בגרות בכימיה 2019 פתרון   עודכן לאחרונה!


בגרות בכימיה 2019 – פתרון

פרק ראשון (40 נקודות)

ענה כל שמונה השאלות 8-1 (לכל שאלה 2.5 נקודות).

לפני שתענה קרא את כל התשובות המוצעות.

  1. בטבלה שלפניך מוצגים נתונים על ההרכב של שלושה חלקיקים המסומנים באופן שרירותי X, Y ו- Z.
    החלקיק מספר פרוטונים מספר נויטרונים היערכות אלקטרונים
    X 8 10 2.8
    Y 9 10 2.8
    Z 8 8 2.6

    מהי הקביעה הנכונה?

    1. החלקיקים X ו- Y הם איזוטופים של אותו היסוד.
    2. לחלקיקים X ו- Z יש אותו מטען גרעיני.
      יש אותו מספר פרוטונים בגרעין.
    3. שלושת החלקיקים Y, X ו- Z הם יונים שליליים.
    4. החלקיק Y מייצג אטום של ניאון, Ne.
  2. נתרן Na(s) מגיב עם זרחן P4(s).
    מהי הנוסחה המולקולרית של התרכובת שנוצרת בתגובה זו?

    1. NaP4
    2. NaP3
    3. Na3P
      נימוק לתשובה 2
    4. Na4P
  3. נתונים שלושה חומרים במצב נוזל.

    CH3CH2F(ℓ) , CH3CH2OH(ℓ) , CH3CH2NH2(ℓ)

    לפניך ארבעה היגדים א-ד הנוגעים לכוחות הפועלים בין המולקולות של חומרים אלה.
    מהו ההיגד הנכון?

    1. בכל אחד משלושת החומרים יש קשרי מימן בין המולקולות.
    2. קשרי המימן שבין המולקולות של CH3CH2NH2(ℓ) חזקים מקשרי המימן שבין המולקולות של CH3CH2F(ℓ).
    3. הקשרים שבין המולקולות של CH3CH2F(ℓ) חזקים מן הקשרים שבין המולקולות של CH3CH2OH(ℓ).
    4. בין המולקולות של CH3CH2F(ℓ) יש אינטראקציות ון-דר-ולס בלבד.
  4. נתונים שני כלים A ו- B, שנפח כל אחד מהם הוא 1 ליטר.
    כלי A מלא בגז מתאן CH4(g).
    כלי B מלא בגז חמצן O2(g).
    הטמפרטורה והלחץ בשני הכלים שווים.
    מהי הקביעה הנכונה?

    1. מספר המולים של הגז בכלי A שווה למספר המולים של הגז בכלי B.
      היות והגזים נמצאים באותם תנאי טמפרטורה ולחץ, יחס המולים שווה ליחס הנפחים 1:1 ולכן מספר המולים שווה בשני הכלים.
    2. מספר המולקולות של בגז בכלי B כפול מספר המולקולות של הגז בכלי A.
    3. המסה של הגז בכלי A שווה למסה של הגז בכלי B.
    4. המסה של הגז בכלי A כפולה מהמסה של הגז בכלי B.
  5. לפניך ניסוח של תגובת חמצון חיזור.

    4NH3ׂ(g) + 6NO(g)  → 5N2(g) + 6H2O(g)

    מהי הקביעה הנכונה?

    1. הגז NO(g) הוא המחזר.
    2. האלקטרונים עוברים מאטומי N במולקולות NO לאטומי N במולקולות NH3.
    3. כאשר 1 מול NH3ׂ(g) מגיב, עוברים 3 מול אלקטרונים.
      תשובה 5 מעבר אלקטרונים

      e‾ : NH3ׂ(g)
      12 : 4 יחס מולים
      3 \xrightarrow { \times \cfrac { 12 }{ 4 } } 1 n מול
    4. N2(g) הוא תוצר חיזור של NH3ׂ(g).
  6. לפניך ניסוחים של שלוש תגובות.

    1. K2O(s) + H2O(ℓ) → 2K+(aq) + 2OH(aq)
    2. K(s) + H2O(ℓ) → 2K+(aq) + 12H2(g) + 2OH(aq)
    2. KHSO4(s) + H2O(ℓ) → 2K+(aq) + SO2-4(aq) + H3O+(aq)

    באיזו/ באילו מן התגובות מגיבים המים, H2O(ℓ) , כבסיס?

