בגרות בכימיה שאלון עיקרי 037381 - קיץ 2018

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

בחינת הבגרות בכימיה, שאלון עיקרי, קיץ 2018, 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 תשע שאלות חובה. בכל אחת מן השאלות 1-8 מוצגות ארבע תשובות, ומהן עליך לבחור בתשובה הנכונה. את התשובות הנכונות עליך לסמן בתשובון שבסוף מחברת הבחינה (עמוד 19). בשאלה 9 יש לענות על כל הסעיפים.
(2) בפרק השני יש חמש שאלות. עליך לענות על שלוש מהן.
פרק ראשון (40 נקודות): ענה על שמונה השאלות 1-8 (לכל שאלה — 2.5 נקודות). שאלה 9 — ניתוח קטע ממאמר מדעי — חובה (20 נקודות).
פרק שני (60 נקודות): ענה על שלוש מן השאלות 10-14 (לכל שאלה — 20 נקודות).
בשנה זו לא היו הנחיות מענה מיוחדות: כל שמונה שאלות הרב־ברירה נספרות (2.5 נקודות לכל אחת).

פרק ראשון

שאלה 1 · איזוטופים של רובידיום וקרינה רדיואקטיבית

רב-ברירה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

קרינה רדיואקטיבית (פליטת בטא) אינה כלולה בחומר לבחינה ב־2027.

נתונים שניים מן האיזוטופים של רובידיום: 3785Rb^{85}_{37}\text{Rb}3785​Rb ו־ 3787Rb^{87}_{37}\text{Rb}3787​Rb .
משני האיזוטופים האלה, רק האיזוטופ 87Rb^{87}\text{Rb}87Rb פולט קרינה רדיואקטיבית.
מהי הקביעה הנכונה?

א.
כאשר האיזוטופ $^{87}_{37}\text{Rb}$ פולט קרינת $\beta$ , נוצר האיזוטופ $^{87}_{38}\text{Sr}$ .
ב.
מספר הנויטרונים באיזוטופ $^{87}\text{Rb}$ שווה למספר הנויטרונים באיזוטופ $^{85}\text{Rb}$ .
ג.
מספר האלקטרונים באטום ניטרלי של $^{87}\text{Rb}$ גדול ממספר האלקטרונים באטום ניטרלי של $^{85}\text{Rb}$ .
ד.
התרכובת $^{87}\text{RbCl}_{(s)}$ אינה פולטת קרינה רדיואקטיבית.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – בפליטת β\betaβ נויטרון בגרעין הופך לפרוטון: מספר המסה נשאר 87 והמספר האטומי עולה מ־37 ל־38 (Sr).

התשובה הנכונה: א.
בקרינת β\betaβ נפלט מן הגרעין אלקטרון. בתהליך זה נויטרון אחד בגרעין הופך לפרוטון (ואלקטרון שנפלט). לכן:
•מספר הפרוטונים עולה ב־1: מ־37 ל־38 – זהו היסוד סטרונציום, Sr.
•מספר הנויטרונים יורד ב־1: מ־87−37=5087-37=5087−37=50 ל־87−38=4987-38=4987−38=49.
•מספר המסה (פרוטונים + נויטרונים) נשאר 87.
3787Rb→ 3887Sr+β^{87}_{37}\text{Rb}\rightarrow\ ^{87}_{38}\text{Sr}+\beta3787​Rb→ 3887​Sr+β
- ב – לא נכון. איזוטופים של אותו יסוד שונים זה מזה במספר הנויטרונים: ב־87Rb^{87}\text{Rb}87Rb יש 87−37=5087-37=5087−37=50 נויטרונים, וב־85Rb^{85}\text{Rb}85Rb יש 85−37=4885-37=4885−37=48 נויטרונים.
- ג – לא נכון. באטום ניטרלי מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, 37, בשני האיזוטופים.
- ד – לא נכון. פליטת קרינה רדיואקטיבית היא תכונה של הגרעין, והיא אינה תלויה בקשרים הכימיים שהאטום (או היון) משתתף בהם. לכן גם יוני 87Rb+^{87}\text{Rb}^{+}87Rb+ בתרכובת 87RbCl(s)^{87}\text{RbCl}_{(s)}87RbCl(s)​ פולטים קרינה.

שאלה 2 · מתכת ואל־מתכת בשורה השלישית

רב-ברירה

האותיות X ו־ Z הן סמלים שרירותיים המייצגים שני יסודות בשורה השלישית של הטבלה המחזורית.
היסוד X מוליך חשמל במצב מוצק.
היסוד Z אינו מוליך חשמל במצב מוצק.
מהו ההיגד הנכון?

א.
אנרגיית היינון של אטום היסוד X גבוהה מאנרגיית היינון של אטום היסוד Z .
ב.
הרדיוס של אטום היסוד X גדול מן הרדיוס של אטום היסוד Z .
ג.
התרכובת המתקבלת מן היסודות X ו־ Z היא גז בטמפרטורת החדר.
ד.
נוסחת התרכובת של יסוד X עם מימן, H , היא $\text{XH}_4$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – X מתכת (בצד שמאל של השורה) ו־Z אל־מתכת (בצד ימין), ולכן ל־X מטען גרעיני קטן יותר ורדיוס גדול יותר.

התשובה הנכונה: ב.
יסוד המוליך חשמל במצב מוצק הוא מתכת, ולכן X הוא מתכת בשורה השלישית (Na, Mg או Al). Z אינו מוליך חשמל במצב מוצק, ולכן הוא אל־מתכת (Si, P, S, Cl או Ar). בשורה בטבלה המחזורית המתכות נמצאות משמאל, כלומר מספר הפרוטונים (המטען הגרעיני) של X קטן משל Z.
לאטומים של שני היסודות אותו מספר רמות אנרגיה מאוכלסות (שלוש), אבל המטען הגרעיני של X קטן יותר. לכן המשיכה בין הגרעין לאלקטרוני הערכיות חלשה יותר, והרדיוס של אטום X גדול מהרדיוס של אטום Z.
- א – לא נכון. מאותה סיבה (מטען גרעיני קטן יותר ואותו מספר רמות מאוכלסות) אלקטרוני הערכיות של X נמשכים חלש יותר לגרעין, ולכן אנרגיית היינון של X נמוכה מזו של Z.
- ג – לא נכון. תרכובת של מתכת עם אל־מתכת היא תרכובת יונית, ובטמפרטורת החדר היא מוצק (סריג יוני).
- ד – לא נכון. נוסחה XH4\text{XH}_4XH4​ מתאימה ליסוד מטור 4, כלומר Si – אל־מתכת (חומר אטומרי), ולא מתכת המוליכה חשמל. למתכות של השורה השלישית יש 1–3 אלקטרוני ערכיות (NaH\text{NaH}NaH, MgH2\text{MgH}_2MgH2​, AlH3\text{AlH}_3AlH3​).

שאלה 3 · אוריאה ואצטון: אלקטרונים וקשרי מימן

רב-ברירה

לפניך ייצוג מקוצר לנוסחאות המבנה של מולקולות החומרים: אוריאה ואצטון.
מהו ההיגד הנכון?

א.
המספר הכולל של אלקטרונים במולקולה של אוריאה גדול מן המספר הכולל של אלקטרונים במולקולה של אצטון.
ב.
במולקולות של שני החומרים יש אטומי מימן, H , "חשופים מאלקטרונים".
ג.
בין המולקולות של אוריאה וגם בין המולקולות של אצטון נוצרות אינטראקציות ון־דר־ולס בלבד.
ד.
המולקולות של אוריאה וגם המולקולות של אצטון יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים.

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – לאוריאה יש אטומי H קשורים ל־N ואטומי O ו־N עם זוגות לא קושרים; לאצטון יש אטום O עם זוגות אלקטרונים לא קושרים, שאליו נמשכים אטומי H של מולקולות מים.

התשובה הנכונה: ד.
קשר מימן נוצר בין אטום מימן "חשוף מאלקטרונים" (מימן הקשור לאטום F, O או N) במולקולה אחת ובין זוג אלקטרונים לא קושר של אטום F, O או N במולקולה אחרת.
- אוריאה ומים: במולקולת אוריאה יש אטומי H הקשורים לאטומי N, וגם אטומי O ו־N עם זוגות אלקטרונים לא קושרים. לכן נוצרים קשרי מימן בשני הכיוונים: בין H של אוריאה לזוג לא קושר של O במים, ובין H של מים לזוג לא קושר של O או N באוריאה.
- אצטון ומים: באצטון כל אטומי ה־H קשורים לאטומי C, אבל לאטום ה־O יש שני זוגות אלקטרונים לא קושרים. אטום H "חשוף מאלקטרונים" של מולקולת מים יכול ליצור קשר מימן עם זוג לא קושר של אטום ה־O באצטון.
- א – לא נכון. אוריאה, CH4N2O\text{CH}_4\text{N}_2\text{O}CH4​N2​O: 6+4⋅1+2⋅7+8=326+4\cdot1+2\cdot7+8=326+4⋅1+2⋅7+8=32 אלקטרונים. אצטון, C3H6O\text{C}_3\text{H}_6\text{O}C3​H6​O: 3⋅6+6⋅1+8=323\cdot6+6\cdot1+8=323⋅6+6⋅1+8=32 אלקטרונים. המספרים שווים.
- ב – לא נכון. באצטון אטומי המימן קשורים לאטומי פחמן. הפרש האלקטרושליליות בין C ל־H קטן (2.5 לעומת 2.1), ולכן אטומי H אלה אינם "חשופים מאלקטרונים". רק באוריאה יש אטומי H חשופים (קשורים ל־N).
- ג – לא נכון. בין מולקולות אוריאה נוצרים גם קשרי מימן (בין H הקשור ל־N במולקולה אחת לזוג לא קושר של O או N במולקולה שכנה).

שאלה 4 · ריכוז יוני חנקה בתמיסה

רב-ברירה

במעבדה הכינו 0.5 ליטר תמיסה, על ידי המסה של 6.05 גרם ברזל חנקתי, Fe(NO3)3(s)\text{Fe(NO}_3)_{3(s)}Fe(NO3​)3(s)​ , במים.
המסה המולרית של Fe(NO3)3(s)\text{Fe(NO}_3)_{3(s)}Fe(NO3​)3(s)​ היא 242 grmol242\ \frac{\text{gr}}{\text{mol}}242 molgr​ .
מהו הריכוז המולרי של יוני NO3(aq)−\text{NO}^{-}_{3(aq)}NO3(aq)−​ בתמיסה זו?

א.
$0.025\ \text{M}$
ב.
$0.05\ \text{M}$
ג.
$0.075\ \text{M}$
ד.
$0.15\ \text{M}$

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – 0.025 mol0.025\ \text{mol}0.025 mol מלח בתוך 0.5 L0.5\ \text{L}0.5 L נותנים 0.05 M0.05\ \text{M}0.05 M מלח, ולכל יחידת מלח 3 יוני חנקה: 0.15 M0.15\ \text{M}0.15 M.

התשובה הנכונה: ד.
תהליך ההמסה:
Fe(NO3)3(s)→Fe(aq)3++3NO3(aq)−\text{Fe(NO}_3)_{3(s)}\rightarrow \text{Fe}^{3+}_{(aq)}+3\text{NO}^{-}_{3(aq)}Fe(NO3​)3(s)​→Fe(aq)3+​+3NO3(aq)−​
מספר המולים של המלח:
n=mM=6.05 g242 gmol=0.025 moln=\frac{m}{M}=\frac{6.05\ \text{g}}{242\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.025\ \text{mol}n=Mm​=242 molg​6.05 g​=0.025 mol
לפי ניסוח ההמסה, מכל מול מלח מתקבלים 3 מול יוני חנקה:
nNO3−=3⋅0.025 mol=0.075 moln_{\text{NO}_3^-}=3\cdot0.025\ \text{mol}=0.075\ \text{mol}nNO3−​​=3⋅0.025 mol=0.075 mol
CNO3−=nV=0.075 mol0.5 L=0.15 MC_{\text{NO}_3^-}=\frac{n}{V}=\frac{0.075\ \text{mol}}{0.5\ \text{L}}=0.15\ \text{M}CNO3−​​=Vn​=0.5 L0.075 mol​=0.15 M
- א (0.025 M0.025\ \text{M}0.025 M) – זה מספר המולים של המלח (ולא ריכוז), בלי להתחשב בנפח וביחס 1:3.
- ב (0.05 M0.05\ \text{M}0.05 M) – זה ריכוז המלח (או ריכוז יוני Fe3+\text{Fe}^{3+}Fe3+), בלי להכפיל ב־3.
- ג (0.075 M0.075\ \text{M}0.075 M) – זה מספר המולים של יוני החנקה, בלי לחלק בנפח 0.5 L0.5\ \text{L}0.5 L.

שאלה 5 · דרגות חמצון של אטומי פחמן בחומצה מאלית

רב-ברירה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

קביעת דרגות חמצון של אטומים בתרכובות פחמן לפי נוסחת מבנה אינה כלולה בחומר לבחינה ב־2027.

חומצה מאלית היא חומצה המעניקה לפירות טעם חמצמץ.
לפניך ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של מולקולה של חומצה מאלית:
לפניך ארבעה היגדים א-ד הנוגעים לדרגות החמצון של אטומי הפחמן במולקולה של חומצה מאלית.
מהו ההיגד הנכון?

א.
דרגת החמצון של אטום פחמן 1 שונה מדרגת החמצון של אטום פחמן 4 .
ב.
דרגת החמצון של אטום פחמן 2 שווה לדרגת החמצון של אטום פחמן 3 .
ג.
דרגת החמצון של אטום פחמן 3 היא $(-2)$ .
ד.
דרגת החמצון של אטום פחמן 4 היא $(-2)$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – אטום פחמן 3 (CH2\text{CH}_2CH2​) קשור לשני אטומי H ולשני אטומי C, ולכן דרגת החמצון שלו −2-2−2.

התשובה הנכונה: ג.
קובעים את דרגת החמצון של כל אטום פחמן לפי הקשרים שלו: על כל קשר לאטום אלקטרושלילי יותר (O) מוסיפים +1+1+1, על כל קשר ל־H (אלקטרושלילי פחות) מוסיפים −1-1−1, וקשר בין שני אטומי פחמן אינו משנה את דרגת החמצון.
אטום פחמןהקשרים שלודרגת החמצון
1 (קבוצה קרבוקסילית)קשר כפול ל־O (2 קשרים), קשר ל־OH, קשר ל־C+2+1=+3+2+1=+3+2+1=+3
2 (CH–OH)קשר ל־OH, קשר ל־H, שני קשרים ל־C+1−1=0+1-1=0+1−1=0
3 (CH2\text{CH}_2CH2​)שני קשרים ל־H, שני קשרים ל־C−2-2−2
4 (קבוצה קרבוקסילית)קשר כפול ל־O, קשר ל־OH, קשר ל־C+3+3+3
(בדיקה: סכום דרגות החמצון במולקולה C4H6O5\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_5C4​H6​O5​: 444 אטומי פחמן 3+0−2+3=43+0-2+3=43+0−2+3=4, אטומי H 6⋅(+1)=+66\cdot(+1)=+66⋅(+1)=+6, אטומי O 5⋅(−2)=−105\cdot(-2)=-105⋅(−2)=−10; סה"כ 4+6−10=04+6-10=04+6−10=0.)
- א – לא נכון. לאטומי פחמן 1 ו־4 אותה סביבה (קבוצה קרבוקסילית), ודרגת החמצון של שניהם +3+3+3.
- ב – לא נכון. לפחמן 2 דרגת חמצון 0 ולפחמן 3 דרגת חמצון −2-2−2.
- ד – לא נכון. דרגת החמצון של פחמן 4 היא +3+3+3.

