בגרות בכימיה שאלון עיקרי 037381 - קיץ 2017

5 יח"ל (55%) · שאלון 037381 · 14 שאלות · 3 שעות

בחינת הבגרות בכימיה, שאלון עיקרי, קיץ 2017, כל 14 השאלות כמו בשאלון. לכל סעיף יש תשובה ופתרון מלא: ניסוח מאוזן עם מצבי צבירה, הנוסחה מדף הנוסחאות, הצבה ותוצאה עם יחידות, והסבר במונחים שהבוחן מצפה להם.

הוראות הבחינה (כמו בשאלון)

משך הבחינה: שלוש שעות.
מבנה השאלון ומפתח ההערכה: בשאלון זה שני פרקים.
•פרק ראשון — חובה — 40 נקודות
•פרק שני — 60 נקודות
•סה"כ — 100 נקודות
חומר עזר מותר בשימוש: מחשבון (כולל מחשבון גרפי). נספחים: (1) הטבלה המחזורית (2) טבלת אלקטרושליליות (3) נוסחאות לחישובים (4) קבוצות פונקציונליות.
הוראות מיוחדות:
(1) שים לב: בפרק הראשון יש שתי שאלות חובה. בשאלה 1 יש שמונה סעיפים א-ח. לכל סעיף מוצגות ארבע תשובות, ומהן עליך לבחור בתשובה הנכונה. את התשובות הנכונות עליך לסמן בתשובון שבסוף מחברת הבחינה (עמוד 19). בשאלה 2 יש לענות על כל הסעיפים.
(2) בפרק השני יש לענות על שלוש מבין חמש שאלות.
פרק ראשון (40 נקודות): ענה על שתי השאלות 1 ו־2 (לכל שאלה — 20 נקודות). שאלה 1 — שמונה סעיפי רב־ברירה א-ח (לכל סעיף — 2.5 נקודות). שאלה 2 — ניתוח קטע ממאמר מדעי — חובה.
פרק שני (60 נקודות): ענה על שלוש מן השאלות 3-7 (לכל שאלה — 20 נקודות).
בשנה זו לא היו הנחיות מענה מיוחדות: כל שמונה סעיפי הרב־ברירה נספרים (2.5 נקודות לכל אחד).

פרק ראשון (40 נקודות)

ענה על שתי השאלות 1 ו־ 2 (לכל שאלה — 20 נקודות).
ענה על כל הסעיפים א-ח (לכל סעיף — 2.5 נקודות).
לכל סעיף מוצעות ארבע תשובות 1-4.
לפני שתענה, קרא את כל התשובות המוצעות, ובחר בתשובה המתאימה ביותר.
•את התשובה שבחרת סמן בתשובון שבכריכה הפנימית בסוף מחברת הבחינה (עמוד 19).
•בכל סעיף סמן בעט ×\times× במשבצת שמתחת למספר (1-4) המייצג את התשובה שבחרת.
•בכל סעיף יש לסמן ×\times× אחד בלבד.
•כדי למחוק סימון יש למלא את כל המשבצת.
•אסור למחוק בטיפקס.
•שים לב: כדאי להימנע ככל האפשר ממחיקות בתשובון, לכן מומלץ לסמן את התשובות הנכונות קודם בשאלון עצמו, ורק אחר כך לסמן אותן בתשובון.

שאלה 1 סעיף א · נוסחאות ייצוג אלקטרוניות ותרכובת יונית

רב-ברירה

האותיות a\text{a}a , b\text{b}b , c\text{c}c הן סמלים שרירותיים המייצגים שלושה יסודות בטבלה המחזורית.
לפניך נוסחאות ייצוג אלקטרוניות של אטומי היסודות a\text{a}a , b\text{b}b , c\text{c}c .
בין שניים מבין היסודות האלה יכולה להתקיים תגובה שבה תתקבל תרכובת יונית.
מהי הנוסחה האמפירית הנכונה של תרכובת זו?

1.
$\text{a}_5\text{b}_2$
2.
$\text{a}_2\text{b}_3$
3.
$\text{ac}$
4.
$\text{ac}_3$

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף א

התשובה הנכונה: 3

תשובה:

ג (3) – ac\text{ac}ac: a מתכת מטור 2 (יון a2+\text{a}^{2+}a2+) ו־c אל־מתכת מטור 16 (יון c2−\text{c}^{2-}c2−).

התשובה הנכונה: 3 – ac\text{ac}ac.
נספור את האלקטרונים (הנקודות) סביב כל סמל – אלה אלקטרוני הערכיות:
- a – 2 אלקטרוני ערכיות: יסוד מטור 2, מתכת. האטום מוסר 2 אלקטרונים ויוצר יון a2+\text{a}^{2+}a2+.
- b – 5 אלקטרוני ערכיות: יסוד מטור 15, אל־מתכת. האטום יכול לקבל 3 אלקטרונים וליצור יון b3−\text{b}^{3-}b3−.
- c – 6 אלקטרוני ערכיות: יסוד מטור 16, אל־מתכת. האטום יכול לקבל 2 אלקטרונים וליצור יון c2−\text{c}^{2-}c2−.
תרכובת יונית נוצרת בין מתכת לאל־מתכת, כלומר בין a ובין b או בין a ובין c. בין b ובין c (שתי אל־מתכות) נוצרים קשרים קוולנטיים, ולא תרכובת יונית.
•בין a2+\text{a}^{2+}a2+ ו־c2−\text{c}^{2-}c2−: סכום המטענים בתרכובת צריך להיות אפס, לכן היחס הוא 1:1 – הנוסחה האמפירית ac\text{ac}ac.
•בין a2+\text{a}^{2+}a2+ ו־b3−\text{b}^{3-}b3−: היחס הוא 3:2 – הנוסחה a3b2\text{a}_3\text{b}_2a3​b2​, והיא אינה מופיעה בתשובות.
מדוע התשובות האחרות שגויות:
- 1 – a5b2\text{a}_5\text{b}_2a5​b2​: המטענים אינם מתאזנים: 5⋅(+2)+2⋅(−3)=+4≠05\cdot(+2)+2\cdot(-3)=+4\ne 05⋅(+2)+2⋅(−3)=+4=0.
- 2 – a2b3\text{a}_2\text{b}_3a2​b3​: היחס הפוך; 2⋅(+2)+3⋅(−3)=−5≠02\cdot(+2)+3\cdot(-3)=-5\ne 02⋅(+2)+3⋅(−3)=−5=0.
- 4 – ac3\text{ac}_3ac3​: (+2)+3⋅(−2)=−4≠0(+2)+3\cdot(-2)=-4\ne 0(+2)+3⋅(−2)=−4=0.

שאלה 1 סעיף ב · יסודות חדשים בטבלה המחזורית

רב-ברירה

בעת האחרונה הצליחו מדענים ליצור באופן מלאכותי ארבעה יסודות חדשים שהמספרים האטומיים שלהם: 113 , 115 , 117 ו־ 118 .
היסוד שמספרו האטומי 118 נמצא בטבלה המחזורית מתחת ליסוד ראדון, 86Rn_{86}\text{Rn}86​Rn .
לפניך ארבעה היגדים 1-4. מהו ההיגד הלא נכון?

1.
ארבעת היסודות החדשים נמצאים באותו טור בטבלה המחזורית.
2.
לאטומים של ארבעת היסודות החדשים יש מספר שווה של רמות אנרגייה מאוכלסות.
3.
לאטום של היסוד שמספרו האטומי 118 , יש 8 אלקטרונים ברמת האנרגייה הגבוהה ביותר.
4.
ארבעת היסודות החדשים נמצאים באותה שורה בטבלה המחזורית.

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ב

התשובה הנכונה: 1

תשובה:

א (1) – ההיגד אינו נכון: היסודות 113-118 נמצאים באותה שורה (שורה 7), ולא באותו טור.

התשובה: 1 (זה ההיגד הלא נכון).
ראדון (Z=86Z=86Z=86) הוא גז אציל בסוף השורה השישית. היסוד שמספרו האטומי 118 נמצא מתחתיו, ולכן הוא הגז האציל של השורה השביעית (טור 18). היסודות 113, 115 ו־117 קודמים לו באותה שורה – כל ארבעת היסודות נמצאים בשורה 7, בטורים שונים (13, 15, 17, 18).
- היגד 1 – לא נכון: ליסודות מספרים אטומיים עוקבים או קרובים באותה שורה, ולכן הם נמצאים בטורים שונים, לא באותו טור.
- היגד 2 – נכון: מספר השורה שווה למספר רמות האנרגייה המאוכלסות. לכל אטומי שורה 7 יש 7 רמות אנרגייה מאוכלסות.
- היגד 3 – נכון: היסוד 118 נמצא בטור 18 (טור הגזים האצילים), ולכן יש לאטום שלו 8 אלקטרונים ברמת האנרגייה החיצונית (הגבוהה ביותר).
- היגד 4 – נכון: כאמור, כל ארבעת היסודות נמצאים בשורה 7.

שאלה 1 סעיף ג · מוליכות חשמלית של סוגי חומרים

רב-ברירה

בטבלה שלפניך מידע על המוליכות החשמלית של ארבעה חומרים מוצקים.
רק חלק מן המידע הוא נכון.
החומרמוליכות חשמלית במצב מוצקמוליכות חשמלית במצב נוזל
רובידיום, Rb(s)\text{Rb}_{(s)}Rb(s)​++
רובידיום ברומי, RbBr(s)\text{RbBr}_{(s)}RbBr(s)​+–
גרפיט, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ גרפיט–+
צורן דו־חמצני, SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​––
מה הם החומרים שעבורם המידע שבטבלה הוא נכון?

החומר	מוליכות חשמלית במצב מוצק	מוליכות חשמלית במצב נוזל
רובידיום, $\text{Rb}_{(s)}$	+	+
רובידיום ברומי, $\text{RbBr}_{(s)}$	+	–
גרפיט, $\text{C}_{(s)}$ גרפיט	–	+
צורן דו־חמצני, $\text{SiO}_{2(s)}$	–	–

1.
$\text{Rb}_{(s)}$ ו־ $\text{RbBr}_{(s)}$
2.
$\text{RbBr}_{(s)}$ ו־ $\text{C}_{(s)}$ גרפיט
3.
$\text{Rb}_{(s)}$ ו־ $\text{C}_{(s)}$ גרפיט
4.
$\text{Rb}_{(s)}$ ו־ $\text{SiO}_{2(s)}$

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ג

התשובה הנכונה: 4

תשובה:

ד (4) – Rb(s)\text{Rb}_{(s)}Rb(s)​ (מתכת) מוליכה בשני המצבים, ו־SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​ (סריג אטומרי) אינו מוליך.

התשובה הנכונה: 4 – Rb(s)\text{Rb}_{(s)}Rb(s)​ ו־SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​.
מוליכות חשמלית מחייבת חלקיקים טעונים ניידים (אלקטרונים או יונים).
- רובידיום – מתכת, סריג מתכתי: יונים חיוביים ב"ים" של אלקטרונים ניידים. האלקטרונים ניידים גם במוצק וגם בנוזל, ולכן המתכת מוליכה בשני המצבים (+, +). המידע נכון.
- רובידיום ברומי – חומר יוני. במוצק היונים קבועים במקומם בסריג ואינם ניידים, ולכן אין מוליכות; בנוזל (נתך) היונים ניידים ויש מוליכות. כלומר הנכון הוא (–, +), ובטבלה מופיע ההפך. המידע לא נכון.
- גרפיט – סריג אטומרי בשכבות. כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לשלושה אטומים בלבד, ולכל אטום נשאר אלקטרון אחד שאינו קשור לאטום מסוים ונע לאורך השכבה. לכן גרפיט מוצק מוליך חשמל, ובטבלה רשום (–) במצב מוצק. המידע לא נכון.
- צורן דו־חמצני – סריג אטומרי שבו כל האלקטרונים משתתפים בקשרים קוולנטיים בין האטומים, ואין חלקיקים טעונים ניידים. החומר אינו מוליך (–, –). המידע נכון.
לכן התשובות 1, 2, 3 שגויות – בכל אחת מהן מופיע RbBr\text{RbBr}RbBr או גרפיט, שהמידע עליהם שגוי.

שאלה 1 סעיף ד · יחסי נפחים של גזים בפירוק אמוניום פחמתי

רב-ברירה

המוצק אמוניום פחמתי, (NH4)2CO3(s)(\text{NH}_4)_2\text{CO}_{3(s)}(NH4​)2​CO3(s)​ , מתפרק בחימום על פי התגובה:
(NH4)2CO3(s)→2NH3(g)+CO2(g)+H2O(g)(\text{NH}_4)_2\text{CO}_{3(s)}\rightarrow 2\text{NH}_{3(g)}+\text{CO}_{2(g)}+\text{H}_2\text{O}_{(g)}(NH4​)2​CO3(s)​→2NH3(g)​+CO2(g)​+H2​O(g)​
חיממו דגימה של (NH4)2CO3(s)(\text{NH}_4)_2\text{CO}_{3(s)}(NH4​)2​CO3(s)​ .
הנפחים של הגזים שהתקבלו נמדדו בתנאים שווים של טמפרטורה ולחץ.
מהי הקביעה הנכונה בנוגע לתוצרים שהתקבלו בתגובה זו?

1.
מספר המולקולות של $\text{NH}_{3(g)}$ שווה למספר המולקולות של $\text{H}_2\text{O}_{(g)}$ .
2.
הנפח של $\text{NH}_{3(g)}$ גדול פי 2 מהנפח של $\text{CO}_{2(g)}$ .
3.
הנפח של $\text{H}_2\text{O}_{(g)}$ שווה לנפח של $(\text{NH}_4)_2\text{CO}_{3(s)}$ .
4.
המסה של $\text{H}_2\text{O}_{(g)}$ שווה למסה של $\text{CO}_{2(g)}$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ד

התשובה הנכונה: 2

תשובה:

ב (2) – לפי השערת אבוגדרו, בתנאים שווים יחס הנפחים שווה ליחס המולים: NH3:CO2=2:1\text{NH}_3:\text{CO}_2=2:1NH3​:CO2​=2:1.

התשובה הנכונה: 2.
לפי ניסוח התגובה, מכל 1 מול מוצק נוצרים 2 מול NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​, 1 מול CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ ו־1 מול H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​.
לפי השערת אבוגדרו, בטמפרטורה ובלחץ שווים, בנפחים שווים של גזים יש מספר שווה של מולקולות; לכן יחס הנפחים של הגזים שווה ליחס מספרי המולים שלהם:
VNH3:VCO2:VH2O=2:1:1V_{\text{NH}_3}:V_{\text{CO}_2}:V_{\text{H}_2\text{O}}=2:1:1VNH3​​:VCO2​​:VH2​O​=2:1:1
הנפח של NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ גדול פי 2 מהנפח של CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ – היגד 2 נכון.
- 1 – שגוי: מספר המולקולות של NH3\text{NH}_3NH3​ גדול פי 2 ממספר המולקולות של H2O\text{H}_2\text{O}H2​O (יחס מולים 2:1).
- 3 – שגוי: (NH4)2CO3(\text{NH}_4)_2\text{CO}_3(NH4​)2​CO3​ הוא מוצק. השערת אבוגדרו חלה על גזים בלבד; נפח של מוצק אינו נקבע לפי מספר המולים בתנאי לחץ וטמפרטורה.
- 4 – שגוי: מספרי המולים של H2O\text{H}_2\text{O}H2​O ושל CO2\text{CO}_2CO2​ שווים, אבל המסות המולריות שונות: 18.0 g/mol18.0\ \text{g/mol}18.0 g/mol לעומת 44.0 g/mol44.0\ \text{g/mol}44.0 g/mol, ולכן המסות שונות.

