מתכונת 8 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 · הרכב חלקיקים: מספר אלקטרונים ומטען גרעיני

רב-ברירה

בטבלה שלפניך מוצגים נתונים על ההרכב של שלושה חלקיקים המסומנים באופן שרירותי באותיות A, B ו־ C.
החלקיקמספר פרוטוניםמספר נויטרוניםהיערכות אלקטרונים
A12122 , 8
B12132 , 8 , 2
C11122 , 8
מהי הקביעה הנכונה?

החלקיק	מספר פרוטונים	מספר נויטרונים	היערכות אלקטרונים
A	12	12	2 , 8
B	12	13	2 , 8 , 2
C	11	12	2 , 8

א.
החלקיקים A ו־ C הם אטומים של אותו היסוד.
ב.
לחלקיקים A ו־ C יש אותו מספר מסה.
ג.
לחלקיקים A ו־ C יש אותו מספר אלקטרונים, אבל המטען הגרעיני שלהם שונה.
ד.
החלקיק B הוא יון חיובי.

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – ב־A וב־C יש 10 אלקטרונים, אבל ב־A יש 12 פרוטונים וב־C יש 11 פרוטונים.

התשובה הנכונה: ג.
מספר האלקטרונים בחלקיק הוא סכום המספרים בהיערכות האלקטרונים: ב־A (2,82,82,8) יש 10 אלקטרונים, וגם ב־C (2,82,82,8) יש 10 אלקטרונים. המטען הגרעיני נקבע לפי מספר הפרוטונים: ל־A מטען גרעיני +12+12+12 ול־C מטען גרעיני +11+11+11 – הם שונים. (A הוא היון Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+: 12 פרוטונים ו־10 אלקטרונים; C הוא היון Na+\text{Na}^{+}Na+: 11 פרוטונים ו־10 אלקטרונים.)
- א – לא נכון. ל־A יש 12 פרוטונים ול־C יש 11 – אלה יסודות שונים (מגנזיום ונתרן). נוסף על כך, שניהם יונים ולא אטומים: מספר האלקטרונים שלהם שונה ממספר הפרוטונים.
- ב – לא נכון. מספר המסה = מספר הפרוטונים + מספר הנויטרונים. ל־A: 12+12=2412+12=2412+12=24; ל־C: 11+12=2311+12=2311+12=23.
- ד – לא נכון. ב־B יש 12 פרוטונים ו־12 אלקטרונים (2+8+22+8+22+8+2), ולכן הוא אטום ניטרלי (אטום מגנזיום), ולא יון.
טעות נפוצה: לקבוע את זהות היסוד לפי היערכות האלקטרונים במקום לפי מספר הפרוטונים – ל־A ול־C אותה היערכות, אבל הם יסודות שונים.

שאלה 2 · יסודות עוקבים – גז אציל ונוסחת תרכובת עם חמצן

רב-ברירה

האותיות a , b , c , d הן סמלים שרירותיים, המייצגים ארבעה יסודות בעלי מספרים אטומיים עוקבים במערכה המחזורית. היסוד c הוא גז אציל.
O מסמל אטום חמצן.
מהי הנוסחה הנכונה?

א.
$\text{db}_2$
ב.
$\text{cO}$
ג.
$\text{d}_2\text{O}$
ד.
$\text{a}_2\text{d}$

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג — d2O\text{d}_2\text{O}d2​O: d מתכת אלקלית היוצרת d+\text{d}^{+}d+, וחמצן יוצר O2−\text{O}^{2-}O2−.

זיהוי מיקום היסודות: c גז אציל (טור 18). המספרים האטומיים עוקבים, לכן:
•b (קטן ב־1 מ־c) הוא הלוגן (טור 17), בעל 7 אלקטרוני ערכיות, יוצר יון b−\text{b}^{-}b−;
•a (קטן ב־2 מ־c) נמצא בטור 16, בעל 6 אלקטרוני ערכיות, יוצר עם מתכת יון a2−\text{a}^{2-}a2−;
•d (גדול ב־1 מ־c) פותח את המחזור הבא — מתכת אלקלית (טור 1), אלקטרון ערכיות אחד, יוצר יון d+\text{d}^{+}d+.
חמצן (טור 16) יוצר עם מתכת יון O2−\text{O}^{2-}O2−. בתרכובת של d עם חמצן: 2(+1)+(−2)=02(+1)+(-2)=02(+1)+(−2)=0 ← d2O\text{d}_2\text{O}d2​O (כמו Na2O\text{Na}_2\text{O}Na2​O). תשובה ג נכונה.
מדוע האחרות שגויות:
•א. d+\text{d}^{+}d+ ו־b−\text{b}^{-}b− מתאחדים ביחס 1:1 — db\text{db}db, ולא db2\text{db}_2db2​.
•ב. c הוא גז אציל — רמת הערכיות שלו מלאה, והוא אינו יוצר תרכובות.
•ד. d+\text{d}^{+}d+ ו־a2−\text{a}^{2-}a2− מתאחדים ביחס 2:1 — הנוסחה d2a\text{d}_2\text{a}d2​a; בנוסחה a2d\text{a}_2\text{d}a2​d היחס הפוך (2(−2)+1≠02(-2)+1\neq 02(−2)+1=0).
טעות נפוצה: לשכוח שהיסוד שאחרי גז אציל נמצא בטור 1 של המחזור הבא.

שאלה 3 · טמפרטורות רתיחה – מימן פלואורי ואמוניה

רב-ברירה

לפניכם טבלה שבה נתונים על שני חומרים:
שם החומרנוסחת החומרטמפרטורת רתיחה (oC)(^{o}\text{C})(oC)
מימן פלואוריH-F\text{H-F}H-F19.5
אמוניהNH3\text{NH}_3NH3​−33
טמפרטורת הרתיחה של מימן פלואורי גבוהה מטמפרטורת הרתיחה של אמוניה.
מהי הסיבה לכך?

שם החומר	נוסחת החומר	טמפרטורת רתיחה $(^{o}\text{C})$
מימן פלואורי	$\text{H-F}$	19.5
אמוניה	$\text{NH}_3$	−33

א.
קשרי המימן הנוצרים בין מולקולות מימן פלואורי חזקים יותר מקשרי המימן הנוצרים בין מולקולות אמוניה.
ב.
ענן האלקטרונים במולקולת מימן פלואורי גדול מענן האלקטרונים במולקולת אמוניה.
ג.
במולקולת מימן פלואורי יש יותר אטומי מימן שיכולים ליצור קשרי מימן מאשר במולקולת אמוניה.
ד.
מימן פלואורי הוא חומר יוני, ולכן בין החלקיקים שלו פועלים קשרים יוניים.

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – הקשר F–H קוטבי יותר מן הקשר N–H, ולכן קשרי המימן בין מולקולות HF חזקים יותר.

שני החומרים מולקולריים, ובין המולקולות של כל אחד מהם פועלים קשרי מימן (אטום H קשור לאטום F או N) ואינטראקציות ואן דר ואלס.
א נכונה. אחד הגורמים המשפיעים על חוזק קשרי המימן הוא הפרש האלקטרושליליות בקשר שבו קשור אטום המימן. לפי טבלת האלקטרושליליות:
•בקשר F–H: 4.0−2.1=1.94.0-2.1=1.94.0−2.1=1.9
•בקשר N–H: 3.0−2.1=0.93.0-2.1=0.93.0−2.1=0.9
הקשר F–H קוטבי הרבה יותר, ולכן קשרי המימן בין מולקולות HF חזקים יותר. כדי להרתיח את HF נדרשת יותר אנרגייה, וטמפרטורת הרתיחה שלו גבוהה יותר.
- ב שגויה: בשתי המולקולות 10 אלקטרונים (HF: 1+91+91+9; NH3\text{NH}_3NH3​: 7+37+37+3), כלומר ענני האלקטרונים דומים בגודלם.
- ג שגויה: במולקולת HF יש אטום מימן אחד בלבד, ובמולקולת NH3\text{NH}_3NH3​ שלושה.
- ד שגויה: הפרש האלקטרושליליות בין H ל־F (1.9) מתאים לקשר קוולנטי קוטבי. HF הוא חומר מולקולרי (טמפרטורת הרתיחה הנמוכה, 19.5°C, מתאימה לחומר מולקולרי ולא לחומר יוני).

שאלה 4 · מולי אלקטרונים בתגובת יוני ברזל ויוני יודיד

רב-ברירה

כאשר מערבבים תמיסה של יוני ברזל, Fe(aq)3+\text{Fe}^{3+}_{(aq)}Fe(aq)3+​ , עם תמיסה של יוני יודיד, I(aq)−\text{I}^{-}_{(aq)}I(aq)−​ , מתרחשת התגובה:
2Fe(aq)3++2I(aq)−→2Fe(aq)2++I2(aq)2\text{Fe}^{3+}_{(aq)} + 2\text{I}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{Fe}^{2+}_{(aq)} + \text{I}_{2(aq)}2Fe(aq)3+​+2I(aq)−​→2Fe(aq)2+​+I2(aq)​
מהי הקביעה הנכונה?

א.
היונים $\text{Fe}^{3+}_{(aq)}$ מגיבים כמחזר.
ב.
היונים $\text{I}^{-}_{(aq)}$ קולטים אלקטרונים.
ג.
כאשר נוצרים 0.50 מול $\text{I}_{2(aq)}$ , עוברים בתגובה 1.0 מול אלקטרונים.
ד.
דרגת החמצון של אטומי היוד ב־ $\text{I}_2$ היא $-1$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – ביצירת 1 מול I2\text{I}_2I2​ עוברים 2 מול אלקטרונים, ולכן ביצירת 0.50 מול I2\text{I}_2I2​ עוברים 1.0 מול אלקטרונים.

התשובה הנכונה: ג.
דרגות החמצון: Fe: +3→+2+3 \rightarrow +2+3→+2 (ירידה – קליטת אלקטרון; Fe3+\text{Fe}^{3+}Fe3+ הוא המחמצן). I: −1→0-1 \rightarrow 0−1→0 (עלייה – מסירת אלקטרון; I−\text{I}^-I− הוא המחזר).
- ג – נכון. כדי שייווצר 1 מול I2\text{I}_2I2​, 2 מול יוני I−\text{I}^-I− מוסרים כל אחד אלקטרון אחד, כלומר עוברים 2 מול אלקטרונים (ואותם קולטים 2 מול יוני Fe3+\text{Fe}^{3+}Fe3+). היחס: ne−:nI2=2:1n_{e^-} : n_{\text{I}_2} = 2 : 1ne−​:nI2​​=2:1.
ne−=2⋅nI2=2⋅0.50 mol=1.0 moln_{e^-} = 2\cdot n_{\text{I}_2} = 2\cdot 0.50\ \text{mol} = 1.0\ \text{mol}ne−​=2⋅nI2​​=2⋅0.50 mol=1.0 mol
- א – לא נכון. דרגת החמצון של Fe יורדת – יוני Fe3+\text{Fe}^{3+}Fe3+ קולטים אלקטרונים, ולכן הם מחמצן.
- ב – לא נכון. דרגת החמצון של I עולה מ־−1-1−1 ל־0 – יוני I−\text{I}^-I− מוסרים אלקטרונים.
- ד – לא נכון. I2\text{I}_2I2​ הוא יסוד, ולכן דרגת החמצון של אטומי היוד בו היא 0.
טעות נפוצה: לחשב את מולי האלקטרונים לפי אטום יוד אחד ולקבל 0.50 מול.

שאלה 5 · מספר היונים בשקית עירוי של תמיסת מלח

רב-ברירה

בשקית עירוי של תמיסת מלח פיזיולוגית בנפח 500 מ"ל מומסים 4.5 גרם נתרן כלורי, NaCl(s)\text{NaCl}_{(s)}NaCl(s)​ .
נתון: במול אחד של חלקיקים יש 6.02⋅10236.02\cdot 10^{23}6.02⋅1023 חלקיקים.
מהו המספר הכולל של היונים שבתמיסה שבשקית?

א.
$6.02\cdot 10^{23}\cdot 0.077$
ב.
$6.02\cdot 10^{23}\cdot 0.154$
ג.
$\dfrac{6.02\cdot 10^{23}}{0.154}$
ד.
$6.02\cdot 10^{23}\cdot 0.231$

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב — 6.02⋅1023⋅0.1546.02\cdot10^{23}\cdot 0.1546.02⋅1023⋅0.154 יונים.

מספר המולים של NaCl:
M(NaCl)=23.0+35.5=58.5 g/molM(\text{NaCl})=23.0+35.5=58.5\ \text{g/mol}M(NaCl)=23.0+35.5=58.5 g/mol
n=mM=4.5 g58.5 g/mol=0.077 moln=\dfrac{m}{M}=\dfrac{4.5\ \text{g}}{58.5\ \text{g/mol}}=0.077\ \text{mol}n=Mm​=58.5 g/mol4.5 g​=0.077 mol
מספר המולים של היונים: תהליך ההמסה NaCl(s)→Na(aq)++Cl(aq)−\text{NaCl}_{(s)} \rightarrow \text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{Cl}^{-}_{(aq)}NaCl(s)​→Na(aq)+​+Cl(aq)−​ — מכל יחידה נוצרים 2 יונים:
n(יונים)=2×0.077 mol=0.154 moln(\text{יונים})=2\times 0.077\ \text{mol}=0.154\ \text{mol}n(יונים)=2×0.077 mol=0.154 mol
מספר היונים: N=n⋅NA=0.154 mol⋅6.02⋅1023 ionsmol≈9.3⋅1022N=n\cdot N_A=0.154\ \text{mol}\cdot 6.02\cdot 10^{23}\ \frac{\text{ions}}{\text{mol}}\approx 9.3\cdot 10^{22}N=n⋅NA​=0.154 mol⋅6.02⋅1023 molions​≈9.3⋅1022 יונים. תשובה ב נכונה.
•א שגויה: זהו מספר יחידות NaCl (או מספר יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ בלבד), ולא המספר הכולל של היונים.
•ג שגויה: מספר החלקיקים מתקבל ממכפלת מספר המולים במספר אבוגדרו, ולא מחילוק.
•ד שגויה: מניחה שמכל יחידת NaCl נוצרים 3 יונים.
הנפח של התמיסה (500 מ"ל) אינו נדרש לחישוב — מספר היונים תלוי רק בכמות המומס.

שאלה 6 · חומר המוריד את ה־pH של מים

רב-ברירה

לכוס המכילה מים מזוקקים הכניסו חומר מסוים, והתקבלה תמיסה. הוספת החומר למים גרמה לירידה בערך ה־ pH .
מהו החומר שהוסיפו למים?

א.
$\text{NH}_{3(g)}$
ב.
$\text{CH}_3\text{COCH}_{3(\ell)}$
ג.
$\text{LiOH}_{(s)}$
ד.
$\text{HCOOH}_{(\ell)}$

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – חומצה פורמית (חומצה קרבוקסילית) מגיבה עם מים כחומצה ונוצרים יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+.