אטום פחמן	הקשרים שלו	דרגת החמצון
1 (קבוצה קרבוקסילית)	קשר כפול ל־O (2 קשרים), קשר ל־OH, קשר ל־C	$+2+1=+3$
2 (CH–OH)	קשר ל־OH, קשר ל־H, שני קשרים ל־C	$+1-1=0$
3 ( $\text{CH}_2$ )	שני קשרים ל־H, שני קשרים ל־C	$-2$
4 (קבוצה קרבוקסילית)	קשר כפול ל־O, קשר ל־OH, קשר ל־C	$+3$

שאלה 6 · pH של תמיסות מימיות

רב-ברירה

בטבלה שלפניך מוצגים נתונים על ארבע תמיסות מימיות I-IV:
התמיסהנפח התמיסה (מ"ל)ריכוז התמיסה (M)
IHNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​2000.3
IINaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​3000.2
IIICH3OH(aq)\text{CH}_3\text{OH}_{(aq)}CH3​OH(aq)​2000.3
IVBa(OH)2(aq)\text{Ba(OH)}_{2(aq)}Ba(OH)2(aq)​1500.2
לפניך ארבע קביעות א-ד. מהי הקביעה הנכונה?

	התמיסה	נפח התמיסה (מ"ל)	ריכוז התמיסה (M)
I	$\text{HNO}_{3(aq)}$	200	0.3
II	$\text{NaOH}_{(aq)}$	300	0.2
III	$\text{CH}_3\text{OH}_{(aq)}$	200	0.3
IV	$\text{Ba(OH)}_{2(aq)}$	150	0.2

א.
ה־ pH של תמיסה II שווה ל־ pH של תמיסה IV .
ב.
ה־ pH של תמיסה II גבוה מן ה־ pH של תמיסה III .
ג.
כאשר מוסיפים מים לתמיסה I ה־pH של התמיסה יורד.
ד.
כאשר מוסיפים מים לתמיסה IV ה־ pH של התמיסה עולה.

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – תמיסה II בסיסית (pH גדול מ־7), ותמיסה III (מתנול) ניטרלית (pH = 7).

התשובה הנכונה: ב.
•תמיסה II, NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​: בסיס. NaOH(s)→Na(aq)++OH(aq)−\text{NaOH}_{(s)}\rightarrow\text{Na}^{+}_{(aq)}+\text{OH}^{-}_{(aq)}NaOH(s)​→Na(aq)+​+OH(aq)−​, ולכן [OH−]=0.2 M[\text{OH}^-]=0.2\ \text{M}[OH−]=0.2 M והתמיסה בסיסית: pH>7\text{pH}>7pH>7.
•תמיסה III, CH3OH(aq)\text{CH}_3\text{OH}_{(aq)}CH3​OH(aq)​: מתנול הוא חומר מולקולרי שמתמוסס במים בלי להתפרק ליונים ואינו מגיב עם המים כחומצה או כבסיס. התמיסה ניטרלית: pH=7\text{pH}=7pH=7.
לכן ה־pH של תמיסה II גבוה מזה של תמיסה III.
- א – לא נכון. Ba(OH)2(s)→Ba(aq)2++2OH(aq)−\text{Ba(OH)}_{2(s)}\rightarrow\text{Ba}^{2+}_{(aq)}+2\text{OH}^{-}_{(aq)}Ba(OH)2(s)​→Ba(aq)2+​+2OH(aq)−​, ולכן בתמיסה IV [OH−]=2⋅0.2=0.4 M[\text{OH}^-]=2\cdot0.2=0.4\ \text{M}[OH−]=2⋅0.2=0.4 M, פי 2 מבתמיסה II. ריכוז יוני OH−\text{OH}^-OH− גבוה יותר, ולכן ה־pH של תמיסה IV גבוה מזה של תמיסה II. (הנפח של התמיסה אינו משפיע על ה־pH.)
- ג – לא נכון. הוספת מים לתמיסה חומצית מקטינה את ריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, ולכן ה־pH עולה (מתקרב ל־7).
- ד – לא נכון. הוספת מים לתמיסה בסיסית מקטינה את ריכוז יוני OH−\text{OH}^{-}OH−, ולכן ה־pH יורד (מתקרב ל־7).

שאלה 7 · חומצה רומנית – חומצת שומן בלתי רוויה

רב-ברירה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

כימיה של מזון (חומצות שומן, ציס/טרנס, רישום מקוצר ואומגה) אינה כלולה בחומר לבחינה ב־2027.

חומצה רוּמֶנית (rumenic acid) היא חומצת שומן המצויה בחלב בקר ובמוצריו.
לפניך ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של המולקולה של חומצה רומנית:
לפניך ארבעה משפטים א-ד. מהו המשפט הנכון?

א.
הנוסחה המולקולרית של החומצה הרומנית היא: $\text{C}_{17}\text{H}_{32}\text{O}_2$ .
ב.
הרישום המקוצר של החומצה הרומנית הוא: $\text{C}18{:}2\omega7\text{cis,cis}$ .
ג.
אחד מן הקשרים הכפולים במולקולה של חומצה רומנית הוא במבנה טרנס.
ד.
החומצה הרומנית שייכת לקבוצת חומצות השומן אומגה 6 .

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – הקשר הכפול הקרוב לקבוצה הקרבוקסילית הוא במבנה ציס, והקשר הכפול השני (הקרוב לקצה המתילי) הוא במבנה טרנס.

התשובה הנכונה: ג.
ניתוח נוסחת המבנה:
•בשרשרת יש 18 אטומי פחמן (כולל פחמן הקבוצה הקרבוקסילית), ושני קשרים כפולים.
•הקשר הכפול הראשון, בין פחמנים 9 ו־10 (מספור מהקבוצה הקרבוקסילית): שני חלקי השרשרת נמצאים באותו צד של הקשר הכפול – מבנה ציס.
•הקשר הכפול השני, בין פחמנים 11 ו־12: שני חלקי השרשרת נמצאים בצדדים מנוגדים של הקשר הכפול – מבנה טרנס.
- א – לא נכון. יש 18 אטומי פחמן. לחומצת שומן רוויה בת 18 פחמנים הנוסחה C18H36O2\text{C}_{18}\text{H}_{36}\text{O}_2C18​H36​O2​, וכל קשר כפול מפחית 2 אטומי מימן, ולכן הנוסחה היא C18H32O2\text{C}_{18}\text{H}_{32}\text{O}_2C18​H32​O2​.
- ב – לא נכון. אחד הקשרים הכפולים הוא טרנס ולא ציס (הרישום הנכון: C18:2ω7cis,trans\text{C}18{:}2\omega7\text{cis,trans}C18:2ω7cis,trans).
- ד – לא נכון. הקשר הכפול הקרוב ביותר לקצה המתילי מתחיל בפחמן 7 מקצה זה (18−11=718-11=718−11=7), ולכן זו חומצת שומן אומגה 7.

שאלה 8 · חישוב שינוי אנתלפיה מאנתלפיות קשר

רב-ברירה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

חישוב שינוי אנתלפיה בעזרת אנתלפיות קשר אינו כלול בחומר לבחינה ב־2027.

נתונות שתי תגובות (1) ו־ (2):
(1) H2(g)+I2(g)→2HI(g)ΔH10=−11 kJ\text{H}_{2(g)}+\text{I}_{2(g)}\rightarrow 2\text{HI}_{(g)}\qquad \Delta H^0_1=-11\ \text{kJ}H2(g)​+I2(g)​→2HI(g)​ΔH10​=−11 kJ
(2) H2(g)+Cl2(g)→2HCl(g)ΔH20= ?\text{H}_{2(g)}+\text{Cl}_{2(g)}\rightarrow 2\text{HCl}_{(g)}\qquad \Delta H^0_2=\ ?H2(g)​+Cl2(g)​→2HCl(g)​ΔH20​= ?
בטבלה שלפניך מוצגים ערכים של אנתלפיות קשר.
הקשרI–IH–ICl–ClH–Cl
אנתלפיית הקשר (kJmol)\left(\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)(molkJ​)151299242431
מהו הערך של ΔH20\Delta H^0_2ΔH20​ ?

הקשר	I–I	H–I	Cl–Cl	H–Cl
אנתלפיית הקשר $\left(\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)$	151	299	242	431

א.
$-184\ \text{kJ}$
ב.
$+184\ \text{kJ}$
ג.
$-52\ \text{kJ}$
ד.
$+52\ \text{kJ}$

◂ פתרון מלא לשאלה 8

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – מתגובה (1) מוצאים EH-H=436 kJmolE_{\text{H-H}}=436\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}EH-H​=436 molkJ​, ואז ΔH20=436+242−2⋅431=−184 kJ\Delta H^0_2=436+242-2\cdot431=-184\ \text{kJ}ΔH20​=436+242−2⋅431=−184 kJ.

התשובה הנכונה: א.
שינוי האנתלפיה בתגובה בין גזים = האנרגיה המושקעת בפירוק הקשרים במגיבים פחות האנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים בתוצרים:
ΔH=∑Eקשרים שמתפרקים−∑Eקשרים שנוצרים\Delta H=\sum E_{\text{קשרים שמתפרקים}}-\sum E_{\text{קשרים שנוצרים}}ΔH=∑Eקשרים שמתפרקים​−∑Eקשרים שנוצרים​
שלב 1 – אנתלפיית הקשר H–H מתגובה (1) (אינה נתונה בטבלה):
−11 kJ=EH-H+151 kJ−2⋅299 kJ-11\ \text{kJ}=E_{\text{H-H}}+151\ \text{kJ}-2\cdot299\ \text{kJ}−11 kJ=EH-H​+151 kJ−2⋅299 kJ
EH-H=−11+598−151=436 kJmolE_{\text{H-H}}=-11+598-151=436\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}EH-H​=−11+598−151=436 molkJ​
שלב 2 – תגובה (2): מתפרקים קשר H–H וקשר Cl–Cl, ונוצרים שני קשרי H–Cl:
ΔH20=436 kJ+242 kJ−2⋅431 kJ=678 kJ−862 kJ=−184 kJ\Delta H^0_2=436\ \text{kJ}+242\ \text{kJ}-2\cdot431\ \text{kJ}=678\ \text{kJ}-862\ \text{kJ}=-184\ \text{kJ}ΔH20​=436 kJ+242 kJ−2⋅431 kJ=678 kJ−862 kJ=−184 kJ
- ב (+184 kJ+184\ \text{kJ}+184 kJ) – טעות בסימן: חיסור "יצירה פחות פירוק".
- ג (−52 kJ-52\ \text{kJ}−52 kJ) – מתקבל כאשר משווים בין התגובות ושוכחים שנוצרים שני מולים של קשרי H–Cl (ושל H–I): −11+(242−151)−(431−299)=−52 kJ-11+(242-151)-(431-299)=-52\ \text{kJ}−11+(242−151)−(431−299)=−52 kJ. החישוב הנכון: −11+(242−151)−2⋅(431−299)=−184 kJ-11+(242-151)-2\cdot(431-299)=-184\ \text{kJ}−11+(242−151)−2⋅(431−299)=−184 kJ.
- ד (+52 kJ+52\ \text{kJ}+52 kJ) – גם השמטת המקדם 2 וגם טעות בסימן.
טעות נפוצה: להחליף את הסימן – בפירוק קשרים מושקעת אנרגיה ובהיווצרות קשרים נפלטת אנרגיה.

שאלה 9 · ליתיום: הפקה חדשנית של אמוניה

שאלת מאמר

ניתוח קטע ממאמר מדעי — חובה
קרא את הקטע שלפניך, וענה על כל הסעיפים א-ה שאחריו (שאלת חובה — 20 נקודות).
ליתיום: המפתח להפקה חדשנית של אמוניה
אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , היא חומר חיוני להפקת דשנים הדרושים לחקלאות המודרנית. כיום מפיקים אמוניה בתעשייה בתגובה בין גז חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , שבאוויר ובין גז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , בתנאים של לחץ וטמפרטורה גבוהים. כדי להפיק גז מימן דרושה אנרגייה רבה. אנרגייה זו מתקבלת בדרך כלל מתהליכי שרֵפה של דלקים פחמימניים, שהם מקורות אנרגייה מתכלים. לתהליכי השרֵפה יש השפעה שלילית על הסביבה משום שבתהליכים אלה נפלט פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ , לאטמוספרה.
לפיכך מדענים מנסים לפתח תהליכים חלופיים לייצור אמוניה, שבהם ינוצלו מקורות אנרגייה מתחדשים (כגון אנרגיית השמש) בלי לפגוע בסביבה, כלומר תהליכים בני קיימא.
מדענים מאוניברסיטת סטנפורד פיתחו במעבדה תהליך מעגלי להפקת אמוניה בלחץ אטמוספרי. בתהליך זה נעשה שימוש במתכת ליתיום, Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ .
שלבי התהליך מוצגים באופן סכמטי בתרשים שלפניך:
התהליכים המתרחשים בכל אחד משלושת השלבים מפורטים בעמוד הבא.
בשלב I , משתמשים באנרגייה חשמלית, המתקבלת ממקורות אנרגייה מתחדשים, כדי להפיק את המתכת Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ : מתיכים ליתיום הידרוקסידי, LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ , ומעבירים דרכו זרם חשמלי. מתקבל 1 מול ליתיום מתכתי, Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ , מ־ 1 מול LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ .
בשלב II , מגיב Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ עם גז חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ . נוצר ליתיום חנקני, Li3N(s)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}Li3​N(s)​ , על פי התגובה:
3Li(s)+12N2(g)→Li3N(s)3\text{Li}_{(s)}+\frac{1}{2}\text{N}_{2(g)}\rightarrow\text{Li}_3\text{N}_{(s)}3Li(s)​+21​N2(g)​→Li3​N(s)​
בשלב III , מגיב Li3N(s)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}Li3​N(s)​ עם מים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ . נוצרים גז אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , ו־ LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ , על פי התגובה:
Li3N(s)+3H2O(l)→3LiOH(s)+NH3(g)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}+3\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow 3\text{LiOH}_{(s)}+\text{NH}_{3(g)}Li3​N(s)​+3H2​O(l)​→3LiOH(s)​+NH3(g)​
ליתיום הידרוקסידי שנוצר בשלב III מוחזר לתחילת התהליך, כלומר לשלב I , לביצוע תהליך נוסף, וכן הלאה.
המדענים מדגישים שהליתיום חיוני לתהליך זה, כיוון שרק ליתיום מגיב עם N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ בטמפרטורת החדר.
התהליך שפותח במעבדה עדיין אינו מיושם בתעשייה, אך האפשרות להפיק אמוניה בשיטה שבה משתמשים במקורות אנרגייה מתחדשים היא מלהיבה ביותר, ויכולה להאיץ פיתוח תעשייתי חדשני.
מקור: Jeskins A. (2017),"Lithium could hold key to sustainable ammonia synthesis", Chemistry World

א.

