מתכונת 4 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 · זיהוי יסוד לפי מספר מסה ונויטרונים – יון תלת־מטעני

רב-ברירה

מסמלים יסוד בסימול שרירותי A .
מספר המסה של אחד מאטומי היסוד A הוא 31 .
מספר הנויטרונים באטום זה הוא 16 .
מהו היון המתאים לאטום היסוד A ?

א.
$\text{A}^{3-}$
ב.
$\text{A}^{3+}$
ג.
$\text{A}^{5+}$
ד.
$\text{A}^{2-}$

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – A3−\text{A}^{3-}A3−

מספר הפרוטונים = מספר המסה − מספר הנויטרונים: 31−16=1531-16=1531−16=15.
היסוד שמספרו האטומי 15 הוא זרחן (P), אל־מתכת בטור 5 של הטבלה המחזורית. היערכות האלקטרונים: 2,8,5 – יש לו 5 אלקטרוני ערכיות, והוא קולט שלושה אלקטרונים ויוצר יון A3−\text{A}^{3-}A3− (בהיערכות 2,8,8, כמו הגז האציל ארגון).
•ב – יון A3+\text{A}^{3+}A3+ מתאים למתכת בטור 3 (Al, מספר אטומי 13); זרחן הוא אל־מתכת ואינו יוצר יונים חיוביים.
•ג – מסירת 5 אלקטרונים אינה יוצרת יון חד־אטומי יציב של אל־מתכת; זו טעות של "מסירת כל אלקטרוני הערכיות".
•ד – יון A2−\text{A}^{2-}A2− מתאים ליסוד בטור 6 (S, מספר אטומי 16). מי שבחר בו כנראה זיהה את היסוד לפי מספר הנויטרונים (16) במקום לפי מספר הפרוטונים.

שאלה 2 · אינטראקציות בין מולקולות דיאתיל אתר

רב-ברירה

לפניך ייצוג מלא לנוסחת המבנה של מולקולת דיאתיל אתר.
לפניך ארבעה היגדים, I-IV:
I. במצב נוזל יש קשרי מימן בין המולקולות של דיאתיל אתר.
II. במצב נוזל בין המולקולות של דיאתיל אתר יש רק אינטראקציות ון־דר־ולס.
III. בתמיסה מימית של דיאתיל אתר נוצרים קשרי מימן בין אטומי מימן של מולקולות המים לבין אטום החמצן של מולקולות האתר.
IV. בתמיסה מימית של דיאתיל אתר נוצרים קשרי מימן בין אטומי מימן של מולקולות האתר לבין אטומי החמצן של מולקולות המים.
מה הם ההיגדים הנכונים?

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

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – היגדים II ו־III.

קשר מימן נוצר בין אטום מימן הקשור לאטום N, O או F במולקולה אחת, לבין זוג אלקטרונים לא קושר על אטום N, O או F במולקולה אחרת.
- I – שגוי, II – נכון: במולקולת דיאתיל אתר כל עשרת אטומי המימן קשורים לאטומי פחמן ולא לאטום החמצן. לכן בין מולקולות האתר לבין עצמן אין קשרי מימן – יש רק אינטראקציות ון־דר־ולס.
- III – נכון: לאטום החמצן של האתר יש שני זוגות אלקטרונים לא קושרים. אטום מימן של מולקולת מים, הקשור לאטום חמצן, נמשך לזוג כזה ⇐ נוצר קשר מימן בין מולקולת מים למולקולת אתר.
- IV – שגוי: אטומי המימן של האתר קשורים לפחמן (הפרש האלקטרושליליות C–H קטן, 0.4), ולכן אינם יכולים ליצור קשר מימן עם אטומי החמצן של המים.
ההיגדים הנכונים: II ו־III – תשובה ג.
טעות נפוצה: להניח שכל מולקולה שיש בה אטום חמצן ואטומי מימן יוצרת קשרי מימן עם מולקולות זהות לה, או ש"כל אטום מימן" יכול להשתתף בקשר מימן.

שאלה 3 · תרכובת יונית מיסודות טור 3 וטור 6

רב-ברירה

האותיות X ו־ Y הן סמלים שרירותיים המייצגים שני יסודות.
היסוד X נמצא בשורה השלישית ובטור 3 של הטבלה המחזורית.
היסוד Y נמצא בשורה השנייה ובטור 6 של הטבלה המחזורית.
בתגובה בין היסודות X ו־ Y התקבלה תרכובת יונית.
מבין ההיגדים א-ד, מהו ההיגד הנכון בנוגע לתרכובת זו?

א.
נוסחת התרכובת היא $\text{X}_3\text{Y}_{2(s)}$ .
ב.
טמפרטורת ההיתוך של התרכובת גבוהה, משום שבסריג פועלות משיכות חזקות בין יונים חיוביים ליונים שליליים.
ג.
התרכובת המוצקה מוליכה חשמל, משום שהיא בנויה מיונים.
ד.
התרכובת בנויה ממולקולות שנוסחתן המולקולרית היא $\text{X}_2\text{Y}_3$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – טמפרטורת היתוך גבוהה בגלל משיכות חזקות בין היונים

X הוא אלומיניום (שורה 3, טור 3) ו־Y הוא חמצן (שורה 2, טור 6). אטום X מוסר שלושה אלקטרונים ויוצר X3+\text{X}^{3+}X3+, ואטום Y קולט שני אלקטרונים ויוצר Y2−\text{Y}^{2-}Y2−. כדי שהתרכובת תהיה נייטרלית חשמלית, יחס היונים הוא 2:3, והנוסחה האמפירית X2Y3\text{X}_2\text{Y}_3X2​Y3​ (כלומר Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3Al2​O3​).
בסריג היוני כל יון מוקף ביונים בעלי מטען נגדי, והמשיכות החשמליות ביניהם חזקות (ובמקרה זה – בין יונים בעלי מטענים גבוהים). כדי להתיך את המוצק יש להתגבר על משיכות אלה, ולכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה – היגד ב נכון.
•א – X3Y2\text{X}_3\text{Y}_2X3​Y2​ אינה נייטרלית: 3(+3)+2(−2)=+53(+3)+2(-2)=+53(+3)+2(−2)=+5.
•ג – במוצק היוני היונים קבועים במקומם בסריג ואינם ניידים, ולכן המוצק אינו מוליך חשמל (רק התך או תמיסה של תרכובת יונית מוליכים).
•ד – תרכובת יונית בנויה מסריג של יונים ולא ממולקולות; X2Y3\text{X}_2\text{Y}_3X2​Y3​ היא נוסחה אמפירית ולא מולקולרית.

שאלה 4 · סטויכיומטריה – פירוק נתרן מימן פחמתי

רב-ברירה

חיממו 4.20 גרם של המוצק נתרן מימן פחמתי, NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​ (Mw=84.0 grmol)\left(\text{M}_\text{w}=84.0\ \frac{\text{gr}}{\text{mol}}\right)(Mw​=84.0 molgr​) .
במהלך החימום התרחשה התגובה:
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)​
כל הנתרן מימן פחמתי הגיב.
נתון: Mw Na2CO3=106.0 grmol\text{M}_\text{w}\ \text{Na}_2\text{CO}_3=106.0\ \frac{\text{gr}}{\text{mol}}Mw​ Na2​CO3​=106.0 molgr​ .
מהו ההיגד הנכון המתייחס לתוצרי התגובה?

א.
נפח הפחמן הדו־חמצני שנוצר, בלחץ של 1 atm ובטמפרטורה של 273K , הוא 1.12 ליטר.
ב.
נוצרו 5.30 גרם של המוצק $\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)}$ .
ג.
בתגובה נוצר 0.025 מול של גזים סך הכול.
ד.
נוצרו 2.65 גרם של המוצק $\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)}$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – נוצרו 0.0250.0250.025 מול Na2CO3\text{Na}_2\text{CO}_3Na2​CO3​, שהם 2.652.652.65 גרם.

מספר המולים של נתרן מימן פחמתי שהגיב:
n=mMw=4.20 gr84.0 grmol=0.0500 moln=\frac{m}{M_w}=\frac{4.20\ \text{gr}}{84.0\ \frac{\text{gr}}{\text{mol}}}=0.0500\ \text{mol}n=Mw​m​=84.0 molgr​4.20 gr​=0.0500 mol
יחס המולים בניסוח: NaHCO3:Na2CO3:H2O:CO2=2:1:1:1\text{NaHCO}_3:\text{Na}_2\text{CO}_3:\text{H}_2\text{O}:\text{CO}_2=2:1:1:1NaHCO3​:Na2​CO3​:H2​O:CO2​=2:1:1:1.
- nNa2CO3=0.0500 mol2=0.0250 moln_{\text{Na}_2\text{CO}_3}=\frac{0.0500\ \text{mol}}{2}=0.0250\ \text{mol}nNa2​CO3​​=20.0500 mol​=0.0250 mol, ולכן m=n⋅Mw=0.0250 mol⋅106.0 grmol=2.65 grm=n\cdot M_w=0.0250\ \text{mol}\cdot 106.0\ \frac{\text{gr}}{\text{mol}}=2.65\ \text{gr}m=n⋅Mw​=0.0250 mol⋅106.0 molgr​=2.65 gr – תשובה ד.
- nCO2=0.0250 moln_{\text{CO}_2}=0.0250\ \text{mol}nCO2​​=0.0250 mol ו־ nH2O=0.0250 moln_{\text{H}_2\text{O}}=0.0250\ \text{mol}nH2​O​=0.0250 mol.
בדיקת ההיגדים האחרים:
- א שגויה: לפי משוואת הגזים האידאליים,
V=nRTP=0.0250 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅273 K1 atm=0.56 LV=\frac{nRT}{P}=\frac{0.0250\ \text{mol}\cdot 0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\cdot 273\ \text{K}}{1\ \text{atm}}=0.56\ \text{L}V=PnRT​=1 atm0.0250 mol⋅0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅273 K​=0.56 L
הערך 1.12 ליטר מתקבל אם מציבים 0.0500 mol0.0500\ \text{mol}0.0500 mol – כלומר שוכחים את יחס המולים 2:12:12:1.
- ב שגויה: 5.30 גרם מתקבלים אם מניחים בטעות יחס 1:11:11:1 בין NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ ל־ Na2CO3\text{Na}_2\text{CO}_3Na2​CO3​.
- ג שגויה: נוצרים שני גזים – 0.0250 mol CO20.0250\ \text{mol}\ \text{CO}_20.0250 mol CO2​ ו־ 0.0250 mol H2O(g)0.0250\ \text{mol}\ \text{H}_2\text{O}_{(g)}0.0250 mol H2​O(g)​ – סך הכול 0.0500 mol0.0500\ \text{mol}0.0500 mol גזים.

שאלה 5 · יכולת לעבור חמצון או חיזור לפי דרגת החמצון

רב-ברירה

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

א.
האטומים ביון נתרן, $\text{Na}^{+}$ , יכולים לעבור רק תהליך חמצון.
ב.
אטומי החנקן במולקולות אמוניה, $\text{NH}_3$ , יכולים לעבור רק תהליך חמצון.
ג.
אטומי הכלור ביון $\text{ClO}_4^{-}$ יכולים לעבור תהליך חמצון או תהליך חיזור.
ד.
אטומי הגופרית במולקולות מימן גופרי, $\text{H}_2\text{S}$ , יכולים לעבור רק תהליך חיזור.

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – ב־NH3\text{NH}_3NH3​ דרגת החמצון של N היא −3-3−3, דרגת החמצון המזערית של חנקן, ולכן הוא יכול רק למסור אלקטרונים (לעבור חמצון).

התשובה: ב.
אטום יכול לעבור חמצון רק אם דרגת החמצון שלו יכולה לעלות, וחיזור רק אם היא יכולה לרדת. נקבע את דרגת החמצון בכל היגד ונשווה לדרגות החמצון המרבית והמזערית של היסוד (המרבית = מספר אלקטרוני הערכיות; המזערית ליסוד אל־מתכתי = מספר האלקטרונים החסרים לאוקטט, בסימן שלילי):
- ב – נכון. ב־NH3\text{NH}_3NH3​: x+3⋅(+1)=0⇒x=−3x+3\cdot(+1)=0 \Rightarrow x=-3x+3⋅(+1)=0⇒x=−3. לחנקן 5 אלקטרוני ערכיות, ודרגת החמצון המזערית שלו היא −3-3−3. לכן אטומי N ב־NH3\text{NH}_3NH3​ יכולים רק לעלות בדרגת החמצון – לעבור רק חמצון.
- א – לא נכון. ב־Na+\text{Na}^{+}Na+ דרגת החמצון היא +1+1+1 – המרבית לנתרן (אלקטרון ערכיות אחד). Na+\text{Na}^{+}Na+ יכול רק לקבל אלקטרון (ל־000) – לעבור רק חיזור, ולא חמצון.
- ג – לא נכון. ב־ClO4−\text{ClO}_4^{-}ClO4−​: x+4⋅(−2)=−1⇒x=+7x+4\cdot(-2)=-1 \Rightarrow x=+7x+4⋅(−2)=−1⇒x=+7. לכלור 7 אלקטרוני ערכיות, ולכן +7+7+7 היא דרגת החמצון המרבית שלו – אטומי Cl ביון זה יכולים לעבור רק חיזור.
- ד – לא נכון. ב־H2S\text{H}_2\text{S}H2​S: 2⋅(+1)+x=0⇒x=−22\cdot(+1)+x=0 \Rightarrow x=-22⋅(+1)+x=0⇒x=−2, דרגת החמצון המזערית של גופרית (חסרים לה 2 אלקטרונים לאוקטט). לכן אטומי S ב־H2S\text{H}_2\text{S}H2​S יכולים לעבור רק חמצון, ולא חיזור.