תשובה: ד.
- ד – נכון: חומצה פורמית (חומצה מתנואית) היא חומצה קרבוקסילית, RCOOH\text{RCOOH}RCOOH (R = H). היא מוסרת יון H+\text{H}^{+}H+ למולקולת מים: HCOOH(ℓ)+H2O(ℓ)→H3O(aq)++HCOO(aq)−\text{HCOOH}_{(\ell)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{HCOO}^{-}_{(aq)}HCOOH(ℓ)​+H2​O(ℓ)​→H3​O(aq)+​+HCOO(aq)−​. נוצרים יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+, התמיסה חומצית, וה־pH יורד (מתחת ל־7).
- א – לא נכון: אמוניה מגיבה עם מים כבסיס: NH3(g)+H2O(ℓ)→NH4+(aq)+OH(aq)−\text{NH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{NH}_4^{+}{}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}NH3(g)​+H2​O(ℓ)​→NH4+​(aq)​+OH(aq)−​ – ה־pH עולה.
- ב – לא נכון: אצטון מתמוסס במים כמולקולות שלמות (קשרי מימן בין אטום ה־O שלו לאטומי H של המים) ואינו מגיב עם המים כחומצה או כבסיס – ה־pH אינו משתנה.
- ג – לא נכון: ליתיום הידרוקסידי הוא בסיס: LiOH(s)→H2OLi(aq)++OH(aq)−\text{LiOH}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{Li}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}LiOH(s)​H2​O​Li(aq)+​+OH(aq)−​ – ה־pH עולה.

שאלה 7 · דיאגרמת אנתלפייה – אנתלפיית אידוי של אמוניה

רב-ברירה

לפניך דיאגרמה של שינויי אנתלפייה במעברים בין מצבי הצבירה של אמוניה. הערכים מתייחסים למול אחד של אמוניה.
מהו הערך של אנתלפיית האידוי של אמוניה?

א.
$5.7\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
ב.
$29.0\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
ג.
$34.7\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
ד.
$23.3\ \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$

◂ פתרון מלא לשאלה 7

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – 23.3 kJ/mol23.3\ \text{kJ/mol}23.3 kJ/mol

אידוי הוא מעבר מנוזל לגז: NH3(ℓ)→NH3(g)\text{NH}_{3(\ell)} \rightarrow \text{NH}_{3(g)}NH3(ℓ)​→NH3(g)​. בדיאגרמה נתונים:
•היתוך: NH3(s)→NH3(ℓ)\text{NH}_{3(s)} \rightarrow \text{NH}_{3(\ell)}NH3(s)​→NH3(ℓ)​, ΔH=+5.7 kJ/mol\Delta H = +5.7\ \text{kJ/mol}ΔH=+5.7 kJ/mol
•המראה: NH3(s)→NH3(g)\text{NH}_{3(s)} \rightarrow \text{NH}_{3(g)}NH3(s)​→NH3(g)​, ΔH=+29.0 kJ/mol\Delta H = +29.0\ \text{kJ/mol}ΔH=+29.0 kJ/mol
לפי חוק הס, המראה = היתוך + אידוי, ולכן:
ΔHאידוי=29.0 kJ/mol−5.7 kJ/mol=+23.3 kJ/mol\Delta H_{\text{אידוי}} = 29.0\ \text{kJ/mol} - 5.7\ \text{kJ/mol} = +23.3\ \text{kJ/mol}ΔHאידוי​=29.0 kJ/mol−5.7 kJ/mol=+23.3 kJ/mol
תשובה ד.
- א – 5.7 היא אנתלפיית ההיתוך.
- ב – 29.0 היא אנתלפיית ההמראה (מוצק → גז).
- ג – 34.7 מתקבל מחיבור ההיתוך וההמראה, במקום חיסור.

שאלה 8 · ייצוג מקוצר של נוסחת מבנה וקבוצות פונקציונליות

רב-ברירה

נתון ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה של מולקולת חומר מסוים:
מהי האפשרות הנכונה, המציינת את הנוסחה המולקולרית של החומר ואת הקבוצות הפונקציונליות שבמולקולה?

א.
$\text{C}_7\text{H}_{12}\text{O}_3$ ; קבוצה הידרוקסילית, קשר כפול בין שני אטומי פחמן, קבוצת אסטר
ב.
$\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_3$ ; קבוצה הידרוקסילית, קשר כפול בין שני אטומי פחמן, קבוצת אסטר
ג.
$\text{C}_7\text{H}_{12}\text{O}_3$ ; קבוצה הידרוקסילית, קשר כפול בין שני אטומי פחמן, קבוצה קרבוקסילית
ד.
$\text{C}_7\text{H}_{14}\text{O}_3$ ; קבוצה הידרוקסילית, קבוצת קטון, קבוצת אתר

◂ פתרון מלא לשאלה 8

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – C7H12O3\text{C}_7\text{H}_{12}\text{O}_3C7​H12​O3​; OH בקצה השמאלי, C=C בשרשרת, ו־−COO−-\text{COO}-−COO− (אסטר) בצד ימין.

תשובה: א.
בייצוג מקוצר כל קודקוד וכל קצה של קו (שאין לידו סמל של אטום אחר) הוא אטום פחמן, ולכל אטום פחמן קשורים אטומי מימן במספר המשלים את מספר הקשרים שלו לארבעה.
נוסחת המבנה המלאה בכתיב מקוצר: HO−CH2−CH2−CH=CH−CH2−C(=O)−O−CH3\text{HO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_2-\text{C}(=\text{O})-\text{O}-\text{CH}_3HO−CH2​−CH2​−CH=CH−CH2​−C(=O)−O−CH3​
•אטומי פחמן: 6 בשרשרת (מן הפחמן הקשור ל־OH ועד הפחמן של C=O\text{C}=\text{O}C=O) ועוד פחמן אחד בקצה הימני (קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ הקשורה לאטום O) – סך הכול 7.
•אטומי מימן: 2+2+1+1+2+0+3=112+2+1+1+2+0+3 = 112+2+1+1+2+0+3=11 על אטומי הפחמן, ועוד אטום H אחד בקבוצת OH – סך הכול 12.
•אטומי חמצן: אחד ב־OH ושניים בקבוצה −COO−-\text{COO}-−COO− – סך הכול 3.
קבוצות פונקציונליות: קבוצה הידרוקסילית (OH, כהל), קשר כפול בין שני אטומי פחמן, וקבוצת אסטר: אטום פחמן הקשור בקשר כפול לאטום O ובקשר יחיד לאטום O נוסף, הקשור לאטום פחמן.
- ב – לא נכון: בנוסחה זו לא נספר הפחמן שבקצה הקו הימני (קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​) ואטומי המימן שלו.
- ג – לא נכון: בקבוצה קרבוקסילית, −COOH-\text{COOH}−COOH, אטום ה־O היחיד קשור לאטום מימן; כאן הוא קשור לאטום פחמן, ולכן זו קבוצת אסטר.
- ד – לא נכון: מספר אטומי המימן שגוי (14 מתאים למולקולה ללא קשר כפול C=C), וגם הקבוצות: C=O\text{C}=\text{O}C=O הקשור ישירות לאטום O נוסף אינו קטון ואינו אתר, אלא קבוצת אסטר אחת.

שאלה 9 · מאמר: אוויר לנשימה בצוללות ובחלליות

שאלת מאמר20 נקודות

קרא את הקטע שלפניך, וענה על הסעיפים א-ח שאחריו לפי ההנחיות (שאלת חובה — 20 נקודות).
אוויר לנשימה במקום סגור – בצוללות ובחלליות
בכל נשימה אנו קולטים חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , מן האוויר, ופולטים פחמן דו־חמצני,
CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ , ואדי מים. באוויר הפתוח הרכב האוויר כמעט אינו משתנה, אבל בצוללת
השטה מתחת לפני הים, או בחללית, אנשי הצוות נושמים שוב ושוב את אותו האוויר.
כאשר ריכוז הפחמן הדו־חמצני באוויר עולה לכמה אחוזים, מופיעים כאבי ראש, סחרחורת
וקשיי נשימה, ובריכוז גבוה יותר הגז מסוכן לחיים. לכן יש לסלק מן האוויר את
הפחמן הדו־חמצני ולהוסיף לו חמצן.
אחת הדרכים לסילוק פחמן דו־חמצני היא להעביר את האוויר דרך מכלים המכילים
ליתיום הידרוקסידי מוצק, LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ . הפחמן הדו־חמצני מגיב עם ליתיום הידרוקסידי,
ונוצרים ליתיום פחמתי מוצק, Li2CO3(s)\text{Li}_2\text{CO}_{3(s)}Li2​CO3(s)​ , ומים. בתגובה נפלטת אנרגייה, ולכן המכלים
מתחממים בזמן השימוש. בחלליות מעדיפים ליתיום הידרוקסידי על פני הידרוקסידים
אחרים, משום שהמסה המולרית שלו קטנה, וכל קילוגרם ממנו קולט כמות גדולה של
פחמן דו־חמצני. כדי לבדוק כמה ליתיום הידרוקסידי נותר במכל שכבר היה בשימוש,
אפשר להמיס דגימה ממנו במים, ולהוסיף לתמיסה תמיסה של חומצה חנקתית, HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ .
חמצן לנשימה אפשר לקבל, בין השאר, מ"נרות חמצן". נר חמצן הוא גליל המכיל
נתרן כלורטי, NaClO3(s)\text{NaClO}_{3(s)}NaClO3(s)​ , מעורבב באבקת ברזל. לאחר ההצתה הברזל בוער,
והחום שנפלט גורם לפירוק הנתרן הכלורטי לפי תגובה (1):
(1)2NaClO3(s)⟶2NaCl(s)+3O2(g)(1)\quad 2\text{NaClO}_{3(s)}\longrightarrow 2\text{NaCl}_{(s)}+3\text{O}_{2(g)}(1)2NaClO3(s)​⟶2NaCl(s)​+3O2(g)​
נר אחד מספק חמצן לנשימה במשך זמן רב, וקשה מאוד לעצור את התגובה לאחר
שהחלה. התקנים כימיים דומים מספקים חמצן גם למסכות החמצן שבמטוסי נוסעים.
חמצן אינו בוער בעצמו, אבל הוא חיוני לבעירה. באוויר שבו ריכוז החמצן גבוה
מהרגיל, חומרים כמו בדים, נייר ושמנים נדלקים בקלות ובוערים מהר יותר ובעוצמה
רבה יותר. לכן מאחסנים נרות חמצן הרחק משמנים ומדלקים, ומקפידים שריכוז
החמצן באוויר הצוללת לא יהיה גבוה מדי.
בעיה נוספת בצוללת היא הלחות. אנשי הצוות פולטים בנשימתם אדי מים, ובאוויר
החם שבתוך הצוללת יש אדים רבים. כאשר האוויר הלח פוגש את דופן הצוללת, שמי
הים הקרים מצננים אותה, אדי המים הופכים לטיפות מים הזולגות על הדופן.
טיפות אלה עלולות לפגוע במכשירים חשמליים, ולכן מפעילים בצוללות מערכות
לייבוש האוויר.
ענה על הסעיפים א, ב, ג, ד, ז, ח, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.

א.

כדי לבדוק את איכותו של ליתיום הידרוקסידי, המיסו 6.0 גרם ליתיום הידרוקסידי, LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ , במים, והשלימו את נפח התמיסה ל־ 500 מ"ל.
מהו הריכוז המולרי של ליתיום הידרוקסידי בתמיסה? פרט את חישוביך.

ב.

בקטע שקראת מוזכרים כמה חומרים המתמוססים במים.
נסח את תהליכי ההמסה במים של ליתיום הידרוקסידי, LiOH(s)\text{LiOH}_{(s)}LiOH(s)​ , חומצה חנקתית, HNO3(l)\text{HNO}_{3(l)}HNO3(l)​ , ונתרן כלורטי, NaClO3(s)\text{NaClO}_{3(s)}NaClO3(s)​ .

ג.

ציין אם ה־ pH של כל אחת מן התמיסות המתקבלות בסעיף ב יהיה קטן, גדול, או שווה ל־ 7 .

ד.

בנר החמצן, אבקת הברזל בוערת (שורה 15): הברזל מגיב עם חלק מן החמצן, ונוצרת תחמוצת ברזל. אחת התגובות האפשריות היא תגובה (2), שהיא תגובת חמצון-חיזור.
(2)4Fe(s)+3O2(g)⟶2Fe2O3(s)(2)\quad 4\text{Fe}_{(s)}+3\text{O}_{2(g)}\longrightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_{3(s)}(2)4Fe(s)​+3O2(g)​⟶2Fe2​O3(s)​
קבע מהו המחמצן ומהו המחזר בתגובה (2) .

ה.

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

(i)

טמפרטורת הרתיחה של מים, H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(l)​ , היא 100∘C100^\circ\text{C}100∘C ואילו טמפרטורת הרתיחה של מתנול, CH3OH(l)\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}CH3​OH(l)​ , היא 65∘C65^\circ\text{C}65∘C .
מדוע טמפרטורת הרתיחה של מים גבוהה מטמפרטורת הרתיחה של מתנול? בתשובתך התייחס לכל סוגי הכוחות הפועלים בין המולקולות בכל אחת משתי התרכובות.

(ii)

פחמן דו־חמצני, CO2(g)\text{CO}_{2(g)}CO2(g)​ , מתמוסס היטב במתנול קר.
נסח את תהליך ההמסה של פחמן דו־חמצני במתנול.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחר לענות עליו, אל תענה על סעיף ה.
התבסס על הקטע וענה על התת־סעיפים i-ii :

(i)

נסח את התגובה המתרחשת במכלי הליתיום הידרוקסידי בין פחמן דו־חמצני ובין ליתיום הידרוקסידי (שורות 8–9).

(ii)

קבע מהו הסימן של ΔH0\Delta H^0ΔH0 עבור התגובה שניסחת בתת־סעיף i . נמק את קביעתך על פי הקטע.

ז.

לפניך ציטוט מן הקטע: "כאשר האוויר הלח פוגש את דופן הצוללת, שמי הים הקרים מצננים אותה, אדי המים הופכים לטיפות מים הזולגות על הדופן".
נסח את התהליך המתואר בציטוט מן הקטע.

ח.

הסבר מדוע באוויר שבו ריכוז החמצן גבוה מהרגיל, חומרים כמו בדים ונייר בוערים מהר יותר (שורות 19–21).

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

תשובה:

C≈0.50 MC\approx 0.50\ \text{M}C≈0.50 M (0.502 mol/L0.502\ \text{mol/L}0.502 mol/L)

מסה מולרית: M(LiOH)=6.9+16.0+1.0=23.9 gmolM(\text{LiOH})=6.9+16.0+1.0=23.9\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(LiOH)=6.9+16.0+1.0=23.9 molg​
מספר המולים: n=mM=6.0 g23.9 g/mol=0.251 moln=\frac{m}{M}=\frac{6.0\ \text{g}}{23.9\ \text{g/mol}}=0.251\ \text{mol}n=Mm​=23.9 g/mol6.0 g​=0.251 mol
נפח התמיסה: V=500 mL=0.500 LV=500\ \text{mL}=0.500\ \text{L}V=500 mL=0.500 L
ריכוז: C=nV=0.251 mol0.500 L=0.502 molL≈0.50 MC=\frac{n}{V}=\frac{0.251\ \text{mol}}{0.500\ \text{L}}=0.502\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}\approx 0.50\ \text{M}C=Vn​=0.500 L0.251 mol​=0.502 Lmol​≈0.50 M
טעות נפוצה: להציב את הנפח במ"ל (500) במקום בליטרים.

