מתכונת 1 בכימיה - שאלון עיקרי 037381

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

מבחן מתכונת בכימיה, שאלון עיקרי, במבנה של בחינת הבגרות ולפי מיקוד תשפ"ז. כל שאלה בו בנויה כמו שאלה מבגרות אחרת. לכל סעיף יש תשובה ופתרון מלא - פתרו בזמן של הבחינה, ורק אחר כך פתחו את הפתרונות.

מבנה המתכונת

מבנה המתכונת לפי חוקי המענה של תשפ"ז: פרק ראשון (40 נק'): שאלות 1–8 רב-ברירה – מספיק לענות נכון על 6 כדי לקבל 20 נקודות; שאלה 9 (מאמר) חובה – 20 נקודות. פרק שני (60 נק'): יש לענות על 3 מתוך 5 שאלות, 20 נקודות לכל שאלה. משך: 3 שעות.

פרק ראשון

שאלה 1 · דירוג אנרגיית יינון ראשונה של אל־מתכות

רב-ברירה

לפניך שלושה יסודות: פחמן, C\text{C}C , חנקן, N\text{N}N , וצורן, Si\text{Si}Si .
מהו הדירוג הנכון של אטומי היסודות על פי אנרגיית היינון הראשונה שלהם, מן הגבוהה לנמוכה?

א.
$\text{Si} > \text{C} > \text{N}$
ב.
$\text{C} > \text{N} > \text{Si}$
ג.
$\text{N} > \text{Si} > \text{C}$
ד.
$\text{N} > \text{C} > \text{Si}$

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – N>C>Si\text{N} > \text{C} > \text{Si}N>C>Si

הגורמים המשפיעים על אנרגיית היינון הראשונה: מטען הגרעין ומספר רמות האנרגיה המאוכלסות.
- N ו־C – באותו מחזור (מחזור 2), אלקטרוני הערכיות ברמה השנייה. מטען הגרעין של N (7) גדול מזה של C (6) ⇐ המשיכה לאלקטרוני הערכיות חזקה יותר ⇐ אנרגיית היינון של N גבוהה יותר.
- C ו־Si – באותו טור (טור 14). ל־Si (הערכה 2,8,4) שלוש רמות מאוכלסות ול־C (2,4) שתיים ⇐ אלקטרוני הערכיות של Si רחוקים יותר מהגרעין ⇐ אנרגיית היינון של Si נמוכה יותר.
הדירוג: N>C>Si\text{N} > \text{C} > \text{Si}N>C>Si – תשובה ד.
א – שגוי: זהו הדירוג ההפוך (כאילו אטום גדול יותר מחזיק חזק יותר באלקטרונים). ב – שגוי: במחזור, אנרגיית היינון של N גבוהה מזו של C. ג – שגוי: אנרגיית היינון של Si נמוכה מזו של C, כי ל־Si רמת אנרגיה מאוכלסת נוספת.

שאלה 2 · זיהוי יסוד לפי מספר מסה ונויטרונים – יון שלילי

רב-ברירה

מסמלים יסוד בסימול שרירותי A .
מספר המסה של אחד מאטומי היסוד A הוא 81 .
מספר הנויטרונים באטום זה הוא 46 .
מהו היון המתאים לאטום היסוד A ?

א.
$\text{A}^{+}$
ב.
$\text{A}^{2-}$
ג.
$\text{A}^{3+}$
ד.
$\text{A}^{-}$

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – A−\text{A}^{-}A−

מספר הפרוטונים = מספר המסה − מספר הנויטרונים: 81−46=3581-46=3581−46=35.
היסוד שמספרו האטומי 35 הוא ברום (Br), הנמצא בטור 7 של הטבלה המחזורית (הלוגן). כמו לכל יסוד בטור 7, יש לו 7 אלקטרוני ערכיות, והוא קולט אלקטרון אחד ויוצר יון A−\text{A}^{-}A−.
•א – יון חד־מטעני חיובי נוצר ממתכות בטור 1 (למשל K או Rb), לא מהלוגן.
•ב – יון דו־מטעני שלילי נוצר מאל־מתכות בטור 6 (למשל Se, שמספרו האטומי 34).
•ג – יון תלת־מטעני חיובי מתאים ליסודות בטור 3 (למשל Al).
טעות נפוצה: להתייחס ל־46 (מספר הנויטרונים) כאל המספר האטומי, ולזהות את היסוד כ־Pd.

שאלה 3 · קשרים כפולים ומשולשים וקוטביות קשרים

רב-ברירה

לפניכם נוסחאות מולקולריות של ארבע מולקולות: HCN\text{HCN}HCN , N2\text{N}_2N2​ , CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O , C2H4\text{C}_2\text{H}_4C2​H4​ .
במולקולה HCN\text{HCN}HCN אטום הפחמן הוא האטום המרכזי, ובמולקולה CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O אטום הפחמן קשור לשני אטומי המימן ולאטום החמצן.
מהו ההיגד הנכון?

א.
במולקולה $\text{HCN}$ יש קשר כפול בין אטום הפחמן ובין אטום החנקן.
ב.
הקשר בין אטום הפחמן ובין אטום החנקן במולקולה $\text{HCN}$ קוטבי יותר מן הקשר בין אטום הפחמן ובין אטום החמצן במולקולה $\text{CH}_2\text{O}$ .
ג.
המולקולה $\text{N}_2$ היא מולקולה קוטבית, כי יש בה קשר משולש.
ד.
בשתיים מן המולקולות הנתונות יש קשר משולש, ובשתי המולקולות האחרות יש קשר כפול.

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – קשר משולש ב־HCN\text{HCN}HCN וב־N2\text{N}_2N2​; קשר כפול ב־CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O (C=O) וב־C2H4\text{C}_2\text{H}_4C2​H4​ (C=C).

תשובה: ד.
נוסחאות המבנה (כל אטום משלים אוקטט, ולמימן – זוג אלקטרונים):
- H−C≡N\text{H}-\text{C}\equiv\text{N}H−C≡N – קשר יחיד C–H וקשר משולש בין C ל־N (על אטום N זוג אלקטרונים לא קושר).
- N≡N\text{N}\equiv\text{N}N≡N – קשר משולש (ועל כל אטום N זוג אלקטרונים לא קושר).
- CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O – שני קשרים יחידים C–H וקשר כפול C=O\text{C}=\text{O}C=O.
- H2C=CH2\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2H2​C=CH2​ – קשר כפול בין שני אטומי הפחמן וארבעה קשרים יחידים C–H.
- ד – נכון: קשר משולש יש ב־HCN\text{HCN}HCN וב־N2\text{N}_2N2​, וקשר כפול – ב־CH2O\text{CH}_2\text{O}CH2​O וב־C2H4\text{C}_2\text{H}_4C2​H4​.
- א – לא נכון: אילו היה קשר כפול בין C ל־N, אטום הפחמן (הקשור גם לאטום H) היה יוצר שלושה קשרים בלבד ולא היה משלים אוקטט. כדי שגם C (ארבעה קשרים) וגם N ישלימו אוקטט, הקשר ביניהם משולש.
- ב – לא נכון: לפי טבלת האלקטרושליליות: C – 2.5, N – 3.0, O – 3.5. הפרש האלקטרושליליות בקשר C–N הוא 0.5, ובקשר C–O הוא 1.0, ולכן הקשר C–O קוטבי יותר.
- ג – לא נכון: במולקולה N2\text{N}_2N2​ שני אטומים זהים – הקשר ביניהם קוולנטי טהור (הפרש אלקטרושליליות 0), והמולקולה אינה קוטבית. סוג הקשר (יחיד, כפול או משולש) אינו קובע את הקוטביות.

שאלה 4 · קשרי מימן: מספר המוקדים ליצירת קשרי מימן

רב-ברירה

נתונים שלושה חומרים במצב נוזל.
HOCH2CH2OH(l)\text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{OH}_{(l)}HOCH2​CH2​OH(l)​ , CH3CH2OH(l)\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}_{(l)}CH3​CH2​OH(l)​ , CH3CH2OCH2CH3(l)\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_{3(l)}CH3​CH2​OCH2​CH3(l)​
לפניך ארבעה היגדים א-ד הנוגעים לכוחות הפועלים בין המולקולות של חומרים אלה.
מהו ההיגד הנכון?

א.
בין המולקולות של $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_{3(l)}$ יש קשרי מימן, כי במולקולה יש אטום חמצן.
ב.
בין המולקולות של $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}_{(l)}$ פועלים קשרי מימן בלבד.
ג.
קשרי המימן בין מולקולות $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}_{(l)}$ נוצרים בין אטום מימן של הקבוצה $\text{CH}_3$ במולקולה אחת לבין אטום חמצן במולקולה שכנה.
ד.
כל מולקולה של $\text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{OH}$ יכולה ליצור יותר קשרי מימן ממולקולה של $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – במולקולה HOCH2CH2OH\text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{OH}HOCH2​CH2​OH יש שתי קבוצות OH – יותר מוקדים ליצירת קשרי מימן.

התשובה הנכונה: ד.
קשר מימן נוצר בין אטום H הקשור ישירות לאטום F, O או N במולקולה אחת, לבין זוג אלקטרונים לא קושר של אטום F, O או N במולקולה שכנה. במולקולה של אתאן־1,2־דיאול, HOCH2CH2OH\text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{OH}HOCH2​CH2​OH, יש שתי קבוצות הידרוקסיל (−OH-\text{OH}−OH), ובמולקולה של אתאנול, CH3CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}CH3​CH2​OH, יש קבוצת הידרוקסיל אחת. לכן במולקולת הדיאול יש יותר מוקדים ליצירת קשרי מימן (שני אטומי H הקשורים ל־O ושני אטומי O עם זוגות לא קושרים), והיא יכולה ליצור יותר קשרי מימן עם המולקולות השכנות.
- א – לא נכון. בדיאתיל אתר, CH3CH2OCH2CH3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_3CH3​CH2​OCH2​CH3​, כל אטומי המימן קשורים לאטומי פחמן – אין קשר O–H. לכן בין המולקולות שלו אין קשרי מימן, אלא אינטראקציות ון־דר־ולס בלבד.
- ב – לא נכון. בין מולקולות האתאנול פועלים קשרי מימן וגם אינטראקציות ון־דר־ולס (אינטראקציות ון־דר־ולס פועלות בין כל המולקולות).
- ג – לא נכון. הקשר C–H כמעט אינו קוטבי (הפרש אלקטרושליליות 2.5−2.1=0.42.5-2.1=0.42.5−2.1=0.4), ולכן אטום H הקשור לפחמן אינו יוצר קשר מימן. קשר המימן נוצר דרך אטום H של הקבוצה −OH-\text{OH}−OH (הפרש אלקטרושליליות 3.5−2.1=1.43.5-2.1=1.43.5−2.1=1.4).
טעות נפוצה: לקבוע שיש קשרי מימן בכל חומר שבמולקולה שלו יש אטום O – התנאי הוא אטום H הקשור ישירות ל־O, N או F.

שאלה 5 · מספר המולים של חלקיקים מומסים בשלוש תמיסות

רב-ברירה

לכל אחד משלושה כלים הכניסו 0.5 מול חומר, והוסיפו מים עד שהתקבלה תמיסה בנפח 1 ליטר.
בדיאגרמה שלפניך מוצג מספר המולים הכולל של חלקיקי החומר המומס
בכל אחת משלוש התמיסות a, b ו־ c:
באיזו מהשורות 1-4 החומרים המומסים בתמיסות a , b ו־ c מוצגים בהתאם לדיאגרמה?
abc
1.CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}C12​H22​O11​Al(NO3)3\text{Al(NO}_3)_3Al(NO3​)3​
2.Al(NO3)3\text{Al(NO}_3)_3Al(NO3​)3​CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}C12​H22​O11​
3.C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}C12​H22​O11​Al(NO3)3\text{Al(NO}_3)_3Al(NO3​)3​CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​
4.Al(NO3)3\text{Al(NO}_3)_3Al(NO3​)3​C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}C12​H22​O11​CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​

	a	b	c
1.	$\text{CaCl}_2$	$\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$	$\text{Al(NO}_3)_3$
2.	$\text{Al(NO}_3)_3$	$\text{CaCl}_2$	$\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$
3.	$\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$	$\text{Al(NO}_3)_3$	$\text{CaCl}_2$
4.	$\text{Al(NO}_3)_3$	$\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$	$\text{CaCl}_2$

א.
a – $\text{CaCl}_2$ , b – $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$ , c – $\text{Al(NO}_3)_3$
ב.
a – $\text{Al(NO}_3)_3$ , b – $\text{CaCl}_2$ , c – $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$
ג.
a – $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$ , b – $\text{Al(NO}_3)_3$ , c – $\text{CaCl}_2$
ד.
a – $\text{Al(NO}_3)_3$ , b – $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$ , c – $\text{CaCl}_2$

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – a: Al(NO3)3\text{Al(NO}_3)_3Al(NO3​)3​ (2.0 מול יונים), b: סוכרוז (0.5 מול מולקולות), c: CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​ (1.5 מול יונים).

התשובה הנכונה: ד.
נרשום את תהליך ההמסה של כל חומר ונחשב את מספר המולים של החלקיקים המומסים מ־0.5 מול חומר:
- Al(NO3)3(s)→Al(aq)3++3NO3−(aq)\text{Al(NO}_3)_{3(s)} \rightarrow \text{Al}^{3+}_{(aq)} + 3\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}Al(NO3​)3(s)​→Al(aq)3+​+3NO3−​(aq)​ : מכל מול מוצק 4 מול יונים; n=4⋅0.5 mol=2.0 moln = 4\cdot 0.5\ \text{mol} = 2.0\ \text{mol}n=4⋅0.5 mol=2.0 mol.
- 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)−​ : מכל מול מוצק 3 מול יונים; n=3⋅0.5 mol=1.5 moln = 3\cdot 0.5\ \text{mol} = 1.5\ \text{mol}n=3⋅0.5 mol=1.5 mol.
- C12H22O11(s)→C12H22O11(aq)\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11(s)} \rightarrow \text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11(aq)}C12​H22​O11(s)​→C12​H22​O11(aq)​ : סוכרוז הוא חומר מולקולרי שאינו מתפרק ליונים; n=0.5 moln = 0.5\ \text{mol}n=0.5 mol מולקולות.
לפי הדיאגרמה: בתמיסה a – 2.0 מול, בתמיסה b – 0.5 מול, בתמיסה c – 1.5 מול. לכן a היא Al(NO3)3\text{Al(NO}_3)_3Al(NO3​)3​, b היא סוכרוז, c היא CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​ – שורה 4.
א – לא נכונה: CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​ נותן 1.5 מול ולא 2.0. ב – לא נכונה: סוכרוז נותן 0.5 מול ולא 1.5. ג – לא נכונה: סוכרוז נותן 0.5 מול ולא 2.0.
טעות נפוצה: לספור את קבוצת NO3\text{NO}_3NO3​ כשלושה חלקיקים נפרדים או לשכוח שהיא יון רב־אטומי אחד; או לחשוב שחומר מולקולרי מתפרק ליונים.