שאלה 1 סעיף ה · ריכוז יוני כלור בערבוב תמיסות

רב-ברירה

ערבבו 400 מ"ל תמיסת 0.4M KCl(aq)0.4\text{M}\ \text{KCl}_{(aq)}0.4M KCl(aq)​ עם 400 מ"ל תמיסת 0.8M MgCl2(aq)0.8\text{M}\ \text{MgCl}_{2(aq)}0.8M MgCl2(aq)​ .
מהי הקביעה הנכונה בנוגע לריכוז של יוני Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​ בתמיסה שהתקבלה?

1.
$0.6\text{M}$ , כי נפח התמיסה גדל פי 2 ולכן ריכוז יוני $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ קטן פי 2 .
2.
$0.8\text{M}$ , כי בתמיסה שהתקבלה יש 0.8 מול יוני $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ .
3.
$1.0\text{M}$ , כי בתמיסה שהתקבלה יש 0.8 מול יוני $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ .
4.
$1.0\text{M}$ , כי נפח התמיסה גדל פי 2 ומספר המולים הכולל של יוני $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ הוא 2 מול.

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ה

התשובה הנכונה: 3

תשובה:

ג (3) – nCl−=0.16+0.64=0.80 moln_{\text{Cl}^-}=0.16+0.64=0.80\ \text{mol}nCl−​=0.16+0.64=0.80 mol בנפח 0.800 L0.800\ \text{L}0.800 L, ולכן [Cl−]=1.0 M[\text{Cl}^-]=1.0\ \text{M}[Cl−]=1.0 M.

התשובה הנכונה: 3.
נחשב את מספר המולים של יוני Cl−\text{Cl}^{-}Cl− מכל תמיסה לפי n=C⋅Vn=C\cdot Vn=C⋅V:
•מ־KCl\text{KCl}KCl (כל יחידת KCl\text{KCl}KCl נותנת יון Cl−\text{Cl}^-Cl− אחד):
n=0.4 mol/L⋅0.400 L=0.16 moln=0.4\ \text{mol/L}\cdot 0.400\ \text{L}=0.16\ \text{mol}n=0.4 mol/L⋅0.400 L=0.16 mol
•מ־MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​ (כל יחידת MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​ נותנת שני יוני Cl−\text{Cl}^-Cl−):
n=2⋅0.8 mol/L⋅0.400 L=0.64 moln=2\cdot 0.8\ \text{mol/L}\cdot 0.400\ \text{L}=0.64\ \text{mol}n=2⋅0.8 mol/L⋅0.400 L=0.64 mol
סך הכול: nCl−=0.16 mol+0.64 mol=0.80 moln_{\text{Cl}^-}=0.16\ \text{mol}+0.64\ \text{mol}=0.80\ \text{mol}nCl−​=0.16 mol+0.64 mol=0.80 mol.
נפח התמיסה: V=0.400 L+0.400 L=0.800 LV=0.400\ \text{L}+0.400\ \text{L}=0.800\ \text{L}V=0.400 L+0.400 L=0.800 L.
C=nV=0.80 mol0.800 L=1.0 MC=\frac{n}{V}=\frac{0.80\ \text{mol}}{0.800\ \text{L}}=1.0\ \text{M}C=Vn​=0.800 L0.80 mol​=1.0 M
- 1 – שגוי: החישוב מתעלם מכך שכל יחידת MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​ נותנת שני יוני Cl−\text{Cl}^-Cl− (ממוצע פשוט של 0.4 ו־0.8).
- 2 – שגוי: מספר המולים (0.8 מול) נכון, אך הריכוז אינו שווה למספר המולים – יש לחלק בנפח 0.8 ליטר.
- 4 – שגוי: הריכוז נכון, אבל מספר המולים הכולל של Cl−\text{Cl}^-Cl− הוא 0.8 מול ולא 2 מול.
טעות נפוצה: לשכוח להכפיל ב־2 את ריכוז יוני הכלור בתמיסת MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​.

שאלה 1 סעיף ו · אחסון תמיסות בכלי כסף

רב-ברירה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

כושר חמצון וחיזור יחסי של מתכות ויוני מתכות (תגובות מתכת–יון מתכת, הטור האלקטרוכימי) אינו בתוכנית הבחינה לפי מיקוד 2027.

בתוך כלי העשוי מן המתכת כסף, Ag(s)\text{Ag}_{(s)}Ag(s)​ , ערבבו שתי תמיסות:
תמיסת כסף חנקתי, AgNO3(aq)\text{AgNO}_{3(aq)}AgNO3(aq)​ , ותמיסת מגנזיום חנקתי, Mg(NO3)2(aq)\text{Mg(NO}_3)_{2(aq)}Mg(NO3​)2(aq)​ .
נתון: יוני Ag(aq)+\text{Ag}^{+}_{(aq)}Ag(aq)+​ הם מחמצן יותר חזק מיוני Mg(aq)2+\text{Mg}^{2+}_{(aq)}Mg(aq)2+​ .
מהי הקביעה הנכונה?

1.
יוני $\text{Ag}^{+}_{(aq)}$ מחמצנים את יוני $\text{Mg}^{2+}_{(aq)}$ .
2.
יוני $\text{Mg}^{2+}_{(aq)}$ מחמצנים את יוני $\text{Ag}^{+}_{(aq)}$ .
3.
יוני $\text{Mg}^{2+}_{(aq)}$ מחמצנים את המתכת $\text{Ag}_{(s)}$ .
4.
אפשר לאחסן את שתי התמיסות בכלי העשוי מן המתכת כסף, $\text{Ag}_{(s)}$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ו

התשובה הנכונה: 4

תשובה:

ד (4) – אין בכלי תגובת חמצון־חיזור: היונים אינם מחמצנים זה את זה, ו־Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ (מחמצן חלש מ־Ag+\text{Ag}^+Ag+) אינו מחמצן את Ag(s)\text{Ag}_{(s)}Ag(s)​.

התשובה הנכונה: 4.
- 1 ו־2 – שגויים: יוני Ag+\text{Ag}^{+}Ag+ ויוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ הם שניהם יונים חיוביים של מתכות, והם יכולים לשמש רק כמחמצנים (לקבל אלקטרונים). כדי שיון אחד יחמצן את האחר, היון השני צריך למסור אלקטרונים – כלומר לשמש מחזר, ויונים אלה אינם מוסרים אלקטרונים. לכן אין תגובה בין שני סוגי היונים.
- 3 – שגוי: המתכת Ag(s)\text{Ag}_{(s)}Ag(s)​ יכולה לשמש מחזר. אילו יוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ היו מחמצנים אותה, הייתה מתרחשת התגובה 2Ag(s)+Mg(aq)2+→2Ag(aq)++Mg(s)2\text{Ag}_{(s)}+\text{Mg}^{2+}_{(aq)}\rightarrow 2\text{Ag}^{+}_{(aq)}+\text{Mg}_{(s)}2Ag(s)​+Mg(aq)2+​→2Ag(aq)+​+Mg(s)​. בתגובה כזו נוצר מחמצן (Ag+\text{Ag}^+Ag+) חזק יותר מן המחמצן המגיב (Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+) – תגובה כזו אינה מתרחשת. תגובות חמצון־חיזור מתרחשות בכיוון שבו המחמצן החזק מגיב עם המחזר החזק.
- 4 – נכון: יוני Ag+\text{Ag}^{+}Ag+ אינם מגיבים עם המתכת Ag\text{Ag}Ag (זהו אותו זוג מחמצן/מחזר), יוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ אינם מחמצנים את Ag\text{Ag}Ag, והיונים אינם מגיבים זה עם זה. לכן הכלי אינו נפגע ואפשר לאחסן בו את שתי התמיסות.

שאלה 1 סעיף ז · שינוי pH במיהול תמיסות

רב-ברירה

הכינו 50 מ"ל של כל אחת מן התמיסות: Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​ , HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ , Ca(NO3)2(aq)\text{Ca(NO}_3)_{2(aq)}Ca(NO3​)2(aq)​ ומדדו את ה־ pH שלהם.
לכל אחת מן התמיסות הוסיפו 50 מ"ל של מים.
איזו מן השורות 1-4 בטבלה שלפניך מציגה נכון את השינוי שחל ב־ pH של כל אחת מן התמיסות?
Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​Ca(NO3)2(aq)\text{Ca(NO}_3)_{2(aq)}Ca(NO3​)2(aq)​
1עלהירדלא השתנה
2ירדעלהלא השתנה
3עלהירדירד
4ירדעלהעלה

	$\text{Ca(OH)}_{2(aq)}$	$\text{HNO}_{3(aq)}$	$\text{Ca(NO}_3)_{2(aq)}$
1	עלה	ירד	לא השתנה
2	ירד	עלה	לא השתנה
3	עלה	ירד	ירד
4	ירד	עלה	עלה

1.
שורה 1
2.
שורה 2
3.
שורה 3
4.
שורה 4

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ז

התשובה הנכונה: 2

תשובה:

ב (2) – במיהול ה־pH של הבסיס יורד, של החומצה עולה, ושל התמיסה הנייטרלית אינו משתנה.

התשובה הנכונה: שורה 2.
הוספת מים מגדילה את נפח התמיסה פי 2 בלי לשנות את מספר המולים של היונים, ולכן ריכוז היונים קטן.
- Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​ – תמיסה בסיסית, pH>7\text{pH}>7pH>7. במיהול ריכוז יוני OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}OH(aq)−​ קטן, התמיסה פחות בסיסית וה־pH יורד (מתקרב ל־7).
- HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ – תמיסה חומצית, pH<7\text{pH}<7pH<7. במיהול ריכוז יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ קטן, התמיסה פחות חומצית וה־pH עולה (מתקרב ל־7).
- Ca(NO3)2(aq)\text{Ca(NO}_3)_{2(aq)}Ca(NO3​)2(aq)​ – תמיסת מלח נייטרלית, pH=7\text{pH}=7pH=7 (היונים Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ ו־NO3−\text{NO}_3^{-}NO3−​ אינם מגיבים עם המים כחומצה או כבסיס). מיהול אינו משנה את ה־pH – לא השתנה.
- שורה 1 – הפוכה: מייחסת עליית pH לבסיס וירידה לחומצה.
- שורות 3 ו־4 – מייחסות שינוי pH לתמיסה הנייטרלית, וזה שגוי (ושורה 3 גם הפוכה בבסיס ובחומצה).

שאלה 1 סעיף ח · הגדלת קצב התגובה של אבץ עם חומצה

רב-ברירה

מתכת אבץ, Zn(s)\text{Zn}_{(s)}Zn(s)​ , מגיבה עם תמיסה חומצית על פי התגובה:
Zn(s)+2H3O(aq)+→Zn(aq)2++H2(g)+2H2O(l)\text{Zn}_{(s)}+2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}\rightarrow\text{Zn}^{2+}_{(aq)}+\text{H}_{2(g)}+2\text{H}_2\text{O}_{(l)}Zn(s)​+2H3​O(aq)+​→Zn(aq)2+​+H2(g)​+2H2​O(l)​
לתוך כלי זכוכית המכיל 50 מ"ל תמיסה של חומצת מימן כלורי, HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​ , בריכוז 1.0M1.0\text{M}1.0M , הכניסו פס אבץ שמסתו 3 גרם. בעקבות זאת התרחשה תגובה שבמהלכה נפלט גז, והמסה של פס האבץ ירדה.
מהי הדרך המתאימה ביותר כדי להגדיל את קצב התגובה?

1.
לבצע את התגובה בכלי שנפחו גדול יותר.
2.
לבצע את התגובה בכלי סגור המחובר למזרק.
3.
להגדיל ל־ 100 מ"ל את הנפח של תמיסת $\text{HCl}_{(aq)}$ .
4.
להכניס לתוך הכלי 3 גרם של אבקת אבץ במקום פס האבץ.

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ח

התשובה הנכונה: 4

תשובה:

ד (4) – אבקה במקום פס: שטח הפנים של המוצק גדל, ולכן קצב התגובה גדל.

התשובה הנכונה: 4.
הגורמים המשפיעים על קצב התגובה הם, בין השאר: ריכוז המגיבים (בתמיסה), שטח הפנים של מגיב מוצק, הטמפרטורה ונוכחות זרז.
- 4 – נכון: אבקת אבץ באותה מסה (3 גרם) מורכבת מגרגרים קטנים רבים, ולכן שטח הפנים של האבץ שבמגע עם התמיסה גדול בהרבה משטח הפנים של הפס. הגדלת שטח הפנים של מגיב מוצק מגדילה את קצב התגובה.
- 1 – שגוי: נפח הכלי אינו משנה את ריכוז החומצה ואת שטח הפנים של האבץ, ולכן אינו משפיע על הקצב.
- 2 – שגוי: חיבור למזרק מאפשר לאסוף ולמדוד את הגז שנפלט, אבל אינו משנה את הריכוז, את שטח הפנים או את הטמפרטורה.
- 3 – שגוי: הוספת תמיסת חומצה באותו ריכוז (1.0M1.0\text{M}1.0M) אינה משנה את ריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+, ולכן הקצב אינו גדל.

שאלה 2 · גילוי הגז הטבעי בישראל ושימושיו

שאלת מאמר

ניתוח קטע ממאמר מדעי — חובה
קרא את הקטע שלפניך, וענה על כל הסעיפים א-ה שאחריו (שאלת חובה — 20 נקודות).
גילוי הגז הטבעי — הזדמנות היסטורית
בתחילת המאה ה־21 התגלה מאגר גדול של גז טבעי במים הכלכליים של ישראל. הגז הטבעי שהתגלה מכיל 99% מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ .
כיום, הגז הטבעי משמש בעיקר חומר דלק להפקת חשמל בתחנות כוח, במקום פחם, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ , וחומרי דלק שמקורם בנפט. הנפט הוא תערובת של פחמימנים (תרכובות של פחמן ומימן). בתגובת שרֵפה מגיבים הפחמימנים עם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ . נוצרים פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ , ומים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ , ונפלטת אנרגייה המנוצלת להפקת חשמל. תגובה (1) היא תגובת השרפה של מתאן.
(1)CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)ΔH0=−890 kJ(1)\quad \text{CH}_{4(g)}+2\text{O}_{2(g)}\rightarrow\text{CO}_{2(g)}+2\text{H}_2\text{O}_{(l)}\qquad \Delta H^0=-890\ \text{kJ}(1)CH4(g)​+2O2(g)​→CO2(g)​+2H2​O(l)​ΔH0=−890 kJ
כאשר אותה כמות אנרגייה נפלטת בשרפה של פחמימנים שונים, יש יתרון למתאן, מכיוון שנפח ה־ CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ שנוצר בשרפתו הוא הקטן ביותר. CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ הוא גז התורם להגברת אפקט החממה ולכן המעבר לשימוש בגז טבעי כחומר דלק מפחית את הפליטה של CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ לאטמוספרה.
המתאן, שמקורו בגז טבעי יכול לשמש לא רק חומר דלק, אלא גם חומר מוצא בתעשייה הכימית להפקת מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , ומתאנול, CH3OH(l)\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}CH3​OH(l)​ .
מתאן מגיב עם קיטור, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ , על פי תגובה (2) :
(2)CH4(g)+H2O(g)→CO(g)+3H2(g)(2)\quad \text{CH}_{4(g)}+\text{H}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow\text{CO}_{(g)}+3\text{H}_{2(g)}(2)CH4(g)​+H2​O(g)​→CO(g)​+3H2(g)​
תערובת הגזים CO(g)\text{CO}_{(g)}CO(g)​ ו־ H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ שמתקבלת בתגובה (2) מכונה סינגז (syngas), והיא מקור למימן בתעשייה הכימית.
המימן מנוצל בין השאר להפקת אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , שהיא חומר מוצא בתעשיית הדשנים.
מסינגז אפשר להפיק גם מתאנול, CH3OH(l)\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}CH3​OH(l)​ , על פי תגובה (3) :
(3)CO(g)+2H2(g)→CH3OH(l)(3)\quad \text{CO}_{(g)}+2\text{H}_{2(g)}\rightarrow\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}(3)CO(g)​+2H2(g)​→CH3​OH(l)​
ממתאנול אפשר להפיק חומרים המשמשים חומרי גלם בתעשיית הפלסטיקה, הטקסטיל, הצבעים והתרופות.
ממתאנול אפשר להפיק גם דו־מתיל אתר, CH3OCH3(g)\text{CH}_3\text{OCH}_{3(g)}CH3​OCH3(g)​ , על פי תגובה (4) :
(4)2CH3OH(l)→CH3OCH3(g)+H2O(l)(4)\quad 2\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}\rightarrow\text{CH}_3\text{OCH}_{3(g)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}(4)2CH3​OH(l)​→CH3​OCH3(g)​+H2​O(l)​
דו־מתיל אתר עתיד לשמש דלק חלופי למנועי דיזל בכלי תחבורה כבדים ובתעשייה.
גילוי הגז הטבעי מאפשר להקטין את התלות של מדינת ישראל ביבוא פחם ונפט גולמי ממדינות אחרות ויוצר הזדמנות לפיתוח חברה מדעית־טכנולוגית מתקדמת.
מקורות:
http://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-4386628,00.html
טישלר, א', הרט, ד' (2012) הקמת מפעל לייצור מתאנול מגז טבעי ברמת חובב, תקציר מנהלים.