שאלה 6 · אנתלפיית אידוי מדיאגרמת אנתלפיה

רב-ברירה

לפניך דיאגרמה של שינויי אנתלפייה.
מהו שינוי האנתלפייה בתהליך האידוי של 36.0 גרם מים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ ?

א.
$+44\ \text{kJ}$
ב.
$+88\ \text{kJ}$
ג.
$-88\ \text{kJ}$
ד.
$+572\ \text{kJ}$

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – +88 kJ+88\ \text{kJ}+88 kJ

התשובה הנכונה: ב.
תהליך האידוי: H2O(l)→H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(l)​→H2​O(g)​. לפי הדיאגרמה, רמת האנתלפיה של H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ נמוכה ב־286 kJ286\ \text{kJ}286 kJ מהרמה העליונה, ורמת האנתלפיה של H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ נמוכה ב־242 kJ242\ \text{kJ}242 kJ ממנה. לכן שינוי האנתלפיה באידוי 1 מול מים (לפי חוק הס) הוא:
ΔH0=(−242 kJ)−(−286 kJ)=+44 kJmol\Delta H^0=(-242\ \text{kJ})-(-286\ \text{kJ})=+44\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}ΔH0=(−242 kJ)−(−286 kJ)=+44 molkJ​
מספר המולים של המים, לפי n=mMn=\frac{m}{M}n=Mm​, עם M(H2O)=2⋅1.0+16.0=18.0 gmolM(\text{H}_2\text{O})=2\cdot1.0+16.0=18.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(H2​O)=2⋅1.0+16.0=18.0 molg​:
n=36.0 g18.0 gmol=2.00 moln=\frac{36.0\ \text{g}}{18.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=2.00\ \text{mol}n=18.0 molg​36.0 g​=2.00 mol
ΔH=2.00 mol⋅(+44 kJmol)=+88 kJ\Delta H=2.00\ \text{mol}\cdot\left(+44\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right)=+88\ \text{kJ}ΔH=2.00 mol⋅(+44 molkJ​)=+88 kJ
- א – לא נכון. זהו שינוי האנתלפיה לאידוי 1 מול מים (18.0 גרם) בלבד.
- ג – לא נכון. אידוי הוא תהליך אנדותרמי – רמת האנתלפיה של המים במצב גז גבוהה מזו של המים במצב נוזל, ולכן ΔH>0\Delta H>0ΔH>0. הערך −88 kJ-88\ \text{kJ}−88 kJ מתאים להתעבות של 36.0 גרם אדי מים.
- ד – לא נכון. 572 kJ=2⋅286 kJ572\ \text{kJ}=2\cdot286\ \text{kJ}572 kJ=2⋅286 kJ הוא שינוי האנתלפיה של פירוק 2 מול מים נוזליים ליסודות – לא של אידוי.

שאלה 7 · חומצה 4־אמינובוטאנואית – ייצוג מקוצר של נוסחת מבנה

רב-ברירה

לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחת מבנה של חומצה 4־אמינובוטאנואית (GABA), חומר שמשמש להעברת אותות במערכת העצבים:
מהו ההיגד הנכון?

א.
במולקולה יש קבוצה אמינית וקבוצה קרבוקסילית.
ב.
הנוסחה המולקולרית של החומר היא $\text{C}_4\text{H}_7\text{NO}_2$ .
ג.
החומר הוא איזומר של חומצה בוטאנואית, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH}$ .
ד.
במולקולה יש קשר כפול בין שני אטומי פחמן.

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – בקצה אחד של המולקולה קבוצה אמינית, −NH2-\text{NH}_2−NH2​, ובקצה השני קבוצה קרבוקסילית, −COOH-\text{COOH}−COOH.

ניתוח המבנה: בייצוג המקוצר כל קודקוד הוא אטום פחמן. יש 444 אטומי פחמן: שלוש קבוצות CH2\text{CH}_2CH2​ ואטום הפחמן של הקבוצה הקרבוקסילית. הנוסחה המולקולרית: C4H9NO2\text{C}_4\text{H}_9\text{NO}_2C4​H9​NO2​ (H\text{H}H: 222 ב־NH2\text{NH}_2NH2​, 3⋅2=63\cdot 2=63⋅2=6 בקבוצות CH2\text{CH}_2CH2​, ו־111 ב־COOH\text{COOH}COOH – סך הכול 999).
תשובה א נכונה. הקבוצה −NH2-\text{NH}_2−NH2​ היא קבוצה אמינית (אמין), והקבוצה −COOH-\text{COOH}−COOH (אטום פחמן הקשור בקשר כפול לאטום חמצן ובקשר יחיד לקבוצת OH\text{OH}OH) היא קבוצה קרבוקסילית.
למה האחרות שגויות:
- ב. בספירה נכונה יש 999 אטומי מימן ולא 777: לכל אחת משלוש קבוצות ה־CH2\text{CH}_2CH2​ שני אטומי מימן שאינם מצוירים.
- ג. הנוסחה המולקולרית של חומצה בוטאנואית היא C4H8O2\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2C4​H8​O2​ – שונה מ־C4H9NO2\text{C}_4\text{H}_9\text{NO}_2C4​H9​NO2​ (אין בה חנקן), ולכן אין אלה איזומרים.
- ד. הקשר הכפול היחיד במולקולה הוא C=O\text{C}=\text{O}C=O בקבוצה הקרבוקסילית, בין אטום פחמן לאטום חמצן; כל הקשרים בין אטומי הפחמן יחידים.
טעות נפוצה: לזהות את הקשר C=O\text{C}=\text{O}C=O בקבוצה הקרבוקסילית כקשר כפול בין אטומי פחמן.

שאלה 8 · מיהול תמיסת מגנזיום חנקתי

רב-ברירה

נתונה תמיסה של מגנזיום חנקתי, Mg(NO3)2(aq)\text{Mg(NO}_3\text{)}_{2(aq)}Mg(NO3​)2(aq)​ , שנפחה 25 מ"ל וריכוזה 0.60 M0.60\ \text{M}0.60 M .
הוסיפו לתמיסה 125 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 מגנזיום Mg(aq)2+\text{Mg}^{2+}_{(aq)}Mg(aq)2+​ (M)ריכוז יוני חנקה NO3−(aq)\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}NO3−​(aq)​ (M)
א.0.120.24
ב.0.601.20
ג.0.100.10
ד.0.100.20

	ריכוז יוני מגנזיום $\text{Mg}^{2+}_{(aq)}$ (M)	ריכוז יוני חנקה $\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}$ (M)
א.	0.12	0.24
ב.	0.60	1.20
ג.	0.10	0.10
ד.	0.10	0.20

א.
$[\text{Mg}^{2+}]=0.12\ \text{M}$ , $[\text{NO}_3^{-}]=0.24\ \text{M}$
ב.
$[\text{Mg}^{2+}]=0.60\ \text{M}$ , $[\text{NO}_3^{-}]=1.20\ \text{M}$
ג.
$[\text{Mg}^{2+}]=0.10\ \text{M}$ , $[\text{NO}_3^{-}]=0.10\ \text{M}$
ד.
$[\text{Mg}^{2+}]=0.10\ \text{M}$ , $[\text{NO}_3^{-}]=0.20\ \text{M}$

◂ פתרון מלא לשאלה 8

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – [Mg2+]=0.10 M[\text{Mg}^{2+}]=0.10\ \text{M}[Mg2+]=0.10 M, [NO3−]=0.20 M[\text{NO}_3^{-}]=0.20\ \text{M}[NO3−​]=0.20 M.

התשובה: ד.
מספר המולים של Mg(NO3)2\text{Mg(NO}_3\text{)}_2Mg(NO3​)2​ בתמיסה:
n=C⋅V=0.60 molL⋅0.025 L=0.015 moln=C\cdot V=0.60\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot 0.025\ \text{L}=0.015\ \text{mol}n=C⋅V=0.60 Lmol​⋅0.025 L=0.015 mol
בהוספת מים מספר המולים אינו משתנה; הנפח הסופי: V=25 mL+125 mL=150 mL=0.150 LV=25\ \text{mL}+125\ \text{mL}=150\ \text{mL}=0.150\ \text{L}V=25 mL+125 mL=150 mL=0.150 L.
CMg(NO3)2=nV=0.015 mol0.150 L=0.10 MC_{\text{Mg(NO}_3\text{)}_2}=\frac{n}{V}=\frac{0.015\ \text{mol}}{0.150\ \text{L}}=0.10\ \text{M}CMg(NO3​)2​​=Vn​=0.150 L0.015 mol​=0.10 M
תהליך ההמסה: Mg(NO3)2(s)→Mg(aq)2++2NO3−(aq)\text{Mg(NO}_3\text{)}_{2(s)} \rightarrow \text{Mg}^{2+}_{(aq)} + 2\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}Mg(NO3​)2(s)​→Mg(aq)2+​+2NO3−​(aq)​, ולכן:
[Mg2+]=0.10 M[\text{Mg}^{2+}]=0.10\ \text{M}[Mg2+]=0.10 M ו־[NO3−]=2⋅0.10=0.20 M[\text{NO}_3^{-}]=2\cdot0.10=0.20\ \text{M}[NO3−​]=2⋅0.10=0.20 M.
- א – חישוב לפי נפח המים שהוספו בלבד (125 מ"ל): 0.015 mol0.125 L=0.12 M\frac{0.015\ \text{mol}}{0.125\ \text{L}}=0.12\ \text{M}0.125 L0.015 mol​=0.12 M – שגוי.
- ב – הריכוזים לפני המיהול.
- ג – שכחת המקדם 2 של יוני החנקה.
טעות נפוצה: חלוקה בנפח המים שהוספו במקום בנפח הכולל של התמיסה, או שכחת היחס 1:2 בין היונים.

שאלה 9 · כשהחומצה עולה: תרופות נגד צרבת

שאלת מאמר20 נקודות

ניתוח קטע ממאמר מדעי — חובה
קרא את הקטע שלפניך, וענה על הסעיפים א-ז שאחריו לפי ההנחיות (שאלת חובה — 20 נקודות).
כשהחומצה עולה: תרופות נגד צרבת
בדפנות הקיבה יש תאים המפרישים חומצה כלורית, HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​ . בזכות החומצה ה־ pH של מיץ הקיבה נמוך,
בדרך כלל בערך בין 1.5 ל־ 3.5. החומצה מסייעת לתהליך העיכול ומשמידה חיידקים רבים.
דופן הקיבה מוגנת מפני החומצה בשכבת ריר, אך לוושט אין הגנה יעילה כזו. כאשר מיץ קיבה עולה אל הוושט,
מורגשת תחושת צריבה בחזה, המכונה "צרבת".
להקלה על הצרבת משתמשים בתרופות נוגדות חומצה. החומרים הפעילים בתרופות אלה מגיבים עם יוני
ההידרוניום, H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ , שבמיץ הקיבה, ולכן ה־ pH בקיבה עולה. אחד החומרים הנפוצים הוא סידן
פחמתי, CaCO3(s)\text{CaCO}_{3(s)}CaCO3(s)​ , המצוי גם בגיר ובשיש. בתגובה שלו עם יוני ההידרוניום נוצרים יוני סידן,
Ca(aq)2+\text{Ca}^{2+}_{(aq)}Ca(aq)2+​ , מים ופחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ .
חומר פעיל אחר הוא נתרן מימן פחמתי, NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​ , המוכר בשם "סודה לשתייה". חומר זה מתמוסס היטב
במים, ולכן הוא מגיב עם החומצה בתוך זמן קצר ומקל על הצרבת במהירות. גם בתגובה זו נוצר CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ ,
והגז המצטבר בקיבה עלול לגרום לתחושת נפיחות ולגיהוקים. נוסף על כך, שימוש תכוף ב־ NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​
מכניס לגוף יוני נתרן, Na+\text{Na}^{+}Na+ , ויש אנשים שהרופא ממליץ להם להפחית את צריכתם.
בתרופות אחרות החומר הפעיל הוא אלומיניום הידרוקסידי, Al(OH)3(s)\text{Al(OH)}_{3(s)}Al(OH)3(s)​ . חומר זה כמעט אינו מתמוסס
במים, ולכן הוא מגיב עם החומצה לאט, אך השפעתו נמשכת זמן רב יותר. בתגובה שלו עם יוני
ההידרוניום נוצרים יוני אלומיניום ומים בלבד, ולא נפלט גז. בתרופות רבות משלבים כמה חומרים פעילים,
כדי לקבל גם השפעה מהירה וגם השפעה ממושכת.
לחלק מן הטבליות מוסיפים חומרי טעם, כמו מנטול, C10H20O\text{C}_{10}\text{H}_{20}\text{O}C10​H20​O , המקנה טעם של מנטה. במולקולת
מנטול יש טבעת של שישה אטומי פחמן, שאליה קשורות קבוצות פחמימניות וקבוצת הידרוקסיל אחת.
צרבת המופיעה לעיתים קרובות מחייבת בדיקה רפואית, ואין להסתפק בנטילה קבועה של תרופות אלה.
---
ענה על הסעיפים א, ב, ד, ה, ז, ועל אחד מן הסעיפים ג או ו.
הנח שבכל טבלייה של תרופה נוגדת חומצה מסוימת יש 750 מיליגרם סידן פחמתי, CaCO3(s)\text{CaCO}_{3(s)}CaCO3(s)​ , ושזה החומר הפעיל היחיד בה.

א.

נסח את התגובה של סידן פחמתי, CaCO3(s)\text{CaCO}_{3(s)}CaCO3(s)​ , עם יוני ההידרוניום שבמיץ הקיבה.

ב.