שאלה 6 · חוק הס מדיאגרמת אנתלפיה – תחמוצות הגופרית

רב-ברירה

לפניך דיאגרמה של שינויי אנתלפייה.
מהו ΔH0\Delta H^0ΔH0 של התגובה שלפניך?
2SO3(g)→2SO2(g)+O2(g)2\text{SO}_{3(g)}\rightarrow 2\text{SO}_{2(g)}+\text{O}_{2(g)}2SO3(g)​→2SO2(g)​+O2(g)​

א.
$-198\ \text{kJ}$
ב.
$+99\ \text{kJ}$
ג.
$+396\ \text{kJ}$
ד.
$+198\ \text{kJ}$

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – +198 kJ+198\ \text{kJ}+198 kJ

התשובה הנכונה: ד.
לפי הדיאגרמה, המעבר SO2(g)+12O2(g)→SO3(g)\text{SO}_{2(g)}+\frac{1}{2}\text{O}_{2(g)}\rightarrow\text{SO}_{3(g)}SO2(g)​+21​O2(g)​→SO3(g)​ הוא ירידה באנתלפיה של 99 kJ99\ \text{kJ}99 kJ:
SO2(g)+12O2(g)→SO3(g)ΔH0=−99 kJ\text{SO}_{2(g)}+\tfrac{1}{2}\text{O}_{2(g)}\rightarrow\text{SO}_{3(g)}\qquad \Delta H^0=-99\ \text{kJ}SO2(g)​+21​O2(g)​→SO3(g)​ΔH0=−99 kJ
התגובה המבוקשת היא התגובה ההפוכה, פי 2. לפי חוק הס, בהיפוך תגובה מחליפים את סימן ΔH\Delta HΔH, ובהכפלת מקדמי התגובה מכפילים את ΔH\Delta HΔH באותו מספר:
2SO3(g)→2SO2(g)+O2(g)ΔH0=−2⋅(−99 kJ)=+198 kJ2\text{SO}_{3(g)}\rightarrow 2\text{SO}_{2(g)}+\text{O}_{2(g)}\qquad \Delta H^0=-2\cdot(-99\ \text{kJ})=+198\ \text{kJ}2SO3(g)​→2SO2(g)​+O2(g)​ΔH0=−2⋅(−99 kJ)=+198 kJ
- א – לא נכון. הוכפל ב־2, אבל לא הוחלף הסימן; פירוק SO3\text{SO}_3SO3​ הוא תהליך שבו האנתלפיה עולה (במעבר מהרמה התחתונה לרמה האמצעית בדיאגרמה).
- ב – לא נכון. הוחלף הסימן, אבל לא הוכפל ב־2 – הערך מתאים לפירוק 1 מול SO3\text{SO}_3SO3​ בלבד.
- ג – לא נכון. 396 kJ396\ \text{kJ}396 kJ הוא ההפרש בין הרמה העליונה (S(s)+112O2(g)\text{S}_{(s)}+1\frac{1}{2}\text{O}_{2(g)}S(s)​+121​O2(g)​) לרמה התחתונה (SO3(g)\text{SO}_{3(g)}SO3(g)​): 297 kJ+99 kJ=396 kJ297\ \text{kJ}+99\ \text{kJ}=396\ \text{kJ}297 kJ+99 kJ=396 kJ – זה שינוי האנתלפיה של תגובה אחרת.

שאלה 7 · תגובת חומצה אצטית עם מים

רב-ברירה

לפניך ניסוח תגובה של חומצה אצטית, CH3COOH(ℓ)\text{CH}_3\text{COOH}_{(\ell)}CH3​COOH(ℓ)​ , עם מים.
CH3COOH(ℓ)+H2O(ℓ)→CH3COO(aq)−+H3O(aq)+\text{CH}_3\text{COOH}_{(\ell)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^{-}_{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}CH3​COOH(ℓ)​+H2​O(ℓ)​→CH3​COO(aq)−​+H3​O(aq)+​
מהי הקביעה הנכונה?

א.
בתגובה הנתונה המים, $\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}$ , מגיבים כבסיס.
ב.
בתגובה הנתונה החומצה האצטית, $\text{CH}_3\text{COOH}_{(\ell)}$ , מקבלת יון מימן (פרוטון).
ג.
בתום התגובה מתקבלת תמיסה בסיסית ( $\text{pH} > 7$ ).
ד.
בתגובה מתרחש מעבר אלקטרונים ממולקולות המים למולקולות החומצה האצטית.

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א

בתגובה עובר יון מימן (פרוטון, H+\text{H}^{+}H+) ממולקולת החומצה האצטית (מקבוצת הקרבוקסיל) למולקולת מים: מולקולת המים מקבלת פרוטון והופכת ליון הידרוניום H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, ולכן המים מגיבים כבסיס (לפי ברונסטד ולאורי). תשובה א.
- ב – שגויה: החומצה האצטית מוסרת פרוטון (הופכת ל־CH3COO−\text{CH}_3\text{COO}^{-}CH3​COO−) – היא החומצה.
- ג – שגויה: נוצרים יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​, ולכן התמיסה חומצית (pH<7\text{pH} < 7pH<7).
- ד – שגויה: זו תגובת חומצה-בסיס – עובר פרוטון ולא אלקטרונים, ואין שינוי בדרגות החמצון.

שאלה 8 · תפקיד החנקן בתגובות – מחמצן או מחזר

רב-ברירה

לפניכם ניסוחים של ארבע תגובות שבהן משתתף היסוד חנקן, N2(g)\text{N}_{2(g)}N2(g)​ , או תרכובת של חנקן.
באיזו מן התגובות החנקן (היסוד או התרכובת שלו) משמש מחזר?

א.
$\text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)} \rightarrow 2\text{NH}_{3(g)}$
ב.
$\text{NH}_{3(g)} + \text{HCl}_{(g)} \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}_{(s)}$
ג.
$\text{N}_{2(g)} + 3\text{Mg}_{(s)} \rightarrow \text{Mg}_3\text{N}_{2(s)}$
ד.
$4\text{NH}_{3(g)} + 5\text{O}_{2(g)} \rightarrow 4\text{NO}_{(g)} + 6\text{H}_2\text{O}_{(g)}$

◂ פתרון מלא לשאלה 8

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – דרגת החמצון של N עולה מ־−3-3−3 ל־+2+2+2; NH3\text{NH}_3NH3​ מוסר אלקטרונים ומשמש מחזר.

התשובה הנכונה: ד.
מחזר הוא חומר שמוסר אלקטרונים – דרגת החמצון של אחד האטומים בו עולה (הוא עובר חמצון). נקבע את דרגת החמצון של החנקן בכל תגובה:
תגובהדרגת החמצון של N במגיבדרגת החמצון של N בתוצרשינויתפקיד החנקן
א0 (ב־N2\text{N}_2N2​)−3-3−3 (ב־NH3\text{NH}_3NH3​)ירידהמחמצן
ב−3-3−3 (ב־NH3\text{NH}_3NH3​)−3-3−3 (ב־NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​)איןאין חמצון־חיזור
ג0 (ב־N2\text{N}_2N2​)−3-3−3 (ב־Mg3N2\text{Mg}_3\text{N}_2Mg3​N2​)ירידהמחמצן
ד−3-3−3 (ב־NH3\text{NH}_3NH3​)+2+2+2 (ב־NO\text{NO}NO)עלייהמחזר
חישובים: ב־NH3\text{NH}_3NH3​: x+3(+1)=0⇒x=−3x + 3(+1) = 0 \Rightarrow x = -3x+3(+1)=0⇒x=−3 ; ב־NO\text{NO}NO: x+(−2)=0⇒x=+2x + (-2) = 0 \Rightarrow x = +2x+(−2)=0⇒x=+2 ; ב־Mg3N2\text{Mg}_3\text{N}_2Mg3​N2​: 3(+2)+2x=0⇒x=−33(+2) + 2x = 0 \Rightarrow x = -33(+2)+2x=0⇒x=−3 ; ב־NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​: x+4(+1)=+1⇒x=−3x + 4(+1) = +1 \Rightarrow x = -3x+4(+1)=+1⇒x=−3.
- ד – נכון: כל אטום חנקן מוסר 5 אלקטרונים (מ־−3-3−3 ל־+2+2+2); החמצן הוא המחמצן (דרגת החמצון שלו יורדת מ־0 ל־−2-2−2).
- א, ג – לא נכון: בשתי התגובות החנקן מקבל אלקטרונים (0→−30 \rightarrow -30→−3), כלומר הוא המחמצן; המחזרים הם המימן (0→+10 \rightarrow +10→+1) והמגנזיום (0→+20 \rightarrow +20→+2).
- ב – לא נכון: זו תגובת חומצה–בסיס (מעבר פרוטון); דרגות החמצון של כל האטומים אינן משתנות.

תגובה	דרגת החמצון של N במגיב	דרגת החמצון של N בתוצר	שינוי	תפקיד החנקן
א	0 (ב־ $\text{N}_2$ )	$-3$ (ב־ $\text{NH}_3$ )	ירידה	מחמצן
ב	$-3$ (ב־ $\text{NH}_3$ )	$-3$ (ב־ $\text{NH}_4^{+}$ )	אין	אין חמצון־חיזור
ג	0 (ב־ $\text{N}_2$ )	$-3$ (ב־ $\text{Mg}_3\text{N}_2$ )	ירידה	מחמצן
ד	$-3$ (ב־ $\text{NH}_3$ )	$+2$ (ב־ $\text{NO}$ )	עלייה	מחזר

שאלה 9 · המפרי דייווי – פירוק חומרים בעזרת זרם חשמלי

שאלת מאמר20 נקודות

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה
קראו את הקטע שלפניכם, וענו על הסעיפים שאחריו לפי ההנחיות (שאלת חובה – 20 נקודות).
המפרי דייווי – הכימאי שפירק חומרים בעזרת זרם חשמלי
בתחילת המאה ה־19 עדיין לא ידעו הכימאים אילו מן החומרים המוכרים
להם הם יסודות. חומרים כמו אשלגן הידרוקסידי, KOH(s)\text{KOH}_{(s)}KOH(s)​ , ונתרן הידרוקסידי, NaOH(s)\text{NaOH}_{(s)}NaOH(s)​ ,
לא הצליחו לפרק בשיטות הכימיות שהיו ידועות אז. הכימאי האנגלי המפרי
דייווי (1778–1829) היה מן הראשונים שהשתמשו בזרם חשמלי כדי לפרק תרכובות,
וכך גילה כמה יסודות חדשים.
בשנת 1807 העביר דייווי זרם חשמלי חזק, שהתקבל מסוללה גדולה, דרך
אשלגן הידרוקסידי. ליד אחת האלקטרודות הופיעו טיפות קטנות בעלות ברק מתכתי,
וחלקן נדלקו מיד בלהבה. כך התגלה היסוד אשלגן, K(s)\text{K}_{(s)}K(s)​ . ימים ספורים
לאחר מכן הפיק דייווי בדרך דומה את היסוד נתרן, Na(s)\text{Na}_{(s)}Na(s)​ , מנתרן
הידרוקסידי. בשנה שלאחר מכן הפיק דייווי בעזרת זרם חשמלי גם את
המתכות מגנזיום, סידן, סטרונציום ובריום.
אשלגן ונתרן הן מתכות רכות שאפשר לחתוך בסכין. הן מגיבות במהירות
עם מים. למשל, בתגובה של אשלגן עם מים נוצרים גז מימן,
H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , ותמיסה בסיסית של אשלגן הידרוקסידי. החום המשתחרר בתגובה מצית את
המימן. לכן שומרים מתכות אלה מתחת לשמן. בטבע מצויות מתכות
אלה רק בתרכובות, כמו נתרן כלורי, NaCl(s)\text{NaCl}_{(s)}NaCl(s)​ , שהוא המלח
שבמי הים ובמכרות מלח.
דייווי חקר גם גז צהבהב־ירקרק שנחשב באותה תקופה לתרכובת המכילה חמצן.
בשנת 1810 הראה דייווי שגז זה הוא יסוד, ונתן לו את
השם כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ , על שם צבעו: המילה היוונית chloros פירושה ירוק־חיוור.
דייווי הפיק סידן בשנת 1808 בפירוק חשמלי של תערובת לחה של סידן חמצני (סיד)
ותחמוצת כספית. כיום מפיקים סידן בתעשייה, בין השאר, בפירוק חשמלי של סידן
כלורי מותך: את הסידן הכלורי המוצק מתיכים בטמפרטורה גבוהה ומעבירים בהתך זרם
חשמלי. על אחת האלקטרודות מצטבר סידן מתכתי, Ca(s)\text{Ca}_{(s)}Ca(s)​ , ועל האלקטרודה האחרת נפלט גז כלור.
סידן משמש, בין השאר, להפקת מתכות אחרות ולהרחקת חמצן ממתכות מותכות.
דייווי זכור גם בזכות מנורת הבטיחות לכורים שפיתח בשנת 1815. במכרות
פחם מצטבר לעיתים ״גז מכרות״, תערובת של גזים שרובה מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ .
תערובת של מתאן ואוויר עלולה להתפוצץ במגע עם להבה גלויה. במנורה
של דייווי הלהבה מוקפת ברשת מתכת דקה המוליכה את החום הרחק
מן הלהבה, כך שהגז שמחוץ לרשת אינו מגיע לטמפרטורת ההצתה. המנורה
אפשרה לכורים לעבוד בבטחה רבה יותר.
בצעירותו חקר דייווי גם את הגז דו־חנקן חמצני, N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ , המכונה ״גז
צחוק״. הוא שאף את הגז בעצמו מתוך שקיות סגורות, ותיאר את
השפעתו המשכרת ואת יכולתו להקל על כאב. כיום משמש גז זה,
בין השאר, להרגעה ולהקלת כאב בטיפולי שיניים.
ענו על כל הסעיפים א–ה ועל אחד מן הסעיפים ו או ז.

א.

לפי הקטע (שורות 22–24), מפיקים סידן בתעשייה בתגובת פירוק חשמלי של סידן כלורי מותך.

(1)

רשמו את הנוסחה של סידן כלורי מוצק. הקפידו לרשום את מצב הצבירה.

(2)

הסבירו מדוע יש להתיך סידן כלורי כדי לבצע את תהליך הפירוק החשמלי.

(3)

נסחו ואזנו את תגובת הפירוק החשמלי של סידן כלורי מותך ליסודותיו. התבססו על הקטע והקפידו לרשום מצבי צבירה.

ב.

(1)

ציינו מאפיין מאקרוסקופי אחד המשותף לכל אחד מזוגות החומרים האלה:
i. סידן כלורי – אשלגן הידרוקסידי
ii. אשלגן – נתרן

(2)

מהו ההיגד הנכון?
i. אשלגן ונתרן כלורי הם חומרים טהורים.
ii. גז מכרות ומי ים הם חומרים טהורים.

ג.

(1)

הסבירו את ההיגד: "נתרן, Na\text{Na}Na , ואשלגן, K\text{K}K , שייכים לאותה משפחה בטבלה המחזורית – משפחת המתכות האלקליות".

(2)

אשלגן הידרוקסידי בנוי מיוני הידרוקסיד ומחלקיקים X .
לכל חלקיק X יש 19 פרוטונים, 20 נייטרונים ו־ 18 אלקטרונים.
קבעו מה הם סמל היסוד, המספר האטומי, מספר המסה והמטען של החלקיק X .