סעיף ב

תשובה:

LiOH(s)→H2O(l)Li(aq)++OH(aq)−\text{LiOH}_{(s)}\xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}}\text{Li}^{+}_{(aq)}+\text{OH}^{-}_{(aq)}LiOH(s)​H2​O(l)​​Li(aq)+​+OH(aq)−​; HNO3(l)+H2O(l)→H3O(aq)++NO3−(aq)\text{HNO}_{3(l)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}HNO3(l)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+NO3−​(aq)​; NaClO3(s)→H2O(l)Na(aq)++ClO3−(aq)\text{NaClO}_{3(s)}\xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}}\text{Na}^{+}_{(aq)}+\text{ClO}_3^{-}{}_{(aq)}NaClO3(s)​H2​O(l)​​Na(aq)+​+ClO3−​(aq)​

ליתיום הידרוקסידי – מוצק יוני; בהמסה הסריג מתפרק והיונים מוקפים במולקולות מים:
LiOH(s)→H2O(l)Li(aq)++OH(aq)−\text{LiOH}_{(s)}\xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}}\text{Li}^{+}_{(aq)}+\text{OH}^{-}_{(aq)}LiOH(s)​H2​O(l)​​Li(aq)+​+OH(aq)−​
חומצה חנקתית – חומר מולקולרי שמגיב עם המים כחומצה (מוסר פרוטון למולקולת מים):
HNO3(l)+H2O(l)→H3O(aq)++NO3−(aq)\text{HNO}_{3(l)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}HNO3(l)​+H2​O(l)​→H3​O(aq)+​+NO3−​(aq)​
נתרן כלורטי – מוצק יוני; היון הרב־אטומי ClO3−\text{ClO}_3^-ClO3−​ נשאר שלם בתמיסה:
NaClO3(s)→H2O(l)Na(aq)++ClO3−(aq)\text{NaClO}_{3(s)}\xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}}\text{Na}^{+}_{(aq)}+\text{ClO}_3^{-}{}_{(aq)}NaClO3(s)​H2​O(l)​​Na(aq)+​+ClO3−​(aq)​

סעיף ג

תשובה:

תמיסת ליתיום הידרוקסידי: pH > 7; תמיסת חומצה חנקתית: pH < 7; תמיסת נתרן כלורטי: pH = 7

•תמיסת ליתיום הידרוקסידי – בהמסה משתחררים יוני OH(aq)−\text{OH}^-_{(aq)}OH(aq)−​, ולכן [OH−]>[H3O+][\text{OH}^-]>[\text{H}_3\text{O}^+][OH−]>[H3​O+] והתמיסה בסיסית: pH > 7.
•תמיסת חומצה חנקתית – בתגובה עם המים נוצרים יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^+_{(aq)}H3​O(aq)+​: התמיסה חומצית, pH < 7.
•תמיסת נתרן כלורטי – בהמסה לא נוצרים יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ או OH−\text{OH}^-OH− (היונים Na+\text{Na}^+Na+ ו־ClO3−\text{ClO}_3^-ClO3−​ אינם מגיבים עם המים), ולכן התמיסה ניטרלית: pH = 7.

סעיף ד

תשובה:

מחמצן: O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​; מחזר: Fe(s)\text{Fe}_{(s)}Fe(s)​

נקבע דרגות חמצון:
•ברזל: ב־Fe(s)\text{Fe}_{(s)}Fe(s)​ (יסוד) 0; ב־Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3Fe2​O3​: 2x+3(−2)=02x+3(-2)=02x+3(−2)=0 ← +3. דרגת החמצון עולה – אטומי הברזל מוסרים אלקטרונים (עוברים חמצון), ולכן Fe\text{Fe}Fe הוא המחזר.
•חמצן: ב־O2\text{O}_2O2​ (יסוד) 0; ב־Fe2O3\text{Fe}_2\text{O}_3Fe2​O3​ −2. דרגת החמצון יורדת – אטומי החמצן קולטים אלקטרונים (עוברים חיזור), ולכן O2\text{O}_2O2​ הוא המחמצן.
בדיקה: 4 אטומי Fe מוסרים 4⋅3=124\cdot 3=124⋅3=12 אלקטרונים, ו־6 אטומי O קולטים 6⋅2=126\cdot 2=126⋅2=12 אלקטרונים – מספר האלקטרונים שנמסרו שווה למספר שנקלטו.
טעות נפוצה: לקבוע שהברזל הוא המחמצן משום שהוא "מקבל חמצן" – המחמצן הוא החומר שקולט אלקטרונים, כלומר O2\text{O}_2O2​.

סעיף ה

(i)

תשובה:

בשני החומרים פועלים קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס. ואן דר ואלס חזקות יותר במתנול (ענן אלקטרונים גדול יותר), אך כל מולקולת מים יכולה ליצור יותר קשרי מימן (שני אטומי H הקשורים ל־O ושני זוגות אלקטרונים לא קושרים), ולכן סך הכוחות בין מולקולות המים חזק יותר.

ברתיחה של חומר מולקולרי מתגברים על הכוחות בין המולקולות.
- מתנול: בין המולקולות פועלים קשרי מימן (דרך קבוצת ה־O–H) ואינטראקציות ואן דר ואלס. ענן האלקטרונים: 18 אלקטרונים. בכל מולקולה יש רק אטום H אחד הקשור לאטום O, ולכן מספר קשרי המימן שכל מולקולה יוצרת קטן.
- מים: בין המולקולות פועלים קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס. ענן האלקטרונים קטן יותר (10 אלקטרונים), ולכן אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות המים חלשות מאלה שבין מולקולות המתנול. אבל בכל מולקולת מים יש שני אטומי H הקשורים לאטום O ושני זוגות אלקטרונים לא קושרים על אטום ה־O, כך שכל מולקולה יכולה ליצור יותר קשרי מימן (יותר מוקדים ליצירת קשרי מימן).
קשרי המימן חזקים מאינטראקציות ואן דר ואלס, והמספר הגדול יותר של קשרי מימן בין מולקולות המים גובר על ההבדל באינטראקציות ואן דר ואלס. סך הכוחות בין מולקולות המים חזק יותר, נדרשת יותר אנרגייה כדי להרחיק אותן זו מזו, ולכן טמפרטורת הרתיחה של המים גבוהה יותר.

(ii)

תשובה:

CO2(g)→CH3OH(l)CO2(CH3OH)\text{CO}_{2(g)}\xrightarrow{\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}}\text{CO}_{2(\text{CH}_3\text{OH})}CO2(g)​CH3​OH(l)​​CO2(CH3​OH)​

פחמן דו־חמצני הוא חומר מולקולרי; בהמסה המולקולות שלו מתפזרות בין מולקולות המתנול בלי להתפרק, ונוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות CO2\text{CO}_2CO2​ למולקולות המתנול:
CO2(g)→CH3OH(l)CO2(CH3OH)\text{CO}_{2(g)}\xrightarrow{\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}}\text{CO}_{2(\text{CH}_3\text{OH})}CO2(g)​CH3​OH(l)​​CO2(CH3​OH)​
הממס (מתנול) רשום מעל החץ, ומצב הצבירה של התוצר מציין שהפחמן הדו־חמצני נמצא בתמיסה במתנול.

סעיף ו

(i)

תשובה:

2LiOH(s)+CO2(g)→Li2CO3(s)+H2O(l)2\text{LiOH}_{(s)}+\text{CO}_{2(g)}\rightarrow\text{Li}_2\text{CO}_{3(s)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}2LiOH(s)​+CO2(g)​→Li2​CO3(s)​+H2​O(l)​

לפי שורות 8–9, המגיבים הם ליתיום הידרוקסידי מוצק ופחמן דו־חמצני, והתוצרים הם ליתיום פחמתי מוצק ומים:
2LiOH(s)+CO2(g)→Li2CO3(s)+H2O(l)2\text{LiOH}_{(s)}+\text{CO}_{2(g)}\rightarrow\text{Li}_2\text{CO}_{3(s)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}2LiOH(s)​+CO2(g)​→Li2​CO3(s)​+H2​O(l)​
בדיקת איזון: Li – 2 בכל צד; C – 1 בכל צד; O – 2+2=42+2=42+2=4 משמאל ו־3+1=43+1=43+1=4 מימין; H – 2 בכל צד.

(ii)

תשובה:

ΔH0<0\Delta H^0<0ΔH0<0 – לפי שורות 9–10 "בתגובה נפלטת אנרגייה, ולכן המכלים מתחממים"; התגובה אקסותרמית.

ΔH0<0\Delta H^0<0ΔH0<0. לפי שורות 9–10, בתגובה בין פחמן דו־חמצני לליתיום הידרוקסידי "נפלטת אנרגייה, ולכן המכלים מתחממים בזמן השימוש". תגובה שבה נפלטת אנרגייה לסביבה היא תגובה אקסותרמית – האנתלפייה של התוצרים נמוכה מזו של המגיבים, ולכן שינוי האנתלפייה שלילי.

סעיף ז

תשובה:

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

בציטוט (שורות 24–25) מתואר עיבוי – מעבר של מים ממצב גז (אדי מים) למצב נוזל (טיפות) כאשר האדים מתקררים במגע עם הדופן הקרה. המולקולות נשארות שלמות; רק מתקרבות זו לזו:
H2O(g)→H2O(l)\text{H}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow\text{H}_2\text{O}_{(l)}H2​O(g)​→H2​O(l)​

סעיף ח

תשובה:

ריכוז המגיבים הוא גורם המשפיע על קצב התגובה: חמצן הוא מגיב בתגובת הבעירה, וככל שריכוזו גבוה יותר, קצב הבעירה גדול יותר.

בעירה היא תגובה בין החומר הבוער (בד, נייר, שמן) לבין חמצן, כלומר החמצן הוא אחד המגיבים (שורה 19: החמצן "חיוני לבעירה").
ריכוז המגיבים הוא אחד הגורמים המשפיעים על קצב התגובה: ככל שריכוז מגיב גבוה יותר, קצב התגובה גדול יותר. באוויר שבו ריכוז החמצן גבוה מהרגיל, קצב תגובת הבעירה גדול יותר – החומרים נדלקים בקלות רבה יותר ובוערים מהר יותר (שורות 19–21). לכן מאחסנים נרות חמצן הרחק משמנים ומדלקים, ומקפידים שריכוז החמצן בצוללת לא יהיה גבוה מדי.

פרק שני

שאלה 10 · חומרים בתעשיית האופטיקה והשבבים – סוגי חומרים, יונים וגזים

שאלה פתוחה20 נקודות

מבנה האטום, מבנה וקישור
לפניכם נוסחאות של חמישה חומרים המשמשים בתעשיית השבבים ובתעשיית העדשות.
מצבי הצבירה של החומרים אינם נתונים ולכן מסומן (?) ליד כל אחד מהם.
I. Si(?)\text{Si}_{(?)}Si(?)​
II. SiF4(?)\text{SiF}_{4(?)}SiF4(?)​
III. CaF2(?)\text{CaF}_{2(?)}CaF2(?)​
IV. SiH4(?)\text{SiH}_{4(?)}SiH4(?)​
V. MgF2(?)\text{MgF}_{2(?)}MgF2(?)​

א.

(1)

רשמו עבור כל אחד מן החומרים את סוג החומר: אטומרי, יוני או מולקולרי.

(2)

בטמפרטורת החדר שניים מן החומרים הנתונים הם במצב צבירה גז ושאר החומרים במצב צבירה מוצק.
קבעו אילו מן החומרים הנתונים הם במצב צבירה מוצק בטמפרטורת החדר. נמקו את קביעותיכם.
בנימוקים התייחסו לסוג הקשרים בין החלקיקים בכל חומר.

(3)

רשמו את נוסחאות כל החומרים, כולל מצב הצבירה.

ב.

החומר SiF4(?)\text{SiF}_{4(?)}SiF4(?)​ נוצר כאשר חורטים זכוכית או משטחי SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​ בעזרת מימן פלואורי. מימן פלואורי גזי, HF(g)\text{HF}_{(g)}HF(g)​ , מגיב עם SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​ ונוצרים SiF4(?)\text{SiF}_{4(?)}SiF4(?)​ ומים נוזליים.
פלואוריד הוא תרכובת המכילה פלואור.

(1)

נסחו ואזנו את התגובה בין SiO2(s)\text{SiO}_{2(s)}SiO2(s)​ לבין HF(g)\text{HF}_{(g)}HF(g)​ . הקפידו לרשום מצבי צבירה.

(2)

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

ג.

החומר CaF2(?)\text{CaF}_{2(?)}CaF2(?)​ משמש להכנת עדשות למכשירים אופטיים.

(1)

רשמו בשפת הכימאים את הסימול של החלקיקים המרכיבים את החומר CaF2(?)\text{CaF}_{2(?)}CaF2(?)​ .

(2)

מספר המסה של אחד מן האיזוטופים של סידן, Ca , הוא 44 .
כמה פרוטונים, כמה נייטרונים וכמה אלקטרונים יש בחלקיק סידן 44 בחומר CaF2(?)\text{CaF}_{2(?)}CaF2(?)​ ?

ד.

החומר MgF2(?)\text{MgF}_{2(?)}MgF2(?)​ משמש לציפוי עדשות, כדי להקטין את החזרת האור מפני העדשה.

(1)

רשמו את נוסחאות ייצוג האלקטרונים של החלקיקים המרכיבים את החומר MgF2(?)\text{MgF}_{2(?)}MgF2(?)​ .

(2)

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

ה.

בייצור שבבים מכינים שכבות דקות של צורן מוצק בפירוק של SiH4(?)\text{SiH}_{4(?)}SiH4(?)​ בחימום.
לפניכם ניסוח תגובת הפירוק:
SiH4(?)→Si(s)+2H2(g)\text{SiH}_{4(?)} \rightarrow \text{Si}_{(s)} + 2\text{H}_{2(g)}SiH4(?)​→Si(s)​+2H2(g)​
נתון תא תגובה שהלחץ בו הוא 0.500 atm0.500\ \text{atm}0.500 atm והטמפרטורה בו היא 650 ∘C650\ ^\circ\text{C}650 ∘C .
מהו נפח המימן שנוצר כאשר 3.00 מול של החומר SiH4(?)\text{SiH}_{4(?)}SiH4(?)​ מתפרקים בתנאים אלה? פרטו את חישוביכם.
נתון: R=0.082 atm⋅litermol⋅KR=0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{liter}}{\text{mol}\cdot\text{K}}R=0.082 mol⋅Katm⋅liter​

◂ פתרון מלא לשאלה 10

סעיף א

(1)

תשובה:

I Si – אטומרי; II SiF4\text{SiF}_4SiF4​ – מולקולרי; III CaF2\text{CaF}_2CaF2​ – יוני; IV SiH4\text{SiH}_4SiH4​ – מולקולרי; V MgF2\text{MgF}_2MgF2​ – יוני.

- I. Si – חומר אטומרי: כל אטום צורן קשור בקשרים קוולנטיים לארבעה אטומי צורן שכנים, ברשת תלת־ממדית ענקית ללא מולקולות נפרדות.
- II. SiF4\text{SiF}_4SiF4​ – חומר מולקולרי: תרכובת של שתי אל־מתכות, בנויה ממולקולות נפרדות.
- III. CaF2\text{CaF}_2CaF2​ – חומר יוני: תרכובת של מתכת (Ca) עם אל־מתכת (F); בנוי מיוני Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ ו־F−\text{F}^{-}F−.
- IV. SiH4\text{SiH}_4SiH4​ – חומר מולקולרי: תרכובת של אל־מתכות, בנויה ממולקולות נפרדות.
- V. MgF2\text{MgF}_2MgF2​ – חומר יוני: בנוי מיוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ ו־F−\text{F}^{-}F−.
טעות נפוצה: לקבוע שצורן הוא חומר מתכתי – צורן הוא אל־מתכת (מטלואיד), והוא בנוי בסריג אטומרי כמו יהלום.

(2)

תשובה:

מוצקים: Si, CaF2\text{CaF}_2CaF2​, MgF2\text{MgF}_2MgF2​ (קשרים קוולנטיים / יוניים חזקים בכל הסריג); SiF4\text{SiF}_4SiF4​ ו־SiH4\text{SiH}_4SiH4​ גזים (כוחות בין־מולקולריים חלשים).