ב־ 1 גרם יש 1000 מיליגרם.
כמה מול CaCO3\text{CaCO}_3CaCO3​ יש בטבלייה אחת? פרט את חישוביך.

ג.

סעיף ג הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ו.
מהו הנפח של CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ הנוצר כאשר כל ה־ CaCO3\text{CaCO}_3CaCO3​ שבטבלייה אחת מגיב עם החומצה שבקיבה? הנח שהגז נמצא בטמפרטורה של 37∘C37^{\circ}\text{C}37∘C ובלחץ של 1 atm , ושכולו נשאר במצב גז.
נתון: R=0.082 atm⋅Lmol⋅KR=0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}R=0.082 mol⋅Katm⋅L​ . פרט את חישוביך.

ד.

על פי המידע שבקטע, ציין שני יתרונות של אלומיניום הידרוקסידי, Al(OH)3\text{Al(OH)}_3Al(OH)3​ , לעומת נתרן מימן פחמתי, NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ , כחומר פעיל בתרופה נגד צרבת.

ה.

לשני כלים הכניסו נפחים שווים של תמיסת חומצה כלורית שה־ pH שלה 1.5 .
לכלי אחד הוסיפו אבקה של NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​ , ולכלי השני אבקה של Al(OH)3(s)\text{Al(OH)}_{3(s)}Al(OH)3(s)​ . הכמויות נבחרו כך שכל אחת מהן סותרת אותו מספר מולים של יוני הידרוניום, ובשני הכלים נשארה חומצה בעודף. שאר התנאים היו זהים.
איזה מן הגרפים I-III שלפניך מתאר את שינוי ה־ pH של התמיסה עם הזמן, בכל אחד מן הכלים? נמק.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ג.
בתגובה של סידן פחמתי עם החומצה נוצר פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ . למולקולה CO2\text{CO}_2CO2​ צורה קווית, ואטום הפחמן נמצא במרכזה.
רשום נוסחת ייצוג אלקטרונים למולקולה CO2\text{CO}_2CO2​ , וקבע אם המולקולה קוטבית. נמק.

ז.

לפי שורות 17–18, בחלק מן הטבליות יש מנטול, C10H20O\text{C}_{10}\text{H}_{20}\text{O}C10​H20​O .
איזה מן הממסים — מים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ , או הקסאן, C6H14(l)\text{C}_6\text{H}_{14(l)}C6​H14(l)​ — מתאים יותר להמסת מנטול? הסבר.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

תשובה:

CaCO3(s)+2H3O(aq)+→Ca(aq)2++CO2(g)+3H2O(l)\text{CaCO}_{3(s)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + \text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(l)}CaCO3(s)​+2H3​O(aq)+​→Ca(aq)2+​+CO2(g)​+3H2​O(l)​

לפי שורות 6–8, סידן פחמתי מגיב עם יוני ההידרוניום, ונוצרים יוני סידן, מים ופחמן דו־חמצני:
CaCO3(s)+2H3O(aq)+→Ca(aq)2++CO2(g)+3H2O(l)\text{CaCO}_{3(s)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + \text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(l)}CaCO3(s)​+2H3​O(aq)+​→Ca(aq)2+​+CO2(g)​+3H2​O(l)​
בדיקת איזון: Ca — 1 בכל צד; C — 1 בכל צד; O — 3+2=53+2=53+2=5 משמאל ו־2+3=52+3=52+3=5 מימין; H — 2⋅3=62\cdot 3=62⋅3=6 משמאל ו־3⋅2=63\cdot 2=63⋅2=6 מימין; מטען — +2+2+2 בכל צד.

סעיף ב

תשובה:

7.49×10−3 mol7.49\times 10^{-3}\ \text{mol}7.49×10−3 mol

המרת מסה לגרמים:
m=750 mg÷1000 mgg=0.750 gm = 750\ \text{mg} \div 1000\ \frac{\text{mg}}{\text{g}} = 0.750\ \text{g}m=750 mg÷1000 gmg​=0.750 g
מסה מולרית: M(CaCO3)=40.1+12.0+3×16.0=100.1 g/molM(\text{CaCO}_3) = 40.1 + 12.0 + 3\times 16.0 = 100.1\ \text{g/mol}M(CaCO3​)=40.1+12.0+3×16.0=100.1 g/mol
מספר המולים:
n=mM=0.750 g100.1 g/mol=7.49×10−3 moln=\frac{m}{M}=\frac{0.750\ \text{g}}{100.1\ \text{g/mol}}=7.49\times10^{-3}\ \text{mol}n=Mm​=100.1 g/mol0.750 g​=7.49×10−3 mol

סעיף ג

תשובה:

0.190 L0.190\ \text{L}0.190 L (כ־190 מ"ל) CO2\text{CO}_2CO2​

יחס מולים לפי הניסוח (סעיף א): 1 מול CaCO3\text{CaCO}_3CaCO3​ ← 1 מול CO2\text{CO}_2CO2​.
n(CO2)=n(CaCO3)=7.49×10−3 moln(\text{CO}_2)=n(\text{CaCO}_3)=7.49\times10^{-3}\ \text{mol}n(CO2​)=n(CaCO3​)=7.49×10−3 mol
המרת טמפרטורה: T=37+273=310 KT = 37 + 273 = 310\ \text{K}T=37+273=310 K
נפח לפי PV=nRTPV=nRTPV=nRT:
V=nRTP=7.49×10−3 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅310 K1 atm=0.190 LV=\frac{nRT}{P}=\frac{7.49\times10^{-3}\ \text{mol}\cdot 0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\cdot 310\ \text{K}}{1\ \text{atm}}=0.190\ \text{L}V=PnRT​=1 atm7.49×10−3 mol⋅0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅310 K​=0.190 L
כלומר כ־190 מ"ל CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ מכל טבלייה.
טעות נפוצה: להציב טמפרטורה ב־∘C^{\circ}\text{C}∘C במקום בקלווין.

סעיף ד

תשובה:

למשל: בתגובה של Al(OH)3\text{Al(OH)}_3Al(OH)3​ לא נפלט גז (אין נפיחות וגיהוקים); השפעתו נמשכת זמן רב יותר; הוא אינו מכניס לגוף יוני נתרן.

יתרונות לפי הקטע (די בשניים):
לא נפלט גז — בתגובה של Al(OH)3\text{Al(OH)}_3Al(OH)3​ עם יוני ההידרוניום נוצרים רק יוני אלומיניום ומים (שורות 14–15), ואילו בתגובה של NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ נוצר CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ הגורם לנפיחות ולגיהוקים (שורות 10–11).
השפעה ממושכת — Al(OH)3\text{Al(OH)}_3Al(OH)3​ מגיב לאט, אך השפעתו נמשכת זמן רב יותר (שורה 14).
אינו מכניס לגוף יוני נתרן — שימוש תכוף ב־NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ מכניס לגוף יוני Na+\text{Na}^{+}Na+, ויש אנשים שצריכים להפחית את צריכתם (שורות 11–12).

סעיף ה

תשובה:

גרף III: בשני הכלים ה־pH עולה לאותו ערך סופי, אך בכלי עם NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ העלייה מהירה יותר.

גרף III.
נימוק:
- ערך ה־pH הסופי זהה: שני החומרים סותרים אותו מספר מולים של יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, והנפחים שווים. לכן בסוף התגובה נשאר בשני הכלים אותו ריכוז של יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ (החומצה בעודף), וה־pH הסופי שווה.
- קצב שונה: לפי שורות 9–10, NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ מתמוסס היטב במים ומגיב עם החומצה בתוך זמן קצר; לפי שורות 13–14, Al(OH)3\text{Al(OH)}_3Al(OH)3​ כמעט אינו מתמוסס ומגיב לאט. לכן בכלי עם NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ ריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ יורד מהר, וה־pH עולה מהר (הקו המלא), ובכלי עם Al(OH)3\text{Al(OH)}_3Al(OH)3​ ה־pH עולה לאט (הקו המקווקו) עד לאותו ערך.
•גרף I שגוי: בו דווקא Al(OH)3\text{Al(OH)}_3Al(OH)3​ מעלה את ה־pH מהר יותר — בסתירה לקטע.
•גרף II שגוי: בו ה־pH הסופי שונה בשני הכלים, אף שנסתר אותו מספר מולים של יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+.

סעיף ו

תשובה:

O=C=O עם שני זוגות לא קושרים על כל אטום O; המולקולה אינה קוטבית.

נוסחת ייצוג אלקטרונים: לפחמן 4 אלקטרוני ערכיות ולחמצן 6. אטום הפחמן נמצא במרכז, וקשור לכל אטום חמצן בקשר כפול (2 זוגות אלקטרונים קושרים). על כל אטום חמצן יש 2 זוגות אלקטרונים לא קושרים, ועל אטום הפחמן אין זוגות לא קושרים:
O=C=O\text{O}=\text{C}=\text{O}O=C=O
כאשר ליד כל אטום O מסורטטים שני זוגות אלקטרונים לא קושרים (סך הכול 16 אלקטרוני ערכיות: 4+2×6=164+2\times 6=164+2×6=16; לכל אטום — אוקטט).
קוטביות: המולקולה אינה קוטבית. הקשרים C=O קוטביים (אלקטרושליליות O 3.5, C 2.5; המטען החלקי השלילי על O), אך המולקולה קווית וסימטרית — שני הדו־קטבים שווים בגודלם ומכוונים בכיוונים מנוגדים, ולכן הם מבטלים זה את זה ולמולקולה אין דו־קוטב קבוע.

סעיף ז

תשובה:

הקסאן.

הקסאן מתאים יותר.
הסבר: לפי שורות 17–18, במולקולת מנטול יש 10 אטומי פחמן — טבעת וקבוצות פחמימניות שאינן קוטביות — וקבוצת הידרוקסיל (OH) אחת בלבד. רוב המולקולה אינו קוטבי, ולכן בין מולקולות מנטול שוררות בעיקר אינטראקציות ואן דר ואלס (ענן אלקטרונים גדול).
- הקסאן הוא חומר לא קוטבי; בין מולקולותיו יש אינטראקציות ואן דר ואלס. בין מולקולות הקסאן למולקולות מנטול נוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יחסית לאורך החלק הפחמימני הגדול, בדומה לאלה שבכל חומר בנפרד — ולכן מנטול מתמוסס בהקסאן.
- במים יש קשרי מימן רבים בין המולקולות. החלק הפחמימני הגדול של מולקולת המנטול אינו יוצר קשרי מימן עם מולקולות המים; קבוצת OH אחת יכולה ליצור קשרי מימן עם מים, אך אין בכך די כדי לפצות על ניתוק קשרי המימן בין מולקולות המים. לכן מנטול מתמוסס במים מעט מאוד.

פרק שני

שאלה 10 · אאוגנול, איזוטופים של חמצן ומסיסות

שאלה פתוחה20 נקודות

מבנה האטום ותכונות חומרים
אאוגנול הוא החומר העיקרי בשמן ציפורן. משתמשים בו, בין היתר, ברפואת שיניים, למשל בחומרים למילוי זמני של שיניים.

א.

לפניך ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של אאוגנול.
במולקולה של אאוגנול יש 2 אטומי חמצן, O , בשתי קבוצות פונקציונליות שונות. בנוסף, בשרשרת הפחמנית שאינה חלק מן הטבעת יש קבוצה פונקציונלית שלישית, שאין בה אטומי חמצן.
רשום את הנוסחה של כל אחת משלוש הקבוצות הפונקציונליות האלה, וציין את השם של כל קבוצה.

ב.

החמצן בטבע הוא תערובת של איזוטופים. האיזוטופ הנפוץ ביותר הוא 16O^{16}\text{O}16O , ובמחקר משתמשים באיזוטופ 18O^{18}\text{O}18O כדי "לסמן" אטומי חמצן ולעקוב אחריהם במהלך תגובות.

(i)

בטבלה שלפניך מידע חלקי על שני איזוטופים של חמצן, O .
העתק את הטבלה למחברת הבחינה והשלם אותה.
סימול האיזוטופמספר אטומימספר מסהמספר פרוטוניםמספר אלקטרוניםמספר נויטרונים
18O^{18}\text{O}18O
8

(ii)

בתרכובות יוניות אטומי חמצן נמצאים בצורת יונים.
רשום את הערכת האלקטרונים של אטום חמצן, וקבע מהו המטען של יון החמצן: 2+2+2+ או 2−2-2− ? נמק.

ג.

נפתלן, C10H8(s)\text{C}_{10}\text{H}_{8(s)}C10​H8(s)​ , הוא חומר מולקולרי מוצק לבן. מולקולות נפתלן אינן קוטביות.
בניסוי שבוצע במעבדה הכניסו לכל אחת משתי מבחנות (1)-(2) גבישים של C10H8(s)\text{C}_{10}\text{H}_{8(s)}C10​H8(s)​ .
למבחנה (1) הוסיפו הקסאן, C6H14(l)\text{C}_6\text{H}_{14(l)}C6​H14(l)​ .
למבחנה (2) הוסיפו מים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ .
רק באחת משתי המבחנות התקבלה תערובת הומוגנית.

(i)

קבע באיזו מבחנה, (1) או (2), התקבלה התערובת ההומוגנית. נמק.

(ii)

ציין את סוג הקשרים הנוצרים בין מולקולות הנפתלן לבין מולקולות הממס בתערובת ההומוגנית.

(iii)

נסח את התהליך לקבלת התערובת ההומוגנית.

ד.

