בגרות בכימיה שאלון עיקרי 037381 - קיץ 2023

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

בחינת הבגרות בכימיה, שאלון עיקרי, קיץ 2023, 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 – 40 נקודות
•פרק שני – 60 נקודות
•סך הכול – 100 נקודות
חומר עזר מותר בשימוש: (1) מחשבון (כולל מחשבון גרפי). (2) דפי נוסחאות ונתונים (מצורפים): הטבלה המחזורית, טבלת אלקטרושליליות, נוסחאות לחישובים, קבוצות פונקציונליות.
הוראות מיוחדות:
(1) בפרק הראשון יש תשע שאלות. בכל אחת מן השאלות 1–8 מוצגות ארבע תשובות, ומהן יש לבחור בתשובה הנכונה. את התשובות הנכונות יש לסמן בתשובון שבסוף מחברת הבחינה (עמוד 19). בשאלה 9 יש לענות על הסעיפים לפי ההנחיות.
(2) בפרק השני יש חמש שאלות. יש לענות על שלוש מהן (לכל שאלה – 20 נקודות).
הנחיות מיוחדות לשנה זו: בפרק הראשון יש לענות על כל השאלות 1–8; מי שעונה נכון על שבע שאלות לפחות מקבל את מלוא 20 הנקודות. בשאלה 9 (ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה, 20 נקודות) יש לענות על הסעיפים א, ב, ד, ה, ו, ז ועל אחד מן הסעיפים ג או ח (סעיפי בחירה).

פרק ראשון

שאלה 1 · הרכב חלקיקים: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים

רב-ברירה

בטבלה שלפניכם מוצגים נתונים על ההרכב של שלושה חלקיקים שמסומנים באופן שרירותי באותיות X,Y,Z\text{X}, \text{Y}, \text{Z}X,Y,Z .
החלקיקמספר פרוטוניםמספר נויטרוניםהיערכות אלקטרונים
X18182,8,8
Y17182,8,8
Z18202,8,8
מהי הקביעה הנכונה?

החלקיק	מספר פרוטונים	מספר נויטרונים	היערכות אלקטרונים
X	18	18	2,8,8
Y	17	18	2,8,8
Z	18	20	2,8,8

א.
המטען של הגרעין בחלקיקים $\text{X}$ ו־ $\text{Y}$ הוא זהה.
ב.
לכל אחד משלושת החלקיקים $\text{X}, \text{Y}$ ו־ $\text{Z}$ אין מטען חשמלי.
ג.
החלקיקים $\text{X}$ ו־ $\text{Z}$ הם איזוטופים של אותו יסוד.
ד.
שלושת החלקיקים $\text{X}, \text{Y}$ ו־ $\text{Z}$ הם אטומים של יסודות שונים.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – X ו־Z הם איזוטופים של ארגון (18 פרוטונים, מספר נויטרונים שונה).

התשובה הנכונה: ג.
מספר הפרוטונים קובע את זהות היסוד ואת מטען הגרעין. מטען החלקיק = מספר הפרוטונים – מספר האלקטרונים (בהיערכות 2,8,8 יש 18 אלקטרונים).
חלקיקפרוטוניםאלקטרוניםמטעןזיהוי
X18180אטום ארגון, 36Ar^{36}\text{Ar}36Ar
Y17181−1-1−יון כלוריד, Cl−\text{Cl}^{-}Cl−
Z18180אטום ארגון, 38Ar^{38}\text{Ar}38Ar
- ג – נכון: ל־X ול־Z אותו מספר פרוטונים (18), כלומר אותו יסוד (ארגון), אך מספר נויטרונים שונה (18 ו־20) – לכן הם איזוטופים.
- א – לא נכון: מטען הגרעין שווה למספר הפרוטונים: ב־X הוא 18+18+18+ וב־Y הוא 17+17+17+.
- ב – לא נכון: ל־Y יש 17 פרוטונים ו־18 אלקטרונים, ולכן מטענו 1−1-1−.
- ד – לא נכון: X ו־Z הם אטומים של אותו יסוד, ו־Y אינו אטום אלא יון.

חלקיק	פרוטונים	אלקטרונים	מטען	זיהוי
X	18	18	0	אטום ארגון, $^{36}\text{Ar}$
Y	17	18	$1-$	יון כלוריד, $\text{Cl}^{-}$
Z	18	18	0	אטום ארגון, $^{38}\text{Ar}$

שאלה 2 · קשרים קוולנטיים וקוטביות מולקולות

רב-ברירה

לפניכם הנוסחאות המולקולריות של ארבע מולקולות: CS2\text{CS}_2CS2​ , C2Cl2\text{C}_2\text{Cl}_2C2​Cl2​ , CO2\text{CO}_2CO2​ , ClCN\text{ClCN}ClCN .
המבנה של כל אחת מן המולקולות הוא קווי.
לפניכם ארבעה היגדים, א–ד, בעניין הקשרים הקוולנטיים במולקולות וקוטביות המולקולות.
מהו ההיגד הנכון?

א.
בכל המולקולות, כל הקשרים הקוולנטיים הם קוטביים.
ב.
המולקולות $\text{C}_2\text{Cl}_2$ ו־ $\text{CO}_2$ הן קוטביות.
ג.
במולקולות $\text{CS}_2$ ו־ $\text{CO}_2$ יש קשרים קוולנטיים יחידים.
ד.
במולקולות $\text{C}_2\text{Cl}_2$ ו־ $\text{ClCN}$ יש קשר קוולנטי משולש.

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד

התשובה הנכונה: ד.
נוסחאות המבנה (לפי מספר האלקטרונים הערכיים וכלל האוקטט):
- CS2\text{CS}_2CS2​: S=C=S\text{S=C=S}S=C=S
- C2Cl2\text{C}_2\text{Cl}_2C2​Cl2​: Cl–C≡C–Cl\text{Cl–C}\equiv\text{C–Cl}Cl–C≡C–Cl
- CO2\text{CO}_2CO2​: O=C=O\text{O=C=O}O=C=O
- ClCN\text{ClCN}ClCN: Cl–C≡N\text{Cl–C}\equiv\text{N}Cl–C≡N
- ד – נכון: ב־C2Cl2\text{C}_2\text{Cl}_2C2​Cl2​ יש קשר משולש בין שני אטומי הפחמן, וב־ClCN\text{ClCN}ClCN יש קשר משולש בין אטום הפחמן לאטום החנקן.
- א – לא נכון: הקשר C≡C\text{C}\equiv\text{C}C≡C ב־C2Cl2\text{C}_2\text{Cl}_2C2​Cl2​ אינו קוטבי (שני אטומים זהים), וגם הקשר C=S\text{C=S}C=S אינו קוטבי – לפי טבלת האלקטרושליליות לפחמן ולגופרית אותה אלקטרושליליות (2.5).
- ב – לא נכון: שתי המולקולות קוויות וסימטריות; הדיפולים של הקשרים הקוטביים (C=O\text{C=O}C=O או C–Cl\text{C–Cl}C–Cl) שווים והפוכים בכיוונם ומבטלים זה את זה, ולכן המולקולות אינן קוטביות.
- ג – לא נכון: ב־CS2\text{CS}_2CS2​ וב־CO2\text{CO}_2CO2​ יש קשרים כפולים, לא יחידים.

שאלה 3 · ריכוז יונים לאחר ערבוב תמיסות

רב-ברירה

ערבבו בכוס כימית 200 מ"ל תמיסת נתרן כלורי, NaCl(aq)\text{NaCl}_{(aq)}NaCl(aq)​ , בריכוז 0.4M0.4\text{M}0.4M ,
עם 200 מ"ל תמיסת אלומיניום כלורי, AlCl3(aq)\text{AlCl}_{3(aq)}AlCl3(aq)​ , בריכוז 0.4M0.4\text{M}0.4M .
מהו הריכוז המולרי של כל אחד מן היונים בתמיסה שהתקבלה בתום הערבוב?

א.
$\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ : $0.8\text{M}$ ; $\text{Al}^{3+}_{(aq)}$ : $0.2\text{M}$ ; $\text{Na}^{+}_{(aq)}$ : $0.2\text{M}$
ב.
$\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ : $0.8\text{M}$ ; $\text{Al}^{3+}_{(aq)}$ : $0.4\text{M}$ ; $\text{Na}^{+}_{(aq)}$ : $0.4\text{M}$
ג.
$\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ : $0.4\text{M}$ ; $\text{Al}^{3+}_{(aq)}$ : $0.4\text{M}$ ; $\text{Na}^{+}_{(aq)}$ : $0.4\text{M}$
ד.
$\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ : $0.2\text{M}$ ; $\text{Al}^{3+}_{(aq)}$ : $0.2\text{M}$ ; $\text{Na}^{+}_{(aq)}$ : $0.2\text{M}$

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – [Na+]=0.2M[\text{Na}^{+}]=0.2\text{M}[Na+]=0.2M, [Al3+]=0.2M[\text{Al}^{3+}]=0.2\text{M}[Al3+]=0.2M, [Cl−]=0.8M[\text{Cl}^{-}]=0.8\text{M}[Cl−]=0.8M

התשובה הנכונה: א.
(בטבלה המקורית העמודות הן Na(aq)+\text{Na}^{+}_{(aq)}Na(aq)+​, Al(aq)3+\text{Al}^{3+}_{(aq)}Al(aq)3+​, Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​; כאן הערכים מוצגים לכל יון בנפרד.)
תגובות ההמסה: NaCl(s)→Na(aq)++Cl(aq)−\text{NaCl}_{(s)} \rightarrow \text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{Cl}^{-}_{(aq)}NaCl(s)​→Na(aq)+​+Cl(aq)−​ ; AlCl3(s)→Al(aq)3++3Cl(aq)−\text{AlCl}_{3(s)} \rightarrow \text{Al}^{3+}_{(aq)} + 3\text{Cl}^{-}_{(aq)}AlCl3(s)​→Al(aq)3+​+3Cl(aq)−​
מספר המולים, n=C⋅Vn = C \cdot Vn=C⋅V:
- nNaCl=0.4 molL⋅0.200 L=0.08 moln_{\text{NaCl}} = 0.4\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.200\ \text{L} = 0.08\ \text{mol}nNaCl​=0.4 Lmol​⋅0.200 L=0.08 mol ⇐ nNa+=0.08 moln_{\text{Na}^+} = 0.08\ \text{mol}nNa+​=0.08 mol
- nAlCl3=0.4 molL⋅0.200 L=0.08 moln_{\text{AlCl}_3} = 0.4\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.200\ \text{L} = 0.08\ \text{mol}nAlCl3​​=0.4 Lmol​⋅0.200 L=0.08 mol ⇐ nAl3+=0.08 moln_{\text{Al}^{3+}} = 0.08\ \text{mol}nAl3+​=0.08 mol
- nCl−=0.08 mol+3⋅0.08 mol=0.32 moln_{\text{Cl}^-} = 0.08\ \text{mol} + 3 \cdot 0.08\ \text{mol} = 0.32\ \text{mol}nCl−​=0.08 mol+3⋅0.08 mol=0.32 mol
נפח התמיסה הכולל: V=0.200 L+0.200 L=0.400 LV = 0.200\ \text{L} + 0.200\ \text{L} = 0.400\ \text{L}V=0.200 L+0.200 L=0.400 L
C=nVC = \frac{n}{V}C=Vn​:
- [Na+]=0.08 mol0.400 L=0.2 M[\text{Na}^{+}] = \frac{0.08\ \text{mol}}{0.400\ \text{L}} = 0.2\ \text{M}[Na+]=0.400 L0.08 mol​=0.2 M
- [Al3+]=0.08 mol0.400 L=0.2 M[\text{Al}^{3+}] = \frac{0.08\ \text{mol}}{0.400\ \text{L}} = 0.2\ \text{M}[Al3+]=0.400 L0.08 mol​=0.2 M
- [Cl−]=0.32 mol0.400 L=0.8 M[\text{Cl}^{-}] = \frac{0.32\ \text{mol}}{0.400\ \text{L}} = 0.8\ \text{M}[Cl−]=0.400 L0.32 mol​=0.8 M
- ב – מתעלם מהמיהול (הנפח הוכפל).
- ג, ד – מתעלמים מכך שכל יחידת AlCl3\text{AlCl}_3AlCl3​ משחררת שלושה יוני כלוריד (ו־ג גם מתעלם מהמיהול).
טעות נפוצה: לשכוח שבערבוב הנפח גדל, ולכן ריכוז כל יון קטן.

שאלה 4 · קבוצות פונקציונליות וקשרי מימן

רב-ברירה

המודלים שלפניכם מייצגים את נוסחאות המבנה של שתי מולקולות המסומנות באופן שרירותי a\text{a}a ו־ b\text{b}b .
לפניכם ארבעה היגדים I–IV\text{I–IV}I–IV .
I. במולקולה a\text{a}a הקבוצה הפונקציונלית היא קטון.
II. במולקולה b\text{b}b הקבוצה הפונקציונלית היא אמיד.
III. בין מולקולות a\text{a}a עשויים להיווצר גם קשרי מימן.
IV. בין מולקולות b\text{b}b עשויים להיווצר גם קשרי מימן.
מה הם ההיגדים הנכונים?

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

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – II ו־IV

התשובה הנכונה: ד.
לפי המקרא:
- מולקולה a: אטום פחמן קשור בקשר כפול לאטום חמצן, לאטום מימן ולקבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ – זו מולקולת אתנאל, CH3CHO\text{CH}_3\text{CHO}CH3​CHO. הקבוצה הפונקציונלית היא אלדהיד (קבוצת קרבוניל בקצה השרשרת, עם אטום H על פחמן הקרבוניל), ולא קטון (בקטון פחמן הקרבוניל קשור לשני אטומי פחמן). לכן היגד I אינו נכון.
- מולקולה b: פחמן קרבוניל קשור לאטום חמצן (קשר כפול), לקבוצת NH2\text{NH}_2NH2​ ולקבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ – זו מולקולת אתאנאמיד, CH3CONH2\text{CH}_3\text{CONH}_2CH3​CONH2​. הקבוצה הפונקציונלית היא אמיד – היגד II נכון.
- היגד III – לא נכון: במולקולה a אין אטום מימן הקשור לאטום בעל אלקטרושליליות גבוהה (N, O או F); כל אטומי המימן קשורים לפחמן. לכן בין מולקולות a אין קשרי מימן (רק ואן דר ואלס ודו־קוטב–דו־קוטב).
- היגד IV – נכון: במולקולה b יש אטומי מימן הקשורים לאטום חנקן (קשר N–H\text{N–H}N–H קוטבי מאוד), ויש אטומי חמצן וחנקן בעלי זוגות אלקטרונים לא קושרים. לכן בין מולקולות b נוצרים גם קשרי מימן.
לכן ההיגדים הנכונים הם II ו־IV.

שאלה 5 · אנתלפיית שרפה מנתוני מסה ואנרגיה

רב-ברירה

שעוות הנרות עשויה בעיקר מפחמימן שנוסחתו המולקולרית היא C25H52\text{C}_{25}\text{H}_{52}C25​H52​ (מסה מולרית: 352 grammol352\ \frac{\text{gram}}{\text{mol}}352 molgram​) .
לפניכם תגובת השרפה המלאה של אדי הפחמימן בעת בעירת הנר:
C25H52(g)+38O2(g)→25CO2(g)+26H2O(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)} + 38\text{O}_{2(g)} \rightarrow 25\text{CO}_{2(g)} + 26\text{H}_2\text{O}_{(g)}C25​H52(g)​+38O2(g)​→25CO2(g)​+26H2​O(g)​
נמצא שכמות האנרגיה שנפלטה בתגובת השרפה של 1.76 גרם C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ שווה ל־ 77.825 kJ77.825\ \text{kJ}77.825 kJ .
מהו שינוי האנתלפיה התקנית, ΔH0\Delta H^0ΔH0 , בתגובת השרפה של 1 מול C25H52(g)\text{C}_{25}\text{H}_{52(g)}C25​H52(g)​ ?