א.

על פי הקטע, ציין שלושה יתרונות שיש לשימוש בגז הטבעי שהתגלה במים הכלכליים של ישראל.

ב.

בעת צריכת שיא של חשמל, שורפים בתחנות הכוח גם חומרי דלק שמקורם בנפט, כמו סולר ומזוט. אחד מן המרכיבים של סולר הוא פחמימן שנוסחתו C13H28\text{C}_{13}\text{H}_{28}C13​H28​ .
לפניך ניסוח תגובת השרפה של C13H28(l)\text{C}_{13}\text{H}_{28(l)}C13​H28(l)​ :
C13H28(l)+20O2(g)→13CO2(g)+14H2O(l)ΔH0=−8740 kJ\text{C}_{13}\text{H}_{28(l)}+20\text{O}_{2(g)}\rightarrow 13\text{CO}_{2(g)}+14\text{H}_2\text{O}_{(l)}\qquad \Delta H^0=-8740\ \text{kJ}C13​H28(l)​+20O2(g)​→13CO2(g)​+14H2​O(l)​ΔH0=−8740 kJ

(i)

חשב את מספר המולים של CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ שנוצרים בתגובת השרפה של C13H28(l)\text{C}_{13}\text{H}_{28(l)}C13​H28(l)​ שבה נפלטים 890 kJ . פרט את חישוביך.

(ii)

מהו מספר המולים של CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ שנוצר בתגובת השרפה של CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ שבה נפלטים 890 kJ ?

(iii)

קבע אם תשובותיך לתת־סעיפים i ו־ ii תואמות את המידע שבקטע בנוגע לנפח ה־ CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ שנוצר בתגובת השרפה של CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ לעומת השרפה של פחמימנים אחרים. נמק.

ג.

תערובת של 15% מתאנול ו־ 85% בנזין משמשת דלק איכותי למכוניות, המכונה M15 .
בנזין הוא תערובת של פחמימנים.
הסבר מדוע מתאנול מתמוסס בבנזין.

ד.

התרשים שלפניך מציג בצורה סכמטית חלק מן התהליכים המוזכרים בקטע.
העתק את התרשים למחברתך, וכתוב בכל אחת מן המסגרות את הנוסחה של החומר המתאים.

ה.

יש הסוברים שהגז הטבעי שהתגלה בישראל צריך לשמש רק חומר דלק בתחנות כוח ובתעשייה.
רשום טיעון אחד התומך בדעה זו או טיעון אחד המתנגד לה. נמק.

◂ פתרון מלא לשאלה 2

סעיף א

תשובה:

(1) בשרפת מתאן נוצר פחות CO2\text{CO}_2CO2​ לאותה כמות אנרגייה – פחות תרומה לאפקט החממה; (2) מתאן הוא חומר מוצא בתעשייה הכימית (מימן ← אמוניה לדשנים, מתאנול ← פלסטיקה, טקסטיל, צבעים, תרופות, דו־מתיל אתר); (3) הקטנת התלות ביבוא פחם ונפט גולמי ופיתוח חברה מדעית־טכנולוגית.

לפי הקטע, אפשר לציין את היתרונות האלה (די בשלושה):
הפחתת פליטת CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​: כאשר נפלטת אותה כמות אנרגייה, בשרפת מתאן נוצר נפח CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ הקטן ביותר בהשוואה לפחמימנים אחרים. CO2\text{CO}_2CO2​ תורם להגברת אפקט החממה, ולכן המעבר לגז טבעי בתחנות הכוח מפחית את הפליטה של CO2\text{CO}_2CO2​ לאטמוספרה (הפסקה השלישית).
חומר מוצא בתעשייה הכימית: מן המתאן מפיקים סינגז, מקור למימן, והמימן מנוצל להפקת אמוניה – חומר מוצא בתעשיית הדשנים (הפסקה הרביעית).
הפקת מתאנול: מסינגז מפיקים מתאנול, וממנו חומרי גלם לתעשיית הפלסטיקה, הטקסטיל, הצבעים והתרופות, וגם דו־מתיל אתר – דלק חלופי למנועי דיזל.
הקטנת התלות ביבוא: הגז הטבעי מאפשר להקטין את התלות של ישראל ביבוא פחם ונפט גולמי ממדינות אחרות, ויוצר הזדמנות לפיתוח חברה מדעית־טכנולוגית מתקדמת (סוף הקטע).

סעיף ב

(i)

תשובה:

1.32 mol CO2(g)1.32\ \text{mol}\ \text{CO}_{2(g)}1.32 mol CO2(g)​

לפי ניסוח התגובה, כאשר נוצרים 13 מול CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ נפלטים 8740 kJ8740\ \text{kJ}8740 kJ.
נחשב כמה מול CO2\text{CO}_2CO2​ נוצרים כאשר נפלטים 890 kJ890\ \text{kJ}890 kJ (יחס ישר):
nCO2=13 mol⋅890 kJ8740 kJ=1.32 moln_{\text{CO}_2}=13\ \text{mol}\cdot\frac{890\ \text{kJ}}{8740\ \text{kJ}}=1.32\ \text{mol}nCO2​​=13 mol⋅8740 kJ890 kJ​=1.32 mol
בשרפת C13H28\text{C}_{13}\text{H}_{28}C13​H28​ שבה נפלטים 890 kJ890\ \text{kJ}890 kJ נוצרים 1.321.321.32 מול CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​.

(ii)

תשובה:

1 mol CO2(g)1\ \text{mol}\ \text{CO}_{2(g)}1 mol CO2(g)​

לפי תגובה (1) בקטע, בשרפה של 1 מול CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ נוצר 1 מול CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ ונפלטים בדיוק 890 kJ890\ \text{kJ}890 kJ (ΔH0=−890 kJ\Delta H^0=-890\ \text{kJ}ΔH0=−890 kJ).
לכן כאשר נפלטים 890 kJ890\ \text{kJ}890 kJ נוצר 1 מול CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​.

(iii)

תשובה:

כן, תואמות: לאותה אנרגייה (890 kJ) נוצר בשרפת מתאן 1 מול CO2\text{CO}_2CO2​, פחות מ־1.32 מול בשרפת C13H28\text{C}_{13}\text{H}_{28}C13​H28​, ולכן גם נפח ה־CO2\text{CO}_2CO2​ קטן יותר.

קביעה: התשובות תואמות את המידע שבקטע.
נימוק: בקטע נאמר שכאשר אותה כמות אנרגייה נפלטת בשרפה של פחמימנים שונים, נפח ה־CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ שנוצר בשרפת מתאן הוא הקטן ביותר.
לפי החישובים, כאשר נפלטת אותה כמות אנרגייה, 890 kJ890\ \text{kJ}890 kJ:
•בשרפת CH4\text{CH}_4CH4​ נוצר 111 מול CO2\text{CO}_2CO2​;
•בשרפת C13H28\text{C}_{13}\text{H}_{28}C13​H28​ נוצרים 1.321.321.32 מול CO2\text{CO}_2CO2​.
בתנאים שווים של טמפרטורה ולחץ נפח הגז ביחס ישר למספר המולים שלו, ולכן נפח ה־CO2\text{CO}_2CO2​ שנוצר בשרפת המתאן קטן מן הנפח שנוצר בשרפת C13H28\text{C}_{13}\text{H}_{28}C13​H28​ – בהתאם לקטע.

סעיף ג

תשובה:

בין השייר הפחמימני CH3\text{CH}_3CH3​ שבמולקולות המתאנול ובין מולקולות הפחמימנים שבבנזין נוצרות אינטראקציות ון־דר־ואלס, ולכן המתאנול מתמוסס בבנזין.

סוגי הכוחות:
- מתאנול, CH3OH\text{CH}_3\text{OH}CH3​OH – חומר מולקולרי. בין מולקולות המתאנול יש קשרי מימן (בזכות קבוצת ה־OH) ואינטראקציות ון־דר־ואלס.
- בנזין – תערובת של פחמימנים, מולקולות לא קוטביות. בין המולקולות שלו יש אינטראקציות ון־דר־ואלס בלבד.
בהמסה: במולקולת המתאנול יש שייר פחמימני קטן (CH3\text{CH}_3CH3​). בין השייר הזה (ובין המולקולה כולה) ובין מולקולות הפחמימנים שבבנזין יכולות להיווצר אינטראקציות ון־דר־ואלס. היווצרות קשרים אלה בין מולקולות המומס (מתאנול) למולקולות הממס (בנזין) מאפשרת למולקולות המתאנול להתפזר בין מולקולות הבנזין – המתאנול מתמוסס בבנזין.
טעות נפוצה: לטעון שהמתאנול מתמוסס בבנזין בזכות קשרי מימן – בין מתאנול לפחמימנים לא נוצרים קשרי מימן, כי במולקולות הפחמימנים אין אטום מימן הקשור לאטום O, N או F ואין זוג אלקטרונים לא קושר על אטום כזה.

סעיף ד

תשובה:

מסגרת שמאלית (לפני הסינגז): CH4(g)+H2O(g)\text{CH}_{4(g)}+\text{H}_2\text{O}_{(g)}CH4(g)​+H2​O(g)​; מסגרת שמתחת לסינגז: NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​; מסגרת בין הסינגז לדו־מתיל אתר: CH3OH(l)\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}CH3​OH(l)​.

נקרא את התרשים לפי סדר החצים:
1. המסגרת שממנה יוצא חץ אל CO(g)+H2(g)\text{CO}_{(g)}+\text{H}_{2(g)}CO(g)​+H2(g)​ – המגיבים שמהם מפיקים סינגז, לפי תגובה (2): CH4(g)+H2O(g)\text{CH}_{4(g)}+\text{H}_2\text{O}_{(g)}CH4(g)​+H2​O(g)​.
2. המסגרת שמתחת לסינגז – לפי הקטע, המימן שבסינגז מנוצל להפקת אמוניה: NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​.
3. המסגרת שבין הסינגז ובין CH3OCH3(g)\text{CH}_3\text{OCH}_{3(g)}CH3​OCH3(g)​ – מסינגז מפיקים מתאנול (תגובה (3)), וממתאנול מפיקים דו־מתיל אתר (תגובה (4)): CH3OH(l)\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}CH3​OH(l)​.
התרשים המלא:
CH4(g)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)→CH3OH(l)→CH3OCH3(g)\text{CH}_{4(g)}+\text{H}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow\text{CO}_{(g)}+\text{H}_{2(g)}\rightarrow\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}\rightarrow\text{CH}_3\text{OCH}_{3(g)}CH4(g)​+H2​O(g)​→CO(g)​+H2(g)​→CH3​OH(l)​→CH3​OCH3(g)​, ומן הסינגז חץ למטה אל NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​.
טעות נפוצה: לרשום במסגרת הראשונה את המגיבים של תגובת השרפה (1), CH4+O2\text{CH}_4+\text{O}_2CH4​+O2​, במקום המגיבים של תגובה (2); או לרשום H2\text{H}_2H2​ או CH3OH\text{CH}_3\text{OH}CH3​OH במסגרת התחתונה במקום NH3\text{NH}_3NH3​.

סעיף ה

תשובה:

לדוגמה (מתנגד): מתאן הוא גם חומר מוצא יקר ערך לתעשייה הכימית (מימן, אמוניה לדשנים, מתאנול לפלסטיקה ולתרופות), ושרפתו בלבד מבזבזת משאב מתכלה. (תומך): שרפת גז טבעי במקום פחם ונפט פולטת פחות CO2\text{CO}_2CO2​ לאותה אנרגייה ומקטינה את התלות ביבוא דלקים.

יש לבחור צד אחד, לנסח טיעון ולנמק אותו על סמך ידע מדעי ומידע מן הקטע. שתי דוגמאות:
טיעון המתנגד לדעה: אין להשתמש בגז הטבעי רק כחומר דלק.
נימוק: לפי הקטע, המתאן הוא גם חומר מוצא חשוב בתעשייה הכימית: ממנו מפיקים סינגז, ממנו מימן להפקת אמוניה (דשנים), ומתאנול שממנו מפיקים חומרי גלם לתעשיית הפלסטיקה, הטקסטיל, הצבעים והתרופות, וכן דו־מתיל אתר. הגז הוא משאב מתכלה; אם כולו יישרף, ייפסדו האפשרויות האלה. יתרה מזו, גם שרפת מתאן פולטת CO2\text{CO}_2CO2​, גז התורם לאפקט החממה.
טיעון התומך בדעה: כדאי להשתמש בגז הטבעי כחומר דלק בתחנות כוח ובתעשייה.
נימוק: כאשר נפלטת אותה כמות אנרגייה, בשרפת מתאן נוצר פחות CO2\text{CO}_2CO2​ מאשר בשרפת פחם ופחמימנים אחרים (ראו סעיף ב), ולכן החלפת פחם ונפט בגז טבעי בהפקת חשמל מפחיתה את פליטת CO2\text{CO}_2CO2​ לאטמוספרה. בנוסף, השימוש בגז מקטין את התלות של ישראל ביבוא פחם ונפט גולמי.
טעות נפוצה: לכתוב טיעון בלי נימוק, או נימוק שאינו מבוסס על ידע מדעי או על המידע שבקטע.

פרק שני (60 נקודות)

ענה על שלוש מן השאלות 3-7 (לכל שאלה — 20 נקודות).

שאלה 3 · מימן: איזוטופים, תכונות ושימושים

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף א ii עוסק בפליטת קרינה רדיואקטיבית (קרינת בטא) – רדיואקטיביות אינה בתוכנית הבחינה לפי מיקוד 2027. שאר הסעיפים בתוך המיקוד.

מבנה האטום ותכונות חומרים
השאלה עוסקת ביסוד מימן ובאחדים משימושיו.

א.

