text{NH}_3) = \frac{0.68\ \text{g}}{17.0\ \text{g/mol}} = 0.0400\ \text{mol}n(NH3​)=17.0 g/mol0.68 g​=0.0400 mol
- M(N2)=2⋅14.0=28.0 gmolM(\text{N}_2) = 2\cdot 14.0 = 28.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(N2​)=2⋅14.0=28.0 molg​ ⟸ n(N2)=1.12 g28.0 g/mol=0.0400 moln(\text{N}_2) = \frac{1.12\ \text{g}}{28.0\ \text{g/mol}} = 0.0400\ \text{mol}n(N2​)=28.0 g/mol1.12 g​=0.0400 mol
בשני הכלים אותו מספר מולי גז ואותה טמפרטורה. לפי P=nRTVP = \frac{nRT}{V}P=VnRT​, הלחץ עומד ביחס הפוך לנפח: נפח הכלי השני גדול פי 2, ולכן הלחץ בו קטן פי 2.
טעות נפוצה: להשוות רק את מספרי המולים ולהתעלם מן ההבדל בנפחי הכלים.

(ii)

תשובה:

גרף IV.

גרף IV.
נימוק:
•לפני תחילת ההזרמה (זמן 0) יש בכלי 0.0400 mol N20.0400\ \text{mol}\ \text{N}_20.0400 mol N2​, ולכן הלחץ אינו אפס – נפסל גרף I, שמתחיל באפס.
•במהלך ההזרמה מספר מולי הגז בכלי גדל בקצב קבוע, בעוד הנפח והטמפרטורה קבועים. לפי P=nRTVP = \frac{nRT}{V}P=VnRT​ הלחץ עומד ביחס ישר למספר המולים, ולכן הלחץ עולה (באופן קווי). נפסלים גרף II (לחץ קבוע) וגרף III (לחץ יורד).
גרף IV מתאר לחץ התחלתי השונה מאפס ועלייה קווית בלחץ.

סעיף ב

(i)

תשובה:

2NH3(g)→N2(g)+3H2(g)2\text{NH}_{3(g)} \rightarrow \text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)}2NH3(g)​→N2(g)​+3H2(g)​

2NH3(g)→N2(g)+3H2(g)2\text{NH}_{3(g)} \rightarrow \text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)}2NH3(g)​→N2(g)​+3H2(g)​
בדיקה: אטומי N – 2 בכל צד; אטומי H – 2⋅3=62\cdot 3 = 62⋅3=6 משמאל, 3⋅2=63\cdot 2 = 63⋅2=6 מימין.

(ii)

תשובה:

נפח המזרק גדל.

נפח המזרק גדל.
נימוק: לפי הניסוח, מכל 2 מול גז מגיב (NH3\text{NH}_3NH3​) נוצרים 4 מול גז תוצרים (1 mol N2+3 mol H21\ \text{mol}\ \text{N}_2 + 3\ \text{mol}\ \text{H}_21 mol N2​+3 mol H2​). מספר מולי הגז במזרק גדל במהלך התגובה.
בטמפרטורה ובלחץ קבועים נפח הגז עומד ביחס ישר למספר המולים (V=nRTPV = \frac{nRT}{P}V=PnRT​), ולכן הנפח גדל – הבוכנה נדחפת החוצה. (בפירוק מלא הנפח היה גדל פי 2.)

סעיף ג

(i)

תשובה:

היגד a.

היגד a נכון.
התגובה מתרחשת על פני הזרז המוצק. כאשר אותה מסה של זרז נמצאת במצב אבקה דקה, שטח הפנים שלה גדול בהרבה משטח הפנים של גוש אחד. שטח פנים גדול יותר הוא גורם המגביר את קצב התגובה.
היגד b שגוי: זרז אינו משנה את ΔH\Delta HΔH של התגובה – ΔH\Delta HΔH תלוי רק במגיבים ובתוצרים. הזרז משפיע רק על הקצב (מסלול בעל אנרגיית שפעול נמוכה יותר), ומצב החלוקה שלו אינו משנה זאת.

(ii)

תשובה:

הטמפרטורה.

הגורם הוא הטמפרטורה: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, קצב התגובה גבוה יותר. כאן כל שאר התנאים (ריכוז האמוניה, הזרז ושטח הפנים שלו) זהים, וההבדל היחיד הוא הטמפרטורה – 873 K873\ \text{K}873 K לעומת 673 K673\ \text{K}673 K.

סעיף ד

תשובה:

m(NH4Cl)=5.22 gm(\text{NH}_4\text{Cl}) = 5.22\ \text{g}m(NH4​Cl)=5.22 g (המגיב המגביל: HCl\text{HCl}HCl)