א.
$+15{,}565\ \text{kJ}$
ב.
$-15{,}565\ \text{kJ}$
ג.
$+77{,}825\ \text{kJ}$
ד.
$-77{,}825\ \text{kJ}$

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – ΔH0=−15,565 kJ\Delta H^0 = -15{,}565\ \text{kJ}ΔH0=−15,565 kJ

התשובה הנכונה: ב.
n=mMw=1.76 g352 gmol=0.005 moln = \frac{m}{M_w} = \frac{1.76\ \text{g}}{352\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 0.005\ \text{mol}n=Mw​m​=352 molg​1.76 g​=0.005 mol
0.005 mol פולטים 77.825 kJ77.825\ \text{kJ}77.825 kJ, ולכן 1 mol פולט:
77.825 kJ0.005 mol=15,565 kJmol\frac{77.825\ \text{kJ}}{0.005\ \text{mol}} = 15{,}565\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}0.005 mol77.825 kJ​=15,565 molkJ​
אנרגיה נפלטת – התגובה אקסותרמית, ולכן ΔH0<0\Delta H^0 < 0ΔH0<0: ΔH0=−15,565 kJ\Delta H^0 = -15{,}565\ \text{kJ}ΔH0=−15,565 kJ (לשרפת 1 mol).
- א – הערך הנכון אך עם סימן של תגובה אנדותרמית.
- ג, ד – הערך 77,82577{,}82577,825 מתקבל מחלוקה בטעות ב־0.001 במקום ב־0.005 (או כפל של 77.825 ב־1000) ואינו מתאים לחישוב.

שאלה 6 · חוק הס

רב-ברירה

לפניכם התגובות (1) – (3):
(1) C(s)+2H2(g)→CH4(g)\text{C}_{(s)} + 2\text{H}_{2(g)} \rightarrow \text{CH}_{4(g)}C(s)​+2H2(g)​→CH4(g)​ ΔH10=−74.8 kJ\qquad \Delta H_1^0 = -74.8\ \text{kJ}ΔH10​=−74.8 kJ
(2) C(s)+2H2(g)+12O2(g)→CH3OH(l)\text{C}_{(s)} + 2\text{H}_{2(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}_{(l)}C(s)​+2H2(g)​+21​O2(g)​→CH3​OH(l)​ ΔH20=−238.9 kJ\qquad \Delta H_2^0 = -238.9\ \text{kJ}ΔH20​=−238.9 kJ
(3) CH4(g)+12O2(g)→CH3OH(l)\text{CH}_{4(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}_{(l)}CH4(g)​+21​O2(g)​→CH3​OH(l)​ ΔH30=?\qquad \Delta H_3^0 = ?ΔH30​=?
מהו ערכו של ΔH30\Delta H_3^0ΔH30​ עבור תגובה (3) ?

א.
$-313.7\ \text{kJ}$
ב.
$+313.7\ \text{kJ}$
ג.
$-164.1\ \text{kJ}$
ד.
$+164.1\ \text{kJ}$

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – −164.1 kJ-164.1\ \text{kJ}−164.1 kJ

התשובה הנכונה: ג.
לפי חוק הס: הופכים את תגובה (1) (ומחליפים את סימן ΔH\Delta HΔH) ומחברים לתגובה (2):
CH4(g)→C(s)+2H2(g)\text{CH}_{4(g)} \rightarrow \text{C}_{(s)} + 2\text{H}_{2(g)}CH4(g)​→C(s)​+2H2(g)​ ΔH=+74.8 kJ\qquad \Delta H = +74.8\ \text{kJ}ΔH=+74.8 kJ
C(s)+2H2(g)+12O2(g)→CH3OH(l)\text{C}_{(s)} + 2\text{H}_{2(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}_{(l)}C(s)​+2H2(g)​+21​O2(g)​→CH3​OH(l)​ ΔH=−238.9 kJ\qquad \Delta H = -238.9\ \text{kJ}ΔH=−238.9 kJ
בחיבור מצטמצמים C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ ו־2H2(g)2\text{H}_{2(g)}2H2(g)​ ומתקבלת תגובה (3):
ΔH30=−ΔH10+ΔH20=+74.8 kJ+(−238.9 kJ)=−164.1 kJ\Delta H_3^0 = -\Delta H_1^0 + \Delta H_2^0 = +74.8\ \text{kJ} + (-238.9\ \text{kJ}) = -164.1\ \text{kJ}ΔH30​=−ΔH10​+ΔH20​=+74.8 kJ+(−238.9 kJ)=−164.1 kJ
- א – מתקבל מחיבור שתי התגובות בלי להפוך את (1).
- ב – סכום עם סימן הפוך.
- ד – הערך הנכון בסימן הפוך (כאילו הפכו את (2) במקום את (1)).

שאלה 7 · כושר חמצון של יוני מתכות

רב-ברירה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

השוואת פעילות יחסית של מתכות ותגובות מתכת/יוני מתכת – מחוץ למיקוד תשפ"ז.

תלמידים ערכו כמה ניסויים, ובהם הם טבלו פסים של 3 מתכות שונות בתמיסות המכילות יוני מתכות.
בכל ניסוי הם טבלו פס של מתכת אחת בתמיסה מימית שהכילה יונים של מתכת אחרת (וגם יונים שליליים).
בטבלה שלפניכם מצוין בנוגע לכל אחד מן הניסויים אם התרחשה בו תגובה (+) או שלא התרחשה בו תגובה (−).
מתכות יוני מתכותBa(aq)2+\text{Ba}^{2+}_{(aq)}Ba(aq)2+​Zn(aq)2+\text{Zn}^{2+}_{(aq)}Zn(aq)2+​Pb(aq)2+\text{Pb}^{2+}_{(aq)}Pb(aq)2+​
בריום Ba(s)\text{Ba}_{(s)}Ba(s)​(משבצת אפורה)++
אבץ Zn(s)\text{Zn}_{(s)}Zn(s)​−(משבצת אפורה)+
עופרת Pb(s)\text{Pb}_{(s)}Pb(s)​−−(משבצת אפורה)
מהו הסדר הנכון של יוני המתכות על פי כושרם לחמצן?

מתכות יוני מתכות	$\text{Ba}^{2+}_{(aq)}$	$\text{Zn}^{2+}_{(aq)}$	$\text{Pb}^{2+}_{(aq)}$
בריום $\text{Ba}_{(s)}$	(משבצת אפורה)	+	+
אבץ $\text{Zn}_{(s)}$	−	(משבצת אפורה)	+
עופרת $\text{Pb}_{(s)}$	−	−	(משבצת אפורה)

א.
$\text{Zn}^{2+}_{(aq)} > \text{Pb}^{2+}_{(aq)} > \text{Ba}^{2+}_{(aq)}$
ב.
$\text{Ba}^{2+}_{(aq)} > \text{Zn}^{2+}_{(aq)} > \text{Pb}^{2+}_{(aq)}$
ג.
$\text{Pb}^{2+}_{(aq)} > \text{Zn}^{2+}_{(aq)} > \text{Ba}^{2+}_{(aq)}$
ד.
$\text{Pb}^{2+}_{(aq)} > \text{Ba}^{2+}_{(aq)} > \text{Zn}^{2+}_{(aq)}$

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – Pb2+>Zn2+>Ba2+\text{Pb}^{2+} > \text{Zn}^{2+} > \text{Ba}^{2+}Pb2+>Zn2+>Ba2+

התשובה הנכונה: ג.
כשמתרחשת תגובה, יון המתכת שבתמיסה מקבל אלקטרונים (הוא המחמצן) והמתכת המוצקה מוסרת אלקטרונים (היא המחזר). למשל:
Ba(s)+Zn(aq)2+→Ba(aq)2++Zn(s)\text{Ba}_{(s)} + \text{Zn}^{2+}_{(aq)} \rightarrow \text{Ba}^{2+}_{(aq)} + \text{Zn}_{(s)}Ba(s)​+Zn(aq)2+​→Ba(aq)2+​+Zn(s)​
- Pb2+\text{Pb}^{2+}Pb2+ מגיב גם עם Ba וגם עם Zn – הוא קולט אלקטרונים אפילו מאבץ, ולכן הוא המחמצן החזק ביותר.
- Zn2+\text{Zn}^{2+}Zn2+ מגיב עם Ba אך לא עם Pb – מחמצן חזק מ־Ba2+\text{Ba}^{2+}Ba2+ וחלש מ־Pb2+\text{Pb}^{2+}Pb2+.
- Ba2+\text{Ba}^{2+}Ba2+ אינו מגיב עם אף מתכת – המחמצן החלש ביותר.
לכן: Pb2+>Zn2+>Ba2+\text{Pb}^{2+} > \text{Zn}^{2+} > \text{Ba}^{2+}Pb2+>Zn2+>Ba2+.
- ב – זה סדר כושר החיזור של המתכות (Ba > Zn > Pb), לא סדר כושר החמצון של היונים.
- א, ד – אינם מתאימים לתוצאות: למשל, Zn מגיב עם Pb2+\text{Pb}^{2+}Pb2+, ולכן Pb2+\text{Pb}^{2+}Pb2+ מחמצן חזק מ־Zn2+\text{Zn}^{2+}Zn2+.

שאלה 8 · גורמים המשפיעים על קצב תגובה

רב-ברירה

לכלי פתוח המכיל תמיסה של חומצה גופרתית, H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ , מכניסים מגנזיום, Mg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​ .
כל המתכת טבולה בתמיסה.
לפניכם ניסוח נטו של התגובה המתרחשת.
Mg(s)+2H3O(aq)+→Mg(aq)2++H2(g)+2H2O(l)\text{Mg}_{(s)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow \text{Mg}^{2+}_{(aq)} + \text{H}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}Mg(s)​+2H3​O(aq)+​→Mg(aq)2+​+H2(g)​+2H2​O(l)​
לפניכם רשימת משתנים הקשורים לניסוי:
I. מסת גז המימן.
II. שטח הפנים של המגנזיום.
III. ריכוז תמיסת החומצה הגופרתית.
IV. נפח הכלי שבו מתרחשת התגובה.
אילו מן המשתנים ברשימה עשויים להשפיע על קצב התגובה?

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

◂ פתרון מלא לשאלה 8

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – II ו־III

התשובה הנכונה: ב.
- II – משפיע: ככל ששטח הפנים של המגנזיום (מגיב מוצק) גדול יותר, יותר יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ באים במגע עם המתכת ביחידת זמן, והקצב גדל (למשל אבקה לעומת פס).
- III – משפיע: ריכוז גבוה יותר של החומצה הוא ריכוז גבוה יותר של המגיב H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​, ולכן הקצב גדל.
- I – אינו משפיע: מסת גז המימן היא תוצאה של התגובה (תוצר), לא גורם המשפיע על קצבה; הגז אף משתחרר מהכלי הפתוח.
- IV – אינו משפיע: המגיבים הם מוצק ותמיסה בכלי פתוח; נפח הכלי אינו משנה את ריכוז המגיבים או את שטח המגע.

שאלה 9 · מאמר: התחממות גלובלית וקרחונים

שאלת מאמר

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה
קראו את הקטע שלפניכם, וענו על הסעיפים שאחריו לפי ההנחיות (שאלת חובה – 20 נקודות).
התחממות גלובלית – השינוי מתחיל בקטבים
ההתחממות של אזורי הקטבים בכדור הארץ מתרחשת מהר מכפי שחזו מדענים, והיא מעידה על שינוי האקלים בעולם. אחת התוצאות של התחממות זו היא הפשרה מהירה של קרחונים יבשתיים בגרינלנד, אי הקרוב לקוטב הצפוני, ובאנטרקטיקה, בקוטב הדרומי. הפשרת הקרחונים היבשתיים גורמת, נוסף על עליית פני הים, גם לשינוי מסלולי סופות באזורים של אמריקה הצפונית.
קרחון יבשתי (glacier) הוא מצבור גדול וקדום של קרח שנוצר במשך אלפי שנים משכבות השלג שירדו והתגבשו זו על גבי זו. הקרחון נוצר על פני היבשה וגָדֵל לאורך השנים ונע באיטיות לכיוון הים. הקרחונים היבשתיים מהווים מקור חשוב ועיקרי למי שתייה במקומות רבים בכדור הארץ.
קרחון יבשתי מכיל כ־ 99% קרח, H2O(s)\text{H}_2\text{O}_{(s)}H2​O(s)​ , וכ־ 1% זיהומים שונים מן הים ומן האוויר הכוללים יונים כגון: נתרן, Na+\text{Na}^{+}Na+ , מגנזיום, Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ , סידן, Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ , כלור, Cl−\text{Cl}^{-}Cl− , ויונים גופרתיים, SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ . מקורם של היונים בתרכובות יוניות שונות שהתמוססו במים. מסת יוני הנתרן ב־ 1 ק"ג קרחון היא 0.4×10−60.4 \times 10^{-6}0.4×10−6 גרם.
בעקבות התחממות האטמוספרה בעת האחרונה, מתחממים גם מי האוקיינוסים בקצב עולה. לפיכך מותך בסיס הקרחון היבשתי הנמצא קרוב לים המתחמם, וחלקים גדולים ממנו נופלים למים. חלקי הקרחון היבשתי שנופלים למים הופכים לקרחונים ימיים צפים (icebergs) , שניתכים ובמשך הזמן גורמים לעליית פני הים.
שלג וקרח הם חומרים לבנים, שמחזירים את רוב קרינת השמש אל החלל. מי האוקיינוסים הכהים יותר קולטים את קרינת השמש ומתחממים. לכן להפשרת חלק מן הקרחונים השפעה כפולה:
– מסת המים, היכולים לקלוט קרינה ולהתחמם, גדלה.
– מסת הקרח, המחזיר את קרינת השמש אל החלל ומונע התחממות, קטנה.
בעקבות עליית טמפרטורת האוויר והפשרת הקרחונים, האוויר בקטבים מכיל אדי מים רבים יותר, יש יותר ענני גשם ולכן נפוצות יותר סערות גשם המלוות בברקים.
ענני גשם מכילים מספר עצום של מולקולות מים. עקב תנועתן של מולקולות המים, עובר זרם אלקטרונים באוויר בין העננים, או בין הענן לקרקע, והוא הופך את המולקולות שבאוויר לחלקיקים טעונים ולאטומים בודדים. מעבר אלקטרונים זה כרוך בפליטת אנרגייה רבה הגורמת לטמפרטורת האוויר בסביבה הקרובה לעלות ל־ 30,000∘C30{,}000^{\circ}\text{C}30,000∘C .
עקב מעבר האנרגייה, רואים ברק, הבזק לבן ובוהק, ושומעים רעם שנגרם מהתפשטות מהירה של האוויר המתחמם.
כימאים גילו כי במהלך היווצרות הברקים אפשר לגלות באוויר אטומי חמצן ואטומי מימן בודדים, שמקורם במולקולות המים שבעננים. יש ברקים שפוגעים בחומרים דליקים הנמצאים על פני האדמה וגורמים לעיתים קרובות לשרפות.
הידע על השינויים המתחוללים בעולמנו והבנתם, מאפשר למדענים לחזות את השפעות האקלים ולהיערך מבעוד מועד כדי למנוע פגיעה בחיים ולצמצם נזקים.
מקור: https://climate.nasa.gov/news/3062/warming-seas-are-accelerating-greenlands-glacier-retreat/
ענו על הסעיפים א, ב, ד, ה, ו, ז ועל אחד מן הסעיפים ג או ח.

א.

רשמו נוסחאות של 4 תרכובות יוניות העשויות להיות מקור ליונים שיש בקרחונים.

ב.

