בגרות בכימיה שאלון עיקרי 037381 - קיץ 2026

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

בחינת הבגרות בכימיה, שאלון עיקרי, קיץ 2026, 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)

הוראות (כפי שהודפסו בשאלון)
א. משך הבחינה: שלוש שעות.
ב. מבנה השאלון ומפתח ההערכה: בשאלון זה שני פרקים.
פרק ראשון – 40 נקודות
פרק שני – 60 נקודות
סך הכול – 100 נקודות
ג. חומר עזר מותר בשימוש: (1) מחשבון (כולל מחשבון גרפי). (2) דפי נוסחאות ונתונים (מצורפים).
ד. 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. בשאלה 9 יש לענות על הסעיפים לפי ההנחיות. (2) בפרק השני יש חמש שאלות. יש לענות על שלוש מהן.
נספחים: (1) הטבלה המחזורית (2) טבלת אלקטרושליליות (3) נוסחאות לחישובים (4) קבוצות פונקציונליות.
פרק ראשון (40 נקודות): ענו על כל השאלות 1–8 (20 נקודות). אם תענו נכון על שש שאלות לפחות, תקבלו את מלוא 20 הנקודות. שאלה 9 (ניתוח קטע ממאמר מדעי) – שאלת חובה, 20 נקודות: ענו על כל הסעיפים א–ה ועל אחד מן הסעיפים ו או ז.
פרק שני (60 נקודות): ענו על שלוש מן השאלות 10–14 (לכל שאלה – 20 נקודות).
הנחיות מיוחדות לשנה זו: השאלון מוצג כאן כפי שהודפס, אך לאחר הדפסתו פורסמו הנחיות מענה חדשות לשאלונים 37381 ו־37387 (קיץ תשפ"ו), שמשנות את מבנה השאלון ואת מפתח ההערכה:
•פרק ראשון – 50 נקודות: שאלות סגורות 1–8 – 25 נקודות; אם עונים נכון על 5 שאלות מתוך 8 מקבלים את מלוא 25 הנקודות. ניתוח קטע ממאמר מדעי (שאלה 9) – 25 נקודות, שאלת חובה הכוללת סעיפי חובה וסעיפי בחירה.
•פרק שני – 50 נקודות: עונים על שתיים מן השאלות 10–14, 25 נקודות לכל שאלה.
הניקוד המופיע בשאלון (40/60, 2.5 נקודות לשאלה סגורה, 20 נקודות לשאלה) הוא הניקוד המודפס.

פרק ראשון

שאלה 1 · קוטביות קשרים ומולקולות במבנה משולש מישורי

רב-ברירה

לפניכם הנוסחאות המולקולריות של ארבע מולקולות: CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O , BH3\text{BH}_3BH3​ , CSCl2\text{CSCl}_2CSCl2​ , BF3\text{BF}_3BF3​ .
המבנה של כל אחת מן המולקולות הוא משולש מישורי.
לפניכם ארבעה היגדים, א–ד, המתייחסים לקשרים הקוולנטיים במולקולות ולקוטביות המולקולות.
מהו ההיגד הנכון?

א.
בכל המולקולות, כל הקשרים הקוולנטיים הם קוטביים.
ב.
המולקולות $\text{BH}_3$ ו־ $\text{BF}_3$ אינן קוטביות.
ג.
כל הקשרים הקוולנטיים במולקולות $\text{CH}_2\text{O}$ ו־ $\text{BF}_3$ הם קשרים קוולנטיים יחידים.
ד.
רק במולקולה $\text{CSCl}_2$ יש קשר קוולנטי כפול.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – ב־BH3\text{BH}_3BH3​ וב־BF3\text{BF}_3BF3​ שלושה קשרים זהים בפיזור סימטרי (משולש מישורי), ולכן הדו־קטבים מתקזזים.

ההיגד הנכון: ב.
נבנה את נוסחאות לואיס (האטום המרכזי בכל המולקולות הוא האטום הכתוב ראשון, C או B):
- CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O: אטום C קשור בשני קשרים יחידים לשני אטומי H ובקשר כפול לאטום O (על O שני זוגות אלקטרונים לא קושרים).
- CSCl2\text{CSCl}_2CSCl2​: אטום C קשור בשני קשרים יחידים לשני אטומי Cl ובקשר כפול לאטום S.
- BH3\text{BH}_3BH3​, BF3\text{BF}_3BF3​: לאטום B שלושה אלקטרוני ערכיות, והוא יוצר שלושה קשרים יחידים (שלושה זוגות אלקטרונים קושרים בלבד סביב B).
ב – נכון. ב־BH3\text{BH}_3BH3​ ההפרש באלקטרושליליות הוא 2.1−2.0=0.12.1-2.0=0.12.1−2.0=0.1 וב־BF3\text{BF}_3BF3​ הוא 4.0−2.0=2.04.0-2.0=2.04.0−2.0=2.0, כלומר הקשרים קוטביים. אבל בכל אחת מהן שלושה קשרים זהים מסודרים באופן סימטרי במשולש מישורי (זוויות של 120∘120^\circ120∘), ולכן הדו־קטבים של הקשרים מבטלים זה את זה: מרכז המטען החיובי ומרכז המטען השלילי חופפים, והמולקולות אינן קוטביות.
א – לא נכון. ב־CSCl2\text{CSCl}_2CSCl2​ יש קשר כפול C=S. האלקטרושליליות של C ושל S זהה (2.52.52.5), ולכן הקשר C=S אינו קוטבי.
ג – לא נכון. ב־CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O יש קשר כפול C=O (רק ב־BF3\text{BF}_3BF3​ כל הקשרים יחידים).
ד – לא נכון. גם ב־CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O יש קשר כפול (C=O), ולכן לא רק ב־CSCl2\text{CSCl}_2CSCl2​.

שאלה 2 · מסיסות צבענים בהקסאן

רב-ברירה

לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחאות המבנה של שני חומרים שהם צבענים (פיגמנטים):
נתונות שתי כוסות המכילות נפח זהה של הקסאן, C6H14(l)\text{C}_6\text{H}_{14(l)}C6​H14(l)​ , שהוא נוזל חסר צבע שקוף וצלול.
הטמפרטורה של ההקסאן בשתי הכוסות זהה. לכל אחת מן הכוסות מכניסים אחד מן הצבענים.
רק באחת מן הכוסות מתקבלת תמיסה בלבד.
מהו צבע התמיסה המתקבלת?

א.
ירוק
ב.
אדום
ג.
חום
ד.
שקוף

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – ירוק: הצבען הירוק מתמוסס בהקסאן.

התשובה: א (ירוק).
הקסאן הוא חומר מולקולרי לא קוטבי; בין מולקולותיו פועלים כוחות ואן דר ואלס בלבד. חומר מתמוסס היטב בהקסאן כאשר רוב המולקולה שלו אינו קוטבי, וכאשר אין צורך "לשבור" בין מולקולות המומס קשרי מימן רבים שאינם יכולים להיווצר עם ההקסאן.
- הצבען האדום: במולקולה שלוש קבוצות הידרוקסיל (OH) ושתי קבוצות C=O. בין מולקולות הצבען האדום נוצרים קשרי מימן רבים (בין אטומי H של קבוצות OH לבין אטומי O של מולקולות שכנות). מולקולות הקסאן אינן יכולות ליצור קשרי מימן, ולכן האינטראקציות בין מולקולות הצבען להקסאן חלשות בהרבה מן הכוחות שיש לפרק, והצבען האדום אינו מתמוסס.
- הצבען הירוק: במולקולה קבוצת N–H אחת בלבד (שיכולה ליצור קשרי מימן) ושלוש קבוצות C=O, לעומת חלק לא קוטבי גדול מאוד – שלד פחמימני של טבעות רבות עם ענן אלקטרונים גדול. בין החלק הגדול הלא קוטבי לבין מולקולות ההקסאן נוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יחסית, ולכן הצבען הירוק מתמוסס בהקסאן, והתמיסה המתקבלת ירוקה.
ב – לא נכון: הצבען האדום, בעל שלוש קבוצות OH, אינו מתמוסס בהקסאן (ממס לא קוטבי).
ג – לא נכון: בכל כוס יש צבען אחד בלבד, ולא נוצרת תערובת של שני הצבענים.
ד – לא נכון: תמיסה של צבען היא צבעונית; כוס שקופה הייתה מתקבלת רק אם הצבען לא היה מתמוסס כלל – ואז לא הייתה מתקבלת תמיסה של צבען.

שאלה 3 · גרף חימום – בוטאנול ודי־אתיל אתר

רב-ברירה

בשני כלים נפרדים מחממים בתנאים זהים מספר שווה של מולים של שני חומרים: בוטאנול ודי־אתיל אתר.
שני החומרים הם במצב צבירה נוזל בתחילת החימום.
מודדים את הטמפרטורה של כל אחד מן החומרים במהלך החימום.
בטבלה שלפניכם נתונות נוסחאות המבנה של המולקולות של שני החומרים.
שם החומרבוטאנולדי־אתיל אתר
ייצוג מקוצר של נוסחת המבנהCH3CH2CH2CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}CH3​CH2​CH2​CH2​OHCH3CH2OCH2CH3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_3CH3​CH2​OCH2​CH3​
מבין הגרפים א–ד שלפניכם, איזה גרף מתאר נכון את הטמפרטורה הנמדדת של שני החומרים במהלך החימום?

שם החומר	בוטאנול	די־אתיל אתר
ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה	$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$	$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_3$

א.
גרף א
ב.
גרף ב
ג.
גרף ג
ד.
גרף ד

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – הטמפרטורה עולה בחימום, ומשטח הרתיחה של הבוטאנול (קו רציף) גבוה מזה של הדי־אתיל אתר (קו מקווקו).

התשובה: א.
1. כיוון הגרף: מחממים את החומרים, ולכן הטמפרטורה עולה עם הזמן (עד הרתיחה), נשארת קבועה בזמן הרתיחה (משטח), ואחר כך עולה שוב (חימום הגז). לכן גרפים ב ו־ד, שבהם הטמפרטורה יורדת, אינם מתאימים (הם מתארים קירור).
2. איזה משטח גבוה יותר: לשני החומרים אותה נוסחה מולקולרית (C4H10O\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}C4​H10​O), ולכן ענני האלקטרונים בגודל דומה וכוחות ואן דר ואלס דומים. במולקולות בוטאנול יש קבוצת הידרוקסיל (O–H), ולכן בין מולקולות בוטאנול נוצרים קשרי מימן, בנוסף לכוחות ואן דר ואלס. במולקולות די־אתיל אתר אין אטום H הקשור לאטום O, ולכן אין ביניהן קשרי מימן – רק כוחות ואן דר ואלס ואינטראקציות דו־קוטב–דו־קוטב, החלשים מקשרי מימן. לכן יש להשקיע יותר אנרגיה כדי להרחיק את מולקולות הבוטאנול זו מזו, וטמפרטורת הרתיחה של בוטאנול גבוהה יותר (בפועל כ־118∘C118^\circ\text{C}118∘C לעומת כ־35∘C35^\circ\text{C}35∘C).
לפי המקרא, הקו הרציף מתאר את הבוטאנול. בגרף א המשטח של הקו הרציף (בוטאנול) גבוה מן המשטח של הקו המקווקו (די־אתיל אתר) – מתאים.
בגרף ג המשטח של הדי־אתיל אתר גבוה יותר – לא נכון.

שאלה 4 · תצפיות בתגובת מגנזיום עם יוני הידרוניום

רב-ברירה

תלמידים ערכו ניסוי, ובו הם הכניסו פס מגנזיום, Mg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​ , למבחנה שמכילה תמיסה ובה יוני הידרוניום, H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ .
נתון:
Mg(s)+2H3O(aq)+→H2(g)+Mg(aq)2++2H2O(l)ΔH0<0\text{Mg}_{(s)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow \text{H}_{2(g)} + \text{Mg}^{2+}_{(aq)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \qquad \Delta H^0 < 0Mg(s)​+2H3​O(aq)+​→H2(g)​+Mg(aq)2+​+2H2​O(l)​ΔH0<0
איזה מן המשפטים שלפניכם אינו מתאר תצפית במהלך הניסוי?

א.
יש פליטת בועות במגע בין הפס לתמיסה.
ב.
כאשר מחזיקים במבחנה שבה התגובה מתרחשת, חשים שהיא מתחממת.
ג.
פס המגנזיום נעשה קטן יותר.
ד.
אלקטרונים עוברים מאטומי המגנזיום אל יוני $\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – מעבר אלקטרונים הוא תיאור ברמה המיקרוסקופית (הסבר), ולא דבר שאפשר לראות או לחוש.

התשובה: ד.
תצפית היא דבר שאפשר לקלוט בחושים (לראות, לחוש, להריח) – תיאור ברמה המקרוסקופית.
- א – תצפית: נוצר גז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​, הנראה כבועות על פני הפס.
- ב – תצפית: התגובה אקסותרמית (ΔH0<0\Delta H^0<0ΔH0<0) – אנרגיה עוברת מן המערכת לסביבה, ולכן חשים שהמבחנה מתחממת.
- ג – תצפית: המגנזיום המוצק הופך ליוני Mg(aq)2+\text{Mg}^{2+}_{(aq)}Mg(aq)2+​ שבתמיסה, ולכן הפס הולך וקטן.
- ד – אינו תצפית: מעבר אלקטרונים מאטומי Mg אל יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ הוא הסבר ברמת החלקיקים (מיקרוסקופית) של מה שקורה בתגובת חמצון–חיזור; אי אפשר לראות אלקטרונים עוברים.

שאלה 5 · גזים בנפח, בטמפרטורה ובלחץ זהים

רב-ברירה

נתונים שני כלים סגורים, A ו־ B , שנפחם זהה.
כלי A מכיל את הגז מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ .
כלי B מכיל את הגז חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ .
הטמפרטורה והלחץ שווים בשני הכלים.
מהו ההיגד הנכון?

א.
המסה של הגז בכלי A שווה למסה של הגז בכלי B .
ב.
מספר המולים של הגז בכלי B כפול ממספר המולים של הגז בכלי A .
ג.
מספר המולקולות של הגז בכלי A שווה למספר המולקולות של הגז בכלי B .
ד.
המסה של הגז בכלי A כפולה מן המסה של הגז בכלי B .

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – בנפח, בטמפרטורה ובלחץ זהים יש מספר מולים (ולכן מספר מולקולות) שווה של גז.

התשובה: ג.
לפי חוק הגזים האידיאליים PV=nRTPV=nRTPV=nRT, ולכן n=PVRTn=\frac{PV}{RT}n=RTPV​. בשני הכלים P, V ו־T שווים, ולכן מספר המולים של הגז שווה: nA=nBn_A=n_BnA​=nB​ (חוק אבוגדרו). מספר מולים שווה פירושו מספר מולקולות שווה (N=n⋅NAN=n\cdot N_AN=n⋅NA​) – ג נכון.
- ב – לא נכון: מספר המולים שווה ולא כפול.
- א, ד – לא נכונים: m=n⋅Mm=n\cdot Mm=n⋅M. המסה המולרית של מתאן היא MCH4=12.0+4⋅1.0=16.0 gmolM_{\text{CH}_4}=12.0+4\cdot1.0=16.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MCH4​​=12.0+4⋅1.0=16.0 molg​ ושל חמצן 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​. לכן עבור אותו מספר מולים המסה של הגז בכלי B כפולה מן המסה בכלי A – לא שווה (א), ולא להפך (ד).