החומרים המוצקים: Si , CaF2\text{CaF}_2CaF2​ , MgF2\text{MgF}_2MgF2​.
- Si (אטומרי): בין האטומים פועלים קשרים קוולנטיים חזקים לאורך כל הסריג. כדי להתיך את החומר יש לפרק קשרים קוולנטיים רבים – טמפרטורת ההיתוך גבוהה מאוד, ולכן הוא מוצק.
- CaF2\text{CaF}_2CaF2​ ו־MgF2\text{MgF}_2MgF2​ (יוניים): בין היונים פועלים קשרים יוניים – משיכה חשמלית חזקה בין יונים חיוביים לשליליים בכל כיווני הסריג. דרושה אנרגיה רבה כדי להרחיק את היונים זה מזה – מוצקים.
- SiF4\text{SiF}_4SiF4​ ו־SiH4\text{SiH}_4SiH4​ (מולקולריים): הקשרים הקוולנטיים החזקים נמצאים רק בתוך המולקולות; בין המולקולות (שהן לא קוטביות, בעלות מבנה טטראדרי) פועלים רק כוחות ואן דר ואלס חלשים. נדרשת אנרגיה מעטה כדי להרחיק את המולקולות זו מזו, ולכן בטמפרטורת החדר הם גזים.

(3)

תשובה:

Si(s)\text{Si}_{(s)}Si(s)​, SiF4(g)\text{SiF}_{4(g)}SiF4(g)​, CaF2(s)\text{CaF}_{2(s)}CaF2(s)​, SiH4(g)\text{SiH}_{4(g)}SiH4(g)​, MgF2(s)\text{MgF}_{2(s)}MgF2(s)​

I. Si(s)\text{Si}_{(s)}Si(s)​  II. SiF4(g)\text{SiF}_{4(g)}SiF4(g)​  III. CaF2(s)\text{CaF}_{2(s)}CaF2(s)​  IV. SiH4(g)\text{SiH}_{4(g)}SiH4(g)​  V. MgF2(s)\text{MgF}_{2(s)}MgF2(s)​ (לפי הקביעות בתת־סעיף א(2)).

סעיף ב

(1)

תשובה:

SiO2(s)+4HF(g)→SiF4(g)+2H2O(l)\text{SiO}_{2(s)} + 4\text{HF}_{(g)} \rightarrow \text{SiF}_{4(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}SiO2(s)​+4HF(g)​→SiF4(g)​+2H2​O(l)​

SiO2(s)+4HF(g)→SiF4(g)+2H2O(l)\text{SiO}_{2(s)} + 4\text{HF}_{(g)} \rightarrow \text{SiF}_{4(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}SiO2(s)​+4HF(g)​→SiF4(g)​+2H2​O(l)​
איזון: Si: 1 = 1; F: 4 = 4; H: 4 = 2⋅2=42\cdot2=42⋅2=4; O: 2 = 2⋅1=22\cdot1=22⋅1=2.
מצבי צבירה: SiF4\text{SiF}_4SiF4​ – גז (סעיף א); המים נוזליים (נתון).

(2)

תשובה:

HF ו־SiF4\text{SiF}_4SiF4​ – פלואורידים; SiO2\text{SiO}_2SiO2​ ו־H2O\text{H}_2\text{O}H2​O – אינם פלואורידים.

לפי ההגדרה בשאלה, פלואוריד הוא תרכובת המכילה פלואור.
- SiO2\text{SiO}_2SiO2​ – אינו פלואוריד: אין בו פלואור.
•HF – פלואוריד: תרכובת של מימן ופלואור.
- SiF4\text{SiF}_4SiF4​ – פלואוריד: תרכובת של צורן ופלואור.
- H2O\text{H}_2\text{O}H2​O – אינו פלואוריד: אין בו פלואור.

סעיף ג

(1)

תשובה:

Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ ו־F−\text{F}^{-}F−

החומר יוני. סידן נמצא בטור 2 (שני אלקטרוני ערכיות) ומוסר אותם – יון Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+; פלואור בטור 7 (7 אלקטרוני ערכיות) ומקבל אלקטרון אחד – יון F−\text{F}^{-}F−. היחס 1:2 מנטרל את המטען: (+2)+2⋅(−1)=0(+2)+2\cdot(-1)=0(+2)+2⋅(−1)=0.

(2)

תשובה:

20 פרוטונים, 24 נייטרונים, 18 אלקטרונים.

החלקיק בחומר הוא היון 44Ca2+^{44}\text{Ca}^{2+}44Ca2+.
- פרוטונים: המספר האטומי של Ca הוא 20 → 20 פרוטונים.
- נייטרונים: 44−20=44-20=44−20= 24 נייטרונים.
- אלקטרונים: לאטום נייטרלי 20 אלקטרונים; היון Ca2+\text{Ca}^{2+}Ca2+ מסר שני אלקטרונים → 20−2=20-2=20−2= 18 אלקטרונים.
טעות נפוצה: להפחית רק אלקטרון אחד, או לשנות את מספר הפרוטונים בגלל המטען – המטען נקבע רק ממספר האלקטרונים.

סעיף ד

(1)

תשובה:

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

החומר בנוי מיוני Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+ ומיוני F−\text{F}^{-}F− ביחס 1:2:
- יון מגנזיום: אטום Mg מסר את שני אלקטרוני הערכיות שלו, ולכן לא נותרו אלקטרונים לסמן ברמה החיצונית: [Mg]2+[\text{Mg}]^{2+}[Mg]2+.
- יון פלואוריד: לאטום F שבעה אלקטרוני ערכיות, והוא קיבל אחד – סביב הסמל F מסמנים שמונה אלקטרונים בארבעה זוגות, בתוך סוגריים מרובעים, והמטען מחוץ לסוגריים: [ : ⁣F..¨ ⁣: ]−[\,:\!\ddot{\underset{..}{\text{F}}}\!:\,]^{-}[:..F​¨​:]−.
(בסריג יש שני יוני F−\text{F}^{-}F− על כל יון Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+.)

(2)

תשובה:

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

- Mg2+\text{Mg}^{2+}Mg2+: לאטום Mg (מספר אטומי 12) היערכות 2,8,2; היון מסר 2 אלקטרונים → 10 אלקטרונים: 2,8.
- F−\text{F}^{-}F−: לאטום F (מספר אטומי 9) היערכות 2,7; היון קיבל אלקטרון אחד → 10 אלקטרונים: 2,8.
לשני היונים אותה היערכות אלקטרונים – כמו של הגז האציל ניאון.

סעיף ה

תשובה:

VH2≈908 LV_{\text{H}_2}\approx 908\ \text{L}VH2​​≈908 L

מספר המולים של מימן – לפי יחס המולים בניסוח SiH4:H2=1:2\text{SiH}_4:\text{H}_2=1:2SiH4​:H2​=1:2:
nH2=2⋅3.00 mol=6.00 moln_{\text{H}_2}=2\cdot3.00\ \text{mol}=6.00\ \text{mol}nH2​​=2⋅3.00 mol=6.00 mol
המרת הטמפרטורה לקלווין:
T=650 ∘C+273=923 KT=650\ ^\circ\text{C}+273=923\ \text{K}T=650 ∘C+273=923 K
הנפח לפי PV=nRTPV=nRTPV=nRT:
V=nRTP=6.00 mol⋅0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅923 K0.500 atm=908 LV=\frac{nRT}{P}=\frac{6.00\ \text{mol}\cdot0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\cdot923\ \text{K}}{0.500\ \text{atm}}=908\ \text{L}V=PnRT​=0.500 atm6.00 mol⋅0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅923 K​=908 L
תשובה: נפח המימן הוא כ־908 L908\ \text{L}908 L (כ־9.1×1029.1\times10^{2}9.1×102 ליטר).
טעות נפוצה: לחשב לפי 3.00 מול (מספר המולים של SiH4\text{SiH}_4SiH4​) במקום 6.00 מול מימן, או להציב את הטמפרטורה במעלות צלזיוס.

שאלה 11 · רכיבי בנזין: פחמימנים, תוספים וריכוז אתנול בדלק

שאלה פתוחה20 נקודות

תרכובות פחמן, מבנה וקישור, חישובים
בנזין הוא תערובת של פחמימנים רבים – פחמימנים רוויים (שבהם רק קשרים יחידים) ופחמימנים בלתי רוויים (שבהם קשר כפול בין אטומי פחמן). לבנזין מוסיפים גם תוספים, למשל אתנול ותרכובות אחרות שמכילות חמצן.
בטבלה 1 מוצגים שלושה פחמימנים שנמצאים בבנזין:
פחמימןסמל
הפטאןA
2,2,4־טרימתיל־פנטאן (איזו־אוקטאן)B
אוקטאןC
טבלה 1
לפניכם ייצוגים מקוצרים לנוסחאות המבנה של הפחמימנים A , B ו־ C :

פחמימן	סמל
הפטאן	A
2,2,4־טרימתיל־פנטאן (איזו־אוקטאן)	B
אוקטאן	C

א.

רשמו נוסחה מולקולרית של כל אחד מן הפחמימנים שמוצגים בטבלה 1.

ב.

טמפרטורת הרתיחה של הפטאן נמוכה מטמפרטורת הרתיחה של אוקטאן. מהו הגורם לכך?

ג.

בבנזין יש פחמימנים נוספים, ובהם הפחמימנים שרשומים בטבלה 2:
פחמימןנוסחת מבנה
1־הקסןCH2=CH−CH2−CH2−CH2−CH3\text{CH}_2{=}\text{CH}{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_3CH2​=CH−CH2​−CH2​−CH2​−CH3​
2־מתיל־פנטאןCH3−CH(CH3)−CH2−CH2−CH3\text{CH}_3{-}\text{CH}(\text{CH}_3){-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_3CH3​−CH(CH3​)−CH2​−CH2​−CH3​
2־מתיל־2־בוטןCH3−C(CH3)=CH−CH3\text{CH}_3{-}\text{C}(\text{CH}_3){=}\text{CH}{-}\text{CH}_3CH3​−C(CH3​)=CH−CH3​
פנטאןCH3−CH2−CH2−CH2−CH3\text{CH}_3{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_3CH3​−CH2​−CH2​−CH2​−CH3​
טבלה 2
רשמו ייצוג מקוצר של נוסחאות המבנה של הפחמימנים הבלתי רוויים שרשומים בטבלה 2.

פחמימן	נוסחת מבנה
1־הקסן	$\text{CH}_2{=}\text{CH}{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_3$
2־מתיל־פנטאן	$\text{CH}_3{-}\text{CH}(\text{CH}_3){-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_3$
2־מתיל־2־בוטן	$\text{CH}_3{-}\text{C}(\text{CH}_3){=}\text{CH}{-}\text{CH}_3$
פנטאן	$\text{CH}_3{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_3$

ד.

טמפרטורת הרתיחה של אוקטאן (C) גבוהה מטמפרטורת הרתיחה של איזו־אוקטאן (B). מהו הגורם לכך?

ה.

פחמימן נוסף שנמצא בבנזין הוא 2־מתיל־בוטאן, CH3−CH(CH3)−CH2−CH3\text{CH}_3{-}\text{CH}(\text{CH}_3){-}\text{CH}_2{-}\text{CH}_3CH3​−CH(CH3​)−CH2​−CH3​ .
רשמו ייצוג מלא של נוסחת המבנה של מולקולת 2־מתיל־בוטאן.

ו.

לפניכם ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של מולקולה של אחד הפחמימנים שבטבלה 1:
בחרו את הסמל (A , B או C) המתאים לייצוג המקוצר של נוסחת המבנה הנתונה.

ז.

אחד התוספים לבנזין הוא MTBE , CH3−O−C(CH3)3\text{CH}_3{-}\text{O}{-}\text{C}(\text{CH}_3)_3CH3​−O−C(CH3​)3​ .
לפניכם ייצוג מקוצר לנוסחאות המבנה של שלוש מולקולות:
איזה ייצוג מקוצר משלושת הייצוגים האלה מתאים לייצוג המקוצר של נוסחת המבנה של מולקולת MTBE ?

ח.

בנזין הוא תערובת של פחמימנים, כמו אוקטאן ואיזו־אוקטאן.
הסבירו מדוע MTBE מתמוסס בבנזין.

ט.

לבנזין מוסיפים גם אתנול, C2H5OH\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}C2​H5​OH . סוגי הדלק מסומנים לפי אחוז האתנול בנפח: למשל, דלק מסוג E10 מכיל כ־10% אתנול בנפח.
לפניכם נתונים על ריכוז האתנול בכמה סוגי דלק:
נתונים: MwM_wMw​ (אתנול) =46.0 grammol= 46.0\ \frac{\text{gram}}{\text{mol}}=46.0 molgram​ ; 1 ליטר =1000= 1000=1000 מ"ל

(i)

מהי מסת האתנול ב־5.0 ליטר דלק מסוג E10 ? פרטו את חישוביכם.

(ii)

בהוראות השימוש של מכסחת דשא נכתב: "אין למלא את מכל הדלק, שנפחו 1.5 ליטר, בדלק שמכיל יותר מ־160 גרם אתנול במכל מלא".
קבעו אם מותר למלא את המכל של מכסחת הדשא בדלק מסוג E15 . פרטו את חישוביכם.

◂ פתרון מלא לשאלה 11

סעיף א

תשובה:

A: C7H16\text{C}_7\text{H}_{16}C7​H16​ ; B: C8H18\text{C}_8\text{H}_{18}C8​H18​ ; C: C8H18\text{C}_8\text{H}_{18}C8​H18​

בייצוג מקוצר כל קודקוד וכל קצה קו הם אטום פחמן, ולכל אטום פחמן קשורים אטומי מימן במספר שמשלים אותו לארבעה קשרים.
- A (הפטאן): שרשרת לא מסועפת של 7 אטומי פחמן. לשני הפחמנים שבקצוות 3 אטומי H כל אחד, ולחמשת הפחמנים הפנימיים 2 אטומי H כל אחד: 2⋅3+5⋅2=162 \cdot 3 + 5 \cdot 2 = 162⋅3+5⋅2=16 ⇐ C7H16\text{C}_7\text{H}_{16}C7​H16​.
- B (איזו־אוקטאן): שרשרת ראשית של 5 אטומי פחמן ועוד 3 קבוצות מתיל (שתיים על הפחמן השני ואחת על הפחמן הרביעי) ⇐ 8 אטומי פחמן. אטומי מימן: 5 קבוצות CH3\text{CH}_3CH3​ (5⋅3=155 \cdot 3 = 155⋅3=15), קבוצת CH2\text{CH}_2CH2​ אחת (2), קבוצת CH\text{CH}CH אחת (1) ופחמן אחד ללא מימן (0) ⇐ 18 ⇐ C8H18\text{C}_8\text{H}_{18}C8​H18​.
- C (אוקטאן): שרשרת לא מסועפת של 8 אטומי פחמן: 2⋅3+6⋅2=182 \cdot 3 + 6 \cdot 2 = 182⋅3+6⋅2=18 ⇐ C8H18\text{C}_8\text{H}_{18}C8​H18​.
(כל השלושה פחמימנים רוויים, ונוסחתם הכללית CnH2n+2\text{C}_n\text{H}_{2n+2}Cn​H2n+2​; B ו־C הם איזומרים.)

סעיף ב

תשובה:

אורך השרשרת: שרשרת הפטאן קצרה יותר (7 C לעומת 8 C) ⇐ ענן אלקטרונים קטן יותר ⇐ אינטראקציות ואן דר ואלס חלשות יותר.