ד.

לפניכם שני היגדים המתייחסים לשקית גמישה וסגורה המלאה בגז צחוק, N2O(g)\text{N}_2\text{O}_{(g)}N2​O(g)​ . מעבירים את השקית מחדר חם לחדר קר. הלחץ מחוץ לשקית אינו משתנה. קבעו מהו ההיגד הנכון.
i. כאשר השקית מתקררת, מספר המולקולות בשקית קטן.
ii. כאשר השקית מתקררת, נפח השקית קטן.

ה.

בקטע מוזכרים שלושה גזים: מימן, מתאן וכלור.
נתונות טמפרטורות הרתיחה של הגזים האלה: 20K20\text{K}20K , 112K112\text{K}112K , 239K239\text{K}239K .
מבין הטמפרטורות הנתונות, קבעו מהי טמפרטורת הרתיחה של מתאן. 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 8.0 גרם גז מתאן, CH4(g)\text{CH}_{4(g)}CH4(g)​ , בתנאים שבהם הלחץ הוא 1140 mmHg והטמפרטורה היא 27∘C27^\circ\text{C}27∘C . 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​ ; 1 atm=760 mmHg1\ \text{atm}=760\ \text{mmHg}1 atm=760 mmHg .

ז.

סעיף ז הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
נניח שבמפעל מסוים פורקו בתהליך המתואר בשורות 22–24, 2,000 טון סידן כלורי.
חשבו כמה טון גז כלור נוצרו בתהליך. פרטו את חישוביכם.
נתון: 1 טון =1×106=1\times10^{6}=1×106 גרם.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

(1)

תשובה:

CaCl2(s)\text{CaCl}_{2(s)}CaCl2(s)​

סידן כלורי הוא חומר יוני הבנוי מיוני סידן ומיוני כלוריד. סידן נמצא בטור השני של הטבלה המחזורית (2 אלקטרוני ערכיות), ולכן יוצר יון Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+; כלור נמצא בטור השביעי (7 אלקטרוני ערכיות), ולכן יוצר יון Cl−\text{Cl}^{-}Cl−. כדי שסכום המטענים יהיה אפס, היחס בין היונים הוא 1:21:21:2:
CaCl2(s)\text{CaCl}_{2(s)}CaCl2(s)​
(לפי שורות 23–24 מדובר במוצק – "הסידן הכלורי המוצק".)

(2)

תשובה:

בפירוק חשמלי נדרשים יונים ניידים; במוצק היוני היונים קבועים במקומם בסריג, ורק בהתך הם ניידים.

כדי שהיונים יהיו ניידים ויוכלו להוליך זרם חשמלי.
סידן כלורי הוא חומר יוני. במצב מוצק היונים Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ ו־Cl−\text{Cl}^{-}Cl− מסודרים בסריג יוני וקבועים במקומם (רק רוטטים), ולכן החומר המוצק אינו מוליך חשמל ואי אפשר לפרקו בזרם חשמלי. בהתכה נהרס הסריג, היונים נעשים ניידים, ההתך מוליך חשמל, והיונים נעים אל האלקטרודות: יוני Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ מקבלים אלקטרונים והופכים לסידן מתכתי, ויוני Cl−\text{Cl}^{-}Cl− מוסרים אלקטרונים והופכים לגז כלור (שורה 24).

(3)

תשובה:

CaCl2(l)→Ca(s)+Cl2(g)\text{CaCl}_{2(l)} \rightarrow \text{Ca}_{(s)} + \text{Cl}_{2(g)}CaCl2(l)​→Ca(s)​+Cl2(g)​

CaCl2(l)→Ca(s)+Cl2(g)\text{CaCl}_{2(l)} \rightarrow \text{Ca}_{(s)} + \text{Cl}_{2(g)}CaCl2(l)​→Ca(s)​+Cl2(g)​
•הסידן הכלורי מותך, ולכן מצב הצבירה שלו (l)(l)(l).
•לפי שורה 24 על האלקטרודה "מצטבר סידן מתכתי, Ca(s)\text{Ca}_{(s)}Ca(s)​" – מוצק.
•היסוד השני הוא כלור, שהוא גז דו־אטומי, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ (שורה 24).
איזון: Ca: 1=1; Cl: 2=2.

סעיף ב

(1)

תשובה:

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

i. סידן כלורי, CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​ – אשלגן הידרוקסידי, KOH\text{KOH}KOH: שניהם חומרים יוניים, ולכן מאפיין משותף אפשרי: מוצקים בטמפרטורת החדר בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה (בקטע שניהם מופיעים במצב מוצק: KOH(s)\text{KOH}_{(s)}KOH(s)​ בשורה 2, "הסידן הכלורי המוצק" בשורה 23); או: אינם מוליכים חשמל במצב מוצק, אך מוליכים חשמל במצב נוזל ובתמיסה מימית.
ii. אשלגן – נתרן: שניהם מתכות, ולכן מאפיין משותף אפשרי: מוליכים חשמל במצב מוצק; או: בעלי ברק מתכתי (שורה 7: "טיפות קטנות בעלות 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. אשלגן הוא יסוד (K\text{K}K) ונתרן כלורי הוא תרכובת (NaCl\text{NaCl}NaCl) – כל אחד מהם בנוי מסוג אחד של חומר ויש לו נוסחה כימית אחת, ולכן שניהם חומרים טהורים.
ההיגד ii אינו נכון: לפי שורה 27, גז מכרות הוא "תערובת של גזים שרובה מתאן", ומי ים הם תמיסה של מלחים רבים (נתרן כלורי ועוד) במים (שורות 16–17). שניהם תערובות, לא חומרים טהורים.

סעיף ג

(1)

תשובה:

לשני האטומים אותו מספר אלקטרוני ערכיות – אלקטרון אחד ברמת האנרגיה החיצונית (Na: 2,8,1; K: 2,8,8,1).

המספר האטומי של נתרן הוא 11 ושל אשלגן 19. הערכות האלקטרונים ברמות האנרגיה:
•Na: 2,8,1
•K: 2,8,8,1
לשני האטומים אלקטרון ערכיות אחד ברמת האנרגיה החיצונית. יסודות שבאטומים שלהם אותו מספר אלקטרוני ערכיות נמצאים באותו טור (משפחה) בטבלה המחזורית – הטור הראשון, משפחת המתכות האלקליות. לכן לשני היסודות תכונות כימיות דומות: למשל, שניהם מגיבים במהירות עם מים (שורות 12–14) ויוצרים יונים חד־מטעניים חיוביים, Na+\text{Na}^{+}Na+ ו־K+\text{K}^{+}K+.

(2)

תשובה:

1939K+^{39}_{19}\text{K}^{+}1939​K+ – אשלגן, מספר אטומי 19, מספר מסה 39, מטען 1+1+1+.

- מספר אטומי = מספר הפרוטונים = 19. היסוד שמספרו האטומי 19 (לפי הטבלה המחזורית) הוא אשלגן, K.
- מספר מסה = מספר הפרוטונים + מספר הנייטרונים = 19+20=19+20=19+20= 39.
- מטען = מספר הפרוטונים − מספר האלקטרונים = 19−18=19-18=19−18= +1+1+1.
לכן X הוא היון 1939K+^{39}_{19}\text{K}^{+}1939​K+ – אטום אשלגן שמסר את אלקטרון הערכיות היחיד שלו. זה מתאים לכך שאשלגן הידרוקסידי, KOH\text{KOH}KOH, בנוי מיוני K+\text{K}^{+}K+ ומיוני OH−\text{OH}^{-}OH−.

סעיף ד

תשובה:

ההיגד ii נכון.

ההיגד ii נכון.
- i אינו נכון: השקית סגורה (שורות 32–33: "מתוך שקיות סגורות"), ולכן לא נכנסות אליה ולא יוצאות ממנה מולקולות – מספר המולקולות (מספר המולים) קבוע.
- ii נכון: השקית גמישה, ולכן הלחץ בתוכה שווה ללחץ שמחוצה לה, והוא אינו משתנה. לפי V=nRTPV=\frac{nRT}{P}V=PnRT​: n ו־P קבועים, והטמפרטורה T קטנה – ולכן הנפח V קטן. ברמת החלקיקים: בטמפרטורה נמוכה יותר המהירות הממוצעת של המולקולות קטנה, הן פוגעות בדופן בעוצמה קטנה יותר, והשקית מתכווצת עד שהלחץ בפנים שווה שוב ללחץ שבחוץ.

סעיף ה

תשובה:

112K112\text{K}112K; הגורם: גודל ענן האלקטרונים (חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס) – ענן האלקטרונים של CH4\text{CH}_4CH4​ גדול מזה של H2\text{H}_2H2​ וקטן מזה של Cl2\text{Cl}_2Cl2​.

טמפרטורת הרתיחה של מתאן: 112K112\text{K}112K (הערך האמצעי).
שלושת החומרים מולקולריים ואינם קוטביים: H2\text{H}_2H2​ ו־Cl2\text{Cl}_2Cl2​ – מולקולות דו־אטומיות של יסוד (קשר לא קוטבי), ו־CH4\text{CH}_4CH4​ – מולקולה טטראדרית סימטרית. בין המולקולות של כל אחד מהם פועלות רק אינטראקציות ואן דר ואלס.
הגורם המשפיע: חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס תלוי בגודל ענן האלקטרונים של המולקולה – ככל שענן האלקטרונים גדול יותר, האינטראקציות חזקות יותר וטמפרטורת הרתיחה גבוהה יותר.
מספר האלקטרונים במולקולה: H2\text{H}_2H2​ – 2, CH4\text{CH}_4CH4​ – 6+4⋅1=106+4\cdot1=106+4⋅1=10, Cl2\text{Cl}_2Cl2​ – 2⋅17=342\cdot17=342⋅17=34.
ענן האלקטרונים של מתאן בינוני, ולכן גם טמפרטורת הרתיחה שלו בינונית: 112K112\text{K}112K. (להשלמה: 20K20\text{K}20K – מימן, 239K239\text{K}239K – כלור.)

סעיף ו

תשובה:

V=8.2 LV=8.2\ \text{L}V=8.2 L

מספר המולים של מתאן:
MCH4=12.0+4⋅1.0=16.0 gmoln=mM=8.0 g16.0 gmol=0.50 molM_{\text{CH}_4}=12.0+4\cdot1.0=16.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} \qquad n=\frac{m}{M}=\frac{8.0\ \text{g}}{16.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.50\ \text{mol}MCH4​​=12.0+4⋅1.0=16.0 molg​n=Mm​=16.0 molg​8.0 g​=0.50 mol
המרת יחידות:
P=1140 mmHg760 mmHgatm=1.5 atmT=27∘C+273=300 KP=\frac{1140\ \text{mmHg}}{760\ \frac{\text{mmHg}}{\text{atm}}}=1.5\ \text{atm} \qquad T=27^\circ\text{C}+273=300\ \text{K}P=760 atmmmHg​1140 mmHg​=1.5 atmT=27∘C+273=300 K
הנפח לפי חוק הגזים האידיאליים PV=nRTPV=nRTPV=nRT:
V=nRTP=0.50 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅300 K1.5 atm=8.2 LV=\frac{nRT}{P}=\frac{0.50\ \text{mol}\cdot 0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\cdot 300\ \text{K}}{1.5\ \text{atm}}=8.2\ \text{L}V=PnRT​=1.5 atm0.50 mol⋅0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅300 K​=8.2 L
תשובה: הנפח הוא 8.2 L8.2\ \text{L}8.2 L.
טעות נפוצה: הצבת הלחץ ב־mmHg או הטמפרטורה ב־∘C^\circ\text{C}∘C ישירות בנוסחה – עם R=0.082R=0.082R=0.082 יש להציב לחץ ב־atm וטמפרטורה ב־K.

סעיף ז

תשובה:

כ־1.28×1031.28\times10^{3}1.28×103 טון Cl2\text{Cl}_2Cl2​ (כ־1,280 טון).

ניסוח התגובה (סעיף א(3)):
CaCl2(l)→Ca(s)+Cl2(g)\text{CaCl}_{2(l)} \rightarrow \text{Ca}_{(s)} + \text{Cl}_{2(g)}CaCl2(l)​→Ca(s)​+Cl2(g)​
מסת הסידן הכלורי בגרמים:
mCaCl2=2000 ton⋅1×106 gton=2.0×109 gm_{\text{CaCl}_2}=2000\ \text{ton}\cdot 1\times10^{6}\ \frac{\text{g}}{\text{ton}}=2.0\times10^{9}\ \text{g}mCaCl2​​=2000 ton⋅1×106 tong​=2.0×109 g
מסה מולרית: MCaCl2=40.1+2⋅35.5=111.1 gmolM_{\text{CaCl}_2}=40.1+2\cdot35.5=111.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MCaCl2​​=40.1+2⋅35.5=111.1 molg​
מספר המולים של CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​:
nCaCl2=mM=2.0×109 g111.1 gmol=1.80×107 moln_{\text{CaCl}_2}=\frac{m}{M}=\frac{2.0\times10^{9}\ \text{g}}{111.1\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=1.80\times10^{7}\ \text{mol}nCaCl2​​=Mm​=111.1 molg​2.0×109 g​=1.80×107 mol
יחס מולים CaCl2:Cl2=1:1\text{CaCl}_2:\text{Cl}_2=1:1CaCl2​:Cl2​=1:1, ולכן nCl2=1.80×107 moln_{\text{Cl}_2}=1.80\times10^{7}\ \text{mol}nCl2​​=1.80×107 mol.
מסת הכלור: MCl2=2⋅35.5=71.0 gmolM_{\text{Cl}_2}=2\cdot35.5=71.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MCl2​​=2⋅35.5=71.0 molg​
mCl2=n⋅M=1.80×107 mol⋅71.0 gmol=1.28×109 g=1.28×109 g1×106 gton=1.28×103 tonm_{\text{Cl}_2}=n\cdot M=1.80\times10^{7}\ \text{mol}\cdot71.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=1.28\times10^{9}\ \text{g}=\frac{1.28\times10^{9}\ \text{g}}{1\times10^{6}\ \frac{\text{g}}{\text{ton}}}=1.28\times10^{3}\ \text{ton}mCl2​​=n⋅M=1.80×107 mol⋅71.0 molg​=1.28×109 g=1×106 tong​1.28×109 g​=1.28×103 ton
תשובה: נוצרו כ־1.28×1031.28\times10^{3}1.28×103 טון (כ־1,280 טון) גז כלור.

פרק שני

שאלה 10 · זרחן תלת־כלורי ופחמן דו־גופרי; פירוק תרכובות פחמתיות בחימום

שאלה פתוחה20 נקודות

מבנה וקישור, חישובים, אנרגייה
השאלה עוסקת בחומרים מולקולריים ובתרכובות פחמתיות.
זרחן תלת־כלורי, PCl3(ℓ)\text{PCl}_{3(\ell)}PCl3(ℓ)​ , הוא חומר גלם בתעשייה הכימית. מייצרים אותו בתגובה בין זרחן לבין גז כלור, Cl2(g)\text{Cl}_{2(g)}Cl2(g)​ .
פחמן דו־גופרי, CS2(ℓ)\text{CS}_{2(\ell)}CS2(ℓ)​ , הוא נוזל נדיף המשמש ממס בתעשייה.