בצפון כדור הארץ ריכוז יוני הנתרן במי ים הוא 0.46 מול/ליטר .
פי כמה גדולה המסה של יוני הנתרן ב־ 1 ליטר מי ים לעומת המסה של יוני הנתרן ב־ 1 ק"ג קרחון? פרטו את חישוביכם.

ג.

סעיף ג הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ח.
המודל בתרשים שלפניכם מייצג קטע של סידור מולקולות המים בקרח.

(i)

התבוננו במודל, וקבעו לכמה אטומי מימן קשור כל אטום חמצן ובאילו סוגי קשרים.

(ii)

נסחו את תהליך ההיתוך של קרח.

ד.

לפניכם שני היגדים: I ו־ II . קבעו עבור כל היגד אם הוא נכון או לא נכון.
I. לאטומים של מולקולות המים בקרח יש אופני תנועה מסוג תנודה בלבד.
II. למולקולות המים בקרח יש אופני תנועה מסוג מעתק בלבד.

ה.

קבעו אם תהליך ההיתוך של הקרח בקרחון יבשתי הוא תהליך אנדותרמי או אקסותרמי.
הסבירו ובססו את תשובתכם על סוגי הכוחות הפועלים בין המולקולות.

ו.

קרחון שמסתו 2 טון נפל למים והותך כולו. כמה מולקולות מים נוספו לים? פרטו את חישוביכם.
נתון: 1 טון =1×106= 1 \times 10^{6}=1×106 גרם.

ז.

לפניכם שלושה היגדים: I , II ו־ III . התבססו על המאמר המדעי וקבעו עבור כל אחד מן ההיגדים אם הוא נכון או לא נכון.
I. בעת התרחשות ברק נשברים קשרים קוולנטיים בין האטומים במולקולות המים הנמצאות בעננים.
II. בעת התרחשות ברק נשברים קשרים קוולנטיים בין האטומים במולקולות הנמצאות באוויר.
III. ברק משפיע על הטמפרטורה של הסביבה רק כאשר הוא פוגע באדמה.

ח.

סעיף ח הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ג.
לפניכם גרף אנרגייה סכמתי עבור 1 מול מים.

(i)

מהו מצב הצבירה של מים בכל אחד מן המצבים: a,b,c\text{a}, \text{b}, \text{c}a,b,c ?

(ii)

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

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

תשובה:

למשל: NaCl\text{NaCl}NaCl, MgSO4\text{MgSO}_4MgSO4​, CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​, Na2SO4\text{Na}_2\text{SO}_4Na2​SO4​ (אפשר גם MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​, CaSO4\text{CaSO}_4CaSO4​).

לפי הפסקה השנייה, בקרחון יש יוני נתרן Na+\text{Na}^{+}Na+, מגנזיום Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+, סידן Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+, כלוריד Cl−\text{Cl}^{-}Cl− וסולפט SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​, שמקורם בתרכובות יוניות שהתמוססו במים.
תרכובת יונית מורכבת מיון חיובי ומיון שלילי ביחס שבו סכום המטענים הוא אפס. כל ארבע מן התרכובות הבאות מתאימות:
•נתרן כלורי: NaCl\text{NaCl}NaCl
•מגנזיום כלורי: MgCl2\text{MgCl}_2MgCl2​
•סידן כלורי: CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​
•נתרן גופרתי (סולפט): Na2SO4\text{Na}_2\text{SO}_4Na2​SO4​
•מגנזיום גופרתי: MgSO4\text{MgSO}_4MgSO4​
•סידן גופרתי: CaSO4\text{CaSO}_4CaSO4​

סעיף ב

תשובה:

פי 2.6×1072.6 \times 10^{7}2.6×107 בקירוב (מסת Na+\text{Na}^+Na+ בליטר מי ים: 10.58 גרם).

מסת יוני הנתרן ב־1 ליטר מי ים:
n=C⋅V=0.46 molL⋅1 L=0.46 moln = C \cdot V = 0.46\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 1\ \text{L} = 0.46\ \text{mol}n=C⋅V=0.46 Lmol​⋅1 L=0.46 mol
m=n⋅Mw=0.46 mol⋅23.0 gmol=10.58 gm = n \cdot M_w = 0.46\ \text{mol} \cdot 23.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 10.58\ \text{g}m=n⋅Mw​=0.46 mol⋅23.0 molg​=10.58 g
מסת יוני הנתרן ב־1 ק"ג קרחון (לפי הפסקה השנייה במאמר): 0.4×10−6 g0.4 \times 10^{-6}\ \text{g}0.4×10−6 g
היחס:
10.58 g0.4×10−6 g=2.645×107≈2.6×107\frac{10.58\ \text{g}}{0.4 \times 10^{-6}\ \text{g}} = 2.645 \times 10^{7} \approx 2.6 \times 10^{7}0.4×10−6 g10.58 g​=2.645×107≈2.6×107
מסת יוני הנתרן בליטר מי ים גדולה פי כ־2.6×1072.6 \times 10^{7}2.6×107 (כ־26 מיליון) ממסתם בק"ג קרחון.

סעיף ג

(i)

תשובה:

לארבעה אטומי מימן: לשניים בקשרים קוולנטיים ולשניים בקשרי מימן.

במודל, אטום החמצן של המולקולה המרכזית קשור:
•לשני אטומי מימן של המולקולה שלו – בקשרים קוולנטיים (קשרים תוך־מולקולריים, O–H\text{O–H}O–H);
•לשני אטומי מימן של שתי מולקולות מים שכנות – בקשרי מימן (הקווים המקווקווים בין δ−\delta^-δ− של החמצן ל־δ+\delta^+δ+ של מימן במולקולה שכנה).
בסך הכול כל אטום חמצן קשור לארבעה אטומי מימן: 2 בקשרים קוולנטיים ו־2 בקשרי מימן. (גם שני אטומי המימן של המולקולה המרכזית יוצרים קשרי מימן עם אטומי חמצן של מולקולות שכנות.)

(ii)

תשובה:

H2O(s)→H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(s)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(s)​→H2​O(l)​

היתוך הוא מעבר ממצב מוצק למצב נוזל; המולקולות אינן משתנות:
H2O(s)→H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(s)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(s)​→H2​O(l)​

סעיף ד

תשובה:

I – נכון; II – לא נכון.

- היגד I – נכון. בקרח (מוצק) המולקולות מסודרות בסריג ונמצאות במקומות קבועים; הן אינן נעות ממקום למקום ואינן מסתובבות. האטומים שבמולקולות רק מתנודדים (תנועות תנודה של הקשרים ושל המולקולה סביב מקומה בסריג).
- היגד II – לא נכון. תנועת מעתק היא מעבר של החלקיק ממקום למקום. במוצק המולקולות קשורות זו לזו בקשרי מימן בסריג ואינן יכולות לנוע ממקום למקום; יש להן תנועת תנודה בלבד סביב מקומן הקבוע. תנועת מעתק אופיינית לנוזלים ולגזים.

סעיף ה

תשובה:

אנדותרמי – יש להשקיע אנרגיה כדי לנתק חלק מקשרי המימן (ולהחליש את כוחות ואן דר ואלס) בין המולקולות.

ההיתוך הוא תהליך אנדותרמי.
בקרח מולקולות המים קשורות זו לזו בקשרי מימן (וגם בכוחות ואן דר ואלס) בסריג מולקולרי מסודר. בהיתוך חלק מקשרי המימן בין המולקולות מתנתקים (והכוחות בין המולקולות נחלשים), כך שהמולקולות יכולות לנוע ממקום למקום. ניתוק קשרים (כוחות משיכה) בין מולקולות דורש השקעת אנרגיה, שנקלטת מהסביבה – לכן התהליך אנדותרמי (ΔH>0\Delta H > 0ΔH>0).
שימו לב: בהיתוך אין ניתוק של קשרים קוולנטיים בתוך המולקולות – רק של כוחות בין־מולקולריים.

סעיף ו

תשובה:

כ־6.69×10286.69 \times 10^{28}6.69×1028 מולקולות מים.

2 טון: m=2×106 gm = 2 \times 10^{6}\ \text{g}m=2×106 g
Mw(H2O)=2⋅1.0+16.0=18.0 gmolM_w(\text{H}_2\text{O}) = 2 \cdot 1.0 + 16.0 = 18.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}Mw​(H2​O)=2⋅1.0+16.0=18.0 molg​
n=mMw=2×106 g18.0 gmol=1.11×105 moln = \frac{m}{M_w} = \frac{2 \times 10^{6}\ \text{g}}{18.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 1.11 \times 10^{5}\ \text{mol}n=Mw​m​=18.0 molg​2×106 g​=1.11×105 mol
N=n⋅NA=1.11×105 mol⋅6.02×1023 mol−1=6.69×1028N = n \cdot N_A = 1.11 \times 10^{5}\ \text{mol} \cdot 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1} = 6.69 \times 10^{28}N=n⋅NA​=1.11×105 mol⋅6.02×1023 mol−1=6.69×1028 מולקולות
(אם מתחשבים בכך שרק כ־99% מהקרחון הוא קרח, מתקבלות כ־6.62×10286.62 \times 10^{28}6.62×1028 מולקולות; ההבדל זניח.)
נוספו לים כ־6.7×10286.7 \times 10^{28}6.7×1028 מולקולות מים.

סעיף ז

תשובה:

I – נכון; II – נכון; III – לא נכון.

- I – נכון. לפי הפסקה האחרונה, במהלך היווצרות הברקים מתגלים באוויר "אטומי חמצן ואטומי מימן בודדים, שמקורם במולקולות המים שבעננים". כדי שיתקבלו אטומים בודדים, צריכים להישבר הקשרים הקוולנטיים O–H\text{O–H}O–H במולקולות המים.
- II – נכון. לפי אותה פסקה, זרם האלקטרונים "הופך את המולקולות שבאוויר לחלקיקים טעונים ולאטומים בודדים" – היווצרות אטומים בודדים ממולקולות פירושה שבירת הקשרים הקוולנטיים בתוכן.
- III – לא נכון. לפי המאמר, מעבר האלקטרונים בין העננים, או בין הענן לקרקע, כרוך בפליטת אנרגיה רבה המעלה את טמפרטורת האוויר בסביבה הקרובה ל־30,000∘C30{,}000^{\circ}\text{C}30,000∘C. כלומר הברק מחמם את האוויר גם כשהוא מתרחש בין עננים ואינו פוגע באדמה.

סעיף ח

(i)

תשובה:

a – מוצק (קרח), H2O(s)\text{H}_2\text{O}_{(s)}H2​O(s)​; b – נוזל, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​; c – גז (אדים), H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​.

ככל שהכוחות בין המולקולות חלשים יותר והמולקולות רחוקות יותר זו מזו, האנרגיה של המערכת גבוהה יותר. לכן:
- a (האנרגיה הנמוכה ביותר) – מים במצב מוצק, H2O(s)\text{H}_2\text{O}_{(s)}H2​O(s)​.
- b – מים במצב נוזל, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​.
- c – מים במצב גז, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ (מולקולות בודדות, כמעט ללא כוחות ביניהן).
- d – אטומי מימן וחמצן בודדים (כפי שמצוין בגרף).

(ii)

תשובה:

במעבר c→d נשברים קשרים קוולנטיים (תוך־מולקולריים) חזקים; במעבר a→b נשברים רק חלק מקשרי המימן בין המולקולות, החלשים בהרבה.

- המעבר a→b\text{a} \rightarrow \text{b}a→b (היתוך): נשברים רק חלק מקשרי המימן בין מולקולות המים (כוחות בין־מולקולריים). המולקולות נשארות שלמות.
- המעבר c→d\text{c} \rightarrow \text{d}c→d: מולקולות מים בודדות במצב גז מתפרקות לאטומים: נשברים הקשרים הקוולנטיים O–H\text{O–H}O–H בתוך המולקולות (2 מול קשרים לכל מול מים).
קשר קוולנטי (קשר תוך־מולקולרי, משיכה בין גרעיני האטומים לזוג האלקטרונים המשותף) חזק בהרבה מקשר מימן (קשר בין־מולקולרי). לכן כדי לשבור את הקשרים הקוולנטיים יש להשקיע אנרגיה רבה בהרבה מאשר לשבירת חלק מקשרי המימן – ומעבר האנרגיה d–c\text{d–c}d–c גדול בהרבה מ־b–a\text{b–a}b–a.

פרק שני

שאלה 10 · סוללות ליתיום: מבנה, קישור וחישובים

שאלה פתוחה

מבנה האטום, מבנה וקישור, חישובים
סוללות מספקות אנרגייה למכשירים רבים. הן מכילות תרכובות יוניות, תמיסות שמכילות יונים ניידים וחומרים נוספים.
ליתיום, Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ , היה מרכיב חיוני בסוללות הליתיום הראשונות.

א.

תארו את מבנה הליתיום, Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ , והסבירו מדוע החומר מוליך חשמל בטמפרטורת החדר.

ב.

בסוללות שאינן מבוססות על ליתיום, הממֵס הוא מים. אולם, בסוללות ליתיום הממסים אינם מימיים.
לפניכם התגובה הבאה:
Li(s)+H2O(l)→12H2(g)+Li(aq)++OH(aq)−ΔH0<0\text{Li}_{(s)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \frac{1}{2}\text{H}_{2(g)} + \text{Li}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \qquad \Delta H^0 < 0Li(s)​+H2​O(l)​→21​H2(g)​+Li(aq)+​+OH(aq)−​ΔH0<0
הסבירו מדוע לא משתמשים במים כממס בסוללות ליתיום.

ג.

אחד הממסים בסוללות ליתיום הוא די־מתיל קרבונט (DMC).
לפניכם ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של מולקולת DMC :
רשמו נוסחה מולקולרית של DMC .

ד.

לפניכם ייצוגים מקוצרים לנוסחאות מבנה של שלוש מולקולות נוספות:
איזו מולקולה או אילו מולקולות הן איזומרים של DMC ? הסבירו את בחירתכם.

ה.

טמפרטורת הרתיחה של DMC נמוכה מטמפרטורת הרתיחה של מים באותם תנאים. הסבירו עובדה זו.

ו.

המַסו 139 גרם DMC במים והכינו 1 ליטר תמיסה.

(i)

הסבירו מדוע DMC מתמוסס במים.

(ii)

חשבו את הריכוז המולרי של התמיסה שהוכנה.

ז.

סוללות ליתיום נטענות נקראות סוללות ליתיום–יון והן משמשות, בין השאר, להפעלת מכוניות חשמליות.
יש סוללות ליתיום–יון שמבוססות על תרכובות של ליתיום, כגון ליתיום קובלט חמצני, LiCoO2(s)\text{LiCoO}_{2(s)}LiCoO2(s)​ .
התרכובת היונית LiCoO2(s)\text{LiCoO}_{2(s)}LiCoO2(s)​ מורכבת מיוני ליתיום, יוני קובלט, Co3+\text{Co}^{3+}Co3+ , ויוני חמצן, O2−\text{O}^{2-}O2− .
רשמו נוסחאות ייצוג אלקטרונים של יוני ליתיום ושל יוני חמצן.

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

תשובה:

סריג מתכתי: יוני Li+\text{Li}^{+}Li+ בסידור קבוע בתוך "ים" של אלקטרונים ערכיים ניידים; האלקטרונים הניידים מאפשרים הולכת חשמל.

מבנה: ליתיום הוא מתכת – מבנה של סריג מתכתי. בסריג יונים חיוביים Li+\text{Li}^{+}Li+ (גרעין + 2 אלקטרונים פנימיים, 1s21s^21s2) מסודרים בסדר קבוע ותלת־ממדי, ו"ים" של אלקטרונים ערכיים חופשיים (מאוחדים) – אלקטרון ערכי אחד מכל אטום – נע בין היונים. הקשר המתכתי הוא המשיכה החשמלית בין היונים החיוביים לבין ים האלקטרונים.
הולכת חשמל: בליתיום המוצק יש חלקיקים טעונים ניידים – האלקטרונים הערכיים, שאינם שייכים לאטום מסוים ויכולים לנוע בכל הסריג. כשמחברים את המתכת למקור מתח, האלקטרונים נעים בכיוון אחד (אל הקוטב החיובי) – נוצר זרם חשמלי. לכן ליתיום מוליך חשמל במצב מוצק, בטמפרטורת החדר.