בטבלה שלפניך מוצגים נתונים על חומצה פרופאנואית ועל מתיל אתנואט.
החומרהנוסחה המולקולריתנוסחת המבנהטמפרטורת רתיחה (oC^{o}\text{C}oC)
חומצה פרופאנואיתC3H6O2\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2C3​H6​O2​CH3–CH2–COOH\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–COOH}CH3​–CH2​–COOH141
מתיל אתנואטC3H6O2\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2C3​H6​O2​?57
נתונות שתי נוסחאות מבנה, A ו- B .
קבע איזו מהנוסחאות, A או B , היא נוסחת המבנה של מתיל אתנואט.
הסבר מדוע פסלת את הנוסחה האחרת.

החומר	הנוסחה המולקולרית	נוסחת המבנה	טמפרטורת רתיחה ( $^{o}\text{C}$ )
חומצה פרופאנואית	$\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2$	$\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–COOH}$	141
מתיל אתנואט	$\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2$	?	57

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

תשובה:

−OH-\text{OH}−OH – קבוצה הידרוקסילית; −O−-\text{O}-−O− – קבוצת אתר; C=C\text{C=C}C=C – קשר כפול בין שני אטומי פחמן.

נוסחת הקבוצהשם הקבוצהמיקום במולקולה
−OH-\text{OH}−OH (אטום O הקשור לאטום H ולאטום C)קבוצה הידרוקסיליתקשורה לטבעת, למעלה
−O−-\text{O}-−O− (אטום O הקשור לשני אטומי פחמן)קבוצת אתרמחברת בין הטבעת לקבוצת −CH3-\text{CH}_3−CH3​ (משמאל)
C=C\text{C=C}C=Cקשר כפול בין שני אטומי פחמןבקצה השרשרת שבתחתית המולקולה
בייצוג המקוצר כל קודקוד וכל קצה קו הם אטום פחמן, ואטומי המימן הקשורים לאטומי הפחמן אינם מסומנים. לכן בקצה הקו שמשמאל לאטום ה-O יש קבוצת −CH3-\text{CH}_3−CH3​, ובשרשרת התחתונה −CH2−CH=CH2-\text{CH}_2-\text{CH}=\text{CH}_2−CH2​−CH=CH2​.
סה"כ אטומי חמצן: 1+1=21 + 1 = 21+1=2. (הקשרים הכפולים בתוך הטבעת אינם הקבוצה המבוקשת – השאלה מתייחסת לשרשרת שמחוץ לטבעת.)

נוסחת הקבוצה	שם הקבוצה	מיקום במולקולה
$-\text{OH}$ (אטום O הקשור לאטום H ולאטום C)	קבוצה הידרוקסילית	קשורה לטבעת, למעלה
$-\text{O}-$ (אטום O הקשור לשני אטומי פחמן)	קבוצת אתר	מחברת בין הטבעת לקבוצת $-\text{CH}_3$ (משמאל)
$\text{C=C}$	קשר כפול בין שני אטומי פחמן	בקצה השרשרת שבתחתית המולקולה

סעיף ב

(i)

תשובה:

ראו הטבלה המלאה בפתרון.

לכל איזוטופי החמצן אותו מספר אטומי – לפי הטבלה המחזורית Z=8Z = 8Z=8, כלומר 8 פרוטונים. באטום ניטרלי מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים: 8.
מספר הנויטרונים = מספר מסה – מספר אטומי.
- 18O^{18}\text{O}18O: מספר נויטרונים =18−8=10= 18 - 8 = 10=18−8=10
•האיזוטופ השני: מספר מסה =8+8=16= 8 + 8 = 16=8+8=16 ⟸ 16O^{16}\text{O}16O
סימול האיזוטופמספר אטומימספר מסהמספר פרוטוניםמספר אלקטרוניםמספר נויטרונים
18O^{18}\text{O}18O8188810
16O^{16}\text{O}16O816888

סימול האיזוטופ	מספר אטומי	מספר מסה	מספר פרוטונים	מספר אלקטרונים	מספר נויטרונים
$^{18}\text{O}$	8	18	8	8	10
$^{16}\text{O}$	8	16	8	8	8

(ii)

תשובה:

הערכת האלקטרונים של O: 2,6. מטען היון: 2−2-2− (היון O2−\text{O}^{2-}O2−, הערכה 2,8).

הערכת האלקטרונים של אטום חמצן (8 אלקטרונים): 2,6.
מטען היון: 2−2-2−.
נימוק: באטום החמצן 6 אלקטרוני ערכיות ברמה החיצונית. כדי להגיע להערכה יציבה של 8 אלקטרונים ברמה החיצונית (אוקטט, כמו של הגז האציל ניאון), אטום החמצן מקבל 2 אלקטרונים – וזה הרבה יותר קל מאשר למסור 6 אלקטרונים. לאחר קבלת 2 אלקטרונים יש ביון 8 פרוטונים ו-10 אלקטרונים, ולכן מטענו 8−10=−28 - 10 = -28−10=−2:
O (2,6)+2e−→O2− (2,8)\text{O}\ (2,6) + 2\text{e}^- \rightarrow \text{O}^{2-}\ (2,8)O (2,6)+2e−→O2− (2,8)
מתאים גם למיקום החמצן בטבלה המחזורית: טור 16 (שישי), אל-מתכת – יוצר יונים שליליים.

סעיף ג

(i)

תשובה:

במבחנה (1) – עם הקסאן.

במבחנה (1).
נפתלן והקסאן הם שניהם חומרים מולקולריים לא קוטביים; בין המולקולות של כל אחד מהם פועלים קשרי ואן דר ואלס. כאשר מערבבים אותם, נוצרים בין מולקולות הנפתלן למולקולות ההקסאן קשרי ואן דר ואלס הדומים בחוזקם לקשרים שהיו בין מולקולות כל חומר בנפרד, ולכן הנפתלן מתמוסס בהקסאן.
בין מולקולות המים פועלים קשרי מימן רבים וחזקים. מולקולות נפתלן אינן יכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים (אין בהן אטומי O או N, ואין בהן אטום H הקשור לאטום O או N), ולכן הנפתלן כמעט אינו מתמוסס במים.

(ii)

תשובה:

קשרי ואן דר ואלס.

בין מולקולות הנפתלן לבין מולקולות ההקסאן נוצרים קשרי ואן דר ואלס – שני החומרים אינם קוטביים, ואין בהם קבוצות היכולות ליצור קשרי מימן.

(iii)

תשובה:

C10H8(s)→C6H14(l)C10H8(C6H14)\text{C}_{10}\text{H}_{8(s)} \xrightarrow{\text{C}_6\text{H}_{14(l)}} \text{C}_{10}\text{H}_{8(\text{C}_6\text{H}_{14})}C10​H8(s)​C6​H14(l)​​C10​H8(C6​H14​)​

תהליך המסה (ללא תגובה כימית – מולקולות הנפתלן נשארות שלמות):
C10H8(s)→C6H14(l)C10H8(C6H14)\text{C}_{10}\text{H}_{8(s)} \xrightarrow{\text{C}_6\text{H}_{14(l)}} \text{C}_{10}\text{H}_{8(\text{C}_6\text{H}_{14})}C10​H8(s)​C6​H14(l)​​C10​H8(C6​H14​)​
המצב (C6H14)(\text{C}_6\text{H}_{14})(C6​H14​) מציין שהנפתלן נמצא בתמיסה שהממס שלה הוא הקסאן.
טעות נפוצה: לרשום (aq) – הממס כאן אינו מים.

סעיף ד

תשובה:

A. נוסחה B נפסלה: יש בה קבוצה −OH-\text{OH}−OH, ולכן בין מולקולותיה היו קשרי מימן וטמפרטורת הרתיחה שלה הייתה קרובה ל-141°C ולא 57°C.

נוסחת המבנה של מתיל אתנואט היא A.
לשתי הנוסחאות אותה נוסחה מולקולרית, C3H6O2\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2C3​H6​O2​ (בדיקה: ב-A ו-B יש 3 אטומי C, 6 אטומי H ו-2 אטומי O), ולכן ההכרעה לפי טמפרטורת הרתיחה.
פסילת B: במולקולה B יש קבוצה הידרוקסילית −OH-\text{OH}−OH (אטום H הקשור לאטום O). לכן בין מולקולות B היו פועלים קשרי מימן (בנוסף לקשרי ואן דר ואלס), בדומה לחומצה הפרופאנואית. גודל ענני האלקטרונים של B ושל החומצה הפרופאנואית זהה (אותה נוסחה מולקולרית), ולכן היינו מצפים שטמפרטורת הרתיחה של B תהיה גבוהה וקרובה לזו של החומצה (141oC141^{o}\text{C}141oC), ולא 57oC57^{o}\text{C}57oC.
התאמת A: במולקולה A (אסטר) אין אטום H הקשור לאטום O – כל אטומי H קשורים לאטומי C. לכן בין מולקולות A אין קשרי מימן, ופועלים רק קשרי ואן דר ואלס (כולל משיכה בין דו-קטבים, בגלל הקשרים הקוטביים C=O ו-C–O), שהם חלשים מקשרי מימן. נדרשת פחות אנרגיה כדי להפריד בין המולקולות – טמפרטורת רתיחה נמוכה, 57oC57^{o}\text{C}57oC.

שאלה 11 · שני קטונים – מצבי צבירה, אינטראקציות ומסיסות

שאלה פתוחה20 נקודות

מושגי יסוד ומבנה וקישור
השאלה דנה במבנה ובתכונות של שני חומרים מולקולריים A ו־B, המשמשים כממסים. החומרים נמצאים בשני כלים נפרדים.
לפניך טבלה שבה נתונים על שני החומרים:
החומרטמפרטורת היתוך (∘C^{\circ}\text{C}∘C)טמפרטורת רתיחה (∘C^{\circ}\text{C}∘C)
A−95-95−9556
B−35-35−35151

החומר	טמפרטורת היתוך ( $^{\circ}\text{C}$ )	טמפרטורת רתיחה ( $^{\circ}\text{C}$ )
A	$-95$	56
B	$-35$	151

א.

מהו מצב הצבירה של כל אחד מן החומרים A ו־B בטמפרטורה של 60∘C60^{\circ}\text{C}60∘C? נמק.

ב.

לפניך נוסחות מבנה של מולקולות שני החומרים A ו־B, המסומנות 1 ו־2 (לא בהכרח לפי הסדר).

(i)

לפניך ארבעה היגדים a-d. בנוגע לכל אחד מהם, ציין אם הוא נכון או לא נכון.
a. במולקולות של שני החומרים יש קשר כפול בין אטום פחמן לאטום חמצן.
b. מספר אטומי המימן במולקולה 1 שווה למספר אטומי המימן במולקולה 2.
c. שני החומרים שייכים לאותה משפחה של תרכובות פחמן – קטונים.
d. בטמפרטורת החדר (25∘C25^{\circ}\text{C}25∘C) אחד החומרים נמצא במצב גז והאחר במצב נוזל.

(ii)

בהתבסס על האינטראקציות הפועלות בין המולקולות, קבע איזו מן הנוסחות, 1 או 2, היא נוסחת המבנה של חומר A. נמק.

ג.

לכל אחד מן הכלים שבהם נמצאים החומרים A ו־B, הוסיפו נפח זהה של מים וערבבו. באחד הכלים התקבלה תמיסה, ובכלי האחר החומר כמעט לא התמוסס במים.

(i)

קבע באיזה מן הכלים, הכלי של חומר A או הכלי של חומר B, התקבלה תמיסה. נמק את קביעתך – התייחס לסוג הקשרים הנוצרים בין מולקולות החומר לבין מולקולות המים.

(ii)

נסח את תהליך ההמסה במים של החומר שבחרת בתת־סעיף ג i.

(iii)

הסבר מדוע החומר האחר לא התמוסס במים. בתשובתך התבסס על האינטראקציות בין החלקיקים.

(iv)

מהו ההבדל המאקרוסקופי בין שתי התערובות שהתקבלו בכלים?

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

תשובה:

חומר A – גז; חומר B – נוזל.

בטמפרטורה של 60∘C60^{\circ}\text{C}60∘C חומר A נמצא במצב גז וחומר B נמצא במצב נוזל.
נימוק: חומר נמצא במצב נוזל בטמפרטורות שבין טמפרטורת ההיתוך לטמפרטורת הרתיחה שלו, ובמצב גז בטמפרטורות הגבוהות מטמפרטורת הרתיחה שלו.
•חומר A: 60∘C>56∘C60^{\circ}\text{C} > 56^{\circ}\text{C}60∘C>56∘C – הטמפרטורה גבוהה מטמפרטורת הרתיחה, ולכן A גז.
•חומר B: −35∘C<60∘C<151∘C-35^{\circ}\text{C} < 60^{\circ}\text{C} < 151^{\circ}\text{C}−35∘C<60∘C<151∘C – הטמפרטורה גבוהה מטמפרטורת ההיתוך ונמוכה מטמפרטורת הרתיחה, ולכן B נוזל.
טעות נפוצה: לענות לפי טמפרטורת החדר – כאן נשאלים על 60∘C60^{\circ}\text{C}60∘C.

סעיף ב

(i)

תשובה:

a – נכון; b – לא נכון; c – נכון; d – לא נכון.