שני החומרים פחמימנים לא מסועפים ולא קוטביים, ובין מולקולותיהם יש רק אינטראקציות ואן דר ואלס.
הגורם להבדל הוא אורך השרשרת הפחמנית (מספר האלקטרונים במולקולה): במולקולת הפטאן 7 אטומי פחמן ובמולקולת אוקטאן 8. למולקולת הפטאן ענן אלקטרונים קטן יותר, ולכן אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולותיה חלשות יותר מאשר בין מולקולות אוקטאן – וטמפרטורת הרתיחה שלו נמוכה יותר (כ־98∘C98^{\circ}\text{C}98∘C לעומת כ־126∘C126^{\circ}\text{C}126∘C).

סעיף ג

תשובה:

הבלתי רוויים: 1־הקסן ו־2־מתיל־2־בוטן (הייצוגים המקוצרים מסורטטים בפתרון).

פחמימן בלתי רווי מכיל קשר כפול בין שני אטומי פחמן. בטבלה 2 יש קשר כפול רק ב־1־הקסן וב־2־מתיל־2־בוטן (2־מתיל־פנטאן ופנטאן רוויים).
- 1־הקסן: שרשרת זיגזג של 6 אטומי פחמן, ובין הפחמן הראשון לשני קשר כפול (קו כפול).
- 2־מתיל־2־בוטן: שרשרת של 4 אטומי פחמן, קשר כפול בין הפחמן השני לשלישי, וקבוצת מתיל (קו נוסף) על הפחמן השני.
בייצוג המקוצר לא כותבים את סמלי הפחמן והמימן; כל קודקוד וכל קצה קו מייצגים אטום פחמן.

סעיף ד

תשובה:

מידת ההסתעפות (שטח הפנים של המולקולה): מולקולת אוקטאן אינה מסועפת ⇐ שטח מגע גדול יותר בין המולקולות ⇐ אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יותר.

לשני החומרים אותה נוסחה מולקולרית, C8H18\text{C}_8\text{H}_{18}C8​H18​, ולכן אותו מספר אלקטרונים (ענן אלקטרונים בגודל זהה). שניהם לא קוטביים, ובין מולקולותיהם יש רק אינטראקציות ואן דר ואלס.
הגורם להבדל הוא ההסתעפות – שטח הפנים של המולקולות: מולקולת אוקטאן ארוכה ולא מסועפת, ולכן שטח המגע בין מולקולות סמוכות גדול; מולקולת איזו־אוקטאן מסועפת וקומפקטית, ושטח המגע בין המולקולות קטן יותר. לכן אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות אוקטאן חזקות יותר, וטמפרטורת הרתיחה שלו גבוהה יותר (כ־126∘C126^{\circ}\text{C}126∘C לעומת כ־99∘C99^{\circ}\text{C}99∘C).
טעות נפוצה: לייחס את ההבדל לגודל ענן האלקטרונים – לשני האיזומרים אותו מספר אלקטרונים.

סעיף ה

תשובה:

ייצוג מלא: שרשרת של 4 אטומי C, קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ על הפחמן השני; כל האטומים (5 C, 12 H) וכל הקשרים מסורטטים.

בייצוג מלא מסרטטים את כל האטומים ואת כל הקשרים:
•שרשרת ראשית: C−C−C−C\text{C}{-}\text{C}{-}\text{C}{-}\text{C}C−C−C−C (4 אטומי פחמן).
•על הפחמן השני קשורה קבוצת מתיל: אטום C שקשורים אליו 3 אטומי H.
•הפחמן הראשון קשור ל־3 אטומי H; הפחמן השני ל־1 H; הפחמן השלישי ל־2 H; הפחמן הרביעי ל־3 H.
בדיקה: 5 אטומי פחמן ו־3+1+2+3+3=123 + 1 + 2 + 3 + 3 = 123+1+2+3+3=12 אטומי מימן ⇐ C5H12\text{C}_5\text{H}_{12}C5​H12​; לכל אטום פחמן 4 קשרים ולכל אטום מימן קשר אחד.

סעיף ו

תשובה:

C (אוקטאן)

סופרים את אטומי הפחמן: לשרשרת יש 7 קווים (קשרים) ו־8 קודקודים וקצוות ⇐ 8 אטומי פחמן.
בודקים אם יש הסתעפות: כל אטום פחמן בשרשרת קשור לכל היותר לשני אטומי פחמן אחרים – אין פחמן הקשור לשלושה או לארבעה אטומי פחמן. השרשרת רק "מתכופפת" בציור, אבל היא רציפה ולא מסועפת.
פחמימן לא מסועף בעל 8 אטומי פחמן הוא אוקטאן ⇐ C.
(A – רק 7 אטומי פחמן; B – מסועף: בו יש פחמן הקשור לארבעה אטומי פחמן.)

סעיף ז

תשובה:

ייצוג 2

ב־MTBE אטום חמצן (קבוצת אתר) קשור משני צדיו לשני אטומי פחמן: מצד אחד לקבוצת מתיל (CH3\text{CH}_3CH3​), ומצד אחר לאטום פחמן שקשורות אליו שלוש קבוצות מתיל.
- ייצוג 1: אטום פחמן מרכזי שקשורות אליו שלוש קבוצות מתיל וקבוצת OH\text{OH}OH – זהו כהל (C4H10O\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}C4​H10​O), לא אתר. אינו מתאים.
- ייצוג 2: אטום פחמן מרכזי עם שלוש קבוצות מתיל, הקשור לאטום חמצן, והחמצן קשור לקבוצת מתיל – CH3−O−C(CH3)3\text{CH}_3{-}\text{O}{-}\text{C}(\text{CH}_3)_3CH3​−O−C(CH3​)3​ ⇐ מתאים.
- ייצוג 3: אתר שבו החמצן קשור לקבוצת מתיל ולשרשרת לא מסועפת של 4 אטומי פחמן – אותה נוסחה מולקולרית (C5H12O\text{C}_5\text{H}_{12}\text{O}C5​H12​O), אבל מבנה אחר (איזומר). אינו מתאים.

סעיף ח

תשובה:

בין מולקולות MTBE ובין מולקולות הפחמימנים נוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס, הדומות בחוזקן לאינטראקציות שנשברות (ואן דר ואלס בין מולקולות הפחמימנים ובין מולקולות MTBE).

בהמסה נשברות אינטראקציות בין מולקולות הפחמימנים ובין מולקולות MTBE, ונוצרות אינטראקציות בין מולקולות MTBE למולקולות הפחמימנים.
•בין מולקולות הפחמימנים (לא קוטביים) יש אינטראקציות ואן דר ואלס.
•מולקולת MTBE בנויה ברובה מקבוצות מתיל (חלק פחמימני גדול), ויש בה אטום חמצן אחד בלבד; בין מולקולות MTBE יש בעיקר אינטראקציות ואן דר ואלס (ואינטראקציות דו־קוטב חלשות). למולקולת MTBE אין אטום מימן הקשור לחמצן, ולכן אין בין מולקולותיה קשרי מימן.
•בין מולקולות MTBE ובין מולקולות הפחמימנים נוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס, הדומות בחוזקן לאינטראקציות שנשברו.
לכן MTBE מתמוסס בבנזין.

סעיף ט

(i)

תשובה:

m≈396 gm \approx 396\ \text{g}m≈396 g (כ־0.396 kg0.396\ \text{kg}0.396 kg)

לפי התרשים, ריכוז האתנול בדלק E10: C=1.72 molLC = 1.72\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}C=1.72 Lmol​
מספר מולי האתנול ב־5.0 ליטר:
n=C⋅V=1.72 molL⋅5.0 L=8.60 moln = C \cdot V = 1.72\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 5.0\ \text{L} = 8.60\ \text{mol}n=C⋅V=1.72 Lmol​⋅5.0 L=8.60 mol
מסת האתנול:
m=n⋅Mw=8.60 mol⋅46.0 gmol=395.6 g≈396 gm = n \cdot M_w = 8.60\ \text{mol} \cdot 46.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 395.6\ \text{g} \approx 396\ \text{g}m=n⋅Mw​=8.60 mol⋅46.0 molg​=395.6 g≈396 g

(ii)

תשובה:

לא: במכל מלא של E15 יש 177 g177\ \text{g}177 g אתנול >160 g> 160\ \text{g}>160 g.

לפי התרשים, ריכוז האתנול בדלק E15: C=2.57 molLC = 2.57\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}C=2.57 Lmol​
מספר מולי האתנול במכל מלא (V=1.5 LV = 1.5\ \text{L}V=1.5 L):
n=C⋅V=2.57 molL⋅1.5 L=3.855 moln = C \cdot V = 2.57\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 1.5\ \text{L} = 3.855\ \text{mol}n=C⋅V=2.57 Lmol​⋅1.5 L=3.855 mol
מסת האתנול:
m=n⋅Mw=3.855 mol⋅46.0 gmol=177.3 g≈177 gm = n \cdot M_w = 3.855\ \text{mol} \cdot 46.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 177.3\ \text{g} \approx 177\ \text{g}m=n⋅Mw​=3.855 mol⋅46.0 molg​=177.3 g≈177 g
177 g>160 g177\ \text{g} > 160\ \text{g}177 g>160 g ⇐ אסור למלא את המכל בדלק מסוג E15.
(לשם השוואה, בדלק E10: 1.72 molL⋅1.5 L⋅46.0 gmol=118.7 g<160 g1.72\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 1.5\ \text{L} \cdot 46.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 118.7\ \text{g} < 160\ \text{g}1.72 Lmol​⋅1.5 L⋅46.0 molg​=118.7 g<160 g – מותר.)

שאלה 12 · היסוד חמצן ושימושיו

שאלה פתוחה20 נקודות

חמצון-חיזור, מבנה האטום ותכונות חומרים
השאלה עוסקת ביסוד חמצן ובאחדים משימושיו.

א.

ליסוד חמצן שלושה איזוטופים יציבים בטבע. הסימול של אטום האיזוטופ הנפוץ ביותר הוא 816O{}^{16}_{8}\text{O}816​O .
בגרעין של אטום האיזוטופ השני יש נויטרון אחד יותר מאשר בגרעין של אטום 816O{}^{16}_{8}\text{O}816​O , ובגרעין של אטום האיזוטופ השלישי יש 2 נויטרונים יותר מאשר בגרעין של אטום 816O{}^{16}_{8}\text{O}816​O .
רשום את הסימול של אטום האיזוטופ השני ושל אטום האיזוטופ השלישי.

ב.

סעיף ב הוא רשות
חלקיק X מכיל 8 פרוטונים, 10 נויטרונים ו־ 10 אלקטרונים.
קבע מהו חלקיק X , ורשום את הסימול שלו (כולל מספר המסה, המספר האטומי והמטען). נמק.

ג.

טמפרטורת הרתיחה, Tb\text{T}_\text{b}Tb​ , של חמצן נוזלי, O2(l)\text{O}_{2(l)}O2(l)​ , היא נמוכה מאוד: Tb=90 K\text{T}_\text{b} = 90\ \text{K}Tb​=90 K ( −183 ∘C-183\ ^\circ\text{C}−183 ∘C ).
הסבר מדוע.

ד.

בתעשייה משתמשים בגז חמצן, O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ , בייצור חומצה גופרתית.
באחד משלבי הייצור מגיבה גופרית דו־חמצנית, SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​ , עם חמצן, ונוצרת גופרית תלת־חמצנית, SO3(g)\text{SO}_{3(g)}SO3(g)​ .

(i)

נסח ואזן את התגובה בין SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​ לבין O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ .

(ii)

קבע אם בתגובה זו SO2(g)\text{SO}_{2(g)}SO2(g)​ מגיב כמחמצן או כמחזר. נמק.

ה.

במטוסים יש מחוללי חמצן כימיים, המספקים חמצן לנוסעים בשעת חירום.
במחוללים אלה מתפרק נתרן כלורטי, NaClO3(s)\text{NaClO}_{3(s)}NaClO3(s)​ , בחימום, על פי תגובה (1) :
(1) 2NaClO3(s)→2NaCl(s)+3O2(g)2\text{NaClO}_{3(s)} \rightarrow 2\text{NaCl}_{(s)} + 3\text{O}_{2(g)}2NaClO3(s)​→2NaCl(s)​+3O2(g)​

(i)

קבע אם בתגובה (1) יש מעבר של אלקטרונים. נמק.

(ii)

חשב את המסה של NaClO3(s)\text{NaClO}_{3(s)}NaClO3(s)​ הדרושה לקבלת 60.0 ליטר O2(g)\text{O}_{2(g)}O2(g)​ בטמפרטורה של 22 ∘C22\ ^\circ\text{C}22 ∘C ובלחץ של 750 mmHg750\ \text{mmHg}750 mmHg .
פרט את חישוביך.
נתון: 760 mmHg=1 atm760\ \text{mmHg} = 1\ \text{atm}760 mmHg=1 atm .

◂ פתרון מלא לשאלה 12

סעיף א

תשובה:

817O{}^{17}_{8}\text{O}817​O ו־818O{}^{18}_{8}\text{O}818​O

איזוטופים של אותו יסוד הם אטומים בעלי אותו מספר פרוטונים (אותו מספר אטומי) ומספר נויטרונים שונה, ולכן מספר מסה שונה.
•בגרעין 816O{}^{16}_{8}\text{O}816​O: 8 פרוטונים ו־16−8=816 - 8 = 816−8=8 נויטרונים.
•האיזוטופ השני: 8 פרוטונים ו־9 נויטרונים ⇐ מספר מסה 8+9=178 + 9 = 178+9=17 ⇐ 817O{}^{17}_{8}\text{O}817​O.
•האיזוטופ השלישי: 8 פרוטונים ו־10 נויטרונים ⇐ מספר מסה 8+10=188 + 10 = 188+10=18 ⇐ 818O{}^{18}_{8}\text{O}818​O.

סעיף ב

תשובה:

X הוא יון חמצני (אניון O2−\text{O}^{2-}O2−) של האיזוטופ חמצן־18: 818O2−{}^{18}_{8}\text{O}^{2-}818​O2−.

- סוג היסוד: מספר הפרוטונים קובע את זהות היסוד. 8 פרוטונים ⇐ מספר אטומי 8 ⇐ חמצן.
- מספר המסה: פרוטונים + נויטרונים =8+10=18= 8 + 10 = 18=8+10=18 ⇐ האיזוטופ 18O{}^{18}\text{O}18O.
- המטען: במספר האלקטרונים (10) גדול ממספר הפרוטונים (8) ב־2 ⇐ מטען 2−2-2−. החלקיק הוא אניון שנוצר כאשר אטום חמצן קולט 2 אלקטרונים (היערכות האלקטרונים 2,8 – כמו של אטום ניאון).
הסימול: 818O2−{}^{18}_{8}\text{O}^{2-}818​O2−.

סעיף ג

תשובה:

O2\text{O}_2O2​ הוא חומר מולקולרי שמולקולותיו אינן קוטביות; בין המולקולות יש רק אינטראקציות ון־דר־ולס, והן חלשות כי ענן האלקטרונים קטן (16 אלקטרונים).

•חמצן הוא חומר מולקולרי, הבנוי ממולקולות O2\text{O}_2O2​. ברתיחה מתגברים על הכוחות בין המולקולות ולא על הקשר הקוולנטי (הקשר הכפול) שבתוך המולקולה.
•הקשר O=O\text{O=O}O=O הוא קשר קוולנטי טהור (בין שני אטומים זהים), והמולקולה אינה קוטבית. אין במולקולה אטומי מימן, ולכן אין קשרי מימן.
•בין המולקולות פועלות רק אינטראקציות ון־דר־ולס. במולקולת O2\text{O}_2O2​ יש רק 16 אלקטרונים – ענן אלקטרונים קטן – ושטח הפנים של המולקולה קטן, ולכן האינטראקציות חלשות מאוד.
•כדי להפריד בין המולקולות דרושה אנרגייה קטנה, ולכן טמפרטורת הרתיחה נמוכה מאוד.