סעיף ב

תשובה:

ליתיום מגיב עם מים בתגובה אקסותרמית שבה נפלט גז מימן דליק – יש סכנה של התחממות, לחץ גז ושרפה/פיצוץ, והליתיום היה מתכלה.

לפי התגובה הנתונה, ליתיום מתכתי מגיב עם מים:
•נוצר גז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ – גז דליק; הצטברותו בסוללה סגורה מעלה את הלחץ ועלולה לגרום לפיצוץ.
•התגובה אקסותרמית (ΔH0<0\Delta H^0 < 0ΔH0<0) – נפלט חום, הסוללה מתחממת, והחום עלול להצית את המימן.
•בנוסף, הליתיום היה מגיב ומתכלה (הופך ליוני Li+\text{Li}^{+}Li+), ולכן הסוללה לא הייתה מתפקדת.
לכן בסוללות ליתיום משתמשים בממסים שאינם מגיבים עם ליתיום – ממסים לא מימיים.

סעיף ג

תשובה:

C3H6O3\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3C3​H6​O3​

בייצוג המקוצר: כל קצה של קו וכל נקודת מפגש שאינם מסומנים הם אטומי פחמן, ולכל פחמן יש מספר אטומי מימן שמשלים ל־4 קשרים.
•שני אטומי פחמן של קבוצות מתיל (CH3\text{CH}_3CH3​) – 2 C, 6 H.
•אטום פחמן מרכזי קשור לשלושה אטומי חמצן (אחד בקשר כפול) – 1 C, 3 O.
CH3–O–CO–O–CH3\text{CH}_3\text{–O–CO–O–CH}_3CH3​–O–CO–O–CH3​ ⇐ הנוסחה המולקולרית: C3H6O3\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3C3​H6​O3​.

סעיף ד

תשובה:

מולקולות 1 ו־3.

איזומרים הם חומרים בעלי אותה נוסחה מולקולרית ונוסחאות מבנה שונות. הנוסחה המולקולרית של DMC היא C3H6O3\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3C3​H6​O3​.
- מולקולה 1 (חומצה 2־הידרוקסי־פרופאנואית, CH3–CH(OH)–COOH\text{CH}_3\text{–CH(OH)–COOH}CH3​–CH(OH)–COOH): 3 C, 6 H, 3 O ⇐ C3H6O3\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3C3​H6​O3​ – איזומר.
- מולקולה 2 (CH3–CO–COOH\text{CH}_3\text{–CO–COOH}CH3​–CO–COOH): 3 C, 4 H, 3 O ⇐ C3H4O3\text{C}_3\text{H}_4\text{O}_3C3​H4​O3​ – נוסחה מולקולרית שונה, לא איזומר.
- מולקולה 3 (HO–CH2–CO–CH2–OH\text{HO–CH}_2\text{–CO–CH}_2\text{–OH}HO–CH2​–CO–CH2​–OH): 3 C, 6 H, 3 O ⇐ C3H6O3\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3C3​H6​O3​ – איזומר.
למולקולות 1 ו־3 אותה נוסחה מולקולרית כמו ל־DMC, אך מבנה שונה (קבוצות פונקציונליות שונות), ולכן הן איזומרים של DMC.

סעיף ה

תשובה:

בין מולקולות המים יש קשרי מימן רבים; בין מולקולות DMC אין קשרי מימן (אין H הקשור ל־O), יש רק ואן דר ואלס ודו־קוטב–דו־קוטב, שבסך הכול חלשים יותר.

ברתיחה נחלשים/נשברים הכוחות בין המולקולות. ככל שהכוחות הבין־מולקולריים חזקים יותר, טמפרטורת הרתיחה גבוהה יותר.
- מים: כל מולקולה מכילה שני אטומי H הקשורים לאטום O (קשר O–H\text{O–H}O–H קוטבי מאוד) ושני זוגות אלקטרונים לא קושרים על החמצן – בין המולקולות נוצרים קשרי מימן רבים (עד 4 לכל מולקולה), בנוסף לכוחות ואן דר ואלס.
- DMC: כל אטומי המימן קשורים לאטומי פחמן; אין במולקולה קשר O–H\text{O–H}O–H או N–H\text{N–H}N–H, ולכן לא נוצרים קשרי מימן בין מולקולות DMC. בין המולקולות פועלים כוחות ואן דר ואלס ואינטראקציות דו־קוטב–דו־קוטב.
אף שענן האלקטרונים של DMC גדול יותר (כוחות ואן דר ואלס חזקים יותר), קשרי המימן הרבים בין מולקולות המים חזקים יותר מסך הכוחות בין מולקולות DMC. לכן צריך פחות אנרגיה כדי להפריד מולקולות DMC זו מזו, וטמפרטורת הרתיחה של DMC נמוכה מזו של מים.

סעיף ו

(i)

תשובה:

בין מולקולות DMC למולקולות המים נוצרים קשרי מימן (אטומי O של DMC עם אטומי H של מים) וכוחות דו־קוטב, הדומים בחוזקם לכוחות שנשברו.

בהמסה נשברים חלק מקשרי המימן בין מולקולות המים וחלק מהכוחות בין מולקולות DMC, ונוצרים כוחות חדשים בין מולקולות DMC למולקולות המים.
למולקולת DMC שלושה אטומי חמצן בעלי זוגות אלקטרונים לא קושרים ומטען חלקי שלילי. אטומי המימן של מולקולות המים (הקשורים לחמצן, δ+\delta^+δ+) יוצרים קשרי מימן עם אטומי החמצן של DMC. בנוסף פועלים בין המולקולות כוחות דו־קוטב–דו־קוטב (DMC מכיל קשרים קוטביים C=O\text{C=O}C=O, C–O\text{C–O}C–O) וכוחות ואן דר ואלס. החלק הלא־קוטבי של המולקולה קטן (שתי קבוצות מתיל בלבד).
האנרגיה המשתחררת ביצירת הקשרים החדשים בין DMC למים מפצה על האנרגיה הדרושה לשבירת הקשרים שנשברו, ולכן DMC מתמוסס במים.

(ii)

תשובה:

C≈1.54 MC \approx 1.54\ \text{M}C≈1.54 M

Mw(C3H6O3)=3⋅12.0+6⋅1.0+3⋅16.0=90.0 gmolM_w(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3) = 3 \cdot 12.0 + 6 \cdot 1.0 + 3 \cdot 16.0 = 90.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}Mw​(C3​H6​O3​)=3⋅12.0+6⋅1.0+3⋅16.0=90.0 molg​
n=mMw=139 g90.0 gmol=1.544 moln = \frac{m}{M_w} = \frac{139\ \text{g}}{90.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 1.544\ \text{mol}n=Mw​m​=90.0 molg​139 g​=1.544 mol
C=nV=1.544 mol1 L=1.54 molLC = \frac{n}{V} = \frac{1.544\ \text{mol}}{1\ \text{L}} = 1.54\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}C=Vn​=1 L1.544 mol​=1.54 Lmol​

סעיף ז

תשובה:

[Li]+[\text{Li}]^{+}[Li]+ (ללא אלקטרונים ערכיים) ; [O]2−[\text{O}]^{2-}[O]2− עם 8 אלקטרונים ערכיים (4 זוגות) סביב החמצן, בתוך סוגריים מרובעים.

- יון ליתיום, Li+\text{Li}^{+}Li+: לאטום ליתיום (היערכות 2,1) אלקטרון ערכי אחד; הוא מוסר אותו ונשאר עם הקליפה הפנימית (2). בנוסחת ייצוג האלקטרונים (נוסחת לואיס) מציינים רק אלקטרונים ערכיים, ולכן היון נכתב ללא נקודות: Li+\text{Li}^{+}Li+ (או [Li]+[\text{Li}]^{+}[Li]+).
- יון חמצן (תחמוצת), O2−\text{O}^{2-}O2−: לאטום חמצן (2,6) שישה אלקטרונים ערכיים; הוא קולט שני אלקטרונים ומגיע להיערכות 2,8. בנוסחת הייצוג מקיפים את הסמל O בארבעה זוגות אלקטרונים (8 נקודות או 4 קווים – זוג מכל צד), שמים את הכול בסוגריים מרובעים ורושמים את המטען 2−2-2− מחוץ לסוגריים: [O]2−[\text{O}]^{2-}[O]2−, כאשר בתוך הסוגריים סביב O יש 8 נקודות (4 זוגות).
טעות נפוצה: לשכוח את הסוגריים והמטען ביון השלילי, או לצייר נקודה סביב יון הליתיום.

שאלה 11 · חמאת קקאו: חומצות שומן, טריגליצרידים וקפאין

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

רוב השאלה עוסקת בכימיה של מזון (חומצות שומן, רישום מקוצר, cis, טריגליצרידים) – פרק שהוצא מהמיקוד בתשפ"ז. סעיפים ח, ט (המסה, חישוב ריכוז) בתוך המיקוד.

חומצות שומן, מבנה וקישור, חישובים
בפולי קקאו יש חמאת קקאו ומוצקי קקאו. חמאת קקאו מכילה שומן. מוצקי קקאו מכילים חומרים שאינם שומן.
לאחר טיפול מתאים בפולי הקקאו מייצרים מהם שוקולד.
שוקולד הוא תערובת של חמאת קקאו ומוצקי קקאו ומרכיבים אחרים כמו סוכר וחומרי טעם במינונים שונים.
בחמאת קקאו יש טריגליצרידים שמורכבים בעיקר משלוש חומצות השומן שמוצגות בטבלה 1:
טבלה 1 (חומצה פלמיטית – P ; חומצה סטארית – S ; חומצה אולאית – O)

א.

כתבו רישום מקוצר של כל אחת מחומצות השומן שמוצגות בטבלה 1.

ב.

טמפרטורת ההיתוך של חומצה פלמיטית נמוכה מטמפרטורת ההיתוך של חומצה סטארית. מהו הגורם לכך?

ג.

חמאת קקאו מכילה חומצות שומן נוספות בכמויות קטנות, ובהן חומצות השומן שרשומות בטבלה 2:
חומצת שומןרישום מקוצר של חומצת השומן
חומצה מיריסטיתC14:0
חומצה לינולאיתC18:2ω6 cis, cis
חומצה לינולניתC18:3ω3 cis, cis, cis
חומצה ארכידיתC20:0
טבלה 2
רשמו ייצוג מקוצר של נוסחאות מבנה של חומצות השומן הלא־רוויות שרשומות בטבלה 2.

חומצת שומן	רישום מקוצר של חומצת השומן
חומצה מיריסטית	C14:0
חומצה לינולאית	C18:2ω6 cis, cis
חומצה לינולנית	C18:3ω3 cis, cis, cis
חומצה ארכידית	C20:0

ד.

טמפרטורת ההיתוך של חומצה אולאית גבוהה מטמפרטורת ההיתוך של חומצה לינולאית. מהו הגורם לכך?

ה.

חומצת שומן נוספת בחמאת הקקאו היא חומצה פלמיטולאית. הרישום המקוצר של חומצה זו הוא C16:1ω7 cis .
רשמו ייצוג מלא של נוסחת המבנה של מולקולת חומצה פלמיטולאית.

ו.

הסמלים של הטריגליצרידים בחמאת קקאו הם: POS\text{POS}POS , SOS\text{SOS}SOS , POP\text{POP}POP .
לפניכם ייצוג מקוצר לנוסח המבנה של מולקולת טריגליצריד:
בחרו את הסמל המתאים לייצוג המקוצר של נוסחת המבנה הנתונה.

ז.

לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה של שלוש מולקולות:
איזה ייצוג מקוצר משלושת הייצוגים האלה מתאים לייצוג המקוצר של נוסחת המבנה של מולקולת הגליצרול?

ח.

מוצקי הקקאו שבשוקולד מכילים, בין השאר, את החומרים הממריצים תאוברומין וקפאין.
לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחאות המבנה של מולקולת תאוברומין, C7H8N4O2\text{C}_7\text{H}_8\text{N}_4\text{O}_2C7​H8​N4​O2​ , ומולקולת קפאין, C8H10N4O2\text{C}_8\text{H}_{10}\text{N}_4\text{O}_2C8​H10​N4​O2​ .
הסבירו מדוע החומרים תאוברומין וקפאין מתמוססים בחמאת קקאו.

ט.

לפניכם נתונים על ריכוז קפאין במשקאות שונים.
רצוי לצרוך לא יותר מ־ 400 מיליגרם קפאין ביום. תלמיד שתה 4 פחיות משקה אנרגייה ביום אחד.
נתונים: 1×10−3 M=1 mM1 \times 10^{-3}\ \text{M} = 1\ \text{mM}1×10−3 M=1 mM ; 1 מיליגרם =1×10−3= 1 \times 10^{-3}=1×10−3 גרם ; MwM_wMw​ (קפאין) =194 grammol= 194\ \frac{\text{gram}}{\text{mol}}=194 molgram​ ; נפח פחית = 330 מ"ל

(i)

מהי מסת הקפאין בפחית אחת של משקה אנרגייה? פרטו את חישוביכם.

(ii)

קבעו אם התלמיד עבר את צריכת הקפאין היומית המומלצת (בהנחה שמשקה זה היה מקור הקפאין היחיד). פרטו את חישוביכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

תשובה:

P: C16:0 ; S: C18:0 ; O: C18:1ω9 cis

רישום מקוצר: C (מספר אטומי הפחמן) : (מספר הקשרים הכפולים), ו־ω (מיקום הקשר הכפול הראשון מקצה המתיל) ואיזומריה cis/trans.
- חומצה פלמיטית (P): 16 אטומי פחמן, ללא קשרים כפולים ⇐ C16:0
- חומצה סטארית (S): 18 אטומי פחמן, ללא קשרים כפולים ⇐ C18:0
- חומצה אולאית (O): 18 אטומי פחמן, קשר כפול אחד במבנה cis; הקשר הכפול מתחיל בפחמן התשיעי מקצה המתיל ⇐ C18:1ω9 cis

סעיף ב

תשובה:

השרשרת של חומצה פלמיטית קצרה יותר (16 C לעומת 18 C) ⇐ ענן אלקטרונים קטן יותר ⇐ כוחות ואן דר ואלס חלשים יותר.

שתי החומצות רוויות ובעלות אותה קבוצה פונקציונלית (קרבוקסיל), ולכן קשרי המימן ביניהן דומים. ההבדל הוא באורך השרשרת הפחמימנית: לחומצה פלמיטית 16 אטומי פחמן ולחומצה סטארית 18.
הגורם: גודל ענן האלקטרונים. במולקולת חומצה פלמיטית ענן האלקטרונים קטן יותר ושטח המגע בין המולקולות קטן יותר, ולכן כוחות ואן דר ואלס בין מולקולותיה חלשים יותר. נדרשת פחות אנרגיה כדי להחליש אותם בהיתוך – וטמפרטורת ההיתוך נמוכה יותר.

סעיף ג

תשובה:

לינולאית: CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH\text{CH}_3(\text{CH}_2)_4\text{CH=CHCH}_2\text{CH=CH}(\text{CH}_2)_7\text{COOH}CH3​(CH2​)4​CH=CHCH2​CH=CH(CH2​)7​COOH (שני קשרים כפולים cis). לינולנית: CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH=CHCH}_2\text{CH=CHCH}_2\text{CH=CH}(\text{CH}_2)_7\text{COOH}CH3​CH2​CH=CHCH2​CH=CHCH2​CH=CH(CH2​)7​COOH (שלושה קשרים כפולים cis). – ייצוג הזיגזג מצויר בפתרון.