א.

רִשמו נוסחאות ייצוג אלקטרונים של המולקולות: CS2\text{CS}_2CS2​ , PCl3\text{PCl}_3PCl3​ ו־ Cl2\text{Cl}_2Cl2​ .

ב.

לפניכם טבלה שבה מוצגות טמפרטורות הרתיחה של שני חומרים וצורת המולקולה של כל אחד מהם:
החומר (בטמפרטורת החדר)טמפרטורת רתיחה (oC)(^{o}\text{C})(oC)צורת המולקולה של החומר
PCl3(ℓ)\text{PCl}_{3(\ell)}PCl3(ℓ)​767676פירמידה משולשת
CS2(ℓ)\text{CS}_{2(\ell)}CS2(ℓ)​464646קווית
ציינו שני גורמים להבדל בין טמפרטורות הרתיחה של שני החומרים.

החומר (בטמפרטורת החדר)	טמפרטורת רתיחה $(^{o}\text{C})$	צורת המולקולה של החומר
$\text{PCl}_{3(\ell)}$	$76$	פירמידה משולשת
$\text{CS}_{2(\ell)}$	$46$	קווית

ג.

קבעו עבור כל אחת מן המולקולות PCl3\text{PCl}_3PCl3​ ו־ CS2\text{CS}_2CS2​ אם היא קוטבית או לא קוטבית, וציינו אילו כוחות פועלים בין המולקולות בכל אחד משני החומרים. היעזרו בטבלת האלקטרושליליות שבנספח ובצורות המולקולות שבטבלה שבסעיף ב.

ד.

במעבדה אפשר לקבל פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ , בחימום של אבקות לבנות.
בניסוי 1 חיממו סידן פחמתי, CaCO3(s)\text{CaCO}_{3(s)}CaCO3(s)​ . החומר התפרק לסידן חמצני מוצק, CaO(s)\text{CaO}_{(s)}CaO(s)​ , ולפחמן דו־חמצני.
בניסוי 2 חיממו נתרן מימן פחמתי, NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​ . החומר התפרק לנתרן פחמתי מוצק, Na2CO3(s)\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)}Na2​CO3(s)​ , לאדי מים ולפחמן דו־חמצני.
רִשמו ניסוח מאוזן לתגובת הפירוק של CaCO3(s)\text{CaCO}_{3(s)}CaCO3(s)​ .

ה.

רִשמו ניסוח מאוזן לתגובת הפירוק של NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​ .

ו.

בניסוי 1 חיממו 10.010.010.0 גרם של CaCO3(s)\text{CaCO}_{3(s)}CaCO3(s)​ . כל החומר התפרק.
מהו מספר המולים של פחמן דו־חמצני שהתקבלו בתגובה? פרטו את חישוביכם.

ז.

בניסוי 2 חיממו מסה נתונה של NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​ . כל החומר התפרק. מספר המולים של פחמן דו־חמצני שהתקבלו בתגובה היה זהה למספר המולים של פחמן דו־חמצני שחישבתם בסעיף ו.
האם מספר המולים של NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​ שהתפרק בניסוי 2 זהה למספר המולים של CaCO3(s)\text{CaCO}_{3(s)}CaCO3(s)​ שהתפרק בניסוי 1? פרטו את חישוביכם או נמקו באופן מילולי.

ח.

בשני הניסויים תגובות הפירוק מתרחשות רק כל עוד מחממים את האבקות. כאשר מפסיקים לחמם – הפירוק נפסק.
האם תגובות הפירוק הן אנדותרמיות או אקסותרמיות? הסבירו את תשובתכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

תשובה:

ב־ PCl3\text{PCl}_3PCl3​ אטום P מרכזי עם 3 קשרים יחידים וזוג לא קושר אחד, ולכל אטום Cl – 3 זוגות לא קושרים; ב־ CS2\text{CS}_2CS2​ אטום C מרכזי עם 2 קשרים כפולים (S=C=S) ולכל אטום S – 2 זוגות לא קושרים; ב־ Cl2\text{Cl}_2Cl2​ קשר יחיד ו־ 3 זוגות לא קושרים על כל אטום.

לאטום זרחן 5 אלקטרוני ערכיות: הוא יוצר 3 קשרים קוולנטיים יחידים ונשאר לו זוג אלקטרונים לא קושר אחד. לאטום כלור 7 אלקטרוני ערכיות: הוא יוצר קשר אחד ונושא 3 זוגות לא קושרים. לאטום פחמן 4 אלקטרוני ערכיות: הוא יוצר 4 קשרים. לאטום גופרית 6 אלקטרוני ערכיות: הוא יוצר 2 קשרים ונושא 2 זוגות לא קושרים.
CS2\text{CS}_2CS2​ (16 אלקטרוני ערכיות: 4+2⋅6=164+2\cdot 6=164+2⋅6=16 – 4 זוגות קושרים בשני קשרים כפולים + 4 זוגות לא קושרים, 2 על כל אטום S):
  :S = C = S:
   ''      ''
(על כל אטום S יש בסך הכול 2 זוגות לא קושרים; לאטום C אין זוגות לא קושרים.)
PCl3\text{PCl}_3PCl3​ (26 אלקטרוני ערכיות: 3 זוגות קושרים + 10 זוגות לא קושרים – אחד על P ו־ 3 על כל Cl):
         ..
  :Cl — P — Cl:
   ''    |    ''
        :Cl:
         ''
(על כל אטום Cl יש בסך הכול 3 זוגות לא קושרים.)
Cl2\text{Cl}_2Cl2​ (14 אלקטרוני ערכיות: זוג קושר אחד + 6 זוגות לא קושרים):
  :Cl — Cl:
   ''    ''
טעות נפוצה: לשכוח את הזוג הלא קושר על אטום הזרחן, או לרשום ב־ CS2\text{CS}_2CS2​ קשרים יחידים – כך לאטום הפחמן לא יהיה אוקטט.

סעיף ב

תשובה:

(1) גודל ענן האלקטרונים – גדול יותר ב־ PCl3\text{PCl}_3PCl3​; (2) קוטביות המולקולה – PCl3\text{PCl}_3PCl3​ קוטבית ו־ CS2\text{CS}_2CS2​ לא קוטבית.

טמפרטורת הרתיחה של PCl3\text{PCl}_3PCl3​ (76oC76^{o}\text{C}76oC) גבוהה מזו של CS2\text{CS}_2CS2​ (46oC46^{o}\text{C}46oC). שני גורמים:
1. גודל ענן האלקטרונים של המולקולה – במולקולת PCl3\text{PCl}_3PCl3​ יש 15+3⋅17=6615+3\cdot 17=6615+3⋅17=66 אלקטרונים, ובמולקולת CS2\text{CS}_2CS2​ יש 6+2⋅16=386+2\cdot 16=386+2⋅16=38 אלקטרונים.
2. קוטביות המולקולה – מולקולת PCl3\text{PCl}_3PCl3​ קוטבית, ומולקולת CS2\text{CS}_2CS2​ אינה קוטבית (ראו סעיף ג).
שני הגורמים פועלים באותו כיוון: הכוחות בין מולקולות PCl3\text{PCl}_3PCl3​ חזקים יותר.

סעיף ג

תשובה:

PCl3\text{PCl}_3PCl3​ – קוטבית; בין המולקולות: אינטראקציות ואן דר ואלס, כולל משיכה בין דו־קטבים קבועים. CS2\text{CS}_2CS2​ – לא קוטבית; בין המולקולות: אינטראקציות ואן דר ואלס בין דו־קטבים רגעיים ומושרים בלבד.

PCl3\text{PCl}_3PCl3​ – מולקולה קוטבית. הפרש האלקטרושליליות בקשר P–Cl הוא 3.0−2.1=0.93.0-2.1=0.93.0−2.1=0.9, כלומר הקשרים קוטביים (מטען חלקי שלילי על Cl). המולקולה בצורת פירמידה משולשת – המבנה אינו סימטרי (יש זוג לא קושר על P), ולכן הדו־קטבים של הקשרים אינם מבטלים זה את זה, ולמולקולה דו־קוטב קבוע.
בין מולקולות PCl3\text{PCl}_3PCl3​ פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס, ובהן גם משיכה בין הדו־קטבים הקבועים של המולקולות (דו־קוטב–דו־קוטב).
CS2\text{CS}_2CS2​ – מולקולה לא קוטבית. האלקטרושליליות של C ושל S שווה (2.52.52.5), ולכן הקשרים C=S אינם קוטביים. נוסף על כך המולקולה קווית וסימטרית (S=C=S), כך שגם אילו היו לקשרים דו־קטבים – הם היו מבטלים זה את זה. לכן למולקולה אין דו־קוטב קבוע.
בין מולקולות CS2\text{CS}_2CS2​ פועלות רק אינטראקציות ואן דר ואלס בין דו־קטבים רגעיים ומושרים.
טעות נפוצה: לקבוע ש־ CS2\text{CS}_2CS2​ קוטבית בגלל הזוגות הלא קושרים על אטומי הגופרית – במולקולה קווית וסימטרית אין דו־קוטב קבוע.

סעיף ד

תשובה:

CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)\text{CaCO}_{3(s)} \rightarrow \text{CaO}_{(s)} + \text{CO}_{2(g)}CaCO3(s)​→CaO(s)​+CO2(g)​

CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)\text{CaCO}_{3(s)} \rightarrow \text{CaO}_{(s)} + \text{CO}_{2(g)}CaCO3(s)​→CaO(s)​+CO2(g)​
בדיקה: Ca: 1 = 1; C: 1 = 1; O: 3 = 1+2=31+2=31+2=3. הניסוח מאוזן כשכל המקדמים 1.

סעיף ה

תשובה:

2NaHCO3(s)→Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)2\text{NaHCO}_{3(s)} \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_{3(s)} + \text{H}_2\text{O}_{(g)} + \text{CO}_{2(g)}2NaHCO3(s)​→Na2​CO3(s)​+H2​O(g)​+CO2(g)​

2NaHCO3(s)→Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)2\text{NaHCO}_{3(s)} \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_{3(s)} + \text{H}_2\text{O}_{(g)} + \text{CO}_{2(g)}2NaHCO3(s)​→Na2​CO3(s)​+H2​O(g)​+CO2(g)​
בדיקה: Na: 2 = 2; H: 2 = 2; C: 2 = 1+11+11+1; O: 2⋅3=62\cdot 3=62⋅3=6 = 3+1+2=63+1+2=63+1+2=6. המים נוצרים כאדים כי הפירוק מתרחש בחימום.

סעיף ו

תשובה:

0.0999 mol≈0.100 mol0.0999\ \text{mol} \approx 0.100\ \text{mol}0.0999 mol≈0.100 mol של CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​

המסה המולרית (לפי הטבלה המחזורית):
Mw CaCO3=40.1+12.0+3⋅16.0=100.1 grmolM_{w\,\text{CaCO}_3}=40.1+12.0+3\cdot 16.0=100.1\ \frac{\text{gr}}{\text{mol}}MwCaCO3​​=40.1+12.0+3⋅16.0=100.1 molgr​
nCaCO3=mMw=10.0 gr100.1 grmol=0.0999 moln_{\text{CaCO}_3}=\frac{m}{M_w}=\frac{10.0\ \text{gr}}{100.1\ \frac{\text{gr}}{\text{mol}}}=0.0999\ \text{mol}nCaCO3​​=Mw​m​=100.1 molgr​10.0 gr​=0.0999 mol
לפי הניסוח בסעיף ד, יחס המולים CaCO3:CO2=1:1\text{CaCO}_3 : \text{CO}_2 = 1:1CaCO3​:CO2​=1:1:
nCO2=nCaCO3=0.0999 mol≈0.100 moln_{\text{CO}_2}=n_{\text{CaCO}_3}=0.0999\ \text{mol}\approx 0.100\ \text{mol}nCO2​​=nCaCO3​​=0.0999 mol≈0.100 mol

סעיף ז

תשובה:

לא. התפרקו 0.200 mol0.200\ \text{mol}0.200 mol של NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ לעומת 0.100 mol0.100\ \text{mol}0.100 mol של CaCO3\text{CaCO}_3CaCO3​ – פי 2.

לא – מספר המולים אינו זהה.
לפי הניסוח בסעיף ה, יחס המולים NaHCO3:CO2=2:1\text{NaHCO}_3 : \text{CO}_2 = 2:1NaHCO3​:CO2​=2:1, ולכן:
nNaHCO3=2⋅nCO2=2⋅0.0999 mol=0.200 moln_{\text{NaHCO}_3}=2\cdot n_{\text{CO}_2}=2\cdot 0.0999\ \text{mol}=0.200\ \text{mol}nNaHCO3​​=2⋅nCO2​​=2⋅0.0999 mol=0.200 mol
בניסוי 1 התפרקו רק 0.0999 mol≈0.100 mol0.0999\ \text{mol}\approx 0.100\ \text{mol}0.0999 mol≈0.100 mol של CaCO3\text{CaCO}_3CaCO3​.
נימוק מילולי: מכל מול CaCO3\text{CaCO}_3CaCO3​ מתקבל מול אחד של CO2\text{CO}_2CO2​, ואילו מכל מול NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ מתקבל רק חצי מול CO2\text{CO}_2CO2​. לכן כדי לקבל אותה כמות CO2\text{CO}_2CO2​ צריך פי 2 מולים של NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​.

סעיף ח

תשובה:

אנדותרמיות – המערכת קולטת אנרגייה (חום) מהסביבה (מן המבער), ולכן התגובות מתרחשות רק כאשר מספקים להן חום.

התגובות אנדותרמיות.
התגובות מתרחשות רק כאשר מספקים חום ברציפות. המשמעות היא שבמהלך התגובות עוברת אנרגייה (חום) מהסביבה (המבער) אל המערכת (החומרים המגיבים). תגובה שבה המערכת קולטת אנרגייה מהסביבה היא תגובה אנדותרמית: אנטלפיית התוצרים גבוהה מאנטלפיית המגיבים, ΔH>0\Delta H>0ΔH>0.
(בתגובה אקסותרמית הייתה נפלטת אנרגייה, והתגובה הייתה יכולה להימשך גם בלי חימום חיצוני לאחר שהתחילה.)

שאלה 11 · תרכובות מנגן – חמצון־חיזור וחישובים

שאלה פתוחה20 נקודות

חמצון–חיזור, חישובים

א.

לפניכם נוסחאות של שישה חומרים שיש בהם אטומי מנגן:
Mn, MnO2, KMnO4, MnO, K2MnO4, Mn2O7\text{Mn} \quad,\ \text{MnO}_2 \quad,\ \text{KMnO}_4 \quad,\ \text{MnO} \quad,\ \text{K}_2\text{MnO}_4 \quad,\ \text{Mn}_2\text{O}_7Mn, MnO2​, KMnO4​, MnO, K2​MnO4​, Mn2​O7​
נתון: דרגת החמצון המרבית של מנגן היא +7+7+7 , ודרגת החמצון המזערית שלו היא 000 .

(1)

קבעו את דרגת החמצון של אטום המנגן בכל אחד מן החומרים.

(2)

קבעו באילו מן החומרים הנתונים עשויים אטומי המנגן לעבור גם תהליך חמצון וגם תהליך חיזור.
נמקו את קביעותיכם.