סעיף ד

(i)

תשובה:

2SO2(g)+O2(g)→2SO3(g)2\text{SO}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{3(g)}2SO2(g)​+O2(g)​→2SO3(g)​

2SO2(g)+O2(g)→2SO3(g)2\text{SO}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{3(g)}2SO2(g)​+O2(g)​→2SO3(g)​
בדיקת האיזון: אטומי S – 2 בכל צד; אטומי O – 2⋅2+2=62\cdot 2 + 2 = 62⋅2+2=6 במגיבים ו־2⋅3=62\cdot 3 = 62⋅3=6 בתוצרים.

(ii)

תשובה:

כמחזר – דרגת החמצון של S עולה מ־+4+4+4 ב־SO2\text{SO}_2SO2​ ל־+6+6+6 ב־SO3\text{SO}_3SO3​ (SO2\text{SO}_2SO2​ מוסר אלקטרונים).

SO2\text{SO}_2SO2​ מגיב כמחזר.
דרגות החמצון (לאטום O בתרכובות דרגת חמצון −2-2−2):
•S ב־SO2\text{SO}_2SO2​: x+2(−2)=0⇒x=+4x + 2(-2) = 0 \Rightarrow x = +4x+2(−2)=0⇒x=+4.
•S ב־SO3\text{SO}_3SO3​: x+3(−2)=0⇒x=+6x + 3(-2) = 0 \Rightarrow x = +6x+3(−2)=0⇒x=+6.
•O ב־O2\text{O}_2O2​ (יסוד): 0; ב־SO3\text{SO}_3SO3​: −2-2−2.
דרגת החמצון של S עולה מ־+4+4+4 ל־+6+6+6 – אטומי S מוסרים אלקטרונים ועוברים חמצון. החומר שעובר חמצון ומוסר אלקטרונים למחמצן הוא המחזר. (המחמצן הוא O2\text{O}_2O2​: דרגת החמצון של O יורדת מ־0 ל־−2-2−2.)

סעיף ה

(i)

תשובה:

כן – זו תגובת חמצון־חיזור: דרגת החמצון של Cl יורדת מ־+5+5+5 ל־−1-1−1, ודרגת החמצון של O עולה מ־−2-2−2 ל־0.

כן, בתגובה (1) יש מעבר אלקטרונים.
דרגות החמצון:
•ב־NaClO3\text{NaClO}_3NaClO3​: Na: +1+1+1; O: −2-2−2; Cl: +1+x+3(−2)=0⇒x=+5+1 + x + 3(-2) = 0 \Rightarrow x = +5+1+x+3(−2)=0⇒x=+5.
•ב־NaCl\text{NaCl}NaCl: Na: +1+1+1; Cl: −1-1−1.
•ב־O2\text{O}_2O2​ (יסוד): O: 0.
דרגת החמצון של Cl יורדת מ־+5+5+5 ל־−1-1−1 (קליטת 6 אלקטרונים לכל אטום – חיזור), ודרגת החמצון של O עולה מ־−2-2−2 ל־0 (מסירת אלקטרונים – חמצון). שינוי בדרגות החמצון מעיד על מעבר אלקטרונים מאטומי החמצן לאטומי הכלור – זו תגובת חמצון־חיזור.

(ii)

תשובה:

174 g174\ \text{g}174 g (173.8 g173.8\ \text{g}173.8 g) של NaClO3\text{NaClO}_3NaClO3​.

המרת יחידות:
P=750 mmHg760 mmHgatm=0.987 atmT=22+273=295 KP = \frac{750\ \text{mmHg}}{760\ \frac{\text{mmHg}}{\text{atm}}} = 0.987\ \text{atm} \qquad T = 22 + 273 = 295\ \text{K}P=760 atmmmHg​750 mmHg​=0.987 atmT=22+273=295 K
מספר המולים של O2\text{O}_2O2​ (משוואת הגזים האידיאליים PV=nRTPV = nRTPV=nRT):
n(O2)=PVRT=0.987 atm⋅60.0 L0.082 atm⋅Lmol⋅K⋅295 K=2.45 moln(\text{O}_2) = \frac{PV}{RT} = \frac{0.987\ \text{atm} \cdot 60.0\ \text{L}}{0.082\ \frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \cdot 295\ \text{K}} = 2.45\ \text{mol}n(O2​)=RTPV​=0.082 mol⋅Katm⋅L​⋅295 K0.987 atm⋅60.0 L​=2.45 mol
יחס המולים לפי תגובה (1): NaClO3:O2=2:3\text{NaClO}_3 : \text{O}_2 = 2 : 3NaClO3​:O2​=2:3
n(NaClO3)=23⋅2.45 mol=1.63 moln(\text{NaClO}_3) = \frac{2}{3} \cdot 2.45\ \text{mol} = 1.63\ \text{mol}n(NaClO3​)=32​⋅2.45 mol=1.63 mol
המסה: M(NaClO3)=23.0+35.5+3⋅16.0=106.5 gmolM(\text{NaClO}_3) = 23.0 + 35.5 + 3\cdot 16.0 = 106.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(NaClO3​)=23.0+35.5+3⋅16.0=106.5 molg​
m=n⋅M=1.63 mol⋅106.5 gmol=174 gm = n \cdot M = 1.63\ \text{mol} \cdot 106.5\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 174\ \text{g}m=n⋅M=1.63 mol⋅106.5 molg​=174 g
(בחישוב ללא עיגול ביניים: 173.8 g173.8\ \text{g}173.8 g.)
טעות נפוצה: להציב את הטמפרטורה ב־∘C^\circ\text{C}∘C במקום בקלווין, או להציב את הלחץ ב־mmHg כאשר RRR נתון ביחידות atm⋅Lmol⋅K\frac{\text{atm}\cdot\text{L}}{\text{mol}\cdot\text{K}}mol⋅Katm⋅L​.

שאלה 13 · תרכובות מנגן – חמצון-חיזור וסטויכיומטריה

שאלה פתוחה20 נקודות

חמצון-חיזור וסטויכיומטריה
השאלה עוסקת בתגובות של תרכובות המנגן.
אשלגן פרמנגנט, KMnO4\text{KMnO}_{4}KMnO4​ , משמש בין השאר לטיהור מים ולחיטוי.

א.

מנגן דו־חמצני, MnO2(s)\text{MnO}_{2(s)}MnO2(s)​ , נוצר בתגובה בין יוני פרמנגנט, MnO4−(aq)\text{MnO}_4^{-}{}_{(aq)}MnO4−​(aq)​ , לבין יוני מנגן, Mn(aq)2+\text{Mn}^{2+}_{(aq)}Mn(aq)2+​ , על פי תגובה (1):
(1) 2MnO4−(aq)+3Mn(aq)2++6H2O(l)→5MnO2(s)+4H3O(aq)+2\text{MnO}_4^{-}{}_{(aq)} + 3\text{Mn}^{2+}_{(aq)} + 6\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 5\text{MnO}_{2(s)} + 4\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}2MnO4−​(aq)​+3Mn(aq)2+​+6H2​O(l)​→5MnO2(s)​+4H3​O(aq)+​

(i)

ציין את דרגת החמצון של אטומי Mn בכל אחד משלושת סוגי החלקיקים שבהם אטומים אלה מופיעים בתגובה (1).

(ii)

חשב את המסה של מנגן גופרתי, MnSO4(s)\text{MnSO}_{4(s)}MnSO4(s)​ , הדרושה כדי להגיב בשלמות עם 200 מ"ל תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ בריכוז 0.050M על פי תגובה (1). פרט את חישוביך.

ב.

סעיף ב הוא רשות
כמה מול אלקטרונים עוברים בתגובה (1) , שבה מגיב 1 מול יוני Mn(aq)2+\text{Mn}^{2+}_{(aq)}Mn(aq)2+​ ?
פרט את חישוביך.

ג.

יוני מנגנאט, MnO42−(aq)\text{MnO}_4^{2-}{}_{(aq)}MnO42−​(aq)​ , מגיבים בסביבה חומצית על פי תגובה (2):
(2) 3MnO42−(aq)+4H3O(aq)+→2MnO4−(aq)+MnO2(s)+6H2O(l)3\text{MnO}_4^{2-}{}_{(aq)} + 4\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow 2\text{MnO}_4^{-}{}_{(aq)} + \text{MnO}_{2(s)} + 6\text{H}_2\text{O}_{(l)}3MnO42−​(aq)​+4H3​O(aq)+​→2MnO4−​(aq)​+MnO2(s)​+6H2​O(l)​
בתגובה זו חלק מיוני MnO42−(aq)\text{MnO}_4^{2-}{}_{(aq)}MnO42−​(aq)​ עוברים חמצון, וחלק מהם עוברים חיזור.
קבע מהו תוצר החמצון של יוני MnO42−(aq)\text{MnO}_4^{2-}{}_{(aq)}MnO42−​(aq)​ . נמק.

ד.

כדי לקבוע את הריכוז של תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ מגיבים אותה עם יוני ברזל, Fe(aq)2+\text{Fe}^{2+}_{(aq)}Fe(aq)2+​ , בסביבה חומצית:
MnO4−(aq)+5Fe(aq)2++8H3O(aq)+→Mn(aq)2++5Fe(aq)3++12H2O(l)\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}_{(l)}MnO4−​(aq)​+5Fe(aq)2+​+8H3​O(aq)+​→Mn(aq)2+​+5Fe(aq)3+​+12H2​O(l)​
1 מול יוני MnO4−(aq)\text{MnO}_4^{-}{}_{(aq)}MnO4−​(aq)​ מגיב עם 5 מול יוני Fe(aq)2+\text{Fe}^{2+}_{(aq)}Fe(aq)2+​ .
20.0 מ"ל תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ הגיבו בשלמות עם 25.0 מ"ל תמיסה המכילה יוני Fe(aq)2+\text{Fe}^{2+}_{(aq)}Fe(aq)2+​ בריכוז 0.120M .
חשב את הריכוז של יוני MnO4−(aq)\text{MnO}_4^{-}{}_{(aq)}MnO4−​(aq)​ בתמיסה. פרט את חישוביך.

ה.

במפעל לטיהור מים משתמשים בתמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ בריכוז 0.150M .

(i)

התמיסה שאת ריכוזה חישבת בסעיף ד אינה מתאימה לשימוש במפעל.
איזו פעולה צריך לבצע במעבדה כדי להכין ממנה תמיסה מתאימה?

(ii)

מהו הנפח של תמיסה בריכוז 0.150M שאפשר להכין מ־ 1 ליטר של התמיסה שאת ריכוזה חישבת בסעיף ד? נמק.

◂ פתרון מלא לשאלה 13

סעיף א

(i)

תשובה:

MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​: +7+7+7; Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+: +2+2+2; MnO2\text{MnO}_2MnO2​: +4+4+4.

•ב־MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​: x+4(−2)=−1⇒x=+7x + 4(-2) = -1 \Rightarrow x = +7x+4(−2)=−1⇒x=+7.
•ב־Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+ (יון חד־אטומי): +2+2+2.
•ב־MnO2\text{MnO}_2MnO2​: x+2(−2)=0⇒x=+4x + 2(-2) = 0 \Rightarrow x = +4x+2(−2)=0⇒x=+4.

(ii)

תשובה:

2.27 g2.27\ \text{g}2.27 g של MnSO4\text{MnSO}_4MnSO4​ (כ־2.3 g2.3\ \text{g}2.3 g).

מספר המולים של יוני MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​ (n=C⋅Vn = C \cdot Vn=C⋅V; כל יחידת KMnO4\text{KMnO}_4KMnO4​ משחררת יון MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​ אחד):
n(MnO4−)=0.050 molL⋅0.200 L=0.0100 moln(\text{MnO}_4^{-}) = 0.050\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.200\ \text{L} = 0.0100\ \text{mol}n(MnO4−​)=0.050 Lmol​⋅0.200 L=0.0100 mol
לפי תגובה (1), יחס המולים MnO4−:Mn2+=2:3\text{MnO}_4^{-} : \text{Mn}^{2+} = 2 : 3MnO4−​:Mn2+=2:3; כל יחידת MnSO4\text{MnSO}_4MnSO4​ מספקת יון Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+ אחד:
n(MnSO4)=n(Mn2+)=32⋅0.0100 mol=0.0150 moln(\text{MnSO}_4) = n(\text{Mn}^{2+}) = \frac{3}{2} \cdot 0.0100\ \text{mol} = 0.0150\ \text{mol}n(MnSO4​)=n(Mn2+)=23​⋅0.0100 mol=0.0150 mol
מסה מולרית: M(MnSO4)=54.9+32.1+4⋅16.0=151.0 gmolM(\text{MnSO}_4) = 54.9 + 32.1 + 4\cdot 16.0 = 151.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}}M(MnSO4​)=54.9+32.1+4⋅16.0=151.0 molg​
m=n⋅M=0.0150 mol⋅151.0 gmol=2.27 gm = n \cdot M = 0.0150\ \text{mol} \cdot 151.0\ \frac{\text{g}}{\text{mol}} = 2.27\ \text{g}m=n⋅M=0.0150 mol⋅151.0 molg​=2.27 g

סעיף ב

תשובה:

2 מול אלקטרונים.

- חמצון: כל יון Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+ עולה מ־+2+2+2 ל־+4+4+4 (ב־MnO2\text{MnO}_2MnO2​) – מוסר 2 אלקטרונים. 1 מול יוני Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+ מוסר 1⋅2=21 \cdot 2 = 21⋅2=2 מול אלקטרונים.
- בדיקה (חיזור): כל יון MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​ יורד מ־+7+7+7 ל־+4+4+4 – קולט 3 אלקטרונים. לפי תגובה (1), עם 3 מול Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+ מגיבים 2 מול MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​, הקולטים 2⋅3=62 \cdot 3 = 62⋅3=6 מול אלקטרונים; לכל 1 מול Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+: 6 mol3=2\frac{6\ \text{mol}}{3} = 236 mol​=2 מול אלקטרונים.
בתגובה שבה מגיב 1 מול יוני Mn2+\text{Mn}^{2+}Mn2+ עוברים 2 מול אלקטרונים.

סעיף ג

תשובה:

יוני MnO4−(aq)\text{MnO}_4^{-}{}_{(aq)}MnO4−​(aq)​ – דרגת החמצון של Mn עולה מ־+6+6+6 ל־+7+7+7.

תוצר החמצון הוא יוני MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​.
•Mn ב־MnO42−\text{MnO}_4^{2-}MnO42−​: x+4(−2)=−2⇒x=+6x + 4(-2) = -2 \Rightarrow x = +6x+4(−2)=−2⇒x=+6.
•Mn ב־MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​: +7+7+7 – עלייה בדרגת החמצון (מסירת אלקטרון) ⇐ חמצון.
•Mn ב־MnO2\text{MnO}_2MnO2​: +4+4+4 – ירידה בדרגת החמצון ⇐ חיזור (תוצר החיזור).
לכן תוצר החמצון הוא MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​.
טעות נפוצה: לבלבל בין יון מנגנאט (MnO42−\text{MnO}_4^{2-}MnO42−​) ליון פרמנגנט (MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​) – הם נבדלים במטען, ולכן גם בדרגת החמצון של Mn.