לפי נוסחות המבנה: מולקולה 1 היא CH3COCH2CH2CH2CH2CH3\text{CH}_3\text{COCH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3CH3​COCH2​CH2​CH2​CH2​CH3​ (7 אטומי פחמן, נוסחה מולקולרית C7H14O\text{C}_7\text{H}_{14}\text{O}C7​H14​O), ומולקולה 2 היא CH3COCH3\text{CH}_3\text{COCH}_3CH3​COCH3​ (3 אטומי פחמן, C3H6O\text{C}_3\text{H}_6\text{O}C3​H6​O).
- a – נכון: בשתי המולקולות אטום חמצן קשור בקשר כפול לאטום פחמן (שני קווים בין אטום ה־O לאטום ה־C).
- b – לא נכון: במולקולה 1 יש 14 אטומי מימן, ובמולקולה 2 יש 6 אטומי מימן.
- c – נכון: בשתי המולקולות קבוצת C=O\text{C=O}C=O קשורה משני צדיה לאטומי פחמן – זו הקבוצה הפונקציונלית של קטון (לפי טבלת הקבוצות הפונקציונליות שבדף הנוסחאות).
- d – לא נכון: לפי הטבלה, 25∘C25^{\circ}\text{C}25∘C גבוהה מטמפרטורת ההיתוך ונמוכה מטמפרטורת הרתיחה של כל אחד מן החומרים (−95∘C<25∘C<56∘C-95^{\circ}\text{C} < 25^{\circ}\text{C} < 56^{\circ}\text{C}−95∘C<25∘C<56∘C עבור A; −35∘C<25∘C<151∘C-35^{\circ}\text{C} < 25^{\circ}\text{C} < 151^{\circ}\text{C}−35∘C<25∘C<151∘C עבור B), ולכן בטמפרטורת החדר שני החומרים נוזלים.

(ii)

תשובה:

נוסחה 2.

נוסחה 2.
בשני החומרים אין אטום מימן הקשור לאטום חמצן, ולכן בין המולקולות אין קשרי מימן. בין המולקולות של שני החומרים פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס (כולל משיכה בין דו־קטבים, כי הקשר C=O\text{C=O}C=O קוטבי). בכל מולקולה יש קבוצת C=O\text{C=O}C=O אחת, ולכן תרומת הקוטביות דומה בשני החומרים.
ההבדל הוא בגודל המולקולות: במולקולה 1 יש 7 אטומי פחמן ו־64 אלקטרונים, ובמולקולה 2 יש 3 אטומי פחמן ו־32 אלקטרונים. ככל שענן האלקטרונים גדול יותר ושטח הפנים של המולקולה גדול יותר, אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יותר. לכן האינטראקציות בין מולקולות 2 חלשות יותר, ונדרשת פחות אנרגייה כדי להתגבר עליהן – טמפרטורת הרתיחה נמוכה יותר.
לחומר A טמפרטורת הרתיחה הנמוכה (56∘C56^{\circ}\text{C}56∘C לעומת 151∘C151^{\circ}\text{C}151∘C), ולכן נוסחת המבנה שלו היא נוסחה 2.

סעיף ג

(i)

תשובה:

בכלי של חומר A.

בכלי של חומר A (CH3COCH3\text{CH}_3\text{COCH}_3CH3​COCH3​, נוסחה 2).
בין מולקולות A לבין מולקולות המים נוצרים קשרי מימן: אטום מימן של מולקולת מים (הקשור לאטום החמצן שלה) נמשך לזוג אלקטרונים לא קושר של אטום החמצן שבקבוצת C=O\text{C=O}C=O של A. נוסף על כך פועלות ביניהן אינטראקציות ואן דר ואלס.
החלק הפחמימני הלא קוטבי במולקולה A קטן (שתי קבוצות CH3\text{CH}_3CH3​ בלבד), ולכן האינטראקציות החדשות בין מולקולות A למולקולות המים מפצות על האינטראקציות שמתפרקות (בין מולקולות A ובין מולקולות המים), ו־A מתמוסס במים – נוצרת תערובת הומוגנית, כלומר תמיסה.

(ii)

תשובה:

CH3COCH3(ℓ)→H2OCH3COCH3(aq)\text{CH}_3\text{COCH}_{3(\ell)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{CH}_3\text{COCH}_{3(aq)}CH3​COCH3(ℓ)​H2​O​CH3​COCH3(aq)​

החומר שהתמוסס הוא חומר A, CH3COCH3\text{CH}_3\text{COCH}_3CH3​COCH3​. זהו חומר מולקולרי, ובהמסה במים המולקולות נשארות שלמות (אינן מתפרקות ליונים) ומוקפות במולקולות מים:
CH3COCH3(ℓ)→H2O(ℓ)CH3COCH3(aq)\text{CH}_3\text{COCH}_{3(\ell)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{CH}_3\text{COCH}_{3(aq)}CH3​COCH3(ℓ)​H2​O(ℓ)​​CH3​COCH3(aq)​
(אפשר לרשום גם את הנוסחה המולקולרית: C3H6O(ℓ)→C3H6O(aq)\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_6\text{O}_{(aq)}C3​H6​O(ℓ)​→C3​H6​O(aq)​.)

(iii)

תשובה:

ל־B שרשרת פחמימנית ארוכה ולא קוטבית; קשרי המימן שנוצרים עם המים דרך אטום החמצן אינם מפצים על קשרי המימן בין מולקולות המים ועל אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות B שיש לפרק.

החומר האחר הוא B (נוסחה 1, 7 אטומי פחמן).
כדי שחומר יתמוסס, יש להתגבר על האינטראקציות בין מולקולות המומס ועל קשרי המימן בין מולקולות המים, וליצור במקומן אינטראקציות בין מולקולות המומס למולקולות המים.
•מולקולת B יכולה ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים רק דרך אטום החמצן שבקבוצת C=O\text{C=O}C=O (אטום מימן של מולקולת מים נמשך לזוג אלקטרונים לא קושר של אטום החמצן). זהו מוקד אחד בלבד.
•רוב המולקולה היא שרשרת פחמימנית ארוכה ולא קוטבית, ובינה לבין מולקולות המים נוצרות רק אינטראקציות ואן דר ואלס חלשות.
•בין מולקולות B עצמן פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יחסית (ענן אלקטרונים גדול).
לכן האינטראקציות החדשות שנוצרות בין B למים אינן מפצות על פירוק קשרי המימן הרבים בין מולקולות המים ועל פירוק האינטראקציות בין מולקולות B, ו־B כמעט אינו מתמוסס במים.
בחומר A, לעומת זאת, החלק הפחמימני קטן (שתי קבוצות CH3\text{CH}_3CH3​ בלבד), וקשרי המימן בין אטום החמצן שלו לבין מולקולות המים מפצים על האינטראקציות שמתפרקות.

(iv)

תשובה:

בכלי של A תערובת הומוגנית – נוזל אחיד וצלול (פאזה אחת); בכלי של B תערובת הטרוגנית – שתי שכבות נוזל נפרדות.

בעין (ברמה המאקרוסקופית):
•התערובת שבכלי של חומר A (A ומים) היא הומוגנית – נראית כנוזל אחיד וצלול, פאזה אחת.
•התערובת שבכלי של חומר B (B ומים) היא הטרוגנית – נראות שתי שכבות נוזל נפרדות (שתי פאזות) וגבול ביניהן.

שאלה 12 · אלומיניום: מפחית שתייה ועד טיהור מים

שאלה פתוחה20 נקודות

סטויכיומטריה
אלומיניום, Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​, הוא המתכת הנפוצה ביותר בקרום כדור הארץ. משתמשים בו לייצור פחיות שתייה, מסגרות חלונות וחלקי מטוסים, ותרכובות שלו משמשות לטיהור מים.

א.

פחית שתייה ריקה מסוימת עשויה מ־15 גרם אלומיניום (הנח שהפחית עשויה Al טהור).
חשב כמה אטומי Al יש בפחית זו. פרט את חישוביך.
נתון: במול אחד של חלקיקים יש 6.02⋅10236.02\cdot10^{23}6.02⋅1023 חלקיקים.

ב.

בטיהור מים משתמשים בתמיסה של אלומיניום גופרתי, Al2(SO4)3(aq)\text{Al}_2(\text{SO}_4)_{3(aq)}Al2​(SO4​)3(aq)​.
בתמיסה מסוימת מומסים 68.5 גרם Al2(SO4)3(s)\text{Al}_2(\text{SO}_4)_{3(s)}Al2​(SO4​)3(s)​ בכל ליטר תמיסה.
חשב את הריכוז המולרי של יוני Al(aq)3+\text{Al}^{3+}_{(aq)}Al(aq)3+​ בתמיסה זו. פרט את חישוביך.

ג.

אלומיניום מפיקים מאלומיניום חמצני, Al2O3(s)\text{Al}_2\text{O}_{3(s)}Al2​O3(s)​. טמפרטורת ההיתוך של Al2O3(s)\text{Al}_2\text{O}_{3(s)}Al2​O3(s)​ גבוהה מאוד (2072∘C2072^{\circ}\text{C}2072∘C), ולכן ממיסים אותו בתרכובת יונית מותכת אחרת בטמפרטורה של כ־960∘C960^{\circ}\text{C}960∘C ומעבירים דרך התערובת זרם חשמלי. בתהליך משמשים מוטות פחמן, C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​.
מתרחשת תגובה (1) :
(1) 4Al(l)3++6O(l)2−+3C(s)→4Al(s)+3CO2(g)4\text{Al}^{3+}_{(l)}+6\text{O}^{2-}_{(l)}+3\text{C}_{(s)}\rightarrow4\text{Al}_{(s)}+3\text{CO}_{2(g)}4Al(l)3+​+6O(l)2−​+3C(s)​→4Al(s)​+3CO2(g)​ (מעל החץ: זרם חשמלי)

(i)

Al2O3(s)\text{Al}_2\text{O}_{3(s)}Al2​O3(s)​ אינו מוליך זרם חשמלי, אך כאשר הוא מומס בתרכובת היונית המותכת, התערובת מוליכה זרם חשמלי. הסבר מדוע.

(ii)

חשב את הנפח של גז CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ שמתקבל בעת הפקת 1 טון Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ . פרט את חישוביך.
נתון: ב־1 טון יש 1,000,000 גרם (1×1061\times10^{6}1×106 גרם).
בתנאֵי התגובה הנפח של 1 מול גז הוא 101 ליטר.

ד.

בטיהור מים מוסיפים למים תמיסה של Al2(SO4)3(aq)\text{Al}_2(\text{SO}_4)_{3(aq)}Al2​(SO4​)3(aq)​ ובסיס. נוצר משקע ג'לטיני של אלומיניום הידרוקסידי, Al(OH)3(s)\text{Al}(\text{OH})_{3(s)}Al(OH)3(s)​, הלוכד חלקיקי לכלוך ושוקע עמם. מתרחשת תגובה (2) .
(2) Al(aq)3++3OH(aq)−→Al(OH)3(s)\text{Al}^{3+}_{(aq)}+3\text{OH}^{-}_{(aq)}\rightarrow\text{Al}(\text{OH})_{3(s)}Al(aq)3+​+3OH(aq)−​→Al(OH)3(s)​
ריכוז התמיסה של Al2(SO4)3(aq)\text{Al}_2(\text{SO}_4)_{3(aq)}Al2​(SO4​)3(aq)​ במתקן הטיהור הוא 0.200M .
חשב את נפח התמיסה הדרוש להפקת 1,000 מול Al(OH)3(s)\text{Al}(\text{OH})_{3(s)}Al(OH)3(s)​ . פרט את חישוביך.

ה.

במעבדה הכניסו 0.81 גרם אבקת אלומיניום, Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​, ל־100 מ"ל תמיסה של חומצה כלורית, HCl(aq)\text{HCl}_{(aq)}HCl(aq)​, בריכוז 0.50M . התרחשה תגובה (3) עד שאחד המגיבים נגמר.
(3) 2Al(s)+6H3O(aq)+→2Al(aq)3++3H2(g)+6H2O(l)2\text{Al}_{(s)}+6\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}\rightarrow2\text{Al}^{3+}_{(aq)}+3\text{H}_{2(g)}+6\text{H}_2\text{O}_{(l)}2Al(s)​+6H3​O(aq)+​→2Al(aq)3+​+3H2(g)​+6H2​O(l)​

(i)

קבע איזה מן המגיבים הוא המגיב המגביל, וחשב את המסה של Al(s)\text{Al}_{(s)}Al(s)​ שנשארה בתום התגובה. פרט את חישוביך.

(ii)

חשב את הנפח של גז H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ שנוצר בטמפרטורה של 25∘C25^{\circ}\text{C}25∘C ובלחץ של 750 mmHg750\ \text{mmHg}750 mmHg. פרט את חישוביך.
נתון: R=0.082 atm⋅Lmol⋅KR=0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}R=0.082 mol⋅Katm⋅L​ , 1 atm=760 mmHg1\ \text{atm}=760\ \text{mmHg}1 atm=760 mmHg

◂ פתרון מלא לשאלה 12

סעיף א

תשובה:

3.3⋅10233.3\cdot10^{23}3.3⋅1023 אטומי Al

שלב 1 – מספר המולים של Al: M(Al)=27.0 gmolM(\text{Al})=27.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(Al)=27.0 molg​
n=mM=15 g27.0 gmol=0.556 moln=\frac{m}{M}=\frac{15\ \text{g}}{27.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.556\ \text{mol}n=Mm​=27.0 molg​15 g​=0.556 mol
שלב 2 – מספר האטומים:
N=n⋅NA=0.556 mol⋅6.02⋅1023 atomsmol=3.3⋅1023 atomsN=n\cdot N_A=0.556\ \text{mol}\cdot6.02\cdot10^{23}\ \frac{\text{atoms}}{\text{mol}}=3.3\cdot10^{23}\ \text{atoms}N=n⋅NA​=0.556 mol⋅6.02⋅1023 molatoms​=3.3⋅1023 atoms

סעיף ב

תשובה:

0.400 M0.400\ \text{M}0.400 M (ריכוז המלח 0.200 M0.200\ \text{M}0.200 M)

שלב 1 – מסה מולרית:
MAl2(SO4)3=2⋅27.0+3⋅(32.1+4⋅16.0)=342.3 gmolM_{\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3}=2\cdot27.0+3\cdot(32.1+4\cdot16.0)=342.3\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}MAl2​(SO4​)3​​=2⋅27.0+3⋅(32.1+4⋅16.0)=342.3 molg​
שלב 2 – מולי מלח בליטר:
n=mM=68.5 g342.3 gmol=0.200 moln=\frac{m}{M}=\frac{68.5\ \text{g}}{342.3\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.200\ \text{mol}n=Mm​=342.3 molg​68.5 g​=0.200 mol
שלב 3 – מולי יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+: בהמסה: Al2(SO4)3(s)→2Al(aq)3++3SO42−(aq)\text{Al}_2(\text{SO}_4)_{3(s)}\rightarrow2\text{Al}^{3+}_{(aq)}+3\text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}Al2​(SO4​)3(s)​→2Al(aq)3+​+3SO42−​(aq)​ – מכל יחידת מלח מתקבלים 2 יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+:
nAl3+=2⋅0.200 mol=0.400 moln_{\text{Al}^{3+}}=2\cdot0.200\ \text{mol}=0.400\ \text{mol}nAl3+​=2⋅0.200 mol=0.400 mol
שלב 4 – ריכוז:
C=nV=0.400 mol1 L=0.400 MC=\frac{n}{V}=\frac{0.400\ \text{mol}}{1\ \text{L}}=0.400\ \text{M}C=Vn​=1 L0.400 mol​=0.400 M
טעות נפוצה: לעצור בריכוז המלח (0.200 M0.200\ \text{M}0.200 M) ולשכוח שכל יחידת מלח נותנת שני יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+.