ב.

במעבדה אפשר להכין כמות קטנה של גז כלור, Cℓ2(g)\text{C}\ell_{2(g)}Cℓ2(g)​ , בתגובה של מנגן דו־חמצני, MnO2(s)\text{MnO}_{2(s)}MnO2(s)​ , עם תמיסה מרוכזת של מימן כלורי, HCℓ(aq)\text{HC}\ell_{(aq)}HCℓ(aq)​ .
לפניכם ניסוח תגובה 1 :
1.MnO2(s)+4HCℓ(aq)→MnCℓ2(aq)+Cℓ2(g)+2H2O(ℓ)1.\quad \text{MnO}_{2(s)} + 4\text{HC}\ell_{(aq)} \rightarrow \text{MnC}\ell_{2(aq)} + \text{C}\ell_{2(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}1.MnO2(s)​+4HCℓ(aq)​→MnCℓ2(aq)​+Cℓ2(g)​+2H2​O(ℓ)​
קבעו מהו החומר המחמצן ומהו החומר המחזר בתגובה 1 . הסבירו את שתי הקביעות.

ג.

מנגן חד־חמצני, MnO(s)\text{MnO}_{(s)}MnO(s)​ , מגיב עם תמיסה חומצית.
לפניכם ניסוח תגובה 2 :
2.MnO(s)+2H3O(aq)+→Mn(aq)2++3H2O(ℓ)2.\quad \text{MnO}_{(s)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow \text{Mn}^{2+}_{(aq)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}2.MnO(s)​+2H3​O(aq)+​→Mn(aq)2+​+3H2​O(ℓ)​
האם תגובה 2 היא תגובת חמצון–חיזור? הסבירו את קביעתכם.

ד.

אשלגן פרמנגנטי, KMnO4(s)\text{KMnO}_{4(s)}KMnO4(s)​ , הוא מוצק סגול כהה. תמיסות מהולות שלו משמשות לחיטוי.
נסחו את תגובת ההמסה של KMnO4(s)\text{KMnO}_{4(s)}KMnO4(s)​ במים.

ה.

המיסו 7.97.97.9 גרם KMnO4(s)\text{KMnO}_{4(s)}KMnO4(s)​ במים, והכינו 500500500 מיליליטר תמיסה.
חשבו את הריכוז המולרי של תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ שהתקבלה. פרטו את חישוביכם.

ו.

יוני פרמנגנט מגיבים בתמיסה חומצית עם יוני ברזל, Fe(aq)2+\text{Fe}^{2+}_{(aq)}Fe(aq)2+​ .
נתון ניסוח נטו של התגובה:
3.MnO4(aq)−+5Fe(aq)2++8H3O(aq)+→Mn(aq)2++5Fe(aq)3++12H2O(ℓ)3.\quad \text{MnO}^{-}_{4(aq)} + 5\text{Fe}^{2+}_{(aq)} + 8\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow \text{Mn}^{2+}_{(aq)} + 5\text{Fe}^{3+}_{(aq)} + 12\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}3.MnO4(aq)−​+5Fe(aq)2+​+8H3​O(aq)+​→Mn(aq)2+​+5Fe(aq)3+​+12H2​O(ℓ)​
הוסיפו KMnO4(s)\text{KMnO}_{4(s)}KMnO4(s)​ ל־ 222 ליטר תמיסה חומצית של ברזל גופרתי, FeSO4(aq)\text{FeSO}_{4(aq)}FeSO4(aq)​ , בריכוז 0.5M0.5\text{M}0.5M . כל יוני Fe(aq)2+\text{Fe}^{2+}_{(aq)}Fe(aq)2+​ הגיבו בשלמות (ללא שינוי בנפח התמיסה).

(1)

חשבו את מסת KMnO4(s)\text{KMnO}_{4(s)}KMnO4(s)​ שהגיבה. פרטו את חישוביכם.

(2)

חשבו את הריכוז של יוני Mn(aq)2+\text{Mn}^{2+}_{(aq)}Mn(aq)2+​ בתמיסה שהתקבלה. פרטו את חישוביכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

(1)

תשובה:

Mn\text{Mn}Mn: 000; MnO2\text{MnO}_2MnO2​: +4+4+4; KMnO4\text{KMnO}_4KMnO4​: +7+7+7; MnO\text{MnO}MnO: +2+2+2; K2MnO4\text{K}_2\text{MnO}_4K2​MnO4​: +6+6+6; Mn2O7\text{Mn}_2\text{O}_7Mn2​O7​: +7+7+7.

- Mn\text{Mn}Mn: יסוד – 000.
- MnO2\text{MnO}_2MnO2​: x+2⋅(−2)=0⇒x=+4x + 2\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +4x+2⋅(−2)=0⇒x=+4.
- KMnO4\text{KMnO}_4KMnO4​: (+1)+x+4⋅(−2)=0⇒x=+7(+1) + x + 4\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +7(+1)+x+4⋅(−2)=0⇒x=+7.
- MnO\text{MnO}MnO: x+(−2)=0⇒x=+2x + (-2) = 0 \Rightarrow x = +2x+(−2)=0⇒x=+2.
- K2MnO4\text{K}_2\text{MnO}_4K2​MnO4​: 2⋅(+1)+x+4⋅(−2)=0⇒x=+62\cdot(+1) + x + 4\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +62⋅(+1)+x+4⋅(−2)=0⇒x=+6.
- Mn2O7\text{Mn}_2\text{O}_7Mn2​O7​: 2x+7⋅(−2)=0⇒x=+72x + 7\cdot(-2) = 0 \Rightarrow x = +72x+7⋅(−2)=0⇒x=+7.

(2)

תשובה:

MnO2\text{MnO}_2MnO2​ (+4)(+4)(+4), MnO\text{MnO}MnO (+2)(+2)(+2), K2MnO4\text{K}_2\text{MnO}_4K2​MnO4​ (+6)(+6)(+6) – דרגת החמצון בין 000 ל־+7+7+7.

אטום יכול לעבור חמצון רק אם דרגת החמצון שלו יכולה לעלות, ולעבור חיזור רק אם היא יכולה לרדת. לפי הנתון, דרגת החמצון של מנגן יכולה לנוע בין 000 (מזערית) ל־+7+7+7 (מרבית). לכן:
- MnO2\text{MnO}_2MnO2​ (+4)(+4)(+4), MnO\text{MnO}MnO (+2)(+2)(+2), K2MnO4\text{K}_2\text{MnO}_4K2​MnO4​ (+6)(+6)(+6) – גם חמצון וגם חיזור.
- Mn\text{Mn}Mn (0)(0)(0) – דרגת החמצון המזערית: חמצון בלבד.
- KMnO4\text{KMnO}_4KMnO4​ ו־Mn2O7\text{Mn}_2\text{O}_7Mn2​O7​ (+7)(+7)(+7) – דרגת החמצון המרבית: חיזור בלבד.
טעות נפוצה: להפוך את הכיוונים – אטום בדרגת החמצון המרבית יכול רק להתחזר (לשמש מחמצן).

סעיף ב

תשובה:

המחמצן: MnO2(s)\text{MnO}_{2(s)}MnO2(s)​; המחזר: HCℓ(aq)\text{HC}\ell_{(aq)}HCℓ(aq)​.

דרגות חמצון בתגובה 1:
•מנגן: ב־MnO2\text{MnO}_2MnO2​ (+4)(+4)(+4), ב־MnCℓ2\text{MnC}\ell_2MnCℓ2​ (+2)(+2)(+2).
•כלור: ב־HCℓ\text{HC}\ellHCℓ (−1)(-1)(−1); ב־MnCℓ2\text{MnC}\ell_2MnCℓ2​ (−1)(-1)(−1) – ללא שינוי; ב־Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​ (0)(0)(0).
- H\text{H}H (+1)(+1)(+1) ו־O\text{O}O (−2)(-2)(−2) – ללא שינוי.
החומר המחמצן: MnO2(s)\text{MnO}_{2(s)}MnO2(s)​. אטום המנגן עובר מדרגת חמצון +4+4+4 ל־+2+2+2 – הוא מקבל אלקטרונים ומתחזר. החומר שאטומיו מתחזרים הוא המחמצן.
החומר המחזר: HCℓ(aq)\text{HC}\ell_{(aq)}HCℓ(aq)​. חלק מאטומי הכלור (שניים מתוך ארבעה) עוברים מדרגת חמצון −1-1−1 ל־000 (ב־Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​) – הם מוסרים אלקטרונים ומתחמצנים. החומר שאטומיו מתחמצנים הוא המחזר.
טעות נפוצה: לקבוע ש־HCℓ\text{HC}\ellHCℓ אינו מחזר כי חלק מאטומי הכלור נשארים בדרגת חמצון −1-1−1 (ב־MnCℓ2\text{MnC}\ell_2MnCℓ2​) – מספיק שחלק מהאטומים מתחמצנים.

סעיף ג

תשובה:

לא – דרגות החמצון של כל האטומים אינן משתנות.

תגובה 2 אינה תגובת חמצון–חיזור.
•מנגן: ב־MnO\text{MnO}MnO (+2)(+2)(+2) וביון Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+ (+2)(+2)(+2).
•חמצן: (−2)(-2)(−2) ב־MnO\text{MnO}MnO, ב־H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ וב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
•מימן: (+1)(+1)(+1) ב־H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ וב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.
בתגובת חמצון–חיזור עוברים אלקטרונים, ומעבר זה מתבטא בשינוי דרגות חמצון. כאן אף דרגת חמצון אינה משתנה (זו תגובה של חומצה עם תחמוצת מתכת).

סעיף ד

תשובה:

KMnO4(s)→H2O(ℓ)K(aq)++MnO4(aq)−\text{KMnO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{MnO}^{-}_{4(aq)}KMnO4(s)​H2​O(ℓ)​​K(aq)+​+MnO4(aq)−​

KMnO4\text{KMnO}_4KMnO4​ הוא חומר יוני הבנוי מיוני אשלגן K+\text{K}^{+}K+ ומיונים מורכבים פרמנגנטיים MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​. בהמסה במים היונים נפרדים ומוקפים במולקולות מים; היון המורכב נשאר שלם:
KMnO4(s)→H2O(ℓ)K(aq)++MnO4(aq)−\text{KMnO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{MnO}^{-}_{4(aq)}KMnO4(s)​H2​O(ℓ)​​K(aq)+​+MnO4(aq)−​
טעות נפוצה: לפרק את היון המורכב ליוני Mn7+\text{Mn}^{7+}Mn7+ ו־O2−\text{O}^{2-}O2−.

סעיף ה

תשובה:

0.10 M0.10\ \text{M}0.10 M

מסה מולרית: Mw(KMnO4)=39.1+54.9+4⋅16.0=158.0 gmolM_w(\text{KMnO}_4) = 39.1 + 54.9 + 4\cdot 16.0 = 158.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}Mw​(KMnO4​)=39.1+54.9+4⋅16.0=158.0 molg​
מספר מולים: n=mMw=7.9 g158.0 gmol=0.050 moln = \frac{m}{M_w} = \frac{7.9\ \text{g}}{158.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 0.050\ \text{mol}n=Mw​m​=158.0 molg​7.9 g​=0.050 mol
נפח בליטרים: V=500 mL=0.500 LV = 500\ \text{mL} = 0.500\ \text{L}V=500 mL=0.500 L
ריכוז: C=nV=0.050 mol0.500 L=0.10 molL=0.10 MC = \frac{n}{V} = \frac{0.050\ \text{mol}}{0.500\ \text{L}} = 0.10\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} = 0.10\ \text{M}C=Vn​=0.500 L0.050 mol​=0.10 Lmol​=0.10 M

סעיף ו

(1)

תשובה:

31.6 g31.6\ \text{g}31.6 g

יחס המולים לפי תגובה 3: n(MnO4−):n(Fe2+)=1:5n(\text{MnO}_4^{-}) : n(\text{Fe}^{2+}) = 1:5n(MnO4−​):n(Fe2+)=1:5
n(MnO4−)=1.0 mol5=0.20 moln(\text{MnO}_4^{-}) = \frac{1.0\ \text{mol}}{5} = 0.20\ \text{mol}n(MnO4−​)=51.0 mol​=0.20 mol ; לפי תגובת ההמסה n(KMnO4)=n(MnO4−)=0.20 moln(\text{KMnO}_4) = n(\text{MnO}_4^{-}) = 0.20\ \text{mol}n(KMnO4​)=n(MnO4−​)=0.20 mol
m=n⋅Mw=0.20 mol⋅158.0 gmol=31.6 gm = n\cdot M_w = 0.20\ \text{mol} \cdot 158.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 31.6\ \text{g}m=n⋅Mw​=0.20 mol⋅158.0 molg​=31.6 g
טעות נפוצה: להכפיל ב־555 במקום לחלק – לכל יון פרמנגנט נדרשים חמישה יוני Fe2+\text{Fe}^{2+}Fe2+.

(2)

תשובה:

0.1 M0.1\ \text{M}0.1 M

יחס המולים לפי תגובה 3: n(MnO4−):n(Mn2+)=1:1n(\text{MnO}_4^{-}) : n(\text{Mn}^{2+}) = 1:1n(MnO4−​):n(Mn2+)=1:1, ולכן n(Mn2+)=0.20 moln(\text{Mn}^{2+}) = 0.20\ \text{mol}n(Mn2+)=0.20 mol.
נפח התמיסה לא השתנה: V=2 LV = 2\ \text{L}V=2 L
C(Mn2+)=nV=0.20 mol2 L=0.1 molL=0.1 MC(\text{Mn}^{2+}) = \frac{n}{V} = \frac{0.20\ \text{mol}}{2\ \text{L}} = 0.1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} = 0.1\ \text{M}C(Mn2+)=Vn​=2 L0.20 mol​=0.1 Lmol​=0.1 M

שאלה 12 · בסיסים: אמוניה, אשלגן הידרוקסידי ואתנולאמין

שאלה פתוחה20 נקודות

חומצות ובסיסים, חישובים
ענו על הסעיפים א, ג, ד, ו, ז ועל אחד מן הסעיפים ב או ה.
השאלה עוסקת בכמה בסיסים ובתמיסות שלהם.
תמיסה של אמוניה מכינים בהזרמת הגז אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , למים.

א.

נסחו את התגובה של NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ עם מים.

ב.

סעיף ב הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
הריכוז של NH3(aq)\text{NH}_{3(aq)}NH3(aq)​ בתמיסה מסוימת הוא 1.5M .
חשבו מהי מסת האמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , שהומסה ב־200 מ"ל של תמיסה זו. פרטו את חישוביכם.

ג.

תמיסה לפתיחת סתימות בצנרת מכילה אשלגן הידרוקסידי.
נסחו את תגובת ההמסה של אשלגן הידרוקסידי, KOH(s)\text{KOH}_{(s)}KOH(s)​ , במים.

ד.

כדי לקבוע את הריכוז של KOH(aq)\text{KOH}_{(aq)}KOH(aq)​ בתמיסת פותח הסתימות הגיבו אותה עם חומצה הידרוכלורית, HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​ .
רשמו ניסוח נטו של התגובה שהתרחשה.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ב.
מהלו 10.0 מ"ל מתמיסת פותח הסתימות במים, עד לנפח של 100.0 מ"ל.
נדרשו 16.0 מ"ל תמיסת HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​ בריכוז 0.250M לתגובה מלאה עם 20.0 מ"ל מן התמיסה המהולה.
חשבו את הריכוז המולרי של KOH(aq)\text{KOH}_{(aq)}KOH(aq)​ בתמיסת פותח הסתימות (לפני המיהול). פרטו את חישוביכם.