סעיף ד

תשובה:

0.0300 M0.0300\ \text{M}0.0300 M

מספר המולים של יוני Fe2+\text{Fe}^{2+}Fe2+ שהגיבו (n=C⋅Vn = C \cdot Vn=C⋅V):
n(Fe2+)=0.120 molL⋅0.0250 L=3.00×10−3 moln(\text{Fe}^{2+}) = 0.120\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.0250\ \text{L} = 3.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}n(Fe2+)=0.120 Lmol​⋅0.0250 L=3.00×10−3 mol
יחס המולים MnO4−:Fe2+=1:5\text{MnO}_4^{-} : \text{Fe}^{2+} = 1 : 5MnO4−​:Fe2+=1:5:
n(MnO4−)=3.00×10−3 mol5=6.00×10−4 moln(\text{MnO}_4^{-}) = \frac{3.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}}{5} = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{mol}n(MnO4−​)=53.00×10−3 mol​=6.00×10−4 mol
ריכוז יוני MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​ (V=20.0 mL=0.0200 LV = 20.0\ \text{mL} = 0.0200\ \text{L}V=20.0 mL=0.0200 L):
C(MnO4−)=6.00×10−4 mol0.0200 L=0.0300 molL=0.0300 MC(\text{MnO}_4^{-}) = \frac{6.00 \times 10^{-4}\ \text{mol}}{0.0200\ \text{L}} = 0.0300\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} = 0.0300\ \text{M}C(MnO4−​)=0.0200 L6.00×10−4 mol​=0.0300 Lmol​=0.0300 M

סעיף ה

(i)

תשובה:

יש לרכז את התמיסה – לאדות ממנה חלק מהמים (הממס) עד שהריכוז יגיע ל־0.150 M0.150\ \text{M}0.150 M.

ריכוז התמיסה מסעיף ד הוא 0.0300 M0.0300\ \text{M}0.0300 M – נמוך מ־0.150 M0.150\ \text{M}0.150 M הדרוש. כדי להגדיל את הריכוז בלי להוסיף KMnO4\text{KMnO}_4KMnO4​ יש להקטין את נפח התמיסה – לאדות חלק מהמים. מספר המולים של יוני MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​ נשאר קבוע, הנפח קטן, ולכן לפי C=nVC = \frac{n}{V}C=Vn​ הריכוז גדל. יש להקטין את הנפח פי 5.

(ii)

תשובה:

0.200 L0.200\ \text{L}0.200 L (200 מ"ל).

באידוי המים מספר המולים של יוני MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​ אינו משתנה:
n(MnO4−)=0.0300 molL⋅1.00 L=0.0300 moln(\text{MnO}_4^{-}) = 0.0300\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 1.00\ \text{L} = 0.0300\ \text{mol}n(MnO4−​)=0.0300 Lmol​⋅1.00 L=0.0300 mol
V=nC=0.0300 mol0.150 molL=0.200 LV = \frac{n}{C} = \frac{0.0300\ \text{mol}}{0.150\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}} = 0.200\ \text{L}V=Cn​=0.150 Lmol​0.0300 mol​=0.200 L
אפשר להכין 0.200 L0.200\ \text{L}0.200 L (200 מ"ל) תמיסה בריכוז 0.150 M0.150\ \text{M}0.150 M.

שאלה 14 · זיהוי מוצקים לבנים בעזרת אינדיקטור אוניברסלי

שאלה פתוחה20 נקודות

חומצות ובסיסים
תלמידים התבקשו לזהות ארבעה חומרים מוצקים קלי תמס שצבעם לבן. החומרים המוצקים סומנו באותיות A\text{A}A , B\text{B}B , C\text{C}C , D\text{D}D .
התלמידים ערכו שני ניסויים כדי לזהות את החומרים המוצקים.
ניסוי 1
התלמידים הכינו תמיסות שקופות וחסרות צבע בריכוז 1M1\text{M}1M של כל אחד מן החומרים A\text{A}A , B\text{B}B , C\text{C}C , D\text{D}D .
לכל אחת מן התמיסות הם הוסיפו כמה טיפות של אינדיקטור אוניברסלי.
צבעי התמיסות שהתקבלו בניסוי 1 מוצגים בטבלה שלפניכם.
תוצאות ניסוי 1
המומסמוצק Aמוצק Bמוצק Cמוצק D
צבע התמיסה לאחר הוספת האינדיקטורכתוםסגולירוקכחול
בטבלה שלפניכם מוצגים צבעים של האינדיקטור האוניברסלי בערכי pH\text{pH}pH שונים.
צבעים של האינדיקטור האוניברסלי בערכי pH שונים
pH 14pH 12pH 10pH 7pH 4pH 2pH 0
אינדיקטור אוניברסליסגולכחולכחולירוקכתוםאדוםאדום

המומס	מוצק A	מוצק B	מוצק C	מוצק D
צבע התמיסה לאחר הוספת האינדיקטור	כתום	סגול	ירוק	כחול

	pH 14	pH 12	pH 10	pH 7	pH 4	pH 2	pH 0
אינדיקטור אוניברסלי	סגול	כחול	כחול	ירוק	כתום	אדום	אדום

א.

על פי תוצאות ניסוי 1, מיינו את תמיסות החומרים A\text{A}A , B\text{B}B , C\text{C}C , D\text{D}D לשלוש קבוצות: תמיסות חומציות, תמיסות בסיסיות, תמיסות שאינן חומציות ואינן בסיסיות. הסבירו את תשובתכם.

ב.

נתונים ארבעת החומרים שהתלמידים התבקשו לזהות:
•אמוניום כלורי, NH4Cℓ(s)\text{NH}_4\text{C}\ell_{(s)}NH4​Cℓ(s)​
•אשלגן הידרוקסידי, KOH(s)\text{KOH}_{(s)}KOH(s)​
•נתרן פחמתי, Na2CO3(s)\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)}Na2​CO3(s)​
•נתרן גופרתי, Na2SO4(s)\text{Na}_2\text{SO}_{4(s)}Na2​SO4(s)​
חומרים אלה הם תרכובות יוניות.
נסחו את תגובות ההמסה במים של Na2SO4(s)\text{Na}_2\text{SO}_{4(s)}Na2​SO4(s)​ ושל KOH(s)\text{KOH}_{(s)}KOH(s)​ .

ג.

נתון ניסוח נטו של תגובה:
1.NH4(aq)++H2O(ℓ)→NH3(aq)+H3O(aq)+1.\quad \text{NH}^{+}_{4(aq)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{NH}_{3(aq)} + \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}1.NH4(aq)+​+H2​O(ℓ)​→NH3(aq)​+H3​O(aq)+​
מבין החומרים שהתלמידים התבקשו לזהות, רשמו את נוסחת החומר שתמיסתו חומצית. הסבירו את תשובתכם.

ד.

ניסוי 2
לכל אחת מן התמיסות הבסיסיות הוסיפו תמיסת חומצה חנקתית, HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ . הצבע של כל אחת מן התמיסות האלה השתנה.

(1)

הסבירו מדוע השתנה הצבע של התמיסות הבסיסיות.

(2)

לאחת התמיסות הבסיסיות, תמיסה של KOH(aq)\text{KOH}_{(aq)}KOH(aq)​ מניסוי 1 שנפחה 202020 מיליליטר, הוסיפו 100100100 מיליליטר תמיסת HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ בריכוז 0.5M0.5\text{M}0.5M .
האם אפשר לקבוע אם התמיסה שהתקבלה חומצית, בסיסית או נייטרלית? הסבירו את תשובתכם.

ה.

במהלך הוספת תמיסת HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ נפלט גז מאחת התמיסות הבסיסיות, שצבעה היה כחול בניסוי 1.
נתון ניסוח נטו של תגובה:
2.CO3(aq)2−+2H3O(aq)+→CO2(g)+3H2O(ℓ)2.\quad \text{CO}^{2-}_{3(aq)} + 2\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}2.CO3(aq)2−​+2H3​O(aq)+​→CO2(g)​+3H2​O(ℓ)​
קבעו מהו החומר שהומס בתמיסה שממנה נפלט הגז.

ו.

קבעו את הסימון המתאים – A\text{A}A , B\text{B}B , C\text{C}C , D\text{D}D – לכל אחד מן החומרים המוצקים שזיהו התלמידים.
הסבירו את כל הקביעות.

◂ פתרון מלא לשאלה 14

סעיף א

תשובה:

חומצית: A\text{A}A; בסיסיות: B\text{B}B, D\text{D}D; לא חומצית ולא בסיסית: C\text{C}C.

משווים את צבע כל תמיסה לטבלת צבעי האינדיקטור:
- A\text{A}A – כתום: האינדיקטור כתום ב־pH=4\text{pH} = 4pH=4, כלומר pH<7\text{pH} < 7pH<7 – תמיסה חומצית.
- B\text{B}B – סגול: האינדיקטור סגול ב־pH=14\text{pH} = 14pH=14, כלומר pH>7\text{pH} > 7pH>7 – תמיסה בסיסית.
- D\text{D}D – כחול: האינדיקטור כחול ב־pH\text{pH}pH 101010–121212, כלומר pH>7\text{pH} > 7pH>7 – תמיסה בסיסית.
- C\text{C}C – ירוק: האינדיקטור ירוק ב־pH=7\text{pH} = 7pH=7 – תמיסה שאינה חומצית ואינה בסיסית (נייטרלית).

סעיף ב

תשובה:

Na2SO4(s)→H2O(ℓ)2Na(aq)++SO4(aq)2−\text{Na}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} 2\text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{SO}^{2-}_{4(aq)}Na2​SO4(s)​H2​O(ℓ)​​2Na(aq)+​+SO4(aq)2−​;  KOH(s)→H2O(ℓ)K(aq)++OH(aq)−\ \text{KOH}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} KOH(s)​H2​O(ℓ)​​K(aq)+​+OH(aq)−​

שני החומרים יוניים; בהמסה במים היונים נפרדים ומוקפים במולקולות מים. המים משמשים ממס, ולכן נרשמים מעל החץ. היון המורכב SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ נשאר שלם:
Na2SO4(s)→H2O(ℓ)2Na(aq)++SO4(aq)2−\text{Na}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} 2\text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{SO}^{2-}_{4(aq)}Na2​SO4(s)​H2​O(ℓ)​​2Na(aq)+​+SO4(aq)2−​
KOH(s)→H2O(ℓ)K(aq)++OH(aq)−\text{KOH}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}KOH(s)​H2​O(ℓ)​​K(aq)+​+OH(aq)−​
טעות נפוצה: לשכוח את המקדם 222 ליוני הנתרן, או לפרק את היון SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​.

סעיף ג

תשובה:

NH4Cℓ(s)\text{NH}_4\text{C}\ell_{(s)}NH4​Cℓ(s)​

החומר: NH4Cℓ(s)\text{NH}_4\text{C}\ell_{(s)}NH4​Cℓ(s)​.
בהמסה במים: NH4Cℓ(s)→H2O(ℓ)NH4(aq)++Cℓ(aq)−\text{NH}_4\text{C}\ell_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{NH}^{+}_{4(aq)} + \text{C}\ell^{-}_{(aq)}NH4​Cℓ(s)​H2​O(ℓ)​​NH4(aq)+​+Cℓ(aq)−​.
לפי תגובה 1, היון NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​ מוסר פרוטון למולקולת מים (משמש חומצה), ונוצרים יוני הידרוניום, H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​. עלייה בריכוז יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ בתמיסה הופכת אותה לחומצית (pH<7\text{pH} < 7pH<7).
טעות נפוצה: לרשום את נוסחת היון NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​ במקום את נוסחת החומר NH4Cℓ(s)\text{NH}_4\text{C}\ell_{(s)}NH4​Cℓ(s)​.

סעיף ד

(1)

תשובה:

תגובת סתירה: H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ מהחומצה מגיב עם הבסיס, ריכוז OH−\text{OH}^{-}OH− קטן, ה־pH\text{pH}pH יורד – וצבע האינדיקטור תלוי ב־pH\text{pH}pH.

תמיסת HNO3(aq)\text{HNO}_{3(aq)}HNO3(aq)​ מכילה יוני H3O(aq)+\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}H3​O(aq)+​ (HNO3(ℓ)+H2O(ℓ)→H3O(aq)++NO3(aq)−\text{HNO}_{3(\ell)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{NO}^{-}_{3(aq)}HNO3(ℓ)​+H2​O(ℓ)​→H3​O(aq)+​+NO3(aq)−​). כשמוסיפים אותה לתמיסה בסיסית מתרחשת תגובת סתירה, למשל:
H3O(aq)++OH(aq)−→2H2O(ℓ)\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}H3​O(aq)+​+OH(aq)−​→2H2​O(ℓ)​
(ובתמיסת Na2CO3\text{Na}_2\text{CO}_3Na2​CO3​ מגיבים יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ עם יוני CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​ – ראו סעיף ה).
בתגובה הבסיס נצרך, ריכוז יוני OH−\text{OH}^{-}OH− בתמיסה קטן (וריכוז H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ גדל), ולכן ה־pH\text{pH}pH יורד. צבע האינדיקטור תלוי ב־pH\text{pH}pH, ולכן הצבע משתנה.

(2)

תשובה:

כן – התמיסה חומצית, כי נוסף עודף של יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+.

כן – התמיסה שהתקבלה חומצית. ריכוז תמיסת KOH\text{KOH}KOH ידוע מניסוי 1 (1M1\text{M}1M).
- n(OH−)=C⋅V=1 molL⋅0.020 L=0.020 moln(\text{OH}^{-}) = C\cdot V = 1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.020\ \text{L} = 0.020\ \text{mol}n(OH−)=C⋅V=1 Lmol​⋅0.020 L=0.020 mol
- n(H3O+)=C⋅V=0.5 molL⋅0.100 L=0.050 moln(\text{H}_3\text{O}^{+}) = C\cdot V = 0.5\ \frac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 0.100\ \text{L} = 0.050\ \text{mol}n(H3​O+)=C⋅V=0.5 Lmol​⋅0.100 L=0.050 mol
לפי תגובת הסתירה, יחס המולים H3O+:OH−=1:1\text{H}_3\text{O}^{+} : \text{OH}^{-} = 1:1H3​O+:OH−=1:1. כל 0.020 mol0.020\ \text{mol}0.020 mol יוני OH−\text{OH}^{-}OH− מגיבים, ונשאר עודף של 0.050−0.020=0.030 mol0.050 - 0.020 = 0.030\ \text{mol}0.050−0.020=0.030 mol יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+. לכן בסוף התהליך התמיסה חומצית (pH<7\text{pH} < 7pH<7) – סתירה חלקית של החומצה.
טעות נפוצה: לקבוע שהתמיסה נייטרלית רק משום שהתרחשה תגובת סתירה – יש להשוות את מספרי המולים של H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ ושל OH−\text{OH}^{-}OH−.

סעיף ה

תשובה:

Na2CO3(s)\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)}Na2​CO3(s)​ (נתרן פחמתי).

לפי תגובה 2, הגז CO2\text{CO}_2CO2​ נוצר בתגובה של יוני CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​ עם יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+. יוני CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​ מתקבלים בהמסת נתרן פחמתי, Na2CO3(s)\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)}Na2​CO3(s)​:
Na2CO3(s)→H2O(ℓ)2Na(aq)++CO3(aq)2−\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} 2\text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{CO}^{2-}_{3(aq)}Na2​CO3(s)​H2​O(ℓ)​​2Na(aq)+​+CO3(aq)2−​.
טעות נפוצה: לרשום את נוסחת היון במקום את נוסחת החומר עם מצב הצבירה.

סעיף ו

תשובה:

A\text{A}A – NH4Cℓ\text{NH}_4\text{C}\ellNH4​Cℓ; B\text{B}B – KOH\text{KOH}KOH; C\text{C}C – Na2SO4\text{Na}_2\text{SO}_4Na2​SO4​; D\text{D}D – Na2CO3\text{Na}_2\text{CO}_3Na2​CO3​.