שאלה 6 · יכולת לעבור חמצון או חיזור

רב-ברירה

ההיגדים שלפניכם עוסקים בתהליכי חמצון–חיזור.
מהו ההיגד הנכון?

א.
האטומים במולקולת פלואור, $\text{F}_2$ , יכולים לעבור רק תהליך חיזור.
ב.
האטומים במולקולות חמצן, $\text{O}_2$ , יכולים לעבור רק תהליך חיזור.
ג.
אטומי המימן במולקולות מים, $\text{H}_2\text{O}$ , יכולים לעבור תהליך חמצון או תהליך חיזור.
ד.
אטומי הגופרית ביון הגופריתי, $\text{SO}_3^{2-}$ , יכולים לעבור רק תהליך חיזור.

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – פלואור הוא היסוד האלקטרושלילי ביותר; דרגת החמצון שלו ב־F2\text{F}_2F2​ היא 0, והוא יכול רק לקבל אלקטרונים (לרדת ל־−1-1−1).

התשובה: א.
נבדוק את דרגת החמצון של האטום בכל היגד ואת דרגות החמצון האפשריות שלו:
- א – נכון. ב־F2\text{F}_2F2​ דרגת החמצון של F היא 000. פלואור הוא היסוד בעל האלקטרושליליות הגבוהה ביותר (4.04.04.0), ולכן בכל תרכובת דרגת החמצון שלו היא −1-1−1. אטומי F יכולים רק לקבל אלקטרונים – כלומר לעבור רק חיזור.
- ב – לא נכון. ב־O2\text{O}_2O2​ דרגת החמצון של O היא 000. חמצן יכול לעבור חיזור (ל־−2-2−2), אך בתגובה עם פלואור, האלקטרושלילי ממנו, אטומי O יכולים גם לעבור חמצון (למשל ב־OF2\text{OF}_2OF2​ דרגת החמצון של O היא +2+2+2).
- ג – לא נכון. ב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O דרגת החמצון של H היא +1+1+1 – הדרגה הגבוהה ביותר האפשרית למימן (יש לו אלקטרון ערכיות אחד). לכן אטומי H במים יכולים לעבור רק חיזור (למשל ל־000 ב־H2\text{H}_2H2​), ולא חמצון.
- ד – לא נכון. ב־SO32−\text{SO}_3^{2-}SO32−​: x+3⋅(−2)=−2⇒x=+4x+3\cdot(-2)=-2 \Rightarrow x=+4x+3⋅(−2)=−2⇒x=+4. לגופרית דרגות חמצון מ־−2-2−2 עד +6+6+6, ולכן אטומי S ב־SO32−\text{SO}_3^{2-}SO32−​ יכולים לעבור חיזור (ירידה מתחת ל־+4+4+4) וגם חמצון (עלייה ל־+6+6+6, למשל ב־SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​).

שאלה 7 · מיהול תמיסת סידן כלורי

רב-ברירה

נתונה תמיסה של סידן כלורי, CaCl2(aq)\text{CaCl}_{2(aq)}CaCl2(aq)​ , שנפחה 200 מ"ל וריכוזה 0.2M0.2\text{M}0.2M .
הוסיפו לתמיסה 800 מ"ל מים מזוקקים וערבבו.
נבדקו ריכוזי היונים בתמיסה הסופית.
מבין השורות א–ד בטבלה שלפניכם, באיזו שורה ריכוזי היונים בתמיסה הסופית הם הנכונים?
ריכוז יוני סידן Ca(aq)2+\text{Ca}^{2+}_{(aq)}Ca(aq)2+​ (M)ריכוז יוני הכלור Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​ (M)
א.0.100.20
ב.0.040.08
ג.0.050.10
ד.0.200.20

	ריכוז יוני סידן $\text{Ca}^{2+}_{(aq)}$ (M)	ריכוז יוני הכלור $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ (M)
א.	0.10	0.20
ב.	0.04	0.08
ג.	0.05	0.10
ד.	0.20	0.20

א.
$[\text{Ca}^{2+}]=0.10\ \text{M}$ , $[\text{Cl}^{-}]=0.20\ \text{M}$
ב.
$[\text{Ca}^{2+}]=0.04\ \text{M}$ , $[\text{Cl}^{-}]=0.08\ \text{M}$
ג.
$[\text{Ca}^{2+}]=0.05\ \text{M}$ , $[\text{Cl}^{-}]=0.10\ \text{M}$
ד.
$[\text{Ca}^{2+}]=0.20\ \text{M}$ , $[\text{Cl}^{-}]=0.20\ \text{M}$

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – [Ca2+]=0.04 M[\text{Ca}^{2+}]=0.04\ \text{M}[Ca2+]=0.04 M, [Cl−]=0.08 M[\text{Cl}^{-}]=0.08\ \text{M}[Cl−]=0.08 M.

התשובה: ב.
מספר המולים של CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​ שהומס:
n=C⋅V=0.2 molL⋅0.200 L=0.04 moln=C\cdot V=0.2\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot 0.200\ \text{L}=0.04\ \text{mol}n=C⋅V=0.2 Lmol​⋅0.200 L=0.04 mol
בהוספת מים מספר המולים אינו משתנה; הנפח הסופי: V=200 mL+800 mL=1000 mL=1.000 LV=200\ \text{mL}+800\ \text{mL}=1000\ \text{mL}=1.000\ \text{L}V=200 mL+800 mL=1000 mL=1.000 L.
CCaCl2=nV=0.04 mol1.000 L=0.04 MC_{\text{CaCl}_2}=\frac{n}{V}=\frac{0.04\ \text{mol}}{1.000\ \text{L}}=0.04\ \text{M}CCaCl2​​=Vn​=1.000 L0.04 mol​=0.04 M
תגובת ההמסה: CaCl2(s)→Ca(aq)2++2Cl(aq)−\text{CaCl}_{2(s)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + 2\text{Cl}^{-}_{(aq)}CaCl2(s)​→Ca(aq)2+​+2Cl(aq)−​, ולכן:
[Ca2+]=0.04 M[\text{Ca}^{2+}]=0.04\ \text{M}[Ca2+]=0.04 M ו־[Cl−]=2⋅0.04=0.08 M[\text{Cl}^{-}]=2\cdot0.04=0.08\ \text{M}[Cl−]=2⋅0.04=0.08 M.
- א – מתאים למיהול פי 2 בלבד (כאילו הנפח הסופי 400 מ"ל).
- ג – מתאים לחישוב לפי נפח המים שהוספו בלבד (800 מ"ל) במקום הנפח הכולל.
- ד – ריכוז ה־Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ שווה לריכוז ההתחלתי (ללא מיהול) וגם יחס היונים שגוי (צריך להיות 1:2).
טעות נפוצה: חלוקה בנפח המים שהוספו (800 מ"ל) במקום בנפח הכולל של התמיסה (1000 מ"ל), או שכחת המקדם 2 של יוני הכלור.

שאלה 8 · ניסוח תגובות של חומצות ובסיסים עם מים

רב-ברירה

מבין הניסוחים א–ד שלפניכם, מהו הניסוח הנכון?

א.
$\text{NH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{NH}^{-}_{2(aq)}$
ב.
$\text{HI}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_2\text{I}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}$
ג.
$\text{HNO}_{3(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{NO}^{-}_{3(aq)}$
ד.
$\text{H}_2\text{SO}_{4(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{SO}^{-}_{4(aq)}$

◂ פתרון מלא לשאלה 8

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – חומצה חנקתית מוסרת פרוטון למים ונוצרים יוני הידרוניום ויוני חנקה.

התשובה: ג.
- ג – נכון. HNO3\text{HNO}_3HNO3​ היא חומצה: מולקולת HNO3\text{HNO}_3HNO3​ מוסרת יון H+\text{H}^{+}H+ (פרוטון) למולקולת מים. נוצרים יון הידרוניום, H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, ויון חנקה, NO3−\text{NO}_3^{-}NO3−​. הניסוח מאוזן באטומים (H: 3=3, N: 1=1, O: 4=4) ובמטען (0 = +1−1).
- א – לא נכון. אמוניה היא בסיס: היא מקבלת פרוטון מן המים. הניסוח הנכון: NH3(g)+H2O(l)→NH4(aq)++OH(aq)−\text{NH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{NH}^{+}_{4(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}NH3(g)​+H2​O(l)​→NH4(aq)+​+OH(aq)−​.
- ב – לא נכון. HI היא חומצה – היא מוסרת פרוטון למים: HI(g)+H2O(l)→H3O(aq)++I(aq)−\text{HI}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{I}^{-}_{(aq)}HI(g)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+I(aq)−​.
- ד – לא נכון. הניסוח אינו מאוזן: באגף שמאל 4 אטומי H, ובאגף ימין 3 בלבד; גם יון SO4−\text{SO}_4^{-}SO4−​ אינו קיים – בהעברת פרוטון אחד נוצר HSO4−\text{HSO}_4^{-}HSO4−​: H2SO4(l)+H2O(l)→H3O(aq)++HSO4(aq)−\text{H}_2\text{SO}_{4(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{HSO}^{-}_{4(aq)}H2​SO4(l)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+HSO4(aq)−​.

שאלה 9 · חומרים שנחוצים לנו – אלומיניום, ליתיום והליום

שאלת מאמר

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף ג עוסק ברדיואקטיביות (חלקיק אלפא ופירוק רדיואקטיבי), שאינה בתוכנית ההיבחנות תשפ"ז.

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה
קראו את הקטע שלפניכם, וענו על הסעיפים שאחריו לפי ההנחיות (שאלת חובה – 20 נקודות).
חומרים שנחוצים לנו – האם יש לנו מספיק?
כיום, התחום הטכנולוגי המתפתח מאפשר לנו שימוש במכשירים "חכמים" רבים כגון טלפונים ניידים, מכשירי טלוויזיה, מכשור רפואי מאבחן ומנתח, כלי תחבורה חשמליים ועוד. הביקוש הגובר למכשירים אלה גורם לצריכה מואצת של יסודות ותרכובותיהם, שהם משאב על פני כדור הארץ. ההנחה שהחומרים הנחוצים לפיתוח מכשירים אלה יהיו תמיד זמינים עבורנו אינה נכונה. במאמר זה נדון בשלושה יסודות החשובים לתעשייה המודרנית ובזמינותם לאדם: אלומיניום, Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ , ליתיום, Li(s)\text{Li}_{(s)}Li(s)​ , והליום, He(g)\text{He}_{(g)}He(g)​ .
אלומיניום וליתיום אינם נמצאים באופן חופשי בטבע אלא בתרכובות בלבד. אלומיניום הוא היסוד המתכתי הנפוץ ביותר בקרום כדור הארץ, והוא מהווה כ־ 8%8\%8% ממשקלו של קרום כדור הארץ. ליתיום הוא יסוד שנפוץ פחות מאלומיניום, ומהווה כ־ 0.005%0.005\%0.005% ממשקלו של קרום כדור הארץ.
שימושיו הרבים של אלומיניום בתעשיית הבנייה, המזון, האלקטרוניקה ועוד מחייבים ייצור מואץ. הפקת אלומיניום נעשית בכמה שלבים: לאחר כרייה של תערובת של תחמוצות מתכות ששמה בוקסיט, מפיקים מהבוקסיט אלומיניום חמצני, Al2O3(s)\text{Al}_2\text{O}_{3(s)}Al2​O3(s)​ . מן האלומיניום החמצני מפיקים אלומיניום נוזלי, Al(l)\text{Al}_{(l)}Al(l)​ , בתהליך פירוק, בעזרת זרם חשמלי הדורש השקעה עצומה של אנרגייה חשמלית.
תרכובות ליתיום מצויות בתערובת מימית עשירה בתרכובות של מתכות שונות (תמלחת), הנמצאת באזורים מסוימים. ליתיום פחמתי, Li2CO3(s)\text{Li}_2\text{CO}_{3(s)}Li2​CO3(s)​ , הדרוש לייצור סוללות לרכב חשמלי, מופק בשלבים רבים של אידוי, הפרדה וסינון של התמלחת המקורית עד לקבלת התרכובת הרצויה.
היסוד הליום, He(g)\text{He}_{(g)}He(g)​ , הוא היסוד השני הנפוץ ביקום אך נדיר מאוד על פני כדור הארץ. הליום משמש חומר קירור של מגנטים גדולים בציוד מדעי ורפואי. הליום נמצא גם בגופי תעופה שונים כגון בלונים לחיזוי מזג האוויר. בבלונים אלה החיישנים הדרושים למדידה נמצאים בקופסה המחוברת למצנח ולבלון סגור מלא בהליום שקוטרו כ־ 2 מטר. לאחר ניתוק הבלון שעל הקרקע, הוא נישא לגובה של עשרות קילומטרים, שם הטמפרטורה היא כ־ −50∘C-50^\circ\text{C}−50∘C , ואוסף נתונים.
לאחר מכן בלון ההליום נקרע וקופסת החיישנים נוחתת חזרה בעזרת המצנח. גז ההליום יוצא מן האטמוספרה, אובד בחלל ואי אפשר להשיבו (ראו איור).
גז ההליום נוצר בתהליך של פירוק גרעיני של אורניום או תוריום בליבת כדור הארץ. הגז עולה דרך שכבות כדור הארץ עד להגעתו למשטח סלעי שאינו מאפשר את בריחתו לאוויר. במקומות שונים בעולם יש מאגרים טבעיים של תערובת הליום עם גז טבעי. תערובת גז טבעי מכילה בעיקר מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ , חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , ופחמימנים נוספים. כמות ההליום בתערובת היא כ־ 0.01%0.01\%0.01% . גז ההליום נדרש לשימושים ייחודיים רבים, ולכן מפיקים אותו מתערובת זו, אף על פי שההפקה שלו דורשת השקעה גדולה של אנרגייה. אחת השיטות להפקת ההליום הנקי נעשית באמצעות קירור וניזול של תערובת הגז הטבעי על ידי הורדת הטמפרטורה והעלאת הלחץ.
הקשיים הרבים, השקעת האנרגייה והזיהום הסביבתי המתרחש במהלך ההפקה של חומרים חשובים אלה מחייבים פיתוח חלופות ומִחזור. לכן לאחר השימוש חשוב למחזר נייר אלומיניום, פחית משקה עשויה אלומיניום או סוללות ליתיום שכבר אינן בשימוש. כמו כן כדאי לצמצם ככל האפשר את השימוש בבלוני הליום – אומנם הם משמחים לבבות בחגיגות אבל נעלמים לבלי שוב לאחר שהם עפים ברוח.
מקורות ראשיים:
visualcapitalist.com/cp/the-periodic-table-of-endangered-elements/
thyssenkrupp-materials.co.uk/how-is-aluminum-made
systems.carmeuse.com/en/knowledge-center/blog/guide-use-of-lime-in-lithium-extraction-and-processing/
bbc.com/future/article/20250331-why-helium-shortages-are-worrying-the-world
stratoflights.com/en/weather-balloon-burst/
ענו על כל הסעיפים א–ה ועל אחד מן הסעיפים ו או ז.

א.

בשלב האחרון של הפקת אלומיניום מתרחשת תגובת פירוק חשמלי של אלומיניום חמצני שהופק מבוקסיט.

(1)

רשמו את נוסחת האלומיניום החמצני שהופק מן הבוקסיט. הקפידו לרשום את מצב הצבירה.

(2)

הסבירו מדוע יש להתיך אלומיניום חמצני כדי לבצע את תהליך הפירוק החשמלי.