חומצות השומן הלא־רוויות בטבלה 2 הן אלה שיש בהן קשרים כפולים: חומצה לינולאית וחומצה לינולנית.
חומצה לינולאית, C18:2ω6 cis, cis: 18 אטומי פחמן, שני קשרים כפולים; הראשון מתחיל בפחמן 6 מקצה המתיל (ω6), והשני – שלושה פחמנים אחריו (קשרים כפולים בחומצות שומן טבעיות מופרדים בקבוצת CH2\text{CH}_2CH2​ אחת). ספירה מפחמן הקרבוקסיל: קשרים כפולים בין פחמנים 9–10 ו־12–13.
CH3–(CH2)4–CH=CH–CH2–CH=CH–(CH2)7–COOH\text{CH}_3\text{–}(\text{CH}_2)_4\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH=CH–}(\text{CH}_2)_7\text{–COOH}CH3​–(CH2​)4​–CH=CH–CH2​–CH=CH–(CH2​)7​–COOH
בייצוג המקוצר (קו זיגזג): שרשרת של 18 פחמנים שבקצה אחד קבוצת COOH\text{COOH}COOH (פחמן עם =O ו־OH), ושני קשרים כפולים במבנה cis (שני חלקי השרשרת באותו צד של כל קשר כפול – "כיפוף" בשרשרת).
חומצה לינולנית, C18:3ω3 cis, cis, cis: 18 אטומי פחמן, שלושה קשרים כפולים; הראשון מתחיל בפחמן 3 מקצה המתיל (ω3). ספירה מפחמן הקרבוקסיל: קשרים כפולים בין פחמנים 9–10, 12–13 ו־15–16.
CH3–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH–CH2–CH=CH–(CH2)7–COOH\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH=CH–}(\text{CH}_2)_7\text{–COOH}CH3​–CH2​–CH=CH–CH2​–CH=CH–CH2​–CH=CH–(CH2​)7​–COOH
בייצוג המקוצר: שרשרת זיגזג של 18 פחמנים עם קבוצת COOH\text{COOH}COOH בקצה, ושלושה קשרים כפולים במבנה cis.
הייצוג המקוצר של שתי החומצות (שרשרת זיגזג; כל קצה וכל נקודת מפגש הם אטום פחמן; הקשרים הכפולים במבנה cis):
(החומצות המיריסטית C14:0 והארכידית C20:0 רוויות – אין בהן קשרים כפולים.)

סעיף ד

תשובה:

מספר הקשרים הכפולים מסוג cis: בחומצה האולאית קשר כפול cis אחד ובלינולאית שניים ⇐ פחות כיפופים ⇐ המולקולות נצמדות טוב יותר ⇐ כוחות ואן דר ואלס חזקים יותר.

לשתי החומצות 18 אטומי פחמן (ענן אלקטרונים דומה). ההבדל הוא במספר הקשרים הכפולים מסוג cis: בחומצה אולאית – אחד, ובחומצה לינולאית – שניים.
כל קשר כפול cis יוצר "כיפוף" בשרשרת. בחומצה לינולאית יש שני כיפופים, ולכן המולקולות אינן יכולות להתקרב ולהיצמד זו לזו כמו מולקולות החומצה האולאית; שטח המגע בין המולקולות קטן יותר וכוחות ואן דר ואלס חלשים יותר. לכן טמפרטורת ההיתוך של החומצה הלינולאית נמוכה יותר, ושל החומצה האולאית – גבוהה יותר.

סעיף ה

תשובה:

CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH\text{CH}_3(\text{CH}_2)_5\text{CH=CH}(\text{CH}_2)_7\text{COOH}CH3​(CH2​)5​CH=CH(CH2​)7​COOH בייצוג מלא – כל האטומים וכל הקשרים, הקשר הכפול בין פחמנים 9–10 (מקצה הקרבוקסיל) במבנה cis.

C16:1ω7 cis: 16 אטומי פחמן, קשר כפול אחד; הקשר הכפול מתחיל בפחמן 7 מקצה המתיל (כלומר בין פחמנים 9 ו־10 בספירה מפחמן הקרבוקסיל), במבנה cis.
נוסחה מקוצרת: CH3–(CH2)5–CH=CH–(CH2)7–COOH\text{CH}_3\text{–}(\text{CH}_2)_5\text{–CH=CH–}(\text{CH}_2)_7\text{–COOH}CH3​–(CH2​)5​–CH=CH–(CH2​)7​–COOH ; נוסחה מולקולרית C16H30O2\text{C}_{16}\text{H}_{30}\text{O}_2C16​H30​O2​.
בייצוג מלא מציירים כל אטום וכל קשר:
•בקצה אחד: קבוצת מתיל – פחמן הקשור לשלושה אטומי H.
•אחריה 5 קבוצות CH2\text{CH}_2CH2​ (כל פחמן קשור לשני אטומי H בקשרים יחידים).
•שני פחמנים הקשורים ביניהם בקשר כפול, לכל אחד אטום H אחד; במבנה cis שני אטומי ה־H באותו צד של הקשר הכפול (ושני חלקי השרשרת באותו צד).
- 7 קבוצות CH2\text{CH}_2CH2​ נוספות.
•בקצה השני: קבוצת קרבוקסיל – פחמן הקשור בקשר כפול לאטום O ובקשר יחיד לאטום O שקשור לאטום H.
(בציור: שני אטומי ה־H שעל פחמני הקשר הכפול נמצאים באותו צד – מבנה cis.)

סעיף ו

תשובה:

POS

בטריגליצריד שלוש חומצות שומן קשורות בקשרי אסטר לשלוש קבוצות ה־OH של הגליצרול. בייצוג הנתון:
•השרשרת העליונה: 16 אטומי פחמן (כולל פחמן הקרבוניל), ללא קשרים כפולים – חומצה פלמיטית, P.
•השרשרת האמצעית: 18 אטומי פחמן עם קשר כפול cis אחד – חומצה אולאית, O.
•השרשרת התחתונה: 18 אטומי פחמן, ללא קשרים כפולים – חומצה סטארית, S.
לפי הסדר על שלד הגליצרול: P–O–S ⇐ הסמל POS. (ב־SOS ו־POP השרשראות בשני הקצוות זהות, ואילו כאן הן שונות באורכן.)

סעיף ז

תשובה:

ייצוג 1

גליצרול (פרופאן־1,2,3־טריאול, HOCH2–CHOH–CH2OH\text{HOCH}_2\text{–CHOH–CH}_2\text{OH}HOCH2​–CHOH–CH2​OH) הוא שרשרת של שלושה אטומי פחמן, וכל אחד מהם קשור לקבוצת הידרוקסיל (OH). זה ייצוג 1.
•ייצוג 2 – שלוש קבוצות קרבוקסיל (חומצה טריקרבוקסילית), לא גליצרול.
•ייצוג 3 – טריאסטר של גליצרול עם חומצה מתאנואית (פורמית), כלומר "טריגליצריד" ולא גליצרול עצמו.

סעיף ח

תשובה:

בין מולקולות תאוברומין/קפאין לבין מולקולות הטריגליצרידים נוצרים כוחות ואן דר ואלס ואינטראקציות דו־קוטב (ולתאוברומין גם קשר מימן עם אטומי O של קבוצות האסטר), הדומים בחוזקם לכוחות שנשברים.

חמאת קקאו מורכבת מטריגליצרידים: מולקולות גדולות בעלות שרשראות פחמימניות ארוכות (לא קוטביות) ושלוש קבוצות אסטר קוטביות.
מולקולות תאוברומין וקפאין בנויות משתי טבעות עם קשרים קוטביים (C=O\text{C=O}C=O, C–N\text{C–N}C–N) ואינן מכילות קבוצות OH; לקפאין אין בכלל אטום H הקשור ל־N או ל־O, ולתאוברומין יש קשר N–H\text{N–H}N–H אחד בלבד. לכן הכוחות בין מולקולות החומר עצמו אינם כוללים רשת קשרי מימן רחבה (בקפאין אין קשרי מימן כלל).
בהמסה בחמאת קקאו נוצרים כוחות בין מולקולות החומר לבין מולקולות הטריגליצרידים:
- כוחות ואן דר ואלס בין ענני האלקטרונים של המולקולות (ענן האלקטרונים של הטריגליצרידים גדול מאוד);
- אינטראקציות דו־קוטב–דו־קוטב בין הקשרים הקוטביים בתאוברומין/קפאין לבין קבוצות האסטר הקוטביות בטריגליצריד;
•בתאוברומין גם קשר מימן בין אטום ה־H של הקשר N–H\text{N–H}N–H לבין אטום חמצן של קבוצת אסטר.
הכוחות החדשים דומים בחוזקם לכוחות שנשברו בין מולקולות החומר ובין מולקולות השומן, ולכן החומרים מתמוססים בחמאת הקקאו.

סעיף ט

(i)

תשובה:

כ־102 mg102\ \text{mg}102 mg (0.102 גרם)

לפי הגרף, ריכוז הקפאין במשקה אנרגיה: 1.6 mM=1.6×10−3 molL1.6\ \text{mM} = 1.6 \times 10^{-3}\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}1.6 mM=1.6×10−3 Lmol​
V=330 mL=0.330 LV = 330\ \text{mL} = 0.330\ \text{L}V=330 mL=0.330 L
n=C⋅V=1.6×10−3 molL⋅0.330 L=5.28×10−4 moln = C \cdot V = 1.6 \times 10^{-3}\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.330\ \text{L} = 5.28 \times 10^{-4}\ \text{mol}n=C⋅V=1.6×10−3 Lmol​⋅0.330 L=5.28×10−4 mol
m=n⋅Mw=5.28×10−4 mol⋅194 gmol=0.1024 g=102.4 mgm = n \cdot M_w = 5.28 \times 10^{-4}\ \text{mol} \cdot 194\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 0.1024\ \text{g} = 102.4\ \text{mg}m=n⋅Mw​=5.28×10−4 mol⋅194 molg​=0.1024 g=102.4 mg
בפחית אחת יש כ־102 מ"ג קפאין.

(ii)

תשובה:

כן: 4⋅102.4=409.7 mg>400 mg4 \cdot 102.4 = 409.7\ \text{mg} > 400\ \text{mg}4⋅102.4=409.7 mg>400 mg

מסת הקפאין הכוללת: m=4⋅102.4 mg=409.7 mgm = 4 \cdot 102.4\ \text{mg} = 409.7\ \text{mg}m=4⋅102.4 mg=409.7 mg
409.7 mg>400 mg409.7\ \text{mg} > 400\ \text{mg}409.7 mg>400 mg ⇐ התלמיד עבר (במעט) את צריכת הקפאין היומית המומלצת.

שאלה 12 · חומצות חזקות, סתירה ומיהול

שאלה פתוחה

חומצות ובסיסים
לפניכם 3 כוסות כימיות שכל אחת מהן מכילה תמיסה אחרת.
(כוס 1: 100 מ"ל 0.01M HCl(aq)0.01\text{M}\ \text{HCl}_{(aq)}0.01M HCl(aq)​ ; כוס 2: 100 מ"ל 0.01M HNO3(aq)0.01\text{M}\ \text{HNO}_{3(aq)}0.01M HNO3(aq)​ ; כוס 3: 100 מ"ל 0.01M HBr(aq)0.01\text{M}\ \text{HBr}_{(aq)}0.01M HBr(aq)​)
בכל אחת מן התמיסות טבלו נייר לקמוס ורוד וגם נייר לקמוס כחול. כמו כן, בדקו בכל אחת מן התמיסות את ערך ה־ pH ואת המוליכות החשמלית.
בכל אחת מן הכוסות נמצא כי:
• הצבע של שני ניירות הלקמוס בתמיסה הוא ורוד.
• ערך ה־ pH של התמיסה הוא 2 .
• התמיסה מוליכה חשמל.
נתון: בטבלה שלפניכם מצוין הצבע של ניירות לקמוס שנטבלו בתמיסות שונות.
בתמיסה חומציתבתמיסה ניטרליתבתמיסה בסיסית
נייר לקמוס ורודאין שינויאין שינוימשנה גוון לכחול
נייר לקמוס כחולמשנה גוון לוורודאין שינויאין שינוי

	בתמיסה חומצית	בתמיסה ניטרלית	בתמיסה בסיסית
נייר לקמוס ורוד	אין שינוי	אין שינוי	משנה גוון לכחול
נייר לקמוס כחול	משנה גוון לוורוד	אין שינוי	אין שינוי

א.

(i)

ציינו את כל סוגי החלקיקים שנמצאים בכל אחת מן התמיסות בכוסות 1–3.

(ii)

מדוע כל אחת מן התמיסות מוליכה חשמל?

(iii)

מדוע ערך ה־ pH זהה בכל הכוסות?

ב.

לכל אחת מן הכוסות הוסיפו תמיסת נתרן הידרוקסידי, NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​ , בנפחים ובריכוזים שונים, כמפורט לפניכם.
לכוס 1 – הוסיפו 50 מ"ל תמיסת NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​ בריכוז 0.02M0.02\text{M}0.02M .
לכוס 2 – הוסיפו 50 מ"ל תמיסת NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​ בריכוז 0.01M0.01\text{M}0.01M .
לכוס 3 – הוסיפו 100 מ"ל תמיסת NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​ בריכוז 0.02M0.02\text{M}0.02M .
לאחר ההוספה, התקבלה תמיסה צלולה בכל אחת מן הכוסות.
בכל אחת מן הכוסות טבלו נייר לקמוס ורוד.

(i)

רשמו ניסוח נטו של התגובה שהתרחשה בכל אחת מן הכוסות.

(ii)

באיזו מן הכוסות נראה שינוי בצבע של נייר הלקמוס? פרטו את חישוביכם.

(iii)

קבעו אם ה־ pH היה קטן מ־ 7 , שווה ל־ 7 או גדול מ־ 7 בכל אחת מן הכוסות לאחר ההוספה של תמיסת נתרן הידרוקסידי.

ג.

נערכו שני ניסויים

(i)

ניסוי 1
מדדו את ה־ pH של 100 מ"ל תמיסת H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ בריכוז 0.2M0.2\text{M}0.2M .
לתמיסה זו הוסיפו 100 מ"ל תמיסת HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​ בריכוז 0.2M0.2\text{M}0.2M וערבבו את שתי התמיסות.
בתום הערבוב בדקו שוב את ה־ pH .
קבעו אם בתום הערבוב ה־ pH גבוה מן ה־ pH ההתחלתי, נמוך ממנו או שווה לו. נמקו או פרטו את חישוביכם.

(ii)

ניסוי 2
מדדו את ה־ pH של 100 מ"ל תמיסת HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​ בריכוז 0.1M0.1\text{M}0.1M .
לתמיסה זו הוסיפו 100 מ"ל תמיסת NaCl(aq)\text{NaCl}_{(aq)}NaCl(aq)​ בריכוז 0.1M0.1\text{M}0.1M וערבבו את שתי התמיסות.
בתום הערבוב בדקו שוב את ה־ pH .
קבעו אם בתום הערבוב ה־ pH גבוה מן ה־ pH ההתחלתי, נמוך ממנו או שווה לו. נמקו או פרטו את חישוביכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 12

סעיף א

(i)

תשובה:

כוס 1: H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, Cl−\text{Cl}^{-}Cl−, H2O\text{H}_2\text{O}H2​O; כוס 2: H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, NO3−\text{NO}_3^{-}NO3−​, H2O\text{H}_2\text{O}H2​O; כוס 3: H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, Br−\text{Br}^{-}Br−, H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.