סעיף ג

(i)

תשובה:

במוצק היונים Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ ו־O2−\text{O}^{2-}O2− קבועים בסריג ואינם ניידים; בתערובת המותכת הסריג מתפרק והיונים ניידים.

Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3Al2​O3​ הוא חומר יוני. במצב מוצק היונים Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ ו־O2−\text{O}^{2-}O2− קשורים בקשרים יוניים חזקים בסריג וקבועים במקומם, ולכן אין נושאי מטען ניידים והמוצק אינו מוליך. כאשר Al2O3\text{Al}_2\text{O}_3Al2​O3​ מומס בתרכובת המותכת, הסריג מתפרק והיונים נעשים ניידים – הם יכולים לנוע אל הקטבים, ולכן התערובת מוליכה זרם חשמלי ומתרחשת תגובה (1).

(ii)

תשובה:

2.81⋅106 L2.81\cdot10^{6}\ \text{L}2.81⋅106 L

שלב 1 – מולי Al:
nAl=mM=1⋅106 g27.0 gmol=3.70⋅104 moln_{\text{Al}}=\frac{m}{M}=\frac{1\cdot10^{6}\ \text{g}}{27.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=3.70\cdot10^{4}\ \text{mol}nAl​=Mm​=27.0 molg​1⋅106 g​=3.70⋅104 mol
שלב 2 – מולי CO2\text{CO}_2CO2​: לפי תגובה (1) יחס המולים Al:CO2=4:3\text{Al}:\text{CO}_2=4:3Al:CO2​=4:3:
nCO2=3.70⋅104 mol⋅34=2.78⋅104 moln_{\text{CO}_2}=3.70\cdot10^{4}\ \text{mol}\cdot\frac{3}{4}=2.78\cdot10^{4}\ \text{mol}nCO2​​=3.70⋅104 mol⋅43​=2.78⋅104 mol
שלב 3 – נפח הגז:
V=n⋅Vm=2.78⋅104 mol⋅101 Lmol=2.81⋅106 LV=n\cdot V_m=2.78\cdot10^{4}\ \text{mol}\cdot101\ \frac{\text{L}}{\text{mol}}=2.81\cdot10^{6}\ \text{L}V=n⋅Vm​=2.78⋅104 mol⋅101 molL​=2.81⋅106 L

סעיף ד

תשובה:

2.50⋅103 L2.50\cdot10^{3}\ \text{L}2.50⋅103 L (2,500 ליטר)

שלב 1 – מולי Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ הדרושים: לפי תגובה (2) יחס המולים Al3+:Al(OH)3=1:1\text{Al}^{3+}:\text{Al}(\text{OH})_3=1:1Al3+:Al(OH)3​=1:1, ולכן דרושים 1000 mol1000\ \text{mol}1000 mol יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+.
שלב 2 – מולי המלח: כל יחידת Al2(SO4)3\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3Al2​(SO4​)3​ נותנת 2 יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+:
nAl2(SO4)3=1000 mol2=500 moln_{\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3}=\frac{1000\ \text{mol}}{2}=500\ \text{mol}nAl2​(SO4​)3​​=21000 mol​=500 mol
שלב 3 – נפח התמיסה:
V=nC=500 mol0.200 molL=2.50⋅103 LV=\frac{n}{C}=\frac{500\ \text{mol}}{0.200\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}}=2.50\cdot10^{3}\ \text{L}V=Cn​=0.200 Lmol​500 mol​=2.50⋅103 L
(אפשר גם: ריכוז יוני Al3+\text{Al}^{3+}Al3+ בתמיסה הוא 0.400 M0.400\ \text{M}0.400 M, ו־V=1000 mol0.400 mol/L=2500 LV=\frac{1000\ \text{mol}}{0.400\ \text{mol/L}}=2500\ \text{L}V=0.400 mol/L1000 mol​=2500 L.)

סעיף ה

(i)

תשובה:

המגיב המגביל: יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+; נשארו 0.36 g0.36\ \text{g}0.36 g אלומיניום.

שלב 1 – מולי המגיבים:
nAl=mM=0.81 g27.0 gmol=0.0300 moln_{\text{Al}}=\frac{m}{M}=\frac{0.81\ \text{g}}{27.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}}=0.0300\ \text{mol}nAl​=Mm​=27.0 molg​0.81 g​=0.0300 mol
nH3O+=C⋅V=0.50 molL⋅0.100 L=0.0500 moln_{\text{H}_3\text{O}^{+}}=C\cdot V=0.50\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0.100\ \text{L}=0.0500\ \text{mol}nH3​O+​=C⋅V=0.50 Lmol​⋅0.100 L=0.0500 mol
(HCl היא חומצה שמגיבה במלואה עם מים, ולכן [H3O+]=0.50 M[\text{H}_3\text{O}^{+}]=0.50\ \text{M}[H3​O+]=0.50 M.)
שלב 2 – המגיב המגביל: יחס המולים Al:H3O+=2:6=1:3\text{Al}:\text{H}_3\text{O}^{+}=2:6=1:3Al:H3​O+=2:6=1:3. כדי שכל ה־Al יגיב דרושים 3⋅0.0300 mol=0.0900 mol3\cdot0.0300\ \text{mol}=0.0900\ \text{mol}3⋅0.0300 mol=0.0900 mol יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, אבל יש רק 0.0500 mol0.0500\ \text{mol}0.0500 mol. לכן H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ הוא המגיב המגביל, ו־Al בעודף.
שלב 3 – Al שהגיב ו־Al שנשאר:
מולי Al שהגיבו ומסתם:
nAl=0.0500 mol3=0.0167 molmAl=0.0167 mol⋅27.0 gmol=0.45 gn_{\text{Al}}=\frac{0.0500\ \text{mol}}{3}=0.0167\ \text{mol}\qquad m_{\text{Al}}=0.0167\ \text{mol}\cdot27.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}=0.45\ \text{g}nAl​=30.0500 mol​=0.0167 molmAl​=0.0167 mol⋅27.0 molg​=0.45 g
מסת Al שנשארה:
m=0.81 g−0.45 g=0.36 gm=0.81\ \text{g}-0.45\ \text{g}=0.36\ \text{g}m=0.81 g−0.45 g=0.36 g

(ii)

תשובה:

0.619 L0.619\ \text{L}0.619 L (619 מ"ל)

שלב 1 – מולי H2\text{H}_2H2​ (לפי המגיב המגביל): יחס המולים H3O+:H2=6:3=2:1\text{H}_3\text{O}^{+}:\text{H}_2=6:3=2:1H3​O+:H2​=6:3=2:1:
nH2=0.0500 mol2=0.0250 moln_{\text{H}_2}=\frac{0.0500\ \text{mol}}{2}=0.0250\ \text{mol}nH2​​=20.0500 mol​=0.0250 mol
שלב 2 – המרת יחידות:
P=750 mmHg760 mmHgatm=0.987 atmT=25+273=298 KP=\frac{750\ \text{mmHg}}{760\ \frac{\text{mmHg}}{\text{atm}}}=0.987\ \text{atm}\qquad T=25+273=298\ \text{K}P=760 atmmmHg​750 mmHg​=0.987 atmT=25+273=298 K
שלב 3 – נפח לפי PV=nRTPV=nRTPV=nRT:
V=nRTP=0.0250 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅298 K0.987 atm=0.619 LV=\frac{nRT}{P}=\frac{0.0250\ \text{mol}\cdot0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\cdot298\ \text{K}}{0.987\ \text{atm}}=0.619\ \text{L}V=PnRT​=0.987 atm0.0250 mol⋅0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅298 K​=0.619 L
טעות נפוצה: לחשב את נפח המימן לפי כמות ה־Al (0.0450 mol0.0450\ \text{mol}0.0450 mol H2\text{H}_2H2​) במקום לפי המגיב המגביל.

שאלה 13 · ברזל: מוליכות חשמלית והפקה מעפרה בתנור רם

שאלה פתוחה20 נקודות

חמצון־חיזור, מבנה וקישור
ענו על הסעיפים א, ב, ג, ד ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
השאלה עוסקת בברזל ובתרכובות שלו.
נתונים:
•חוט ברזל, Fe(s)\text{Fe}_{(s)}Fe(s)​ , בצבע אפור.
•תמיסה מימית של ברזל כלורי, FeCl3(aq)\text{FeCl}_{3(aq)}FeCl3(aq)​ , בצבע צהוב־חום.
•עפרת ברזל המכילה ברזל חמצני, Fe2O3(s)\text{Fe}_2\text{O}_{3(s)}Fe2​O3(s)​ , בצבע אדום־חום.

א.

בבדיקת מוליכות חשמלית נמצא שגם חוט הברזל וגם תמיסת הברזל הכלורי מוליכים חשמל.

(i)

הסבירו מדוע חוט הברזל מוליך חשמל.

(ii)

הסבירו מדוע תמיסת הברזל הכלורי מוליכה חשמל.

ב.

תהליך 1
בתנור רם לייצור ברזל שורפים קוקס (פחם), C(s)\text{C}_{(s)}C(s)​ , באוויר חם. בתחתית התנור כמות החמצן מוגבלת, ונוצר בעיקר הגז פחמן חד־חמצני, CO(g)\text{CO}_{(g)}CO(g)​ .
רשמו ניסוח מאוזן לתגובה של פחם עם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , שבה נוצר פחמן חד־חמצני.

ג.

תהליך 2
הגז CO(g)\text{CO}_{(g)}CO(g)​ עולה בתנור ומגיב עם הברזל החמצני, Fe2O3(s)\text{Fe}_2\text{O}_{3(s)}Fe2​O3(s)​ . נוצרים ברזל נוזלי, Fe(l)\text{Fe}_{(l)}Fe(l)​ , והגז פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ .
רשמו ניסוח מאוזן לתגובה שהתרחשה בתהליך 2.

ד.

לפניכם שלוש טענות I–III על מספר המולים של האלקטרונים שעוברים בתהליך 2, כאשר מגיב 1 mol1\ \text{mol}1 mol של Fe2O3(s)\text{Fe}_2\text{O}_{3(s)}Fe2​O3(s)​ .
התבססו על נתונים בשאלה כולה וקבעו איזו טענה נכונה. נמקו את קביעתכם.
I. עוברים 3 mol3\ \text{mol}3 mol אלקטרונים.
II. עוברים 6 mol6\ \text{mol}6 mol אלקטרונים.
III. עוברים 2 mol2\ \text{mol}2 mol אלקטרונים.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
בתהליך תעשייתי אחר, על פני זרז, מגיבה אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , עם חמצן.
נתון ניסוח התגובה שהתרחשה:
4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O(g)4\text{NH}_{3(g)} + 5\text{O}_{2(g)} \rightarrow 4\text{NO}_{(g)} + 6\text{H}_2\text{O}_{(g)}4NH3(g)​+5O2(g)​→4NO(g)​+6H2​O(g)​
התבססו על מידע זה וקבעו עבור כל אחד מן ההיגדים שלפניכם אם הוא נכון או לא נכון.
נמקו את קביעותיכם.

(i)

הגז NO(g)\text{NO}_{(g)}NO(g)​ הוא תוצר של תהליך חמצון.

(ii)

אטומי המימן במולקולות האמוניה עוברים חמצון בתגובה.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
בתהליך תעשייתי אחר, על פני זרז, מגיבה אמוניה, NH3(g)\text{NH}_{3(g)}NH3(g)​ , עם חמצן.
נתון ניסוח התגובה שהתרחשה:
4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O(g)4\text{NH}_{3(g)} + 5\text{O}_{2(g)} \rightarrow 4\text{NO}_{(g)} + 6\text{H}_2\text{O}_{(g)}4NH3(g)​+5O2(g)​→4NO(g)​+6H2​O(g)​
התבססו על מידע זה וקבעו עבור כל אחד מן ההיגדים שלפניכם אם הוא נכון או לא נכון.
נמקו את קביעותיכם.

(i)

מולקולות המים, H2O(g)\text{H}_2\text{O}_{(g)}H2​O(g)​ , הן תוצר של תהליך חיזור.

(ii)

כאשר מגיבים 4 mol4\ \text{mol}4 mol של אמוניה, עוברים בתגובה 5 mol5\ \text{mol}5 mol של אלקטרונים.

◂ פתרון מלא לשאלה 13

סעיף א

(i)

תשובה:

בסריג המתכתי של הברזל יש אלקטרונים חופשיים לנוע (ים אלקטרונים).