ו.

לפניכם ייצוג מלא של נוסחת מבנה של מולקולת אתנולאמין – חומר המשמש בתעשייה לסילוק גזים חומציים, כמו פחמן דו־חמצני, מגז טבעי. במולקולה מסומנות שלוש קבוצות אטומים 1–3.
מבין קבוצות האטומים 1 , 2 , 3 במולקולה זו, קבעו איזו קבוצה מאפשרת לאתנולאמין להגיב כבסיס.

ז.

מי סיד הם תמיסה מימית של סידן הידרוקסידי, Ca(OH)2(aq)\text{Ca(OH)}_{2(aq)}Ca(OH)2(aq)​ .
הזרימו לתוך מי סיד כמות קטנה של גז פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ , ונוצר משקע לבן.
נתון ניסוח נטו של התגובה שהתרחשה:
CO2(g)+Ca(aq)2++2OH(aq)−→CaCO3(s)+H2O(l)\text{CO}_{2(g)} + \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + 2\text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow \text{CaCO}_{3(s)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}CO2(g)​+Ca(aq)2+​+2OH(aq)−​→CaCO3(s)​+H2​O(l)​
קבעו אם בתום ההזרמה ערך ה־ pH של התמיסה היה גבוה מערך ה־ pH של מי הסיד לפני ההזרמה, נמוך ממנו או שווה לו. נמקו את קביעתכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 12

סעיף א

תשובה:

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)−​

אמוניה היא בסיס: מולקולת NH3\text{NH}_3NH3​ מקבלת יון H+\text{H}^{+}H+ ממולקולת מים (המים משמשים כאן מגיב – חומצה). יון ה־H+\text{H}^{+}H+ נקשר לזוג האלקטרונים הלא קושר של אטום החנקן, ונוצרים יוני אמוניום ויוני הידרוקסיד:
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)−​
בדיקת איזון: N – 1, H – 5, O – 1 בכל צד; מטען: 0 בכל צד.
טעות נפוצה: לרשום NH4OH\text{NH}_4\text{OH}NH4​OH כתוצר, או לרשום את המים מעל החץ כממס בלבד.

סעיף ב

תשובה:

m=5.1 gm = 5.1\ \text{g}m=5.1 g

מספר המולים של NH3\text{NH}_3NH3​ ב־200 מ"ל: n=C⋅V=1.5 molL⋅0.200 L=0.30 moln = C \cdot V = 1.5\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.200\ \text{L} = 0.30\ \text{mol}n=C⋅V=1.5 Lmol​⋅0.200 L=0.30 mol
המסה המולרית: M(NH3)=14.0+3⋅1.0=17.0 gmolM(\text{NH}_3) = 14.0 + 3 \cdot 1.0 = 17.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(NH3​)=14.0+3⋅1.0=17.0 molg​
המסה: m=n⋅M=0.30 mol⋅17.0 gmol=5.1 gm = n \cdot M = 0.30\ \text{mol} \cdot 17.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 5.1\ \text{g}m=n⋅M=0.30 mol⋅17.0 molg​=5.1 g
תשובה: ב־200 מ"ל תמיסה הומסו 5.1 g5.1\ \text{g}5.1 g אמוניה.

סעיף ג

תשובה:

KOH(s)→H2OK(aq)++OH(aq)−\text{KOH}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}KOH(s)​H2​O​K(aq)+​+OH(aq)−​

אשלגן הידרוקסידי הוא חומר יוני. בהמסה במים היונים נפרדים זה מזה ומוקפים במולקולות מים – המים משמשים ממס ולכן נרשמים מעל החץ:
KOH(s)→H2O(l)K(aq)++OH(aq)−\text{KOH}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}KOH(s)​H2​O(l)​​K(aq)+​+OH(aq)−​
טעות נפוצה: לרשום את המים כמגיב בתגובת ההמסה של חומר יוני.

סעיף ד

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)​

בתמיסת החומצה ההידרוכלורית יש יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ ו־Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​, ובתמיסת פותח הסתימות – יוני K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}K(aq)+​ ו־OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}OH(aq)−​. בתגובת סתירה מגיבים רק יוני ההידרוניום עם יוני ההידרוקסיד; יוני K+\text{K}^{+}K+ ו־Cl−\text{Cl}^{-}Cl− הם יונים צופים ואינם נרשמים בניסוח נטו:
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)​
טעות נפוצה: לרשום ניסוח הכולל את היונים הצופים (K+\text{K}^{+}K+, Cl−\text{Cl}^{-}Cl−) או את התוצר KCl\text{KCl}KCl.

סעיף ה

תשובה:

C(KOH)=2.00 MC(\text{KOH}) = 2.00\ \text{M}C(KOH)=2.00 M

1. מספר המולים של החומצה: n(H3O+)=n(HCl)=C⋅V=0.250 molL⋅0.0160 L=4.00×10−3 moln(\text{H}_3\text{O}^{+}) = n(\text{HCl}) = C \cdot V = 0.250\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.0160\ \text{L} = 4.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}n(H3​O+)=n(HCl)=C⋅V=0.250 Lmol​⋅0.0160 L=4.00×10−3 mol
2. לפי הניסוח נטו (סעיף ד) היחס H3O+:OH−=1:1\text{H}_3\text{O}^{+} : \text{OH}^{-} = 1:1H3​O+:OH−=1:1, ולכן ב־20.0 מ"ל התמיסה המהולה: n(OH−)=n(KOH)=4.00×10−3 moln(\text{OH}^{-}) = n(\text{KOH}) = 4.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}n(OH−)=n(KOH)=4.00×10−3 mol
3. ריכוז התמיסה המהולה: Cdiluted=4.00×10−3 mol0.0200 L=0.200 molLC_{\text{diluted}} = \frac{4.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}}{0.0200\ \text{L}} = 0.200\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}Cdiluted​=0.0200 L4.00×10−3 mol​=0.200 Lmol​
4. במיהול מספר המולים של KOH לא משתנה; הנפח גדל פי 100.0 mL10.0 mL=10\frac{100.0\ \text{mL}}{10.0\ \text{mL}} = 1010.0 mL100.0 mL​=10, ולכן הריכוז המקורי גדול פי 10:
Coriginal=10⋅0.200 molL=2.00 molLC_{\text{original}} = 10 \cdot 0.200\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} = 2.00\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}Coriginal​=10⋅0.200 Lmol​=2.00 Lmol​
(דרך נוספת: ב־100.0 מ"ל מהולים יש 0.200 molL⋅0.1000 L=0.0200 mol0.200\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.1000\ \text{L} = 0.0200\ \text{mol}0.200 Lmol​⋅0.1000 L=0.0200 mol KOH, וכולם הגיעו מ־10.0 מ"ל תמיסה מקורית: C=0.0200 mol0.0100 L=2.00 MC = \frac{0.0200\ \text{mol}}{0.0100\ \text{L}} = 2.00\ \text{M}C=0.0100 L0.0200 mol​=2.00 M.)
תשובה: ריכוז KOH בתמיסת פותח הסתימות הוא 2.00 M2.00\ \text{M}2.00 M.
טעות נפוצה: לעצור בריכוז התמיסה המהולה (0.200 M0.200\ \text{M}0.200 M) ולשכוח את המיהול פי 10.

סעיף ו

תשובה:

קבוצה 3 – קבוצת האמין (NH2\text{NH}_2NH2​).

קביעה: קבוצה 3 – קבוצת האמין, NH2\text{NH}_2NH2​.
הסבר: בסיס הוא חלקיק המקבל יון H+\text{H}^{+}H+. לאטום החנקן בקבוצת האמין יש זוג אלקטרונים לא קושר, שאליו יכול להיקשר יון H+\text{H}^{+}H+ ממולקולת מים. כך נוצרים יוני OH−\text{OH}^{-}OH− והתמיסה בסיסית (כמו באמין ראשוני, R-NH2\text{R-NH}_2R-NH2​):
R-NH2+H2O(l)→R-NH3+(aq)+OH(aq)−\text{R-NH}_2 + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{R-NH}_3^{+}{}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}R-NH2​+H2​O(l)​→R-NH3+​(aq)​+OH(aq)−​
•קבוצה 1 (הידרוקסיל, OH של כוהל) – כוהלים אינם מגיבים כבסיס במים; קבוצת ה־OH הקשורה בקשר קוולנטי לפחמן אינה יון הידרוקסיד ואינה משתחררת לתמיסה.
•קבוצה 2 (אטום H הקשור לפחמן) – אין בה זוג אלקטרונים לא קושר שיכול לקבל H+\text{H}^{+}H+.
טעות נפוצה: לבחור בקבוצה 1 בגלל ה־"OH" – קבוצת הידרוקסיל של כוהל אינה בסיס.

סעיף ז

תשובה:

נמוך יותר.

קביעה: ערך ה־pH בתום ההזרמה נמוך מערך ה־pH של מי הסיד לפני ההזרמה.
נימוק: מי סיד הם תמיסה בסיסית בגלל יוני ההידרוקסיד, OH(aq)−\text{OH}^{-}_{(aq)}OH(aq)−​. לפי הניסוח, יוני ההידרוקסיד הם מגיבים – הם נצרכים בתגובה (ונוצרים משקע ומים). לכן ריכוז יוני ההידרוקסיד בתמיסה קטן, התמיסה פחות בסיסית, וערך ה־pH יורד.
טעות נפוצה: לחשוב שה־pH עולה כי "החומצה נעלמה" – כאן התמיסה ההתחלתית בסיסית, ומה שנצרך הוא הבסיס (OH−\text{OH}^{-}OH−).

שאלה 13 · דשן נוזלי – אשלגן גופרתי ואוריאה: ריכוזים ושיקוע

שאלה פתוחה20 נקודות

חישובים
ענה על הסעיפים א, ב, ג, ד, ו, ועל אחד מן הסעיפים ה או ז.
אשלגן הוא אחד היסודות החיוניים לצמחים.
לפי הוראות היצרן של דשן לצמחי בית, יש להשקות את הצמחים בתמיסה מימית של אשלגן גופרתי, K2SO4(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(aq)}K2​SO4(aq)​ , המכילה 8.72 גרם מומס ב־ 1 ליטר תמיסה.

א.

נסח את תהליך ההמסה במים של K2SO4(s)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)}K2​SO4(s)​ .

ב.

מהו הריכוז המולרי של אשלגן גופרתי בתמיסה שבהוראות היצרן? פרט את חישוביך.

ג.

מהו מספר המולים הכולל של חלקיקי החומר המומס ב־1 ליטר של התמיסה שבהוראות היצרן? נמק.

ד.

נתונה תמיסת K2SO4(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(aq)}K2​SO4(aq)​ שריכוזה אינו ידוע. כדי לקבוע את הריכוז המולרי של התמיסה לקחו ממנה דגימה בנפח של 50.0 mL והוסיפו לה תמיסת בריום כלורי, BaCl2(aq)\text{BaCl}_{2(aq)}BaCl2(aq)​ , בריכוז 0.0200 M .
התרחשה התגובה:
Ba(aq)2++SO42−(aq)→BaSO4(s)\text{Ba}^{2+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)} \rightarrow \text{BaSO}_{4(s)}Ba(aq)2+​+SO42−​(aq)​→BaSO4(s)​
נדרשו 125 mL מתמיסת BaCl2(aq)\text{BaCl}_{2(aq)}BaCl2(aq)​ כדי שתגיב עם כל יוני SO42−(aq)\text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}SO42−​(aq)​ שבדגימה.
חשב את מספר המולים של יוני SO42−(aq)\text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}SO42−​(aq)​ בדגימה. פרט את חישוביך.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ז.
קבע אם ריכוז התמיסה שנבדקה מתאים להוראות היצרן. פרט את חישוביך, ונמק את קביעתך.

ו.

לדשנים נוזליים מוסיפים לעיתים אוריאה, CO(NH2)2(s)\text{CO(NH}_2)_{2(s)}CO(NH2​)2(s)​ , שהיא מקור לחנקן.
אוריאה היא חומר מולקולרי. נסח את תהליך ההמסה במים של אוריאה.

ז.

סעיף ז הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ה.
הכינו 1 ליטר של תמיסה על ידי המסת K2SO4(s)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)}K2​SO4(s)​ ו־ CO(NH2)2(s)\text{CO(NH}_2)_{2(s)}CO(NH2​)2(s)​ במים.
הריכוז המולרי של יוני SO42−(aq)\text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}SO42−​(aq)​ בתמיסה זו הוא 0.0200 M .
מספר המולים הכולל של חלקיקי שני החומרים המומסים הוא 0.160 מול.
כמה גרם אוריאה, CO(NH2)2(s)\text{CO(NH}_2)_{2(s)}CO(NH2​)2(s)​ , המיסו במים כדי לקבל 1 ליטר של תמיסה זו? פרט את חישוביך.

◂ פתרון מלא לשאלה 13

סעיף א

תשובה:

K2SO4(s)→2K(aq)++SO42−(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} \rightarrow 2\text{K}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}K2​SO4(s)​→2K(aq)+​+SO42−​(aq)​

אשלגן גופרתי הוא חומר יוני. בהמסה במים היונים מתפרקים מן הסריג היוני ומוקפים מולקולות מים (הידרציה). מכל יחידת K2SO4\text{K}_2\text{SO}_4K2​SO4​ מתקבלים שני יוני אשלגן ויון גופרה אחד:
K2SO4(s)→H2O(l)2K(aq)++SO42−(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} 2\text{K}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}K2​SO4(s)​H2​O(l)​​2K(aq)+​+SO42−​(aq)​

סעיף ב

תשובה:

0.0500 M0.0500\ \text{M}0.0500 M

M(K2SO4)=2×39.1+32.1+4×16.0=174.3 gmolM(\text{K}_2\text{SO}_4) = 2\times39.1 + 32.1 + 4\times16.0 = 174.3\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(K2​SO4​)=2×39.1+32.1+4×16.0=174.3 molg​
n=mM=8.72 g174.3 gmol=0.0500 moln = \frac{m}{M} = \frac{8.72\ \text{g}}{174.3\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}} = 0.0500\ \text{mol}n=Mm​=174.3 molg​8.72 g​=0.0500 mol
C=nV=0.0500 mol1 L=0.0500 molL (M)C = \frac{n}{V} = \frac{0.0500\ \text{mol}}{1\ \text{L}} = 0.0500\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\ (\text{M})C=Vn​=1 L0.0500 mol​=0.0500 Lmol​ (M)

סעיף ג

תשובה:

0.150 mol0.150\ \text{mol}0.150 mol יונים

לפי תהליך ההמסה (סעיף א), מכל מול K2SO4\text{K}_2\text{SO}_4K2​SO4​ מתקבלים 2 מול יוני K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}K(aq)+​ ומול אחד של יוני SO42−(aq)\text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}SO42−​(aq)​ – סך הכול 3 מול חלקיקים.
ב־1 ליטר תמיסה מומסים 0.0500 mol0.0500\ \text{mol}0.0500 mol K2SO4\text{K}_2\text{SO}_4K2​SO4​ (סעיף ב), ולכן:
n(K+)=2×0.0500 mol=0.100 moln(\text{K}^{+}) = 2\times0.0500\ \text{mol} = 0.100\ \text{mol}n(K+)=2×0.0500 mol=0.100 mol ; n(SO42−)=0.0500 moln(\text{SO}_4^{2-}) = 0.0500\ \text{mol}n(SO42−​)=0.0500 mol
ntotal=0.100 mol+0.0500 mol=0.150 moln_{\text{total}} = 0.100\ \text{mol} + 0.0500\ \text{mol} = 0.150\ \text{mol}ntotal​=0.100 mol+0.0500 mol=0.150 mol
טעות נפוצה: לענות 0.0500 mol0.0500\ \text{mol}0.0500 mol או 0.100 mol0.100\ \text{mol}0.100 mol – בתמיסה אין יחידות K2SO4\text{K}_2\text{SO}_4K2​SO4​ שלמות, אלא שלושה יונים נפרדים מכל יחידה.

