מתכונת 5 בכימיה - מסלול סמסטר ראשון 037361

לפי שורות 21–22, במי הגשם יש יונים חיוביים: $\text{Na}^{+}$, $\text{K}^{+}$, $\text{NH}_4^{+}$ ויונים שליליים: $\text{Cl}^{-}$, $\text{NO}_3^{-}$, $\text{SO}_4^{2-}$.

תרכובת יונית מורכבת מיון חיובי ומיון שלילי ביחס שבו סכום המטענים שווה לאפס. כל ארבע מן התרכובות הבאות מתאימות, למשל:

•נתרן כלורי: $\text{NaCl}$

•אשלגן חנקתי: $\text{KNO}_3$

•אמוניום גופרתי: $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$ (שני יוני אמוניום לכל יון גופרה)

•אמוניום כלורי: $\text{NH}_4\text{Cl}$

•וגם: $\text{Na}_2\text{SO}_4$, $\text{K}_2\text{SO}_4$, $\text{NaNO}_3$, $\text{NH}_4\text{NO}_3$, $\text{KCl}$.

טעות נפוצה: לרשום $\text{NH}_4\text{SO}_4$ – בלי לאזן את המטענים ($1+$ מול $2-$).

$n = C \cdot V = 0.010\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 1\ \text{L} = 0.010\ \text{mol}$

$m = n \cdot M_w = 0.010\ \text{mol} \cdot 107.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 1.079\ \text{g}$

מסת יוני הכסף ב־1 ק"ג שלג (נתון): $2.0 \times 10^{-8}\ \text{g}$

$\frac{1.079\ \text{g}}{2.0 \times 10^{-8}\ \text{g}} = 5.40 \times 10^{7} \approx 5.4 \times 10^{7}$

מסת יוני הכסף בליטר תמיסה גדולה פי כ־$5.4 \times 10^{7}$ (כ־54 מיליון) ממסתם בק"ג שלג.

•אטום החמצן קשור לאטום אחד בלבד – אטום הפחמן המרכזי – בקשר קוולנטי כפול ($\text{C=O}$, קבוצת קרבוניל של קטון). הקשר קוטבי: הפרש האלקטרושליליות $3.5-2.5=1.0$, ועל אטום החמצן מטען חלקי שלילי ($\delta^-$).

- קשרי מימן בין מולקולות אצטון: לא נוצרים. כדי שייווצר קשר מימן צריך אטום מימן הקשור לאטום בעל אלקטרושליליות גבוהה (N, O או F). באצטון כל ששת אטומי המימן קשורים לאטומי פחמן (קשר $\text{C–H}$ כמעט לא קוטבי), ולכן אין במולקולה אטום מימן שיכול ליצור קשר מימן. בין מולקולות אצטון פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס (ובהן משיכה בין דו־קטבים).

- (אטום החמצן של אצטון יכול לקבל קשר מימן מאטום מימן של מולקולת מים – לכן אצטון מתערבב עם מים – אך לא ממולקולת אצטון אחרת.)

התאדות היא מעבר ממצב נוזל למצב גז; המולקולות אינן משתנות:

$\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_6\text{O}_{(g)}$

(אפשר גם $\text{CH}_3\text{COCH}_{3(l)} \rightarrow \text{CH}_3\text{COCH}_{3(g)}$.)

- היגד I – נכון. האנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים קשורה לטמפרטורה. בזמן ההמראה הטמפרטורה קבועה ($-78.5^{\circ}\text{C}$), ולכן האנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות אינה משתנה. האנרגיה הנקלטת משמשת להתגברות על הכוחות בין המולקולות (היא מגדילה את האנרגיה הפוטנציאלית של המערכת).

- היגד II – לא נכון. המראה היא שינוי במצב הצבירה ולא שינוי כימי: לפני ההמראה ואחריה החומר הוא $\text{CO}_2$. נשברות רק האינטראקציות בין המולקולות (ואן דר ואלס); הקשרים הקוולנטיים $\text{C=O}$ בתוך המולקולות – שהם חזקים בהרבה – אינם נשברים.

ההמראה היא תהליך אנדותרמי ($\Delta H > 0$):

$\text{CO}_{2(s)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)}$

מולקולת $\text{CO}_2$ קווית וסימטרית ($\text{O=C=O}$), ולכן אינה קוטבית; בין המולקולות פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס בלבד (אין קשרי מימן – אין במולקולה אטומי מימן). במוצק המולקולות קרובות זו לזו ומוחזקות בסריג על ידי כוחות אלה. במעבר לגז המולקולות מתרחקות זו מזו, והאינטראקציות ביניהן נשברות. שבירת כוחות משיכה בין חלקיקים דורשת השקעת אנרגיה, הנקלטת מן הסביבה – לכן התהליך אנדותרמי. משום כך קרח יבש מקרר את האוויר סביבו (שורות 19–20).