שלוש החומצות הן חומצות חזקות: כל המולקולות מגיבות עם המים (יינון מלא), ולכן בתמיסה אין מולקולות חומצה שלמות:
•כוס 1: HCl(g)+H2O(l)→H3O(aq)++Cl(aq)−\text{HCl}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{Cl}^{-}_{(aq)}HCl(g)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+Cl(aq)−​ ⇐ חלקיקים: יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​, יוני Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​, מולקולות H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​.
•כוס 2: HNO3(l)+H2O(l)→H3O(aq)++NO3−(aq)\text{HNO}_{3(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}HNO3(l)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+NO3−​(aq)​ ⇐ יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, יוני NO3−\text{NO}_3^{-}NO3−​, מולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
•כוס 3: HBr(g)+H2O(l)→H3O(aq)++Br(aq)−\text{HBr}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)}HBr(g)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+Br(aq)−​ ⇐ יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, יוני Br−\text{Br}^{-}Br−, מולקולות H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
(בכל תמיסה מימית יש גם כמות זעירה של יוני OH−\text{OH}^{-}OH−.)

(ii)

תשובה:

בכל תמיסה יש יונים ניידים (H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ ואניונים) שנוצרו בתגובת החומצה עם המים.

מוליכות חשמלית בתמיסה דורשת חלקיקים טעונים ניידים. בכל אחת מהתמיסות, החומצה (חומר מולקולרי) הגיבה עם המים ונוצרו יונים: יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ ואניונים (Cl−\text{Cl}^{-}Cl−, NO3−\text{NO}_3^{-}NO3−​ או Br−\text{Br}^{-}Br−). היונים מוקפים מולקולות מים וחופשיים לנוע בתמיסה; כשמחברים מקור מתח הם נעים לעבר האלקטרודות בעלות המטען ההפוך – ולכן התמיסה מוליכה חשמל.

(iii)

תשובה:

כל החומצות חזקות וחד־פרוטיות, באותו ריכוז (0.01 M0.01\ \text{M}0.01 M) ⇐ בכולן [H3O+]=0.01 M[\text{H}_3\text{O}^{+}] = 0.01\ \text{M}[H3​O+]=0.01 M ⇐ pH=2\text{pH} = 2pH=2.

ה־pH נקבע לפי ריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ בתמיסה.
•שלוש החומצות הן חומצות חזקות – מגיבות עם המים במלואן.
•כל מולקולת חומצה מוסרת פרוטון אחד (חומצה חד־פרוטית), כך שכל מול חומצה יוצר מול אחד של H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+.
- ריכוז החומצה זהה בשלוש הכוסות: 0.01 M0.01\ \text{M}0.01 M.
לכן בכל הכוסות [H3O+]=0.01 M=10−2 M[\text{H}_3\text{O}^{+}] = 0.01\ \text{M} = 10^{-2}\ \text{M}[H3​O+]=0.01 M=10−2 M, ו־pH=2\text{pH} = 2pH=2 בכולן.

סעיף ב

(i)

תשובה:

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

בכל הכוסות מתרחשת תגובת סתירה בין יוני ההידרוניום של החומצה החזקה ליוני ההידרוקסיד של הבסיס. יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ והאניונים (Cl−\text{Cl}^{-}Cl−, NO3−\text{NO}_3^{-}NO3−​, Br−\text{Br}^{-}Br−) אינם משתתפים (יונים צופים), ולכן הניסוח נטו זהה בשלוש הכוסות:
H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(l)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}H3​O(aq)+​+OH(aq)−​→2H2​O(l)​

(ii)

תשובה:

רק בכוס 3 (עודף OH−\text{OH}^{-}OH− – התמיסה בסיסית והלקמוס הוורוד הופך לכחול).

נייר לקמוס ורוד משנה צבע (לכחול) רק בתמיסה בסיסית, כלומר רק אם נשאר עודף של OH−\text{OH}^{-}OH−.
מספר מולי H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ בכל כוס (זהה): n=C⋅V=0.01 molL⋅0.100 L=1×10−3 moln = C \cdot V = 0.01\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.100\ \text{L} = 1 \times 10^{-3}\ \text{mol}n=C⋅V=0.01 Lmol​⋅0.100 L=1×10−3 mol
מספר מולי OH−\text{OH}^{-}OH− שהוספו (NaOH\text{NaOH}NaOH בסיס חזק, יחס 1:1):
•כוס 1: 0.02 molL⋅0.050 L=1×10−3 mol0.02\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.050\ \text{L} = 1 \times 10^{-3}\ \text{mol}0.02 Lmol​⋅0.050 L=1×10−3 mol ⇐ שווה ל־H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ – סתירה מלאה, תמיסה ניטרלית.
•כוס 2: 0.01 molL⋅0.050 L=5×10−4 mol0.01\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.050\ \text{L} = 5 \times 10^{-4}\ \text{mol}0.01 Lmol​⋅0.050 L=5×10−4 mol ⇐ נשאר עודף H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+: 1×10−3−5×10−4=5×10−4 mol1 \times 10^{-3} - 5 \times 10^{-4} = 5 \times 10^{-4}\ \text{mol}1×10−3−5×10−4=5×10−4 mol – תמיסה חומצית.
•כוס 3: 0.02 molL⋅0.100 L=2×10−3 mol0.02\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.100\ \text{L} = 2 \times 10^{-3}\ \text{mol}0.02 Lmol​⋅0.100 L=2×10−3 mol ⇐ נשאר עודף OH−\text{OH}^{-}OH−: 2×10−3−1×10−3=1×10−3 mol2 \times 10^{-3} - 1 \times 10^{-3} = 1 \times 10^{-3}\ \text{mol}2×10−3−1×10−3=1×10−3 mol – תמיסה בסיסית.
לפי הטבלה, נייר לקמוס ורוד משנה גוון לכחול רק בתמיסה בסיסית ⇐ שינוי צבע רק בכוס 3.

(iii)

תשובה:

כוס 1: pH = 7 ; כוס 2: pH < 7 ; כוס 3: pH > 7

לפי החישוב בתת־סעיף ii:
- כוס 1: מספר מולי OH−\text{OH}^{-}OH− שווה למספר מולי H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ – סתירה מלאה, התמיסה ניטרלית (מכילה Na+\text{Na}^{+}Na+ ו־Cl−\text{Cl}^{-}Cl− שאינם משפיעים על ה־pH) ⇐ pH=7\text{pH} = 7pH=7.
- כוס 2: נשאר עודף H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ ⇐ התמיסה חומצית ⇐ pH<7\text{pH} < 7pH<7.
- כוס 3: נשאר עודף OH−\text{OH}^{-}OH− ⇐ התמיסה בסיסית ⇐ pH>7\text{pH} > 7pH>7.

סעיף ג

(i)

תשובה:

גבוה מה־pH ההתחלתי: [H3O+][\text{H}_3\text{O}^{+}][H3​O+] ירד מ־0.4 M0.4\ \text{M}0.4 M ל־0.3 M0.3\ \text{M}0.3 M.

חומצה גופרתית היא חומצה חזקה דו־פרוטית: H2SO4(l)+2H2O(l)→2H3O(aq)++SO42−(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}H2​SO4(l)​+2H2​O(l)​→2H3​O(aq)+​+SO42−​(aq)​
לפני הערבוב: [H3O+]=2⋅0.2 M=0.4 M[\text{H}_3\text{O}^{+}] = 2 \cdot 0.2\ \text{M} = 0.4\ \text{M}[H3​O+]=2⋅0.2 M=0.4 M
nH3O+=0.4 molL⋅0.100 L=0.04 moln_{\text{H}_3\text{O}^+} = 0.4\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.100\ \text{L} = 0.04\ \text{mol}nH3​O+​=0.4 Lmol​⋅0.100 L=0.04 mol
HCl (חזקה, חד־פרוטית): nH3O+=0.2 molL⋅0.100 L=0.02 moln_{\text{H}_3\text{O}^+} = 0.2\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.100\ \text{L} = 0.02\ \text{mol}nH3​O+​=0.2 Lmol​⋅0.100 L=0.02 mol
אחרי הערבוב: [H3O+]=0.04 mol+0.02 mol0.200 L=0.3 M[\text{H}_3\text{O}^{+}] = \frac{0.04\ \text{mol} + 0.02\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}} = 0.3\ \text{M}[H3​O+]=0.200 L0.04 mol+0.02 mol​=0.3 M
ריכוז יוני ההידרוניום ירד מ־0.4 M0.4\ \text{M}0.4 M ל־0.3 M0.3\ \text{M}0.3 M, ולכן ה־pH עלה – בתום הערבוב ה־pH גבוה מה־pH ההתחלתי (מ־0.40 ל־0.52 בקירוב).
נימוק במילים: ריכוז H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ בתמיסת HCl שהוספה (0.2 M0.2\ \text{M}0.2 M) נמוך מריכוזו בתמיסת החומצה הגופרתית (0.4 M0.4\ \text{M}0.4 M), ולכן הערבוב מקטין את ריכוז H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+.
טעות נפוצה: להניח שה־pH לא משתנה כי לשתי החומצות "אותו ריכוז" – יש להתחשב בכך ש־H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ דו־פרוטית.

(ii)

תשובה:

גבוה מה־pH ההתחלתי: [H3O+][\text{H}_3\text{O}^{+}][H3​O+] ירד מ־0.1 M0.1\ \text{M}0.1 M ל־0.05 M0.05\ \text{M}0.05 M (pH מ־1 ל־1.3).

תמיסת NaCl\text{NaCl}NaCl ניטרלית: יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ו־Cl−\text{Cl}^{-}Cl− אינם מגיבים עם H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ ואינם מוסיפים יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+. לכן ההוספה רק מוהלת את החומצה.
לפני: [H3O+]=0.1 M[\text{H}_3\text{O}^{+}] = 0.1\ \text{M}[H3​O+]=0.1 M ⇐ pH=1\text{pH} = 1pH=1
nH3O+=0.1 molL⋅0.100 L=0.01 moln_{\text{H}_3\text{O}^+} = 0.1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.100\ \text{L} = 0.01\ \text{mol}nH3​O+​=0.1 Lmol​⋅0.100 L=0.01 mol
אחרי: [H3O+]=0.01 mol0.200 L=0.05 M[\text{H}_3\text{O}^{+}] = \frac{0.01\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}} = 0.05\ \text{M}[H3​O+]=0.200 L0.01 mol​=0.05 M ⇐ pH≈1.3\text{pH} \approx 1.3pH≈1.3
ריכוז יוני ההידרוניום קטן, ולכן ה־pH עלה – בתום הערבוב ה־pH גבוה מה־pH ההתחלתי.
טעות נפוצה: לחשוב שכיוון ש־NaCl ניטרלי ה־pH לא משתנה – הנפח גדל והחומצה נמהלת.

שאלה 13 · הפקת טיטניום וסגסוגותיו

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף ב (השוואת כושר החיזור של שתי מתכות – פעילות יחסית של מתכות) מחוץ למיקוד תשפ"ז; גם סעיף ד עוסק בסגסוגת (סוגי החלקיקים בסגסוגת), וסגסוגות מסומנות X במיקוד תשפ"ז – החישוב בתת־סעיף ii כשלעצמו בתוך המיקוד. שאר הסעיפים בתוך המיקוד.

חמצון־חיזור, מבנה וקישור וחישובים
השאלה עוסקת במתכת טיטניום, Ti(s)\text{Ti}_{(s)}Ti(s)​ , ובסגסוגות שלה. למתכת זו ולסגסוגות שלה יש שימושים רבים בתעשייה, בין היתר בתעשיית התעופה והחלל.
להפקת טיטניום משתמשים במחצבים שמכילים טיטניום חמצני, TiO2(s)\text{TiO}_{2(s)}TiO2(s)​ .
הפקת המתכת טיטניום מתבצעת בשני שלבים:
שלב ראשון
בשלב זה טיטניום חמצני, TiO2(s)\text{TiO}_{2(s)}TiO2(s)​ , מגיב עם פחמן, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ , ועם גז כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ .
אחד התוצרים הוא הנוזל, TiCl4(l)\text{TiCl}_{4(l)}TiCl4(l)​ , על פי תגובה (1) .
(1) TiO2(s)+C(s)+2Cl2(g)→TiCl4(l)+CO2(g)\text{TiO}_{2(s)} + \text{C}_{(s)} + 2\text{Cl}_{2(g)} \rightarrow \text{TiCl}_{4(l)} + \text{CO}_{2(g)}TiO2(s)​+C(s)​+2Cl2(g)​→TiCl4(l)​+CO2(g)​
שלב שני
התרכובת הנוזלית טיטניום ארבע כלורי, TiCl4(l)\text{TiCl}_{4(l)}TiCl4(l)​ , שנוצרה בתגובה (1) , מגיבה עם מגנזיום מתכתי, Mg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​ , על פי תגובה (2) .
(2) TiCl4(l)+2Mg(s)→Ti(s)+2MgCl2(s)\text{TiCl}_{4(l)} + 2\text{Mg}_{(s)} \rightarrow \text{Ti}_{(s)} + 2\text{MgCl}_{2(s)}TiCl4(l)​+2Mg(s)​→Ti(s)​+2MgCl2(s)​
נתון: אלקטרושליליות של טיטניום, Ti – 1.54 .

א.

קבעו מי החומר המחמצן ומי החומר המחזר בכל אחת מן התגובות (1) ו־ (2). נמקו את קביעתכם.

ב.

איזו מתכת מחזרת טובה יותר – מגנזיום או טיטניום? נמקו את תשובתכם.

ג.

כמה טון טיטניום חמצני, TiO2(s)\text{TiO}_{2(s)}TiO2(s)​ , דרושים כדי להפיק טון אחד של המתכת טיטניום, Ti(s)\text{Ti}_{(s)}Ti(s)​ ? פרטו את חישוביכם.
נתון: 1 טון =1×106= 1 \times 10^{6}=1×106 גרם

ד.

אחת הסגסוגות השימושיות בתעשיית החלל והתעופה נוצרת מעיבוד של המתכות טיטניום, Ti(s)\text{Ti}_{(s)}Ti(s)​ , ונדיום, V(s)\text{V}_{(s)}V(s)​ , ואלומיניום, Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ .
בכל 100 גרם סגסוגת כזאת, יש 90 גרם טיטניום, 4 גרם ונדיום והשאר אלומיניום.

(i)

לפניכם רשימה של סוגי חלקיקים: אטומים, מולקולות, יונים, יונים ניידים, אלקטרונים ניידים.
אילו סוגי חלקיקים מרשימה זו מרכיבים את הסגסוגת?

(ii)

כמה מול אלומיניום יש ב־ 1 ק"ג סגסוגת זו? פרטו את חישוביכם.

ה.

כאשר מכינים סגסוגות של טיטניום צריך להתיך אותו. טיטניום מותך יכול להגיב עם גזים שבאוויר.
בתגובה בין טיטניום מותך ובין גז חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , שבאוויר נוצרת התרכובת טיטניום חנקני, TiN(s)\text{TiN}_{(s)}TiN(s)​ .
נסחו ואזנו את התגובה.

ו.

מעבדים את הטיטניום המותך בסביבה של גז ארגון, Ar(g)\text{Ar}_{(g)}Ar(g)​ . הסבירו מדוע.

ז.

בסעיפי השאלה הוזכרו החומרים: Ti(s)\text{Ti}_{(s)}Ti(s)​ , TiO2(s)\text{TiO}_{2(s)}TiO2(s)​ , TiCl4(l)\text{TiCl}_{4(l)}TiCl4(l)​ , TiN(s)\text{TiN}_{(s)}TiN(s)​ .
קבעו באיזה מן החומרים האלה הטיטניום יכול להגיב רק כמחזר.

◂ פתרון מלא לשאלה 13

סעיף א

תשובה:

(1): מחמצן – Cl2\text{Cl}_2Cl2​, מחזר – C\text{C}C. (2): מחמצן – TiCl4\text{TiCl}_4TiCl4​, מחזר – Mg\text{Mg}Mg.