סעיף ד

תשובה:

2.50×10−3 mol2.50\times10^{-3}\ \text{mol}2.50×10−3 mol יוני SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​

מולים של Ba2+\text{Ba}^{2+}Ba2+: BaCl2(s)→Ba(aq)2++2Cl(aq)−\text{BaCl}_{2(s)} \rightarrow \text{Ba}^{2+}_{(aq)} + 2\text{Cl}^{-}_{(aq)}BaCl2(s)​→Ba(aq)2+​+2Cl(aq)−​, לכן [Ba2+]=0.0200 M[\text{Ba}^{2+}] = 0.0200\ \text{M}[Ba2+]=0.0200 M.
V=125 mL=0.125 LV = 125\ \text{mL} = 0.125\ \text{L}V=125 mL=0.125 L
n(Ba2+)=C⋅V=0.0200 molL×0.125 L=2.50×10−3 moln(\text{Ba}^{2+}) = C\cdot V = 0.0200\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\times 0.125\ \text{L} = 2.50\times10^{-3}\ \text{mol}n(Ba2+)=C⋅V=0.0200 Lmol​×0.125 L=2.50×10−3 mol
יחס מולים לפי התגובה: n(Ba2+):n(SO42−)=1:1n(\text{Ba}^{2+}) : n(\text{SO}_4^{2-}) = 1:1n(Ba2+):n(SO42−​)=1:1
n(SO42−)=2.50×10−3 moln(\text{SO}_4^{2-}) = 2.50\times10^{-3}\ \text{mol}n(SO42−​)=2.50×10−3 mol

סעיף ה

תשובה:

מתאים: ריכוז K2SO4\text{K}_2\text{SO}_4K2​SO4​ בתמיסה שנבדקה הוא 0.0500 M0.0500\ \text{M}0.0500 M – שווה לריכוז שבהוראות היצרן.

ריכוז התמיסה שנבדקה:
לפי K2SO4(s)→2K(aq)++SO42−(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} \rightarrow 2\text{K}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}K2​SO4(s)​→2K(aq)+​+SO42−​(aq)​, היחס n(K2SO4):n(SO42−)=1:1n(\text{K}_2\text{SO}_4) : n(\text{SO}_4^{2-}) = 1:1n(K2​SO4​):n(SO42−​)=1:1, לכן בדגימה n(K2SO4)=2.50×10−3 moln(\text{K}_2\text{SO}_4) = 2.50\times10^{-3}\ \text{mol}n(K2​SO4​)=2.50×10−3 mol.
V=50.0 mL=0.0500 LV = 50.0\ \text{mL} = 0.0500\ \text{L}V=50.0 mL=0.0500 L
C=nV=2.50×10−3 mol0.0500 L=0.0500 MC = \frac{n}{V} = \frac{2.50\times10^{-3}\ \text{mol}}{0.0500\ \text{L}} = 0.0500\ \text{M}C=Vn​=0.0500 L2.50×10−3 mol​=0.0500 M
השוואה: לפי הוראות היצרן הריכוז צריך להיות 0.0500 M0.0500\ \text{M}0.0500 M (סעיף ב). הריכוז שהתקבל זהה, ולכן התמיסה שנבדקה מתאימה להוראות היצרן.

סעיף ו

תשובה:

CO(NH2)2(s)→CO(NH2)2(aq)\text{CO(NH}_2)_{2(s)} \rightarrow \text{CO(NH}_2)_{2(aq)}CO(NH2​)2(s)​→CO(NH2​)2(aq)​

אוריאה היא חומר מולקולרי; בהמסה המולקולות נפרדות זו מזו ומוקפות מולקולות מים, אך אינן מתפרקות ליונים:
CO(NH2)2(s)→H2O(l)CO(NH2)2(aq)\text{CO(NH}_2)_{2(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}} \text{CO(NH}_2)_{2(aq)}CO(NH2​)2(s)​H2​O(l)​​CO(NH2​)2(aq)​

סעיף ז

תשובה:

6.00 g6.00\ \text{g}6.00 g אוריאה

חלקיקים שמקורם ב־K2SO4\text{K}_2\text{SO}_4K2​SO4​:
n(SO42−)=C⋅V=0.0200 molL×1 L=0.0200 moln(\text{SO}_4^{2-}) = C\cdot V = 0.0200\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\times 1\ \text{L} = 0.0200\ \text{mol}n(SO42−​)=C⋅V=0.0200 Lmol​×1 L=0.0200 mol
לפי K2SO4(s)→2K(aq)++SO42−(aq)\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} \rightarrow 2\text{K}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}K2​SO4(s)​→2K(aq)+​+SO42−​(aq)​: n(K+)=2×0.0200 mol=0.0400 moln(\text{K}^{+}) = 2\times0.0200\ \text{mol} = 0.0400\ \text{mol}n(K+)=2×0.0200 mol=0.0400 mol
סך היונים: 0.0400 mol+0.0200 mol=0.0600 mol0.0400\ \text{mol} + 0.0200\ \text{mol} = 0.0600\ \text{mol}0.0400 mol+0.0200 mol=0.0600 mol
מולקולות אוריאה (אינן מתפרקות – כל מול אוריאה הוא מול חלקיקים אחד):
n(CO(NH2)2)=0.160 mol−0.0600 mol=0.100 moln(\text{CO(NH}_2)_2) = 0.160\ \text{mol} - 0.0600\ \text{mol} = 0.100\ \text{mol}n(CO(NH2​)2​)=0.160 mol−0.0600 mol=0.100 mol
מסה: M(CO(NH2)2)=12.0+16.0+2×14.0+4×1.0=60.0 gmolM(\text{CO(NH}_2)_2) = 12.0 + 16.0 + 2\times14.0 + 4\times1.0 = 60.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(CO(NH2​)2​)=12.0+16.0+2×14.0+4×1.0=60.0 molg​
m=n⋅M=0.100 mol×60.0 gmol=6.00 gm = n\cdot M = 0.100\ \text{mol}\times 60.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 6.00\ \text{g}m=n⋅M=0.100 mol×60.0 molg​=6.00 g

שאלה 14 · שרפת אתאנול – דיאגרמת אנתלפייה, אנרגיית שפעול וחוק הס

שאלה פתוחה20 נקודות

אנרגייה
אתאנול, C2H5OH(l)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)}C2​H5​OH(l)​ , משמש דלק, למשל במכוניות ובתנורי חימום ניידים. אתאנול יכול להישמר זמן רב במגע עם אוויר ללא שינוי. כאשר מקרבים אליו להבה של גפרור מתרחשת תגובה (1):
(1) C2H5OH(l)+3O2(g)→2CO2(g)+3H2O(g)ΔH1∘=−1234.7 kJ\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H^\circ_1 = -1234.7\ \text{kJ}C2​H5​OH(l)​+3O2(g)​→2CO2(g)​+3H2​O(g)​ΔH1∘​=−1234.7 kJ

א.

איזו מן העקומות A או B שלפניך מציגה באופן סכמטי את השתנות האנתלפייה במהלך תגובה (1)? נמק.

ב.

איזה מבין ההיגדים I או II שלפניך הוא ההיגד הנכון?
הסבר את ההיגד שבחרת באמצעות המושג אנרגיית שפעול.
I. להבת הגפרור מקטינה את אנרגיית השפעול של תגובה (1), ולכן התגובה מתחילה.
II. להבת הגפרור מספקת אנרגייה למולקולות המגיבים, כך שלחלק מהן יש אנרגייה השווה לאנרגיית השפעול או גדולה ממנה, והתגובה מתחילה.

ג.

בתגובה (2) מתקבלים בשרפת אתאנול מים במצב נוזל.
(2) C2H5OH(l)+3O2(g)→2CO2(g)+3H2O(l)ΔH2∘\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(l)} \qquad \Delta H^\circ_2C2​H5​OH(l)​+3O2(g)​→2CO2(g)​+3H2​O(l)​ΔH2∘​
לפניך שלושה ערכים של שינויי אנתלפייה: −1102.7 kJ-1102.7\ \text{kJ}−1102.7 kJ , −1234.7 kJ-1234.7\ \text{kJ}−1234.7 kJ , −1366.7 kJ-1366.7\ \text{kJ}−1366.7 kJ
קבע איזה מבין הערכים האלה מתאים עבור ΔH2∘\Delta H^\circ_2ΔH2∘​ . נמק.

ד.

לפניך שתי תגובות (3) ו־ (4):
(3) C(s)+O2(g)→CO2(g)ΔH3∘=−393.5 kJ\text{C}_{(s)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)} \qquad \Delta H^\circ_3 = -393.5\ \text{kJ}C(s)​+O2(g)​→CO2(g)​ΔH3∘​=−393.5 kJ
(4) H2(g)+12O2(g)→H2O(g)ΔH4∘=−241.8 kJ\text{H}_{2(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H^\circ_4 = -241.8\ \text{kJ}H2(g)​+21​O2(g)​→H2​O(g)​ΔH4∘​=−241.8 kJ
תגובה (5) היא תגובת ההיווצרות של אתאנול מן היסודות:
(5) 2C(s)+3H2(g)+12O2(g)→C2H5OH(l)ΔH5∘2\text{C}_{(s)} + 3\text{H}_{2(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} \qquad \Delta H^\circ_52C(s)​+3H2(g)​+21​O2(g)​→C2​H5​OH(l)​ΔH5∘​
היעזר בתגובות המתאימות מבין תגובות (1)-(4) וחשב את הערך של ΔH5∘\Delta H^\circ_5ΔH5∘​ .
פרט את חישוביך.

ה.

סעיף ה הוא רשות
לפניך שני היגדים שגויים, I-II .
I. בתגובה (1) האנתלפייה של התוצרים גבוהה מן האנתלפייה של המגיבים.
II. כאשר נשרפים 0.5 מול אתאנול על פי תגובה (1), נפלטת אנרגייה של 2469.4kJ .
בחר אחד מן ההיגדים השגויים ותקן אותו.

◂ פתרון מלא לשאלה 14

סעיף א

תשובה:

עקומה A – התגובה אקסותרמית (ΔH<0\Delta H < 0ΔH<0), ולכן אנתלפיית התוצרים נמוכה מאנתלפיית המגיבים.

עקומה A.
ΔH1∘=−1234.7 kJ\Delta H^\circ_1 = -1234.7\ \text{kJ}ΔH1∘​=−1234.7 kJ – הסימן שלילי, ולכן התגובה אקסותרמית: ΔH=Hתוצרים−Hמגיבים<0\Delta H = H_{\text{תוצרים}} - H_{\text{מגיבים}} < 0ΔH=Hתוצרים​−Hמגיבים​<0, כלומר אנתלפיית התוצרים (2CO2+3H2O2\text{CO}_2 + 3\text{H}_2\text{O}2CO2​+3H2​O) נמוכה מאנתלפיית המגיבים (C2H5OH+3O2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 3\text{O}_2C2​H5​OH+3O2​). בעקומה A רמת התוצרים נמוכה מרמת המגיבים; בעקומה B היא גבוהה ממנה (תגובה אנדותרמית).

סעיף ב

תשובה:

היגד II – הלהבה אינה משנה את אנרגיית השפעול; היא מוסרת אנרגייה למגיבים, כך שבהתנגשויות יש להם אנרגייה מספיקה (לפחות אנרגיית השפעול) והתגובה מתחילה.

ההיגד הנכון הוא II.
- אנרגיית שפעול היא האנרגייה המזערית שמולקולות המגיבים צריכות להחזיק בעת ההתנגשות כדי שההתנגשות תוביל ליצירת תוצרים (התנגשות אפקטיבית). היא תכונה של מסלול התגובה, ואינה משתנה בחימום (רק זרז יכול לאפשר מסלול שאנרגיית השפעול שלו נמוכה יותר) – לכן היגד I שגוי.
•בטמפרטורת החדר אנרגיית השפעול של תגובה (1) גבוהה יחסית לאנרגייה של המולקולות, וכמעט לאף מולקולה אין אנרגייה מספיקה – לכן אתאנול נשמר במגע עם אוויר ללא שינוי.
•להבת הגפרור מוסרת אנרגייה למגיבים ומעלה את הטמפרטורה שלהם במקום שבו היא נוגעת. לחלק מן המולקולות יש עכשיו אנרגייה השווה לאנרגיית השפעול או גדולה ממנה, ולכן התגובה מתחילה.
•התגובה אקסותרמית: האנרגייה הנפלטת בה מחממת מגיבים נוספים, כך שגם להם יש אנרגייה מספיקה, והשרפה נמשכת גם אחרי הרחקת הגפרור.

סעיף ג

תשובה:

ΔH2∘=−1366.7 kJ\Delta H^\circ_2 = -1366.7\ \text{kJ}ΔH2∘​=−1366.7 kJ

ΔH2∘=−1366.7 kJ\Delta H^\circ_2 = -1366.7\ \text{kJ}ΔH2∘​=−1366.7 kJ.
המגיבים בתגובות (1) ו־(2) זהים; ההבדל הוא במצב הצבירה של המים בתוצרים. מעבר של מים ממצב גז למצב נוזל (עיבוי) הוא תהליך אקסותרמי – אנתלפיית המים הנוזליים נמוכה מאנתלפיית אדי המים.
לכן אנתלפיית התוצרים בתגובה (2) נמוכה מזו שבתגובה (1), והתגובה (2) משחררת יותר אנרגייה: ΔH2∘\Delta H^\circ_2ΔH2∘​ שלילי יותר מ־ΔH1∘=−1234.7 kJ\Delta H^\circ_1 = -1234.7\ \text{kJ}ΔH1∘​=−1234.7 kJ. הערך היחיד המתאים הוא −1366.7 kJ-1366.7\ \text{kJ}−1366.7 kJ.
(הערך −1234.7 kJ-1234.7\ \text{kJ}−1234.7 kJ הוא ΔH1∘\Delta H^\circ_1ΔH1∘​ עצמו, והערך −1102.7 kJ-1102.7\ \text{kJ}−1102.7 kJ מתאים לשחרור אנרגייה קטן יותר – כמו לתוצר בעל אנתלפייה גבוהה יותר.)