1. מולי אמוניה:
M(NH3)=17.0 gmolM(\text{NH}_3) = 17.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(NH3​)=17.0 molg​ ⟸ n(NH3)=1.70 g17.0 g/mol=0.100 moln(\text{NH}_3) = \frac{1.70\ \text{g}}{17.0\ \text{g/mol}} = 0.100\ \text{mol}n(NH3​)=17.0 g/mol1.70 g​=0.100 mol
2. מולי מימן כלורי לפי משוואת הגזים PV=nRTPV = nRTPV=nRT:
P=912 mmHg760 mmHg/atm=1.20 atmT=27+273=300 KP = \frac{912\ \text{mmHg}}{760\ \text{mmHg/atm}} = 1.20\ \text{atm} \qquad T = 27 + 273 = 300\ \text{K}P=760 mmHg/atm912 mmHg​=1.20 atmT=27+273=300 K
n(HCl)=PVRT=1.20 atm⋅2.00 L0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅300 K=0.0976 moln(\text{HCl}) = \frac{PV}{RT} = \frac{1.20\ \text{atm} \cdot 2.00\ \text{L}}{0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \cdot 300\ \text{K}} = 0.0976\ \text{mol}n(HCl)=RTPV​=0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅300 K1.20 atm⋅2.00 L​=0.0976 mol
3. מגיב מגביל: היחס NH3:HCl=1:1\text{NH}_3 : \text{HCl} = 1:1NH3​:HCl=1:1. יש 0.0976 mol HCl0.0976\ \text{mol}\ \text{HCl}0.0976 mol HCl ו-0.100 mol NH30.100\ \text{mol}\ \text{NH}_30.100 mol NH3​ – לכן HCl\text{HCl}HCl הוא המגיב המגביל (נשארים 0.100−0.0976=0.0024 mol NH30.100 - 0.0976 = 0.0024\ \text{mol}\ \text{NH}_30.100−0.0976=0.0024 mol NH3​ בעודף).
4. מסת התוצר: היחס HCl:NH4Cl=1:1\text{HCl} : \text{NH}_4\text{Cl} = 1:1HCl:NH4​Cl=1:1 ⟸ n(NH4Cl)=0.0976 moln(\text{NH}_4\text{Cl}) = 0.0976\ \text{mol}n(NH4​Cl)=0.0976 mol
M(NH4Cl)=14.0+4⋅1.0+35.5=53.5 gmolM(\text{NH}_4\text{Cl}) = 14.0 + 4\cdot 1.0 + 35.5 = 53.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(NH4​Cl)=14.0+4⋅1.0+35.5=53.5 molg​
m=n⋅M=0.0976 mol⋅53.5 gmol=5.22 gm = n \cdot M = 0.0976\ \text{mol} \cdot 53.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 5.22\ \text{g}m=n⋅M=0.0976 mol⋅53.5 molg​=5.22 g
טעות נפוצה: לחשב את מסת התוצר לפי האמוניה (מתקבל 5.35 g) – יש לחשב לפי המגיב המגביל.

שאלה 13 · תרכובות חנקן: דרגות חמצון, מחמצן ומחזר

שאלה פתוחה25 נקודות

חמצון חיזור
השאלה עוסקת בתגובות חמצון־חיזור של תרכובות חנקן.
לפניך רשימה של חלקיקים המכילים חנקן:
NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , NO(g)\text{NO}_{(g)}NO(g)​ , NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​ , HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​

א.

בתעשייה מפיקים חומצה חנקתית, HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​, מאמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​, בכמה שלבים.
בשלב הראשון מגיבים אמוניה וחמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​, בטמפרטורה גבוהה בנוכחות זרז. נוצרים חנקן חד־חמצני, NO(g)\text{NO}_{(g)}NO(g)​, ואדי מים, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​.

(i)

רשום ניסוח מאוזן לתגובה שהתרחשה בשלב הראשון.

(ii)

בשלב השני מקררים את תערובת הגזים. החנקן החד־חמצני מגיב עם חמצן נוסף, ונוצר גז חום־אדום – חנקן דו־חמצני, NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​.
רשום ניסוח מאוזן לתגובה שהתרחשה בשלב השני.

(iii)

קבע מהו החומר המחמצן ומהו החומר המחזר בכל אחד משני השלבים.
נמק את קביעתך על פי השינוי בדרגות החמצון.

ב.

חנקן חד־חמצני נוצר גם בטבע ובמנועי מכוניות.

(i)

בזמן ברק, או בטמפרטורה הגבוהה שבמנוע, מגיבים חנקן וחמצן שבאוויר לפי התגובה:
N2(g)+O2(g)→2NO(g)\text{N}_{2(g)}+\text{O}_{2(g)}\rightarrow2\text{NO}_{(g)}N2(g)​+O2(g)​→2NO(g)​
קבע אם N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ משמש בתגובה זו מחמצן או מחזר. נמק את קביעתך.

(ii)

בשלב השלישי של הפקת החומצה החנקתית מזרימים NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​ למים, ומתרחשת התגובה:
3NO2(g)+H2O(l)→2HNO3(aq)+NO(g)3\text{NO}_{2(g)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow2\text{HNO}_{3(aq)}+\text{NO}_{(g)}3NO2(g)​+H2​O(l)​→2HNO3(aq)​+NO(g)​
בתגובה זו NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​ משמש גם מחמצן וגם מחזר. הסבר מדוע.

ג.

סדר את החלקיקים NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , NO(g)\text{NO}_{(g)}NO(g)​ , NO2(g)\text{NO}_{2(g)}NO2(g)​ ו־ HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ על פי דרגת החמצון של אטום החנקן בהם, מן הגבוהה לנמוכה.
פרט את קביעת דרגות החמצון.

ד.

חומצה חנקתית מרוכזת מגיבה עם מתכות רבות ומשמשת מחמצן. אמוניה יכולה לשמש מחזר.
קבע איזה מן החלקיקים, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ או HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​, יכול לשמש רק מחמצן (בהתייחס לאטום החנקן). נמק.

◂ פתרון מלא לשאלה 13

סעיף א

(i)

תשובה:

4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O(g)4\text{NH}_{3(g)}+5\text{O}_{2(g)}\rightarrow4\text{NO}_{(g)}+6\text{H}_2\text{O}_{(g)}4NH3(g)​+5O2(g)​→4NO(g)​+6H2​O(g)​

מגיבים: NH3\text{NH}_3NH3​ ו־O2\text{O}_2O2​; תוצרים: NO ו־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
איזון: מאזנים קודם את H: ב־2 מולקולות NH3\text{NH}_3NH3​ יש 6 אטומי H ← 3H2O3\text{H}_2\text{O}3H2​O; N: 2NO2\text{NO}2NO. אטומי O בתוצרים: 2+3=52+3=52+3=5 ← 52O2\frac{5}{2}\text{O}_225​O2​. מכפילים פי 2 כדי לקבל מקדמים שלמים:
4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O(g)4\text{NH}_{3(g)}+5\text{O}_{2(g)}\rightarrow4\text{NO}_{(g)}+6\text{H}_2\text{O}_{(g)}4NH3(g)​+5O2(g)​→4NO(g)​+6H2​O(g)​
בדיקה: N – 4=4; H – 12=12; O – 10 = 4+6.