$m = 60\ \text{kg} = 60 \times 10^{3}\ \text{g} = 6.0 \times 10^{4}\ \text{g}$

$M_w(\text{CO}_2) = 12.0 + 2 \cdot 16.0 = 44.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}$

$n = \frac{m}{M_w} = \frac{6.0 \times 10^{4}\ \text{g}}{44.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 1.36 \times 10^{3}\ \text{mol}$

$N = n \cdot N_A = 1.36 \times 10^{3}\ \text{mol} \cdot 6.02 \times 10^{23}\ \frac{1}{\text{mol}} = 8.21 \times 10^{26}$ מולקולות

(בחישוב מדויק: $n = 1363.6\ \text{mol}$, $N = 8.21 \times 10^{26}$.)

עברו לאוויר כ־$8.2 \times 10^{26}$ מולקולות $\text{CO}_2$.

טעות נפוצה: לחשב את מספר האטומים ($3 \cdot N = 2.46 \times 10^{27}$) במקום את מספר המולקולות.

- I – נכון. לפי שורות 3–4, בעננים קרים טיפות רבות נשארות נוזליות גם מתחת ל־$0^{\circ}\text{C}$ (מים בקירור־יתר), וטיפות זעירות יכולות להישאר נוזליות עד כ־$-40^{\circ}\text{C}$. לכן ייתכנו טיפות נוזליות ב־$-15^{\circ}\text{C}$.

- II – לא נכון. לפי שורות 9–10, כסף יודי "כמעט אינו מתמוסס במים". לפי שורות 15–17, כדי לפזר אותו ממיסים אותו באצטון ושורפים את התמיסה, ונוצרים חלקיקים מוצקים זעירים.

- III – לא נכון. לפי שורות 11–12, בנוכחות כסף יודי הקיפאון מתחיל כבר "בטמפרטורות של מעלות ספורות מתחת לאפס". הטמפרטורה $-40^{\circ}\text{C}$ מתאימה לטיפות של מים טהורים ללא גרעין (שורה 4).

המעבר ממוצק לגז (המראה) הוא תהליך אנדותרמי, ולכן האנתלפיה של $\text{CO}_2$ במצב גז גבוהה מן האנתלפיה שלו במצב מוצק:

- a (האנתלפיה הנמוכה ביותר) – $\text{CO}_{2(s)}$, מוצק (קרח יבש).

- b – $\text{CO}_{2(g)}$, גז.

- c – היסודות $\text{C}_{(s)} + \text{O}_{2(g)}$ (כפי שמצוין בדיאגרמה).

(בלחץ של אטמוספרה אחת $\text{CO}_2$ אינו נמצא במצב נוזל – הוא עובר ישירות ממוצק לגז, שורות 19–20.)

- המעבר $\text{a} \rightarrow \text{b}$ (המראה): שינוי במצב הצבירה. נשברות רק אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות $\text{CO}_2$ (כוחות בין־מולקולריים); המולקולות נשארות שלמות.

- המעבר $\text{b} \rightarrow \text{c}$: שינוי כימי – פירוק $\text{CO}_2$ ליסודות: $\text{CO}_{2(g)} \rightarrow \text{C}_{(s)} + \text{O}_{2(g)}$. בתהליך נשברים הקשרים הקוולנטיים הכפולים $\text{C=O}$ בתוך המולקולות.

קשרים קוולנטיים חזקים בהרבה מאינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות. לכן בפירוק $\text{CO}_2$ ליסודות נדרשת השקעת אנרגיה גדולה בהרבה מאשר בהמראה – ומעבר האנתלפיה $\text{c–b}$ גדול בהרבה מ־$\text{b–a}$.

קביעה: Y הוא איזוטופ של $^{31}_{15}\text{P}$.

נימוק: איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד – בעלי אותו מספר פרוטונים (אותו מספר אטומי) – אך מספר נויטרונים שונה (ולכן מספר מסה שונה).

•ב־$^{31}_{15}\text{P}$: 15 פרוטונים, $31-15=16$ נויטרונים.

•ב־Y: 15 פרוטונים (כמו זרחן) ו־$32-15=17$ נויטרונים – אותו יסוד, מספר נויטרונים שונה, ולכן איזוטופ.

•ב־X יש 16 פרוטונים (גופרית) – יסוד אחר, אף שמספר המסה שלו (32) שווה לזה של Y.