(3)

נסחו ואזנו את תגובת הפירוק החשמלי של אלומיניום חמצני מותך, ליסודותיו. התבססו על הקטע והקפידו לרשום מצבי צבירה.

ב.

(1)

ציינו מאפיין מאקרוסקופי אחד המשותף לכל אחד מזוגות החומרים האלה:
i. ליתיום פחמתי – אלומיניום חמצני
ii. אלומיניום – ליתיום

(2)

מהו ההיגד הנכון?
i. ליתיום פחמתי ואלומיניום הם חומרים טהורים.
ii. תמלחת ליתיום וגז טבעי הם חומרים טהורים.

ג.

(1)

הסבירו את ההיגד: "חלקיק אלפא הוא למעשה גרעין של אטום הליום, 4He^{4}\text{He}4He ".

(2)

נתון תהליך הפירוק הרדיואקטיבי שבו מתקבל גרעין של אטום הליום:
X→ 90234Th+α\text{X} \rightarrow\ ^{234}_{90}\text{Th} + \alphaX→ 90234​Th+α
האות X מסמלת איזוטופ של יסוד שממנו נוצר הליום.
קבעו מה הם סמל היסוד, המספר האטומי ומספר המסה של האיזוטופ X הנתון.

ד.

לפניכם שני היגדים המתייחסים לבלון הליום לחיזוי מזג אוויר. קבעו מהו ההיגד הנכון.
i. ככל שהבלון עולה באטמוספרה, מספר חלקיקי ההליום בו גדל.
ii. ככל שהבלון עולה באטמוספרה, לחץ הגז שבתוכו קטן.

ה.

בקטע נתונים שלושה גזים המצויים בתערובת של גז טבעי: מתאן, חנקן והליום.
נתונות טמפרטורות הרתיחה של הגזים האלה: 4K4\text{K}4K , 77K77\text{K}77K , 112K112\text{K}112K .
מבין הטמפרטורות הנתונות, קבעו מהי טמפרטורת הרתיחה של הליום. ציינו את הגורם המשפיע על קביעתכם.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ז.
חשבו את הנפח של 4 גרם גז הליום בתנאים שבהם הלחץ הוא 0.5 atm0.5\ \text{atm}0.5 atm והטמפרטורה היא 200K200\text{K}200K . פרטו את חישוביכם.
נתון: R=0.082 atm⋅litermol⋅KR=0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{liter}}{\text{mol}\cdot\text{K}}R=0.082 mol⋅Katm⋅liter​ .

ז.

סעיף ז הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
בשנת 2022 הופקו בארצות הברית 860,000 טון אלומיניום בתהליך המתואר בקטע.
חשבו כמה טון תחמוצת נדרשו לשם כך. פרטו את חישוביכם.
נתון: 1 טון =1×106=1\times10^{6}=1×106 גרם.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

(1)

תשובה:

Al2O3(s)\text{Al}_2\text{O}_{3(s)}Al2​O3(s)​

לפי הפסקה השלישית בקטע: "מפיקים מהבוקסיט אלומיניום חמצני, Al2O3(s)\text{Al}_2\text{O}_{3(s)}Al2​O3(s)​". אלומיניום חמצני הוא תרכובת יונית (בנויה מיוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ ויוני O2−\text{O}^{2-}O2−) – מוצק בטמפרטורת החדר.

(2)

תשובה:

בפירוק חשמלי נדרשים יונים ניידים; במוצק היוני היונים קבועים בסריג, ורק בהתכה (במצב נוזל) הם הופכים לניידים.

כדי שהיונים יהיו ניידים ויוכלו להוליך זרם חשמלי.
אלומיניום חמצני הוא חומר יוני. במצב מוצק היונים Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ ו־O2−\text{O}^{2-}O2− מסודרים בסריג יוני וקבועים במקומם (רק רוטטים), ולכן החומר המוצק אינו מוליך חשמל ולא ניתן לפרקו בזרם חשמלי. בהתכה נהרס הסריג, היונים נעשים ניידים, הנוזל מוליך חשמל, והיונים יכולים לנוע אל האלקטרודות: יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ מקבלים אלקטרונים והופכים לאלומיניום, ויוני O2−\text{O}^{2-}O2− מוסרים אלקטרונים והופכים לחמצן.

(3)

תשובה:

2Al2O3(l)→4Al(l)+3O2(g)2\text{Al}_2\text{O}_{3(l)} \rightarrow 4\text{Al}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)}2Al2​O3(l)​→4Al(l)​+3O2(g)​

2Al2O3(l)→4Al(l)+3O2(g)2\text{Al}_2\text{O}_{3(l)} \rightarrow 4\text{Al}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)}2Al2​O3(l)​→4Al(l)​+3O2(g)​
•האלומיניום החמצני מותך, ולכן מצב הצבירה שלו (l)(l)(l).
•לפי הקטע (פסקה 3) מתקבל אלומיניום נוזלי, Al(l)\text{Al}_{(l)}Al(l)​.
•היסוד השני הוא חמצן, שהוא גז דו־אטומי, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​.
איזון: Al: 2⋅2=42\cdot2=42⋅2=4; O: 2⋅3=6=3⋅22\cdot3=6=3\cdot22⋅3=6=3⋅2.

סעיף ב

(1)

תשובה:

i. מוצקים בטמפרטורת החדר בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה (או: אינם מוליכים חשמל במצב מוצק אך מוליכים במצב נוזל). ii. מוליכים חשמל במצב מוצק (או: בעלי ברק מתכתי).

i. ליתיום פחמתי, Li2CO3\text{Li}_2\text{CO}_3Li2​CO3​ – אלומיניום חמצני, Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3Al2​O3​: שניהם חומרים יוניים, ולכן מאפיין משותף אפשרי: שניהם מוצקים בטמפרטורת החדר, בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה; או: אינם מוליכים חשמל במצב מוצק, אך מוליכים חשמל במצב נוזל (מותך). (בקטע שניהם מופיעים במצב מוצק, (s)(s)(s).)
ii. אלומיניום – ליתיום: שניהם מתכות, ולכן מאפיין משותף אפשרי: מוליכים חשמל במצב מוצק (וגם במצב נוזל); או: בעלי ברק מתכתי; או: מוליכים חום היטב.
(יש לציין מאפיין מאקרוסקופי – תכונה שאפשר למדוד או לראות – ולא תיאור של מבנה החלקיקים.)

(2)

תשובה:

ההיגד i נכון.

ההיגד i נכון. ליתיום פחמתי הוא תרכובת (Li2CO3\text{Li}_2\text{CO}_3Li2​CO3​) ואלומיניום הוא יסוד (Al\text{Al}Al) – לכל אחד מהם נוסחה כימית אחת, והוא בנוי מסוג אחד של חומר, ולכן שניהם חומרים טהורים.
ההיגד ii אינו נכון: לפי הקטע, תמלחת היא "תערובת מימית עשירה בתרכובות של מתכות שונות" (פסקה 4), וגז טבעי הוא "תערובת" המכילה בעיקר מתאן, חנקן ופחמימנים נוספים (פסקה 6). שניהם תערובות, לא חומרים טהורים.

סעיף ג

(1)

תשובה:

לחלקיק אלפא 2 פרוטונים ו־2 נייטרונים (מטען 2+2+2+, מספר מסה 4) – זהו בדיוק הרכב הגרעין של 4He^{4}\text{He}4He.

המספר האטומי של הליום הוא 2, ולכן בגרעין של אטום הליום יש 2 פרוטונים. מספר המסה של 4He^{4}\text{He}4He הוא 4, ולכן בגרעין יש 4−2=4-2=4−2= 2 נייטרונים.
חלקיק אלפא בנוי משני פרוטונים ושני נייטרונים (מטענו 2+2+2+ ומספר המסה שלו 4, 24α^{4}_{2}\alpha24​α), כלומר זהו אטום הליום ללא שני האלקטרונים שלו – גרעין 4He^{4}\text{He}4He (יון He2+\text{He}^{2+}He2+). כאשר חלקיק אלפא קולט שני אלקטרונים מן הסביבה, נוצר אטום הליום.

(2)

תשובה:

92238U^{238}_{92}\text{U}92238​U – אורניום, מספר אטומי 92, מספר מסה 238.

בתגובה גרעינית נשמרים סכום המספרים האטומיים וסכום מספרי המסה. חלקיק אלפא: 24α^{4}_{2}\alpha24​α.
•מספר אטומי: ZX=90+2=92Z_X = 90 + 2 = 92ZX​=90+2=92
•מספר מסה: AX=234+4=238A_X = 234 + 4 = 238AX​=234+4=238
היסוד שמספרו האטומי 92 (לפי הטבלה המחזורית) הוא אורניום, U. לכן:
92238U→ 90234Th+ 24α^{238}_{92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\alpha92238​U→ 90234​Th+ 24​α
זה מתאים לקטע: "גז ההליום נוצר בתהליך של פירוק גרעיני של אורניום או תוריום" (פסקה 6).

סעיף ד

תשובה:

ההיגד ii נכון.

ההיגד ii נכון.
- i אינו נכון: לפי הקטע (פסקה 5) הבלון סגור ומלא בהליום, ולכן לא נכנסים אליו ולא יוצאים ממנו חלקיקי הליום – מספר החלקיקים (מספר המולים) נשאר קבוע עד שהבלון נקרע.
- ii נכון: ככל שעולים באטמוספרה הלחץ החיצוני קטן, ודופן הבלון הגמישה מתרחבת – נפח הבלון גדל עד שהלחץ בפנים כמעט שווה ללחץ בחוץ. בנוסף הטמפרטורה יורדת (עד כ־−50∘C-50^\circ\text{C}−50∘C לפי הקטע). לפי P=nRTVP=\frac{nRT}{V}P=VnRT​: n קבוע, T קטנה ו־V גדל – ולכן הלחץ PPP של הגז בתוך הבלון קטן. ברמת החלקיקים: אותו מספר חלקיקים נע בנפח גדול יותר ובמהירות ממוצעת קטנה יותר, ולכן יש פחות התנגשויות ליחידת שטח של הדופן בכל שנייה. (הבלון נקרע כשהתרחבותו עוברת את גבול הגמישות שלו.)

סעיף ה

תשובה:

4K4\text{K}4K; הגורם: גודל ענן האלקטרונים (חוזק כוחות ואן דר ואלס) – להליום ענן האלקטרונים הקטן ביותר.

טמפרטורת הרתיחה של הליום: 4K4\text{K}4K (הנמוכה ביותר).
הליום, מתאן וחנקן הם חומרים שאינם קוטביים: הליום בנוי מאטומים בודדים, ומתאן וחנקן ממולקולות לא קוטביות. בין החלקיקים של כל אחד מהם פועלים רק כוחות ואן דר ואלס.
הגורם המשפיע: חוזק כוחות ואן דר ואלס תלוי בגודל ענן האלקטרונים של החלקיקים – ככל שענן האלקטרונים גדול יותר, הכוחות חזקים יותר וטמפרטורת הרתיחה גבוהה יותר. לאטום He רק 2 אלקטרונים, לעומת 10 אלקטרונים במולקולת CH4\text{CH}_4CH4​ ו־14 אלקטרונים במולקולת N2\text{N}_2N2​. לכן לחלקיקי ההליום ענן האלקטרונים הקטן ביותר, כוחות ואן דר ואלס ביניהם החלשים ביותר, ונדרשת האנרגיה הקטנה ביותר כדי להרחיקם זה מזה – טמפרטורת הרתיחה הנמוכה ביותר, 4K4\text{K}4K.
(להשלמה: 77K77\text{K}77K – חנקן, 112K112\text{K}112K – מתאן. ההשוואה בין חנקן למתאן אינה נדרשת.)

סעיף ו

תשובה:

V=32.8 LV=32.8\ \text{L}V=32.8 L

מספר המולים של הליום:
n=mM=4 g4.0 gmol=1.0 moln=\frac{m}{M}=\frac{4\ \text{g}}{4.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=1.0\ \text{mol}n=Mm​=4.0 molg​4 g​=1.0 mol
הנפח לפי חוק הגזים האידיאליים PV=nRTPV=nRTPV=nRT:
V=nRTP=1.0 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅200 K0.5 atm=32.8 LV=\frac{nRT}{P}=\frac{1.0\ \text{mol}\cdot 0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\cdot 200\ \text{K}}{0.5\ \text{atm}}=32.8\ \text{L}V=PnRT​=0.5 atm1.0 mol⋅0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅200 K​=32.8 L
תשובה: הנפח הוא 32.8 L32.8\ \text{L}32.8 L (כ־33 L33\ \text{L}33 L).
טעות נפוצה: שימוש במסה (4 גרם) במקום במספר המולים, או שכחת היחידות בכל שלב.

סעיף ז

תשובה:

כ־1.62×1061.62\times10^{6}1.62×106 טון Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3Al2​O3​ (כ־1,620,000 טון).

ניסוח התגובה (הפירוק החשמלי, סעיף א(3)):
2Al2O3(l)→4Al(l)+3O2(g)2\text{Al}_2\text{O}_{3(l)} \rightarrow 4\text{Al}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)}2Al2​O3(l)​→4Al(l)​+3O2(g)​
מסת האלומיניום בגרמים:
mAl=860,000 ton⋅1×106 gton=8.6×1011 gm_{\text{Al}}=860{,}000\ \text{ton}\cdot 1\times10^{6}\ \frac{\text{g}}{\text{ton}}=8.6\times10^{11}\ \text{g}mAl​=860,000 ton⋅1×106 tong​=8.6×1011 g
מספר המולים של Al:
nAl=mM=8.6×1011 g27.0 gmol=3.19×1010 moln_{\text{Al}}=\frac{m}{M}=\frac{8.6\times10^{11}\ \text{g}}{27.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=3.19\times10^{10}\ \text{mol}nAl​=Mm​=27.0 molg​8.6×1011 g​=3.19×1010 mol
יחס מולים Al2O3:Al=2:4=1:2\text{Al}_2\text{O}_3:\text{Al}=2:4=1:2Al2​O3​:Al=2:4=1:2:
nAl2O3=3.19×1010 mol2=1.59×1010 moln_{\text{Al}_2\text{O}_3}=\frac{3.19\times10^{10}\ \text{mol}}{2}=1.59\times10^{10}\ \text{mol}nAl2​O3​​=23.19×1010 mol​=1.59×1010 mol
מסה מולרית: MAl2O3=2⋅27.0+3⋅16.0=102.0 gmolM_{\text{Al}_2\text{O}_3}=2\cdot27.0+3\cdot16.0=102.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MAl2​O3​​=2⋅27.0+3⋅16.0=102.0 molg​
מסת התחמוצת:
m=n⋅M=1.59×1010 mol⋅102.0 gmol=1.62×1012 g=1.62×1012 g1×106 gton=1.62×106 tonm=n\cdot M=1.59\times10^{10}\ \text{mol}\cdot102.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=1.62\times10^{12}\ \text{g}=\frac{1.62\times10^{12}\ \text{g}}{1\times10^{6}\ \frac{\text{g}}{\text{ton}}}=1.62\times10^{6}\ \text{ton}m=n⋅M=1.59×1010 mol⋅102.0 molg​=1.62×1012 g=1×106 tong​1.62×1012 g​=1.62×106 ton
תשובה: נדרשו כ־1.62×1061.62\times10^{6}1.62×106 טון (כ־1,620,000 טון) אלומיניום חמצני.