נקבע דרגות חמצון. המחמצן מכיל את האטום שדרגת החמצון שלו יורדת (קולט אלקטרונים); המחזר מכיל את האטום שדרגת החמצון שלו עולה (מוסר אלקטרונים).
תגובה (1): TiO2+C+2Cl2→TiCl4+CO2\text{TiO}_2 + \text{C} + 2\text{Cl}_2 \rightarrow \text{TiCl}_4 + \text{CO}_2TiO2​+C+2Cl2​→TiCl4​+CO2​
•Ti: +4+4+4 ב־TiO2\text{TiO}_2TiO2​ ⇐ +4+4+4 ב־TiCl4\text{TiCl}_4TiCl4​ (ללא שינוי); O: −2-2−2 ⇐ −2-2−2 (ללא שינוי).
•C: 000 ⇐ +4+4+4 ב־CO2\text{CO}_2CO2​ – עלייה, הפחמן מוסר אלקטרונים ⇐ C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ הוא המחזר.
•Cl: 000 ⇐ −1-1−1 ב־TiCl4\text{TiCl}_4TiCl4​ – ירידה, הכלור קולט אלקטרונים ⇐ Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ הוא המחמצן.
תגובה (2): TiCl4+2Mg→Ti+2MgCl2\text{TiCl}_4 + 2\text{Mg} \rightarrow \text{Ti} + 2\text{MgCl}_2TiCl4​+2Mg→Ti+2MgCl2​
•Ti: +4+4+4 ⇐ 000 – ירידה, קולט אלקטרונים ⇐ TiCl4(l)\text{TiCl}_{4(l)}TiCl4(l)​ הוא המחמצן.
•Mg: 000 ⇐ +2+2+2 – עלייה, מוסר אלקטרונים ⇐ Mg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​ הוא המחזר.
•Cl: −1-1−1 ⇐ −1-1−1 (ללא שינוי).

סעיף ב

תשובה:

מגנזיום.

מגנזיום הוא מחזר טוב יותר.
נימוק 1 – לפי תגובה (2): המגנזיום מוסר אלקטרונים ליוני הטיטניום (Ti בדרגת חמצון +4+4+4) ומחזר אותם לטיטניום מתכתי, והמגנזיום הופך ליוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+. כלומר נטיית המגנזיום למסור אלקטרונים גדולה מזו של הטיטניום.
נימוק 2 – לפי האלקטרושליליות: האלקטרושליליות של Mg (1.2, לפי הטבלה בנספח) נמוכה מזו של Ti (1.54). אטום בעל אלקטרושליליות נמוכה יותר מושך פחות את האלקטרונים ונוטה יותר למסור אותם – ולכן הוא מחזר חזק יותר.

סעיף ג

תשובה:

כ־1.671.671.67 טון TiO2\text{TiO}_2TiO2​.

לפי תגובות (1) ו־(2), כל מול TiO2\text{TiO}_2TiO2​ נותן מול אחד של TiCl4\text{TiCl}_4TiCl4​, וכל מול TiCl4\text{TiCl}_4TiCl4​ נותן מול אחד של Ti ⇐ יחס מולים TiO2:Ti=1:1\text{TiO}_2 : \text{Ti} = 1 : 1TiO2​:Ti=1:1.
nTi=mMw=1×106 g47.9 gmol=2.088×104 moln_{\text{Ti}} = \frac{m}{M_w} = \frac{1 \times 10^{6}\ \text{g}}{47.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 2.088 \times 10^{4}\ \text{mol}nTi​=Mw​m​=47.9 molg​1×106 g​=2.088×104 mol
nTiO2=nTi=2.088×104 moln_{\text{TiO}_2} = n_{\text{Ti}} = 2.088 \times 10^{4}\ \text{mol}nTiO2​​=nTi​=2.088×104 mol
Mw(TiO2)=47.9+2⋅16.0=79.9 gmolM_w(\text{TiO}_2) = 47.9 + 2 \cdot 16.0 = 79.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}Mw​(TiO2​)=47.9+2⋅16.0=79.9 molg​
mTiO2=n⋅Mw=2.088×104 mol⋅79.9 gmol=1.668×106 gm_{\text{TiO}_2} = n \cdot M_w = 2.088 \times 10^{4}\ \text{mol} \cdot 79.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 1.668 \times 10^{6}\ \text{g}mTiO2​​=n⋅Mw​=2.088×104 mol⋅79.9 molg​=1.668×106 g = 1.67 טון
דרושים כ־1.67 טון טיטניום חמצני.

סעיף ד

(i)

תשובה:

יונים (חיוביים) ואלקטרונים ניידים.

סגסוגת של מתכות היא חומר בעל סריג מתכתי: יונים חיוביים של המתכות (Ti, V, Al) מסודרים בסריג ונמצאים במקומות קבועים (הם מתנודדים אך אינם ניידים), וביניהם נעים אלקטרונים ניידים – האלקטרונים הערכיים המשותפים לכל הסריג.
לכן החלקיקים המרכיבים את הסגסוגת: יונים ואלקטרונים ניידים (לא אטומים בודדים, לא מולקולות ולא יונים ניידים).

(ii)

תשובה:

2.22 mol2.22\ \text{mol}2.22 mol

מסת האלומיניום ב־100 g סגסוגת: 100 g−90 g−4 g=6 g100\ \text{g} - 90\ \text{g} - 4\ \text{g} = 6\ \text{g}100 g−90 g−4 g=6 g
ב־1 ק"ג = 1000 g סגסוגת: mAl=6 g⋅1000 g100 g=60 gm_{\text{Al}} = 6\ \text{g} \cdot \frac{1000\ \text{g}}{100\ \text{g}} = 60\ \text{g}mAl​=6 g⋅100 g1000 g​=60 g
n=mMw=60 g27.0 gmol=2.22 moln = \frac{m}{M_w} = \frac{60\ \text{g}}{27.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 2.22\ \text{mol}n=Mw​m​=27.0 molg​60 g​=2.22 mol

סעיף ה

תשובה:

2Ti(l)+N2(g)→2TiN(s)2\text{Ti}_{(l)} + \text{N}_{2(g)} \rightarrow 2\text{TiN}_{(s)}2Ti(l)​+N2(g)​→2TiN(s)​

2Ti(l)+N2(g)→2TiN(s)2\text{Ti}_{(l)} + \text{N}_{2(g)} \rightarrow 2\text{TiN}_{(s)}2Ti(l)​+N2(g)​→2TiN(s)​
בדיקת איזון: משמאל 2 Ti ו־2 N; מימין 2 Ti ו־2 N. (הטיטניום מותך, לכן מצבו (l)(l)(l).)

סעיף ו

תשובה:

ארגון הוא גז אציל שאינו מגיב (רמה חיצונית מלאה), והוא מרחיק את גזי האוויר (N2\text{N}_2N2​, O2\text{O}_2O2​) שהיו מגיבים עם הטיטניום המותך.

טיטניום מותך מגיב עם גזי האוויר – למשל עם חנקן (נוצר TiN\text{TiN}TiN, כמו בסעיף ה) ועם חמצן – וכך נפגמים הרכב הסגסוגת ותכונותיה.
ארגון הוא גז אציל: לאטום הארגון רמת אנרגיה חיצונית מלאה (היערכות 2,8,8, שמונה אלקטרונים ערכיים), ולכן הוא יציב מאוד ואינו מגיב עם הטיטניום גם בטמפרטורה גבוהה. סביבה של ארגון מרחיקה את החנקן והחמצן מן הטיטניום המותך ומונעת את התגובות הלא רצויות.

סעיף ז

תשובה:

Ti(s)\text{Ti}_{(s)}Ti(s)​

בטיטניום המתכתי, Ti(s)\text{Ti}_{(s)}Ti(s)​.
דרגות החמצון של Ti בחומרים:
- Ti(s)\text{Ti}_{(s)}Ti(s)​: 0
- TiO2\text{TiO}_2TiO2​: +4+4+4 (O = −2-2−2)
- TiCl4\text{TiCl}_4TiCl4​: +4+4+4 (Cl = −1-1−1)
- TiN\text{TiN}TiN: +3+3+3 (N = −3-3−3)
במתכת, דרגת החמצון 0 היא הנמוכה ביותר האפשרית לטיטניום (מתכת אינה קולטת אלקטרונים ליצירת יונים שליליים), ולכן הטיטניום יכול רק למסור אלקטרונים – כלומר להגיב רק כמחזר.
(ב־TiO2\text{TiO}_2TiO2​ וב־TiCl4\text{TiCl}_4TiCl4​ הטיטניום בדרגת החמצון הגבוהה ביותר שלו, +4+4+4 – הוא מסר את כל 4 האלקטרונים הערכיים – ולכן יכול להגיב רק כמחמצן; ב־TiN\text{TiN}TiN, בדרגה +3+3+3, הוא יכול להגיב גם כמחמצן וגם כמחזר.)

שאלה 14 · יסודות a, b, c: קישור, חמצון-חיזור, חומצות ובסיסים

שאלה פתוחה

מבנה וקישור, חמצון חיזור, חומצות ובסיסים
בטבלה שלפניכם מצוינים נתונים על שלושה יסודות המסומנים באופן שרירותי באותיות: a,b,c\text{a}, \text{b}, \text{c}a,b,c .
סמל שרירותי של היסודטמפרטורת ההיתוך של היסוד (∘C)(^{\circ}\text{C})(∘C)טמפרטורת הרתיחה של היסוד (∘C)(^{\circ}\text{C})(∘C)הולכה חשמלית של היסוד בטמפרטורת החדר
a98883מוליך
b−259-259−259−253-253−253לא מוליך
c−7-7−759לא מוליך

סמל שרירותי של היסוד	טמפרטורת ההיתוך של היסוד $(^{\circ}\text{C})$	טמפרטורת הרתיחה של היסוד $(^{\circ}\text{C})$	הולכה חשמלית של היסוד בטמפרטורת החדר
a	98	883	מוליך
b	$-259$	$-253$	לא מוליך
c	$-7$	59	לא מוליך

א.

התאימו בין היסודות: מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , ברום, Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ , נתרן, Na(s)\text{Na}_{(s)}Na(s)​ ובין האותיות a,b,c\text{a}, \text{b}, \text{c}a,b,c .

ב.

(i)

קבעו מהו סוג הקשרים בין אטומי היסוד המסומן באות b\text{b}b .

(ii)

הסבירו מדוע טמפרטורת הרתיחה של היסוד המסומן באות c\text{c}c גבוהה מטמפרטורת הרתיחה של היסוד המסומן באות b\text{b}b .

ג.

בתנאים מתאימים היסודות מגיבים ביניהם.
בתגובה בין היסוד שסומן באות a\text{a}a ובין היסוד שסומן באות b\text{b}b מתקבל תוצר יחיד שהוא מוצק בטמפרטורת החדר.
מהי דרגת החמצון של כל אחד מן החלקיקים בתוצר שהתקבל?

ד.

בתגובה בין היסוד שסומן באות a\text{a}a ובין היסוד שסומן באות c\text{c}c מתקבל תוצר יחיד שהוא מוצק בטמפרטורת החדר.
תוצר זה מסיס במים.

(i)

נסחו את תגובת ההמסה במים של התוצר.

(ii)

האם התמיסה הנוצרת מוליכה חשמל? נמקו את תשובתכם.

ה.

בתגובה בין היסוד שסומן באות b\text{b}b ובין היסוד שסומן באות c\text{c}c מתקבל תוצר יחיד, שהוא גז בטמפרטורת החדר.
תוצר זה מגיב עם מים ונוצרת תמיסה.

(i)

מהי נוסחת התוצר?

(ii)

נסחו את תגובת התוצר עם מים.

(iii)

האם התמיסה הנוצרת חומצית, בסיסית, או ניטרלית? נמקו את תשובתכם.

ו.

היסוד חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , מגיב עם היסוד המסומן באות b\text{b}b , ומתקבל תוצר יחיד שהוא גז. תוצר זה מגיב עם מים ויוצר תמיסה בסיסית.

(i)

נסחו את התגובה לקבלת התוצר.

(ii)

נסחו את התגובה בין התוצר המתקבל ובין מים.

ז.

היסוד חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , מגיב גם עם היסוד המסומן באות a\text{a}a ומתקבל תוצר יחיד.
רשמו את נוסחת התוצר בטמפרטורת החדר.

◂ פתרון מלא לשאלה 14

סעיף א

תשובה:

a – נתרן, Na\text{Na}Na; b – מימן, H2\text{H}_2H2​; c – ברום, Br2\text{Br}_2Br2​.

- a – נתרן, Na(s)\text{Na}_{(s)}Na(s)​: מוליך חשמל בטמפרטורת החדר (מתכת – אלקטרונים ניידים), ומוצק בטמפרטורת החדר (נקודת היתוך 98∘C98^{\circ}\text{C}98∘C).
- b – מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​: טמפרטורות ההיתוך והרתיחה הנמוכות ביותר (−259∘C-259^{\circ}\text{C}−259∘C, −253∘C-253^{\circ}\text{C}−253∘C) – גז בטמפרטורת החדר, ענן אלקטרונים קטן מאוד.
- c – ברום, Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​: נוזל בטמפרטורת החדר (נקודת היתוך −7∘C-7^{\circ}\text{C}−7∘C, נקודת רתיחה 59∘C59^{\circ}\text{C}59∘C), אינו מוליך – חומר מולקולרי.

סעיף ב

(i)

תשובה:

קשר קוולנטי (יחיד, לא קוטבי) בין שני אטומי המימן.

יסוד b הוא מימן, H2\text{H}_2H2​. בין שני אטומי המימן במולקולה יש קשר קוולנטי יחיד (זוג אלקטרונים משותף, H–H\text{H–H}H–H), לא קוטבי. (בין המולקולות פועלים כוחות ואן דר ואלס.)

(ii)

תשובה:

שני החומרים מולקולריים לא קוטביים; ענן האלקטרונים של Br2\text{Br}_2Br2​ גדול בהרבה מזה של H2\text{H}_2H2​ ⇐ כוחות ואן דר ואלס חזקים יותר.

גם Br2\text{Br}_2Br2​ (c) וגם H2\text{H}_2H2​ (b) הם חומרים מולקולריים, ומולקולותיהם לא קוטביות; בין המולקולות פועלים כוחות ואן דר ואלס בלבד. ברתיחה יש להתגבר על הכוחות האלה.
למולקולת Br2\text{Br}_2Br2​ (70 אלקטרונים) ענן אלקטרונים גדול בהרבה מזה של מולקולת H2\text{H}_2H2​ (2 אלקטרונים). ענן אלקטרונים גדול יותר מתקטב בקלות רבה יותר, ולכן כוחות ואן דר ואלס בין מולקולות Br2\text{Br}_2Br2​ חזקים בהרבה. נדרשת יותר אנרגיה כדי להפריד ביניהן – וטמפרטורת הרתיחה של ברום גבוהה מזו של מימן.

סעיף ג

תשובה:

התוצר NaH\text{NaH}NaH: Na – +1+1+1, H – −1-1−1.

2Na(s)+H2(g)→2NaH(s)2\text{Na}_{(s)} + \text{H}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NaH}_{(s)}2Na(s)​+H2(g)​→2NaH(s)​
התוצר, נתרן הידריד NaH\text{NaH}NaH, הוא מוצק יוני המורכב מיוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ומיוני הידריד H−\text{H}^{-}H−:
•נתרן (מתכת, אלקטרושליליות 0.9, אלקטרון ערכי אחד) מוסר אלקטרון ⇐ דרגת חמצון +1+1+1.
•מימן (אלקטרושליליות 2.1, גבוהה מזו של הנתרן) קולט אלקטרון ⇐ דרגת חמצון −1-1−1.
טעות נפוצה: לייחס למימן דרגת חמצון +1+1+1 מתוך הרגל – בתרכובת עם מתכת המימן הוא היסוד האלקטרושלילי יותר.