    1. בתגובה (1) בלבד.
    2. בתגובה (2) בלבד.
    3. בתגובה (1) וגם בתגובה (2).
    4. בתגובה (3) בלבד.
      כי רק בתגובה הזו מולקולות המים קלטו פרוטון (+H).
  7. לפניך דיאגרמה של שינוי אנתלפייה.
    בגרות 2019 שאלה 7 דיאגרמהמהו הערך של אנתלפיית הקשר O–Cℓ בתרכובת Cℓ2O(g)?

    1. 406kJmoℓ
    2. 203kJmoℓ
       Cℓ2O(g) →2Cℓ(g) + O(g)  ΔH0=406kJ
      היות ובמולקולה  יש שני קשרי O–Cℓ אנרגיית הקשר O–Cℓ היא \cfrac { 406 }{ 2 } =203\sfrac { kJ }{ mol }
    3. 164kJmoℓ
    4. 82kJmoℓ
  8. כאשר מערבבים תמיסה של חומצת מימן כלורי,HCℓ(aq) ,עם תמיסה של נתרן תיוסולפאט, Na2S2O3(aq), מתרחשת תגובה.
    לפניך ניסוח נטו של תגובה זו:

    2H3O+(aq) + S2O32-(aq) → 3H2O(ℓ) + SO2(g) +18S8(s)

    התלמידים חקרו את התגובה והציעו מדדים שונים לקצב התגובה.
    לפניך ארבע הצעות I-IV שהציעו התלמידים כדי לקבל מידע על קצב התגובה.
    I.   למדוד את המוליכות החשמלית של התמיסה בתום התגובה.
    II.  למדוד את ה-pH של התמיסה בתום התגובה.
    III. למדוד את המוליכות החשמלית של התמיסה בפרקי זמן קובעים.
    IV. למדוד את ה-pH  של התמיסה בפרקי זמן קובעים.
    מהן שתי ההצעות המתאימות ביותר?

    1. I ו- II
    2. I ו- IV
    3. II ו- III
    4. III ו- IV
      רק כאשר מודדים שינוי ליחידת זמן ניתן למדוד קצב.

ניתוח קטע ממאמר מדעי – חובה

  1. קרא את הקטע שלפניך, וענה על כל הסעיפים שאחריו (שאלת חובה – 20 נקודות).

פחמן דו-חמצני – תוצר לא רצוי לחומר גלם עתידי

ההתחממות הגלובלית גורמת לשינויי אקלים והיא אחת מן הבעיות שהאנושות מתמודדת איתן במאה הנוכחית. אחד הגורמים להתחממות הגלובלית הוא העלייה בריכוז הגז פחמן דו-חמצני , CO2(g) , באטמוספרה, שתורמת לעלייה בטמפרטורה הממוצעת על פני כדור הארץ. העלייה בריכוז ה- CO2(g) באטמוספרה היא בין השאר תוצאה של השימוש המוגבר בשרפת פחם, C(s) ,ודלקים פחמימניים כדי לספק אנרגייה.

מדענים, אנשי תעשייה וממשלות נדרשים למצוא פתרונות כדי לצמצם את כמות ה- CO2(g) שנפלטת לאטמוספרה.

אחד הפתרונות, המיושם כיום, הוא שימוש במקורות אנרגייה מתחדשים (כגון שמש ורוח) במקום השימוש בפחם ובדלקים פחמימניים.

בשנים האחרונות נבחנת גישה מהפכנית ופורצת דרך המתייחסת ל- CO2(g) לא כתוצר בלתי רצוי אלא כחומר גלם וכמקור לאטומי פחמן בתעשייה הכימית. המטרה היא לקלוט את ה- CO2(g) שנפלט מתהליכי שרפה, בעיקר מתחנות כוח, ולנצלו להפקת מגוון תרכובות פחמן המופקות כיום ממרכיכים של הנפט הגולמי, ההולך ואוזל.

בתרשים I מוצגות חלק מתרכובות הפחמן שאפשר להפיק מ- CO2(g):

שאלה 9 תרשים 1

תרשים I

מתרכובות אלה אפשר להפיק חומרים רבים המשמשים דלקים או חומרי גלם בתעשייה הכימית.

ניצול CO2(g) כחומר גלם דורש התמודדות עם שני קשיים עיקריים:

  • הפרדת ה- CO2(g) מן הגזים האחרים הנפלטים מן הארובות של תחנות הכוח.
  • השקעת אנרגייה רבה הנדרשת במהלך הייצור של תרכובות שלו.

מימוש הפתרונות לקשיים אלה מציב אתגר לפני כימאים ומדענים נוספים.