ברזל הוא מתכת, הבנויה מסריג מתכתי: יונים חיוביים של ברזל מסודרים בסריג, וביניהם ״ים״ של אלקטרוני ערכיות שאינם קשורים לאטום מסוים (אלקטרונים חופשיים לנוע). כאשר מחברים את החוט למקור מתח, האלקטרונים החופשיים נעים בכיוון מסוים – זרם חשמלי – ולכן הברזל מוליך חשמל.

(ii)

תשובה:

בתמיסה יש יונים ניידים: Fe(aq)3+\text{Fe}^{3+}_{(aq)}Fe(aq)3+​ ו־Cl(aq)−\text{Cl}^{-}_{(aq)}Cl(aq)−​.

ברזל כלורי הוא חומר יוני. בהמסתו במים הסריג היוני מתפרק: FeCl3(s)→H2OFe(aq)3++3Cl(aq)−\text{FeCl}_{3(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{Fe}^{3+}_{(aq)} + 3\text{Cl}^{-}_{(aq)}FeCl3(s)​H2​O​Fe(aq)3+​+3Cl(aq)−​, והיונים מוקפים במולקולות מים וחופשיים לנוע בתמיסה. כאשר מפעילים מתח, היונים החיוביים נעים לעבר הקוטב השלילי והיונים השליליים – לעבר הקוטב החיובי, ולכן התמיסה מוליכה חשמל.

סעיף ב

תשובה:

2C(s)+O2(g)→2CO(g)2\text{C}_{(s)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{(g)}2C(s)​+O2(g)​→2CO(g)​

2C(s)+O2(g)→2CO(g)2\text{C}_{(s)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{(g)}2C(s)​+O2(g)​→2CO(g)​
בדיקת איזון: C – 2, O – 2 בכל צד.
(דרגת החמצון של C עולה מ־0 ל־+2 – חמצון; של O יורדת מ־0 ל־−2 – חיזור.)
טעות נפוצה: לרשום C+O2→CO\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}C+O2​→CO ללא איזון של אטומי החמצן.

סעיף ג

תשובה:

Fe2O3(s)+3CO(g)→2Fe(l)+3CO2(g)\text{Fe}_2\text{O}_{3(s)} + 3\text{CO}_{(g)} \rightarrow 2\text{Fe}_{(l)} + 3\text{CO}_{2(g)}Fe2​O3(s)​+3CO(g)​→2Fe(l)​+3CO2(g)​

Fe2O3(s)+3CO(g)→2Fe(l)+3CO2(g)\text{Fe}_2\text{O}_{3(s)} + 3\text{CO}_{(g)} \rightarrow 2\text{Fe}_{(l)} + 3\text{CO}_{2(g)}Fe2​O3(s)​+3CO(g)​→2Fe(l)​+3CO2(g)​
בדיקת איזון: Fe – 2, C – 3, O – 3+3=63 + 3 = 63+3=6 משמאל ו־3⋅2=63 \cdot 2 = 63⋅2=6 מימין.
•תהליך חיזור: דרגת החמצון של Fe יורדת מ־+3 (ב־Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3Fe2​O3​) ל־0.
•תהליך חמצון: דרגת החמצון של C עולה מ־+2 (ב־CO) ל־+4 (ב־CO2\text{CO}_2CO2​).

סעיף ד

תשובה:

טענה II.

קביעה: הטענה הנכונה היא II – עוברים 6 mol6\ \text{mol}6 mol אלקטרונים.
נימוק:
•ביחידת Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3Fe2​O3​ אחת יש שני אטומי ברזל, וכל אחד מהם מקבל 3 אלקטרונים (דרגת החמצון יורדת מ־+3 ל־0): 2⋅3=62 \cdot 3 = 62⋅3=6 אלקטרונים לכל יחידת Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3Fe2​O3​. לכן כאשר מגיב 1 mol1\ \text{mol}1 mol Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3Fe2​O3​: n(e−)=6⋅1 mol=6 moln(e^{-}) = 6 \cdot 1\ \text{mol} = 6\ \text{mol}n(e−)=6⋅1 mol=6 mol.
•בדיקה לפי המחזר: לפי הניסוח מגיבים 3 mol3\ \text{mol}3 mol CO, וכל אטום C מוסר 2 אלקטרונים (+2 ← +4): 3⋅2=6 mol3 \cdot 2 = 6\ \text{mol}3⋅2=6 mol אלקטרונים – אותה תוצאה.
טענה I שגויה – היא מתאימה לאטום ברזל אחד בלבד ולא לשניים. טענה III שגויה – היא מתאימה לאטום פחמן אחד (מולקולת CO אחת) ולא לשלוש מולקולות CO המגיבות עם יחידת Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3Fe2​O3​ אחת.

סעיף ה

(i)

תשובה:

נכון.

ההיגד נכון.
דרגת החמצון של החנקן ב־NH3\text{NH}_3NH3​ היא −3 (H: +1, ו־x+3⋅(+1)=0x + 3 \cdot (+1) = 0x+3⋅(+1)=0), וב־NO היא +2 (O: −2, ו־x+(−2)=0x + (-2) = 0x+(−2)=0). דרגת החמצון של החנקן עלתה – אטומי החנקן מסרו אלקטרונים (5 לכל אטום), כלומר עברו חמצון. לכן NO הוא תוצר של תהליך חמצון.

(ii)

תשובה:

לא נכון.

ההיגד לא נכון.
דרגת החמצון של אטומי המימן ב־NH3\text{NH}_3NH3​ היא +1, וגם במים, H2O\text{H}_2\text{O}H2​O, היא +1 – אין שינוי, ולכן אטומי המימן אינם מוסרים אלקטרונים ואינם עוברים חמצון. האטומים שעוברים חמצון הם אטומי החנקן (מ־−3 ל־+2).

סעיף ו

(i)

תשובה:

נכון.

ההיגד נכון.
אטומי החמצן במים מקורם במולקולות החמצן, O2\text{O}_2O2​. דרגת החמצון של החמצן ב־O2\text{O}_2O2​ היא 0, ובמים היא −2 – אטומי החמצן קיבלו אלקטרונים, כלומר עברו חיזור. לכן המים (כמו גם NO) מכילים אטומים שעברו חיזור והם תוצר של תהליך חיזור. (אטומי המימן במים לא השתנו: +1 ב־NH3\text{NH}_3NH3​ וגם ב־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O.)

(ii)

תשובה:

לא נכון.

ההיגד לא נכון.
כל אטום חנקן מוסר 5 אלקטרונים (דרגת החמצון עולה מ־−3 ל־+2). היחס n(e−):n(NH3)=5:1n(e^{-}) : n(\text{NH}_3) = 5:1n(e−):n(NH3​)=5:1, ולכן כאשר מגיבים 4 mol4\ \text{mol}4 mol אמוניה עוברים n(e−)=5⋅4 mol=20 moln(e^{-}) = 5 \cdot 4\ \text{mol} = 20\ \text{mol}n(e−)=5⋅4 mol=20 mol אלקטרונים, ולא 5.
בדיקה לפי המחמצן: 5 mol5\ \text{mol}5 mol O2\text{O}_2O2​ הם 10 mol10\ \text{mol}10 mol אטומי O, וכל אחד מקבל 2 אלקטרונים: 10⋅2=20 mol10 \cdot 2 = 20\ \text{mol}10⋅2=20 mol.
טעות נפוצה: להעתיק את המקדם של O2\text{O}_2O2​ בניסוח (5) כמספר מולי האלקטרונים.

שאלה 14 · שלושה יסודות a, b, c – מתכת ושתי אל־מתכות: קישור, חמצון־חיזור ותמיסות

שאלה פתוחה20 נקודות

מבנה וקישור, חמצון חיזור, חומצות ובסיסים
בטבלה שלפניכם מצוינים נתונים על שלושה יסודות המסומנים באופן שרירותי באותיות: a,b,c\text{a}, \text{b}, \text{c}a,b,c .
סמל שרירותי של היסודטמפרטורת ההיתוך של היסוד (∘C)(^{\circ}\text{C})(∘C)טמפרטורת הרתיחה של היסוד (∘C)(^{\circ}\text{C})(∘C)הולכה חשמלית של היסוד בטמפרטורת החדר
a64759מוליך
b−101-101−101−34-34−34לא מוליך
c115445לא מוליך

סמל שרירותי של היסוד	טמפרטורת ההיתוך של היסוד $(^{\circ}\text{C})$	טמפרטורת הרתיחה של היסוד $(^{\circ}\text{C})$	הולכה חשמלית של היסוד בטמפרטורת החדר
a	64	759	מוליך
b	$-101$	$-34$	לא מוליך
c	115	445	לא מוליך

א.

התאימו בין היסודות: גופרית, S8(s)\text{S}_{8(s)}S8(s)​ , אשלגן, K(s)\text{K}_{(s)}K(s)​ , כלור, Cℓ2(g)\text{C}\ell_{2(g)}Cℓ2(g)​ ובין האותיות a,b,c\text{a}, \text{b}, \text{c}a,b,c .

ב.

(i)

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

(ii)

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

ג.

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

ד.

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

(i)

נסחו את תגובת ההמסה במים של התוצר.

(ii)

האם התמיסה הנוצרת מוליכה חשמל? נמקו את תשובתכם.

ה.

היסוד שסומן באות c\text{c}c בוער באוויר (מגיב עם חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​), ומתקבל תוצר יחיד שהוא גז בטמפרטורת החדר.
תוצר זה מגיב עם מים ונוצרת חומצה גופריתית, H2SO3(aq)\text{H}_2\text{SO}_{3(aq)}H2​SO3(aq)​ . החומצה הגופריתית מגיבה עם מים לפי:
H2SO3(aq)+H2O(ℓ)→H3O(aq)++HSO3−(aq)\text{H}_2\text{SO}_{3(aq)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{HSO}_3^{-}{}_{(aq)}H2​SO3(aq)​+H2​O(ℓ)​→H3​O(aq)+​+HSO3−​(aq)​

(i)

מהי נוסחת התוצר?

(ii)

נסחו את תגובת התוצר עם מים.

(iii)

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

ו.

היסוד שסומן באות a\text{a}a מגיב עם מים. בתגובה נפלט גז מימן, H2(g)\text{H}_{2(g)}H2(g)​ , ונוצרת תמיסה בסיסית.

(i)

נסחו את התגובה בין היסוד ובין מים.

(ii)

גז המימן שנפלט מגיב עם היסוד המסומן באות b\text{b}b , ומתקבל תוצר יחיד שהוא גז. נסחו את התגובה.

ז.

היסוד שסומן באות b\text{b}b מגיב גם עם המתכת מגנזיום, Mg(s)\text{Mg}_{(s)}Mg(s)​ , ומתקבל תוצר יחיד.
רשמו את נוסחת התוצר בטמפרטורת החדר.

◂ פתרון מלא לשאלה 14

סעיף א

תשובה:

a – אשלגן, K\text{K}K; b – כלור, Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​; c – גופרית, S8\text{S}_8S8​.

- a מוליך חשמל בטמפרטורת החדר ⇐ מתכת ⇐ אשלגן, K(s)\text{K}_{(s)}K(s)​ (סריג מתכתי עם אלקטרונים ניידים; טמפרטורת היתוך נמוכה יחסית למתכת, 64∘C64^{\circ}\text{C}64∘C).
- b ו־c אינם מוליכים ⇐ אל־מתכות מולקולריות.
  - b: טמפרטורת הרתיחה −34∘C-34^{\circ}\text{C}−34∘C – נמוכה מטמפרטורת החדר ⇐ גז בטמפרטורת החדר ⇐ כלור, Cℓ2(g)\text{C}\ell_{2(g)}Cℓ2(g)​.
  - c: טמפרטורת ההיתוך 115∘C115^{\circ}\text{C}115∘C – גבוהה מטמפרטורת החדר ⇐ מוצק בטמפרטורת החדר ⇐ גופרית, S8(s)\text{S}_{8(s)}S8(s)​.

סעיף ב

(i)

תשובה:

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

היסוד b הוא כלור, Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​. בין שני אטומי הכלור במולקולה יש קשר קוולנטי יחיד: לכל אטום כלור 7 אלקטרונים ערכיים, וכל אטום תורם אלקטרון אחד לזוג אלקטרונים משותף. האטומים זהים (אותה אלקטרושליליות), ולכן הקשר לא קוטבי (קשר קוולנטי טהור).

(ii)

תשובה:

שני החומרים מולקולריים ולא קוטביים; ענן האלקטרונים של S8\text{S}_8S8​ גדול בהרבה מזה של Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​ ⇐ אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יותר.

שני היסודות בנויים ממולקולות לא קוטביות (S8\text{S}_8S8​ ו־Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​), ולכן בין המולקולות של כל אחד מהם יש רק אינטראקציות ואן דר ואלס. ברתיחה נפרדות המולקולות זו מזו.
במולקולת S8\text{S}_8S8​ יש 8⋅16=1288 \cdot 16 = 1288⋅16=128 אלקטרונים, ובמולקולת Cℓ2\text{C}\ell_2Cℓ2​ יש 2⋅17=342 \cdot 17 = 342⋅17=34 אלקטרונים. ענן האלקטרונים של מולקולת S8\text{S}_8S8​ גדול בהרבה, ולכן אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות הגופרית חזקות יותר, ודרושה אנרגיה רבה יותר כדי להפריד ביניהן – טמפרטורת הרתיחה של c גבוהה יותר.
טעות נפוצה: לכתוב שבגופרית נשברים קשרים קוולנטיים ברתיחה – ברתיחה של חומר מולקולרי נשברים רק הקשרים הבין־מולקולריים.