ליסוד מימן שלושה איזוטופים טבעיים ולהם שמות שונים: מימן, H , דאוטריום, D , וטריטיום, T . הסימול של אטום מימן הוא 11H^{1}_{1}\text{H}11​H .
אטום D כבד פי 2 מאטום H , ואילו אטום T כבד פי 3 מאטום H .

(i)

רשום את הסימול של אטום D ושל אטום T .

(ii)

רק אחד משלושת האיזוטופים H , D ו־ T פולט קרינה רדיואקטיבית.
נסמן איזוטופ זה באות X .
לפניך ניסוח התהליך שבו איזוטופ X פולט קרינה רדיואקטיבית.
X→23He+β\text{X}\rightarrow{}^{3}_{2}\text{He}+\betaX→23​He+β
קבע מהו האיזוטופ של היסוד מימן המסומן באות X . נמק.

ב.

טמפרטורת הרתיחה, Tb\text{T}_bTb​ , של מימן נוזלי, H2(l)\text{H}_{2(l)}H2(l)​ , היא נמוכה מאוד, Tb=20K\text{T}_b=20\text{K}Tb​=20K .
הסבר מדוע.

ג.

משתמשים בגז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , כדי למנוע פליטה לאוויר של תרכובות גפרית רעילות בעת שרֵפת חומרי דלק שמופקים מנפט גולמי.
בחומרי דלק אלה יש תרכובות גפרית, כגון פנטאן־תיול, CH3(CH2)3CH2SH(l)\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_2\text{SH}_{(l)}CH3​(CH2​)3​CH2​SH(l)​ .
בתנאים מתאימים, מימן מגיב עם פנטאן־תיול.
תוצרי התגובה הם מימן גפרי, H2S(g)\text{H}_2\text{S}_{(g)}H2​S(g)​ , ופנטאן, CH3(CH2)3CH3(l)\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_{3(l)}CH3​(CH2​)3​CH3(l)​ .

(i)

נסח ואזן את התגובה בין CH3(CH2)3CH2SH(l)\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_2\text{SH}_{(l)}CH3​(CH2​)3​CH2​SH(l)​ לבין H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ .

(ii)

קבע אם בתגובה זו H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ מגיב כמחמצן או כמחזר. נמק.

ד.

גז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , יכול לשמש גם חומר דלק למכוניות.
אפשר להפיק H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ בתגובה בין מגנזיום מימני, MgH2(s)\text{MgH}_{2(s)}MgH2(s)​ , לבין מים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ , על פי תגובה (1) .
(1)MgH2(s)+2H2O(l)→Mg(OH)2(s)+2H2(g)(1)\quad \text{MgH}_{2(s)}+2\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow\text{Mg(OH)}_{2(s)}+2\text{H}_{2(g)}(1)MgH2(s)​+2H2​O(l)​→Mg(OH)2(s)​+2H2(g)​

(i)

קבע אם בתגובה (1) יש מעבר של אלקטרונים. נמק.

(ii)

מדענים מציעים להשתמש ב־ MgH2(s)\text{MgH}_{2(s)}MgH2(s)​ כ"חומר אחסון" שממנו יופק מימן.
חשב את המסה של MgH2(s)\text{MgH}_{2(s)}MgH2(s)​ הדרושה לקבלת 10,000 ליטר H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ . פרט את חישוביך.
נתון: בתנאי התגובה הנפח של 1 מול גז הוא 25 ליטר.

◂ פתרון מלא לשאלה 3

סעיף א

(i)

תשובה:

D: 12H\text{D}:\ {}^{2}_{1}\text{H}D: 12​H ; T: 13H\text{T}:\ {}^{3}_{1}\text{H}T: 13​H

איזוטופים של אותו יסוד הם אטומים בעלי אותו מספר פרוטונים (אותו מספר אטומי) ומספר נויטרונים שונה.
לכל איזוטופי המימן מספר אטומי 1 (פרוטון אחד בגרעין). מסת האלקטרון זניחה, ומסת האטום נקבעת בעיקר על ידי מספר הפרוטונים והנויטרונים (מספר המסה):
•אטום H: מספר מסה 1 (פרוטון בלבד).
•אטום D כבד פי 2: מספר מסה 2 (פרוטון ונויטרון) – 12H^{2}_{1}\text{H}12​H.
•אטום T כבד פי 3: מספר מסה 3 (פרוטון ושני נויטרונים) – 13H^{3}_{1}\text{H}13​H.

(ii)

תשובה:

X הוא טריטיום, T (13H^{3}_{1}\text{H}13​H).

קביעה: X הוא טריטיום, 13H^{3}_{1}\text{H}13​H.
נימוק: קרינת β\betaβ היא אלקטרון הנפלט מן הגרעין, −1 0e^{\ 0}_{-1}\text{e}−1 0​e. בתהליך זה נויטרון בגרעין הופך לפרוטון, ולכן המספר האטומי עולה ב־1 ומספר המסה אינו משתנה.
נשתמש בשימור מספר המסה ושימור המטען:
•מספר המסה של X: 3+0=33+0=33+0=3.
•המספר האטומי של X: 2+(−1)=12+(-1)=12+(−1)=1 – יסוד מימן.
13H→23He+−1 0e^{3}_{1}\text{H}\rightarrow{}^{3}_{2}\text{He}+{}^{\ 0}_{-1}\text{e}13​H→23​He+−1 0​e
האיזוטופ של מימן שמספר המסה שלו 3 הוא T.

סעיף ב

תשובה:

H2\text{H}_2H2​ – חומר מולקולרי, מולקולות לא קוטביות עם ענן אלקטרונים קטן מאוד (2 אלקטרונים); בין המולקולות יש רק אינטראקציות ון־דר־ואלס חלשות מאוד, ונדרשת מעט אנרגייה כדי להתגבר עליהן.

מימן הוא חומר מולקולרי: הוא בנוי ממולקולות H2\text{H}_2H2​. ברתיחה מתגברים על הכוחות בין המולקולות (הקשר הקוולנטי H–H בתוך המולקולה אינו נשבר).
•מולקולת H2\text{H}_2H2​ אינה קוטבית (קשר בין שני אטומים זהים), ולכן בין המולקולות יש רק אינטראקציות ון־דר־ואלס.
•בכל מולקולה יש רק 2 אלקטרונים – ענן האלקטרונים קטן מאוד, ולכן אינטראקציות ון־דר־ואלס בין המולקולות חלשות מאוד.
כדי להפריד בין המולקולות ולהעביר את המימן ממצב נוזל למצב גז דרושה אנרגייה מועטה מאוד, ולכן טמפרטורת הרתיחה נמוכה מאוד.

סעיף ג

(i)

תשובה:

CH3(CH2)3CH2SH(l)+H2(g)→CH3(CH2)3CH3(l)+H2S(g)\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_2\text{SH}_{(l)}+\text{H}_{2(g)}\rightarrow\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_{3(l)}+\text{H}_2\text{S}_{(g)}CH3​(CH2​)3​CH2​SH(l)​+H2(g)​→CH3​(CH2​)3​CH3(l)​+H2​S(g)​

CH3(CH2)3CH2SH(l)+H2(g)→CH3(CH2)3CH3(l)+H2S(g)\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_2\text{SH}_{(l)}+\text{H}_{2(g)}\rightarrow\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_{3(l)}+\text{H}_2\text{S}_{(g)}CH3​(CH2​)3​CH2​SH(l)​+H2(g)​→CH3​(CH2​)3​CH3(l)​+H2​S(g)​
בדיקת איזון: בכל צד 5 אטומי C, 14 אטומי H (12+212+212+2 משמאל; 12+212+212+2 מימין) ואטום S אחד. היחס בין כל החומרים הוא 1:1:1:1.

(ii)

תשובה:

כמחזר: דרגת החמצון של אטומי H עולה מ־0 ב־H2\text{H}_2H2​ ל־+1 בתוצרים – H2\text{H}_2H2​ מוסר אלקטרונים (מתחמצן).

קביעה: H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ מגיב כמחזר.
נימוק: ב־H2\text{H}_2H2​ (יסוד) דרגת החמצון של אטומי המימן היא 0.
בתוצרים, אטומי המימן שמקורם ב־H2\text{H}_2H2​ קשורים לאטום S (ב־H2S\text{H}_2\text{S}H2​S) או לאטום C (בפנטאן). האלקטרושליליות של S (2.5) ושל C (2.5) גדולה מזו של H (2.1), ולכן בתוצרים דרגת החמצון של אטומי H היא +1+1+1.
דרגת החמצון של המימן עלתה מ־0 ל־+1+1+1: אטומי המימן מסרו אלקטרונים – H2\text{H}_2H2​ התחמצן, כלומר שימש מחזר (הוא מחזר את התרכובת האורגנית).

סעיף ד

(i)

תשובה:

כן. דרגת החמצון של יוני ההידריד (H−\text{H}^-H−) עולה מ־−1-1−1 ל־0, ושל אטומי H במים יורדת מ־+1+1+1 ל־0.

קביעה: כן, בתגובה (1) יש מעבר אלקטרונים – זוהי תגובת חמצון־חיזור.
נימוק: נקבע דרגות חמצון:
•ב־MgH2\text{MgH}_2MgH2​ – תרכובת יונית של יוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ ויוני הידריד H−\text{H}^{-}H−: דרגת החמצון של H היא −1-1−1 (Mg מתכת, אלקטרושליליות 1.2, נמוכה מזו של H, 2.1).
•ב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: דרגת החמצון של H היא +1+1+1.
•ב־H2\text{H}_2H2​: דרגת החמצון של H היא 0.
•דרגות החמצון של Mg (+2+2+2) ושל O (−2-2−2) אינן משתנות.
יוני H−\text{H}^{-}H− מוסרים אלקטרונים (−1→0-1\rightarrow0−1→0, חמצון), ואטומי H שבמולקולות המים מקבלים אלקטרונים (+1→0+1\rightarrow0+1→0, חיזור). כלומר אלקטרונים עוברים מיוני ההידריד אל אטומי המימן של המים.

(ii)

תשובה:

mMgH2=5260 g=5.26 kgm_{\text{MgH}_2}=5260\ \text{g}=5.26\ \text{kg}mMgH2​​=5260 g=5.26 kg

מספר המולים של H2\text{H}_2H2​:
nH2=VVM=10,000 L25 L/mol=400 moln_{\text{H}_2}=\frac{V}{V_M}=\frac{10{,}000\ \text{L}}{25\ \text{L/mol}}=400\ \text{mol}nH2​​=VM​V​=25 L/mol10,000 L​=400 mol
יחס המולים לפי תגובה (1): MgH2:H2=1:2\text{MgH}_2:\text{H}_2=1:2MgH2​:H2​=1:2
nMgH2=400 mol2=200 moln_{\text{MgH}_2}=\frac{400\ \text{mol}}{2}=200\ \text{mol}nMgH2​​=2400 mol​=200 mol
המסה המולרית: MMgH2=24.3+2⋅1.0=26.3 g/molM_{\text{MgH}_2}=24.3+2\cdot1.0=26.3\ \text{g/mol}MMgH2​​=24.3+2⋅1.0=26.3 g/mol
המסה:
m=n⋅M=200 mol⋅26.3 g/mol=5260 g=5.26 kgm=n\cdot M=200\ \text{mol}\cdot 26.3\ \text{g/mol}=5260\ \text{g}=5.26\ \text{kg}m=n⋅M=200 mol⋅26.3 g/mol=5260 g=5.26 kg

שאלה 4 · חומצות שומן באגוזים

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

השאלה כולה עוסקת בכימיה של מזון (חומצות שומן, רישום מקוצר, cis, טמפרטורות היתוך, הידרוגנציה, נוגדי חמצון) – פרק שאינו בתוכנית הבחינה לפי מיקוד 2027.

כימיה של מזון
מומחי תזונה ממליצים על אכילת אגוזים מדי יום, מכיוון שהם עשירים בין השאר בחומצות שומן רב־בלתי־רוויות המסייעות במניעת מחלות.

א.

לפניך ייצוג מקוצר לנוסחאות המבנה של שתי חומצות שומן, I ו־ II .

(i)

כתוב רישום מקוצר לכל אחת מחומצות השומן I ו־ II .

(ii)

נוסחאות I ו־ II הן ייצוג מקוצר לנוסחאות המבנה של שתי חומצות שומן המצויות באגוזים: חומצה לינולאית וחומצה אלפא־לינולנית.
טמפרטורת ההיתוך של חומצה אלפא־לינולנית נמוכה מטמפרטורת ההיתוך של חומצה לינולאית.
קבע איזו מן הנוסחאות, I או II , היא ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של חומצה אלפא־לינולנית. נמק את קביעתך.

ב.

קבע עבור כל אחד מן ההיגדים i ו־ ii שלפניך אם הוא נכון או לא נכון. נמק כל קביעה.

(i)

חומצה אלפא־לינולנית היא איזומר של חומצה לינולאית.

(ii)

אפשר לקבל חומצה לינולאית מחומצה אלפא־לינולנית בתהליך הידרוגנציה מְבוקר (סיפוח מימן).

ג.

בטבלה שלפניך מוצג מידע על המסה של חומצות השומן העיקריות ב־ 100 גרם של אגוזים משלושה סוגים: אגוזי ברזיל, אגוזי מלך ואגוזי אדמה (בוטנים).
סוג האגוזיםחומצה אלפא־לינולנית (גרם)חומצה לינולאית (גרם)חומצה אולאית (גרם)
אגוזי ברזיל0.0420.524.2
אגוזי מלך9.138.18.8
אגוזי אדמה (בוטנים)0.00315.724.0
הרישום המקוצר של חומצה אולאית הוא: C18:1ω9cis\text{C}18{:}1\omega9\text{cis}C18:1ω9cis .
איזה מבין שלושת סוגי האגוזים הוא העשיר ביותר בחומצות שומן רב־בלתי־רוויות?
פרט את חישוביך ונמק.

סוג האגוזים	חומצה אלפא־לינולנית (גרם)	חומצה לינולאית (גרם)	חומצה אולאית (גרם)
אגוזי ברזיל	0.04	20.5	24.2
אגוזי מלך	9.1	38.1	8.8
אגוזי אדמה (בוטנים)	0.003	15.7	24.0

ד.

האגוזים עשירים גם בנוגדי חמצון (אנטיאוקסידנטים) כגון ויטמין E .
מבין ההיגדים (1)-(4) שלפניך, ציין מה הם ההיגדים המתאימים לתיאור פעילותו של ויטמין E כנוגד חמצון.
ויטמין E :
(1) מגיב כמחמצן בתהליכי חמצון-חיזור.
(2) מנטרל את פעילותם המזיקה של רדיקלים חופשיים.
(3) עובר חִמצון בתוך כדי פעילותו.
(4) מונע תהליכי חמצון בלתי רצויים בגוף.

◂ פתרון מלא לשאלה 4

סעיף א

(i)

תשובה:

I: C18:3ω3\text{C}18{:}3\omega3C18:3ω3 cis,cis,cis ; II: C18:2ω6\text{C}18{:}2\omega6C18:2ω6 cis,cis

ברישום המקוצר מציינים: מספר אטומי הפחמן : מספר הקשרים הכפולים, ומיקום הקשר הכפול הראשון כשסופרים מקצה השרשרת (מפחמן ω\omegaω, אטום הפחמן של קבוצת ה־CH3\text{CH}_3CH3​ הקיצונית), וכן את מבנה הקשרים הכפולים (cis/trans).
חומצה I: 18 אטומי פחמן (כולל פחמן הקבוצה הקרבוקסילית), 3 קשרים כפולים, כולם במבנה cis. סופרים מקצה השרשרת: הקשר הכפול הראשון מתחיל בפחמן מספר 3.
C18:3ω3  cis,cis,cis\text{C}18{:}3\omega3\ \ \text{cis,cis,cis}C18:3ω3  cis,cis,cis
חומצה II: 18 אטומי פחמן, 2 קשרים כפולים במבנה cis; הקשר הכפול הראשון מקצה השרשרת מתחיל בפחמן מספר 6.
C18:2ω6  cis,cis\text{C}18{:}2\omega6\ \ \text{cis,cis}C18:2ω6  cis,cis

(ii)

תשובה:

נוסחה I – בה יותר קשרים כפולים cis (3 לעומת 2), יותר כיפופים בשרשרת, אינטראקציות ון־דר־ואלס חלשות יותר וטמפרטורת היתוך נמוכה יותר.