תעשיית הפקת האמוניה אחראית ל־ 3% בקירוב מכלל פליטת הגז CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ בעולם.
הסבר על פי הקטע, מדוע נפלט CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ בתהליך הייצור של אמוניה.

ב.

תאר שני הבדלים ברמה המיקרוסקופית בין Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ ובין Li3N(s)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}Li3​N(s)​ .

ג.

(i)

בשלב I של התהליך המתואר בקטע, מתיכים LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ . נסח את תהליך ההיתוך של LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ .

(ii)

קבע מהו סוג התגובה המתרחשת בשלב II — חומצה־בסיס, חמצון־חיזור או שיקוע. נמק את קביעתך.

(iii)

קבע אם בשלב III , המים הם: ממס, מחזר, חומצה או בסיס. נמק את קביעתך.

ד.

על פי התגובות בשלושת השלבים של התהליך המתואר בקטע, מ־ 3 מול LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ אפשר לקבל 1 מול NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ . אך למעשה, בשיטה זו, אפשר להפיק יותר מ־ 1 מול NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ מ־ 3 מול LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ .
הסבר מדוע.

ה.

כדי להתאים את התהליך שפותח במעבדה לתהליך תעשייתי להפקת אמוניה נדרשים משאבים רבים.
כתוב טיעון אחד התומך בכדאיות של הפקת אמוניה בשיטה החדשנית המוצגת בקטע. נמק.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

תשובה:

כדי להפיק את המגיב גז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​, דרושה אנרגיה רבה, והיא מתקבלת משרֵפת דלקים פחמימניים – בשרֵפה זו נפלט CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​.

לפי הפסקה הראשונה בקטע, בתעשייה מפיקים אמוניה מתגובה בין N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ ובין H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​. כדי להפיק את גז המימן הדרוש לתגובה דרושה אנרגיה רבה, ואנרגיה זו מתקבלת בדרך כלל משרֵפת דלקים פחמימניים. בתגובת השרֵפה של פחמימנים (תרכובות של פחמן ומימן) בחמצן נוצר CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​, והוא נפלט לאטמוספרה. (בנוסף, התגובה מתבצעת בלחץ ובטמפרטורה גבוהים, וגם יצירת תנאים אלה דורשת אנרגיה.)
טעות נפוצה: לכתוב רק ש"דרושה אנרגיה שמתקבלת משרֵפה" בלי לקשר זאת להפקת גז המימן, כפי שמתואר בקטע.

סעיף ב

תשובה:

(1) סוג החלקיקים: ב־Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ – יונים חיוביים Li+\text{Li}^{+}Li+ ו"ים" של אלקטרונים חופשיים; ב־Li3N(s)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}Li3​N(s)​ – יונים חיוביים Li+\text{Li}^{+}Li+ ויונים שליליים N3−\text{N}^{3-}N3−. (2) סוג הקשר: ב־Li קשר מתכתי; ב־Li3N\text{Li}_3\text{N}Li3​N קשר יוני.

Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ הוא מתכת (סריג מתכתי), ו־Li3N(s)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}Li3​N(s)​ הוא תרכובת יונית (סריג יוני). ההבדלים ברמה המיקרוסקופית (שניים מבין אלה):
Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​Li3N(s)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}Li3​N(s)​
סוג החלקיקיםיונים חיוביים Li+\text{Li}^{+}Li+ ו"ים של אלקטרונים" (אלקטרונים חופשיים, לא ממוקמים)יונים חיוביים Li+\text{Li}^{+}Li+ ויונים שליליים N3−\text{N}^{3-}N3− (ביחס 3:1)
סוג הקשר בין החלקיקיםקשר מתכתי: משיכה חשמלית בין היונים החיוביים לבין "ים האלקטרונים"קשר יוני: משיכה חשמלית בין יונים חיוביים ליונים שליליים
מבנה הסריגשכבות של יונים חיוביים, וביניהם אלקטרונים הנעים באופן חופשייונים חיוביים ושליליים המסודרים לסירוגין – כל יון מוקף ביונים בעלי מטען מנוגד
תנועת החלקיקיםהיונים נעים בתנודות סביב מקומם; האלקטרונים נעים בחופשיות בכל הסריגכל היונים נעים רק בתנודות סביב מקומם; אין חלקיקים טעונים חופשיים
טעות נפוצה: לתאר הבדלים ברמה המקרוסקופית (למשל "Li מוליך חשמל במצב מוצק ו־Li3N\text{Li}_3\text{N}Li3​N לא", "Li ניתן לריקוע") או רק לכתוב "Li הוא חומר מתכתי ו־Li3N\text{Li}_3\text{N}Li3​N חומר יוני" בלי לתאר את החלקיקים ואת הקשרים.

	$\text{Li}_{(s)}$	$\text{Li}_3\text{N}_{(s)}$
סוג החלקיקים	יונים חיוביים $\text{Li}^{+}$ ו"ים של אלקטרונים" (אלקטרונים חופשיים, לא ממוקמים)	יונים חיוביים $\text{Li}^{+}$ ויונים שליליים $\text{N}^{3-}$ (ביחס 3:1)
סוג הקשר בין החלקיקים	קשר מתכתי: משיכה חשמלית בין היונים החיוביים לבין "ים האלקטרונים"	קשר יוני: משיכה חשמלית בין יונים חיוביים ליונים שליליים
מבנה הסריג	שכבות של יונים חיוביים, וביניהם אלקטרונים הנעים באופן חופשי	יונים חיוביים ושליליים המסודרים לסירוגין – כל יון מוקף ביונים בעלי מטען מנוגד
תנועת החלקיקים	היונים נעים בתנודות סביב מקומם; האלקטרונים נעים בחופשיות בכל הסריג	כל היונים נעים רק בתנודות סביב מקומם; אין חלקיקים טעונים חופשיים

סעיף ג

(i)

תשובה:

LiOH(s)→Li(l)++OH(l)−\text{LiOH}_{(s)}\rightarrow\text{Li}^{+}_{(l)}+\text{OH}^{-}_{(l)}LiOH(s)​→Li(l)+​+OH(l)−​

LiOH\text{LiOH}LiOH הוא תרכובת יונית (יוני Li+\text{Li}^{+}Li+ ויוני OH−\text{OH}^{-}OH− בסריג יוני). בהיתוך הסריג היוני מתפרק, והיונים נעשים ניידים בנוזל. לכן מנסחים את ההיתוך כמעבר מסריג מוצק ליונים במצב נוזל:
LiOH(s)→Li(l)++OH(l)−\text{LiOH}_{(s)}\rightarrow\text{Li}^{+}_{(l)}+\text{OH}^{-}_{(l)}LiOH(s)​→Li(l)+​+OH(l)−​
טעות נפוצה: לרשום LiOH(l)\text{LiOH}_{(l)}LiOH(l)​ (כאילו זה חומר מולקולרי) או יונים במצב (aq)(aq)(aq) – זה ניסוח של המסה במים, לא של היתוך.

(ii)

תשובה:

חמצון־חיזור: דרגת החמצון של Li עולה מ־0 ל־+1+1+1, ודרגת החמצון של N יורדת מ־0 ל־−3-3−3.

התגובה בשלב II היא תגובת חמצון־חיזור.
3Li(s)+12N2(g)→Li3N(s)3\text{Li}_{(s)}+\frac{1}{2}\text{N}_{2(g)}\rightarrow\text{Li}_3\text{N}_{(s)}3Li(s)​+21​N2(g)​→Li3​N(s)​
•דרגת החמצון של Li: ביסוד Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ – 0; ב־Li3N\text{Li}_3\text{N}Li3​N (יוני Li+\text{Li}^{+}Li+) – +1+1+1. דרגת החמצון עלתה – Li עבר חמצון (מחזר).
•דרגת החמצון של N: ביסוד N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ – 0; ב־Li3N\text{Li}_3\text{N}Li3​N (יון N3−\text{N}^{3-}N3−) – −3-3−3. דרגת החמצון ירדה – N עבר חיזור (מחמצן).
כלומר בתגובה עוברים אלקטרונים מאטומי Li לאטומי N. אין כאן מעבר פרוטונים (לא חומצה־בסיס), ואין תגובה בין יונים בתמיסה שיוצרים משקע (לא שיקוע).

(iii)

תשובה:

המים הם חומצה: מולקולות המים מוסרות פרוטונים (H+\text{H}^{+}H+) ליוני N3−\text{N}^{3-}N3−, ונוצרים NH3\text{NH}_3NH3​ ויוני OH−\text{OH}^{-}OH−.

המים מגיבים כחומצה.
Li3N(s)+3H2O(l)→3LiOH(s)+NH3(g)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}+3\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow 3\text{LiOH}_{(s)}+\text{NH}_{3(g)}Li3​N(s)​+3H2​O(l)​→3LiOH(s)​+NH3(g)​
בתגובה זו מתרחשת תגובת חומצה־בסיס: כל אחת משלוש מולקולות המים מוסרת פרוטון (H+\text{H}^{+}H+) ליון N3−\text{N}^{3-}N3− שב־Li3N\text{Li}_3\text{N}Li3​N. היון N3−\text{N}^{3-}N3− מקבל שלושה פרוטונים והופך ל־NH3\text{NH}_3NH3​ (הוא הבסיס), וכל מולקולת מים שמסרה פרוטון הופכת ליון OH−\text{OH}^{-}OH− (שנמצא ב־LiOH\text{LiOH}LiOH). חומר המוסר פרוטונים הוא חומצה.
המים אינם מחזר – דרגות החמצון לא משתנות (N נשאר −3-3−3, H נשאר +1+1+1, O נשאר −2-2−2, Li נשאר +1+1+1); והמים אינם רק ממס – הם מגיב בתגובה.

סעיף ד

תשובה:

בשלב III נוצרים מחדש 3 מול LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ על כל מול NH3\text{NH}_3NH3​, והם מוחזרים לשלב I. כך משתמשים באותו ליתיום שוב ושוב, ומ־3 מול LiOH\text{LiOH}LiOH אפשר להפיק אמוניה במחזורים רבים.

נעקוב אחרי מחזור אחד:
•שלב I: מ־3 מול LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ מתקבלים 3 מול Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ (יחס 1:1).
•שלב II: 3 מול Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ מגיבים עם 12\frac{1}{2}21​ מול N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ ויוצרים 1 מול Li3N(s)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}Li3​N(s)​.
•שלב III: 1 מול Li3N(s)\text{Li}_3\text{N}_{(s)}Li3​N(s)​ מגיב עם 3 מול מים ונוצרים 1 מול NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ ו־3 מול LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​.
כלומר בסוף המחזור מתקבלת שוב אותה כמות של LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ שהייתה בהתחלה. לפי הקטע, ה־LiOH\text{LiOH}LiOH שנוצר בשלב III מוחזר לשלב I לביצוע תהליך נוסף, וכן הלאה (תהליך מעגלי). לכן LiOH\text{LiOH}LiOH (והליתיום) אינו נצרך בתהליך: בכל מחזור נצרכים רק N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​, מים ואנרגיה חשמלית, ונוצר עוד מול NH3\text{NH}_3NH3​. מ־3 מול LiOH\text{LiOH}LiOH אפשר לבצע מחזורים רבים ולהפיק יותר מ־1 מול NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​.

סעיף ה

תשובה:

לדוגמה: בשיטה החדשה משתמשים באנרגיה חשמלית ממקורות מתחדשים (שמש, רוח) במקום בשרֵפת דלקים פחמימניים – לכן לא נפלט CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​, שפוגע בסביבה, ואין שימוש במקורות אנרגיה מתכלים.

מספיק טיעון אחד מנומק, למשל:
- אנרגיה מתחדשת וללא פליטת CO2\text{CO}_2CO2​: בשלב I משתמשים באנרגיה חשמלית ממקורות מתחדשים (שמש, רוח), ולא בשרֵפת דלקים פחמימניים. לכן לא נפלט CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ לאטמוספרה (פחות פגיעה בסביבה), ולא משתמשים במקורות אנרגיה מתכלים – זהו תהליך בר קיימא.
- אין צורך להפיק גז מימן: מקור אטומי המימן באמוניה הוא המים (שלב III), חומר זמין וזול, ולכן אין צורך בהפקת H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​, שלפי הקטע דורשת אנרגיה רבה.
- תנאים מתונים: ליתיום מגיב עם N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ בטמפרטורת החדר, והתהליך מתבצע בלחץ אטמוספרי – אין צורך בלחץ ובטמפרטורה גבוהים כמו בתהליך התעשייתי, ולכן נחסכת אנרגיה (וגם ציוד עמיד ללחץ גבוה).
- מחזור הליתיום: LiOH\text{LiOH}LiOH שנוצר בשלב III מוחזר לשלב I, ולכן הליתיום אינו נצרך ואין צורך לקנות אותו שוב ושוב.

פרק שני

שאלה 10 · שמן קוקוס, טריגליצרידים וסבון

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

השאלה בנויה על כימיה של מזון (חומצות שומן רוויות/ציס/טרנס, הידרוגנציה, טריגליצרידים והידרוליזה, רישום מקוצר) – פרק שאינו כלול בחומר לבחינה ב־2027. סעיפים ד, ה (מסיסות, תגובת חומצה־בסיס, קשרים בסבון) כלולים.

מבנה, קישור וכימיה של מזון
שמן קוקוס הוא שמן צמחי המופק מן הפרי של עץ הקוקוס.

א.

רוב השמנים הצמחיים (כמו שמן זית, שמן תירס) הם נוזלים בטמפרטורת החדר, אך שמן קוקוס הוא מוצק בטמפרטורת החדר.
ההיגדים a , b שלפניך נוגעים לגורמים שיכולים להשפיע על מצב הצבירה של שמן הקוקוס בטמפרטורת החדר.
קבע איזה היגד, a או b , הוא נכון. הסבר מדוע פסלת את ההיגד האחר.
a. בטריגליצרידים שבשמן קוקוס יש אחוז גבוה של חומצות שומן רוויות.
b. בטריגליצרידים שבשמן קוקוס יש אחוז גבוה של חומצות שומן בלתי רוויות מסוג טרנס.

ב.

שמן קוקוס שעבר הידרוגנציה משמש תחליף לשומן בתעשיית המזון.

(i)

מהו תהליך ההידרוגנציה?

(ii)

קבע אם טמפרטורת ההיתוך של שמן קוקוס שעבר הידרוגנציה גבוהה מטמפרטורת ההיתוך של שמן קוקוס טבעי (שלא עבר הידרוגנציה) או נמוכה ממנה. נמק את קביעתך.

ג.

טרילָאורין הוא טריגליצריד שנמצא בשמן קוקוס.
לפניך ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של טרילאורין:
בהידרוליזה של טרילאורין מקבלים חומצה לאורית ( lauric acid ) ותוצר נוסף.

(i)

כתוב רישום מקוצר של החומצה הלאורית.

(ii)

רשום ייצוג מלא לנוסחת המבנה של התוצר הנוסף המתקבל בתגובת ההידרוליזה של טרילאורין.

ד.

המסיסות במים של חומצה לאורית היא נמוכה. הסבר מדוע.

ה.

חומצה לאורית משמשת גם לייצור הסבון נתרן לאורָט, CH3(CH2)10COONa(s)\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COONa}_{(s)}CH3​(CH2​)10​COONa(s)​ .