פרק שני

שאלה 10 · תחמוצות – סוגי חומרים, מבנה האטום וגזים

שאלה פתוחה

מבנה האטום, מבנה וקישור
לפניכם חמש נוסחאות של תחמוצות (תרכובות המכילות חמצן).
מצבי הצבירה של התחמוצות אינם נתונים ולכן מסומן (?) ליד כל אחת מהן.
I. Cs2O(?)\text{Cs}_2\text{O}_{(?)}Cs2​O(?)​
II. N2O(?)\text{N}_2\text{O}_{(?)}N2​O(?)​
III. SiO2(?)\text{SiO}_{2(?)}SiO2(?)​
IV. SO2(?)\text{SO}_{2(?)}SO2(?)​
V. MgO(?)\text{MgO}_{(?)}MgO(?)​

א.

(1)

רשמו עבור כל אחת מן התחמוצות את סוג החומר: אטומרי, יוני או מולקולרי.

(2)

בטמפרטורת החדר שתיים מן התחמוצות הנתונות הן במצב צבירה גז ושאר התחמוצות במצב צבירה מוצק.
קבעו אילו מן התחמוצות הנתונות הן במצב צבירה מוצק בטמפרטורת החדר. נמקו את קביעותיכם.
בנימוקים התייחסו לסוג הקשרים בין החלקיקים בכל תחמוצת.

(3)

רשמו את נוסחאות כל התחמוצות, כולל מצב הצבירה.

ב.

החומר SO2(?)\text{SO}_{2(?)}SO2(?)​ נוצר באופן טבעי במהלך התפרצויות הרי געש. אבץ גופרי, ZnS(s)\text{ZnS}_{(s)}ZnS(s)​ , הנמצא במעמקי האדמה, מגיב בתנאים של התפרצות הר הגעש עם החמצן שבאוויר ונוצרים ZnO(s)\text{ZnO}_{(s)}ZnO(s)​ ו־ SO2(?)\text{SO}_{2(?)}SO2(?)​ .

(1)

נסחו ואזנו את התגובה בין ZnS(s)\text{ZnS}_{(s)}ZnS(s)​ לבין חמצן. הקפידו לרשום מצבי צבירה.

(2)

קבעו עבור כל אחד מן החומרים המשתתפים בתגובה אם הוא תחמוצת.

ג.

התחמוצת שנוסחתה Cs2O(?)\text{Cs}_2\text{O}_{(?)}Cs2​O(?)​ נמצאת בשימוש נרחב במכשירים אלקטרוניים.

(1)

רשמו בשפת הכימאים את הסימול של החלקיקים המרכיבים את התחמוצת Cs2O(?)\text{Cs}_2\text{O}_{(?)}Cs2​O(?)​ .

(2)

מספר המסה של אחד מן האיזוטופים של צזיום, Cs , הוא 135 .
כמה פרוטונים, כמה נייטרונים וכמה אלקטרונים יש בחלקיק צזיום 135 בתחמוצת Cs2O(?)\text{Cs}_2\text{O}_{(?)}Cs2​O(?)​ ?

ד.

לתחמוצת של מגנזיום, MgO(?)\text{MgO}_{(?)}MgO(?)​ , יש שימושים רבים ומגוונים בתעשייה.

(1)

רשמו את נוסחאות ייצוג האלקטרונים של החלקיקים המרכיבים את התחמוצת MgO(?)\text{MgO}_{(?)}MgO(?)​ .

(2)

רשמו את היערכות האלקטרונים של כל אחד מן החלקיקים שרשמתם בתת־סעיף ד(1).

ה.

בין שאר שימושיו, החומר N2O(?)\text{N}_2\text{O}_{(?)}N2​O(?)​ משמש בתערובות דלק לטילים.
החומר מתפרק לחמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , ולחנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ .
לפניכם ניסוח תגובת הפירוק של N2O(?)\text{N}_2\text{O}_{(?)}N2​O(?)​ :
2N2O(?)→2N2(g)+O2(g)2\text{N}_2\text{O}_{(?)} \rightarrow 2\text{N}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}2N2​O(?)​→2N2(g)​+O2(g)​
נתון מנוע של טיל שהלחץ בו הוא 100 atm100\ \text{atm}100 atm והטמפרטורה בו היא 3300 ∘C3300\ ^\circ\text{C}3300 ∘C .
מהו נפח החמצן שנוצר כאשר 200 מול של החומר N2O(?)\text{N}_2\text{O}_{(?)}N2​O(?)​ מתפרקים בתנאים אלה? פרטו את חישוביכם.
נתון: R=0.082 atm⋅litermol⋅KR=0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{liter}}{\text{mol}\cdot\text{K}}R=0.082 mol⋅Katm⋅liter​

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

(1)

תשובה:

I Cs2O\text{Cs}_2\text{O}Cs2​O – יוני; II N2O\text{N}_2\text{O}N2​O – מולקולרי; III SiO2\text{SiO}_2SiO2​ – אטומרי; IV SO2\text{SO}_2SO2​ – מולקולרי; V MgO – יוני.

- I. Cs2O\text{Cs}_2\text{O}Cs2​O – חומר יוני: תרכובת של מתכת (Cs) עם אל־מתכת (O); בנוי מיוני Cs+\text{Cs}^{+}Cs+ ו־O2−\text{O}^{2-}O2−.
- II. N2O\text{N}_2\text{O}N2​O – חומר מולקולרי: תרכובת של שתי אל־מתכות; בנוי ממולקולות נפרדות.
- III. SiO2\text{SiO}_2SiO2​ – חומר אטומרי (סריג אטומרי/קוולנטי): אטומי Si ו־O קשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים ברשת תלת־ממדית ענקית, ללא מולקולות נפרדות.
- IV. SO2\text{SO}_2SO2​ – חומר מולקולרי: תרכובת של שתי אל־מתכות; בנוי ממולקולות נפרדות.
- V. MgO – חומר יוני: בנוי מיוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ ו־O2−\text{O}^{2-}O2−.

(2)

תשובה:

מוצקים: Cs2O\text{Cs}_2\text{O}Cs2​O, SiO2\text{SiO}_2SiO2​, MgO (קשרים יוניים / קוולנטיים חזקים בכל הסריג); N2O\text{N}_2\text{O}N2​O ו־SO2\text{SO}_2SO2​ גזים (כוחות בין־מולקולריים חלשים).

התחמוצות המוצקות: Cs2O\text{Cs}_2\text{O}Cs2​O , SiO2\text{SiO}_2SiO2​ , MgO.
- Cs2O\text{Cs}_2\text{O}Cs2​O ו־MgO (יוניים): בין החלקיקים – יונים חיוביים ויונים שליליים – פועלים קשרים יוניים: משיכה חשמלית חזקה בין יונים בעלי מטענים מנוגדים, בכל כיווני הסריג היוני. כדי להפוך את החומר לנוזל או לגז יש לפרק קשרים יוניים רבים וחזקים, ולכן טמפרטורות ההיתוך והרתיחה גבוהות, והחומרים מוצקים בטמפרטורת החדר.
- SiO2\text{SiO}_2SiO2​ (אטומרי): בין האטומים פועלים קשרים קוולנטיים חזקים לאורך כל הסריג. כדי להתיך את החומר יש לפרק קשרים קוולנטיים רבים, ולכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה מאוד – מוצק.
- N2O\text{N}_2\text{O}N2​O ו־SO2\text{SO}_2SO2​ (מולקולריים): הקשרים הקוולנטיים החזקים נמצאים רק בתוך המולקולות; בין המולקולות פועלים כוחות בין־מולקולריים (ואן דר ואלס ודו־קוטב–דו־קוטב), חלשים בהרבה. כדי להרחיק את המולקולות זו מזו נדרשת אנרגיה מעטה, ולכן בטמפרטורת החדר הם גזים.

(3)

תשובה:

Cs2O(s)\text{Cs}_2\text{O}_{(s)}Cs2​O(s)​, N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​, SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​, SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​, MgO(s)\text{MgO}_{(s)}MgO(s)​

I. Cs2O(s)\text{Cs}_2\text{O}_{(s)}Cs2​O(s)​  II. N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​  III. SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​  IV. SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​  V. MgO(s)\text{MgO}_{(s)}MgO(s)​ (לפי הקביעות בתת־סעיף א(2)).

סעיף ב

(1)

תשובה:

2ZnS(s)+3O2(g)→2ZnO(s)+2SO2(g)2\text{ZnS}_{(s)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{ZnO}_{(s)} + 2\text{SO}_{2(g)}2ZnS(s)​+3O2(g)​→2ZnO(s)​+2SO2(g)​

2ZnS(s)+3O2(g)→2ZnO(s)+2SO2(g)2\text{ZnS}_{(s)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{ZnO}_{(s)} + 2\text{SO}_{2(g)}2ZnS(s)​+3O2(g)​→2ZnO(s)​+2SO2(g)​
איזון: Zn: 2 = 2; S: 2 = 2; O: 3⋅2=63\cdot2=63⋅2=6 באגף שמאל, 2⋅1+2⋅2=62\cdot1+2\cdot2=62⋅1+2⋅2=6 באגף ימין.
מצבי צבירה: החמצן שבאוויר – גז; SO2\text{SO}_2SO2​ – גז (סעיף א).

(2)

תשובה:

ZnO ו־SO2\text{SO}_2SO2​ – תחמוצות; ZnS ו־O2\text{O}_2O2​ – אינם תחמוצות.

לפי ההגדרה בשאלה, תחמוצת היא תרכובת המכילה חמצן.
- ZnS\text{ZnS}ZnS – אינו תחמוצת: אין בו חמצן.
- O2\text{O}_2O2​ – אינו תחמוצת: זהו יסוד, ולא תרכובת.
- ZnO\text{ZnO}ZnO – תחמוצת: תרכובת של אבץ וחמצן.
- SO2\text{SO}_2SO2​ – תחמוצת: תרכובת של גופרית וחמצן.

סעיף ג

(1)

תשובה:

Cs+\text{Cs}^{+}Cs+ ו־O2−\text{O}^{2-}O2−

התחמוצת יונית. צזיום נמצא בטור 1 (אלקטרון ערכיות אחד) ומוסר אותו – יון Cs+\text{Cs}^{+}Cs+; חמצן בטור 6 (6 אלקטרוני ערכיות) ומקבל שני אלקטרונים – יון O2−\text{O}^{2-}O2−. היחס 2:1 מנטרל את המטען: 2⋅(+1)+(−2)=02\cdot(+1)+(-2)=02⋅(+1)+(−2)=0.

(2)

תשובה:

55 פרוטונים, 80 נייטרונים, 54 אלקטרונים.

החלקיק בתחמוצת הוא היון 135Cs+^{135}\text{Cs}^{+}135Cs+.
- פרוטונים: המספר האטומי של Cs (מהטבלה המחזורית) הוא 55 → 55 פרוטונים.
- נייטרונים: מספר מסה − מספר פרוטונים =135−55==135-55==135−55= 80 נייטרונים.
- אלקטרונים: לאטום נייטרלי 55 אלקטרונים; היון Cs+\text{Cs}^{+}Cs+ מסר אלקטרון אחד → 55−1=55-1=55−1= 54 אלקטרונים.
טעות נפוצה: לרשום 55 אלקטרונים – ולשכוח שבתחמוצת צזיום נמצא כיון חיובי.

סעיף ד

(1)

תשובה:

[Mg]2+[\text{Mg}]^{2+}[Mg]2+ ו־[O]2−[\text{O}]^{2-}[O]2− עם שמונה אלקטרונים (ארבעה זוגות) סביב O.

התחמוצת בנויה מיוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ ויוני O2−\text{O}^{2-}O2−:
- יון מגנזיום: אטום Mg מסר את שני אלקטרוני הערכיות שלו, ולכן ברמה החיצונית לא נותרו אלקטרונים לסמן: רושמים [Mg]2+[\text{Mg}]^{2+}[Mg]2+ (סמל היסוד בתוך סוגריים מרובעים, ללא נקודות, והמטען 2+2+2+ מחוץ לסוגריים).
- יון תחמוצת: לאטום O שישה אלקטרוני ערכיות, והוא קיבל שניים – סביב הסמל O מסמנים שמונה אלקטרונים, בארבעה זוגות (נקודות או קווים), בתוך סוגריים מרובעים, והמטען 2−2-2− מחוץ לסוגריים: [ : ⁣O..¨ ⁣: ]2−[\,:\!\ddot{\underset{..}{\text{O}}}\!:\,]^{2-}[:..O​¨​:]2−.

(2)

תשובה:

Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+: 2,8; O2−\text{O}^{2-}O2−: 2,8

- Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+: לאטום Mg (מספר אטומי 12) היערכות 2,8,2; היון מסר 2 אלקטרונים → 10 אלקטרונים: 2,8.
- O2−\text{O}^{2-}O2−: לאטום O (מספר אטומי 8) היערכות 2,6; היון קיבל 2 אלקטרונים → 10 אלקטרונים: 2,8.
לשני היונים אותה היערכות אלקטרונים – כמו של הגז האציל ניאון.

סעיף ה

תשובה:

VO2≈293 LV_{\text{O}_2}\approx 293\ \text{L}VO2​​≈293 L

מספר המולים של חמצן – לפי יחס המולים בניסוח N2O:O2=2:1\text{N}_2\text{O}:\text{O}_2=2:1N2​O:O2​=2:1:
nO2=200 mol2=100 moln_{\text{O}_2}=\frac{200\ \text{mol}}{2}=100\ \text{mol}nO2​​=2200 mol​=100 mol
המרת הטמפרטורה לקלווין:
T=3300 ∘C+273=3573 KT=3300\ ^\circ\text{C}+273=3573\ \text{K}T=3300 ∘C+273=3573 K
הנפח לפי PV=nRTPV=nRTPV=nRT:
V=nRTP=100 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅3573 K100 atm=293 LV=\frac{nRT}{P}=\frac{100\ \text{mol}\cdot0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\cdot3573\ \text{K}}{100\ \text{atm}}=293\ \text{L}V=PnRT​=100 atm100 mol⋅0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅3573 K​=293 L
תשובה: נפח החמצן הוא כ־293 L293\ \text{L}293 L.
טעות נפוצה: הצבת הטמפרטורה במעלות צלזיוס, או חישוב לפי 200 מול (מספר המולים של N2O\text{N}_2\text{O}N2​O) במקום 100 מול חמצן.

שאלה 11 · ברום ותרכובותיו – חמצון–חיזור וחישובים

שאלה פתוחה

חמצון–חיזור, חישובים
השאלה עוסקת ביסוד ברום ובכמה מתרכובותיו. סמל היסוד ברום הוא 35Br_{35}\text{Br}35​Br .
מי ים המלח עשירים ביוני ברומיד, Br(aq)−\text{Br}^{-}_{(aq)}Br(aq)−​ .
מפיקים ברום, Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ , ממי ים המלח בתגובה בין יוני ברומיד, Br(aq)−\text{Br}^{-}_{(aq)}Br(aq)−​ , ובין כלור גזי, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ .
לפניכם ניסוח נטו של התגובה (תגובה 1):
1.2Br(aq)−+Cl2(g)→Br2(l)+2Cl(aq)−1.\qquad 2\text{Br}^{-}_{(aq)} + \text{Cl}_{2(g)} \rightarrow \text{Br}_{2(l)} + 2\text{Cl}^{-}_{(aq)}1.2Br(aq)−​+Cl2(g)​→Br2(l)​+2Cl(aq)−​

א.

קבעו מהו המחמצן ומהו המחזר בתגובה 1. הסבירו את שתי הקביעות.

ב.