קביעה: נוסחה I מייצגת את חומצה אלפא־לינולנית.
נימוק: לשתי החומצות אותו מספר אטומי פחמן (18). בכל קשר כפול במבנה cis יש "כיפוף" בשרשרת הפחמנית. במולקולה I יש 3 קשרים כפולים cis ובמולקולה II רק 2, ולכן מולקולה I מכופפת יותר.
המולקולות המכופפות אינן יכולות להתקרב ולהיארז זו ליד זו בצפיפות, שטח המגע בין המולקולות קטן יותר, ולכן אינטראקציות ון־דר־ואלס בין המולקולות של I חלשות יותר. כדי להתגבר עליהן דרושה פחות אנרגייה, ולכן טמפרטורת ההיתוך של I נמוכה יותר – בהתאם לנתון על חומצה אלפא־לינולנית.

סעיף ב

(i)

תשובה:

לא נכון: לחומצה אלפא־לינולנית הנוסחה C18H30O2\text{C}_{18}\text{H}_{30}\text{O}_2C18​H30​O2​ ולחומצה לינולאית C18H32O2\text{C}_{18}\text{H}_{32}\text{O}_2C18​H32​O2​ – נוסחאות מולקולריות שונות.

קביעה: ההיגד לא נכון.
נימוק: איזומרים הם חומרים בעלי אותה נוסחה מולקולרית ונוסחאות מבנה שונות.
לשתי החומצות יש 18 אטומי פחמן ו־2 אטומי חמצן, אבל במולקולת חומצה אלפא־לינולנית יש קשר כפול אחד יותר, ולכן יש בה 2 אטומי מימן פחות:
•חומצה אלפא־לינולנית (I): C18H30O2\text{C}_{18}\text{H}_{30}\text{O}_2C18​H30​O2​
•חומצה לינולאית (II): C18H32O2\text{C}_{18}\text{H}_{32}\text{O}_2C18​H32​O2​
הנוסחאות המולקולריות שונות, ולכן החומצות אינן איזומרים.
טעות נפוצה: לחשוב שאיזומרים הם רק איזומרי cis/trans, או לקבוע שהחומצות הן איזומרים רק משום שיש להן אותו מספר אטומי פחמן.

(ii)

תשובה:

נכון: סיפוח מולקולת H2\text{H}_2H2​ אחת לקשר הכפול שבין פחמנים 3 ו־4 מקצה השרשרת (ω3) במולקולת חומצה אלפא־לינולנית נותן את חומצה לינולאית (C18:2ω6).

קביעה: ההיגד נכון.
נימוק: בהידרוגנציה מסתפחת מולקולת H2\text{H}_2H2​ לקשר כפול C=C\text{C}=\text{C}C=C, והוא הופך לקשר יחיד.
אם בתהליך מבוקר מסתפחת מולקולת H2\text{H}_2H2​ אחת לכל מולקולה של חומצה אלפא־לינולנית, דווקא לקשר הכפול הקרוב ביותר לקצה השרשרת (בין פחמנים 3 ו־4 מקצה ה־ω\omegaω), נשארים שני הקשרים הכפולים האחרים במבנה cis, במיקומים שבהם הם נמצאים בחומצה לינולאית: הקשר הכפול הראשון מקצה השרשרת מתחיל עכשיו בפחמן 6.
C18H30O2C18:3ω3+H2→C18H32O2C18:2ω6\underset{\text{C}18:3\omega3}{\text{C}_{18}\text{H}_{30}\text{O}_2}+\text{H}_2\rightarrow\underset{\text{C}18:2\omega6}{\text{C}_{18}\text{H}_{32}\text{O}_2}C18:3ω3C18​H30​O2​​+H2​→C18:2ω6C18​H32​O2​​
התוצר הוא חומצה לינולאית.
טעות נפוצה: לחשוב שבהידרוגנציה כל הקשרים הכפולים חייבים להפוך לקשרים יחידים – בהידרוגנציה מבוקרת אפשר לספח מימן רק לחלק מן הקשרים הכפולים.

סעיף ג

תשובה:

אגוזי מלך – 47.2 גרם חומצות שומן רב־בלתי־רוויות ב־100 גרם (לעומת 20.54 גרם באגוזי ברזיל ו־15.70 גרם בבוטנים).

חומצת שומן רב־בלתי־רוויה היא חומצת שומן שבמולקולה שלה יותר מקשר כפול אחד.
•חומצה אלפא־לינולנית – C18:3 (3 קשרים כפולים): רב־בלתי־רוויה.
•חומצה לינולאית – C18:2 (2 קשרים כפולים): רב־בלתי־רוויה.
•חומצה אולאית – C18:1ω9cis (קשר כפול אחד): חד־בלתי־רוויה, ולכן לא נכללת בחישוב.
נסכם את המסות של שתי החומצות הרב־בלתי־רוויות ב־100 גרם אגוזים:
•אגוזי ברזיל: 0.04 g+20.5 g=20.54 g0.04\ \text{g}+20.5\ \text{g}=20.54\ \text{g}0.04 g+20.5 g=20.54 g
•אגוזי מלך: 9.1 g+38.1 g=47.2 g9.1\ \text{g}+38.1\ \text{g}=47.2\ \text{g}9.1 g+38.1 g=47.2 g
•אגוזי אדמה: 0.003 g+15.7 g=15.70 g0.003\ \text{g}+15.7\ \text{g}=15.70\ \text{g}0.003 g+15.7 g=15.70 g
אגוזי מלך הם העשירים ביותר בחומצות שומן רב־בלתי־רוויות.
טעות נפוצה: לכלול בחישוב גם את החומצה האולאית – היא חד־בלתי־רוויה.

סעיף ד

תשובה:

ההיגדים (2), (3), (4).

ההיגדים המתאימים: (2), (3), (4).
נוגד חמצון הוא חומר מחזר: הוא מגיב עם מחמצנים מזיקים (כמו רדיקלים חופשיים) ומוסר להם אלקטרונים, ובכך הוא עצמו מתחמצן במקום מולקולות חשובות בגוף.
- (1) – לא מתאים: ויטמין E מגיב כמחזר, לא כמחמצן.
- (2) – מתאים: ויטמין E מגיב עם רדיקלים חופשיים (חלקיקים פעילים מאוד בעלי אלקטרון בודד) ומנטרל אותם.
- (3) – מתאים: כמחזר, ויטמין E מוסר אלקטרונים, כלומר עובר חמצון.
- (4) – מתאים: בכך שהוא מתחמצן במקום מולקולות אחרות, הוא מונע תהליכי חמצון בלתי רצויים בגוף.

שאלה 5 · אתאן ומתאנאל: כוחות בין־מולקולריים ונפחי גזים

שאלה פתוחה

מבנה וקישור ומצב גז
הגזים אתאן, C2H6(g)\text{C}_2\text{H}_{6(g)}C2​H6(g)​ , ומתאנאל, H2CO(g)\text{H}_2\text{CO}_{(g)}H2​CO(g)​ , משמשים חומרי מוצא בתעשיית החומרים הפלסטיים.

א.

ציין שני מאפיינים ברמה המיקרוסקופית של גז הנמצא בכלי סגור.

ב.

מתאנאל, H2CO(g)\text{H}_2\text{CO}_{(g)}H2​CO(g)​ , מתמוסס גם במים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ , וגם בבנזן, C6H6(l)\text{C}_6\text{H}_{6(l)}C6​H6(l)​ .

(i)

קבע איזה מן האיורים III-I שלפניך הוא תיאור סכמטי נכון של קשרי המימן שיכולים להיווצר בין מולקולה של מתאנאל ומולקולות של מים.
הסבר מדוע פסלת את שני האיורים האחרים.

(ii)

נסח את תהליך ההמסה של מתאנאל בבנזן.

ג.

מקררים בהדרגה את שני הגזים C2H6(g)\text{C}_2\text{H}_{6(g)}C2​H6(g)​ ו־ H2CO(g)\text{H}_2\text{CO}_{(g)}H2​CO(g)​ , כל גז בכלי אחר.
הראשון שמתעבה (הופך לנוזל) הוא מתאנאל, H2CO(g)\text{H}_2\text{CO}_{(g)}H2​CO(g)​ .
הסבר מדוע הגז H2CO(g)\text{H}_2\text{CO}_{(g)}H2​CO(g)​ מתעבה ראשון.

ד.

אתאן, C2H6(g)\text{C}_2\text{H}_{6(g)}C2​H6(g)​ , מגיב עם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , על פי התגובה:
2C2H6(g)+7O2(g)→4CO2(g)+6H2O(g)2\text{C}_2\text{H}_{6(g)}+7\text{O}_{2(g)}\rightarrow 4\text{CO}_{2(g)}+6\text{H}_2\text{O}_{(g)}2C2​H6(g)​+7O2(g)​→4CO2(g)​+6H2​O(g)​
ביצעו שני ניסויים. בכל אחד מן הניסויים הכניסו לתוך כלי דגימה של C2H6(g)\text{C}_2\text{H}_{6(g)}C2​H6(g)​ וכמות מתאימה של O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ והדליקו את תערובת הגזים.
בניסוי הראשון ביצעו את התגובה בכלי סגור שנפחו קבוע. במהלך הניסוי שמרו על טמפרטורה קבועה ומדדו את לחץ הגז בתוך הכלי.
קבע איזה מן הגרפים I - III שלפניך מתאר נכון את השתנות לחץ הגז בתוך הכלי. נמק.

ה.

בניסוי השני ביצעו את התגובה בכלי סגור שצורתו מזרק.
לתוך הכלי הכניסו 0.02 מול C2H6(g)\text{C}_2\text{H}_{6(g)}C2​H6(g)​ וכמות מתאימה של O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , והדליקו את תערובת הגזים. הגזים הגיבו בשלמות.
במהלך הניסוי שמרו על לחץ וטמפרטורה קבועים.
בתום התגובה מדדו את נפח הכלי.
בתנאי הניסוי, הנפח של 1 מול גז הוא 30 ליטר.

(i)

חשב את נפח החמצן שהגיב. פרט את חישוביך.

(ii)

מהו נפח הכלי שנמדד בתום הניסוי? פרט את חישוביך והסבר.

◂ פתרון מלא לשאלה 5

סעיף א

תשובה:

(1) המרחקים בין המולקולות גדולים מאוד ביחס לגודלן; (2) המולקולות נעות במהירות, באופן אקראי לכל הכיוונים, וממלאות את כל נפח הכלי (הכוחות ביניהן זניחים).

מאפיינים של גז ברמה המיקרוסקופית (החלקיקית) – די בשניים:
המרחקים בין החלקיקים (המולקולות) גדולים מאוד ביחס לגודל החלקיקים עצמם; רוב נפח הכלי ריק.
החלקיקים נמצאים בתנועה מהירה ואקראית לכל הכיוונים ומתפזרים בכל נפח הכלי.
הכוחות בין החלקיקים זניחים (כמעט אין משיכה ביניהם).
החלקיקים מתנגשים זה בזה ובדפנות הכלי – ההתנגשויות בדפנות יוצרות את לחץ הגז.

סעיף ב

(i)

תשובה:

איור II. I נפסל – הקשר מתואר בין אטום O לאטום O, ללא אטום H ביניהם; III נפסל – אטום H הקשור לפחמן במתאנאל אינו יכול ליצור קשר מימן.

קביעה: איור II נכון.
קשר מימן נוצר בין אטום מימן הקשור לאטום בעל אלקטרושליליות גבוהה (F, O או N) במולקולה אחת, ובין זוג אלקטרונים לא קושר על אטום F, O או N במולקולה אחרת.
•במים, אטומי H קשורים לאטום O (הפרש אלקטרושליליות גדול), ולכן הם נושאים מטען חלקי חיובי משמעותי ויכולים ליצור קשרי מימן.
•במתאנאל, אטומי H קשורים לאטום C (הפרש אלקטרושליליות קטן), ולכן אינם יכולים ליצור קשרי מימן. לעומת זאת, לאטום O במתאנאל יש שני זוגות אלקטרונים לא קושרים, והוא יכול לקבל קשרי מימן.
באיור II אטומי H של שתי מולקולות מים יוצרים קשרי מימן עם זוגות האלקטרונים הלא קושרים של אטום O במתאנאל – תיאור נכון.
איור I נפסל: קשרי המימן מתוארים בין אטום O של מולקולות המים ובין אטום O של המתאנאל, בלי אטום מימן ביניהם. קשר מימן חייב לכלול אטום H שנמצא בין שני האטומים.
איור III נפסל: אחד מקשרי המימן מתואר בין אטום H הקשור לאטום C במתאנאל ובין אטום O של מולקולת מים; אטום H כזה אינו יוצר קשר מימן.
טעות נפוצה: לפסול את איור II בטענה שאטום O אחד אינו יכול ליצור שני קשרי מימן – לאטום O במתאנאל יש שני זוגות אלקטרונים לא קושרים, וכל אחד מהם יכול להשתתף בקשר מימן.

(ii)

תשובה:

H2CO(g)→H2CO(C6H6)\text{H}_2\text{CO}_{(g)}\rightarrow\text{H}_2\text{CO}_{(\text{C}_6\text{H}_6)}H2​CO(g)​→H2​CO(C6​H6​)​

בתהליך ההמסה מולקולות המתאנאל (גז) מתפזרות בין מולקולות הבנזן. מולקולות המתאנאל אינן מתפרקות ליונים – המתאנאל הוא חומר מולקולרי.
H2CO(g)→C6H6(l)H2CO(C6H6)\text{H}_2\text{CO}_{(g)}\xrightarrow{\text{C}_6\text{H}_{6(l)}}\text{H}_2\text{CO}_{(\text{C}_6\text{H}_6)}H2​CO(g)​C6​H6(l)​​H2​CO(C6​H6​)​
(הסימון (C6H6)(\text{C}_6\text{H}_6)(C6​H6​) במקום (aq)(aq)(aq) מציין שהממס הוא בנזן ולא מים.)

סעיף ג

תשובה:

מולקולות מתאנאל קוטביות – ביניהן אינטראקציות ון־דר־ואלס הכוללות דו־קוטב–דו־קוטב; מולקולות אתאן לא קוטביות (ו.ד.ו. בלבד). גודל ענני האלקטרונים דומה (16 ו־18 אלקטרונים), ולכן הכוחות בין מולקולות המתאנאל חזקים יותר, טמפרטורת העיבוי שלו גבוהה יותר והוא מתעבה ראשון.