סעיף ג

תשובה:

התוצר K2S\text{K}_2\text{S}K2​S: K – +1+1+1, S – −2-2−2.

אשלגן (מתכת, טור 1, אלקטרון ערכי אחד) מגיב עם גופרית (אל־מתכת, טור 6, שישה אלקטרונים ערכיים): כל אטום אשלגן מוסר אלקטרון אחד ונהפך ליון K+\text{K}^{+}K+, וכל אטום גופרית קולט שני אלקטרונים ונהפך ליון S2−\text{S}^{2-}S2−. התוצר הוא התרכובת היונית אשלגן גופרי, K2S(s)\text{K}_2\text{S}_{(s)}K2​S(s)​:
2K(s)+S(s)→K2S(s)2\text{K}_{(s)} + \text{S}_{(s)} \rightarrow \text{K}_2\text{S}_{(s)}2K(s)​+S(s)​→K2​S(s)​
דרגת החמצון של יון חד־אטומי שווה למטענו:
•יון אשלגן, K+\text{K}^{+}K+: דרגת חמצון +1+1+1.
•יון גופרית, S2−\text{S}^{2-}S2−: דרגת חמצון −2-2−2.
(בדיקה: 2⋅(+1)+(−2)=02 \cdot (+1) + (-2) = 02⋅(+1)+(−2)=0.)

סעיף ד

(i)

תשובה:

KCℓ(s)→H2OK(aq)++Cℓ(aq)−\text{KC}\ell_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{C}\ell^{-}_{(aq)}KCℓ(s)​H2​O​K(aq)+​+Cℓ(aq)−​

התוצר הוא החומר היוני אשלגן כלורי, KCℓ(s)\text{KC}\ell_{(s)}KCℓ(s)​. בהמסה במים הסריג היוני מתפרק, והיונים מתמיימים (מוקפים במולקולות מים):
KCℓ(s)→H2OK(aq)++Cℓ(aq)−\text{KC}\ell_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{C}\ell^{-}_{(aq)}KCℓ(s)​H2​O​K(aq)+​+Cℓ(aq)−​

(ii)

תשובה:

כן – בתמיסה יש יונים ניידים.

כן. בתמיסה יש יונים ממוימים ניידים, K(aq)+\text{K}^{+}_{(aq)}K(aq)+​ ו־Cℓ(aq)−\text{C}\ell^{-}_{(aq)}Cℓ(aq)−​. כאשר מחברים את התמיסה למקור מתח, יוני K+\text{K}^{+}K+ נעים לעבר הקוטב השלילי ויוני Cℓ−\text{C}\ell^{-}Cℓ− לעבר הקוטב החיובי – התמיסה מוליכה חשמל.

סעיף ה

(i)

תשובה:

SO2\text{SO}_2SO2​ (גופרית דו־חמצנית)

גופרית בוערת בחמצן ויוצרת גז אחד – גופרית דו־חמצנית:
S(s)+O2(g)→SO2(g)\text{S}_{(s)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{SO}_{2(g)}S(s)​+O2(g)​→SO2(g)​
הנוסחה מתאימה לחומצה שנוצרת מן התוצר במים: H2SO3\text{H}_2\text{SO}_3H2​SO3​ מכילה גופרית ושלושה אטומי חמצן, כלומר SO2\text{SO}_2SO2​ ועוד מולקולת מים.

(ii)

תשובה:

SO2(g)+H2O(ℓ)→H2SO3(aq)\text{SO}_{2(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_{3(aq)}SO2(g)​+H2​O(ℓ)​→H2​SO3(aq)​

לפי הנתון, התוצר מגיב עם מים ויוצר חומצה גופריתית:
SO2(g)+H2O(ℓ)→H2SO3(aq)\text{SO}_{2(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_{3(aq)}SO2(g)​+H2​O(ℓ)​→H2​SO3(aq)​
בדיקה: S – 1 = 1; O – 2+1=32 + 1 = 32+1=3; H – 2 = 2.

(iii)

תשובה:

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

חומצית. החומצה הגופריתית שנוצרת מגיבה עם מים (לפי הניסוח הנתון) ויוצרת יוני הידרוניום, H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​. נוכחות עודף של יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ בתמיסה הופכת אותה לחומצית (pH<7\text{pH} < 7pH<7).

סעיף ו

(i)

תשובה:

2K(s)+2H2O(ℓ)→2K(aq)++2OH(aq)−+H2(g)2\text{K}_{(s)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow 2\text{K}^{+}_{(aq)} + 2\text{OH}^{-}_{(aq)} + \text{H}_{2(g)}2K(s)​+2H2​O(ℓ)​→2K(aq)+​+2OH(aq)−​+H2(g)​

אשלגן הוא מתכת אלקלית; הוא מגיב עם מים ויוצר יוני אשלגן, יוני הידרוקסיד (שגורמים לתמיסה להיות בסיסית) וגז מימן:
2K(s)+2H2O(ℓ)→2K(aq)++2OH(aq)−+H2(g)2\text{K}_{(s)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow 2\text{K}^{+}_{(aq)} + 2\text{OH}^{-}_{(aq)} + \text{H}_{2(g)}2K(s)​+2H2​O(ℓ)​→2K(aq)+​+2OH(aq)−​+H2(g)​
(אפשר לכתוב גם: K(s)+H2O(ℓ)→K(aq)++OH(aq)−+12H2(g)\text{K}_{(s)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} + \frac{1}{2}\text{H}_{2(g)}K(s)​+H2​O(ℓ)​→K(aq)+​+OH(aq)−​+21​H2(g)​.)
בדיקה: K – 2 = 2; H – 4 = 2+22 + 22+2; O – 2 = 2; מטען: 0=2⋅(+1)+2⋅(−1)0 = 2 \cdot (+1) + 2 \cdot (-1)0=2⋅(+1)+2⋅(−1).

(ii)

תשובה:

H2(g)+Cℓ2(g)→2HCℓ(g)\text{H}_{2(g)} + \text{C}\ell_{2(g)} \rightarrow 2\text{HC}\ell_{(g)}H2(g)​+Cℓ2(g)​→2HCℓ(g)​

היסוד b הוא כלור. מימן מגיב עם כלור ויוצר מימן כלורי, גז בטמפרטורת החדר:
H2(g)+Cℓ2(g)→2HCℓ(g)\text{H}_{2(g)} + \text{C}\ell_{2(g)} \rightarrow 2\text{HC}\ell_{(g)}H2(g)​+Cℓ2(g)​→2HCℓ(g)​
בדיקה: H – 2 = 2; Cℓ – 2 = 2.

סעיף ז

תשובה:

MgCℓ2(s)\text{MgC}\ell_{2(s)}MgCℓ2(s)​

מגנזיום (טור 2) מוסר שני אלקטרונים ונהפך ליון Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+; כל אטום כלור (טור 7) קולט אלקטרון אחד ונהפך ליון Cℓ−\text{C}\ell^{-}Cℓ−. כדי שהתרכובת תהיה ניטרלית, דרושים שני יוני כלור לכל יון מגנזיום:
Mg(s)+Cℓ2(g)→MgCℓ2(s)\text{Mg}_{(s)} + \text{C}\ell_{2(g)} \rightarrow \text{MgC}\ell_{2(s)}Mg(s)​+Cℓ2(g)​→MgCℓ2(s)​
התוצר הוא חומר יוני, ולכן בטמפרטורת החדר הוא מוצק: MgCℓ2(s)\text{MgC}\ell_{2(s)}MgCℓ2(s)​.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	א – $\text{A}^{3-}$
2	-	ג – היגדים II ו־III.
3	-	ב – טמפרטורת היתוך גבוהה בגלל משיכות חזקות בין היונים
4	-	ד – נוצרו $0.025$ מול $\text{Na}_2\text{CO}_3$ , שהם $2.65$ גרם.
5	-	ב – ב־ $\text{NH}_3$ דרגת החמצון של N היא $-3$ , דרגת החמצון המזערית של חנקן, ולכן הוא יכול רק למסור אלקטרונים (לעבור חמצון).
6	-	ב – $+88\ \text{kJ}$
7	-	א – בקצה אחד של המולקולה קבוצה אמינית, $-\text{NH}_2$ , ובקצה השני קבוצה קרבוקסילית, $-\text{COOH}$ .
8	-	ד – $[\text{Mg}^{2+}]=0.10\ \text{M}$ , $[\text{NO}_3^{-}]=0.20\ \text{M}$ .
9	א	$\text{CaCO}_{3(s)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + \text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ב	$7.49\times 10^{-3}\ \text{mol}$
	ג	$0.190\ \text{L}$ (כ־190 מ"ל) $\text{CO}_2$
	ד	למשל: בתגובה של $\text{Al(OH)}_3$ לא נפלט גז (אין נפיחות וגיהוקים); השפעתו נמשכת זמן רב יותר; הוא אינו מכניס לגוף יוני נתרן.
	ה	גרף III: בשני הכלים ה־pH עולה לאותו ערך סופי, אך בכלי עם $\text{NaHCO}_3$ העלייה מהירה יותר.
	ו	O=C=O עם שני זוגות לא קושרים על כל אטום O; המולקולה אינה קוטבית.
	ז	הקסאן.
10	א	$-\text{OH}$ – קבוצה הידרוקסילית; $-\text{O}-$ – קבוצת אתר; $\text{C=C}$ – קשר כפול בין שני אטומי פחמן.
	ב i	ראו הטבלה המלאה בפתרון.
	ב ii	הערכת האלקטרונים של O: 2,6. מטען היון: $2-$ (היון $\text{O}^{2-}$ , הערכה 2,8).
	ג i	במבחנה (1) – עם הקסאן.
	ג ii	קשרי ואן דר ואלס.
	ג iii	$\text{C}_{10}\text{H}_{8(s)} \xrightarrow{\text{C}_6\text{H}_{14(l)}} \text{C}_{10}\text{H}_{8(\text{C}_6\text{H}_{14})}$
	ד	A. נוסחה B נפסלה: יש בה קבוצה $-\text{OH}$ , ולכן בין מולקולותיה היו קשרי מימן וטמפרטורת הרתיחה שלה הייתה קרובה ל-141°C ולא 57°C.
11	א	חומר A – גז; חומר B – נוזל.
	ב i	a – נכון; b – לא נכון; c – נכון; d – לא נכון.
	ב ii	נוסחה 2.
	ג i	בכלי של חומר A.
	ג ii	$\text{CH}_3\text{COCH}_{3(\ell)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{CH}_3\text{COCH}_{3(aq)}$
	ג iii	ל־B שרשרת פחמימנית ארוכה ולא קוטבית; קשרי המימן שנוצרים עם המים דרך אטום החמצן אינם מפצים על קשרי המימן בין מולקולות המים ועל אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות B שיש לפרק.
	ג iv	בכלי של A תערובת הומוגנית – נוזל אחיד וצלול (פאזה אחת); בכלי של B תערובת הטרוגנית – שתי שכבות נוזל נפרדות.
12	א	$3.3\cdot10^{23}$ אטומי Al
	ב	$0.400\ \text{M}$ (ריכוז המלח $0.200\ \text{M}$ )
	ג i	במוצק היונים $\text{Al}^{3+}$ ו־ $\text{O}^{2-}$ קבועים בסריג ואינם ניידים; בתערובת המותכת הסריג מתפרק והיונים ניידים.
	ג ii	$2.81\cdot10^{6}\ \text{L}$
	ד	$2.50\cdot10^{3}\ \text{L}$ (2,500 ליטר)
	ה i	המגיב המגביל: יוני $\text{H}_3\text{O}^{+}$ ; נשארו $0.36\ \text{g}$ אלומיניום.
	ה ii	$0.619\ \text{L}$ (619 מ"ל)
13	א i	בסריג המתכתי של הברזל יש אלקטרונים חופשיים לנוע (ים אלקטרונים).
	א ii	בתמיסה יש יונים ניידים: $\text{Fe}^{3+}_{(aq)}$ ו־ $\text{Cl}^{-}_{(aq)}$ .
	ב	$2\text{C}_{(s)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{CO}_{(g)}$
	ג	$\text{Fe}_2\text{O}_{3(s)} + 3\text{CO}_{(g)} \rightarrow 2\text{Fe}_{(l)} + 3\text{CO}_{2(g)}$
	ד	טענה II.
	ה i	נכון.
	ה ii	לא נכון.
	ו i	נכון.
	ו ii	לא נכון.
14	א	a – אשלגן, $\text{K}$ ; b – כלור, $\text{C}\ell_2$ ; c – גופרית, $\text{S}_8$ .
	ב i	קשר קוולנטי (יחיד, לא קוטבי) בין שני אטומי הכלור.
	ב ii	שני החומרים מולקולריים ולא קוטביים; ענן האלקטרונים של $\text{S}_8$ גדול בהרבה מזה של $\text{C}\ell_2$ ⇐ אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יותר.
	ג	התוצר $\text{K}_2\text{S}$ : K – $+1$ , S – $-2$ .
	ד i	$\text{KC}\ell_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{C}\ell^{-}_{(aq)}$
	ד ii	כן – בתמיסה יש יונים ניידים.
	ה i	$\text{SO}_2$ (גופרית דו־חמצנית)
	ה ii	$\text{SO}_{2(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_{3(aq)}$
	ה iii	חומצית – נוצרים יוני $\text{H}_3\text{O}^{+}$ .
	ו i	$2\text{K}_{(s)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow 2\text{K}^{+}_{(aq)} + 2\text{OH}^{-}_{(aq)} + \text{H}_{2(g)}$
	ו ii	$\text{H}_{2(g)} + \text{C}\ell_{2(g)} \rightarrow 2\text{HC}\ell_{(g)}$
	ז	$\text{MgC}\ell_{2(s)}$