בגרות בכימיה שאלון עיקרי 037381 - קיץ 2019

לפי הפסקה הראשונה בקטע, שורפים פחם ודלקים פחמימניים כדי לספק אנרגייה. כלומר בתגובת השרֵפה של הדלק, שבה מתקבל $\text{CO}_{2(g)}$, משתחררת אנרגיה (חום) לסביבה – זה המאפיין של תגובה אקסותרמית ($\Delta H<0$).

זו תגובת שרֵפה מלאה של פחמימן בחמצן: התוצרים הם $\text{CO}_2$ ומים.

איזון: C: $2\cdot12=24$ משני הצדדים; H: $2\cdot26=52=26\cdot2$; O: $37\cdot2=74=24\cdot2+26$.

(אפשר גם לכתוב לכל מול פחמימן: $\text{C}_{12}\text{H}_{26(l)}+18\frac{1}{2}\text{O}_{2(g)}\rightarrow 12\text{CO}_{2(g)}+13\text{H}_2\text{O}_{(l)}$. גם מים במצב גז, $\text{H}_2\text{O}_{(g)}$, מקובלים.)

ממלאים ארבע שורות מתוך האפשרויות הבאות (כל אחת מהן נכונה):

אפשרויות נוספות: אוריאה, $\text{NH}_2\text{CONH}_2$ – הקבוצה $-\text{CO}-\text{NH}_2$, אמיד; אתן, $\text{CH}_2=\text{CH}_2$ – קשר כפול $\text{C}=\text{C}$ (אלקן). למתאן אין קבוצה פונקציונלית.

שלוש התרכובות הנוזליות: חומצה מתאנואית $\text{HCOOH}_{(l)}$, מתאנול $\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}$, אצטון $\text{CH}_3\text{COCH}_{3(l)}$.

- אצטון: אין במולקולה אטום H הקשור לאטום O, ולכן בין מולקולות האצטון אין קשרי מימן. פועלות רק אינטראקציות ון־דר־ולס (כולל משיכה בין הדו־קטבים הקבועים של קבוצת $\text{C}=\text{O}$).

- מתאנול: בין המולקולות יש קשרי מימן (דרך קבוצת $-\text{OH}$) ואינטראקציות ון־דר־ולס.

- חומצה מתאנואית: בין המולקולות יש קשרי מימן ואינטראקציות ון־דר־ולס. בכל מולקולה יש קבוצת $-\text{OH}$ וגם אטום O נוסף (ב־$\text{C}=\text{O}$) עם זוגות אלקטרונים לא קושרים, ולכן כל מולקולה יכולה ליצור יותר קשרי מימן ממולקולת מתאנול. בנוסף, עננת האלקטרונים של מולקולת החומצה (24 אלקטרונים) גדולה מזו של מולקולת מתאנול (18 אלקטרונים), ולכן גם אינטראקציות ון־דר־ולס חזקות יותר.

מסקנה: קשרי מימן חזקים מאינטראקציות ון־דר־ולס. לכן הכוחות בין מולקולות החומצה המתאנואית חזקים מהכוחות בין מולקולות האצטון (שבהן יש רק ון־דר־ולס, אף שהעננה של אצטון גדולה יותר), וחזקים גם מהכוחות בין מולקולות המתאנול (יותר קשרי מימן לכל מולקולה ועננה גדולה יותר). כדי להרתיח נוזל יש להחליש/לנתק את הכוחות בין המולקולות, ונדרשת יותר אנרגיה ככל שהכוחות חזקים יותר – לכן טמפרטורת הרתיחה של החומצה המתאנואית היא הגבוהה ביותר.

טעות נפוצה: לכתוב שבין מולקולות האצטון יש קשרי מימן בגלל אטום החמצן – אין בה H הקשור ל־O.

דרגת החמצון של אטום C:

•ב־$\text{CO}_2$: $x+2(-2)=0\Rightarrow x=+4$.