הריכוז של יוני Br(aq)−\text{Br}^{-}_{(aq)}Br(aq)−​ במי ים המלח הוא כ־ 5 גרם לליטר.
חשבו את ריכוז יוני Br(aq)−\text{Br}^{-}_{(aq)}Br(aq)−​ במי ים המלח ביחידות של מול לליטר (M) . פרטו את חישוביכם.

ג.

ברום הוא נוזל רעיל, ולכן הוא מאוחסן במכלים מיוחדים.
במקרה של דליפת ברום מן המכלים אפשר להגיב אותו עם אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , כדי למנוע את פיזורו.
בתגובה מתקבלים התרכובת היונית NH4Br(s)\text{NH}_4\text{Br}_{(s)}NH4​Br(s)​ וגז חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ .
לפניכם ניסוח התגובה (תגובה 2):
2.3Br2(l)+8NH3(g)→6NH4Br(s)+N2(g)2.\qquad 3\text{Br}_{2(l)} + 8\text{NH}_{3(g)} \rightarrow 6\text{NH}_4\text{Br}_{(s)} + \text{N}_{2(g)}2.3Br2(l)​+8NH3(g)​→6NH4​Br(s)​+N2(g)​
התבססו על ניסוח תגובה 2 וקבעו עבור כל אחד מן ההיגדים שלפניכם אם הוא נכון או לא נכון.
נמקו את קביעותיכם.

(i)

מולקולות החנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , הן תוצר של תהליך חיזור.

(ii)

האטומים במולקולות הברום, Br2(l)\text{Br}_{2(l)}Br2(l)​ , עברו תהליך חיזור.

ד.

לתרכובות ברום שימושים רבים ומגוונים.
התרכובת מימן ברומי, HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ , משמשת לייצור חומרים שונים.
מייצרים מימן ברומי, HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ , ממימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , ומברום גזי, Br2(g)\text{Br}_{2(g)}Br2(g)​ .

(1)

רשמו ניסוח מאוזן של התגובה לייצור HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ .

(2)

מהי מסת HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ שמתקבלת בתגובה בין 10 גרם H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ לבין מספר מולים מתאים של Br2(g)\text{Br}_{2(g)}Br2(g)​ ? פרטו את חישוביכם.

ה.

תמיסה מימית מרוכזת של סידן ברומי, CaBr2(aq)\text{CaBr}_{2(aq)}CaBr2(aq)​ , משמשת בקידוחי נפט.
מייצרים את התמיסה על ידי הוספת תמיסה מימית של HBr(aq)\text{HBr}_{(aq)}HBr(aq)​ לסידן חמצני, CaO(s)\text{CaO}_{(s)}CaO(s)​ .
לפניכם ניסוח התגובה (תגובה 3):
3.CaO(s)+2H3O(aq)++2Br(aq)−→Ca(aq)2++2Br(aq)−+3H2O(l)3.\qquad \text{CaO}_{(s)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + 2\text{Br}^{-}_{(aq)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + 2\text{Br}^{-}_{(aq)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(l)}3.CaO(s)​+2H3​O(aq)+​+2Br(aq)−​→Ca(aq)2+​+2Br(aq)−​+3H2​O(l)​
האם תגובה 3 היא תגובת חמצון–חיזור? הסבירו את תשובתכם.

ו.

התרכובת כסף ברומי, AgBr(s)\text{AgBr}_{(s)}AgBr(s)​ , משמשת בצילום על משטחים שונים, כמו לוחות מתכת או נייר.
אפשר להכין AgBr(s)\text{AgBr}_{(s)}AgBr(s)​ בתגובת שיקוע, בין תמיסת נתרן ברומי, NaBr(aq)\text{NaBr}_{(aq)}NaBr(aq)​ , ובין תמיסת כסף חנקתי, AgNO3(aq)\text{AgNO}_{3(aq)}AgNO3(aq)​ .
לפניכם ניסוח נטו של תגובת השיקוע של AgBr(s)\text{AgBr}_{(s)}AgBr(s)​ (תגובה 4):
4.Ag(aq)++Br(aq)−→AgBr(s)4.\qquad \text{Ag}^{+}_{(aq)} + \text{Br}^{-}_{(aq)} \rightarrow \text{AgBr}_{(s)}4.Ag(aq)+​+Br(aq)−​→AgBr(s)​
ערבבו 100 מ"ל תמיסת נתרן ברומי, NaBr(aq)\text{NaBr}_{(aq)}NaBr(aq)​ , עם 100 מ"ל תמיסת כסף חנקתי, AgNO3(aq)\text{AgNO}_{3(aq)}AgNO3(aq)​ .
הריכוז של כל אחת מן התמיסות הוא 1M1\text{M}1M . כל החומרים הגיבו בשלמות.
מהי מסת המשקע שהתקבל? פרטו את חישוביכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

תשובה:

המחמצן: Cl2\text{Cl}_2Cl2​; המחזר: Br−\text{Br}^{-}Br−.

המחמצן: Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​. דרגת החמצון של Cl יורדת מ־000 ב־Cl2\text{Cl}_2Cl2​ ל־−1-1−1 ב־Cl−\text{Cl}^{-}Cl−: כל אטום Cl מקבל אלקטרון (עובר חיזור), כלומר Cl2\text{Cl}_2Cl2​ גורם לחמצון של יוני הברומיד – הוא המחמצן.
המחזר: Br(aq)−\text{Br}^{-}_{(aq)}Br(aq)−​. דרגת החמצון של Br עולה מ־−1-1−1 ב־Br−\text{Br}^{-}Br− ל־000 ב־Br2\text{Br}_2Br2​: כל יון Br−\text{Br}^{-}Br− מוסר אלקטרון (עובר חמצון), ואת האלקטרונים מקבל הכלור – יוני הברומיד הם המחזר.
טעות נפוצה: לקבוע שהמחמצן הוא החומר שעובר חמצון – בפועל המחמצן עצמו עובר חיזור.

סעיף ב

תשובה:

≈0.063 M\approx 0.063\ \text{M}≈0.063 M

ב־1 L1\ \text{L}1 L מי ים המלח יש 5 g5\ \text{g}5 g יוני ברומיד. המסה המולרית של Br−\text{Br}^{-}Br− (מסת האלקטרון זניחה) היא 79.9 gmol79.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}79.9 molg​.
n=mM=5 g79.9 gmol=0.0626 moln=\frac{m}{M}=\frac{5\ \text{g}}{79.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.0626\ \text{mol}n=Mm​=79.9 molg​5 g​=0.0626 mol
C=nV=0.0626 mol1 L=0.0626 M≈0.063 MC=\frac{n}{V}=\frac{0.0626\ \text{mol}}{1\ \text{L}}=0.0626\ \text{M}\approx0.063\ \text{M}C=Vn​=1 L0.0626 mol​=0.0626 M≈0.063 M
תשובה: ריכוז יוני Br−\text{Br}^{-}Br− הוא כ־0.063 M0.063\ \text{M}0.063 M.
טעות נפוצה: שימוש במסה המולרית של Br2\text{Br}_2Br2​ (159.8 gmol159.8\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}159.8 molg​) במקום של יון Br−\text{Br}^{-}Br−.

סעיף ג

(i)

תשובה:

לא נכון – N2\text{N}_2N2​ הוא תוצר של תהליך חמצון.

לא נכון. דרגת החמצון של N ב־NH3\text{NH}_3NH3​: x+3⋅(+1)=0⇒x=−3x+3\cdot(+1)=0 \Rightarrow x=-3x+3⋅(+1)=0⇒x=−3. ב־N2\text{N}_2N2​ (יסוד) דרגת החמצון היא 000. דרגת החמצון עולה מ־−3-3−3 ל־000 – אטומי N מוסרים אלקטרונים, כלומר N2\text{N}_2N2​ הוא תוצר של תהליך חמצון.
(בחלק מן האמוניה דרגת החמצון של N נשארת −3-3−3, ב־NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​ שבתוך NH4Br\text{NH}_4\text{Br}NH4​Br.)

(ii)

תשובה:

נכון – דרגת החמצון של Br יורדת מ־0 ל־−1-1−1.

נכון. ב־Br2\text{Br}_2Br2​ (יסוד) דרגת החמצון של Br היא 000. ב־NH4Br\text{NH}_4\text{Br}NH4​Br – תרכובת יונית של NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​ ו־Br−\text{Br}^{-}Br− – דרגת החמצון של Br היא −1-1−1. דרגת החמצון יורדת: אטומי Br קיבלו אלקטרונים, ולכן עברו תהליך חיזור.

סעיף ד

(1)

תשובה:

H2(g)+Br2(g)→2HBr(g)\text{H}_{2(g)} + \text{Br}_{2(g)} \rightarrow 2\text{HBr}_{(g)}H2(g)​+Br2(g)​→2HBr(g)​

H2(g)+Br2(g)→2HBr(g)\text{H}_{2(g)} + \text{Br}_{2(g)} \rightarrow 2\text{HBr}_{(g)}H2(g)​+Br2(g)​→2HBr(g)​
 איזון: H: 2 = 2; Br: 2 = 2.

(2)

תשובה:

809 g809\ \text{g}809 g (כ־8.1×1028.1\times10^{2}8.1×102 גרם)

מולים של מימן: MH2=2⋅1.0=2.0 gmolM_{\text{H}_2}=2\cdot1.0=2.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MH2​​=2⋅1.0=2.0 molg​
nH2=mM=10 g2.0 gmol=5.0 moln_{\text{H}_2}=\frac{m}{M}=\frac{10\ \text{g}}{2.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=5.0\ \text{mol}nH2​​=Mm​=2.0 molg​10 g​=5.0 mol
יחס מולים H2:HBr=1:2\text{H}_2:\text{HBr}=1:2H2​:HBr=1:2:
nHBr=2⋅5.0 mol=10 moln_{\text{HBr}}=2\cdot5.0\ \text{mol}=10\ \text{mol}nHBr​=2⋅5.0 mol=10 mol
מסה מולרית: MHBr=1.0+79.9=80.9 gmolM_{\text{HBr}}=1.0+79.9=80.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MHBr​=1.0+79.9=80.9 molg​
mHBr=n⋅M=10 mol⋅80.9 gmol=809 gm_{\text{HBr}}=n\cdot M=10\ \text{mol}\cdot80.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=809\ \text{g}mHBr​=n⋅M=10 mol⋅80.9 molg​=809 g
תשובה: מתקבלים 809 g809\ \text{g}809 g מימן ברומי.

סעיף ה

תשובה:

לא – אין שינוי בדרגות החמצון (אין מעבר אלקטרונים); זו תגובת חומצה–בסיס.

לא, תגובה 3 אינה תגובת חמצון–חיזור.
נבדוק את דרגות החמצון לפני התגובה ואחריה:
•Ca: +2+2+2 ב־CaO וגם +2+2+2 ב־Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+.
•O: −2-2−2 ב־CaO, ב־H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ וב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
•H: +1+1+1 ב־H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ וב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
•Br: −1-1−1 לפני ואחרי (יוני הברומיד הם יונים צופים).
אף דרגת חמצון אינה משתנה, כלומר אין מעבר אלקטרונים, ולכן זו אינה תגובת חמצון–חיזור. זוהי תגובת חומצה–בסיס: יוני התחמוצת, O2−\text{O}^{2-}O2−, שבסריג ה־CaO מקבלים פרוטונים מיוני ההידרוניום, ונוצרים מים.

סעיף ו

תשובה:

18.8 g18.8\ \text{g}18.8 g (18.78 גרם) AgBr\text{AgBr}AgBr

מולים של כל יון:
nBr−=nNaBr=C⋅V=1 molL⋅0.100 L=0.1 moln_{\text{Br}^-}=n_{\text{NaBr}}=C\cdot V=1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.1\ \text{mol}nBr−​=nNaBr​=C⋅V=1 Lmol​⋅0.100 L=0.1 mol
nAg+=nAgNO3=1 molL⋅0.100 L=0.1 moln_{\text{Ag}^+}=n_{\text{AgNO}_3}=1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.1\ \text{mol}nAg+​=nAgNO3​​=1 Lmol​⋅0.100 L=0.1 mol
לפי תגובה 4 היחס Ag+:Br−:AgBr=1:1:1\text{Ag}^{+}:\text{Br}^{-}:\text{AgBr}=1:1:1Ag+:Br−:AgBr=1:1:1, ושני המגיבים מגיבים בשלמות, לכן:
nAgBr=0.1 moln_{\text{AgBr}}=0.1\ \text{mol}nAgBr​=0.1 mol
מסה מולרית: MAgBr=107.9+79.9=187.8 gmolM_{\text{AgBr}}=107.9+79.9=187.8\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MAgBr​=107.9+79.9=187.8 molg​
m=n⋅M=0.1 mol⋅187.8 gmol=18.78 g≈18.8 gm=n\cdot M=0.1\ \text{mol}\cdot187.8\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=18.78\ \text{g}\approx18.8\ \text{g}m=n⋅M=0.1 mol⋅187.8 molg​=18.78 g≈18.8 g
תשובה: מסת המשקע (AgBr(s)\text{AgBr}_{(s)}AgBr(s)​) היא כ־18.8 g18.8\ \text{g}18.8 g.

שאלה 12 · ניסויי סתירה – pH ואנרגיה בתגובה

שאלה פתוחה

חומצות ובסיסים, אנרגייה
בשאלה זו מתוארים שלושה ניסויים.
ניסוי 1
תלמידים שפכו לתוך ארבע כוסות המסומנות באותיות A , B , C , D ארבע תמיסות צלולות, על פי המפורט בטבלה שלפניכם:
כוסABCD
נוזלתמיסת NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​תמיסת HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​תמיסת Ba(OH)2(aq)\text{Ba(OH)}_{2(aq)}Ba(OH)2(aq)​תמיסת HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​
**נפח** (מ"ל)100100100100
**ריכוז** (M)1110.01
הטמפרטורה של כל אחת מן התמיסות הייתה 22∘C22^\circ\text{C}22∘C .
התלמידים מדדו את ערך ה־ pH בכל אחת מן התמיסות.

כוס	A	B	C	D
נוזל	תמיסת $\text{NaOH}_{(aq)}$	תמיסת $\text{HCl}_{(aq)}$	תמיסת $\text{Ba(OH)}_{2(aq)}$	תמיסת $\text{HCl}_{(aq)}$
נפח (מ"ל)	100	100	100	100
ריכוז (M)	1	1	1	0.01

א.

(1)

דרגו את התמיסות על פי ערך עולה של ה־ pH .

(2)

רשמו את הסימול של כל סוגי היונים הממוימים בכל אחת מן הכוסות A , B , C , D .

ב.

ניסוי 2
התלמידים שפכו את התמיסה NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​ מכוס A אל התמיסה HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​ שבכוס B וערבבו. במהלך הערבוב עלתה טמפרטורת התמיסה עד ל־ 28∘C28^\circ\text{C}28∘C .

(1)

נסחו את התגובה נטו שהתרחשה בעת ערבוב התמיסות.

(2)

האם התגובה שהתרחשה בכוס היא תגובה אקסותרמית או אנדותרמית? נמקו את תשובתכם. בנימוק התייחסו למעברי אנרגייה.

(3)

מהו ΔH0\Delta H^0ΔH0 העשוי להתאים לתגובה שניסחתם: −57kJ-57\text{kJ}−57kJ או +57kJ+57\text{kJ}+57kJ ? נמקו את בחירתכם.

(4)

האם ערכו של ה־ pH בתום התגובה שהתרחשה הוא בתחום החומצי, בתחום הבסיסי או ניטרלי?
נמקו את תשובתכם או היעזרו בחישוב.