(ii)

תשובה:

2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)2\text{NO}_{(g)}+\text{O}_{2(g)}\rightarrow2\text{NO}_{2(g)}2NO(g)​+O2(g)​→2NO2(g)​

2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)2\text{NO}_{(g)}+\text{O}_{2(g)}\rightarrow2\text{NO}_{2(g)}2NO(g)​+O2(g)​→2NO2(g)​
בדיקה: N – 2=2; O – 2+2=42+2=42+2=4 ו־2⋅2=42\cdot2=42⋅2=4.

(iii)

תשובה:

שלב ראשון: מחמצן O2\text{O}_2O2​, מחזר NH3\text{NH}_3NH3​. שלב שני: מחמצן O2\text{O}_2O2​, מחזר NO.

שלב ראשון:
•דרגת החמצון של N עולה מ־−3-3−3 (ב־NH3\text{NH}_3NH3​; לכל H +1+1+1) ל־+2+2+2 (ב־NO; ל־O −2-2−2) – החנקן מוסר אלקטרונים, עובר חמצון ← NH3\text{NH}_3NH3​ הוא המחזר.
•דרגת החמצון של O יורדת מ־0 (ב־O2\text{O}_2O2​, יסוד) ל־−2-2−2 (ב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O וב־NO) – החמצן קולט אלקטרונים, עובר חיזור ← O2\text{O}_2O2​ הוא המחמצן.
שלב שני:
•N: מ־+2+2+2 (ב־NO) ל־+4+4+4 (ב־NO2\text{NO}_2NO2​) – חמצון ← NO הוא המחזר.
•O: מ־0 (ב־O2\text{O}_2O2​) ל־−2-2−2 (ב־NO2\text{NO}_2NO2​) – חיזור ← O2\text{O}_2O2​ הוא המחמצן.
החומר המחזר הוא החומר שמוסר אלקטרונים (ובו אטום שדרגת החמצון שלו עולה); החומר המחמצן קולט אלקטרונים (ובו אטום שדרגת החמצון שלו יורדת).

סעיף ב

(i)

תשובה:

N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ – מחזר.

N2\text{N}_2N2​ משמש מחזר.
דרגת החמצון של N ב־N2\text{N}_2N2​ (יסוד) היא 0, וב־NO היא +2+2+2 (כי ל־O דרגת חמצון −2-2−2 והמולקולה ניטרלית). דרגת החמצון של N עולה – אטומי החנקן מוסרים אלקטרונים ועוברים חמצון, ולכן N2\text{N}_2N2​ הוא החומר המחזר (והחמצן, שדרגת החמצון שלו יורדת מ־0 ל־−2-2−2, הוא המחמצן).

(ii)

תשובה:

מתוך 3 אטומי N (דרגת חמצון +4+4+4), שניים עוברים חמצון ל־+5+5+5 (ב־HNO3\text{HNO}_3HNO3​) ואחד עובר חיזור ל־+2+2+2 (ב־NO).

דרגת החמצון של N ב־NO2\text{NO}_2NO2​ היא +4+4+4.
•ב־HNO3\text{HNO}_3HNO3​: (+1)+x+3⋅(−2)=0(+1)+x+3\cdot(-2)=0(+1)+x+3⋅(−2)=0 ← x=+5x=+5x=+5. שתי מולקולות NO2\text{NO}_2NO2​ הופכות ל־HNO3\text{HNO}_3HNO3​ – דרגת החמצון של N עולה מ־+4+4+4 ל־+5+5+5: אטומים אלה מוסרים אלקטרונים (חמצון) – כאן NO2\text{NO}_2NO2​ משמש מחזר.
•ב־NO דרגת החמצון של N היא +2+2+2. מולקולת NO2\text{NO}_2NO2​ אחת הופכת ל־NO – דרגת החמצון יורדת מ־+4+4+4 ל־+2+2+2: אטום זה קולט אלקטרונים (חיזור) – כאן NO2\text{NO}_2NO2​ משמש מחמצן.
דרגות החמצון של H ו־O אינן משתנות, ולכן האלקטרונים עוברים בין מולקולות NO2\text{NO}_2NO2​ עצמן: שני אטומי N מוסרים אלקטרון אחד כל אחד, ואטום N אחד קולט 2 אלקטרונים.

סעיף ג

תשובה:

HNO3 (+5)>NO2 (+4)>NO (+2)>NH3 (−3)\text{HNO}_3\ (+5)>\text{NO}_2\ (+4)>\text{NO}\ (+2)>\text{NH}_3\ (-3)HNO3​ (+5)>NO2​ (+4)>NO (+2)>NH3​ (−3)

לפי הכללים: דרגת החמצון של O בתרכובות היא −2-2−2, של H היא +1+1+1, וסכום דרגות החמצון במולקולה ניטרלית הוא 0.
- HNO3\text{HNO}_3HNO3​: (+1)+x+3(−2)=0(+1)+x+3(-2)=0(+1)+x+3(−2)=0 ← x=+5x=+5x=+5
- NO2\text{NO}_2NO2​: x+2(−2)=0x+2(-2)=0x+2(−2)=0 ← x=+4x=+4x=+4
- NO\text{NO}NO: x+(−2)=0x+(-2)=0x+(−2)=0 ← x=+2x=+2x=+2
- NH3\text{NH}_3NH3​: x+3(+1)=0x+3(+1)=0x+3(+1)=0 ← x=−3x=-3x=−3
הסדר מן הגבוהה לנמוכה:
HNO3 (+5)>NO2 (+4)>NO (+2)>NH3 (−3)\text{HNO}_3\ (+5)>\text{NO}_2\ (+4)>\text{NO}\ (+2)>\text{NH}_3\ (-3)HNO3​ (+5)>NO2​ (+4)>NO (+2)>NH3​ (−3)

סעיף ד

תשובה:

HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ – דרגת החמצון של N בו (+5+5+5) היא דרגת החמצון המרבית של חנקן.

HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​.
לאטום חנקן 5 אלקטרוני ערכיות (טור 5), ולכן דרגת החמצון המרבית שלו היא +5+5+5 (מסר את כל אלקטרוני הערכיות), ודרגת החמצון המזערית היא −3-3−3 (קלט 3 אלקטרונים והשלים אוקטט).
•ב־HNO3\text{HNO}_3HNO3​ דרגת החמצון של N היא +5+5+5 – מרבית. אטום החנקן אינו יכול למסור עוד אלקטרונים (לא יכול לעבור חמצון), ויכול רק לקלוט אלקטרונים – לכן HNO3\text{HNO}_3HNO3​ יכול לשמש רק מחמצן.
•ב־NH3\text{NH}_3NH3​ דרגת החמצון של N היא −3-3−3 – מזערית; אטום החנקן יכול רק למסור אלקטרונים, ולכן NH3\text{NH}_3NH3​ יכול לשמש רק מחזר (בהתייחס לחנקן).

שאלה 14 · מתאן וטטרה־כלורו־מתאן – מבנה ואנרגטיקה

שאלה פתוחה25 נקודות

מבנה וקישור, אנרגייה
שאלה זו עוסקת בחומרים מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​, וטטרה־כלורו־מתאן, CCl4(ℓ)\text{CCl}_{4(\ell)}CCl4(ℓ)​.
לשתי המולקולות מבנה מרחבי של ארבעון (טטראדר), ואטום הפחמן נמצא במרכזו.

א.

(i)

הסבר מדוע, בטמפרטורת החדר, טטרה־כלורו־מתאן הוא נוזל ואילו מתאן הוא גז.

(ii)

בתנאים מתאימים, מתאן מתמוסס בטטרה־כלורו־מתאן.
הסבר מדוע מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​, מתמוסס בטטרה־כלורו־מתאן, CCl4(ℓ)\text{CCl}_{4(\ell)}CCl4(ℓ)​.

(iii)

נסח את תהליך ההמסה של מתאן בטטרה־כלורו־מתאן.

ב.

(i)

סרטט את נוסחת הייצוג האלקטרונית של מולקולת CH4\text{CH}_4CH4​ ואת נוסחת הייצוג האלקטרונית של מולקולת CCl4\text{CCl}_4CCl4​.

(ii)

היעזר בטבלת האלקטרושליליות שבדף הנוסחאות.
(1) קבע איזה קשר קוטבי יותר: הקשר C–H או הקשר C–Cl. ציין את המטען החלקי על כל אחד מן האטומים בקשר C–Cl.
(2) קבע אם מולקולת CCl4\text{CCl}_4CCl4​ קוטבית. נמק.

ג.

אנתלפיית האידוי של טטרה־כלורו־מתאן היא 32.5 kJmol32.5\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}32.5 molkJ​.

(i)

נסח את תהליך האידוי של טטרה־כלורו־מתאן ורשום את ערכו וסימנו של ΔH0\Delta H^0ΔH0 לתהליך.

(ii)

טטרה־כלורו־מתאן מופק בתגובה בין מתאן לכלור. נתון ניסוח התגובה שבה נוצר טטרה־כלורו־מתאן נוזלי (1) וכן שינוי האנתלפייה המלווה את התגובה.
(1)CH4(g)+4Cl2(g)→CCl4(ℓ)+4HCl(g)ΔH10=−422.6 kJ(1)\quad \text{CH}_{4(g)} + 4\text{Cl}_{2(g)} \rightarrow \text{CCl}_{4(\ell)} + 4\text{HCl}_{(g)}\qquad \Delta H_1^0 = -422.6\ \text{kJ}(1)CH4(g)​+4Cl2(g)​→CCl4(ℓ)​+4HCl(g)​ΔH10​=−422.6 kJ
נתון ניסוח התגובה שבה נוצר טטרה־כלורו־מתאן גז (2).
(2)CH4(g)+4Cl2(g)→CCl4(g)+4HCl(g)ΔH20=?(2)\quad \text{CH}_{4(g)} + 4\text{Cl}_{2(g)} \rightarrow \text{CCl}_{4(g)} + 4\text{HCl}_{(g)}\qquad \Delta H_2^0 = ?(2)CH4(g)​+4Cl2(g)​→CCl4(g)​+4HCl(g)​ΔH20​=?
חשב את הערך של ΔH20\Delta H_2^0ΔH20​. פרט את חישוביך.

ד.

בכלי סגור, בטמפרטורה שבה כל החומרים במצב גז, הגיבו 4.0 גרם CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ עם 56.8 גרם Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ לפי תגובה (2), עד שאחד המגיבים נגמר.
חשב כמה אנרגייה (בקילוג'אול) השתחררה בתגובה.
היעזר בנתונים שבשאלה ובתשובותיך בסעיפים הקודמים, והנח שערך ΔH20\Delta H_2^0ΔH20​ אינו תלוי בטמפרטורה. פרט את חישוביך.