•ב־$\text{CH}_3\text{OH}$: $x+4(+1)+(-2)=0\Rightarrow x=-2$.

דרגת החמצון של הפחמן יורדת מ־$(+4)$ ל־$(-2)$ – אטומי הפחמן קולטים אלקטרונים, כלומר $\text{CO}_2$ עובר חיזור ומשמש כמחמצן. את האלקטרונים חייב למסור החומר הנוסף, שעובר חמצון – לכן הוא המחזר (בתעשייה משתמשים בגז מימן, $\text{H}_{2(g)}$: $\text{CO}_2+3\text{H}_2\rightarrow\text{CH}_3\text{OH}+\text{H}_2\text{O}$).

לפי תורת ההתנגשויות, תגובה מתרחשת רק בהתנגשות אפקטיבית – התנגשות בכיוון מתאים, שבה לחלקיקים המתנגשים יש אנרגיה קינטית השווה לאנרגיית השפעול או גדולה ממנה.

הזרז מאפשר לתגובה להתרחש במסלול אחר, שבו אנרגיית השפעול נמוכה יותר. באותה טמפרטורה, התפלגות האנרגיה הקינטית של החלקיקים אינה משתנה, אבל עכשיו לחלק גדול יותר מהחלקיקים יש אנרגיה מספיקה. לכן חלק גדול יותר מההתנגשויות הן התנגשויות אפקטיביות, מספר ההתנגשויות האפקטיביות ביחידת זמן גדל, וקצב התגובה עולה.

על פי הקטע:

1. צמצום פליטת $\text{CO}_2$ לאטמוספרה: קליטת ה־$\text{CO}_2$ הנפלט מתהליכי שרֵפה (בעיקר מתחנות כוח) וניצולו מקטינים את כמותו באטמוספרה – וכך מקטינים את אחד הגורמים להתחממות הגלובלית ולשינויי האקלים (הפסקאות הראשונה, השנייה והרביעית).

2. מקור חלופי לחומרי גלם: $\text{CO}_2$ משמש חומר גלם ומקור לאטומי פחמן להפקת תרכובות פחמן שמופקות כיום ממרכיבי הנפט הגולמי, ההולך ואוזל (הפסקה הרביעית). מתרכובות אלה אפשר להפיק דלקים וחומרי גלם רבים לתעשייה הכימית (המשפט שאחרי תרשים 1).

הסבר: צורן וחמצן הם שניהם אל־מתכות, ו־$\text{SiO}_2$ הוא חומר אטומרי (כל אטום Si קשור קוולנטית ל־4 אטומי O וכל O ל־2 אטומי Si). אלומיניום הוא מתכת וחמצן אל־מתכת, ולכן $\text{Al}_2\text{O}_3$ הוא תרכובת יונית.

$\text{Na}_2\text{O}$ היא תרכובת יונית, הבנויה מיוני $\text{Na}^{+}$ ויוני $\text{O}^{2-}$ (ביחס 2:1).

- יון נתרן: $[\text{Na}]^{+}$ – אטום Na מסר את אלקטרון הערכיות היחיד שלו, ולכן ביון לא נשארו אלקטרוני ערכיות לסמן.

- יון חמצן: $\left[:\ddot{\underset{\cdot\cdot}{\text{O}}}:\right]^{2-}$ – לאטום O היו 6 אלקטרוני ערכיות והוא קלט 2 אלקטרונים, ולכן סביב הסמל O מסמנים 8 אלקטרונים: 4 זוגות (זוג מעל, מתחת, מימין ומשמאל), בתוך סוגריים מרובעים עם המטען $2-$.

(אפשר לרשום גם את כל הנוסחה: $[\text{Na}]^{+}\ [:\ddot{\underset{\cdot\cdot}{\text{O}}}:]^{2-}\ [\text{Na}]^{+}$.)