שני החומרים מולקולריים. בעיבוי נוצרים כוחות משיכה בין המולקולות, וגז שבין מולקולותיו כוחות משיכה חזקים יותר מתעבה בטמפרטורה גבוהה יותר – כלומר ראשון בקירור הדרגתי.
- מתאנאל, H2CO\text{H}_2\text{CO}H2​CO: הקשר C=O קוטבי, והמולקולה קוטבית. בין המולקולות יש אינטראקציות ון־דר־ואלס, ובהן גם משיכה בין דו־קטבים קבועים.
- אתאן, C2H6\text{C}_2\text{H}_6C2​H6​: מולקולה לא קוטבית; בין המולקולות יש רק אינטראקציות ון־דר־ואלס בין דו־קטבים רגעיים.
- גודל ענן האלקטרונים דומה: במולקולת מתאנאל 16 אלקטרונים ובמולקולת אתאן 18 אלקטרונים.
מאחר שגודל ענני האלקטרונים דומה, הקוטביות של מולקולות המתאנאל היא הגורם המכריע: הכוחות בין מולקולות המתאנאל חזקים יותר, ולכן טמפרטורת העיבוי (הרתיחה) של מתאנאל גבוהה יותר, ובקירור הדרגתי הוא מתעבה ראשון.
שימו לב: בין מולקולות מתאנאל אין קשרי מימן – אטומי המימן קשורים לפחמן.

סעיף ד

תשובה:

גרף III – בתגובה מספר מולי הגז עולה (מ־9 ל־10 לכל 2 מול אתאן), ובנפח וטמפרטורה קבועים הלחץ גדל ככל שמספר מולי הגז גדל.

קביעה: גרף III.
נימוק: לפי ניסוח התגובה, משמאל יש 2+7=92+7=92+7=9 מול גז ומימין 4+6=104+6=104+6=10 מול גז – במהלך התגובה מספר מולי הגז בכלי גדל.
בכלי סגור שנפחו קבוע ובטמפרטורה קבועה, לחץ הגז נמצא ביחס ישר למספר מולי הגז (P=nRTVP=\frac{nRT}{V}P=VnRT​, כש־VVV ו־TTT קבועים). לכן הלחץ עולה במהלך התגובה.
בתחילת התגובה ריכוז המגיבים גבוה והתגובה מהירה, ולכן הלחץ עולה במהירות; בהמשך הקצב קטן והעלייה מתמתנת, עד שהתגובה מסתיימת והלחץ מתייצב – כמו בגרף III.
- גרף I – לחץ קבוע: מתאים לתגובה שבה מספר מולי הגז אינו משתנה.
- גרף II – לחץ יורד: מתאים לתגובה שבה מספר מולי הגז קטן.
טעות נפוצה: לבחור בגרף I בנימוק שהטמפרטורה והנפח קבועים – הלחץ תלוי גם במספר מולי הגז, והוא משתנה בתגובה.

סעיף ה

(i)

תשובה:

VO2=2.1 LV_{\text{O}_2}=2.1\ \text{L}VO2​​=2.1 L

יחס המולים לפי התגובה: C2H6:O2=2:7\text{C}_2\text{H}_6:\text{O}_2=2:7C2​H6​:O2​=2:7
nO2=0.02 mol⋅72=0.07 moln_{\text{O}_2}=0.02\ \text{mol}\cdot\frac{7}{2}=0.07\ \text{mol}nO2​​=0.02 mol⋅27​=0.07 mol
נפח החמצן:
V=n⋅VM=0.07 mol⋅30 L/mol=2.1 LV=n\cdot V_M=0.07\ \text{mol}\cdot 30\ \text{L/mol}=2.1\ \text{L}V=n⋅VM​=0.07 mol⋅30 L/mol=2.1 L
טעות נפוצה: לחשב לפי יחס מולים 1:1 בין C2H6\text{C}_2\text{H}_6C2​H6​ ל־O2\text{O}_2O2​.

(ii)

תשובה:

3.0 L3.0\ \text{L}3.0 L

הסבר: הכלי הוא מזרק, ולכן נפחו משתנה כך שהלחץ נשאר קבוע. בלחץ ובטמפרטורה קבועים נפח הגז נמצא ביחס ישר למספר המולים של הגז. הגזים הגיבו בשלמות, ולכן בתום התגובה נמצאים בכלי רק התוצרים: CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ ו־H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ (בתנאי הניסוי המים במצב גז, כמו בניסוח).
מספר המולים של התוצרים (יחס C2H6:CO2:H2O=2:4:6\text{C}_2\text{H}_6:\text{CO}_2:\text{H}_2\text{O}=2:4:6C2​H6​:CO2​:H2​O=2:4:6):
nCO2=0.02 mol⋅42=0.04 molnH2O=0.02 mol⋅62=0.06 moln_{\text{CO}_2}=0.02\ \text{mol}\cdot\frac{4}{2}=0.04\ \text{mol}\qquad n_{\text{H}_2\text{O}}=0.02\ \text{mol}\cdot\frac{6}{2}=0.06\ \text{mol}nCO2​​=0.02 mol⋅24​=0.04 molnH2​O​=0.02 mol⋅26​=0.06 mol
ntotal=0.04 mol+0.06 mol=0.10 moln_{\text{total}}=0.04\ \text{mol}+0.06\ \text{mol}=0.10\ \text{mol}ntotal​=0.04 mol+0.06 mol=0.10 mol
נפח הכלי בתום הניסוי:
V=n⋅VM=0.10 mol⋅30 L/mol=3.0 LV=n\cdot V_M=0.10\ \text{mol}\cdot 30\ \text{L/mol}=3.0\ \text{L}V=n⋅VM​=0.10 mol⋅30 L/mol=3.0 L
(לשם השוואה: בתחילת הניסוי היו בכלי 0.02+0.07=0.090.02+0.07=0.090.02+0.07=0.09 מול גז, בנפח 2.7 L2.7\ \text{L}2.7 L; הנפח גדל.)
טעות נפוצה: לקבוע שנפח הכלי אינו משתנה – הכלי הוא מזרק, והלחץ (ולא הנפח) נשמר קבוע.

שאלה 6 · אמוניה וחומצה חנקתית

שאלה פתוחה

חמצון-חיזור, חומצות ובסיסים וסטויכיומטריה
השאלה עוסקת בתגובות של שני חומרים: אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , וחומצה חנקתית, HNO3(l)\text{HNO}_{3(l)}HNO3(l)​ .
שני החומרים האלה משמשים בתעשייה הכימית, בין השאר לייצור דשנים.

א.

בתנאים מסוימים, אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , מגיבה עם תמיסה המכילה יוני מימן פחמתי, HCO3(aq)−\text{HCO}^{-}_{3(aq)}HCO3(aq)−​ , על פי תגובה (1) :
(1)NH3(g)+HCO3(aq)−→NH4(aq)++CO3(aq)2−(1)\quad \text{NH}_{3(g)}+\text{HCO}^{-}_{3(aq)}\rightarrow\text{NH}^{+}_{4(aq)}+\text{CO}^{2-}_{3(aq)}(1)NH3(g)​+HCO3(aq)−​→NH4(aq)+​+CO3(aq)2−​

(i)

תגובה (1) היא תגובת חומצה-בסיס. הסבר מדוע.

(ii)

750 מ"ל NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ הגיבו עם 150 מ"ל תמיסת נתרן מימן פחמתי, NaHCO3(aq)\text{NaHCO}_{3(aq)}NaHCO3(aq)​ .
המגיבים הגיבו בשלמות.
בתנאי התגובה, הנפח של 1 מול גז הוא 25 ליטר.
חשב את הריכוז המולרי של יוני HCO3(aq)−\text{HCO}^{-}_{3(aq)}HCO3(aq)−​ בתמיסה. פרט את חישוביך.

ב.

שני החומרים, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ ו־ HNO3(l)\text{HNO}_{3(l)}HNO3(l)​ , מגיבים בתגובות חמצון-חיזור.

(i)

התייחס לאטומי N , וקבע איזה משני החומרים יכול להגיב רק כמחזר. נמק.

(ii)

אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , מגיבה עם תמיסת מימן על־חמצני, H2O2(aq)\text{H}_2\text{O}_{2(aq)}H2​O2(aq)​ .
קבע איזה חומר יכול להיות אחד מתוצרי התגובה: O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ או H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ . נמק.

(iii)

תמיסת HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ מגיבה עם פחמן, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ , על פי תגובה (2) :
(2)4H3O(aq)++4NO3(aq)−+3C(s)→4NO(g)+3CO2(g)+6H2O(l)(2)\quad 4\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+4\text{NO}^{-}_{3(aq)}+3\text{C}_{(s)}\rightarrow 4\text{NO}_{(g)}+3\text{CO}_{2(g)}+6\text{H}_2\text{O}_{(l)}(2)4H3​O(aq)+​+4NO3(aq)−​+3C(s)​→4NO(g)​+3CO2(g)​+6H2​O(l)​
קבע כמה מול אלקטרונים עוברים בתגובה שבה מגיבים 0.15 מול C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ . פרט את חישוביך.

ג.

תמיסת HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ מגיבה עם מגנזיום חמצני, MgO(s)\text{MgO}_{(s)}MgO(s)​ , על פי תגובה (3) .
(3)MgO(s)+2H3O(aq)++2NO3(aq)−→Mg(aq)2++2NO3(aq)−+3H2O(l)(3)\quad \text{MgO}_{(s)}+2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+2\text{NO}^{-}_{3(aq)}\rightarrow\text{Mg}^{2+}_{(aq)}+2\text{NO}^{-}_{3(aq)}+3\text{H}_2\text{O}_{(l)}(3)MgO(s)​+2H3​O(aq)+​+2NO3(aq)−​→Mg(aq)2+​+2NO3(aq)−​+3H2​O(l)​
בכל אחד משני כלים A ו־ B יש 200 מ"ל תמיסת HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ בריכוז 0.5M0.5\text{M}0.5M .
לכלי A הכניסו 1.0 גרם MgO(s)\text{MgO}_{(s)}MgO(s)​ .
לכלי B הכניסו 1.5 גרם MgO(s)\text{MgO}_{(s)}MgO(s)​ .
בתום התגובה, ה־ pH של התמיסה בכל אחד מן הכלים A ו־ B עדיין היה חומצי.
קבע באיזה משני הכלים — A או B — ה־ pH בתום התגובה היה נמוך יותר.
נמק את קביעתך.

◂ פתרון מלא לשאלה 6

סעיף א

(i)

תשובה:

בתגובה עובר פרוטון (H+\text{H}^+H+) מיון HCO3−\text{HCO}_3^-HCO3−​ (חומצה – מוסר פרוטון) אל מולקולת NH3\text{NH}_3NH3​ (בסיס – מקבל פרוטון).

תגובת חומצה־בסיס היא תגובה שבה עובר פרוטון (H+\text{H}^+H+) מחלקיק אחד לחלקיק אחר.
בתגובה (1):
•יון HCO3−\text{HCO}_3^{-}HCO3−​ מוסר פרוטון והופך ליון CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​ – הוא מגיב כחומצה.
•מולקולת NH3\text{NH}_3NH3​ מקבלת פרוטון והופכת ליון NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​ – היא מגיבה כבסיס.
לכן תגובה (1) היא תגובת חומצה־בסיס.

(ii)

תשובה:

[HCO3−]=0.200 M[\text{HCO}_3^-]=0.200\ \text{M}[HCO3−​]=0.200 M

מספר המולים של NH3\text{NH}_3NH3​:
nNH3=VVM=0.750 L25 L/mol=0.0300 moln_{\text{NH}_3}=\frac{V}{V_M}=\frac{0.750\ \text{L}}{25\ \text{L/mol}}=0.0300\ \text{mol}nNH3​​=VM​V​=25 L/mol0.750 L​=0.0300 mol
יחס המולים לפי תגובה (1): NH3:HCO3−=1:1\text{NH}_3:\text{HCO}_3^-=1:1NH3​:HCO3−​=1:1, והמגיבים הגיבו בשלמות, לכן:
nHCO3−=0.0300 moln_{\text{HCO}_3^-}=0.0300\ \text{mol}nHCO3−​​=0.0300 mol
הריכוז בתמיסה (נפח התמיסה 150 mL=0.150 L150\ \text{mL}=0.150\ \text{L}150 mL=0.150 L):
C=nV=0.0300 mol0.150 L=0.200 MC=\frac{n}{V}=\frac{0.0300\ \text{mol}}{0.150\ \text{L}}=0.200\ \text{M}C=Vn​=0.150 L0.0300 mol​=0.200 M
טעות נפוצה: לשכוח להמיר מ"ל לליטר בנפח הגז (750 mL=0.750 L750\ \text{mL}=0.750\ \text{L}750 mL=0.750 L).

סעיף ב

(i)

תשובה:

NH3\text{NH}_3NH3​: דרגת החמצון של N היא −3-3−3, הנמוכה ביותר האפשרית לחנקן; הוא יכול רק למסור אלקטרונים.

קביעה: NH3\text{NH}_{3}NH3​ יכול להגיב רק כמחזר.
נימוק: נקבע את דרגת החמצון של N:
•ב־NH3\text{NH}_3NH3​: אטומי H (+1+1+1), לכן x+3⋅(+1)=0x+3\cdot(+1)=0x+3⋅(+1)=0, x=−3x=-3x=−3.
•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.
לאטום N יש 5 אלקטרוני ערכיות. דרגת החמצון −3-3−3 היא הנמוכה ביותר האפשרית לחנקן (האטום "קיבל" 3 אלקטרונים והשלים אוקטט), ולכן N ב־NH3\text{NH}_3NH3​ אינו יכול לקבל עוד אלקטרונים – הוא יכול רק למסור אלקטרונים, כלומר לשמש רק מחזר.
(לעומת זאת, +5+5+5 ב־HNO3\text{HNO}_3HNO3​ היא דרגת החמצון הגבוהה ביותר של N, ולכן N ב־HNO3\text{HNO}_3HNO3​ יכול לשמש רק מחמצן.)

(ii)

תשובה:

H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​: NH3\text{NH}_3NH3​ מגיב רק כמחזר, ולכן H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​ מגיב כמחמצן ומתחזר – דרגת החמצון של O יורדת מ־−1-1−1 ל־−2-2−2 (ב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O).

קביעה: H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​.
נימוק: לפי סעיף i, NH3\text{NH}_3NH3​ יכול להגיב רק כמחזר. לכן בתגובה זו H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​ חייב להגיב כמחמצן – כלומר לקבל אלקטרונים ולהתחזר.
דרגת החמצון של O:
•ב־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​: 2⋅(+1)+2x=02\cdot(+1)+2x=02⋅(+1)+2x=0, x=−1x=-1x=−1.
•ב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O: −2-2−2 – ירידה בדרגת החמצון (חיזור).
•ב־O2\text{O}_2O2​: 000 – עלייה בדרגת החמצון (חמצון).
כיוון ש־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​ מתחזר, התוצר שנוצר ממנו הוא H2O\text{H}_2\text{O}H2​O. היווצרות O2\text{O}_2O2​ פירושה ש־H2O2\text{H}_2\text{O}_2H2​O2​ מתחמצן (משמש מחזר), ואז לא היה בתגובה מחמצן כלל.