◂ פתרון מלא לשאלה 14

סעיף א

(i)

תשובה:

ענן האלקטרונים של CCl4\text{CCl}_4CCl4​ גדול בהרבה, ולכן אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולותיו חזקות יותר.

שני החומרים מולקולריים, ומולקולותיהם סימטריות (ארבעון) – לא קוטביות. לכן בין המולקולות בשני החומרים פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד.
אטום כלור גדול מאטום מימן ויש בו הרבה יותר אלקטרונים (17 לעומת 1), ולכן ענן האלקטרונים של מולקולת CCl4\text{CCl}_4CCl4​ (74 אלקטרונים) גדול בהרבה מזה של CH4\text{CH}_4CH4​ (10 אלקטרונים), וגם שטח הפנים שלה גדול יותר. ככל שענן האלקטרונים גדול יותר, אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יותר.
לכן האינטראקציות בין מולקולות CCl4\text{CCl}_4CCl4​ חזקות יותר: בטמפרטורת החדר אין די אנרגייה כדי להתגבר עליהן לגמרי ו־CCl4\text{CCl}_4CCl4​ נוזל, ואילו האינטראקציות החלשות בין מולקולות CH4\text{CH}_4CH4​ מתגברות כבר בטמפרטורה נמוכה בהרבה, ולכן CH4\text{CH}_4CH4​ גז.

(ii)

תשובה:

שני החומרים לא קוטביים; אינטראקציות ואן דר ואלס שנוצרות ביניהם מפצות על אלה שמתפרקות.

שני החומרים בנויים ממולקולות לא קוטביות, ובכל אחד מהם פועלות בין המולקולות אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד.
בהמסה מתפרקות אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות CH4\text{CH}_4CH4​ ובין מולקולות CCl4\text{CCl}_4CCl4​, ונוצרות במקומן אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות CH4\text{CH}_4CH4​ למולקולות CCl4\text{CCl}_4CCl4​. אלה אינטראקציות מאותו סוג, והן מפצות על האינטראקציות שהתפרקו, ולכן מולקולות CH4\text{CH}_4CH4​ יכולות להתפזר בין מולקולות CCl4\text{CCl}_4CCl4​.

(iii)

תשובה:

CH4(g)→CCl4(ℓ)CH4(CCl4)\text{CH}_{4(g)} \xrightarrow{\text{CCl}_{4(\ell)}} \text{CH}_{4(\text{CCl}_4)}CH4(g)​CCl4(ℓ)​​CH4(CCl4​)​

CH4(g)→CCl4(ℓ)CH4(CCl4)\text{CH}_{4(g)} \xrightarrow{\text{CCl}_{4(\ell)}} \text{CH}_{4(\text{CCl}_4)}CH4(g)​CCl4(ℓ)​​CH4(CCl4​)​
מולקולות CH4\text{CH}_4CH4​ אינן מתפרקות; הן עוברות ממצב גז למצב מומס, מוקפות במולקולות הממס CCl4\text{CCl}_4CCl4​. (הכיתוב (CCl4)(\text{CCl}_4)(CCl4​) במקום (aq)(aq)(aq) מציין שהממס אינו מים.)

סעיף ב

(i)

תשובה:

אטום C במרכז, קשור בארבעה קשרים יחידים לארבעה אטומי H (ב־CH4\text{CH}_4CH4​) או לארבעה אטומי Cl (ב־CCl4\text{CCl}_4CCl4​); לכל אטום Cl שלושה זוגות אלקטרונים לא קושרים.

לפחמן 4 אלקטרוני ערכיות, למימן 1 ולכלור 7. אטום הפחמן נמצא במרכז ויוצר ארבעה קשרים יחידים (ארבעה זוגות אלקטרונים משותפים). לפחמן אין זוגות לא קושרים.
•ב־CH4\text{CH}_4CH4​: לכל אטום H זוג קושר אחד (2 אלקטרונים); סך אלקטרוני הערכיות 4+4⋅1=84 + 4\cdot 1 = 84+4⋅1=8.
•ב־CCl4\text{CCl}_4CCl4​: לכל אטום Cl זוג קושר אחד ושלושה זוגות לא קושרים (אוקטט); סך אלקטרוני הערכיות 4+4⋅7=324 + 4\cdot 7 = 324+4⋅7=32.

(ii)

תשובה:

(1) C–Cl קוטבי יותר; δ+\delta^{+}δ+ על C ו־δ−\delta^{-}δ− על Cl. (2) המולקולה לא קוטבית – מבנה סימטרי.

(1) הפרשי האלקטרושליליות:
•C–H: 2.5−2.1=0.42.5 - 2.1 = 0.42.5−2.1=0.4
•C–Cl: 3.0−2.5=0.53.0 - 2.5 = 0.53.0−2.5=0.5
הפרש האלקטרושליליות בקשר C–Cl גדול יותר, ולכן הוא קוטבי יותר. כלור אלקטרושלילי יותר מפחמן, ולכן זוג האלקטרונים המשותף מוסט לעברו: על אטום Cl מטען חלקי שלילי, δ−\delta^{-}δ−, ועל אטום C מטען חלקי חיובי, δ+\delta^{+}δ+.
(2) מולקולת CCl4\text{CCl}_4CCl4​ אינה קוטבית. אמנם כל אחד מארבעת הקשרים C–Cl קוטבי, אך הקשרים זהים ומסודרים באופן סימטרי בארבעון סביב אטום הפחמן. לכן מרכז המטען השלילי (על אטומי Cl) חופף למרכז המטען החיובי (על אטום C) – הקוטביות של הקשרים מתקזזת, ולמולקולה אין קצה חיובי וקצה שלילי.