- A\text{A}A = NH4Cℓ(s)\text{NH}_4\text{C}\ell_{(s)}NH4​Cℓ(s)​: תמיסת A\text{A}A היא היחידה החומצית (כתומה), ולפי סעיף ג תמיסת NH4Cℓ\text{NH}_4\text{C}\ellNH4​Cℓ היא החומצית (יוני NH4+\text{NH}_4^{+}NH4+​ מוסרים פרוטון למים ויוצרים H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+).
- D\text{D}D = Na2CO3(s)\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)}Na2​CO3(s)​: תמיסת D\text{D}D כחולה (בסיסית), ולפי סעיף ה מהתמיסה הכחולה נפלט גז CO2\text{CO}_2CO2​ עם הוספת חומצה – תגובה של יוני CO32−\text{CO}_3^{2-}CO32−​.
- B\text{B}B = KOH(s)\text{KOH}_{(s)}KOH(s)​: תמיסת B\text{B}B סגולה, כלומר pH=14\text{pH} = 14pH=14. בתמיסת KOH\text{KOH}KOH בריכוז 1M1\text{M}1M ריכוז יוני OH−\text{OH}^{-}OH− הוא 1M1\text{M}1M (לפי תגובת ההמסה בסעיף ב), ולכן זו התמיסה הבסיסית ביותר.
- C\text{C}C = Na2SO4(s)\text{Na}_2\text{SO}_{4(s)}Na2​SO4(s)​: תמיסת C\text{C}C ירוקה, pH=7\text{pH} = 7pH=7. בתמיסת Na2SO4\text{Na}_2\text{SO}_4Na2​SO4​ יש יוני Na+\text{Na}^{+}Na+ ו־SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ שאינם יוצרים יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^{+}H3​O+ או OH−\text{OH}^{-}OH− (בתנאי הניסוי), ולכן התמיסה אינה חומצית ואינה בסיסית.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ג – ב־A וב־C יש 10 אלקטרונים, אבל ב־A יש 12 פרוטונים וב־C יש 11 פרוטונים.
2	-	ג — $\text{d}_2\text{O}$ : d מתכת אלקלית היוצרת $\text{d}^{+}$ , וחמצן יוצר $\text{O}^{2-}$ .
3	-	א – הקשר F–H קוטבי יותר מן הקשר N–H, ולכן קשרי המימן בין מולקולות HF חזקים יותר.
4	-	ג – ביצירת 1 מול $\text{I}_2$ עוברים 2 מול אלקטרונים, ולכן ביצירת 0.50 מול $\text{I}_2$ עוברים 1.0 מול אלקטרונים.
5	-	ב — $6.02\cdot10^{23}\cdot 0.154$ יונים.
6	-	ד – חומצה פורמית (חומצה קרבוקסילית) מגיבה עם מים כחומצה ונוצרים יוני $\text{H}_3\text{O}^{+}$ .
7	-	ד – $23.3\ \text{kJ/mol}$
8	-	א – $\text{C}_7\text{H}_{12}\text{O}_3$ ; OH בקצה השמאלי, C=C בשרשרת, ו־ $-\text{COO}-$ (אסטר) בצד ימין.
9	א	$C\approx 0.50\ \text{M}$ ( $0.502\ \text{mol/L}$ )
	ב	$\text{LiOH}_{(s)}\xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}}\text{Li}^{+}_{(aq)}+\text{OH}^{-}_{(aq)}$ ; $\text{HNO}_{3(l)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}\rightarrow\text{H}_3\text{O}^{+}_{(aq)}+\text{NO}_3^{-}{}_{(aq)}$ ; $\text{NaClO}_{3(s)}\xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(l)}}\text{Na}^{+}_{(aq)}+\text{ClO}_3^{-}{}_{(aq)}$
	ג	תמיסת ליתיום הידרוקסידי: pH > 7; תמיסת חומצה חנקתית: pH < 7; תמיסת נתרן כלורטי: pH = 7
	ד	מחמצן: $\text{O}_{2(g)}$ ; מחזר: $\text{Fe}_{(s)}$
	ה i	בשני החומרים פועלים קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס. ואן דר ואלס חזקות יותר במתנול (ענן אלקטרונים גדול יותר), אך כל מולקולת מים יכולה ליצור יותר קשרי מימן (שני אטומי H הקשורים ל־O ושני זוגות אלקטרונים לא קושרים), ולכן סך הכוחות בין מולקולות המים חזק יותר.
	ה ii	$\text{CO}_{2(g)}\xrightarrow{\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}}\text{CO}_{2(\text{CH}_3\text{OH})}$
	ו i	$2\text{LiOH}_{(s)}+\text{CO}_{2(g)}\rightarrow\text{Li}_2\text{CO}_{3(s)}+\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ו ii	$\Delta H^0<0$ – לפי שורות 9–10 "בתגובה נפלטת אנרגייה, ולכן המכלים מתחממים"; התגובה אקסותרמית.
	ז	$\text{H}_2\text{O}_{(g)}\rightarrow\text{H}_2\text{O}_{(l)}$ (עיבוי)
	ח	ריכוז המגיבים הוא גורם המשפיע על קצב התגובה: חמצן הוא מגיב בתגובת הבעירה, וככל שריכוזו גבוה יותר, קצב הבעירה גדול יותר.
10	א 1	I Si – אטומרי; II $\text{SiF}_4$ – מולקולרי; III $\text{CaF}_2$ – יוני; IV $\text{SiH}_4$ – מולקולרי; V $\text{MgF}_2$ – יוני.
	א 2	מוצקים: Si, $\text{CaF}_2$ , $\text{MgF}_2$ (קשרים קוולנטיים / יוניים חזקים בכל הסריג); $\text{SiF}_4$ ו־ $\text{SiH}_4$ גזים (כוחות בין־מולקולריים חלשים).
	א 3	$\text{Si}_{(s)}$ , $\text{SiF}_{4(g)}$ , $\text{CaF}_{2(s)}$ , $\text{SiH}_{4(g)}$ , $\text{MgF}_{2(s)}$
	ב 1	$\text{SiO}_{2(s)} + 4\text{HF}_{(g)} \rightarrow \text{SiF}_{4(g)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)}$
	ב 2	HF ו־ $\text{SiF}_4$ – פלואורידים; $\text{SiO}_2$ ו־ $\text{H}_2\text{O}$ – אינם פלואורידים.
	ג 1	$\text{Ca}^{2+}$ ו־ $\text{F}^{-}$
	ג 2	20 פרוטונים, 24 נייטרונים, 18 אלקטרונים.
	ד 1	$[\text{Mg}]^{2+}$ ו־ $[\text{F}]^{-}$ עם שמונה אלקטרונים (ארבעה זוגות) סביב F.
	ד 2	$\text{Mg}^{2+}$ : 2,8; $\text{F}^{-}$ : 2,8
	ה	$V_{\text{H}_2}\approx 908\ \text{L}$
11	א	A: $\text{C}_7\text{H}_{16}$ ; B: $\text{C}_8\text{H}_{18}$ ; C: $\text{C}_8\text{H}_{18}$
	ב	אורך השרשרת: שרשרת הפטאן קצרה יותר (7 C לעומת 8 C) ⇐ ענן אלקטרונים קטן יותר ⇐ אינטראקציות ואן דר ואלס חלשות יותר.
	ג	הבלתי רוויים: 1־הקסן ו־2־מתיל־2־בוטן (הייצוגים המקוצרים מסורטטים בפתרון).
	ד	מידת ההסתעפות (שטח הפנים של המולקולה): מולקולת אוקטאן אינה מסועפת ⇐ שטח מגע גדול יותר בין המולקולות ⇐ אינטראקציות ואן דר ואלס חזקות יותר.
	ה	ייצוג מלא: שרשרת של 4 אטומי C, קבוצת $\text{CH}_3$ על הפחמן השני; כל האטומים (5 C, 12 H) וכל הקשרים מסורטטים.
	ו	C (אוקטאן)
	ז	ייצוג 2
	ח	בין מולקולות MTBE ובין מולקולות הפחמימנים נוצרות אינטראקציות ואן דר ואלס, הדומות בחוזקן לאינטראקציות שנשברות (ואן דר ואלס בין מולקולות הפחמימנים ובין מולקולות MTBE).
	ט i	$m \approx 396\ \text{g}$ (כ־ $0.396\ \text{kg}$ )
	ט ii	לא: במכל מלא של E15 יש $177\ \text{g}$ אתנול $> 160\ \text{g}$ .
12	א	${}^{17}_{8}\text{O}$ ו־ ${}^{18}_{8}\text{O}$
	ב	X הוא יון חמצני (אניון $\text{O}^{2-}$ ) של האיזוטופ חמצן־18: ${}^{18}_{8}\text{O}^{2-}$ .
	ג	$\text{O}_2$ הוא חומר מולקולרי שמולקולותיו אינן קוטביות; בין המולקולות יש רק אינטראקציות ון־דר־ולס, והן חלשות כי ענן האלקטרונים קטן (16 אלקטרונים).
	ד i	$2\text{SO}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow 2\text{SO}_{3(g)}$
	ד ii	כמחזר – דרגת החמצון של S עולה מ־ $+4$ ב־ $\text{SO}_2$ ל־ $+6$ ב־ $\text{SO}_3$ ( $\text{SO}_2$ מוסר אלקטרונים).
	ה i	כן – זו תגובת חמצון־חיזור: דרגת החמצון של Cl יורדת מ־ $+5$ ל־ $-1$ , ודרגת החמצון של O עולה מ־ $-2$ ל־0.
	ה ii	$174\ \text{g}$ ( $173.8\ \text{g}$ ) של $\text{NaClO}_3$ .
13	א i	$\text{MnO}_4^{-}$ : $+7$ ; $\text{Mn}^{2+}$ : $+2$ ; $\text{MnO}_2$ : $+4$ .
	א ii	$2.27\ \text{g}$ של $\text{MnSO}_4$ (כ־ $2.3\ \text{g}$ ).
	ב	2 מול אלקטרונים.
	ג	יוני $\text{MnO}_4^{-}{}_{(aq)}$ – דרגת החמצון של Mn עולה מ־ $+6$ ל־ $+7$ .
	ד	$0.0300\ \text{M}$
	ה i	יש לרכז את התמיסה – לאדות ממנה חלק מהמים (הממס) עד שהריכוז יגיע ל־ $0.150\ \text{M}$ .
	ה ii	$0.200\ \text{L}$ (200 מ"ל).
14	א	חומצית: $\text{A}$ ; בסיסיות: $\text{B}$ , $\text{D}$ ; לא חומצית ולא בסיסית: $\text{C}$ .
	ב	$\text{Na}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} 2\text{Na}^{+}_{(aq)} + \text{SO}^{2-}_{4(aq)}$ ; $\ \text{KOH}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}_{(\ell)}} \text{K}^{+}_{(aq)} + \text{OH}^{-}_{(aq)}$
	ג	$\text{NH}_4\text{C}\ell_{(s)}$
	ד 1	תגובת סתירה: $\text{H}_3\text{O}^{+}$ מהחומצה מגיב עם הבסיס, ריכוז $\text{OH}^{-}$ קטן, ה־ $\text{pH}$ יורד – וצבע האינדיקטור תלוי ב־ $\text{pH}$ .
	ד 2	כן – התמיסה חומצית, כי נוסף עודף של יוני $\text{H}_3\text{O}^{+}$ .
	ה	$\text{Na}_2\text{CO}_{3(s)}$ (נתרן פחמתי).
	ו	$\text{A}$ – $\text{NH}_4\text{C}\ell$ ; $\text{B}$ – $\text{KOH}$ ; $\text{C}$ – $\text{Na}_2\text{SO}_4$ ; $\text{D}$ – $\text{Na}_2\text{CO}_3$ .

פרק ראשון

שאלה 1 · הרכב חלקיקים: מספר אלקטרונים ומטען גרעיני

התשובה הנכונה: ג.

שאלה 2 · יסודות עוקבים – גז אציל ונוסחת תרכובת עם חמצן

מדוע האחרות שגויות:

שאלה 3 · טמפרטורות רתיחה – מימן פלואורי ואמוניה

שאלה 4 · מולי אלקטרונים בתגובת יוני ברזל ויוני יודיד

התשובה הנכונה: ג.

שאלה 5 · מספר היונים בשקית עירוי של תמיסת מלח

מספר המולים של NaCl:

מספר היונים: N=n⋅NA=0.154 mol⋅6.02⋅1023 ionsmol≈9.3⋅1022N=n\cdot N_A=0.154\ \text{mol}\cdot 6.02\cdot 10^{23}\ \frac{\text{ions}}{\text{mol}}\approx 9.3\cdot 10^{22}N=n⋅NA​=0.154 mol⋅6.02⋅1023 molions​≈9.3⋅1022 יונים. תשובה ב נכונה.

שאלה 6 · חומר המוריד את ה־pH של מים

תשובה: ד.

שאלה 7 · דיאגרמת אנתלפייה – אנתלפיית אידוי של אמוניה

שאלה 8 · ייצוג מקוצר של נוסחת מבנה וקבוצות פונקציונליות

תשובה: א.

שאלה 9 · מאמר: אוויר לנשימה בצוללות ובחלליות

אוויר לנשימה במקום סגור – בצוללות ובחלליות

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

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

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

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

סעיף ז

סעיף ח

פרק שני

שאלה 10 · חומרים בתעשיית האופטיקה והשבבים – סוגי חומרים, יונים וגזים

מבנה האטום, מבנה וקישור

סעיף א

החומרים המוצקים: Si , CaF2\text{CaF}_2CaF2​ , MgF2\text{MgF}_2MgF2​.

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

המרת הטמפרטורה לקלווין:

הנפח לפי PV=nRTPV=nRTPV=nRT:

תשובה: נפח המימן הוא כ־908 L908\ \text{L}908 L (כ־9.1×1029.1\times10^{2}9.1×102 ליטר).

שאלה 11 · רכיבי בנזין: פחמימנים, תוספים וריכוז אתנול בדלק

תרכובות פחמן, מבנה וקישור, חישובים

טבלה 1

טבלה 2

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

סעיף ז

סעיף ח

סעיף ט

שאלה 12 · היסוד חמצן ושימושיו

חמצון-חיזור, מבנה האטום ותכונות חומרים

סעיף ב הוא רשות

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

SO2\text{SO}_2SO2​ מגיב כמחזר.

סעיף ה

כן, בתגובה (1) יש מעבר אלקטרונים.

המרת יחידות:

שאלה 13 · תרכובות מנגן – חמצון-חיזור וסטויכיומטריה

חמצון-חיזור וסטויכיומטריה

סעיף ב הוא רשות

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

תוצר החמצון הוא יוני MnO4−\text{MnO}_4^{-}MnO4−​.

סעיף ד

סעיף ה

שאלה 14 · זיהוי מוצקים לבנים בעזרת אינדיקטור אוניברסלי

חומצות ובסיסים

ניסוי 1

תוצאות ניסוי 1

צבעים של האינדיקטור האוניברסלי בערכי pH שונים

ניסוי 2

מספר היונים: $N=n\cdot N_A=0.154\ \text{mol}\cdot 6.02\cdot 10^{23}\ \frac{\text{ions}}{\text{mol}}\approx 9.3\cdot 10^{22}$ יונים. תשובה ב נכונה.

החומרים המוצקים: Si , $\text{CaF}_2$ , $\text{MgF}_2$ .

הנפח לפי $PV=nRT$ :

תשובה: נפח המימן הוא כ־ $908\ \text{L}$ (כ־ $9.1\times10^{2}$ ליטר).

$\text{SO}_2$ מגיב כמחזר.

תוצר החמצון הוא יוני $\text{MnO}_4^{-}$ .

החומר: $\text{NH}_4\text{C}\ell_{(s)}$ .