ג.

ניסוי 3
התלמידים שפכו את התמיסה Ba(OH)2(aq)\text{Ba(OH)}_{2(aq)}Ba(OH)2(aq)​ מכוס C אל התמיסה HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​ שבכוס D וערבבו. במהלך הערבוב השתנתה טמפרטורת התמיסה.

(1)

נסחו את התגובה נטו שהתרחשה בעת ערבוב התמיסות.

(2)

האם הטמפרטורה של התמיסה, לאחר הערבוב, עלתה או ירדה? נמקו את תשובתכם.

(3)

האם כמות האנרגייה שעברה בין המערכת ובין הסביבה בניסוי 3 זהה לכמות האנרגייה שעברה בין המערכת ובין הסביבה בניסוי 2? נמקו את תשובתכם.

(4)

האם ערכו של ΔH0\Delta H^0ΔH0 לתגובה שניסחתם בתת־סעיף ג(1) שווה לערכו של ΔH0\Delta H^0ΔH0 לתגובה שניסחתם בתת־סעיף ב(1) או שונה ממנו? נמקו את תשובתכם.

(5)

האם ערכו של ה־ pH בתום התגובה שהתרחשה בניסוי 3 הוא בתחום החומצי, בתחום הבסיסי או ניטרלי?
נמקו את תשובתכם או היעזרו בחישוב.

◂ פתרון מלא לשאלה 12

סעיף א

(1)

תשובה:

B < D < A < C

B < D < A < C
- B ו־D – תמיסות חומצה (HCl), pH קטן מ־7. ב־B ריכוז יוני ההידרוניום 1 M1\ \text{M}1 M (pH = 0), וב־D רק 0.01 M0.01\ \text{M}0.01 M (pH = 2). ככל שריכוז H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ גבוה יותר ה־pH נמוך יותר, לכן B < D.
- A ו־C – תמיסות בסיס, pH גדול מ־7. ב־A: NaOH→Na++OH−\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^{+} + \text{OH}^{-}NaOH→Na++OH−, ולכן [OH−]=1 M[\text{OH}^{-}]=1\ \text{M}[OH−]=1 M. ב־C: Ba(OH)2→Ba2++2OH−\text{Ba(OH)}_2 \rightarrow \text{Ba}^{2+} + 2\text{OH}^{-}Ba(OH)2​→Ba2++2OH−, ולכן [OH−]=2⋅1=2 M[\text{OH}^{-}]=2\cdot1=2\ \text{M}[OH−]=2⋅1=2 M. ככל שריכוז OH−\text{OH}^{-}OH− גבוה יותר ה־pH גבוה יותר, לכן A < C.

(2)

תשובה:

A: Na(aq)+\text{Na}^{+}_{(aq)}Na(aq)+​, OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}OH(aq)−​; B, D: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​, Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​; C: Ba(aq)2+\text{Ba}^{2+}_{(aq)}Ba(aq)2+​, OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}OH(aq)−​

- כוס A: Na(aq)+\text{Na}^{+}_{(aq)}Na(aq)+​ , OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}OH(aq)−​ (המסת יוני: NaOH(s)→Na(aq)++OH(aq)−\text{NaOH}_{(s)} \rightarrow \text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}NaOH(s)​→Na(aq)+​+OH(aq)−​)
- כוס B: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ , Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​ (יינון: 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)−​)
- כוס C: Ba(aq)2+\text{Ba}^{2+}_{(aq)}Ba(aq)2+​ , OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}OH(aq)−​
- כוס D: H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ , Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​ (אותם יונים כמו ב־B, בריכוז נמוך יותר)

סעיף ב

(1)

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)​

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)​
היונים Na(aq)+\text{Na}^{+}_{(aq)}Na(aq)+​ ו־Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​ אינם משתתפים בתגובה (יונים צופים) ולכן אינם מופיעים בניסוח נטו.

(2)

תשובה:

אקסותרמית – אנרגיה עברה מן המערכת לסביבה, ולכן הטמפרטורה עלתה.

התגובה אקסותרמית. הטמפרטורה של התמיסה (הסביבה – המים שבהם מתרחשת התגובה) עלתה מ־22∘C22^\circ\text{C}22∘C ל־28∘C28^\circ\text{C}28∘C. משמע שבתגובה אנרגיה עברה מן המערכת (המגיבים) אל הסביבה: האנרגיה האצורה בתוצרים קטנה מזו שבמגיבים, וההפרש נפלט לסביבה כחום, ΔH<0\Delta H<0ΔH<0.

(3)

תשובה:

ΔH0=−57 kJ\Delta H^0=-57\ \text{kJ}ΔH0=−57 kJ

ΔH0=−57 kJ\Delta H^0=-57\ \text{kJ}ΔH0=−57 kJ. התגובה אקסותרמית (תת־סעיף ב(2)) – אנרגיה עוברת מן המערכת לסביבה, ולכן האנתלפיה של התוצרים נמוכה מזו של המגיבים: ΔH0=Hתוצרים−Hמגיבים<0\Delta H^0=H_{\text{תוצרים}}-H_{\text{מגיבים}}<0ΔH0=Hתוצרים​−Hמגיבים​<0. ערך חיובי מתאים לתגובה אנדותרמית, שבה הטמפרטורה הייתה יורדת.

(4)

תשובה:

ניטרלי (pH = 7) – מספר המולים של H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ ושל OH−\text{OH}^{-}OH− שווה.

ניטרלי (pH = 7).
nH3O+=C⋅V=1 molL⋅0.100 L=0.1 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=C\cdot V=1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.1\ \text{mol}nH3​O+​=C⋅V=1 Lmol​⋅0.100 L=0.1 mol
nOH−=1 molL⋅0.100 L=0.1 moln_{\text{OH}^-}=1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.1\ \text{mol}nOH−​=1 Lmol​⋅0.100 L=0.1 mol
לפי הניסוח נטו היחס H3O+:OH−=1:1\text{H}_3\text{O}^{+}:\text{OH}^{-}=1:1H3​O+:OH−=1:1, ולכן שני סוגי היונים מגיבים בשלמות ואין עודף של אף אחד מהם. בתמיסה נשארים רק יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ו־Cl−\text{Cl}^{-}Cl− (תמיסת NaCl) – התמיסה ניטרלית.

סעיף ג

(1)

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)​

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)​
גם כאן היונים Ba2+\text{Ba}^{2+}Ba2+ ו־Cl−\text{Cl}^{-}Cl− הם יונים צופים, והתגובה נטו היא תגובת סתירה בין יוני הידרוניום ליוני הידרוקסיד – אותה תגובה כמו בניסוי 2.

(2)

תשובה:

עלתה – זו אותה תגובה אקסותרמית (ניטרול), אנרגיה עוברת מן המערכת לסביבה.

הטמפרטורה עלתה. התגובה נטו זהה לזו של ניסוי 2 – תגובת סתירה בין H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ ל־OH−\text{OH}^{-}OH−, שהיא אקסותרמית (ΔH0<0\Delta H^0<0ΔH0<0). לכן גם בניסוי 3 אנרגיה עברה מן המערכת לסביבה (לתמיסה), והטמפרטורה עלתה (אם כי מעט מאוד – ראו תת־סעיף ג(3)).

(3)

תשובה:

לא – בניסוי 3 הגיבו רק 0.001 מול יוני הידרוניום לעומת 0.1 מול בניסוי 2, ולכן עברה כמות אנרגיה קטנה פי 100.

לא, בניסוי 3 עברה כמות אנרגיה קטנה יותר (פי 100).
כמות האנרגיה שעוברת תלויה במספר המולים שהגיבו בפועל.
•ניסוי 2: nH3O+=1 molL⋅0.100 L=0.1 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.1\ \text{mol}nH3​O+​=1 Lmol​⋅0.100 L=0.1 mol ו־nOH−=0.1 moln_{\text{OH}^-}=0.1\ \text{mol}nOH−​=0.1 mol → הגיבו 0.1 mol0.1\ \text{mol}0.1 mol מכל אחד.
•ניסוי 3: nH3O+=0.01 molL⋅0.100 L=0.001 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=0.01\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.001\ \text{mol}nH3​O+​=0.01 Lmol​⋅0.100 L=0.001 mol, ו־nOH−=2⋅1 molL⋅0.100 L=0.2 moln_{\text{OH}^-}=2\cdot1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.2\ \text{mol}nOH−​=2⋅1 Lmol​⋅0.100 L=0.2 mol. יוני ההידרוניום הם המגיב המגביל → הגיבו רק 0.001 mol0.001\ \text{mol}0.001 mol.
לכן האנרגיה שעברה: ניסוי 2 – 0.1 mol⋅57 kJmol=5.7 kJ0.1\ \text{mol}\cdot57\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}=5.7\ \text{kJ}0.1 mol⋅57 molkJ​=5.7 kJ; ניסוי 3 – 0.001 mol⋅57 kJmol=0.057 kJ0.001\ \text{mol}\cdot57\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}=0.057\ \text{kJ}0.001 mol⋅57 molkJ​=0.057 kJ, כלומר פי 100 פחות.

(4)

תשובה:

שווה (−57 kJ-57\ \text{kJ}−57 kJ) – זו אותה תגובה באותו ניסוח.

שווה – ΔH0=−57 kJ\Delta H^0=-57\ \text{kJ}ΔH0=−57 kJ בשני המקרים. ΔH0\Delta H^0ΔH0 מתייחס לתגובה כפי שהיא מנוסחת – למספרי המולים שבמקדמי הניסוח (מול אחד H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ עם מול אחד OH−\text{OH}^{-}OH−), ולא לכמויות שהגיבו בפועל בניסוי. הניסוחים בתת־סעיפים ב(1) ו־ג(1) זהים, ולכן ערך ΔH0\Delta H^0ΔH0 זהה. ההבדל בין הניסויים הוא רק בכמות האנרגיה הכוללת שעברה, התלויה במספר המולים שהגיבו (תת־סעיף ג(3)).

(5)

תשובה:

בסיסי – נשאר עודף של 0.199 mol0.199\ \text{mol}0.199 mol יוני OH−\text{OH}^{-}OH−.

בתחום הבסיסי.
nOH−=0.2 moln_{\text{OH}^-}=0.2\ \text{mol}nOH−​=0.2 mol, nH3O+=0.001 moln_{\text{H}_3\text{O}^+}=0.001\ \text{mol}nH3​O+​=0.001 mol (תת־סעיף ג(3)). לפי היחס 1:11:11:1, כל יוני ההידרוניום מגיבים ונשאר עודף של יוני הידרוקסיד:
nOH− (עודף)=0.2 mol−0.001 mol=0.199 moln_{\text{OH}^-\ \text{(עודף)}}=0.2\ \text{mol}-0.001\ \text{mol}=0.199\ \text{mol}nOH− (עודף)​=0.2 mol−0.001 mol=0.199 mol
[OH−]=0.199 mol0.200 L=0.995 M[\text{OH}^{-}]=\frac{0.199\ \text{mol}}{0.200\ \text{L}}=0.995\ \text{M}[OH−]=0.200 L0.199 mol​=0.995 M
יש בתמיסה עודף של יוני OH−\text{OH}^{-}OH−, ולכן היא בסיסית (pH גדול מ־7, כ־14).

שאלה 13 · סיגריה אלקטרונית – אתנון וויטמין E אצטאט

שאלה פתוחה

מבנה וקישור, אנרגייה
במהלך השימוש בסיגריה אלקטרונית (ראו איור), נוזל אידוי (המכיל לרוב ניקוטין, ויטמין E אצטאט, חומרי טעם וריח וממסים) מחומם והופך לאדים הנשאפים לריאות. תהליך זה מתבצע באמצעות סוללה וגוף חימום המְאַדֶּה את הנוזל מן המכל. החומר אֶתֶנוֹן, C2H2O(g)\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_{(g)}C2​H2​O(g)​ , נוצר מפירוק בחימום של החומר ויטמין E אצטאט המצוי בנוזל האידוי.
לפניכם ייצוג מלא של נוסחת המבנה של מולקולת אֶתֶנוֹן:

א.

אתנון הוא חומר חשוב המגיב בקלות ומשמש בתגובות רבות בתעשייה.

(1)

נתון ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה של מולקולת חומצה אצטית CH3COOH\text{CH}_3\text{COOH}CH3​COOH .
שרטטו ייצוג מלא של נוסחת המבנה עבור מולקולת חומצה אצטית.

(2)

טמפרטורת הרתיחה של אתנון נמוכה מטמפרטורת הרתיחה של חומצה אצטית.
הסבירו עובדה זו.

ב.

אפשר לקבל אתנון, C2H2O(g)\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_{(g)}C2​H2​O(g)​ , ואדי מים, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ , על ידי חימום ופירוק של חומצה אצטית במצב צבירה גז, C2H4O2(g)\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_{2(g)}C2​H4​O2(g)​ .
לפניכם ניסוח תגובת הפירוק של חומצה אצטית:
C2H4O2(g)→C2H2O(g)+H2O(g)\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_2\text{O}_{(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(g)}C2​H4​O2(g)​→C2​H2​O(g)​+H2​O(g)​
נתון כי האנרגייה הדרושה לפירוק הקשרים הקוולנטיים במולקולות המגיב גבוהה מן האנרגייה הנפלטת בעת יצירת הקשרים הקוולנטיים במולקולות התוצרים.
האם התגובה הנתונה היא אקסותרמית או אנדותרמית?

ג.

יש חשד כי החומר אתנון, C2H2O(g)\text{C}_2\text{H}_2\text{O}_{(g)}C2​H2​O(g)​ , יכול לגרום ל"מחלת המאיידים". מחלה זו גורמת לנזק ריאתי, והמשתמשים בסיגריה אלקטרונית עלולים לחלות בה.
לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה של ויטמין E אצטאט:
רשמו את שמות הקבוצות הפונקציונליות במולקולת ויטמין E אצטאט.

ד.

לפניכם סרטוט סכמטי של דיאגרמת האנרגייה של פירוק ויטמין E אצטאט בעת השימוש בסיגריה אלקטרונית.

(1)

התאימו כל אחד מן המושגים שבמחסן המילים אל האות המתאימה לו בדיאגרמה ( A , B , C , D , F ).
לכל אות מושג אחד.
מחסן המילים:
•שינוי באנתלפיית תגובה ( ΔH0\Delta H^0ΔH0 )
•אנרגיית שפעול ( EaE_aEa​ )
•תצמיד משופעל
•מגיבים
•תוצרים

(2)

על פי הסרטוט הנתון, קבעו אם התגובה של פירוק ויטמין E אצטאט היא תגובה אקסותרמית או תגובה אנדותרמית. הסבירו את קביעתכם.

ה.

חלקי המתכת שבסיגריה האלקטרונית משמשים זרז לתגובת הפירוק של ויטמין E אצטאט.
קבעו איזה משני הגדלים D או F המוצגים בסרטוט, ישתנה כאשר התגובה תתבצע ללא זרז. נמקו את קביעתכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 13

סעיף א

(1)

תשובה:

H₃C–C(=O)–O–H, כשכל הקשרים מסורטטים: שלושה קשרי C–H, קשר C–C, קשר כפול C=O, קשר C–O וקשר O–H.