סעיף ד

(i)

תשובה:

NaBr(s)→H2ONa(aq)++Br(aq)−\text{NaBr}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)}NaBr(s)​H2​O​Na(aq)+​+Br(aq)−​

התוצר הוא נתרן ברומי: 2Na(s)+Br2(l)→2NaBr(s)2\text{Na}_{(s)} + \text{Br}_{2(l)} \rightarrow 2\text{NaBr}_{(s)}2Na(s)​+Br2(l)​→2NaBr(s)​
תגובת ההמסה במים:
NaBr(s)→H2O(l)Na(aq)++Br(aq)−\text{NaBr}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)}NaBr(s)​H2​O(l)​​Na(aq)+​+Br(aq)−​

(ii)

תשובה:

כן – בתמיסה יש יונים ניידים.

כן. בהמסה במים הסריג היוני של NaBr\text{NaBr}NaBr מתפרק, והיונים Na+\text{Na}^{+}Na+ ו־Br−\text{Br}^{-}Br− מוקפים במולקולות מים והופכים ליונים ניידים. כשמחברים את התמיסה למקור מתח, היונים נעים לעבר האלקטרודות בעלות המטען ההפוך – ולכן התמיסה מוליכה חשמל.

סעיף ה

(i)

תשובה:

HBr\text{HBr}HBr (מימן ברומי)

H2(g)+Br2(l)→2HBr(g)\text{H}_{2(g)} + \text{Br}_{2(l)} \rightarrow 2\text{HBr}_{(g)}H2(g)​+Br2(l)​→2HBr(g)​ ⇐ התוצר: HBr\text{HBr}HBr.

(ii)

תשובה:

HBr(g)+H2O(l)→H3O(aq)++Br(aq)−\text{HBr}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)}HBr(g)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+Br(aq)−​

HBr היא חומצה חזקה – מוסרת פרוטון למולקולת מים:
HBr(g)+H2O(l)→H3O(aq)++Br(aq)−\text{HBr}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)}HBr(g)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+Br(aq)−​

(iii)

תשובה:

חומצית – נוצרים יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+.

חומצית. בתגובת HBr עם המים נוצרים יוני הידרוניום, H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​, ולכן ריכוזם בתמיסה גבוה מריכוז יוני OH−\text{OH}^{-}OH− ⇐ התמיסה חומצית (pH<7\text{pH} < 7pH<7).

סעיף ו

(i)

תשובה:

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

יסוד b הוא מימן. התוצר הגזי הוא אמוניה:
N2(g)+3H2(g)→2NH3(g)\text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NH}_{3(g)}N2(g)​+3H2(g)​→2NH3(g)​
בדיקת איזון: 2 N ו־6 H בכל צד.

(ii)

תשובה:

NH3(g)+H2O(l)⇌NH4+(aq)+OH(aq)−\text{NH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightleftharpoons \text{NH}_4^{+}{}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}NH3(g)​+H2​O(l)​⇌NH4+​(aq)​+OH(aq)−​

אמוניה היא בסיס: מולקולת NH3\text{NH}_3NH3​ קולטת פרוטון ממולקולת מים, ונוצרים יוני OH−\text{OH}^{-}OH− (ולכן התמיסה בסיסית):
NH3(g)+H2O(l)⇌NH4+(aq)+OH(aq)−\text{NH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightleftharpoons \text{NH}_4^{+}{}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}NH3(g)​+H2​O(l)​⇌NH4+​(aq)​+OH(aq)−​
(אמוניה היא בסיס חלש – רק חלק מהמולקולות מגיבות; ניסוח עם חץ רגיל →\rightarrow→ מתקבל גם הוא.)

סעיף ז

תשובה:

Na3N(s)\text{Na}_3\text{N}_{(s)}Na3​N(s)​

יסוד a הוא נתרן. נתרן (מתכת, אלקטרון ערכי אחד) מוסר אלקטרון ויוצר יון Na+\text{Na}^{+}Na+; חנקן (5 אלקטרונים ערכיים) קולט 3 אלקטרונים ויוצר יון ניטריד N3−\text{N}^{3-}N3−. כדי שסכום המטענים יהיה אפס דרושים 3 יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ לכל יון N3−\text{N}^{3-}N3−:
6Na(s)+N2(g)→2Na3N(s)6\text{Na}_{(s)} + \text{N}_{2(g)} \rightarrow 2\text{Na}_3\text{N}_{(s)}6Na(s)​+N2(g)​→2Na3​N(s)​
נוסחת התוצר (תרכובת יונית, מוצק בטמפרטורת החדר): Na3N(s)\text{Na}_3\text{N}_{(s)}Na3​N(s)​.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ג – X ו־Z הם איזוטופים של ארגון (18 פרוטונים, מספר נויטרונים שונה).
2	-	ד
3	-	א – $[\text{Na}^{+}]=0.2\text{M}$ , $[\text{Al}^{3+}]=0.2\text{M}$ , $[\text{Cl}^{-}]=0.8\text{M}$
4	-	ד – II ו־IV
5	-	ב – $\Delta H^0 = -15{,}565\ \text{kJ}$
6	-	ג – $-164.1\ \text{kJ}$
7	-	ג – $\text{Pb}^{2+} > \text{Zn}^{2+} > \text{Ba}^{2+}$
8	-	ב – II ו־III
9	א	למשל: $\text{NaCl}$ , $\text{MgSO}_4$ , $\text{CaCl}_2$ , $\text{Na}_2\text{SO}_4$ (אפשר גם $\text{MgCl}_2$ , $\text{CaSO}_4$ ).
	ב	פי $2.6 \times 10^{7}$ בקירוב (מסת $\text{Na}^+$ בליטר מי ים: 10.58 גרם).
	ג i	לארבעה אטומי מימן: לשניים בקשרים קוולנטיים ולשניים בקשרי מימן.
	ג ii	$\text{H}_2\text{O}_{(s)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ד	I – נכון; II – לא נכון.
	ה	אנדותרמי – יש להשקיע אנרגיה כדי לנתק חלק מקשרי המימן (ולהחליש את כוחות ואן דר ואלס) בין המולקולות.
	ו	כ־ $6.69 \times 10^{28}$ מולקולות מים.
	ז	I – נכון; II – נכון; III – לא נכון.
	ח i	a – מוצק (קרח), $\text{H}_2\text{O}_{(s)}$ ; b – נוזל, $\text{H}_2\text{O}_{(l)}$ ; c – גז (אדים), $\text{H}_2\text{O}_{(g)}$ .
	ח ii	במעבר c→d נשברים קשרים קוולנטיים (תוך־מולקולריים) חזקים; במעבר a→b נשברים רק חלק מקשרי המימן בין המולקולות, החלשים בהרבה.
10	א	סריג מתכתי: יוני $\text{Li}^{+}$ בסידור קבוע בתוך "ים" של אלקטרונים ערכיים ניידים; האלקטרונים הניידים מאפשרים הולכת חשמל.
	ב	ליתיום מגיב עם מים בתגובה אקסותרמית שבה נפלט גז מימן דליק – יש סכנה של התחממות, לחץ גז ושרפה/פיצוץ, והליתיום היה מתכלה.
	ג	$\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3$
	ד	מולקולות 1 ו־3.
	ה	בין מולקולות המים יש קשרי מימן רבים; בין מולקולות DMC אין קשרי מימן (אין H הקשור ל־O), יש רק ואן דר ואלס ודו־קוטב–דו־קוטב, שבסך הכול חלשים יותר.
	ו i	בין מולקולות DMC למולקולות המים נוצרים קשרי מימן (אטומי O של DMC עם אטומי H של מים) וכוחות דו־קוטב, הדומים בחוזקם לכוחות שנשברו.
	ו ii	$C \approx 1.54\ \text{M}$
	ז	$[\text{Li}]^{+}$ (ללא אלקטרונים ערכיים) ; $[\text{O}]^{2-}$ עם 8 אלקטרונים ערכיים (4 זוגות) סביב החמצן, בתוך סוגריים מרובעים.
11	א	P: C16:0 ; S: C18:0 ; O: C18:1ω9 cis
	ב	השרשרת של חומצה פלמיטית קצרה יותר (16 C לעומת 18 C) ⇐ ענן אלקטרונים קטן יותר ⇐ כוחות ואן דר ואלס חלשים יותר.
	ג	לינולאית: $\text{CH}_3(\text{CH}_2)_4\text{CH=CHCH}_2\text{CH=CH}(\text{CH}_2)_7\text{COOH}$ (שני קשרים כפולים cis). לינולנית: $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH=CHCH}_2\text{CH=CHCH}_2\text{CH=CH}(\text{CH}_2)_7\text{COOH}$ (שלושה קשרים כפולים cis). – ייצוג הזיגזג מצויר בפתרון.
	ד	מספר הקשרים הכפולים מסוג cis: בחומצה האולאית קשר כפול cis אחד ובלינולאית שניים ⇐ פחות כיפופים ⇐ המולקולות נצמדות טוב יותר ⇐ כוחות ואן דר ואלס חזקים יותר.
	ה	$\text{CH}_3(\text{CH}_2)_5\text{CH=CH}(\text{CH}_2)_7\text{COOH}$ בייצוג מלא – כל האטומים וכל הקשרים, הקשר הכפול בין פחמנים 9–10 (מקצה הקרבוקסיל) במבנה cis.
	ו	POS
	ז	ייצוג 1
	ח	בין מולקולות תאוברומין/קפאין לבין מולקולות הטריגליצרידים נוצרים כוחות ואן דר ואלס ואינטראקציות דו־קוטב (ולתאוברומין גם קשר מימן עם אטומי O של קבוצות האסטר), הדומים בחוזקם לכוחות שנשברים.
	ט i	כ־ $102\ \text{mg}$ (0.102 גרם)
	ט ii	כן: $4 \cdot 102.4 = 409.7\ \text{mg} > 400\ \text{mg}$
12	א i	כוס 1: $\text{H}_3\text{O}^{+}$ , $\text{Cl}^{-}$ , $\text{H}_2\text{O}$ ; כוס 2: $\text{H}_3\text{O}^{+}$ , $\text{NO}_3^{-}$ , $\text{H}_2\text{O}$ ; כוס 3: $\text{H}_3\text{O}^{+}$ , $\text{Br}^{-}$ , $\text{H}_2\text{O}$ .
	א ii	בכל תמיסה יש יונים ניידים ( $\text{H}_3\text{O}^{+}$ ואניונים) שנוצרו בתגובת החומצה עם המים.
	א iii	כל החומצות חזקות וחד־פרוטיות, באותו ריכוז ( $0.01\ \text{M}$ ) ⇐ בכולן $[\text{H}_3\text{O}^{+}] = 0.01\ \text{M}$ ⇐ $\text{pH} = 2$ .
	ב i	$\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ב ii	רק בכוס 3 (עודף $\text{OH}^{-}$ – התמיסה בסיסית והלקמוס הוורוד הופך לכחול).
	ב iii	כוס 1: pH = 7 ; כוס 2: pH < 7 ; כוס 3: pH > 7
	ג i	גבוה מה־pH ההתחלתי: $[\text{H}_3\text{O}^{+}]$ ירד מ־ $0.4\ \text{M}$ ל־ $0.3\ \text{M}$ .
	ג ii	גבוה מה־pH ההתחלתי: $[\text{H}_3\text{O}^{+}]$ ירד מ־ $0.1\ \text{M}$ ל־ $0.05\ \text{M}$ (pH מ־1 ל־1.3).
13	א	(1): מחמצן – $\text{Cl}_2$ , מחזר – $\text{C}$ . (2): מחמצן – $\text{TiCl}_4$ , מחזר – $\text{Mg}$ .
	ב	מגנזיום.
	ג	כ־ $1.67$ טון $\text{TiO}_2$ .
	ד i	יונים (חיוביים) ואלקטרונים ניידים.
	ד ii	$2.22\ \text{mol}$
	ה	$2\text{Ti}_{(l)} + \text{N}_{2(g)} \rightarrow 2\text{TiN}_{(s)}$
	ו	ארגון הוא גז אציל שאינו מגיב (רמה חיצונית מלאה), והוא מרחיק את גזי האוויר ( $\text{N}_2$ , $\text{O}_2$ ) שהיו מגיבים עם הטיטניום המותך.
	ז	$\text{Ti}_{(s)}$
14	א	a – נתרן, $\text{Na}$ ; b – מימן, $\text{H}_2$ ; c – ברום, $\text{Br}_2$ .
	ב i	קשר קוולנטי (יחיד, לא קוטבי) בין שני אטומי המימן.
	ב ii	שני החומרים מולקולריים לא קוטביים; ענן האלקטרונים של $\text{Br}_2$ גדול בהרבה מזה של $\text{H}_2$ ⇐ כוחות ואן דר ואלס חזקים יותר.
	ג	התוצר $\text{NaH}$ : Na – $+1$ , H – $-1$ .
	ד i	$\text{NaBr}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)}$
	ד ii	כן – בתמיסה יש יונים ניידים.
	ה i	$\text{HBr}$ (מימן ברומי)
	ה ii	$\text{HBr}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)}$
	ה iii	חומצית – נוצרים יוני $\text{H}_3\text{O}^{+}$ .
	ו i	$\text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NH}_{3(g)}$
	ו ii	$\text{NH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightleftharpoons \text{NH}_4^{+}{}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}$
	ז	$\text{Na}_3\text{N}_{(s)}$

הוראות מיוחדות:

פרק ראשון

שאלה 1 · הרכב חלקיקים: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים

התשובה הנכונה: ג.

שאלה 2 · קשרים קוולנטיים וקוטביות מולקולות

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 3 · ריכוז יונים לאחר ערבוב תמיסות

התשובה הנכונה: א.

שאלה 4 · קבוצות פונקציונליות וקשרי מימן

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 5 · אנתלפיית שרפה מנתוני מסה ואנרגיה

התשובה הנכונה: ב.

שאלה 6 · חוק הס

התשובה הנכונה: ג.

שאלה 7 · כושר חמצון של יוני מתכות

התשובה הנכונה: ג.

שאלה 8 · גורמים המשפיעים על קצב תגובה

התשובה הנכונה: ב.

שאלה 9 · מאמר: התחממות גלובלית וקרחונים

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה

התחממות גלובלית – השינוי מתחיל בקטבים

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

סעיף א

סעיף ב

מסת יוני הנתרן ב־1 ליטר מי ים:

היחס:

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

ההיתוך הוא תהליך אנדותרמי.

סעיף ו

סעיף ז

סעיף ח

פרק שני

שאלה 10 · סוללות ליתיום: מבנה, קישור וחישובים

מבנה האטום, מבנה וקישור, חישובים

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

סעיף ז

שאלה 11 · חמאת קקאו: חומצות שומן, טריגליצרידים וקפאין

חומצות שומן, מבנה וקישור, חישובים

טבלה 2

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

הייצוג המקוצר של שתי החומצות (שרשרת זיגזג; כל קצה וכל נקודת מפגש הם אטום פחמן; הקשרים הכפולים במבנה cis):

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

סעיף ז

סעיף ח

סעיף ט

שאלה 12 · חומצות חזקות, סתירה ומיהול

חומצות ובסיסים

נערכו שני ניסויים

ניסוי 1

ניסוי 2

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

שאלה 13 · הפקת טיטניום וסגסוגותיו

חמצון־חיזור, מבנה וקישור וחישובים

שלב ראשון

שלב שני

סעיף א

סעיף ב

מגנזיום הוא מחזר טוב יותר.

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

סעיף ז

בטיטניום המתכתי, Ti(s)\text{Ti}_{(s)}Ti(s)​.

שאלה 14 · יסודות a, b, c: קישור, חמצון-חיזור, חומצות ובסיסים

מבנה וקישור, חמצון חיזור, חומצות ובסיסים

סעיף א

בטיטניום המתכתי, $\text{Ti}_{(s)}$ .