(i)

נתרן לאורט נוצר בתגובה של חומצה לאורית עם חומר נוסף.
קבע איזה חומר — NaCl(aq)\text{NaCl}_{(aq)}NaCl(aq)​ או NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​ — מתאים לתגובה עם חומצה לאורית ליצירת הסבון.
נמק את קביעתך.

(ii)

בין חלקיקי נתרן לאורט יש קשרים יוניים וגם אינטראקציות ון־דר־ולס. הסבר קביעה זו.

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

תשובה:

היגד a נכון. היגד b נפסל: בשמנים טבעיים (כמו שמן קוקוס) חומצות השומן הבלתי רוויות הן ברובן מסוג ציס; חומצות שומן טרנס כמעט אינן קיימות בטבע, והן נוצרות בעיקר בתהליכי הידרוגנציה חלקית.

היגד a נכון.
מדוע נפסל היגד b: שמן קוקוס הוא שמן צמחי טבעי. בשמנים טבעיים, חומצות השומן הבלתי רוויות הן (כמעט כולן) מסוג ציס. חומצות שומן מסוג טרנס כמעט אינן מצויות בטבע – הן נוצרות בעיקר בתהליך תעשייתי של הידרוגנציה חלקית של שמנים. לכן אין בשמן קוקוס אחוז גבוה של חומצות שומן טרנס.
(ההסבר להיגד a: בשרשרות של חומצות שומן רוויות אין קשרים כפולים, והן ישרות (זיגזג רגיל). מולקולות הטריגליצרידים יכולות להתקרב זו לזו ולהיארז בצפיפות, שטח המגע ביניהן גדול, והאינטראקציות ון־דר־ולס ביניהן חזקות יחסית. לכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה מטמפרטורת החדר והשמן מוצק.)

סעיף ב

(i)

תשובה:

תגובת סיפוח של מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​, לקשרים הכפולים בין אטומי פחמן בחומצות השומן הבלתי רוויות שבטריגליצרידים (בנוכחות זרז, למשל ניקל, ובחימום). הקשרים הכפולים הופכים לקשרים יחידים.

הידרוגנציה היא סיפוח מימן לקשר כפול C=C\text{C}=\text{C}C=C:
−CH=CH− + H2 → −CH2−CH2−-\text{CH}=\text{CH}-\ +\ \text{H}_2\ \rightarrow\ -\text{CH}_2-\text{CH}_2-−CH=CH− + H2​ → −CH2​−CH2​−
התגובה מתבצעת בנוכחות זרז (למשל ניקל) ובחימום. בתהליך חומצות שומן בלתי רוויות בטריגליצרידים הופכות לרוויות יותר (או לרוויות לגמרי).

(ii)

תשובה:

גבוהה יותר: אחרי הידרוגנציה יש פחות קשרים כפולים (ציס), השרשרות ישרות יותר, נארזות בצפיפות, והאינטראקציות ון־דר־ולס חזקות יותר.

טמפרטורת ההיתוך של שמן קוקוס שעבר הידרוגנציה גבוהה יותר.
בהידרוגנציה הקשרים הכפולים (מסוג ציס) בחומצות השומן הבלתי רוויות הופכים לקשרים יחידים. קשר כפול ציס יוצר "כיפוף" בשרשרת ומפריע למולקולות להתקרב זו לזו. אחרי ההידרוגנציה השרשרות רוויות וישרות, המולקולות נארזות בצפיפות רבה יותר ושטח המגע ביניהן גדל. לכן האינטראקציות ון־דר־ולס בין מולקולות הטריגליצרידים חזקות יותר, ודרושה יותר אנרגיה כדי להתגבר עליהן בהיתוך.

סעיף ג

(i)

תשובה:

C12:0\text{C}12{:}0C12:0

בכל אחת משלוש שרשרות חומצת השומן בטרילאורין יש 12 אטומי פחמן: פחמן הקבוצה C=O\text{C}=\text{O}C=O ועוד 11 אטומי פחמן בשרשרת הזיגזג, ואין בה קשרים כפולים בין אטומי פחמן. לכן חומצה לאורית היא חומצת שומן רוויה בת 12 פחמנים, CH3(CH2)10COOH\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COOH}CH3​(CH2​)10​COOH (נוסחה מולקולרית C12H24O2\text{C}_{12}\text{H}_{24}\text{O}_2C12​H24​O2​), והרישום המקוצר שלה:
C12:0\text{C}12{:}0C12:0
(12 – מספר אטומי הפחמן; 0 – מספר הקשרים הכפולים.)

(ii)

תשובה:

גליצרול (פרופאן־1,2,3־טריול): שרשרת של 3 אטומי C, לכל אחד קבוצת O–H; ייצוג מלא בתרשים.

בהידרוליזה של טריגליצריד מתפרקים שלושת קשרי האסטר, ומתקבלים שלוש מולקולות חומצת שומן ומולקולה אחת של גליצרול (גליצרין):
C39H74O6+3H2O→C3H8O3+3C11H23COOH\text{C}_{39}\text{H}_{74}\text{O}_6+3\text{H}_2\text{O}\rightarrow\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_3+3\text{C}_{11}\text{H}_{23}\text{COOH}C39​H74​O6​+3H2​O→C3​H8​O3​+3C11​H23​COOH
ייצוג מלא של נוסחת המבנה של גליצרול (כל הקשרים וכל האטומים מוצגים):
שלושה אטומי פחמן בשרשרת, כל אחד קשור לקבוצת O–H אחת; לפחמנים הקיצוניים עוד שני אטומי H כל אחד, ולפחמן האמצעי עוד אטום H אחד.

סעיף ד

תשובה:

במולקולה יש שייר פחמימני גדול (11 אטומי C, לא קוטבי) וקבוצה קרבוקסילית אחת קטנה; יש בה מעט מוקדים ליצירת קשרי מימן עם מים, והשייר הגדול יוצר עם המים רק אינטראקציות ון־דר־ולס חלשות.

במולקולת חומצה לאורית, CH3(CH2)10COOH\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COOH}CH3​(CH2​)10​COOH, יש:
- חלק לא קוטבי גדול – שייר פחמימני של 11 אטומי פחמן;
- חלק קוטבי קטן – קבוצה קרבוקסילית אחת, −COOH-\text{COOH}−COOH, שיכולה ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים.
כדי שהחומצה תתמוסס, צריך להפריד בין מולקולות המים (לשבור קשרי מימן ביניהן) ובין מולקולות החומצה (להתגבר על אינטראקציות ון־דר־ולס חזקות יחסית בין השיירים הפחמימניים הגדולים). בין השייר הפחמימני הגדול לבין מולקולות המים נוצרות רק אינטראקציות ון־דר־ולס חלשות, ויש במולקולה מעט מוקדים ליצירת קשרי מימן עם המים. לכן הקשרים שנוצרים בין מולקולות החומצה למולקולות המים אינם מפצים על הקשרים שצריך לשבור, והמסיסות נמוכה.

סעיף ה

(i)

תשובה:

NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​: זהו בסיס – יוני OH−\text{OH}^{-}OH− מקבלים פרוטון מהקבוצה הקרבוקסילית, ונוצרים יון לאורט ומים.

החומר המתאים: NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​.
חומצה לאורית היא חומצה קרבוקסילית. כדי שייווצר היון CH3(CH2)10COO−\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COO}^{-}CH3​(CH2​)10​COO− החומצה צריכה למסור פרוטון (H+\text{H}^{+}H+), ולשם כך דרוש בסיס שיקבל אותו. בתמיסת NaOH\text{NaOH}NaOH יש יוני OH−\text{OH}^{-}OH−, שהם בסיס:
CH3(CH2)10COOH+NaOH(aq)→CH3(CH2)10COONa+H2O(l)\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COOH}+\text{NaOH}_{(aq)}\rightarrow\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COONa}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}CH3​(CH2​)10​COOH+NaOH(aq)​→CH3​(CH2​)10​COONa+H2​O(l)​
(בניסוח יוני: RCOOH+OH(aq)−→RCOO(aq)−+H2O(l)\text{RCOOH}+\text{OH}^{-}_{(aq)}\rightarrow\text{RCOO}^{-}_{(aq)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}RCOOH+OH(aq)−​→RCOO(aq)−​+H2​O(l)​.)
בתמיסת NaCl\text{NaCl}NaCl יש יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ו־Cl−\text{Cl}^{-}Cl−, שאינם בסיס ואינם מקבלים פרוטון מהחומצה, ולכן לא מתרחשת תגובה ולא נוצר הסבון.

(ii)

תשובה:

נתרן לאורט בנוי מיוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ומיוני לאורט CH3(CH2)10COO−\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COO}^{-}CH3​(CH2​)10​COO−: בין Na+\text{Na}^{+}Na+ לקבוצות COO−\text{COO}^{-}COO− – קשרים יוניים; בין השיירים הפחמימניים הארוכים (הלא קוטביים) של יוני הלאורט – אינטראקציות ון־דר־ולס.

נתרן לאורט הוא תרכובת יונית, הבנויה מיוני נתרן, Na+\text{Na}^{+}Na+, ומיוני לאורט, CH3(CH2)10COO−\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COO}^{-}CH3​(CH2​)10​COO−.
- קשרים יוניים: משיכה חשמלית בין היונים החיוביים Na+\text{Na}^{+}Na+ ובין הקבוצות הטעונות שלילית −COO−-\text{COO}^{-}−COO− ("הראש") של יוני הלאורט.
- אינטראקציות ון־דר־ולס: ליון הלאורט יש "זנב" פחמימני ארוך ולא קוטבי (CH3(CH2)10−\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}-CH3​(CH2​)10​−). בין הזנבות הפחמימניים של יוני לאורט סמוכים פועלות אינטראקציות ון־דר־ולס (ענני אלקטרונים גדולים יחסית ושטח מגע גדול).

שאלה 11 · גז צחוק: לחץ, נפח ומספר חלקיקים

שאלה פתוחה

סטויכיומטריה ומצב גז
השאלה עוסקת בגז דו־חנקן חמצני, N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ , המכונה "גז צחוק".

א.

בכלי סגור A שנפחו 1 ליטר יש 4.4 גרם N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ .
בכלי סגור B שנפחו 2 ליטר יש 6.4 גרם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ .
שני הכלים מוחזקים בטמפרטורה זהה.
לפניך שני היגדים I ו־ II .
קבע איזה מן ההיגדים, I או II , הוא ההיגד הנכון. נמק את קביעתך.
I. לחץ הגז בכלי A גדול פי 2 מלחץ הגז בכלי B .
II. לחץ הגז בכלי A שווה ללחץ הגז בכלי B .

ב.

בטמפרטורות מעל 577∘C577^{\circ}\text{C}577∘C , N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ מתפרק ליסודותיו, חנקן וחמצן.

(i)

נסח ואזן את תגובת הפירוק של N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ ליסודותיו.

(ii)

ביצעו ניסוי. לתוך כלי סגור המכיל אוויר הכניסו N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ . חיממו את הכלי לטמפרטורה של 600∘C600^{\circ}\text{C}600∘C , במשך t דקות, עד שלחץ הגזים בכלי לא השתנה יותר.
איזה מן הגרפים I-III שלפניך מתאר נכון את השינוי במספר המולים של O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ בתוך הכלי? נמק.

ג.

משתמשים ב־ N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ בשילוב עם O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , בטיפולי שיניים (אצל ילדים במיוחד) כדי להפחית את תחושת הכאב ואת רמת החרדה.
המטופל שואף תערובת של שני הגזים מתוך מסכה המונחת על אפו.
ב־ 100 מ"ל של תערובת הגזים בתנאי החדר יש 30 מ"ל N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ ו־ 70 מ"ל O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ .
בכל נשימה המטופל שואף 500 מ"ל מתערובת הגזים.
חשב את מספר המולקולות של N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ שהמטופל שואף בכל נשימה.
פרט את חישוביך.
נתון:
— הנפח של 1 מול גז בתנאי החדר הוא 25 ליטר.
— ב־ 1 מול של חלקיקים יש 6.02⋅10236.02\cdot10^{23}6.02⋅1023 חלקיקים.

ד.

(i)

מאחסנים דו־חנקן חמצני בלחץ גבוה, במצב נוזל, במְכלים מיוחדים.
מְכָל המיועד לשימוש במרפאות שיניים מכיל 2.92 ק"ג של N2O(l)\text{N}_2\text{O}_{(l)}N2​O(l)​ .
מה היה הנפח של מסה זו של N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ אילו היו מאחסנים אותו בתנאי החדר?
פרט את חישוביך.
נתון: הנפח של 1 מול גז בתנאי החדר הוא 25 ליטר.

(ii)

בתעשייה מפיקים את הגז N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ על ידי חימום אמוניום חנקתי, NH4NO3(s)\text{NH}_4\text{NO}_{3(s)}NH4​NO3(s)​ , על פי התגובה:
NH4NO3(s)→N2O(g)+2H2O(g)\text{NH}_4\text{NO}_{3(s)}\rightarrow\text{N}_2\text{O}_{(g)}+2\text{H}_2\text{O}_{(g)}NH4​NO3(s)​→N2​O(g)​+2H2​O(g)​
חשב את המסה של NH4NO3(s)\text{NH}_4\text{NO}_{3(s)}NH4​NO3(s)​ הדרושה כדי להפיק 2.92 ק"ג של דו־חנקן חמצני.
פרט את חישוביך.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

תשובה:

היגד II: בשני הכלים יש 0.1 mol0.1\ \text{mol}0.1 mol גז בכל ליטר (A: 0.1 mol0.1\ \text{mol}0.1 mol ב־1 L1\ \text{L}1 L; B: 0.2 mol0.2\ \text{mol}0.2 mol ב־2 L2\ \text{L}2 L), ובאותה טמפרטורה – אותו לחץ.

היגד II נכון.
n=mMn=\frac{m}{M}n=Mm​
•כלי A: MN2O=2⋅14.0+16.0=44.0 gmolM_{\text{N}_2\text{O}}=2\cdot14.0+16.0=44.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MN2​O​=2⋅14.0+16.0=44.0 molg​; n=4.4 g44.0 gmol=0.1 moln=\frac{4.4\ \text{g}}{44.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.1\ \text{mol}n=44.0 molg​4.4 g​=0.1 mol; nV=0.1 mol1 L=0.1 molL\frac{n}{V}=\frac{0.1\ \text{mol}}{1\ \text{L}}=0.1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}Vn​=1 L0.1 mol​=0.1 Lmol​
•כלי B: 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​; n=6.4 g32.0 gmol=0.2 moln=\frac{6.4\ \text{g}}{32.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.2\ \text{mol}n=32.0 molg​6.4 g​=0.2 mol; nV=0.2 mol2 L=0.1 molL\frac{n}{V}=\frac{0.2\ \text{mol}}{2\ \text{L}}=0.1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}Vn​=2 L0.2 mol​=0.1 Lmol​
לפי משוואת הגזים האידאליים PV=nRTPV=nRTPV=nRT, כלומר P=nVRTP=\frac{n}{V}RTP=Vn​RT: בשני הכלים מספר המולים של הגז ליחידת נפח שווה (0.1 molL0.1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}0.1 Lmol​) והטמפרטורה שווה, ולכן הלחץ שווה. סוג הגז (ומסתו המולרית) אינו משפיע על הלחץ – רק מספר המולים ליחידת נפח והטמפרטורה.
(היגד I מתקבל אם משווים רק את הנפחים או רק את מספרי המולים, ולא את היחס nV\frac{n}{V}Vn​.)