בייצוג מלא מסרטטים כל אטום וכל קשר:
•אטום פחמן ראשון קשור בשלושה קשרים יחידים לשלושה אטומי H ובקשר יחיד לאטום הפחמן השני.
•אטום הפחמן השני קשור בקשר כפול לאטום O אחד (C=O\text{C=O}C=O) ובקשר יחיד לאטום O שני.
•אטום ה־O השני קשור בקשר יחיד לאטום H (קבוצת O–H\text{O–H}O–H).
      H   O
      |   ||
  H - C - C - O - H
      |
      H
(לכל אטום פחמן ארבעה קשרים, לכל אטום חמצן שני קשרים, לכל אטום מימן קשר אחד.)

(2)

תשובה:

בין מולקולות חומצה אצטית יש קשרי מימן (קבוצת O–H), ובין מולקולות אתנון אין – רק כוחות ואן דר ואלס ודו־קוטב; גם ענן האלקטרונים של אתנון קטן יותר.

שני החומרים מולקולריים; ברתיחה מתגברים על הכוחות בין המולקולות.
- חומצה אצטית: במולקולה יש קבוצת O–H (אטום H הקשור לאטום O, בעל אלקטרושליליות גבוהה), ולכן בין המולקולות נוצרים קשרי מימן – בנוסף לכוחות ואן דר ואלס ולמשיכות דו־קוטב–דו־קוטב.
- אתנון (H2C=C=O\text{H}_2\text{C=C=O}H2​C=C=O): אטומי המימן קשורים לאטום פחמן בלבד, ולכן בין מולקולות אתנון אין קשרי מימן – פועלים רק כוחות ואן דר ואלס ומשיכות דו־קוטב–דו־קוטב, החלשים מקשרי מימן.
•בנוסף, ענן האלקטרונים של מולקולת אתנון (C2H2O\text{C}_2\text{H}_2\text{O}C2​H2​O, 22 אלקטרונים) קטן מזה של מולקולת חומצה אצטית (C2H4O2\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2C2​H4​O2​, 32 אלקטרונים), ולכן גם כוחות ואן דר ואלס בין מולקולות אתנון חלשים יותר.
לכן נדרשת אנרגיה קטנה יותר כדי להרחיק את מולקולות האתנון זו מזו, וטמפרטורת הרתיחה שלו נמוכה יותר.

סעיף ב

תשובה:

אנדותרמית (ΔH>0\Delta H>0ΔH>0).

התגובה אנדותרמית.
בתגובה כימית יש להשקיע אנרגיה כדי לפרק את הקשרים במגיבים, ונפלטת אנרגיה כאשר נוצרים הקשרים בתוצרים. לפי הנתון, האנרגיה המושקעת בפירוק הקשרים גדולה מן האנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים החדשים, ולכן בסך הכול המערכת קולטת אנרגיה מן הסביבה: ΔH=Eפירוק−Eיצירה>0\Delta H = E_{\text{פירוק}} - E_{\text{יצירה}} > 0ΔH=Eפירוק​−Eיצירה​>0.

סעיף ג

תשובה:

אסטר ואתר.

במולקולה שתי קבוצות פונקציונליות (לפי טבלת הקבוצות הפונקציונליות):
- אסטר – בצד שמאל: אטום פחמן הקשור בקשר כפול לאטום O ובקשר יחיד לאטום O נוסף, שקשור לטבעת הבנזן: −C(=O)−O−-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-−C(=O)−O− (מכאן "אצטאט").
- אתר – אטום O בתוך הטבעת השנייה, הקשור בשני קשרים יחידים לשני אטומי פחמן: −O−-\text{O}-−O−.
(בנוסף יש במולקולה טבעת בנזן (טבעת ארומטית) ושרשרת פחמימנית ארוכה, שאינן מופיעות בטבלת הקבוצות הפונקציונליות.)

סעיף ד

(1)

תשובה:

A – מגיבים; B – תצמיד משופעל; C – תוצרים; D – אנרגיית שפעול; F – ΔH0\Delta H^0ΔH0

- A – מגיבים: רמת האנרגיה בתחילת התגובה.
- B – תצמיד משופעל: נקודת המקסימום של העקומה.
- C – תוצרים: רמת האנרגיה בסוף התגובה.
- D – אנרגיית שפעול (EaE_aEa​): ההפרש בין רמת המגיבים לבין רמת התצמיד המשופעל.
- F – שינוי באנתלפיית התגובה (ΔH0\Delta H^0ΔH0): ההפרש בין רמת התוצרים לבין רמת המגיבים.

(2)

תשובה:

אנדותרמית – רמת האנרגיה של התוצרים (C) גבוהה מזו של המגיבים (A).

אנדותרמית. לפי הסרטוט, רמת האנרגיה (האנתלפיה) של התוצרים (C) גבוהה מרמת האנרגיה של המגיבים (A), והחץ F מכוון כלפי מעלה. לכן ΔH0=Hתוצרים−Hמגיבים>0\Delta H^0=H_{\text{תוצרים}}-H_{\text{מגיבים}}>0ΔH0=Hתוצרים​−Hמגיבים​>0 – במהלך התגובה המערכת קולטת אנרגיה מן הסביבה (מגוף החימום).

סעיף ה

תשובה:

D (אנרגיית השפעול) – ללא זרז היא תהיה גבוהה יותר; F (ΔH\Delta HΔH) לא ישתנה.

הגודל D – אנרגיית השפעול – ישתנה (ללא זרז הוא יהיה גדול יותר).
זרז מאפשר לתגובה להתרחש במסלול אחר, בעל אנרגיית שפעול נמוכה יותר, ולכן מגביר את קצב התגובה. הסרטוט מתאר את התגובה בנוכחות הזרז (חלקי המתכת); ללא הזרז אנרגיית השפעול D תהיה גבוהה יותר.
הגודל F (ΔH0\Delta H^0ΔH0) לא ישתנה: הזרז אינו משנה את המגיבים ואת התוצרים ולא את רמות האנרגיה שלהם, ולכן ההפרש ביניהם – שינוי האנתלפיה – נשאר זהה.
טעות נפוצה: לטעון שזרז משנה את ΔH\Delta HΔH או את רמת האנרגיה של התוצרים.

שאלה 14 · אמון גופרתי – חישובים סטויכיומטריים

שאלה פתוחה

חישובים
אמון גופרתי, (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ , מאזן חומציות ומשפר בצק בתעשיית המזון.
מייצרים (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ מחומצה גופרתית, H2SO4(l)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}H2​SO4(l)​ , ואמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ .
לפניכם ניסוח התגובה בין H2SO4(l)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}H2​SO4(l)​ ובין NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ :
H2SO4(l)+2NH3(g)→(NH4)2SO4(s)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)} + 2\text{NH}_{3(g)} \rightarrow (\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}H2​SO4(l)​+2NH3(g)​→(NH4​)2​SO4(s)​

א.

מהי מסת החומצה הגופרתית, H2SO4(l)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}H2​SO4(l)​ , שנדרשת לייצור 66 גרם אמון גופרתי? פרטו את חישוביכם.

ב.

מדענים הכינו שני מְכלי אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , לצורך ניסוי: מכל 1 ומכל 2.
בשני המְכלים הטמפרטורה של גז אמוניה הייתה זהה.
בשני המְכלים מספר המולים של אמוניה היה זהה.
נפח המְכלים שבהם נמצא גז אמוניה היה שונה – הנפח של מכל 2 היה כפול מנפח מכל 1.
קבעו אם הלחץ של NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ במכל 2 היה גדול יותר מן הלחץ של NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ במכל 1. נמקו את קביעתכם.

ג.

אפשר לקבל (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ גם בתגובה בין NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ ובין תמיסה של H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ .

(1)

מגיבים 400 מ"ל תמיסת H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ בריכוז 10M10\text{M}10M עם NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ .
מהי מסת NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ שנדרשת לתגובה? פרטו את חישוביכם.

(2)

מהי מסת (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ שמתקבלת? פרטו את חישוביכם.

ד.

אמון גופרתי, (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ , מתפרק בחימום.
לפניכם ניסוח תגובת הפירוק של (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ בחימום:
2(NH4)2SO4(s)→חימום4NH3(g)+2SO2(g)+2H2O(g)+O2(g)2(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{חימום}} 4\text{NH}_{3(g)} + 2\text{SO}_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(g)} + \text{O}_{2(g)}2(NH4​)2​SO4(s)​חימום​4NH3(g)​+2SO2(g)​+2H2​O(g)​+O2(g)​
חיממו 10.56 גרם (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ . כל החומר התפרק.
מהו הנפח הכולל של תוצרי התגובה בתנאים שבהם היא התרחשה? פרטו את חישוביכם.
הניחו כי הנפח של 1 מול גז בתנאים שבהם התרחשה התגובה הוא 25 ליטר, והוא נשאר קבוע.

ה.

אמון גופרתי, (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ , משמש גם דשן לגידולים שונים. הוא משווק בתמיסת אמון גופרתי חנקתי, שמכילה (NH4)2SO4(aq)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(aq)}(NH4​)2​SO4(aq)​ וגם אמון חנקתי, NH4NO3(aq)\text{NH}_4\text{NO}_{3(aq)}NH4​NO3(aq)​ , בריכוז זהה.
לפניכם ניסוח של תגובת ההמסה במים של (NH4)2SO4(s)(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)}(NH4​)2​SO4(s)​ :
(NH4)2SO4(s)→H2O(l)2NH4(aq)++SO4(aq)2−(\text{NH}_4)_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} 2\text{NH}^{+}_{4(aq)} + \text{SO}^{2-}_{4(aq)}(NH4​)2​SO4(s)​H2​O(l)​​2NH4(aq)+​+SO4(aq)2−​

(1)

רשמו ניסוח של תגובת ההמסה במים של NH4NO3(s)\text{NH}_4\text{NO}_{3(s)}NH4​NO3(s)​ .

(2)

כמה מול יוני אמון, NH4(aq)+\text{NH}^{+}_{4(aq)}NH4(aq)+​ , יש ב־ 1 ליטר תמיסה שבה הומסו 1 מול אמון גופרתי ו־ 1 מול אמון חנקתי?
הניחו שכל החומרים המוצקים התמוססו.
פרטו את חישוביכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 14

סעיף א

תשובה:

49.0 g49.0\ \text{g}49.0 g

מסה מולרית של אמון גופרתי:
M(NH4)2SO4=2⋅(14.0+4⋅1.0)+32.1+4⋅16.0=132.1 gmolM_{(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4}=2\cdot(14.0+4\cdot1.0)+32.1+4\cdot16.0=132.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(NH4​)2​SO4​​=2⋅(14.0+4⋅1.0)+32.1+4⋅16.0=132.1 molg​
n(NH4)2SO4=mM=66 g132.1 gmol=0.500 moln_{(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4}=\frac{m}{M}=\frac{66\ \text{g}}{132.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.500\ \text{mol}n(NH4​)2​SO4​​=Mm​=132.1 molg​66 g​=0.500 mol
יחס מולים H2SO4:(NH4)2SO4=1:1\text{H}_2\text{SO}_4:(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4=1:1H2​SO4​:(NH4​)2​SO4​=1:1 → nH2SO4=0.500 moln_{\text{H}_2\text{SO}_4}=0.500\ \text{mol}nH2​SO4​​=0.500 mol
מסה מולרית של חומצה גופרתית: MH2SO4=2⋅1.0+32.1+4⋅16.0=98.1 gmolM_{\text{H}_2\text{SO}_4}=2\cdot1.0+32.1+4\cdot16.0=98.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MH2​SO4​​=2⋅1.0+32.1+4⋅16.0=98.1 molg​
mH2SO4=n⋅M=0.500 mol⋅98.1 gmol=49.0 gm_{\text{H}_2\text{SO}_4}=n\cdot M=0.500\ \text{mol}\cdot98.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=49.0\ \text{g}mH2​SO4​​=n⋅M=0.500 mol⋅98.1 molg​=49.0 g
תשובה: נדרשים כ־49.0 g49.0\ \text{g}49.0 g חומצה גופרתית.

סעיף ב

תשובה:

לא – הלחץ במכל 2 קטן (חצי מהלחץ במכל 1).

לא. הלחץ במכל 2 היה קטן יותר – חצי מן הלחץ במכל 1.
לפי PV=nRTPV=nRTPV=nRT: P=nRTVP=\frac{nRT}{V}P=VnRT​. בשני המכלים n ו־T שווים, ולכן הלחץ ביחס הפוך לנפח: P2P1=V1V2=V12V1=12\frac{P_2}{P_1}=\frac{V_1}{V_2}=\frac{V_1}{2V_1}=\frac{1}{2}P1​P2​​=V2​V1​​=2V1​V1​​=21​.
ברמת החלקיקים: אותו מספר מולקולות, הנעות באותה מהירות ממוצעת (אותה טמפרטורה), נמצא בנפח כפול – ולכן מספר ההתנגשויות של המולקולות בדפנות, ליחידת שטח בכל שנייה, קטן, והלחץ קטן.

סעיף ג

(1)

תשובה:

136 g136\ \text{g}136 g

מולים של חומצה גופרתית:
nH2SO4=C⋅V=10 molL⋅0.400 L=4.0 moln_{\text{H}_2\text{SO}_4}=C\cdot V=10\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.400\ \text{L}=4.0\ \text{mol}nH2​SO4​​=C⋅V=10 Lmol​⋅0.400 L=4.0 mol
יחס מולים H2SO4:NH3=1:2\text{H}_2\text{SO}_4:\text{NH}_3=1:2H2​SO4​:NH3​=1:2:
nNH3=2⋅4.0 mol=8.0 moln_{\text{NH}_3}=2\cdot4.0\ \text{mol}=8.0\ \text{mol}nNH3​​=2⋅4.0 mol=8.0 mol
מסה מולרית: MNH3=14.0+3⋅1.0=17.0 gmolM_{\text{NH}_3}=14.0+3\cdot1.0=17.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MNH3​​=14.0+3⋅1.0=17.0 molg​
mNH3=n⋅M=8.0 mol⋅17.0 gmol=136 gm_{\text{NH}_3}=n\cdot M=8.0\ \text{mol}\cdot17.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=136\ \text{g}mNH3​​=n⋅M=8.0 mol⋅17.0 molg​=136 g
תשובה: נדרשים 136 g136\ \text{g}136 g אמוניה.

(2)

תשובה:

528 g528\ \text{g}528 g (528.4 גרם)

יחס מולים H2SO4:(NH4)2SO4=1:1\text{H}_2\text{SO}_4:(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4=1:1H2​SO4​:(NH4​)2​SO4​=1:1:
n(NH4)2SO4=4.0 moln_{(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4}=4.0\ \text{mol}n(NH4​)2​SO4​​=4.0 mol
m=n⋅M=4.0 mol⋅132.1 gmol=528.4 g≈528 gm=n\cdot M=4.0\ \text{mol}\cdot132.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=528.4\ \text{g}\approx528\ \text{g}m=n⋅M=4.0 mol⋅132.1 molg​=528.4 g≈528 g
תשובה: מתקבלים כ־528 g528\ \text{g}528 g אמון גופרתי.