סעיף ג

(i)

תשובה:

CCl4(ℓ)→CCl4(g)ΔH0=+32.5 kJ\text{CCl}_{4(\ell)} \rightarrow \text{CCl}_{4(g)}\qquad \Delta H^0 = +32.5\ \text{kJ}CCl4(ℓ)​→CCl4(g)​ΔH0=+32.5 kJ

CCl4(ℓ)→CCl4(g)ΔH0=+32.5 kJ\text{CCl}_{4(\ell)} \rightarrow \text{CCl}_{4(g)}\qquad \Delta H^0 = +32.5\ \text{kJ}CCl4(ℓ)​→CCl4(g)​ΔH0=+32.5 kJ
אידוי הוא תהליך אנדותרמי – יש להשקיע אנרגייה כדי להתגבר על האינטראקציות בין המולקולות בנוזל – ולכן הסימן חיובי.

(ii)

תשובה:

ΔH20=−390.1 kJ\Delta H_2^0 = -390.1\ \text{kJ}ΔH20​=−390.1 kJ

לפי חוק הס: נחבר את תגובה (1) לתהליך האידוי מתת־סעיף i:
CH4(g)+4Cl2(g)→CCl4(ℓ)+4HCl(g)ΔH10=−422.6 kJ\text{CH}_{4(g)} + 4\text{Cl}_{2(g)} \rightarrow \text{CCl}_{4(\ell)} + 4\text{HCl}_{(g)}\qquad \Delta H_1^0 = -422.6\ \text{kJ}CH4(g)​+4Cl2(g)​→CCl4(ℓ)​+4HCl(g)​ΔH10​=−422.6 kJ
CCl4(ℓ)→CCl4(g)ΔH0=+32.5 kJ\text{CCl}_{4(\ell)} \rightarrow \text{CCl}_{4(g)}\qquad \Delta H^0 = +32.5\ \text{kJ}CCl4(ℓ)​→CCl4(g)​ΔH0=+32.5 kJ
סכום (הנוזל CCl4(ℓ)\text{CCl}_{4(\ell)}CCl4(ℓ)​ מופיע משני הצדדים ומצטמצם): CH4(g)+4Cl2(g)→CCl4(g)+4HCl(g)\text{CH}_{4(g)} + 4\text{Cl}_{2(g)} \rightarrow \text{CCl}_{4(g)} + 4\text{HCl}_{(g)}CH4(g)​+4Cl2(g)​→CCl4(g)​+4HCl(g)​
ΔH20=−422.6 kJ+32.5 kJ=−390.1 kJ\Delta H_2^0 = -422.6\ \text{kJ} + 32.5\ \text{kJ} = -390.1\ \text{kJ}ΔH20​=−422.6 kJ+32.5 kJ=−390.1 kJ
הגיוני: CCl4(g)\text{CCl}_{4(g)}CCl4(g)​ נמצא ברמת אנתלפייה גבוהה יותר מ־CCl4(ℓ)\text{CCl}_{4(\ell)}CCl4(ℓ)​, ולכן כשהתוצר הוא גז משתחררת פחות אנרגייה.
טעות נפוצה: להפוך את תהליך האידוי (ולקבל −455.1 kJ-455.1\ \text{kJ}−455.1 kJ) – כאן התוצר בתגובה (2) הוא הגז, ולכן יש להוסיף את האידוי כפי שהוא.

סעיף ד

תשובה:

78.0 kJ78.0\ \text{kJ}78.0 kJ (המגיב המגביל: Cl2\text{Cl}_2Cl2​).