סעיף ב

(i)

תשובה:

2N2O(g)→2N2(g)+O2(g)2\text{N}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow 2\text{N}_{2(g)}+\text{O}_{2(g)}2N2​O(g)​→2N2(g)​+O2(g)​

היסודות חנקן וחמצן קיימים כמולקולות דו־אטומיות, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ ו־O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​:
2N2O(g)→2N2(g)+O2(g)2\text{N}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow 2\text{N}_{2(g)}+\text{O}_{2(g)}2N2​O(g)​→2N2(g)​+O2(g)​
איזון: N: 2⋅2=42\cdot2=42⋅2=4 בשני הצדדים; O: 2⋅1=22\cdot1=22⋅1=2 בשני הצדדים. (מקובל גם: N2O(g)→N2(g)+12O2(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow\text{N}_{2(g)}+\frac{1}{2}\text{O}_{2(g)}N2​O(g)​→N2(g)​+21​O2(g)​.)

(ii)

תשובה:

גרף II: בהתחלה יש O2\text{O}_2O2​ מהאוויר (ערך התחלתי שונה מאפס); הכמות עולה בזמן הפירוק, ובזמן t הפירוק מסתיים (הלחץ קבוע) והכמות נשארת קבועה.

הגרף המתאים: II.
- נקודת ההתחלה: הכלי מכיל אוויר, ובאוויר יש חמצן. לכן בזמן 0 מספר המולים של O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ גדול מאפס – הגרף מתחיל בערך חיובי על הציר האנכי. (לכן גרף III, שמתחיל מאפס, אינו מתאים.)
- במהלך החימום: N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ מתפרק ונוצר O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​, ולכן מספר המולים של O2\text{O}_2O2​ עולה.
- אחרי זמן t: לחץ הגזים בכלי אינו משתנה יותר, כלומר הפירוק הסתיים (כל ה־N2O\text{N}_2\text{O}N2​O התפרק; בתגובה מ־2 מול גז מתקבלים 3 מול גז, ולכן כל עוד התגובה מתרחשת הלחץ עולה). מכאן שמספר המולים של O2\text{O}_2O2​ לא משתנה יותר – הגרף אופקי אחרי t. (לכן גרף I, שבו מספר המולים ממשיך לעלות גם אחרי t, אינו מתאים.)

סעיף ג

תשובה:

3.61⋅10213.61\cdot10^{21}3.61⋅1021 מולקולות N2O\text{N}_2\text{O}N2​O בכל נשימה.

נפח N2O\text{N}_2\text{O}N2​O בנשימה אחת: ב־100 mL100\ \text{mL}100 mL תערובת יש 30 mL30\ \text{mL}30 mL N2O\text{N}_2\text{O}N2​O (30%), ולכן ב־500 mL500\ \text{mL}500 mL:
VN2O=500 mL⋅30 mL100 mL=150 mL=0.150 LV_{\text{N}_2\text{O}}=500\ \text{mL}\cdot\frac{30\ \text{mL}}{100\ \text{mL}}=150\ \text{mL}=0.150\ \text{L}VN2​O​=500 mL⋅100 mL30 mL​=150 mL=0.150 L
מספר המולים:
n=VVM=0.150 L25 Lmol=0.006 moln=\frac{V}{V_M}=\frac{0.150\ \text{L}}{25\ \frac{\text{L}}{\text{mol}}}=0.006\ \text{mol}n=VM​V​=25 molL​0.150 L​=0.006 mol
מספר המולקולות:
N=n⋅NA=0.006 mol⋅6.02⋅1023 מולקולותmol=3.612⋅1021≈3.61⋅1021 מולקולותN=n\cdot N_A=0.006\ \text{mol}\cdot6.02\cdot10^{23}\ \frac{\text{מולקולות}}{\text{mol}}=3.612\cdot10^{21}\approx3.61\cdot10^{21}\ \text{מולקולות}N=n⋅NA​=0.006 mol⋅6.02⋅1023 molמולקולות​=3.612⋅1021≈3.61⋅1021 מולקולות

סעיף ד

(i)

תשובה:

V≈1659 L≈1.66⋅103 LV\approx1659\ \text{L}\approx1.66\cdot10^{3}\ \text{L}V≈1659 L≈1.66⋅103 L

m=2.92 kg=2920 gMN2O=2⋅14.0+16.0=44.0 gmolm=2.92\ \text{kg}=2920\ \text{g}\qquad M_{\text{N}_2\text{O}}=2\cdot14.0+16.0=44.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}m=2.92 kg=2920 gMN2​O​=2⋅14.0+16.0=44.0 molg​
n=mM=2920 g44.0 gmol=66.36 moln=\frac{m}{M}=\frac{2920\ \text{g}}{44.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=66.36\ \text{mol}n=Mm​=44.0 molg​2920 g​=66.36 mol
V=n⋅VM=66.36 mol⋅25 Lmol=1659 L≈1.66⋅103 LV=n\cdot V_M=66.36\ \text{mol}\cdot25\ \frac{\text{L}}{\text{mol}}=1659\ \text{L}\approx1.66\cdot10^{3}\ \text{L}V=n⋅VM​=66.36 mol⋅25 molL​=1659 L≈1.66⋅103 L
(כ־1,660 ליטר גז – לכן מאחסנים את N2O\text{N}_2\text{O}N2​O כנוזל בלחץ גבוה, בנפח קטן בהרבה.)

(ii)

תשובה:

m≈5309 g≈5.31 kgm\approx5309\ \text{g}\approx5.31\ \text{kg}m≈5309 g≈5.31 kg

מספר המולים של N2O\text{N}_2\text{O}N2​O ב־2.92 kg2.92\ \text{kg}2.92 kg (מתת־סעיף i): nN2O=66.36 moln_{\text{N}_2\text{O}}=66.36\ \text{mol}nN2​O​=66.36 mol.
לפי ניסוח התגובה, היחס NH4NO3:N2O=1:1\text{NH}_4\text{NO}_3:\text{N}_2\text{O}=1:1NH4​NO3​:N2​O=1:1, ולכן:
nNH4NO3=66.36 moln_{\text{NH}_4\text{NO}_3}=66.36\ \text{mol}nNH4​NO3​​=66.36 mol
MNH4NO3=2⋅14.0+4⋅1.0+3⋅16.0=80.0 gmolM_{\text{NH}_4\text{NO}_3}=2\cdot14.0+4\cdot1.0+3\cdot16.0=80.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MNH4​NO3​​=2⋅14.0+4⋅1.0+3⋅16.0=80.0 molg​
m=n⋅M=66.36 mol⋅80.0 gmol=5309 g≈5.31 kgm=n\cdot M=66.36\ \text{mol}\cdot80.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=5309\ \text{g}\approx5.31\ \text{kg}m=n⋅M=66.36 mol⋅80.0 molg​=5309 g≈5.31 kg

שאלה 12 · כלור ותרכובותיו: חמצון־חיזור וחישובים

שאלה פתוחה

חמצון חיזור וסטויכיומטריה
השאלה עוסקת ביסוד כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ , ובכמה מתרכובותיו.

א.

הכלור הוא אחד המגיבים בכל אחת מן התגובות (1)-(3) שלפניך:
(1) Cl2(g)+2Na(s)→2NaCl(s)\text{Cl}_{2(g)}+2\text{Na}_{(s)}\rightarrow 2\text{NaCl}_{(s)}Cl2(g)​+2Na(s)​→2NaCl(s)​
(2) Cl2(g)+F2(g)→2ClF(g)\text{Cl}_{2(g)}+\text{F}_{2(g)}\rightarrow 2\text{ClF}_{(g)}Cl2(g)​+F2(g)​→2ClF(g)​
(3) Cl2(g)+2H2O(l)→HClO(aq)+H3O(aq)++Cl(aq)−\text{Cl}_{2(g)}+2\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow\text{HClO}_{(aq)}+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl2(g)​+2H2​O(l)​→HClO(aq)​+H3​O(aq)+​+Cl(aq)−​

(i)

עבור כל אחת מן התגובות (1) ו־ (2) , קבע אם Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ הוא המחמצן או המחזר. נמק.

(ii)

בתגובה (3) יש אטומי כלור בשלושה סוגי חלקיקים.
קבע את דרגת החמצון של אטומי הכלור בכל אחד מן החלקיקים.

(iii)

עבור תגובה (3) , קבע אם Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ מגיב רק כמחמצן, רק כמחזר או גם כמחמצן וגם כמחזר.

ב.

(i)

כאשר מזרימים גז כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ , לכלי המכיל רדיד אלומיניום, Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ , מתרחשת תגובה.
נסח ואזן את התגובה בין Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ ובין Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ .

(ii)

כמה מול אלקטרונים עברו בתגובה שבה הגיבו 4.05 גרם Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ עם כמות מתאימה של Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ ?
פרט את חישוביך.

ג.

יש תרכובות המכילות יונים רב־אטומיים של כלור, כגון: יוני על־כלוֹרָט, ClO4−\text{ClO}_4^{-}ClO4−​ , יוני כלוֹרָט, ClO3−\text{ClO}_3^{-}ClO3−​ , ויוני תת־כלוריט, ClO−\text{ClO}^{-}ClO− .
סעיפים ג, ד, ה עוסקים בשימושים של אחדות מתרכובות אלה.
תערובת של אמוניום על־כלורט, NH4ClO4(s)\text{NH}_4\text{ClO}_{4(s)}NH4​ClO4(s)​ ו־ Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ , משמשת דלק מוצק להנעת טילים הנושאים חלליות.
חומרים אלה יכולים להגיב על פי תגובה (4) שלפניך.
(4) 3NH4ClO4(s)+3Al(s)→Al2O3(s)+AlCl3(s)+6H2O(g)+3NO(g)3\text{NH}_4\text{ClO}_{4(s)}+3\text{Al}_{(s)}\rightarrow\text{Al}_2\text{O}_{3(s)}+\text{AlCl}_{3(s)}+6\text{H}_2\text{O}_{(g)}+3\text{NO}_{(g)}3NH4​ClO4(s)​+3Al(s)​→Al2​O3(s)​+AlCl3(s)​+6H2​O(g)​+3NO(g)​
במתקן ניסויי הגיבה דגימה של 0.6 מול NH4ClO4(s)\text{NH}_4\text{ClO}_{4(s)}NH4​ClO4(s)​ עם כמות מתאימה של Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ על פי תגובה (4).
חשב את הנפח הכולל של הגזים שהתקבל בתגובה זו. פרט את חישוביך.
נתון: בתנאי הניסוי הנפח של 1 מול גז הוא 35 ליטר.

ד.

אשלגן כלורט, KClO3(s)\text{KClO}_{3(s)}KClO3(s)​ , משמש בין השאר כמקור ל־ O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ במעבדות.
בתנאים מתאימים, KClO3(s)\text{KClO}_{3(s)}KClO3(s)​ מתפרק ל־ O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ ולתוצר נוסף.
קבע מהי הנוסחה של התוצר הנוסף — KCl\text{KCl}KCl או KClO4\text{KClO}_4KClO4​ . נמק את קביעתך.

ה.

תמיסת נתרן תת־כלוריט, NaClO(aq)\text{NaClO}_{(aq)}NaClO(aq)​ , המכונה "אקונומיקה", משמשת לחיטוי ולניקוי.
ב־ 100 מ"ל של תמיסת אקונומיקה מומסים 3 גרם NaClO(s)\text{NaClO}_{(s)}NaClO(s)​ .
חשב את הריכוז המולרי של יוני ClO(aq)−\text{ClO}^{-}_{(aq)}ClO(aq)−​ בתמיסה זו. פרט את חישוביך.

◂ פתרון מלא לשאלה 12

סעיף א

(i)

תשובה:

בתגובה (1) Cl2\text{Cl}_2Cl2​ מחמצן (דרגת החמצון של Cl יורדת מ־0 ל־−1-1−1); בתגובה (2) Cl2\text{Cl}_2Cl2​ מחזר (דרגת החמצון של Cl עולה מ־0 ל־+1+1+1, כי F אלקטרושלילי יותר).

תגובה (1): Cl2\text{Cl}_2Cl2​ הוא המחמצן. דרגת החמצון של Cl ביסוד Cl2\text{Cl}_2Cl2​ היא 0, וב־NaCl\text{NaCl}NaCl (יוני Cl−\text{Cl}^{-}Cl−) היא −1-1−1. דרגת החמצון ירדה – אטומי Cl קיבלו אלקטרונים מאטומי Na (שדרגת החמצון שלהם עלתה מ־0 ל־+1+1+1), כלומר Cl2\text{Cl}_2Cl2​ עבר חיזור והוא המחמצן.
תגובה (2): Cl2\text{Cl}_2Cl2​ הוא המחזר. ב־ClF\text{ClF}ClF האלקטרושליליות של F (4.0) גבוהה משל Cl (3.0), ולכן זוג האלקטרונים הקושר "שייך" ל־F: דרגת החמצון של F היא −1-1−1 ושל Cl היא +1+1+1. דרגת החמצון של Cl עלתה מ־0 ל־+1+1+1 – אטומי Cl עברו חמצון (מסרו אלקטרונים ל־F), ולכן Cl2\text{Cl}_2Cl2​ הוא המחזר ו־F2\text{F}_2F2​ הוא המחמצן.

(ii)

תשובה:

Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​: 0; HClO(aq)\text{HClO}_{(aq)}HClO(aq)​: +1+1+1; Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​: −1-1−1.

- Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ – יסוד: דרגת החמצון 0.
- HClO\text{HClO}HClO – סכום דרגות החמצון במולקולה הוא 0; H: +1+1+1, O: −2-2−2, ולכן Cl: 0−(+1)−(−2)=0-(+1)-(-2)=0−(+1)−(−2)= +1+1+1.
- Cl−\text{Cl}^{-}Cl− – יון חד־אטומי: דרגת החמצון שווה למטען, −1-1−1.

(iii)

תשובה:

גם כמחמצן וגם כמחזר.

Cl2\text{Cl}_2Cl2​ מגיב גם כמחמצן וגם כמחזר. מתוך שני אטומי הכלור במולקולת Cl2\text{Cl}_2Cl2​ (דרגת חמצון 0), אטום אחד עובר חמצון ל־+1+1+1 (ב־HClO\text{HClO}HClO) ואטום אחד עובר חיזור ל־−1-1−1 (ב־Cl−\text{Cl}^{-}Cl−). דרגות החמצון של H ו־O אינן משתנות, ולכן הכלור הוא גם המחמצן וגם המחזר בתגובה.

סעיף ב

(i)

תשובה:

2Al(s)+3Cl2(g)→2AlCl3(s)2\text{Al}_{(s)}+3\text{Cl}_{2(g)}\rightarrow2\text{AlCl}_{3(s)}2Al(s)​+3Cl2(g)​→2AlCl3(s)​

אלומיניום (טור 3) יוצר יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ וכלור יוצר יוני Cl−\text{Cl}^{-}Cl−, ולכן התוצר הוא AlCl3\text{AlCl}_3AlCl3​:
2Al(s)+3Cl2(g)→2AlCl3(s)2\text{Al}_{(s)}+3\text{Cl}_{2(g)}\rightarrow2\text{AlCl}_{3(s)}2Al(s)​+3Cl2(g)​→2AlCl3(s)​
איזון: Al: 2 בכל צד; Cl: 3⋅2=6=2⋅33\cdot2=6=2\cdot33⋅2=6=2⋅3.