סעיף ד

תשובה:

9.0 L9.0\ \text{L}9.0 L

מולים של אמון גופרתי:
n=mM=10.56 g132.1 gmol=0.0799 mol (≈0.08 mol)n=\frac{m}{M}=\frac{10.56\ \text{g}}{132.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.0799\ \text{mol}\ (\approx0.08\ \text{mol})n=Mm​=132.1 molg​10.56 g​=0.0799 mol (≈0.08 mol)
מולי גז שנוצרים: כל התוצרים גזים. לפי הניסוח, מכל 2 מול (NH4)2SO4(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4(NH4​)2​SO4​ נוצרים 4+2+2+1=94+2+2+1=94+2+2+1=9 מול גז:
nגז=0.0799 mol⋅92=0.360 moln_{\text{גז}}=0.0799\ \text{mol}\cdot\frac{9}{2}=0.360\ \text{mol}nגז​=0.0799 mol⋅29​=0.360 mol
הנפח הכולל (VM=25 LmolV_M=25\ \frac{\text{L}}{\text{mol}}VM​=25 molL​):
V=n⋅VM=0.360 mol⋅25 Lmol=9.0 LV=n\cdot V_M=0.360\ \text{mol}\cdot25\ \frac{\text{L}}{\text{mol}}=9.0\ \text{L}V=n⋅VM​=0.360 mol⋅25 molL​=9.0 L
תשובה: הנפח הכולל של התוצרים הוא כ־9.0 L9.0\ \text{L}9.0 L.
טעות נפוצה: לחשב את נפח אחד התוצרים בלבד, או לשכוח לכלול את אדי המים (מצב הצבירה שלהם בניסוח הוא גז).

סעיף ה

(1)

תשובה:

NH4NO3(s)→H2O(l)NH4(aq)++NO3(aq)−\text{NH}_4\text{NO}_{3(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{NH}^{+}_{4(aq)} + \text{NO}^{-}_{3(aq)}NH4​NO3(s)​H2​O(l)​​NH4(aq)+​+NO3(aq)−​

NH4NO3(s)→H2O(l)NH4(aq)++NO3(aq)−\text{NH}_4\text{NO}_{3(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{NH}^{+}_{4(aq)} + \text{NO}^{-}_{3(aq)}NH4​NO3(s)​H2​O(l)​​NH4(aq)+​+NO3(aq)−​
אמון חנקתי הוא חומר יוני הבנוי מיוני אמון, NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​, ויוני חנקה, NO3−\text{NO}_3^{-}NO3−​, ביחס 1:11:11:1. בהמסה במים היונים נפרדים ומוקפים מולקולות מים (מתמיימים). איזון: N: 2 = 2; H: 4 = 4; O: 3 = 3; מטען: 0=+1−10=+1-10=+1−1.

(2)

תשובה:

3 מול

•מ־1 mol1\ \text{mol}1 mol (NH4)2SO4(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4(NH4​)2​SO4​: לפי יחס 1:21:21:2 נוצרים 2⋅1 mol=2 mol2\cdot1\ \text{mol}=2\ \text{mol}2⋅1 mol=2 mol יוני NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​.
•מ־1 mol1\ \text{mol}1 mol NH4NO3\text{NH}_4\text{NO}_3NH4​NO3​: לפי יחס 1:11:11:1 נוצר 1 mol1\ \text{mol}1 mol יוני NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​.
nNH4+=2 mol+1 mol=3 moln_{\text{NH}_4^+}=2\ \text{mol}+1\ \text{mol}=3\ \text{mol}nNH4+​​=2 mol+1 mol=3 mol
תשובה: בתמיסה יש 3 מול יוני אמון (בליטר אחד – ריכוז 3 M3\ \text{M}3 M).

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ב – ב־ $\text{BH}_3$ וב־ $\text{BF}_3$ שלושה קשרים זהים בפיזור סימטרי (משולש מישורי), ולכן הדו־קטבים מתקזזים.
2	-	א – ירוק: הצבען הירוק מתמוסס בהקסאן.
3	-	א – הטמפרטורה עולה בחימום, ומשטח הרתיחה של הבוטאנול (קו רציף) גבוה מזה של הדי־אתיל אתר (קו מקווקו).
4	-	ד – מעבר אלקטרונים הוא תיאור ברמה המיקרוסקופית (הסבר), ולא דבר שאפשר לראות או לחוש.
5	-	ג – בנפח, בטמפרטורה ובלחץ זהים יש מספר מולים (ולכן מספר מולקולות) שווה של גז.
6	-	א – פלואור הוא היסוד האלקטרושלילי ביותר; דרגת החמצון שלו ב־ $\text{F}_2$ היא 0, והוא יכול רק לקבל אלקטרונים (לרדת ל־ $-1$ ).
7	-	ב – $[\text{Ca}^{2+}]=0.04\ \text{M}$ , $[\text{Cl}^{-}]=0.08\ \text{M}$ .
8	-	ג – חומצה חנקתית מוסרת פרוטון למים ונוצרים יוני הידרוניום ויוני חנקה.
9	א 1	$\text{Al}_2\text{O}_{3(s)}$
	א 2	בפירוק חשמלי נדרשים יונים ניידים; במוצק היוני היונים קבועים בסריג, ורק בהתכה (במצב נוזל) הם הופכים לניידים.
	א 3	$2\text{Al}_2\text{O}_{3(l)} \rightarrow 4\text{Al}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)}$
	ב 1	i. מוצקים בטמפרטורת החדר בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה (או: אינם מוליכים חשמל במצב מוצק אך מוליכים במצב נוזל). ii. מוליכים חשמל במצב מוצק (או: בעלי ברק מתכתי).
	ב 2	ההיגד i נכון.
	ג 1	לחלקיק אלפא 2 פרוטונים ו־2 נייטרונים (מטען $2+$ , מספר מסה 4) – זהו בדיוק הרכב הגרעין של $^{4}\text{He}$ .
	ג 2	$^{238}_{92}\text{U}$ – אורניום, מספר אטומי 92, מספר מסה 238.
	ד	ההיגד ii נכון.
	ה	$4\text{K}$ ; הגורם: גודל ענן האלקטרונים (חוזק כוחות ואן דר ואלס) – להליום ענן האלקטרונים הקטן ביותר.
	ו	$V=32.8\ \text{L}$
	ז	כ־ $1.62\times10^{6}$ טון $\text{Al}_2\text{O}_3$ (כ־1,620,000 טון).
10	א 1	I $\text{Cs}_2\text{O}$ – יוני; II $\text{N}_2\text{O}$ – מולקולרי; III $\text{SiO}_2$ – אטומרי; IV $\text{SO}_2$ – מולקולרי; V MgO – יוני.
	א 2	מוצקים: $\text{Cs}_2\text{O}$ , $\text{SiO}_2$ , MgO (קשרים יוניים / קוולנטיים חזקים בכל הסריג); $\text{N}_2\text{O}$ ו־ $\text{SO}_2$ גזים (כוחות בין־מולקולריים חלשים).
	א 3	$\text{Cs}_2\text{O}_{(s)}$ , $\text{N}_2\text{O}_{(g)}$ , $\text{SiO}_{2(s)}$ , $\text{SO}_{2(g)}$ , $\text{MgO}_{(s)}$
	ב 1	$2\text{ZnS}_{(s)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{ZnO}_{(s)} + 2\text{SO}_{2(g)}$
	ב 2	ZnO ו־ $\text{SO}_2$ – תחמוצות; ZnS ו־ $\text{O}_2$ – אינם תחמוצות.
	ג 1	$\text{Cs}^{+}$ ו־ $\text{O}^{2-}$
	ג 2	55 פרוטונים, 80 נייטרונים, 54 אלקטרונים.
	ד 1	$[\text{Mg}]^{2+}$ ו־ $[\text{O}]^{2-}$ עם שמונה אלקטרונים (ארבעה זוגות) סביב O.
	ד 2	$\text{Mg}^{2+}$ : 2,8; $\text{O}^{2-}$ : 2,8
	ה	$V_{\text{O}_2}\approx 293\ \text{L}$
11	א	המחמצן: $\text{Cl}_2$ ; המחזר: $\text{Br}^{-}$ .
	ב	$\approx 0.063\ \text{M}$
	ג i	לא נכון – $\text{N}_2$ הוא תוצר של תהליך חמצון.
	ג ii	נכון – דרגת החמצון של Br יורדת מ־0 ל־ $-1$ .
	ד 1	$\text{H}_{2(g)} + \text{Br}_{2(g)} \rightarrow 2\text{HBr}_{(g)}$
	ד 2	$809\ \text{g}$ (כ־ $8.1\times10^{2}$ גרם)
	ה	לא – אין שינוי בדרגות החמצון (אין מעבר אלקטרונים); זו תגובת חומצה–בסיס.
	ו	$18.8\ \text{g}$ (18.78 גרם) $\text{AgBr}$
12	א 1	B < D < A < C
	א 2	A: $\text{Na}^{+}_{(aq)}$ , $\text{OH}^{-}_{(aq)}$ ; B, D: $\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}$ , $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ ; C: $\text{Ba}^{2+}_{(aq)}$ , $\text{OH}^{-}_{(aq)}$
	ב 1	$\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ב 2	אקסותרמית – אנרגיה עברה מן המערכת לסביבה, ולכן הטמפרטורה עלתה.
	ב 3	$\Delta H^0=-57\ \text{kJ}$
	ב 4	ניטרלי (pH = 7) – מספר המולים של $\text{H}_3\text{O}^{+}$ ושל $\text{OH}^{-}$ שווה.
	ג 1	$\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ג 2	עלתה – זו אותה תגובה אקסותרמית (ניטרול), אנרגיה עוברת מן המערכת לסביבה.
	ג 3	לא – בניסוי 3 הגיבו רק 0.001 מול יוני הידרוניום לעומת 0.1 מול בניסוי 2, ולכן עברה כמות אנרגיה קטנה פי 100.
	ג 4	שווה ( $-57\ \text{kJ}$ ) – זו אותה תגובה באותו ניסוח.
	ג 5	בסיסי – נשאר עודף של $0.199\ \text{mol}$ יוני $\text{OH}^{-}$ .
13	א 1	H₃C–C(=O)–O–H, כשכל הקשרים מסורטטים: שלושה קשרי C–H, קשר C–C, קשר כפול C=O, קשר C–O וקשר O–H.
	א 2	בין מולקולות חומצה אצטית יש קשרי מימן (קבוצת O–H), ובין מולקולות אתנון אין – רק כוחות ואן דר ואלס ודו־קוטב; גם ענן האלקטרונים של אתנון קטן יותר.
	ב	אנדותרמית ( $\Delta H>0$ ).
	ג	אסטר ואתר.
	ד 1	A – מגיבים; B – תצמיד משופעל; C – תוצרים; D – אנרגיית שפעול; F – $\Delta H^0$
	ד 2	אנדותרמית – רמת האנרגיה של התוצרים (C) גבוהה מזו של המגיבים (A).
	ה	D (אנרגיית השפעול) – ללא זרז היא תהיה גבוהה יותר; F ( $\Delta H$ ) לא ישתנה.
14	א	$49.0\ \text{g}$
	ב	לא – הלחץ במכל 2 קטן (חצי מהלחץ במכל 1).
	ג 1	$136\ \text{g}$
	ג 2	$528\ \text{g}$ (528.4 גרם)
	ד	$9.0\ \text{L}$
	ה 1	$\text{NH}_4\text{NO}_{3(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{NH}^{+}_{4(aq)} + \text{NO}^{-}_{3(aq)}$
	ה 2	3 מול

הוראות (כפי שהודפסו בשאלון)

פרק ראשון

שאלה 1 · קוטביות קשרים ומולקולות במבנה משולש מישורי

ההיגד הנכון: ב.

שאלה 2 · מסיסות צבענים בהקסאן

התשובה: א (ירוק).

שאלה 3 · גרף חימום – בוטאנול ודי־אתיל אתר

התשובה: א.

שאלה 4 · תצפיות בתגובת מגנזיום עם יוני הידרוניום

התשובה: ד.

שאלה 5 · גזים בנפח, בטמפרטורה ובלחץ זהים

התשובה: ג.

שאלה 6 · יכולת לעבור חמצון או חיזור

התשובה: א.

שאלה 7 · מיהול תמיסת סידן כלורי

התשובה: ב.

שאלה 8 · ניסוח תגובות של חומצות ובסיסים עם מים

התשובה: ג.

שאלה 9 · חומרים שנחוצים לנו – אלומיניום, ליתיום והליום

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה

חומרים שנחוצים לנו – האם יש לנו מספיק?

סעיף א

כדי שהיונים יהיו ניידים ויוכלו להוליך זרם חשמלי.

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

ההיגד ii נכון.

סעיף ה

סעיף ו

מספר המולים של הליום:

תשובה: הנפח הוא 32.8 L32.8\ \text{L}32.8 L (כ־33 L33\ \text{L}33 L).

סעיף ז

מסת האלומיניום בגרמים:

מספר המולים של Al:

מסת התחמוצת:

תשובה: נדרשו כ־1.62×1061.62\times10^{6}1.62×106 טון (כ־1,620,000 טון) אלומיניום חמצני.

פרק שני

שאלה 10 · תחמוצות – סוגי חומרים, מבנה האטום וגזים

מבנה האטום, מבנה וקישור

סעיף א

התחמוצות המוצקות: Cs2O\text{Cs}_2\text{O}Cs2​O , SiO2\text{SiO}_2SiO2​ , MgO.

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

המרת הטמפרטורה לקלווין:

הנפח לפי PV=nRTPV=nRTPV=nRT:

תשובה: נפח החמצן הוא כ־293 L293\ \text{L}293 L.

שאלה 11 · ברום ותרכובותיו – חמצון–חיזור וחישובים

חמצון–חיזור, חישובים

סעיף א

סעיף ב

תשובה: ריכוז יוני Br−\text{Br}^{-}Br− הוא כ־0.063 M0.063\ \text{M}0.063 M.

סעיף ג

סעיף ד

תשובה: מתקבלים 809 g809\ \text{g}809 g מימן ברומי.

סעיף ה

לא, תגובה 3 אינה תגובת חמצון–חיזור.

סעיף ו

מולים של כל יון:

תשובה: מסת המשקע (AgBr(s)\text{AgBr}_{(s)}AgBr(s)​) היא כ־18.8 g18.8\ \text{g}18.8 g.

שאלה 12 · ניסויי סתירה – pH ואנרגיה בתגובה

חומצות ובסיסים, אנרגייה

ניסוי 1

ניסוי 2

ניסוי 3

סעיף א

B < D < A < C

סעיף ב

ניטרלי (pH = 7).

סעיף ג

לא, בניסוי 3 עברה כמות אנרגיה קטנה יותר (פי 100).

בתחום הבסיסי.

שאלה 13 · סיגריה אלקטרונית – אתנון וויטמין E אצטאט

מבנה וקישור, אנרגייה

סעיף א

סעיף ב

התגובה אנדותרמית.

סעיף ג

סעיף ד

תשובה: הנפח הוא $32.8\ \text{L}$ (כ־ $33\ \text{L}$ ).

תשובה: נדרשו כ־ $1.62\times10^{6}$ טון (כ־1,620,000 טון) אלומיניום חמצני.

התחמוצות המוצקות: $\text{Cs}_2\text{O}$ , $\text{SiO}_2$ , MgO.

הנפח לפי $PV=nRT$ :

תשובה: נפח החמצן הוא כ־ $293\ \text{L}$ .

תשובה: ריכוז יוני $\text{Br}^{-}$ הוא כ־ $0.063\ \text{M}$ .

תשובה: מתקבלים $809\ \text{g}$ מימן ברומי.

תשובה: מסת המשקע ( $\text{AgBr}_{(s)}$ ) היא כ־ $18.8\ \text{g}$ .

תשובה: נדרשים כ־ $49.0\ \text{g}$ חומצה גופרתית.

תשובה: נדרשים $136\ \text{g}$ אמוניה.

תשובה: מתקבלים כ־ $528\ \text{g}$ אמון גופרתי.

תשובה: הנפח הכולל של התוצרים הוא כ־ $9.0\ \text{L}$ .