סעיף ד

תשובה:

ΔH5∘=−277.7 kJ\Delta H^\circ_5 = -277.7\ \text{kJ}ΔH5∘​=−277.7 kJ

לפי חוק הס, אפשר לקבל את תגובה (5) כצירוף של תגובות (1), (3) ו־(4) (בכולן המים במצב גז):
•תגובה (3) כפול 2:  2C(s)+2O2(g)→2CO2(g)ΔH=2⋅(−393.5 kJ)=−787.0 kJ\ 2\text{C}_{(s)} + 2\text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{2(g)} \qquad \Delta H = 2\cdot(-393.5\ \text{kJ}) = -787.0\ \text{kJ} 2C(s)​+2O2(g)​→2CO2(g)​ΔH=2⋅(−393.5 kJ)=−787.0 kJ
•תגובה (4) כפול 3:  3H2(g)+32O2(g)→3H2O(g)ΔH=3⋅(−241.8 kJ)=−725.4 kJ\ 3\text{H}_{2(g)} + \frac{3}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow 3\text{H}_2\text{O}_{(g)} \qquad \Delta H = 3\cdot(-241.8\ \text{kJ}) = -725.4\ \text{kJ} 3H2(g)​+23​O2(g)​→3H2​O(g)​ΔH=3⋅(−241.8 kJ)=−725.4 kJ
•תגובה (1) הפוכה:  2CO2(g)+3H2O(g)→C2H5OH(l)+3O2(g)ΔH=+1234.7 kJ\ 2\text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(g)} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)} \qquad \Delta H = +1234.7\ \text{kJ} 2CO2(g)​+3H2​O(g)​→C2​H5​OH(l)​+3O2(g)​ΔH=+1234.7 kJ
בחיבור שלוש התגובות מצטמצמים 2CO22\text{CO}_22CO2​ ו־3H2O3\text{H}_2\text{O}3H2​O משני הצדדים, ומן החמצן נשאר במגיבים 2+32−3=122 + \frac{3}{2} - 3 = \frac{1}{2}2+23​−3=21​ מול O2\text{O}_2O2​. מתקבלת תגובה (5):
2C(s)+3H2(g)+12O2(g)→C2H5OH(l)2\text{C}_{(s)} + 3\text{H}_{2(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)}2C(s)​+3H2(g)​+21​O2(g)​→C2​H5​OH(l)​
ΔH5∘=2ΔH3∘+3ΔH4∘−ΔH1∘=−787.0 kJ+(−725.4 kJ)+1234.7 kJ=−277.7 kJ\Delta H^\circ_5 = 2\Delta H^\circ_3 + 3\Delta H^\circ_4 - \Delta H^\circ_1 = -787.0\ \text{kJ} + (-725.4\ \text{kJ}) + 1234.7\ \text{kJ} = -277.7\ \text{kJ}ΔH5∘​=2ΔH3∘​+3ΔH4∘​−ΔH1∘​=−787.0 kJ+(−725.4 kJ)+1234.7 kJ=−277.7 kJ
טעות נפוצה: להשתמש בתגובה (2) (מים נוזליים) במקום בתגובה (1) – בתגובה (4) המים במצב גז, ולכן יש להשתמש בתגובה (1). שגיאה נפוצה נוספת: לשכוח להפוך את הסימן של ΔH1∘\Delta H^\circ_1ΔH1∘​ כאשר הופכים את התגובה.

סעיף ה

תשובה:

I מתוקן: בתגובה (1) האנתלפייה של התוצרים נמוכה מן האנתלפייה של המגיבים. II מתוקן: נפלטים 617.4 kJ (או: 2469.4 kJ נפלטים בשרפת 2 מול אתאנול).

תיקון היגד I: בתגובה (1) האנתלפייה של התוצרים נמוכה מן האנתלפייה של המגיבים.
נימוק: ΔH1∘=Hתוצרים−Hמגיבים=−1234.7 kJ<0\Delta H^\circ_1 = H_{\text{תוצרים}} - H_{\text{מגיבים}} = -1234.7\ \text{kJ} < 0ΔH1∘​=Hתוצרים​−Hמגיבים​=−1234.7 kJ<0 – התגובה אקסותרמית.
תיקון היגד II: כאשר נשרפים 0.5 מול אתאנול על פי תגובה (1), נפלטת אנרגייה של 617.4 kJ.
נימוק: ΔH1∘\Delta H^\circ_1ΔH1∘​ מתייחס לשרפת 1 מול אתאנול, כפי שמופיע בניסוח. כמות האנרגייה פרופורציונית לכמות החומר:
Q=0.5 mol⋅1234.7 kJmol=617.4 kJQ = 0.5\ \text{mol} \cdot 1234.7\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}} = 617.4\ \text{kJ}Q=0.5 mol⋅1234.7 molkJ​=617.4 kJ
(הערך 2469.4 kJ מתאים לשרפת 2 mol2\ \text{mol}2 mol אתאנול: 2 mol⋅1234.7 kJmol=2469.4 kJ2\ \text{mol} \cdot 1234.7\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}} = 2469.4\ \text{kJ}2 mol⋅1234.7 molkJ​=2469.4 kJ.)

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ד – $\text{N} > \text{C} > \text{Si}$
2	-	ד – $\text{A}^{-}$
3	-	ד – קשר משולש ב־ $\text{HCN}$ וב־ $\text{N}_2$ ; קשר כפול ב־ $\text{CH}_2\text{O}$ (C=O) וב־ $\text{C}_2\text{H}_4$ (C=C).
4	-	ד – במולקולה $\text{HOCH}_2\text{CH}_2\text{OH}$ יש שתי קבוצות OH – יותר מוקדים ליצירת קשרי מימן.
5	-	ד – a: $\text{Al(NO}_3)_3$ (2.0 מול יונים), b: סוכרוז (0.5 מול מולקולות), c: $\text{CaCl}_2$ (1.5 מול יונים).
6	-	ד – $+198\ \text{kJ}$
7	-	א
8	-	ד – דרגת החמצון של N עולה מ־ $-3$ ל־ $+2$ ; $\text{NH}_3$ מוסר אלקטרונים ומשמש מחזר.
9	א 1	$\text{CaCl}_{2(s)}$
	א 2	בפירוק חשמלי נדרשים יונים ניידים; במוצק היוני היונים קבועים במקומם בסריג, ורק בהתך הם ניידים.
	א 3	$\text{CaCl}_{2(l)} \rightarrow \text{Ca}_{(s)} + \text{Cl}_{2(g)}$
	ב 1	i. מוצקים בטמפרטורת החדר בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה (או: אינם מוליכים חשמל במצב מוצק אך מוליכים במצב נוזל ובתמיסה מימית). ii. מוליכים חשמל במצב מוצק (או: בעלי ברק מתכתי).
	ב 2	ההיגד i נכון.
	ג 1	לשני האטומים אותו מספר אלקטרוני ערכיות – אלקטרון אחד ברמת האנרגיה החיצונית (Na: 2,8,1; K: 2,8,8,1).
	ג 2	$^{39}_{19}\text{K}^{+}$ – אשלגן, מספר אטומי 19, מספר מסה 39, מטען $1+$ .
	ד	ההיגד ii נכון.
	ה	$112\text{K}$ ; הגורם: גודל ענן האלקטרונים (חוזק אינטראקציות ואן דר ואלס) – ענן האלקטרונים של $\text{CH}_4$ גדול מזה של $\text{H}_2$ וקטן מזה של $\text{Cl}_2$ .
	ו	$V=8.2\ \text{L}$
	ז	כ־ $1.28\times10^{3}$ טון $\text{Cl}_2$ (כ־1,280 טון).
10	א	ב־ $\text{PCl}_3$ אטום P מרכזי עם 3 קשרים יחידים וזוג לא קושר אחד, ולכל אטום Cl – 3 זוגות לא קושרים; ב־ $\text{CS}_2$ אטום C מרכזי עם 2 קשרים כפולים (S=C=S) ולכל אטום S – 2 זוגות לא קושרים; ב־ $\text{Cl}_2$ קשר יחיד ו־ 3 זוגות לא קושרים על כל אטום.
	ב	(1) גודל ענן האלקטרונים – גדול יותר ב־ $\text{PCl}_3$ ; (2) קוטביות המולקולה – $\text{PCl}_3$ קוטבית ו־ $\text{CS}_2$ לא קוטבית.
	ג	$\text{PCl}_3$ – קוטבית; בין המולקולות: אינטראקציות ואן דר ואלס, כולל משיכה בין דו־קטבים קבועים. $\text{CS}_2$ – לא קוטבית; בין המולקולות: אינטראקציות ואן דר ואלס בין דו־קטבים רגעיים ומושרים בלבד.
	ד	$\text{CaCO}_{3(s)} \rightarrow \text{CaO}_{(s)} + \text{CO}_{2(g)}$
	ה	$2\text{NaHCO}_{3(s)} \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_{3(s)} + \text{H}_2\text{O}_{(g)} + \text{CO}_{2(g)}$
	ו	$0.0999\ \text{mol} \approx 0.100\ \text{mol}$ של $\text{CO}_{2(g)}$
	ז	לא. התפרקו $0.200\ \text{mol}$ של $\text{NaHCO}_3$ לעומת $0.100\ \text{mol}$ של $\text{CaCO}_3$ – פי 2.
	ח	אנדותרמיות – המערכת קולטת אנרגייה (חום) מהסביבה (מן המבער), ולכן התגובות מתרחשות רק כאשר מספקים להן חום.
11	א 1	$\text{Mn}$ : $0$ ; $\text{MnO}_2$ : $+4$ ; $\text{KMnO}_4$ : $+7$ ; $\text{MnO}$ : $+2$ ; $\text{K}_2\text{MnO}_4$ : $+6$ ; $\text{Mn}_2\text{O}_7$ : $+7$ .
	א 2	$\text{MnO}_2$ $(+4)$ , $\text{MnO}$ $(+2)$ , $\text{K}_2\text{MnO}_4$ $(+6)$ – דרגת החמצון בין $0$ ל־ $+7$ .
	ב	המחמצן: $\text{MnO}_{2(s)}$ ; המחזר: $\text{HC}\ell_{(aq)}$ .
	ג	לא – דרגות החמצון של כל האטומים אינן משתנות.
	ד	$\text{KMnO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{MnO}^{-}_{4(aq)}$
	ה	$0.10\ \text{M}$
	ו 1	$31.6\ \text{g}$
	ו 2	$0.1\ \text{M}$
12	א	$\text{NH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow \text{NH}_4^{+}{}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}$
	ב	$m = 5.1\ \text{g}$
	ג	$\text{KOH}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}$
	ד	$\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ה	$C(\text{KOH}) = 2.00\ \text{M}$
	ו	קבוצה 3 – קבוצת האמין ( $\text{NH}_2$ ).
	ז	נמוך יותר.
13	א	$\text{K}_2\text{SO}_{4(s)} \rightarrow 2\text{K}^{+}_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}$
	ב	$0.0500\ \text{M}$
	ג	$0.150\ \text{mol}$ יונים
	ד	$2.50\times10^{-3}\ \text{mol}$ יוני $\text{SO}_4^{2-}$
	ה	מתאים: ריכוז $\text{K}_2\text{SO}_4$ בתמיסה שנבדקה הוא $0.0500\ \text{M}$ – שווה לריכוז שבהוראות היצרן.
	ו	$\text{CO(NH}_2)_{2(s)} \rightarrow \text{CO(NH}_2)_{2(aq)}$
	ז	$6.00\ \text{g}$ אוריאה
14	א	עקומה A – התגובה אקסותרמית ( $\Delta H < 0$ ), ולכן אנתלפיית התוצרים נמוכה מאנתלפיית המגיבים.
	ב	היגד II – הלהבה אינה משנה את אנרגיית השפעול; היא מוסרת אנרגייה למגיבים, כך שבהתנגשויות יש להם אנרגייה מספיקה (לפחות אנרגיית השפעול) והתגובה מתחילה.
	ג	$\Delta H^\circ_2 = -1366.7\ \text{kJ}$
	ד	$\Delta H^\circ_5 = -277.7\ \text{kJ}$
	ה	I מתוקן: בתגובה (1) האנתלפייה של התוצרים נמוכה מן האנתלפייה של המגיבים. II מתוקן: נפלטים 617.4 kJ (או: 2469.4 kJ נפלטים בשרפת 2 מול אתאנול).

פרק ראשון

שאלה 1 · דירוג אנרגיית יינון ראשונה של אל־מתכות

שאלה 2 · זיהוי יסוד לפי מספר מסה ונויטרונים – יון שלילי

שאלה 3 · קשרים כפולים ומשולשים וקוטביות קשרים

תשובה: ד.

שאלה 4 · קשרי מימן: מספר המוקדים ליצירת קשרי מימן

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 5 · מספר המולים של חלקיקים מומסים בשלוש תמיסות

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 6 · חוק הס מדיאגרמת אנתלפיה – תחמוצות הגופרית

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 7 · תגובת חומצה אצטית עם מים

שאלה 8 · תפקיד החנקן בתגובות – מחמצן או מחזר

התשובה הנכונה: ד.

שאלה 9 · המפרי דייווי – פירוק חומרים בעזרת זרם חשמלי

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה

המפרי דייווי – הכימאי שפירק חומרים בעזרת זרם חשמלי

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 מתאן:

המרת יחידות:

תשובה: הנפח הוא 8.2 L8.2\ \text{L}8.2 L.

סעיף ז

מסת הסידן הכלורי בגרמים:

מספר המולים של CaCl2\text{CaCl}_2CaCl2​:

תשובה: נוצרו כ־1.28×1031.28\times10^{3}1.28×103 טון (כ־1,280 טון) גז כלור.

פרק שני

שאלה 10 · זרחן תלת־כלורי ופחמן דו־גופרי; פירוק תרכובות פחמתיות בחימום

מבנה וקישור, חישובים, אנרגייה

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

סעיף ז

לא – מספר המולים אינו זהה.

סעיף ח

התגובות אנדותרמיות.

שאלה 11 · תרכובות מנגן – חמצון־חיזור וחישובים

חמצון–חיזור, חישובים

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

תגובה 2 אינה תגובת חמצון–חיזור.

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

שאלה 12 · בסיסים: אמוניה, אשלגן הידרוקסידי ואתנולאמין

חומצות ובסיסים, חישובים

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

סעיף ז

שאלה 13 · דשן נוזלי – אשלגן גופרתי ואוריאה: ריכוזים ושיקוע

חישובים

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

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ז.

סעיף ז הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ה.

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

ריכוז התמיסה שנבדקה:

סעיף ו

סעיף ז

חלקיקים שמקורם ב־K2SO4\text{K}_2\text{SO}_4K2​SO4​:

שאלה 14 · שרפת אתאנול – דיאגרמת אנתלפייה, אנרגיית שפעול וחוק הס

אנרגייה

סעיף ה הוא רשות

תשובה: הנפח הוא $8.2\ \text{L}$ .

מספר המולים של $\text{CaCl}_2$ :

תשובה: נוצרו כ־ $1.28\times10^{3}$ טון (כ־1,280 טון) גז כלור.

חלקיקים שמקורם ב־ $\text{K}_2\text{SO}_4$ :

$\Delta H^\circ_2 = -1366.7\ \text{kJ}$ .