(ii)

תשובה:

0.45 mol0.45\ \text{mol}0.45 mol אלקטרונים

nAl=mM=4.05 g27.0 gmol=0.150 moln_{\text{Al}}=\frac{m}{M}=\frac{4.05\ \text{g}}{27.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.150\ \text{mol}nAl​=Mm​=27.0 molg​4.05 g​=0.150 mol
כל אטום Al עובר חמצון מדרגת חמצון 0 ל־+3+3+3 ומוסר 3 אלקטרונים: Al→Al3++3e−\text{Al}\rightarrow\text{Al}^{3+}+3e^{-}Al→Al3++3e−. לכן היחס Al:e−=1:3\text{Al}:e^{-}=1:3Al:e−=1:3:
ne−=3⋅0.150 mol=0.450 moln_{e^-}=3\cdot0.150\ \text{mol}=0.450\ \text{mol}ne−​=3⋅0.150 mol=0.450 mol

סעיף ג

תשובה:

63 L63\ \text{L}63 L גזים (1.8 mol1.8\ \text{mol}1.8 mol גז).

לפי ניסוח תגובה (4), מ־3 מול NH4ClO4\text{NH}_4\text{ClO}_4NH4​ClO4​ מתקבלים 6 מול H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ ו־3 מול NO(g)\text{NO}_{(g)}NO(g)​, כלומר 6+3=96+3=96+3=9 מול גזים (שאר התוצרים מוצקים). היחס NH4ClO4:גזים=3:9=1:3\text{NH}_4\text{ClO}_4:\text{גזים}=3:9=1:3NH4​ClO4​:גזים=3:9=1:3.
nגזים=3⋅0.6 mol=1.8 moln_{\text{גזים}}=3\cdot0.6\ \text{mol}=1.8\ \text{mol}nגזים​=3⋅0.6 mol=1.8 mol
(בנפרד: nH2O=2⋅0.6=1.2 moln_{\text{H}_2\text{O}}=2\cdot0.6=1.2\ \text{mol}nH2​O​=2⋅0.6=1.2 mol, nNO=0.6 moln_{\text{NO}}=0.6\ \text{mol}nNO​=0.6 mol.)
V=n⋅VM=1.8 mol⋅35 Lmol=63 LV=n\cdot V_M=1.8\ \text{mol}\cdot35\ \frac{\text{L}}{\text{mol}}=63\ \text{L}V=n⋅VM​=1.8 mol⋅35 molL​=63 L
טעות נפוצה: לחשב רק את נפח אחד הגזים (למשל NO), או לשכוח שהמים מתקבלים כאן במצב גז.

סעיף ד

תשובה:

KCl\text{KCl}KCl: אטומי O עוברים חמצון (מ־−2-2−2 ל־0), ולכן אטומי Cl חייבים לעבור חיזור – מ־+5+5+5 ב־KClO3\text{KClO}_3KClO3​ ל־−1-1−1 ב־KCl\text{KCl}KCl (ב־KClO4\text{KClO}_4KClO4​ דרגת החמצון של Cl הייתה עולה ל־+7+7+7).

התוצר הנוסף הוא KCl\text{KCl}KCl.
2KClO3(s)→2KCl(s)+3O2(g)2\text{KClO}_{3(s)}\rightarrow2\text{KCl}_{(s)}+3\text{O}_{2(g)}2KClO3(s)​→2KCl(s)​+3O2(g)​
•ב־KClO3\text{KClO}_3KClO3​ דרגת החמצון של O היא −2-2−2, וב־O2\text{O}_2O2​ היא 0: אטומי החמצן עוברים חמצון.
•בתגובת חמצון־חיזור חייב להיות גם חלקיק שעובר חיזור. אשלגן נשאר K+\text{K}^{+}K+ (+1+1+1), ולכן רק אטומי Cl יכולים לעבור חיזור.
•דרגת החמצון של Cl ב־KClO3\text{KClO}_3KClO3​: +1+x+3⋅(−2)=0⇒x=+5+1+x+3\cdot(-2)=0\Rightarrow x=+5+1+x+3⋅(−2)=0⇒x=+5.
•ב־KCl\text{KCl}KCl דרגת החמצון של Cl היא −1-1−1 – ירידה, כלומר חיזור. ✓
•ב־KClO4\text{KClO}_4KClO4​ דרגת החמצון של Cl היא +7+7+7 – עלייה, כלומר גם Cl היה עובר חמצון, ולא היה אף חלקיק שעובר חיזור. זה בלתי אפשרי.
(אפשר גם לנמק בעזרת שימור אטומים: ב־KClO3\text{KClO}_3KClO3​ יש 3 אטומי O לכל אטום Cl; אם יתקבל KClO4\text{KClO}_4KClO4​, עם 4 אטומי O לכל Cl, לא יישארו אטומי O ליצירת O2\text{O}_2O2​.)

סעיף ה

תשובה:

[ClO−]≈0.403 M[\text{ClO}^-]\approx0.403\ \text{M}[ClO−]≈0.403 M

MNaClO=23.0+35.5+16.0=74.5 gmolM_{\text{NaClO}}=23.0+35.5+16.0=74.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MNaClO​=23.0+35.5+16.0=74.5 molg​
n=mM=3 g74.5 gmol=0.0403 moln=\frac{m}{M}=\frac{3\ \text{g}}{74.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.0403\ \text{mol}n=Mm​=74.5 molg​3 g​=0.0403 mol
תהליך ההמסה: NaClO(s)→Na(aq)++ClO(aq)−\text{NaClO}_{(s)}\rightarrow\text{Na}^{+}_{(aq)}+\text{ClO}^{-}_{(aq)}NaClO(s)​→Na(aq)+​+ClO(aq)−​ – יחס 1:1, ולכן nClO−=0.0403 moln_{\text{ClO}^-}=0.0403\ \text{mol}nClO−​=0.0403 mol.
C=nV=0.0403 mol0.100 L=0.403 MC=\frac{n}{V}=\frac{0.0403\ \text{mol}}{0.100\ \text{L}}=0.403\ \text{M}C=Vn​=0.100 L0.0403 mol​=0.403 M

שאלה 13 · חומצה גופרתית: סתירה, שיקוע ומוליכות

שאלה פתוחה

חומצות ובסיסים וסטויכיומטריה
חומצה גופרתית, H2SO4(l)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}H2​SO4(l)​ , היא חומר גלם חשוב בתעשייה הכימית.
כאשר מערבבים תמיסת H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ עם תמיסת סידן הידרוקסידי, Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​ , שוקע מוצק לבן. המוצק הוא סידן גופרתי, CaSO4(s)\text{CaSO}_{4(s)}CaSO4(s)​ ("גבס").
לפניך ניסוח התגובה:
Ca(aq)2++2OH(aq)−+2H3O(aq)++SO4(aq)2−→CaSO4(s)+4H2O(l)\text{Ca}^{2+}_{(aq)}+2\text{OH}^{-}_{(aq)}+2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{SO}^{2-}_{4(aq)}\rightarrow\text{CaSO}_{4(s)}+4\text{H}_2\text{O}_{(l)}Ca(aq)2+​+2OH(aq)−​+2H3​O(aq)+​+SO4(aq)2−​→CaSO4(s)​+4H2​O(l)​
תלמידים ערכו ניסוי. לכלי שהכיל 20 מ"ל תמיסת H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ בריכוז 0.25M0.25\text{M}0.25M הוסיפו בהדרגה 100 מ"ל תמיסת Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​ ומדדו את המוליכות החשמלית של התמיסה.
הגרף שלפניך מציג באופן סכמטי את השינוי במוליכות החשמלית של התמיסה במהלך הניסוי.

א.

(i)

הסבר מדוע בנקודה B המוליכות של התמיסה זניחה.

(ii)

חשב את הריכוז המולרי של תמיסת Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​ שבה השתמשו בניסוי. פרט את חישוביך.

ב.

במהלך הניסוי מדדו התלמידים גם את ה־ pH של התמיסה.

(i)

נמצא כי ה־ pH של התמיסה בנקודה A שבגרף הנתון נמוך מן ה־ pH של התמיסה בנקודה B .
הסבר ממצא זה.

(ii)

נמצא כי ה־ pH של התמיסה בנקודה C שבגרף הנתון גבוה מן ה־ pH של התמיסה בנקודה B .
הסבר ממצא זה.

ג.

בניסוי אחר ערבבו 200 מ"ל תמיסת H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ בריכוז 0.25M0.25\text{M}0.25M עם 300 מ"ל תמיסת אשלגן הידרוקסידי, KOH(aq)\text{KOH}_{(aq)}KOH(aq)​ , בריכוז 0.3M0.3\text{M}0.3M . בתגובה שהתרחשה התקבל נוזל צלול (לא נוצר משקע).

(i)

רשום ניסוח נטו לתגובה שהתרחשה.

(ii)

קבע אם בתום התגובה היה ה־ pH של התמיסה חומצי, בסיסי או ניטרלי.
פרט את חישוביך.

(iii)

חשב את הריכוז המולרי של יוני K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}K(aq)+​ בתמיסה הצלולה שהתקבלה.
פרט את חישוביך.

◂ פתרון מלא לשאלה 13

סעיף א

(i)

תשובה:

בנקודה B הכמויות מתאימות בדיוק ליחס בתגובה: כל יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ ו־OH−\text{OH}^{-}OH− הפכו למים, וכל יוני Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ ו־SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ יצרו משקע CaSO4(s)\text{CaSO}_{4(s)}CaSO4(s)​, ולכן כמעט אין בתמיסה יונים ניידים.

מוליכות חשמלית של תמיסה נובעת מנוכחות יונים ניידים.
בנקודה A יש רק תמיסת H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​, ובה יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ ו־SO4(aq)2−\text{SO}^{2-}_{4(aq)}SO4(aq)2−​ – המוליכות גבוהה. בהוספת Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​ מתרחשת התגובה:
Ca(aq)2++2OH(aq)−+2H3O(aq)++SO4(aq)2−→CaSO4(s)+4H2O(l)\text{Ca}^{2+}_{(aq)}+2\text{OH}^{-}_{(aq)}+2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{SO}^{2-}_{4(aq)}\rightarrow\text{CaSO}_{4(s)}+4\text{H}_2\text{O}_{(l)}Ca(aq)2+​+2OH(aq)−​+2H3​O(aq)+​+SO4(aq)2−​→CaSO4(s)​+4H2​O(l)​
בנקודה B הוסיפו בדיוק את הכמות של Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2Ca(OH)2​ המתאימה לכמות החומצה: כל יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ הגיבו עם יוני OH−\text{OH}^{-}OH− ויצרו מים (מולקולות), וכל יוני SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ הגיבו עם יוני Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ ויצרו משקע מוצק CaSO4(s)\text{CaSO}_{4(s)}CaSO4(s)​, שבו היונים אינם ניידים. כמעט לא נשארו יונים ניידים בתמיסה, ולכן המוליכות זניחה.

(ii)

תשובה:

0.1 M0.1\ \text{M}0.1 M

מספר המולים של החומצה:
nH2SO4=C⋅V=0.25 molL⋅0.020 L=0.005 moln_{\text{H}_2\text{SO}_4}=C\cdot V=0.25\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.020\ \text{L}=0.005\ \text{mol}nH2​SO4​​=C⋅V=0.25 Lmol​⋅0.020 L=0.005 mol
לפי ניסוח התגובה, יחס המולים Ca(OH)2:H2SO4=1:1\text{Ca(OH)}_2:\text{H}_2\text{SO}_4=1:1Ca(OH)2​:H2​SO4​=1:1 (יון Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ אחד ושני יוני OH−\text{OH}^-OH− מגיבים עם שני יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ ויון SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ אחד). לפי הגרף, נקודת הסתירה המלאה (B) מתקבלת אחרי הוספת 50 mL50\ \text{mL}50 mL של תמיסת Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2Ca(OH)2​:
nCa(OH)2=0.005 moln_{\text{Ca(OH)}_2}=0.005\ \text{mol}nCa(OH)2​​=0.005 mol
CCa(OH)2=nV=0.005 mol0.050 L=0.1 MC_{\text{Ca(OH)}_2}=\frac{n}{V}=\frac{0.005\ \text{mol}}{0.050\ \text{L}}=0.1\ \text{M}CCa(OH)2​​=Vn​=0.050 L0.005 mol​=0.1 M

סעיף ב

(i)

תשובה:

בנקודה A יש רק תמיסת חומצה גופרתית – ריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ גבוה, pH<7\text{pH}<7pH<7. בנקודה B כל יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ נסתרו – התמיסה ניטרלית, pH=7\text{pH}=7pH=7.

- נקודה A: עדיין לא הוסיפו Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2Ca(OH)2​. בכלי יש תמיסה של החומצה H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​, שבה ריכוז יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ גבוה. התמיסה חומצית, pH<7\text{pH}<7pH<7.
- נקודה B: כל יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ הגיבו עם יוני OH−\text{OH}^{-}OH− שהוספו (סתירה מלאה), ולא נשאר עודף של חומצה או של בסיס. התמיסה ניטרלית, pH=7\text{pH}=7pH=7.
ככל שריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ גבוה יותר, ה־pH נמוך יותר; לכן ה־pH בנקודה A נמוך מבנקודה B.

(ii)

תשובה:

בין B ל־C הוסיפו עוד Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2Ca(OH)2​ שלא הגיב (אין חומצה) – בתמיסה יש עודף יוני OH−\text{OH}^-OH−, והיא בסיסית (pH>7\text{pH}>7pH>7).

בנקודה B כל החומצה כבר נסתרה (pH=7\text{pH}=7pH=7). בין B ל־C הוסיפו עוד 50 mL50\ \text{mL}50 mL של תמיסת Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​, ואין עוד יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ שיגיבו עמה. לכן בתמיסה נשאר עודף של יוני OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}OH(aq)−​ (וגם יוני Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ – לכן המוליכות עולה שוב). התמיסה בסיסית, pH>7\text{pH}>7pH>7, כלומר ה־pH בנקודה C גבוה מבנקודה B.

סעיף ג

(i)

תשובה:

H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{OH}^{-}_{(aq)}\rightarrow2\text{H}_2\text{O}_{(l)}H3​O(aq)+​+OH(aq)−​→2H2​O(l)​

יוני K+\text{K}^{+}K+ ו־SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ אינם משתתפים בתגובה (לא נוצר משקע) – הם יונים צופים. בניסוח נטו רושמים רק את החלקיקים המגיבים:
H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{OH}^{-}_{(aq)}\rightarrow2\text{H}_2\text{O}_{(l)}H3​O(aq)+​+OH(aq)−​→2H2​O(l)​

(ii)

תשובה:

חומצי: 0.1 mol0.1\ \text{mol}0.1 mol H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ לעומת 0.09 mol0.09\ \text{mol}0.09 mol OH−\text{OH}^-OH− – נשאר עודף של 0.01 mol0.01\ \text{mol}0.01 mol H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+.