(iii)

תשובה:

0.60 mol0.60\ \text{mol}0.60 mol אלקטרונים

דרגות החמצון:
•N: ב־NO3−\text{NO}_3^{-}NO3−​: x+3⋅(−2)=−1x+3\cdot(-2)=-1x+3⋅(−2)=−1, x=+5x=+5x=+5; ב־NO\text{NO}NO: x+(−2)=0x+(-2)=0x+(−2)=0, x=+2x=+2x=+2. כל אטום N מקבל 3 אלקטרונים.
•C: ב־C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ (יסוד) 0; ב־CO2\text{CO}_2CO2​: x+2⋅(−2)=0x+2\cdot(-2)=0x+2⋅(−2)=0, x=+4x=+4x=+4. כל אטום C מוסר 4 אלקטרונים.
בדיקה לפי הניסוח: 4 אטומי N מקבלים 4⋅3=124\cdot 3=124⋅3=12 אלקטרונים, ו־3 אטומי C מוסרים 3⋅4=123\cdot 4=123⋅4=12 אלקטרונים – מספר שווה.
כלומר על כל 3 מול C עוברים 12 מול אלקטרונים, ועל כל 1 מול C עוברים 4 מול אלקטרונים.
עבור 0.15 מול C:
ne−=0.15 mol C⋅4 mol e−1 mol C=0.60 mol e−n_{e^-}=0.15\ \text{mol C}\cdot\frac{4\ \text{mol}\ e^-}{1\ \text{mol C}}=0.60\ \text{mol}\ e^-ne−​=0.15 mol C⋅1 mol C4 mol e−​=0.60 mol e−

סעיף ג

תשובה:

בכלי A: בו הגיבה פחות MgO\text{MgO}MgO, נשארו יותר יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ (0.0504 מול לעומת 0.0256 מול באותו נפח), ריכוזם גבוה יותר וה־pH נמוך יותר.

קביעה: ה־pH נמוך יותר בכלי A.
נימוק: בשני הכלים אותה כמות חומצה:
nH3O+=C⋅V=0.5 mol/L⋅0.200 L=0.100 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=C\cdot V=0.5\ \text{mol/L}\cdot0.200\ \text{L}=0.100\ \text{mol}nH3​O+​=C⋅V=0.5 mol/L⋅0.200 L=0.100 mol
MMgO=24.3+16.0=40.3 g/molM_{\text{MgO}}=24.3+16.0=40.3\ \text{g/mol}MMgO​=24.3+16.0=40.3 g/mol. לפי תגובה (3), כל מול MgO\text{MgO}MgO מגיב עם 2 מול H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+. התמיסה בתום התגובה חומצית, לכן כל ה־MgO\text{MgO}MgO הגיב והחומצה בעודף.
כלי Aכלי B
nMgOn_{\text{MgO}}nMgO​ (mol)1.0 g40.3 g/mol=0.0248\frac{1.0\ \text{g}}{40.3\ \text{g/mol}}=0.024840.3 g/mol1.0 g​=0.02481.5 g40.3 g/mol=0.0372\frac{1.5\ \text{g}}{40.3\ \text{g/mol}}=0.037240.3 g/mol1.5 g​=0.0372
nH3O+n_{\text{H}_3\text{O}^+}nH3​O+​ שהגיבו (mol)2⋅0.0248=0.04962\cdot0.0248=0.04962⋅0.0248=0.04962⋅0.0372=0.07442\cdot0.0372=0.07442⋅0.0372=0.0744
nH3O+n_{\text{H}_3\text{O}^+}nH3​O+​ שנשארו (mol)0.100−0.0496=0.05040.100-0.0496=0.05040.100−0.0496=0.05040.100−0.0744=0.02560.100-0.0744=0.02560.100−0.0744=0.0256
[H3O+][\text{H}_3\text{O}^+][H3​O+] (M)0.0504 mol0.200 L=0.252\frac{0.0504\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}}=0.2520.200 L0.0504 mol​=0.2520.0256 mol0.200 L=0.128\frac{0.0256\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}}=0.1280.200 L0.0256 mol​=0.128
לכלי A הוכנסה מסה קטנה יותר של MgO\text{MgO}MgO, ולכן הגיבו בו פחות יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ ונשארו בו יותר. נפח התמיסה בשני הכלים זהה, ולכן ריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ בכלי A גבוה יותר, והתמיסה בו חומצית יותר – ה־pH נמוך יותר.
(אפשר לנמק גם בלי חישוב: אותה כמות חומצה, ובכלי B יותר MgO\text{MgO}MgO שצורך יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+.)

	כלי A	כלי B
$n_{\text{MgO}}$ (mol)	$\frac{1.0\ \text{g}}{40.3\ \text{g/mol}}=0.0248$	$\frac{1.5\ \text{g}}{40.3\ \text{g/mol}}=0.0372$
$n_{\text{H}_3\text{O}^+}$ שהגיבו (mol)	$2\cdot0.0248=0.0496$	$2\cdot0.0372=0.0744$
$n_{\text{H}_3\text{O}^+}$ שנשארו (mol)	$0.100-0.0496=0.0504$	$0.100-0.0744=0.0256$
$[\text{H}_3\text{O}^+]$ (M)	$\frac{0.0504\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}}=0.252$	$\frac{0.0256\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}}=0.128$

שאלה 7 · הלוגנים: אנתלפיית אידוי ואנתלפיות קשר

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף ג ii (הגורם המשפיע על אנתלפיית קשר – רדיוס האטומים ואורך הקשר) וסעיף ד (חישוב ΔH\Delta HΔH מאנתלפיות קשר) אינם בתוכנית הבחינה לפי מיקוד 2027. סעיפים א, ב וג i בתוך המיקוד.

מבנה וקישור ואנרגייה
השאלה דנה בהיבטים אנרגטיים הנוגעים ליסודות ממשפחת ההלוגנים.

א.

הערך של אנתלפיית האידוי, ΔHv0\Delta H^0_vΔHv0​ , של ברום, Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ , בטמפרטורת הרתיחה, הוא: ΔHv0=30.0 kJmol\Delta H^0_v=30.0\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}ΔHv0​=30.0 molkJ​ .
קבע איזה משלושת התיאורים הגרפיים III-I שלפניך מציג נכון את שינוי האנתלפיה בתהליך האידוי של Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ . נמק את קביעתך.

ב.

בטבלה שלפניך מוצגים ערכי ΔHv0\Delta H^0_vΔHv0​ עבור שלושה יסודות ממשפחת ההלוגנים.
היסוד**אנתלפיית אידוי**, ΔHv0\Delta H^0_vΔHv0​ (kJmol)\left(\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)(molkJ​)
Cl2(l)\text{Cl}_{2(l)}Cl2(l)​20.4
Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​30.0
I2(l)\text{I}_{2(l)}I2(l)​41.8
לפניך שני ערכים של אנתלפיית אידוי, ΔHv0\Delta H^0_vΔHv0​ : 6.6 kJmol6.6\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}6.6 molkJ​ ו־ 26.4 kJmol26.4\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}26.4 molkJ​ .
קבע איזה משני ערכים אלה הוא הערך המתאים עבור ΔHv0\Delta H^0_vΔHv0​ של פלואור, F2(l)\text{F}_{2(l)}F2(l)​ . נמק את קביעתך.

היסוד	אנתלפיית אידוי, $\Delta H^0_v$ $\left(\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)$
$\text{Cl}_{2(l)}$	20.4
$\text{Br}_{2(l)}$	30.0
$\text{I}_{2(l)}$	41.8

ג.

בטבלה שלפניך מוצגים ערכים של אנתלפיות קשר.
הקשרH−Cl\text{H}-\text{Cl}H−ClBr−Br\text{Br}-\text{Br}Br−BrH−Br\text{H}-\text{Br}H−BrCl−Cl\text{Cl}-\text{Cl}Cl−Cl
**אנתלפיית הקשר** (kJmol)\left(\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)(molkJ​)431193366242

הקשר	$\text{H}-\text{Cl}$	$\text{Br}-\text{Br}$	$\text{H}-\text{Br}$	$\text{Cl}-\text{Cl}$
אנתלפיית הקשר $\left(\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)$	431	193	366	242

(i)

הסבר מדוע הערך של אנתלפיית הקשר Br−Br\text{Br}-\text{Br}Br−Br גדול מן הערך של אנתלפיית האידוי, ΔHv0\Delta H^0_vΔHv0​ , של ברום, Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ .

(ii)

ציין מהו הגורם לכך שהערך של אנתלפיית הקשר Cl−Cl\text{Cl}-\text{Cl}Cl−Cl גדול מן הערך של אנתלפיית הקשר Br−Br\text{Br}-\text{Br}Br−Br .

ד.

(i)

כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ , מגיב עם מימן ברומי, HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ , על פי תגובה (1) :
(1)Cl2(g)+2HBr(g)→Br2(g)+2HCl(g)(1)\quad \text{Cl}_{2(g)}+2\text{HBr}_{(g)}\rightarrow\text{Br}_{2(g)}+2\text{HCl}_{(g)}(1)Cl2(g)​+2HBr(g)​→Br2(g)​+2HCl(g)​
היעזר בנתונים שבטבלה וחשב את הערך של ΔH0\Delta H^0ΔH0 עבור תגובה (1) . פרט את חישוביך.

(ii)

כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ , מגיב עם מימן ברומי, HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ , גם על פי תגובה (2) :
(2)Cl2(g)+2HBr(g)→Br2(l)+2HCl(g)(2)\quad \text{Cl}_{2(g)}+2\text{HBr}_{(g)}\rightarrow\text{Br}_{2(l)}+2\text{HCl}_{(g)}(2)Cl2(g)​+2HBr(g)​→Br2(l)​+2HCl(g)​
היעזר בנתונים שבשאלה וחשב את הערך של ΔH0\Delta H^0ΔH0 עבור תגובה (2) . פרט את חישוביך.

◂ פתרון מלא לשאלה 7

סעיף א

תשובה:

תיאור III: באידוי Br2(l)→Br2(g)\text{Br}_{2(l)}\rightarrow\text{Br}_{2(g)}Br2(l)​→Br2(g)​ נקלטת אנרגייה (ΔH=+30.0 kJ\Delta H=+30.0\ \text{kJ}ΔH=+30.0 kJ), ולכן לגז אנתלפיה גבוהה יותר מלנוזל.

קביעה: תיאור III.
נימוק: תהליך האידוי של ברום הוא:
Br2(l)→Br2(g)ΔHv0=+30.0 kJ\text{Br}_{2(l)}\rightarrow\text{Br}_{2(g)}\qquad\Delta H^0_v=+30.0\ \text{kJ}Br2(l)​→Br2(g)​ΔHv0​=+30.0 kJ
באידוי מתגברים על הכוחות בין מולקולות Br2\text{Br}_2Br2​ (אינטראקציות ון־דר־ואלס), ולשם כך יש להשקיע אנרגייה – התהליך אנדותרמי. לכן האנתלפיה של Br2(g)\text{Br}_{2(g)}Br2(g)​ (התוצר) גבוהה ב־30.0 kJ מן האנתלפיה של Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ (המגיב). בתיאור III המגיב Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ למטה, התוצר Br2(g)\text{Br}_{2(g)}Br2(g)​ למעלה, והחץ כלפי מעלה – תיאור נכון.
- תיאור I – שגוי: Br2(g)\text{Br}_{2(g)}Br2(g)​ מוצג ברמת אנתלפיה נמוכה מ־Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​, כאילו גז הופך לנוזל בקליטת אנרגייה. זה תיאור של עיבוי (ובכיוון אנרגטי שגוי).
- תיאור II – שגוי: התוצר הוא אטומים, 2Br(g)2\text{Br}_{(g)}2Br(g)​. באידוי הקשר הקוולנטי Br–Br בתוך המולקולה אינו נשבר; נשברים רק הכוחות בין המולקולות.
טעות נפוצה: לבחור בתיאור II בטענה שבאידוי "נשבר הקשר" – באידוי נשברים רק הקשרים הבין־מולקולריים.

סעיף ב

תשובה:

6.6 kJmol6.6\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}6.6 molkJ​ – ל־F2\text{F}_2F2​ ענן האלקטרונים הקטן ביותר, ולכן אינטראקציות ון־דר־ואלס בין מולקולותיו החלשות ביותר והאנתלפיה נמוכה מזו של Cl2\text{Cl}_2Cl2​ (20.4).

קביעה: ΔHv0(F2)=6.6 kJmol\Delta H^0_v(\text{F}_2)=6.6\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}ΔHv0​(F2​)=6.6 molkJ​.
נימוק: כל ההלוגנים בנויים ממולקולות דו־אטומיות לא קוטביות, ובין המולקולות יש רק אינטראקציות ון־דר־ואלס. אנתלפיית האידוי היא האנרגייה הדרושה להתגבר על כוחות אלה.
חוזק אינטראקציות ון־דר־ואלס גדל ככל שענן האלקטרונים של המולקולה גדול יותר. בטור ההלוגנים מספר האלקטרונים במולקולה גדל: F2\text{F}_2F2​ (18) < Cl2\text{Cl}_2Cl2​ (34) < Br2\text{Br}_2Br2​ (70) < I2\text{I}_2I2​ (106), ובהתאם ΔHv0\Delta H^0_vΔHv0​ גדלה: 20.4<30.0<41.820.4<30.0<41.820.4<30.0<41.8.
ל־F2\text{F}_2F2​ ענן האלקטרונים הקטן ביותר, ולכן אינטראקציות ון־דר־ואלס בין מולקולותיו חלשות מאלה שבין מולקולות Cl2\text{Cl}_2Cl2​, ואנתלפיית האידוי שלו צריכה להיות קטנה מ־20.4 kJmol\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}molkJ​. הערך 26.4 גדול מזה של Cl2\text{Cl}_2Cl2​, ולכן אינו מתאים.

סעיף ג

(i)

תשובה:

באידוי (30.0 kJ/mol) מתגברים רק על אינטראקציות ון־דר־ואלס בין מולקולות Br2\text{Br}_2Br2​; אנתלפיית הקשר (193 kJ/mol) היא האנרגייה לשבירת הקשר הקוולנטי Br–Br, שהוא חזק בהרבה מכוחות בין־מולקולריים.

- אנתלפיית האידוי (30.0 kJmol30.0\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}30.0 molkJ​) – האנרגייה הדרושה להעביר 1 מול Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ למצב גז. בתהליך זה מתגברים רק על אינטראקציות ון־דר־ואלס בין המולקולות; המולקולות Br2\text{Br}_2Br2​ נשארות שלמות.
- אנתלפיית הקשר Br–Br (193 kJmol193\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}193 molkJ​) – האנרגייה הדרושה לשבור 1 מול קשרים קוולנטיים Br–Br בתוך המולקולות (ליצירת אטומי Br בודדים).
בקשר קוולנטי זוג האלקטרונים המשותף נמשך לשני הגרעינים בכוח חזק, ואילו אינטראקציות ון־דר־ואלס הן משיכה חלשה בין דו־קטבים רגעיים של מולקולות שלמות. קשר קוולנטי חזק בהרבה מקשרים בין־מולקולריים, ולכן אנתלפיית הקשר גדולה בהרבה מאנתלפיית האידוי.

(ii)

תשובה:

רדיוס האטום של Cl קטן מזה של Br (פחות רמות אנרגייה מאוכלסות), ולכן הקשר Cl–Cl קצר יותר וחזק יותר.

הגורם: רדיוס האטומים (אורך הקשר).
לאטום Cl (שורה 3) יש פחות רמות אנרגייה מאוכלסות מאשר לאטום Br (שורה 4), ולכן רדיוס האטום של Cl קטן יותר. הקשר Cl–Cl קצר יותר: זוג האלקטרונים המשותף קרוב יותר לגרעינים ונמשך אליהם חזק יותר, ולכן הקשר חזק יותר ואנתלפיית הקשר גדולה יותר (242>193 kJmol242>193\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}242>193 molkJ​).