MCH4=12.0+4⋅1.0=16.0 g/molM_{\text{CH}_4} = 12.0 + 4\cdot 1.0 = 16.0\ \text{g/mol}MCH4​​=12.0+4⋅1.0=16.0 g/mol; MCl2=2⋅35.5=71.0 g/molM_{\text{Cl}_2} = 2\cdot 35.5 = 71.0\ \text{g/mol}MCl2​​=2⋅35.5=71.0 g/mol
nCH4=4.0 g16.0 g/mol=0.25 molnCl2=56.8 g71.0 g/mol=0.800 moln_{\text{CH}_4} = \frac{4.0\ \text{g}}{16.0\ \text{g/mol}} = 0.25\ \text{mol}\qquad n_{\text{Cl}_2} = \frac{56.8\ \text{g}}{71.0\ \text{g/mol}} = 0.800\ \text{mol}nCH4​​=16.0 g/mol4.0 g​=0.25 molnCl2​​=71.0 g/mol56.8 g​=0.800 mol
המגיב המגביל: לפי תגובה (2) היחס הוא CH4:Cl2=1:4\text{CH}_4 : \text{Cl}_2 = 1 : 4CH4​:Cl2​=1:4. כדי שיגיבו 0.25 מול CH4\text{CH}_4CH4​ דרושים 4⋅0.25 mol=1.0 mol4\cdot 0.25\ \text{mol} = 1.0\ \text{mol}4⋅0.25 mol=1.0 mol Cl2\text{Cl}_2Cl2​, אך יש רק 0.800 מול – לכן Cl2\text{Cl}_2Cl2​ הוא המגיב המגביל.
nCH4 שהגיב=0.800 mol4=0.200 moln_{\text{CH}_4\ \text{שהגיב}} = \frac{0.800\ \text{mol}}{4} = 0.200\ \text{mol}nCH4​ שהגיב​=40.800 mol​=0.200 mol
(נשארים 0.25−0.200=0.050.25 - 0.200 = 0.050.25−0.200=0.05 מול CH4\text{CH}_4CH4​ שלא הגיבו.)
לפי תת־סעיף ג ii, בתגובה של 1 מול CH4\text{CH}_4CH4​ (לפי הניסוח) משתחררים 390.1 kJ:
Q=0.200 mol⋅390.1 kJmol=78.0 kJQ = 0.200\ \text{mol}\cdot 390.1\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}} = 78.0\ \text{kJ}Q=0.200 mol⋅390.1 molkJ​=78.0 kJ
בתגובה השתחררו 78.0 kJ.
טעות נפוצה: לחשב לפי כל 0.25 מול המתאן (מתקבל 97.5 kJ) בלי לבדוק מהו המגיב המגביל, או להשתמש ב־ΔH10\Delta H_1^0ΔH10​ אף שהתוצר כאן גז.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ג – לאטום y שלוש רמות מאוכלסות ו־6 אלקטרוני ערכיות, ולכן היערכות האלקטרונים בו 2,8,6.
2	-	ד – $\text{Ca}_3\text{N}_2$
3	-	ד
4	-	ג – התך התרכובת מוליך חשמל
5	-	א – היגד I בלבד.
6	-	ג – ריכוז יוני $\text{H}_3\text{O}^{+}$ יורד מ־0.2 M ל־0.133 M, ולכן ה־pH עולה.
7	-	ד — דרגת החמצון של O ב־ $\text{H}_2\text{O}_2$ עולה מ־ $-1$ ל־0, ולכן הוא המחזר.
8	-	ג – כל מולקולת $\text{H}_2\text{SO}_4$ מוסרת שני פרוטונים לשתי מולקולות $\text{NH}_3$ .
9	א	למשל: $\text{KCl}$ , $\text{CH}_3\text{COONa}$ , $(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Ca}$ , $(\text{HCOO})_2\text{Mg}$ (מתאימות גם $\text{HCOOK}$ , $(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg}$ , $(\text{HCOO})_2\text{Ca}$ ).
	ב	פי $1.42 \times 10^{4}$ (מסת $\text{Cl}^-$ בליטר תמיסת הריסוס: $142\ \text{g}$ ).
	ג i	כל אטום חמצן קשור לשני אטומים (פחמן ומימן) בקשרים קוולנטיים יחידים (קוטביים). רק שני אטומי המימן הקשורים לאטומי חמצן יכולים ליצור קשרי מימן.
	ג ii	$\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(l)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(aq)}$
	ד	I – לא נכון; II – נכון.
	ה	אקסותרמי – בקפיאה נוצרים קשרי מימן נוספים (והכוחות בין המולקולות מתחזקים), ויצירת קשרים כרוכה בפליטת אנרגיה.
	ו	כ־ $5.42 \times 10^{27}$ יוני כלוריד.
	ז	I – לא נכון; II – נכון; III – לא נכון.
	ח i	a – מוצק, $\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(s)}$ ; b – נוזל, $\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(l)}$ ; c – גז, $\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_{2(g)}$ .
	ח ii	a→b הוא היתוך – נשברים רק חלק מקשרי המימן ומאינטראקציות ואן דר ואלס בין המולקולות; c→d הוא שינוי כימי (פירוק החומר ליסודות) – נשברים הקשרים הקוולנטיים בתוך המולקולות, והם חזקים בהרבה מן הכוחות הבין־מולקולריים.
10	א	$2\text{NaC}\ell_{(\ell)} \rightarrow 2\text{Na}_{(\ell)} + \text{C}\ell_{2(g)}$
	ב	היווצרות גז בצבע צהוב־ירקרק (בועות של גז), או הופעת נוזל מתכתי כסוף.
	ג	$\text{A}$ – נתרן כלורי, $\text{NaC}\ell$ ; $\text{B}$ – נתרן, $\text{Na}$ .
	ד	נתרן כלורי: במוצק היונים קבועים במקומם בסריג ואינם ניידים, בנוזל היונים ניידים. (או: נתרן – אלקטרונים ניידים בסריג המתכתי גם במוצק וגם בנוזל.)
	ה	כ־ $1.03\times 10^{5}\ \text{L}$ ( $102{,}500$ ליטר; $8.33\times 10^{3}$ מול $\text{C}\ell_2$ ).
	ו	איור 3.
11	א	המחמצן: $\text{SO}_2$ ; המחזר: $\text{H}_2\text{S}$ .
	ב	$\approx 0.028\ \text{M}$
	ג i	לא נכון – חלק ממולקולות $\text{SO}_2$ הן תוצר של חמצון (מ־S) וחלקן תוצר של חיזור (מ־ $\text{H}_2\text{SO}_4$ ).
	ג ii	נכון – דרגת החמצון של S עולה מ־0 ל־ $+4$ .
	ד 1	$2\text{SO}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{3(g)}$
	ד 2	$120\ \text{g}$ (120.2 גרם) $\text{SO}_3$
	ה	לא – אין שינוי בדרגות החמצון (אין מעבר אלקטרונים); זו תגובת חומצה–בסיס.
	ו	$11.7\ \text{g}$ (11.67 גרם) $\text{BaSO}_4$
12	א i	קטן – אותו מספר מולים (0.0400 mol) בנפח כפול, ולכן הלחץ בכלי השני חצי מהלחץ בכלי הראשון.
	א ii	גרף IV.
	ב i	$2\text{NH}_{3(g)} \rightarrow \text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)}$
	ב ii	נפח המזרק גדל.
	ג i	היגד a.
	ג ii	הטמפרטורה.
	ד	$m(\text{NH}_4\text{Cl}) = 5.22\ \text{g}$ (המגיב המגביל: $\text{HCl}$ )
13	א i	$4\text{NH}_{3(g)}+5\text{O}_{2(g)}\rightarrow4\text{NO}_{(g)}+6\text{H}_2\text{O}_{(g)}$
	א ii	$2\text{NO}_{(g)}+\text{O}_{2(g)}\rightarrow2\text{NO}_{2(g)}$
	א iii	שלב ראשון: מחמצן $\text{O}_2$ , מחזר $\text{NH}_3$ . שלב שני: מחמצן $\text{O}_2$ , מחזר NO.
	ב i	$\text{N}_{2(g)}$ – מחזר.
	ב ii	מתוך 3 אטומי N (דרגת חמצון $+4$ ), שניים עוברים חמצון ל־ $+5$ (ב־ $\text{HNO}_3$ ) ואחד עובר חיזור ל־ $+2$ (ב־NO).
	ג	$\text{HNO}_3\ (+5)>\text{NO}_2\ (+4)>\text{NO}\ (+2)>\text{NH}_3\ (-3)$
	ד	$\text{HNO}_{3(aq)}$ – דרגת החמצון של N בו ( $+5$ ) היא דרגת החמצון המרבית של חנקן.
14	א i	ענן האלקטרונים של $\text{CCl}_4$ גדול בהרבה, ולכן אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולותיו חזקות יותר.
	א ii	שני החומרים לא קוטביים; אינטראקציות ואן דר ואלס שנוצרות ביניהם מפצות על אלה שמתפרקות.
	א iii	$\text{CH}_{4(g)} \xrightarrow{\text{CCl}_{4(\ell)}} \text{CH}_{4(\text{CCl}_4)}$
	ב i	אטום C במרכז, קשור בארבעה קשרים יחידים לארבעה אטומי H (ב־ $\text{CH}_4$ ) או לארבעה אטומי Cl (ב־ $\text{CCl}_4$ ); לכל אטום Cl שלושה זוגות אלקטרונים לא קושרים.
	ב ii	(1) C–Cl קוטבי יותר; $\delta^{+}$ על C ו־ $\delta^{-}$ על Cl. (2) המולקולה לא קוטבית – מבנה סימטרי.
	ג i	$\text{CCl}_{4(\ell)} \rightarrow \text{CCl}_{4(g)}\qquad \Delta H^0 = +32.5\ \text{kJ}$
	ג ii	$\Delta H_2^0 = -390.1\ \text{kJ}$
	ד	$78.0\ \text{kJ}$ (המגיב המגביל: $\text{Cl}_2$ ).