Li, Na ו־K נמצאים באותו טור (טור 1) בטבלה המחזורית, ויוצרים יונים $1+$. ככל שיורדים בטור, ליון יש יותר רמות אנרגיה מאוכלסות באלקטרונים:

- $\text{Li}^{+}$: היערכות 2 – רמה אחת.

- $\text{Na}^{+}$: היערכות 2,8 – שתי רמות.

- $\text{K}^{+}$: היערכות 2,8,8 – שלוש רמות.

לכן יון $\text{K}^{+}$ גדול מיון $\text{Na}^{+}$, ויון $\text{Li}^{+}$ קטן ממנו. כדי להחליף את יוני הנתרן ביונים גדולים יותר יש להשתמש בתרכובת המכילה יוני $\text{K}^{+}$, כלומר $\text{KNO}_{3(l)}$.

- פרוטונים: המספר האטומי של אינדיום הוא 49 → 49 פרוטונים.

- נויטרונים: מספר המסה – מספר הפרוטונים: $115-49=66$ → 66 נויטרונים.

- אלקטרונים: $\text{In}_2\text{O}_3$ היא תרכובת יונית (מתכת + אל־מתכת). מטען יון החמצן הוא $2-$; שלושה יוני $\text{O}^{2-}$ נושאים מטען כולל $-6$, ולכן שני יוני האינדיום נושאים יחד $+6$ – כל יון הוא $\text{In}^{3+}$. ליון $\text{In}^{3+}$ יש 3 אלקטרונים פחות מלאטום: $49-3=46$ → 46 אלקטרונים.

טעות נפוצה: לכתוב 49 אלקטרונים – בתרכובת האינדיום נמצא כיון $\text{In}^{3+}$ ולא כאטום ניטרלי.

אנרגיית יינון ראשונה היא האנרגיה הדרושה להרחקת אלקטרון (הקשור בצורה החלשה ביותר) מאטום בודד במצב גז.

•היערכות האלקטרונים: Si – 2,8,4; P – 2,8,5. לשני האטומים אותו מספר רמות אנרגיה מאוכלסות (3) – שניהם בשורה השלישית.

- המטען הגרעיני של P (15 פרוטונים) גדול מזה של Si (14 פרוטונים).

•לכן באטום P אלקטרוני הערכיות נמשכים חזק יותר לגרעין, והרדיוס האטומי של P קטן מזה של Si.

המשיכה החזקה יותר בין הגרעין לאלקטרוני הערכיות ב־P מחייבת השקעת אנרגיה רבה יותר להרחקת אלקטרון – ולכן אנרגיית היינון הראשונה של P גבוהה מזו של Si.

ארסן ($Z=33$, היערכות 2,8,18,5) נמצא באותו טור כמו זרחן (טור 5), שורה אחת מתחתיו. לאטום As יש 4 רמות אנרגיה מאוכלסות, לעומת 3 ב־P, ולכן הרדיוס שלו גדול יותר ואלקטרוני הערכיות רחוקים יותר מהגרעין. אמנם המטען הגרעיני של As גדול יותר, אבל הוא ממוסך על ידי האלקטרונים ברמות הפנימיות, וההשפעה המכרעת היא הגדלת המרחק. המשיכה לאלקטרוני הערכיות חלשה יותר, ולכן אנרגיית היינון של As נמוכה מזו של P ($1012\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$).

מבין שני הערכים, רק $947\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ נמוך מ־$1012\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$; הערך $1251\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ גבוה מזה של P ולכן אינו מתאים.

שלושה מאפיינים (מספיקים שלושה מהבאים):

1. גרפיט הוא חומר אטומרי (סריג אטומרי) הבנוי מאטומי פחמן בלבד.

2. כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לשלושה אטומי פחמן אחרים באותו מישור; האטומים מסודרים בשכבות שטוחות הבנויות ממשושים.

3. בין השכבות פועלות אינטראקציות ון־דר־ולס (חלשות), ולכן השכבות יכולות להחליק זו על פני זו.