סעיף ד

(i)

תשובה:

ΔH(1)0=−81 kJ\Delta H^0_{(1)}=-81\ \text{kJ}ΔH(1)0​=−81 kJ

ΔH0\Delta H^0ΔH0 = (סכום אנתלפיות הקשרים הנשברים) − (סכום אנתלפיות הקשרים הנוצרים). כל החומרים בתגובה (1) במצב גז.
קשרים נשברים (במגיבים): 1 קשר Cl–Cl ו־2 קשרי H–Br:
242 kJ+2⋅366 kJ=974 kJ242\ \text{kJ}+2\cdot366\ \text{kJ}=974\ \text{kJ}242 kJ+2⋅366 kJ=974 kJ
קשרים נוצרים (בתוצרים): 1 קשר Br–Br ו־2 קשרי H–Cl:
193 kJ+2⋅431 kJ=1055 kJ193\ \text{kJ}+2\cdot431\ \text{kJ}=1055\ \text{kJ}193 kJ+2⋅431 kJ=1055 kJ
ΔH(1)0=974 kJ−1055 kJ=−81 kJ\Delta H^0_{(1)}=974\ \text{kJ}-1055\ \text{kJ}=-81\ \text{kJ}ΔH(1)0​=974 kJ−1055 kJ=−81 kJ
התגובה אקסותרמית: האנרגייה הנפלטת ביצירת הקשרים גדולה מן האנרגייה המושקעת בשבירתם.

(ii)

תשובה:

ΔH(2)0=−111 kJ\Delta H^0_{(2)}=-111\ \text{kJ}ΔH(2)0​=−111 kJ

תגובה (2) שונה מתגובה (1) רק בכך שהברום מתקבל במצב נוזל. לפי חוק הס, אפשר לקבל את תגובה (2) כסכום של תגובה (1) ושל עיבוי הברום (התהליך ההפוך לאידוי, ולכן ΔH=−30.0 kJ\Delta H=-30.0\ \text{kJ}ΔH=−30.0 kJ עבור 1 מול):
Cl2(g)+2HBr(g)→Br2(g)+2HCl(g)ΔH(1)0=−81 kJ\text{Cl}_{2(g)}+2\text{HBr}_{(g)}\rightarrow\text{Br}_{2(g)}+2\text{HCl}_{(g)}\qquad\Delta H^0_{(1)}=-81\ \text{kJ}Cl2(g)​+2HBr(g)​→Br2(g)​+2HCl(g)​ΔH(1)0​=−81 kJ
Br2(g)→Br2(l)ΔH0=−30.0 kJ\text{Br}_{2(g)}\rightarrow\text{Br}_{2(l)}\qquad\Delta H^0=-30.0\ \text{kJ}Br2(g)​→Br2(l)​ΔH0=−30.0 kJ
Cl2(g)+2HBr(g)→Br2(l)+2HCl(g)ΔH(2)0=−81 kJ+(−30.0 kJ)=−111 kJ\text{Cl}_{2(g)}+2\text{HBr}_{(g)}\rightarrow\text{Br}_{2(l)}+2\text{HCl}_{(g)}\qquad\Delta H^0_{(2)}=-81\ \text{kJ}+(-30.0\ \text{kJ})=-111\ \text{kJ}Cl2(g)​+2HBr(g)​→Br2(l)​+2HCl(g)​ΔH(2)0​=−81 kJ+(−30.0 kJ)=−111 kJ
בעיבוי נפלטת אנרגייה נוספת, ולכן תגובה (2) אקסותרמית יותר מתגובה (1).

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1 סעיף א	-	ג (3) – $\text{ac}$ : a מתכת מטור 2 (יון $\text{a}^{2+}$ ) ו־c אל־מתכת מטור 16 (יון $\text{c}^{2-}$ ).
1 סעיף ב	-	א (1) – ההיגד אינו נכון: היסודות 113-118 נמצאים באותה שורה (שורה 7), ולא באותו טור.
1 סעיף ג	-	ד (4) – $\text{Rb}_{(s)}$ (מתכת) מוליכה בשני המצבים, ו־ $\text{SiO}_{2(s)}$ (סריג אטומרי) אינו מוליך.
1 סעיף ד	-	ב (2) – לפי השערת אבוגדרו, בתנאים שווים יחס הנפחים שווה ליחס המולים: $\text{NH}_3:\text{CO}_2=2:1$ .
1 סעיף ה	-	ג (3) – $n_{\text{Cl}^-}=0.16+0.64=0.80\ \text{mol}$ בנפח $0.800\ \text{L}$ , ולכן $[\text{Cl}^-]=1.0\ \text{M}$ .
1 סעיף ו	-	ד (4) – אין בכלי תגובת חמצון־חיזור: היונים אינם מחמצנים זה את זה, ו־ $\text{Mg}^{2+}$ (מחמצן חלש מ־ $\text{Ag}^+$ ) אינו מחמצן את $\text{Ag}_{(s)}$ .
1 סעיף ז	-	ב (2) – במיהול ה־pH של הבסיס יורד, של החומצה עולה, ושל התמיסה הנייטרלית אינו משתנה.
1 סעיף ח	-	ד (4) – אבקה במקום פס: שטח הפנים של המוצק גדל, ולכן קצב התגובה גדל.
2	א	(1) בשרפת מתאן נוצר פחות $\text{CO}_2$ לאותה כמות אנרגייה – פחות תרומה לאפקט החממה; (2) מתאן הוא חומר מוצא בתעשייה הכימית (מימן ← אמוניה לדשנים, מתאנול ← פלסטיקה, טקסטיל, צבעים, תרופות, דו־מתיל אתר); (3) הקטנת התלות ביבוא פחם ונפט גולמי ופיתוח חברה מדעית־טכנולוגית.
	ב i	$1.32\ \text{mol}\ \text{CO}_{2(g)}$
	ב ii	$1\ \text{mol}\ \text{CO}_{2(g)}$
	ב iii	כן, תואמות: לאותה אנרגייה (890 kJ) נוצר בשרפת מתאן 1 מול $\text{CO}_2$ , פחות מ־1.32 מול בשרפת $\text{C}_{13}\text{H}_{28}$ , ולכן גם נפח ה־ $\text{CO}_2$ קטן יותר.
	ג	בין השייר הפחמימני $\text{CH}_3$ שבמולקולות המתאנול ובין מולקולות הפחמימנים שבבנזין נוצרות אינטראקציות ון־דר־ואלס, ולכן המתאנול מתמוסס בבנזין.
	ד	מסגרת שמאלית (לפני הסינגז): $\text{CH}_{4(g)}+\text{H}_2\text{O}_{(g)}$ ; מסגרת שמתחת לסינגז: $\text{NH}_{3(g)}$ ; מסגרת בין הסינגז לדו־מתיל אתר: $\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}$ .
	ה	לדוגמה (מתנגד): מתאן הוא גם חומר מוצא יקר ערך לתעשייה הכימית (מימן, אמוניה לדשנים, מתאנול לפלסטיקה ולתרופות), ושרפתו בלבד מבזבזת משאב מתכלה. (תומך): שרפת גז טבעי במקום פחם ונפט פולטת פחות $\text{CO}_2$ לאותה אנרגייה ומקטינה את התלות ביבוא דלקים.
3	א i	$\text{D}:\ {}^{2}_{1}\text{H}$ ; $\text{T}:\ {}^{3}_{1}\text{H}$
	א ii	X הוא טריטיום, T ( $^{3}_{1}\text{H}$ ).
	ב	$\text{H}_2$ – חומר מולקולרי, מולקולות לא קוטביות עם ענן אלקטרונים קטן מאוד (2 אלקטרונים); בין המולקולות יש רק אינטראקציות ון־דר־ואלס חלשות מאוד, ונדרשת מעט אנרגייה כדי להתגבר עליהן.
	ג i	$\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_2\text{SH}_{(l)}+\text{H}_{2(g)}\rightarrow\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_{3(l)}+\text{H}_2\text{S}_{(g)}$
	ג ii	כמחזר: דרגת החמצון של אטומי H עולה מ־0 ב־ $\text{H}_2$ ל־+1 בתוצרים – $\text{H}_2$ מוסר אלקטרונים (מתחמצן).
	ד i	כן. דרגת החמצון של יוני ההידריד ( $\text{H}^-$ ) עולה מ־ $-1$ ל־0, ושל אטומי H במים יורדת מ־ $+1$ ל־0.
	ד ii	$m_{\text{MgH}_2}=5260\ \text{g}=5.26\ \text{kg}$
4	א i	I: $\text{C}18{:}3\omega3$ cis,cis,cis ; II: $\text{C}18{:}2\omega6$ cis,cis
	א ii	נוסחה I – בה יותר קשרים כפולים cis (3 לעומת 2), יותר כיפופים בשרשרת, אינטראקציות ון־דר־ואלס חלשות יותר וטמפרטורת היתוך נמוכה יותר.
	ב i	לא נכון: לחומצה אלפא־לינולנית הנוסחה $\text{C}_{18}\text{H}_{30}\text{O}_2$ ולחומצה לינולאית $\text{C}_{18}\text{H}_{32}\text{O}_2$ – נוסחאות מולקולריות שונות.
	ב ii	נכון: סיפוח מולקולת $\text{H}_2$ אחת לקשר הכפול שבין פחמנים 3 ו־4 מקצה השרשרת (ω3) במולקולת חומצה אלפא־לינולנית נותן את חומצה לינולאית (C18:2ω6).
	ג	אגוזי מלך – 47.2 גרם חומצות שומן רב־בלתי־רוויות ב־100 גרם (לעומת 20.54 גרם באגוזי ברזיל ו־15.70 גרם בבוטנים).
	ד	ההיגדים (2), (3), (4).
5	א	(1) המרחקים בין המולקולות גדולים מאוד ביחס לגודלן; (2) המולקולות נעות במהירות, באופן אקראי לכל הכיוונים, וממלאות את כל נפח הכלי (הכוחות ביניהן זניחים).
	ב i	איור II. I נפסל – הקשר מתואר בין אטום O לאטום O, ללא אטום H ביניהם; III נפסל – אטום H הקשור לפחמן במתאנאל אינו יכול ליצור קשר מימן.
	ב ii	$\text{H}_2\text{CO}_{(g)}\rightarrow\text{H}_2\text{CO}_{(\text{C}_6\text{H}_6)}$
	ג	מולקולות מתאנאל קוטביות – ביניהן אינטראקציות ון־דר־ואלס הכוללות דו־קוטב–דו־קוטב; מולקולות אתאן לא קוטביות (ו.ד.ו. בלבד). גודל ענני האלקטרונים דומה (16 ו־18 אלקטרונים), ולכן הכוחות בין מולקולות המתאנאל חזקים יותר, טמפרטורת העיבוי שלו גבוהה יותר והוא מתעבה ראשון.
	ד	גרף III – בתגובה מספר מולי הגז עולה (מ־9 ל־10 לכל 2 מול אתאן), ובנפח וטמפרטורה קבועים הלחץ גדל ככל שמספר מולי הגז גדל.
	ה i	$V_{\text{O}_2}=2.1\ \text{L}$
	ה ii	$3.0\ \text{L}$
6	א i	בתגובה עובר פרוטון ( $\text{H}^+$ ) מיון $\text{HCO}_3^-$ (חומצה – מוסר פרוטון) אל מולקולת $\text{NH}_3$ (בסיס – מקבל פרוטון).
	א ii	$[\text{HCO}_3^-]=0.200\ \text{M}$
	ב i	$\text{NH}_3$ : דרגת החמצון של N היא $-3$ , הנמוכה ביותר האפשרית לחנקן; הוא יכול רק למסור אלקטרונים.
	ב ii	$\text{H}_2\text{O}_{(l)}$ : $\text{NH}_3$ מגיב רק כמחזר, ולכן $\text{H}_2\text{O}_2$ מגיב כמחמצן ומתחזר – דרגת החמצון של O יורדת מ־ $-1$ ל־ $-2$ (ב־ $\text{H}_2\text{O}$ ).
	ב iii	$0.60\ \text{mol}$ אלקטרונים
	ג	בכלי A: בו הגיבה פחות $\text{MgO}$ , נשארו יותר יוני $\text{H}_3\text{O}^+$ (0.0504 מול לעומת 0.0256 מול באותו נפח), ריכוזם גבוה יותר וה־pH נמוך יותר.
7	א	תיאור III: באידוי $\text{Br}_{2(l)}\rightarrow\text{Br}_{2(g)}$ נקלטת אנרגייה ( $\Delta H=+30.0\ \text{kJ}$ ), ולכן לגז אנתלפיה גבוהה יותר מלנוזל.
	ב	$6.6\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ – ל־ $\text{F}_2$ ענן האלקטרונים הקטן ביותר, ולכן אינטראקציות ון־דר־ואלס בין מולקולותיו החלשות ביותר והאנתלפיה נמוכה מזו של $\text{Cl}_2$ (20.4).
	ג i	באידוי (30.0 kJ/mol) מתגברים רק על אינטראקציות ון־דר־ואלס בין מולקולות $\text{Br}_2$ ; אנתלפיית הקשר (193 kJ/mol) היא האנרגייה לשבירת הקשר הקוולנטי Br–Br, שהוא חזק בהרבה מכוחות בין־מולקולריים.
	ג ii	רדיוס האטום של Cl קטן מזה של Br (פחות רמות אנרגייה מאוכלסות), ולכן הקשר Cl–Cl קצר יותר וחזק יותר.
	ד i	$\Delta H^0_{(1)}=-81\ \text{kJ}$
	ד ii	$\Delta H^0_{(2)}=-111\ \text{kJ}$

פרק ראשון (40 נקודות)

שאלה 1 סעיף א · נוסחאות ייצוג אלקטרוניות ותרכובת יונית

מדוע התשובות האחרות שגויות:

שאלה 1 סעיף ב · יסודות חדשים בטבלה המחזורית

שאלה 1 סעיף ג · מוליכות חשמלית של סוגי חומרים

שאלה 1 סעיף ד · יחסי נפחים של גזים בפירוק אמוניום פחמתי

התשובה הנכונה: 2.

שאלה 1 סעיף ה · ריכוז יוני כלור בערבוב תמיסות

התשובה הנכונה: 3.

שאלה 1 סעיף ו · אחסון תמיסות בכלי כסף

התשובה הנכונה: 4.

שאלה 1 סעיף ז · שינוי pH במיהול תמיסות

התשובה הנכונה: שורה 2.

שאלה 1 סעיף ח · הגדלת קצב התגובה של אבץ עם חומצה

התשובה הנכונה: 4.

שאלה 2 · גילוי הגז הטבעי בישראל ושימושיו

ניתוח קטע ממאמר מדעי — חובה

גילוי הגז הטבעי — הזדמנות היסטורית

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סוגי הכוחות:

סעיף ד

סעיף ה

פרק שני (60 נקודות)

שאלה 3 · מימן: איזוטופים, תכונות ושימושים

מבנה האטום ותכונות חומרים

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

מספר המולים של H2\text{H}_2H2​:

המסה:

שאלה 4 · חומצות שומן באגוזים

כימיה של מזון

פרט את חישוביך ונמק.

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

ההיגדים המתאימים: (2), (3), (4).

שאלה 5 · אתאן ומתאנאל: כוחות בין־מולקולריים ונפחי גזים

מבנה וקישור ומצב גז

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

נפח החמצן:

נפח הכלי בתום הניסוי:

שאלה 6 · אמוניה וחומצה חנקתית

חמצון-חיזור, חומצות ובסיסים וסטויכיומטריה

נמק את קביעתך.

סעיף א

מספר המולים של NH3\text{NH}_3NH3​:

סעיף ב

דרגות החמצון:

עבור 0.15 מול C:

סעיף ג

שאלה 7 · הלוגנים: אנתלפיית אידוי ואנתלפיות קשר

מבנה וקישור ואנרגייה

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

הגורם: רדיוס האטומים (אורך הקשר).

סעיף ד

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד

מספר המולים של $\text{H}_2$ :

מספר המולים של $\text{NH}_3$ :