פרק ראשון

שאלה 1 · יסודות באותו טור בטבלה המחזורית

התשובה הנכונה: ג.

שאלה 2 · נוסחה אמפירית של תרכובת יונית: סידן וחנקן

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 3 · קוטביות קשרים ומולקולות – מבנים שונים

שאלה 4 · תרכובת יונית מיסודות טור 2 וטור 7

שאלה 5 · סילאן – דרגת חמצון, קוטביות וכוחות בין מולקולות

שאלה 6 · שינוי pH בערבוב תמיסות בנפחים שונים

תשובה: ג.

שאלה 7 · חמצון-חיזור בתגובת מי חמצן עם כלור

דרגות חמצון:

שאלה 8 · תגובת חומצה–בסיס – ייצור אמון גופרתי

שאלה 9 · מאמר: הפשרת קרח בכבישים ובמטוסים

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה

קרח על הכביש ועל כנפי המטוס

ענו על הסעיפים א, ב, ד, ה, ו, ז ועל אחד מן הסעיפים ג או ח.

סעיף א

סעיף ב

מסת יוני הכלוריד ב־1 ליטר תמיסת ריסוס:

היחס:

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

סעיף ז

סעיף ח

פרק שני

שאלה 10 · הפקת נתרן ממלח סלעים וקשרי מימן בין אצטון למים

מבנה וקישור, חישובים

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

למה האחרים שגויים:

שאלה 11 · גופרית ותרכובותיה – חמצון–חיזור וחישובים

חמצון–חיזור, חישובים

סעיף א

סעיף ב

תשובה: ריכוז יוני SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ הוא כ־0.028 M0.028\ \text{M}0.028 M.

סעיף ג

סעיף ד

מולים של המגיבים:

תשובה: מתקבלים כ־120 g120\ \text{g}120 g SO3\text{SO}_3SO3​.

סעיף ה

לא, תגובה 3 אינה תגובת חמצון–חיזור.

סעיף ו

מולים של כל יון:

תשובה: מסת המשקע (BaSO4(s)\text{BaSO}_{4(s)}BaSO4(s)​) היא כ־11.7 g11.7\ \text{g}11.7 g.

שאלה 12 · אמוניה: גזים, קצב פירוק וחישובים

סטויכיומטריה - מצב גז וקצב תגובות

נמק את קביעתך.

סעיף א

הלחץ בכלי השני קטן מהלחץ בכלי הראשון (חצי ממנו).

גרף IV.

סעיף ב

נפח המזרק גדל.

סעיף ג

היגד a נכון.

סעיף ד

1. מולי אמוניה:

שאלה 13 · תרכובות חנקן: דרגות חמצון, מחמצן ומחזר

חמצון חיזור

פרט את קביעת דרגות החמצון.

סעיף א

שלב ראשון:

שלב שני:

סעיף ב

N2\text{N}_2N2​ משמש מחזר.

סעיף ג

סעיף ד

HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​.

שאלה 14 · מתאן וטטרה־כלורו־מתאן – מבנה ואנרגטיקה

מבנה וקישור, אנרגייה

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

תשובה: ריכוז יוני $\text{SO}_4^{2-}$ הוא כ־ $0.028\ \text{M}$ .

תשובה: מתקבלים כ־ $120\ \text{g}$ $\text{SO}_3$ .

תשובה: מסת המשקע ( $\text{BaSO}_{4(s)}$ ) היא כ־ $11.7\ \text{g}$ .

$\text{N}_2$ משמש מחזר.

$\text{HNO}_{3(aq)}$ .