4. לכל אטום פחמן ארבעה אלקטרוני ערכיות; שלושה משתתפים בקשרים הקוולנטיים, והרביעי אינו מאותר – הוא חופשי לנוע לאורך השכבה.

כדי שחומר יוליך זרם חשמלי צריכים להיות בו נושאי מטען חשמלי ניידים. בגרפיט כל אטום פחמן קשור קוולנטית לשלושה אטומים בלבד, ולכן אלקטרון הערכיות הרביעי של כל אטום אינו מאותר – הוא אינו קשור לאטום מסוים ויכול לנוע לאורך השכבה. כאשר מחברים את הגרפיט למקור מתח, האלקטרונים הניידים נעים בכיוון מסוים, ולכן גרפיט מוליך זרם חשמלי.

שלב 2 – מסת השומן: כל גרם שומן מספק $9\ \frac{\text{kcal}}{\text{g}}$:

ב־100 גרם חמאה יש כ־81.0 גרם שומן.

בכל אחד מהם יש לפחות שייר אחד של חומצה אולאית (O) – חומצת שומן בלתי רוויה (C18:1) עם קשר כפול במבנה cis. הקשר הכפול במבנה cis יוצר "כיפוף" בשרשרת הפחמנית. בגלל הכיפוף, מולקולות הטריגליצריד אינן יכולות להיארז בצפיפות זו ליד זו, שטח המגע בין המולקולות קטן, ואינטראקציות ון־דר־ולס ביניהן חלשות יותר. לכן טמפרטורת ההיתוך של טריגליצרידים אלה נמוכה – בטמפרטורת החדר הם נוזליים או רכים, והם גורמים לחמאה להתרכך.

שאר הטריגליצרידים (SPS, SPM, SPP) בנויים רק מחומצות שומן רוויות (שרשראות ישרות), נארזים בצפיפות, ואינטראקציות ון־דר־ולס ביניהם חזקות – טמפרטורת ההיתוך שלהם גבוהה והם מוצקים בטמפרטורת החדר.

טריגליצריד נוצר מאסטריפיקציה של שלוש קבוצות ה־OH של הגליצרול עם שלוש חומצות שומן. בייצוג המקוצר משאירים את שלד הגליצרול כפי שניתן, ובמקום כל קבוצת OH כותבים קבוצה אסטרית $-\text{O}-\text{CO}-\text{R}$:

•הסתעפות עליונה (S, חומצה סטארית C18:0): $-\text{O}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{16}\text{CH}_3$

•הסתעפות אמצעית (P, חומצה פלמיטית C16:0): $-\text{O}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{14}\text{CH}_3$

•הסתעפות תחתונה (B, חומצה בוטירית C4:0): $-\text{O}-\text{CO}-(\text{CH}_2)_{2}\text{CH}_3$

(בכל שייר, אטום הפחמן של קבוצת $\text{C}=\text{O}$ נספר בתוך מספר הפחמנים של חומצת השומן: 18, 16 ו־4.) אפשר לכתוב את השרשראות גם בקווים זיג־זג, ובלבד שמספר אטומי הפחמן נכון ושאין קשרים כפולים בשרשראות (כל החומצות רוויות).

ההבדל בין שני הטריגליצרידים הוא בשרשרת אחת: ב־SPB יש שייר של חומצה בוטירית (4 אטומי פחמן) במקום שייר של חומצה פלמיטית (16 אטומי פחמן) ב־SPP. לכן מולקולת SPB קטנה יותר, עננת האלקטרונים שלה קטנה יותר ושטח המגע בין המולקולות קטן יותר – ואינטראקציות ון־דר־ולס בין מולקולות SPB חלשות יותר.