•ב־Z יש 14 פרוטונים (צורן) – יסוד אחר, אף שמספר הנויטרונים בו, $30-14=16$, שווה למספר הנויטרונים באטום הזרחן $^{31}_{15}\text{P}$.

טעות נפוצה: לבחור חלקיק לפי מספר נויטרונים זהה או מספר מסה זהה – הקובע הוא מספר הפרוטונים.

לאטום זרחן 15 אלקטרונים (כמספר הפרוטונים): 2 ברמה הראשונה, 8 ברמה השנייה ו־5 ברמה השלישית – 2,8,5.

קביעה: הקשרים הם קוולנטיים טהורים (לא קוטביים).

נימוק: כל קשר במולקולה הוא בין שני אטומי זרחן – אטומים זהים בעלי אותה אלקטרושליליות (2.1). הפרש האלקטרושליליות הוא 0, ולכן זוג האלקטרונים הקושר משותף באופן שווה לשני האטומים, ולא נוצרים מטענים חלקיים.

היערכות האלקטרונים של P היא 2,8,5 – לאטום 5 אלקטרוני ערכיות. כדי להגיע לאוקטט (8 אלקטרונים ברמה החיצונית) חסרים לו 3 אלקטרונים. במולקולה $\text{P}_4$ כל אטום זרחן קשור לשלושת אטומי הזרחן האחרים, ובכל קשר יחיד הוא משתף זוג אלקטרונים אחד: 3 קשרים יחידים (6 אלקטרונים קושרים) + זוג אלקטרונים לא קושר אחד (2 אלקטרונים) = 8 אלקטרונים סביב כל אטום – אוקטט (כמו באיור 2).

קביעה: טמפרטורת הרתיחה של זרחן לבן גבוהה יותר כי אינטראקציות ון־דר־ולס בין מולקולות $\text{P}_4$ חזקות יותר מאלה שבין מולקולות $\text{N}_2$.

•שני החומרים מולקולריים; ברתיחה מתפרקות האינטראקציות בין המולקולות (הקשרים הקוולנטיים בתוך המולקולות אינם נשברים).

•שתי המולקולות אינן קוטביות (קשרים בין אטומים זהים), ולכן בין המולקולות פועלות אינטראקציות ון־דר־ולס בלבד.

•הגורם המשפיע – גודל ענן האלקטרונים: במולקולת $\text{P}_4$ יש $4 \cdot 15 = 60$ אלקטרונים, ובמולקולת $\text{N}_2$ – $2 \cdot 7 = 14$ אלקטרונים. ענן האלקטרונים של $\text{P}_4$ גדול בהרבה, ולכן אינטראקציות ון־דר־ולס בין מולקולותיו חזקות יותר, ונדרשת יותר אנרגיה כדי להרתיח אותו.

קביעה: זרחן לבן מתמוסס היטב בפחמן דו־גופרי כי שני החומרים בנויים ממולקולות לא קוטביות, וביניהן פועלות אינטראקציות מאותו סוג.

•מולקולות $\text{P}_4$ אינן קוטביות (קשרים קוולנטיים טהורים), ובין מולקולות הזרחן פועלות אינטראקציות ון־דר־ולס.

•במולקולת $\text{CS}_2$ האלקטרושליליות של C ושל S שווה (2.5), ולכן הקשרים C=S אינם קוטביים, והמולקולה (הקווית) אינה קוטבית. בין מולקולות $\text{CS}_2$ פועלות אינטראקציות ון־דר־ולס.

•בהמסה מתפרקות אינטראקציות ון־דר־ולס בין מולקולות $\text{P}_4$ ובין מולקולות $\text{CS}_2$, ונוצרות במקומן אינטראקציות ון־דר־ולס בין מולקולות $\text{P}_4$ למולקולות $\text{CS}_2$, שחוזקן דומה. לכן ההמסה מתרחשת בקלות.

- (לעומת זאת, בין מולקולות המים פועלים קשרי מימן חזקים; מולקולות $\text{P}_4$ אינן יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים, ולכן הזרחן כמעט אינו מתמוסס במים.)

מגנזיום (טור 2) מוסר שני אלקטרונים ויוצר יון $\text{Mg}^{2+}$; זרחן (טור 5) מקבל 3 אלקטרונים ויוצר יון $\text{P}^{3-}$. כדי שהתרכובת תהיה נייטרלית חשמלית: $3 \cdot (+2) + 2 \cdot (-3) = 0$, כלומר שלושה יוני מגנזיום לכל שני יוני זרחני: $\text{Mg}_3\text{P}_2$.