H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ היא חומצה דו־פרוטית: H2SO4(l)+2H2O(l)→2H3O(aq)++SO4(aq)2−\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}+2\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{SO}^{2-}_{4(aq)}H2​SO4(l)​+2H2​O(l)​→2H3​O(aq)+​+SO4(aq)2−​.
nH2SO4=0.25 molL⋅0.200 L=0.05 mol ⇒ nH3O+=2⋅0.05 mol=0.1 moln_{\text{H}_2\text{SO}_4}=0.25\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.200\ \text{L}=0.05\ \text{mol}\ \Rightarrow\ n_{\text{H}_3\text{O}^+}=2\cdot0.05\ \text{mol}=0.1\ \text{mol}nH2​SO4​​=0.25 Lmol​⋅0.200 L=0.05 mol ⇒ nH3​O+​=2⋅0.05 mol=0.1 mol
KOH(s)→K(aq)++OH(aq)−\text{KOH}_{(s)}\rightarrow\text{K}^{+}_{(aq)}+\text{OH}^{-}_{(aq)}KOH(s)​→K(aq)+​+OH(aq)−​:
nOH−=0.3 molL⋅0.300 L=0.09 moln_{\text{OH}^-}=0.3\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.300\ \text{L}=0.09\ \text{mol}nOH−​=0.3 Lmol​⋅0.300 L=0.09 mol
היחס בתגובה H3O+:OH−=1:1\text{H}_3\text{O}^+:\text{OH}^-=1:1H3​O+:OH−=1:1. כל 0.09 mol0.09\ \text{mol}0.09 mol יוני OH−\text{OH}^-OH− מגיבים, ונשאר עודף של
0.1 mol−0.09 mol=0.01 mol H3O+0.1\ \text{mol}-0.09\ \text{mol}=0.01\ \text{mol}\ \text{H}_3\text{O}^{+}0.1 mol−0.09 mol=0.01 mol H3​O+
לכן בתום התגובה התמיסה חומצית (pH<7\text{pH}<7pH<7).
טעות נפוצה: לשכוח שכל מול H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ נותן שני מולים של יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ (ואז "יוצא" שיש עודף בסיס).

(iii)

תשובה:

[K+]=0.18 M[\text{K}^+]=0.18\ \text{M}[K+]=0.18 M

יוני K+\text{K}^{+}K+ אינם משתתפים בתגובה, ולכן מספר המולים שלהם שווה למספר המולים של KOH\text{KOH}KOH:
nK+=0.3 molL⋅0.300 L=0.09 moln_{\text{K}^+}=0.3\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.300\ \text{L}=0.09\ \text{mol}nK+​=0.3 Lmol​⋅0.300 L=0.09 mol
הנפח הכולל של התמיסה (בהנחה שהנפחים מתחברים): V=200 mL+300 mL=500 mL=0.500 LV=200\ \text{mL}+300\ \text{mL}=500\ \text{mL}=0.500\ \text{L}V=200 mL+300 mL=500 mL=0.500 L.
[K+]=nV=0.09 mol0.500 L=0.18 M[\text{K}^{+}]=\frac{n}{V}=\frac{0.09\ \text{mol}}{0.500\ \text{L}}=0.18\ \text{M}[K+]=Vn​=0.500 L0.09 mol​=0.18 M

שאלה 14 · בעירת נר: אנרגיה וקצב תגובה

שאלה פתוחה

אנרגייה וקצב תגובה
במשך שנים חקרו מדענים ותלמידי כימיה את בעירת הנר.
התרכובת העיקרית המרכיבה את שעוות הנר היא פחמימן שנוסחתו המולקולרית היא: C25H52\text{C}_{25}\text{H}_{52}C25​H52​ .
נמצא כי בעת הבעירה של פתיל הנר מתרחשים כמה תהליכים: השעווה ניתכת, נספגת בפתיל, נהפכת לגז ומגיבה בתגובת שרֵפה עם החמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , שבאוויר.

א.

נסח ואזן את תגובת השרֵפה המלאה של C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ .

ב.

סעיפים ב ו־ ג עוסקים בניסוי שערכו תלמידים במעבדה.
התלמידים שקלו נר שעווה, הדביקו אותו לצלוחית, הדליקו את פתיל הנר באמצעות גפרור דולק עד שנוצרה להבה קבועה בקצה הנר, ורשמו תצפיות.

(i)

מהי המערכת בניסוי המתואר?

(ii)

קבע אם ההיגד שלפניך הוא נכון או לא נכון. נמק את קביעתך.
הבעירה של פתיל הנר מספקת אך ורק את אנרגיית השפעול הדרושה לתגובת השרֵפה של C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ .

ג.

לאחר שהנר בער במשך 10 דקות, כיבו התלמידים את הנר ושקלו אותו.
נמצא שמסת הנר ירדה ב־ 1 גרם.
על פי חישוב נמצא שכמות האנרגייה שנפלטה בתגובת השרפה של 1 גרם C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ שווה ל־ 34kJ34\text{kJ}34kJ .
חשב את שינוי האנתלפיה התקנית, ΔH0\Delta H^0ΔH0 , בתגובת השרפה של 1 מול C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ . פרט את חישוביך.

ד.

(i)

אנתלפיית האידוי של הפחמימן C25H52(l)\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}C25​H52(l)​ היא: ΔHv0=126 kJmol\Delta H^0_v=126\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}ΔHv0​=126 molkJ​ .
חשב את ערכו של ΔH0\Delta H^0ΔH0 בעבור תגובת השרפה המלאה של 1 מול C25H52(l)\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}C25​H52(l)​ .
פרט את חישוביך.

(ii)

לפניך דיאגרמת אנרגייה.
העתק את הדיאגרמה למחברתך ומקם בה את המגיבים ואת התוצרים של שתי תגובות שרֵפה:
תגובת השרפה המלאה של C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ ותגובת השרפה המלאה של C25H52(l)\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}C25​H52(l)​ .
סמן בדיאגרמה שבמחברתך את ערכי ΔH0\Delta H^0ΔH0 המתאימים.

ה.

בעבר שימשו נרות בוערים גם כמכשירים למדידת זמן.
לשם כך סימנו בצד הנר סדרת קווים ברווחים שווים זה מזה (ראה איור).
לפניך ארבעה היגדים (1)-(4).
ציין מה הם ההיגדים המאפיינים את בעירת הנר כמכשיר למדידת זמן.
(1) קצב הבעירה של הנר הוא קבוע.
(2) השינוי במסת הנר ביחידת זמן הוא קבוע.
(3) כמות האנרגייה הנפלטת ביחידת זמן מבעירת הנר היא קבועה.
(4) הטמפרטורה של להבת הנר עולה באופן קבוע.

◂ פתרון מלא לשאלה 14

סעיף א

תשובה:

C25H52(g)+38O2(g)→25CO2(g)+26H2O(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}+38\text{O}_{2(g)}\rightarrow25\text{CO}_{2(g)}+26\text{H}_2\text{O}_{(g)}C25​H52(g)​+38O2(g)​→25CO2(g)​+26H2​O(g)​

בשרֵפה מלאה של פחמימן בחמצן מתקבלים פחמן דו־חמצני ומים:
C25H52(g)+38O2(g)→25CO2(g)+26H2O(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}+38\text{O}_{2(g)}\rightarrow25\text{CO}_{2(g)}+26\text{H}_2\text{O}_{(g)}C25​H52(g)​+38O2(g)​→25CO2(g)​+26H2​O(g)​
איזון: C: 25 → 25 CO225\ \text{CO}_225 CO2​; H: 52 → 26 H2O26\ \text{H}_2\text{O}26 H2​O; O: 25⋅2+26⋅1=7625\cdot2+26\cdot1=7625⋅2+26⋅1=76 אטומים, כלומר 38 O238\ \text{O}_238 O2​. (בלהבה המים נוצרים במצב גז.)

סעיף ב

(i)

תשובה:

המערכת היא החומרים המשתתפים בתגובת השרֵפה: המגיבים C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ ו־O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​, והתוצרים CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ ו־H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​.

המערכת היא החלק שבו מתמקדים – החומרים שעוברים את השינוי הכימי. בניסוי זה זו תגובת השרֵפה, ולכן המערכת כוללת את המגיבים C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ ו־O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ ואת התוצרים CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ ו־H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​.
הסביבה היא כל השאר: האוויר שמסביב (מלבד החמצן המגיב), שאר הנר, הצלוחית, הכלים וכו'. האנרגיה המשתחררת בתגובה עוברת מהמערכת לסביבה.
טעות נפוצה: לקבוע ש"המערכת היא הנר הדולק", "הפתיל", "הנר והצלוחית" או "הנר והלהבה" – אלה אינם החומרים המגיבים והתוצרים.

(ii)

תשובה:

לא נכון: הבעירה מספקת את אנרגיית השפעול לתגובת השרֵפה, וגם את האנרגיה הדרושה להתכת השעווה המוצקה ולאידוי השעווה הנוזלית (תהליכים אנדותרמיים).

ההיגד אינו נכון.
לפי תיאור השאלה, בזמן הבעירה השעווה ניתכת, נספגת בפתיל, הופכת לגז ורק אז מגיבה עם החמצן. ההיתוך (C25H52(s)→C25H52(l)\text{C}_{25}\text{H}_{52(s)}\rightarrow\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}C25​H52(s)​→C25​H52(l)​) והאידוי (C25H52(l)→C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}\rightarrow\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(l)​→C25​H52(g)​) הם תהליכים אנדותרמיים – הם דורשים אנרגיה. לכן האנרגיה מהבעירה מספקת גם את אנרגיית השפעול לתגובת השרֵפה של C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​, וגם את האנרגיה הדרושה להתכת השעווה ולאידויה – ולא "אך ורק" את אנרגיית השפעול.
טעות נפוצה: לבלבל בין אנרגיית שפעול לבין האנרגיה המושקעת בתהליכים אנדותרמיים כמו היתוך ואידוי.

סעיף ג

תשובה:

ΔH0=−11968 kJ≈−1.20⋅104 kJ\Delta H^0=-11968\ \text{kJ}\approx-1.20\cdot10^{4}\ \text{kJ}ΔH0=−11968 kJ≈−1.20⋅104 kJ (למול C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​)

המסה המולרית:
MC25H52=25⋅12.0+52⋅1.0=352 gmolM_{\text{C}_{25}\text{H}_{52}}=25\cdot12.0+52\cdot1.0=352\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MC25​H52​​=25⋅12.0+52⋅1.0=352 molg​
בשרֵפת 1 g1\ \text{g}1 g נפלטים 34 kJ34\ \text{kJ}34 kJ, ולכן בשרֵפת 1 מול (352 g352\ \text{g}352 g):
Q=34 kJg⋅352 gmol⋅1 mol=11968 kJQ=34\ \frac{\text{kJ}}{\text{g}}\cdot352\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}\cdot1\ \text{mol}=11968\ \text{kJ}Q=34 gkJ​⋅352 molg​⋅1 mol=11968 kJ
האנרגיה נפלטת (תגובה אקסותרמית), ולכן הסימן שלילי:
ΔH0=−11968 kJ≈−1.20⋅104 kJ\Delta H^0=-11968\ \text{kJ}\approx-1.20\cdot10^{4}\ \text{kJ}ΔH0=−11968 kJ≈−1.20⋅104 kJ

סעיף ד

(i)

תשובה:

ΔH0=−11842 kJ≈−1.18⋅104 kJ\Delta H^0=-11842\ \text{kJ}\approx-1.18\cdot10^{4}\ \text{kJ}ΔH0=−11842 kJ≈−1.18⋅104 kJ

לפי חוק הס, אפשר לכתוב את שרֵפת הפחמימן הנוזלי כסכום של שני שלבים:
(1) אידוי: C25H52(l)→C25H52(g)ΔH10=+126 kJ\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}\rightarrow\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}\qquad\Delta H^0_1=+126\ \text{kJ}C25​H52(l)​→C25​H52(g)​ΔH10​=+126 kJ
(2) שרֵפת הגז (סעיף ג): C25H52(g)+38O2(g)→25CO2(g)+26H2O(g)ΔH20=−11968 kJ\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}+38\text{O}_{2(g)}\rightarrow25\text{CO}_{2(g)}+26\text{H}_2\text{O}_{(g)}\qquad\Delta H^0_2=-11968\ \text{kJ}C25​H52(g)​+38O2(g)​→25CO2(g)​+26H2​O(g)​ΔH20​=−11968 kJ
סכום: C25H52(l)+38O2(g)→25CO2(g)+26H2O(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}+38\text{O}_{2(g)}\rightarrow25\text{CO}_{2(g)}+26\text{H}_2\text{O}_{(g)}C25​H52(l)​+38O2(g)​→25CO2(g)​+26H2​O(g)​
ΔH0=ΔH10+ΔH20=+126 kJ+(−11968 kJ)=−11842 kJ≈−1.18⋅104 kJ\Delta H^0=\Delta H^0_1+\Delta H^0_2=+126\ \text{kJ}+(-11968\ \text{kJ})=-11842\ \text{kJ}\approx-1.18\cdot10^{4}\ \text{kJ}ΔH0=ΔH10​+ΔH20​=+126 kJ+(−11968 kJ)=−11842 kJ≈−1.18⋅104 kJ
(בשרֵפת הנוזל נפלטת פחות אנרגיה, כי חלק מהאנרגיה "מושקע" באידוי.)
טעות נפוצה: טעויות סימן – אידוי הוא תהליך אנדותרמי (+126+126+126), ולכן מוסיפים אותו לערך השלילי של השרֵפה.

(ii)

תשובה:

קו עליון: C25H52(g)+38O2(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}+38\text{O}_{2(g)}C25​H52(g)​+38O2(g)​; קו אמצעי: C25H52(l)+38O2(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}+38\text{O}_{2(g)}C25​H52(l)​+38O2(g)​; קו תחתון: 25CO2(g)+26H2O(g)25\text{CO}_{2(g)}+26\text{H}_2\text{O}_{(g)}25CO2(g)​+26H2​O(g)​. חץ מהקו העליון לתחתון: −11968 kJ-11968\ \text{kJ}−11968 kJ; מהאמצעי לתחתון: −11842 kJ-11842\ \text{kJ}−11842 kJ (ובין האמצעי לעליון: +126 kJ+126\ \text{kJ}+126 kJ).

- הקו העליון: C25H52(g)+38O2(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}+38\text{O}_{2(g)}C25​H52(g)​+38O2(g)​ – לפחמימן במצב גז האנתלפיה הגבוהה ביותר (כדי לאדות את הנוזל צריך להשקיע אנרגיה).
- הקו האמצעי: C25H52(l)+38O2(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}+38\text{O}_{2(g)}C25​H52(l)​+38O2(g)​ – נמוך מהקו העליון ב־126 kJ126\ \text{kJ}126 kJ.
- הקו התחתון: התוצרים המשותפים לשתי התגובות, 25CO2(g)+26H2O(g)25\text{CO}_{2(g)}+26\text{H}_2\text{O}_{(g)}25CO2(g)​+26H2​O(g)​.
ערכי ΔH0\Delta H^0ΔH0: חץ כלפי מטה מהקו העליון לתחתון – ΔH0=−11968 kJ\Delta H^0=-11968\ \text{kJ}ΔH0=−11968 kJ (שרֵפת הגז); חץ כלפי מטה מהקו האמצעי לתחתון – ΔH0=−11842 kJ\Delta H^0=-11842\ \text{kJ}ΔH0=−11842 kJ (שרֵפת הנוזל). אפשר לסמן גם את ההפרש בין שני הקווים העליונים, ΔHv0=+126 kJ\Delta H^0_v=+126\ \text{kJ}ΔHv0​=+126 kJ.