לפי חוק הס, מצרפים את התגובות הנתונות כך שסכומן ייתן את תגובה (1):

•הופכים את תגובה III (החומצה צריכה להיות מגיב):

$\text{C}_3\text{H}_7\text{COOH}_{(l)}\rightarrow 4\text{C}_{(s)}+4\text{H}_{2(g)}+\text{O}_{2(g)}\qquad \Delta H^0=+534.0\ \text{kJ}$

•מכפילים את תגובה I ב־4:

$4\text{C}_{(s)}+4\text{O}_{2(g)}\rightarrow 4\text{CO}_{2(g)}\qquad \Delta H^0=4\cdot(-393.5\ \text{kJ})=-1574.0\ \text{kJ}$

•מכפילים את תגובה II ב־4:

$4\text{H}_{2(g)}+2\text{O}_{2(g)}\rightarrow 4\text{H}_2\text{O}_{(l)}\qquad \Delta H^0=4\cdot(-286.0\ \text{kJ})=-1144.0\ \text{kJ}$

סכום התגובות: $4\text{C}$ ו־$4\text{H}_2$ מצטמצמים; חמצן: $4+2-1=5$ מול $\text{O}_2$ באגף המגיבים. מתקבלת תגובה (1):

בתגובה שבה כל המגיבים והתוצרים במצב גז: $\Delta H=E_{\text{break}}-E_{\text{form}}$, כאשר $E_{\text{break}}$ היא האנרגיה הדרושה לפירוק כל הקשרים במגיבים, ו־$E_{\text{form}}$ היא האנרגיה המשתחררת ביצירת כל הקשרים בתוצרים.

- 4 מול $\text{CO}_2$, בכל מולקולה 2 קשרים C=O: $8\ \text{mol}\cdot 803\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}=6424\ \text{kJ}$

- 4 מול $\text{H}_2\text{O}$, בכל מולקולה 2 קשרים O−H: $8\ \text{mol}\cdot 463\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}=3704\ \text{kJ}$

•סה"כ: $6424\ \text{kJ}+3704\ \text{kJ}=10128\ \text{kJ}$

יש להשקיע 8062.4 kJ כדי לפרק את כל הקשרים ב־1 מול $\text{C}_3\text{H}_7\text{COOH}_{(g)}$ וב־5 מול $\text{O}_{2(g)}$.

טעות נפוצה: לשכוח שבכל מולקולת $\text{CO}_2$ ובכל מולקולת $\text{H}_2\text{O}$ יש שני קשרים, או לטעות בסימן ולחשב $E_{\text{break}}=E_{\text{form}}-\Delta H$. בדיקה: התגובה אקסותרמית ($\Delta H<0$), ולכן האנרגיה לפירוק הקשרים במגיבים ($8062.4\ \text{kJ}$) קטנה מן האנרגיה המשתחררת ביצירת הקשרים בתוצרים ($10128\ \text{kJ}$).

שלב 1 – מספר המולים של Ti: $M(\text{Ti})=47.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}$

ב־1 ק"ג סגסוגת יש כ־$1.26\cdot10^{21}$ אטומי Ti.

ב־1 ליטר מי ים המלח יש 39.2 גרם יוני $\text{Mg}^{2+}$. $M(\text{Mg}^{2+})=24.3\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}$ (מסת האלקטרונים זניחה).

$\text{MgCl}_2$ הוא חומר יוני. במצב מוצק היונים $\text{Mg}^{2+}$ ו־$\text{Cl}^-$ מסודרים בסריג יוני ואינם ניידים – לכן המוצק אינו מוליך זרם חשמלי, והתגובה אינה יכולה להתרחש. בהתכה הסריג מתפרק והיונים נעשים ניידים: יוני $\text{Mg}^{2+}$ נעים לעבר הקוטב השלילי וקולטים אלקטרונים (נוצר Mg), ויוני $\text{Cl}^-$ נעים לעבר הקוטב החיובי ומוסרים אלקטרונים (נוצר $\text{Cl}_2$). לכן יש להתיך את הקרנליט לפני העברת הזרם.