מגנזיום זרחני בנוי מיונים:

- יון מגנזיום $\text{Mg}^{2+}$ – לאחר מסירת שני אלקטרוני הערכיות, ללא נקודות סביב הסמל: $\text{Mg}^{2+}$.

- יון זרחני $\text{P}^{3-}$ – 5 אלקטרוני ערכיות + 3 שהתקבלו = 8 אלקטרונים: ארבעה זוגות נקודות סביב הסמל P (מעל, מתחת, מימין ומשמאל), בתוך סוגריים מרובעים ומטען $3-$ מימין למעלה.

ביחידת נוסחה אחת: $3\,\text{Mg}^{2+}\quad 2\,[\,:\!\ddot{\underset{\cdot\cdot}{\text{P}}}\!:\,]^{3-}$

טעות נפוצה: לצייר קשרים (קווים) בין המגנזיום לזרחן – זהו חומר יוני, ובנוסחת ייצוג האלקטרונים רושמים יונים נפרדים.

בדיקת איזון: Mg – 6 בכל צד; P – 4 בכל צד.

שרפה היא תגובה עם חמצן, $\text{O}_{2(g)}$:

בדיקת איזון: P – 4 בכל צד; O – 10 בכל צד.

המחמצן: $\text{O}_{2(g)}$. דרגת החמצון של O יורדת מ־$0$ ב־$\text{O}_2$ (יסוד) ל־$-2$ ב־$\text{H}_2\text{O}$: אטומי החמצן מקבלים אלקטרונים (עוברים חיזור), כלומר החמצן גורם לחמצון של HCl – הוא המחמצן.

המחזר: $\text{HCl}_{(g)}$. דרגת החמצון של Cl עולה מ־$-1$ ב־HCl ($+1+x=0 \Rightarrow x=-1$) ל־$0$ ב־$\text{Cl}_2$: אטומי הכלור מוסרים אלקטרונים (עוברים חמצון), ואת האלקטרונים מקבל החמצן – לכן HCl הוא המחזר.

(דרגת החמצון של H, $+1$, אינה משתנה.)

טעות נפוצה: לקבוע שהמחזר הוא $\text{Cl}_2$ משום שהוא "מכיל כלור" – יש לבחון את המגיבים, והמחזר הוא המגיב שעובר חמצון.

ב־$1\ \text{L}$ מי ים יש $19\ \text{g}$ יוני כלוריד. המסה המולרית של $\text{Cl}^{-}$ (מסת האלקטרון זניחה) היא $35.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}$.

טעות נפוצה: שימוש במסה המולרית של $\text{Cl}_2$ ($71.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}$) במקום של יון $\text{Cl}^{-}$.

לא נכון. ב־$\text{Cl}_2$ (יסוד) דרגת החמצון של Cl היא $0$, וביון $\text{Cl}^{-}$ היא $-1$. דרגת החמצון יורדת – אטום הכלור קיבל אלקטרון, ולכן $\text{Cl}^{-}$ הוא תוצר של תהליך חיזור.

נכון. דרגת החמצון של Cl ביון $\text{ClO}^{-}$: $x+(-2)=-1 \Rightarrow x=+1$.

•אטום Cl אחד של מולקולת $\text{Cl}_2$ עובר ל־$\text{Cl}^{-}$: דרגת החמצון יורדת מ־$0$ ל־$-1$ (חיזור) – חלק זה של הכלור משמש מחמצן.

•האטום השני עובר ל־$\text{ClO}^{-}$: דרגת החמצון עולה מ־$0$ ל־$+1$ (חמצון) – חלק זה משמש מחזר.

האלקטרון עובר מאטום כלור אחד לאטום כלור אחר, ולכן הכלור הוא גם המחמצן וגם המחזר. (דרגות החמצון של O, $-2$, ושל H, $+1$, אינן משתנות.)

איזון: P: 4 = $4\cdot1=4$; Cl: $6\cdot2=12$ באגף שמאל, $4\cdot3=12$ באגף ימין.

מולים של זרחן לבן: $M_{\text{P}_4}=4\cdot31.0=124.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}$

יחס מולים $\text{P}_4:\text{PCl}_3=1:4$:

מסה מולרית: $M_{\text{PCl}_3}=31.0+3\cdot35.5=137.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}$

טעות נפוצה: לחשב את המסה המולרית של הזרחן לפי אטום P אחד ($31.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}$) במקום לפי המולקולה $\text{P}_4$.

נבדוק את דרגות החמצון לפני התגובה ואחריה:

•Cl: ב־$\text{ClO}^{-}$: $x+(-2)=-1 \Rightarrow x=+1$; ב־HClO: $+1+x+(-2)=0 \Rightarrow x=+1$ – ללא שינוי.