סעיף ה

תשובה:

היגדים (1), (2) ו־(3).

ההיגדים המתאימים: (1), (2), (3).
כדי שהנר ישמש כמכשיר למדידת זמן, הנר צריך "לרדת" מקו לקו (רווחים שווים) בפרקי זמן שווים.
- (1) קצב הבעירה קבוע – כמות השעווה שנשרפת ביחידת זמן קבועה; זה התנאי הבסיסי למדידת זמן.
- (2) נובע מ־(1): קצב התגובה מתבטא בשינוי בכמות המגיב ביחידת זמן, ולכן השינוי במסת הנר ביחידת זמן קבוע (בין כל שני קווים סמוכים נשרפת אותה מסה באותו פרק זמן).
- (3) האנרגיה הנפלטת פרופורציונית לכמות החומר שנשרף (למשל 34 kJ34\ \text{kJ}34 kJ לכל גרם), ולכן אם נשרפת מסה קבועה ביחידת זמן, גם כמות האנרגיה הנפלטת ביחידת זמן קבועה.
- (4) אינו מתאים: כאשר הנר בוער בקצב קבוע הלהבה יציבה, וטמפרטורת הלהבה נשארת קבועה בערך ואינה עולה כל הזמן.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	א – בפליטת $\beta$ נויטרון בגרעין הופך לפרוטון: מספר המסה נשאר 87 והמספר האטומי עולה מ־37 ל־38 (Sr).
2	-	ב – X מתכת (בצד שמאל של השורה) ו־Z אל־מתכת (בצד ימין), ולכן ל־X מטען גרעיני קטן יותר ורדיוס גדול יותר.
3	-	ד – לאוריאה יש אטומי H קשורים ל־N ואטומי O ו־N עם זוגות לא קושרים; לאצטון יש אטום O עם זוגות אלקטרונים לא קושרים, שאליו נמשכים אטומי H של מולקולות מים.
4	-	ד – $0.025\ \text{mol}$ מלח בתוך $0.5\ \text{L}$ נותנים $0.05\ \text{M}$ מלח, ולכל יחידת מלח 3 יוני חנקה: $0.15\ \text{M}$ .
5	-	ג – אטום פחמן 3 ( $\text{CH}_2$ ) קשור לשני אטומי H ולשני אטומי C, ולכן דרגת החמצון שלו $-2$ .
6	-	ב – תמיסה II בסיסית (pH גדול מ־7), ותמיסה III (מתנול) ניטרלית (pH = 7).
7	-	ג – הקשר הכפול הקרוב לקבוצה הקרבוקסילית הוא במבנה ציס, והקשר הכפול השני (הקרוב לקצה המתילי) הוא במבנה טרנס.
8	-	א – מתגובה (1) מוצאים $E_{\text{H-H}}=436\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ , ואז $\Delta H^0_2=436+242-2\cdot431=-184\ \text{kJ}$ .
9	א	כדי להפיק את המגיב גז מימן, $\text{H}_{2(g)}$ , דרושה אנרגיה רבה, והיא מתקבלת משרֵפת דלקים פחמימניים – בשרֵפה זו נפלט $\text{CO}_{2(g)}$ .
	ב	(1) סוג החלקיקים: ב־ $\text{Li}_{(s)}$ – יונים חיוביים $\text{Li}^{+}$ ו"ים" של אלקטרונים חופשיים; ב־ $\text{Li}_3\text{N}_{(s)}$ – יונים חיוביים $\text{Li}^{+}$ ויונים שליליים $\text{N}^{3-}$ . (2) סוג הקשר: ב־Li קשר מתכתי; ב־ $\text{Li}_3\text{N}$ קשר יוני.
	ג i	$\text{LiOH}_{(s)}\rightarrow\text{Li}^{+}_{(l)}+\text{OH}^{-}_{(l)}$
	ג ii	חמצון־חיזור: דרגת החמצון של Li עולה מ־0 ל־ $+1$ , ודרגת החמצון של N יורדת מ־0 ל־ $-3$ .
	ג iii	המים הם חומצה: מולקולות המים מוסרות פרוטונים ( $\text{H}^{+}$ ) ליוני $\text{N}^{3-}$ , ונוצרים $\text{NH}_3$ ויוני $\text{OH}^{-}$ .
	ד	בשלב III נוצרים מחדש 3 מול $\text{LiOH}_{(s)}$ על כל מול $\text{NH}_3$ , והם מוחזרים לשלב I. כך משתמשים באותו ליתיום שוב ושוב, ומ־3 מול $\text{LiOH}$ אפשר להפיק אמוניה במחזורים רבים.
	ה	לדוגמה: בשיטה החדשה משתמשים באנרגיה חשמלית ממקורות מתחדשים (שמש, רוח) במקום בשרֵפת דלקים פחמימניים – לכן לא נפלט $\text{CO}_{2(g)}$ , שפוגע בסביבה, ואין שימוש במקורות אנרגיה מתכלים.
10	א	היגד a נכון. היגד b נפסל: בשמנים טבעיים (כמו שמן קוקוס) חומצות השומן הבלתי רוויות הן ברובן מסוג ציס; חומצות שומן טרנס כמעט אינן קיימות בטבע, והן נוצרות בעיקר בתהליכי הידרוגנציה חלקית.
	ב i	תגובת סיפוח של מימן, $\text{H}_{2(g)}$ , לקשרים הכפולים בין אטומי פחמן בחומצות השומן הבלתי רוויות שבטריגליצרידים (בנוכחות זרז, למשל ניקל, ובחימום). הקשרים הכפולים הופכים לקשרים יחידים.
	ב ii	גבוהה יותר: אחרי הידרוגנציה יש פחות קשרים כפולים (ציס), השרשרות ישרות יותר, נארזות בצפיפות, והאינטראקציות ון־דר־ולס חזקות יותר.
	ג i	$\text{C}12{:}0$
	ג ii	גליצרול (פרופאן־1,2,3־טריול): שרשרת של 3 אטומי C, לכל אחד קבוצת O–H; ייצוג מלא בתרשים.
	ד	במולקולה יש שייר פחמימני גדול (11 אטומי C, לא קוטבי) וקבוצה קרבוקסילית אחת קטנה; יש בה מעט מוקדים ליצירת קשרי מימן עם מים, והשייר הגדול יוצר עם המים רק אינטראקציות ון־דר־ולס חלשות.
	ה i	$\text{NaOH}_{(aq)}$ : זהו בסיס – יוני $\text{OH}^{-}$ מקבלים פרוטון מהקבוצה הקרבוקסילית, ונוצרים יון לאורט ומים.
	ה ii	נתרן לאורט בנוי מיוני $\text{Na}^{+}$ ומיוני לאורט $\text{CH}_3(\text{CH}_2)_{10}\text{COO}^{-}$ : בין $\text{Na}^{+}$ לקבוצות $\text{COO}^{-}$ – קשרים יוניים; בין השיירים הפחמימניים הארוכים (הלא קוטביים) של יוני הלאורט – אינטראקציות ון־דר־ולס.
11	א	היגד II: בשני הכלים יש $0.1\ \text{mol}$ גז בכל ליטר (A: $0.1\ \text{mol}$ ב־ $1\ \text{L}$ ; B: $0.2\ \text{mol}$ ב־ $2\ \text{L}$ ), ובאותה טמפרטורה – אותו לחץ.
	ב i	$2\text{N}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow 2\text{N}_{2(g)}+\text{O}_{2(g)}$
	ב ii	גרף II: בהתחלה יש $\text{O}_2$ מהאוויר (ערך התחלתי שונה מאפס); הכמות עולה בזמן הפירוק, ובזמן t הפירוק מסתיים (הלחץ קבוע) והכמות נשארת קבועה.
	ג	$3.61\cdot10^{21}$ מולקולות $\text{N}_2\text{O}$ בכל נשימה.
	ד i	$V\approx1659\ \text{L}\approx1.66\cdot10^{3}\ \text{L}$
	ד ii	$m\approx5309\ \text{g}\approx5.31\ \text{kg}$
12	א i	בתגובה (1) $\text{Cl}_2$ מחמצן (דרגת החמצון של Cl יורדת מ־0 ל־ $-1$ ); בתגובה (2) $\text{Cl}_2$ מחזר (דרגת החמצון של Cl עולה מ־0 ל־ $+1$ , כי F אלקטרושלילי יותר).
	א ii	$\text{Cl}_{2(g)}$ : 0; $\text{HClO}_{(aq)}$ : $+1$ ; $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ : $-1$ .
	א iii	גם כמחמצן וגם כמחזר.
	ב i	$2\text{Al}_{(s)}+3\text{Cl}_{2(g)}\rightarrow2\text{AlCl}_{3(s)}$
	ב ii	$0.45\ \text{mol}$ אלקטרונים
	ג	$63\ \text{L}$ גזים ( $1.8\ \text{mol}$ גז).
	ד	$\text{KCl}$ : אטומי O עוברים חמצון (מ־ $-2$ ל־0), ולכן אטומי Cl חייבים לעבור חיזור – מ־ $+5$ ב־ $\text{KClO}_3$ ל־ $-1$ ב־ $\text{KCl}$ (ב־ $\text{KClO}_4$ דרגת החמצון של Cl הייתה עולה ל־ $+7$ ).
	ה	$[\text{ClO}^-]\approx0.403\ \text{M}$
13	א i	בנקודה B הכמויות מתאימות בדיוק ליחס בתגובה: כל יוני $\text{H}_3\text{O}^{+}$ ו־ $\text{OH}^{-}$ הפכו למים, וכל יוני $\text{Ca}^{2+}$ ו־ $\text{SO}_4^{2-}$ יצרו משקע $\text{CaSO}_{4(s)}$ , ולכן כמעט אין בתמיסה יונים ניידים.
	א ii	$0.1\ \text{M}$
	ב i	בנקודה A יש רק תמיסת חומצה גופרתית – ריכוז יוני $\text{H}_3\text{O}^+$ גבוה, $\text{pH}<7$ . בנקודה B כל יוני $\text{H}_3\text{O}^+$ נסתרו – התמיסה ניטרלית, $\text{pH}=7$ .
	ב ii	בין B ל־C הוסיפו עוד $\text{Ca(OH)}_2$ שלא הגיב (אין חומצה) – בתמיסה יש עודף יוני $\text{OH}^-$ , והיא בסיסית ( $\text{pH}>7$ ).
	ג i	$\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{OH}^{-}_{(aq)}\rightarrow2\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ג ii	חומצי: $0.1\ \text{mol}$ $\text{H}_3\text{O}^+$ לעומת $0.09\ \text{mol}$ $\text{OH}^-$ – נשאר עודף של $0.01\ \text{mol}$ $\text{H}_3\text{O}^+$ .
	ג iii	$[\text{K}^+]=0.18\ \text{M}$
14	א	$\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}+38\text{O}_{2(g)}\rightarrow25\text{CO}_{2(g)}+26\text{H}_2\text{O}_{(g)}$
	ב i	המערכת היא החומרים המשתתפים בתגובת השרֵפה: המגיבים $\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}$ ו־ $\text{O}_{2(g)}$ , והתוצרים $\text{CO}_{2(g)}$ ו־ $\text{H}_2\text{O}_{(g)}$ .
	ב ii	לא נכון: הבעירה מספקת את אנרגיית השפעול לתגובת השרֵפה, וגם את האנרגיה הדרושה להתכת השעווה המוצקה ולאידוי השעווה הנוזלית (תהליכים אנדותרמיים).
	ג	$\Delta H^0=-11968\ \text{kJ}\approx-1.20\cdot10^{4}\ \text{kJ}$ (למול $\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}$ )
	ד i	$\Delta H^0=-11842\ \text{kJ}\approx-1.18\cdot10^{4}\ \text{kJ}$
	ד ii	קו עליון: $\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}+38\text{O}_{2(g)}$ ; קו אמצעי: $\text{C}_{25}\text{H}_{52(l)}+38\text{O}_{2(g)}$ ; קו תחתון: $25\text{CO}_{2(g)}+26\text{H}_2\text{O}_{(g)}$ . חץ מהקו העליון לתחתון: $-11968\ \text{kJ}$ ; מהאמצעי לתחתון: $-11842\ \text{kJ}$ (ובין האמצעי לעליון: $+126\ \text{kJ}$ ).
	ה	היגדים (1), (2) ו־(3).

פרק ראשון

שאלה 1 · איזוטופים של רובידיום וקרינה רדיואקטיבית

התשובה הנכונה: א.

שאלה 2 · מתכת ואל־מתכת בשורה השלישית

התשובה הנכונה: ב.

שאלה 3 · אוריאה ואצטון: אלקטרונים וקשרי מימן

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 4 · ריכוז יוני חנקה בתמיסה

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 5 · דרגות חמצון של אטומי פחמן בחומצה מאלית

התשובה הנכונה: ג.

שאלה 6 · pH של תמיסות מימיות

התשובה הנכונה: ב.

שאלה 7 · חומצה רומנית – חומצת שומן בלתי רוויה

התשובה הנכונה: ג.

שאלה 8 · חישוב שינוי אנתלפיה מאנתלפיות קשר

התשובה הנכונה: א.

שאלה 9 · ליתיום: הפקה חדשנית של אמוניה

ניתוח קטע ממאמר מדעי — חובה

ליתיום: המפתח להפקה חדשנית של אמוניה

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

התגובה בשלב II היא תגובת חמצון־חיזור.

המים מגיבים כחומצה.

סעיף ד

סעיף ה

פרק שני

שאלה 10 · שמן קוקוס, טריגליצרידים וסבון

מבנה, קישור וכימיה של מזון

סעיף א

היגד a נכון.

סעיף ב

טמפרטורת ההיתוך של שמן קוקוס שעבר הידרוגנציה גבוהה יותר.

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

החומר המתאים: NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​.

שאלה 11 · גז צחוק: לחץ, נפח ומספר חלקיקים

סטויכיומטריה ומצב גז

סעיף א

היגד II נכון.

סעיף ב

הגרף המתאים: II.

סעיף ג

מספר המולים:

מספר המולקולות:

סעיף ד

שאלה 12 · כלור ותרכובותיו: חמצון־חיזור וחישובים

חמצון חיזור וסטויכיומטריה

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

התוצר הנוסף הוא KCl\text{KCl}KCl.

סעיף ה

שאלה 13 · חומצה גופרתית: סתירה, שיקוע ומוליכות

חומצות ובסיסים וסטויכיומטריה

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

שאלה 14 · בעירת נר: אנרגיה וקצב תגובה

אנרגייה וקצב תגובה

סעיף א

סעיף ב

ההיגד אינו נכון.

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

ההיגדים המתאימים: (1), (2), (3).

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד

החומר המתאים: $\text{NaOH}_{(aq)}$ .

התוצר הנוסף הוא $\text{KCl}$ .