מקור: Clarke J. (2017), "Carbon dioxide can be a Versatikix feedstock for a variety of undustries" , Chemistry World 

  1. סולר הוא דלק פחמימני שמשתמשים בו בתחנות כוח.
    הפחמימן C12H26(ℓ) הוא אחד ממרכיבי הסולר.

    1. על פי הקטע, קבע אם התגובה לקבלת CO2(g) מדלק פחמימני היא אקסותרמית או אנדותרמית. נמק.
      תגובה אקסותרמית, משריפת הדלקים הפחמימניים מספקים אנרגיה (על פי המאמר).
    2. נסח ואזן את התגובה שבה מתקבל CO2(g) מן הפחמימן C12H26(ℓ).
      C12H26(ℓ) + 18.5O2(g) →12CO2(g) + 13H2O(ℓ)
  2. ב
      1. בחר בארבע מן התרכובות שאפשר להפיק מ- CO2(g), המוצגות בתרשים I.
        העתק את הטבלה שלפניך למחברת הבחינה והשלם אותה.
        * השלמנו עבור 6 תרכובות בשאלה צריך לבחור רק 4

        שם התרכובת נוסחת הקבוצה הפונקציונלית שם הקבוצה הפונקציונאלית
        1 אתן אלקן נוסחת מבנה קשר כפול בין אטומי פחמן (אלקן)
        2 אצטון קטון

        או: –CO–

        קטון
        3 אתאנאל קבוצות פונקציונליות - אלדהיד

        או : CHO–

        אלדהיד
        4 חומצה מתאנואית

        או: COOH–

        חומצה קרבוקסילית
        5 מתאנול –OH כהל

        או: הידרוקסיל

        6 אוריאה קבוצה םונקציונאלית אמיד נוסחת מבנה

        או: CONH2

        אמיד
      2. בתרשים I מוצגות 3 תרכובות שהן במצב נוזל בטמפרטורת החדר. אחת משלוש תרכובות אלה היא חומצה מתאנואית.
        טמפרטורת הרתיחה של חומצה מתאנואית גבוהה מטמפרטורת הרתיחה של שתי התרכובות. הסבר עובדה זו. בתשובתך התייחס לכוחות הפועלים בין המולקולות בכל אחת משלוש התרכובות.
        שלושת החומרים הם חומרים מולקולריים.
        בין מולקולות האצטון ישנו רק אינטראקציות ואן דר ואלס.

        בין מולקולות המתאנול ישנן אינטראקציות ואן דר ואלס וקשרי מימן.
        בין מולקולות החומצה המתאנואית יש אינטראצקיות ואן דר ואלס וקשרי מימן.
        היות ולמולקולת חומצה מתאנואית יש יותר מוקדים ליצירת קשרי מימן בין המולקולות שלה מאשר למולקולת מתאנול, הקשרים הבין מולקולריים בין מולקולות החומצה המתנואית חזקים מהקשרים שבין מולוקולות המתאנול ולכן נדרשת אנרגייה רבה יותר לניתוק הקשרים בין מולקולות החומצה המתאנואית וטמפרטורת הרתיחה שלה גבוהה יותר.
        הקשרים הקיימים בין מולקולות החומצה המתאנואית חזקים מאינטראקציות הואן דר ואלס שיישנן בין מולקולות האצטון ולכן טמפרטורת הרתיחה של החומצה האתאנואית גבוהה מזו של האצטון.
  3. ג
    1. כדי להפיק מתאנול, CH3OH(ℓ) , מ- CO2(g) יש צורך בחומר נוסף.
      קבע האם החומר הנוסף התגובה זו מגיב כמחצן או כמחזר. נמק.
      יש להוסיף חומר מחזר כי
      תשובה-9גi מעברי אלקטרונים C
      אטומיי הפחמן (C) בתגובה זו יורדים בדרגת החמצון מ- 4+ ל- 2-, עוברים תהליך חיזור (הם מקבלים ‾e) ולכן יש להוסיף חומר שיעבור את תהליך חמצון, זאת אומרת חומר מחזר.
    2. תגובה זו מתרחשת על פני זרז מיוחד המורכב מן המתכות פלדיום, Pd(s) , ונחושת, Cu(s) , בטמפרטורה של- 250°C.
      קצב התגובה מהיר יותר בנוכחות הזרז. הסבר עובדה זו בעזרת תורת ההתנגשויות.
      בנוכחות זרז התגובה מתרחשת במנגנון שבו לתגובה יש אנרגיית שפעול קטנה יותר (לעומת תגובה המתרחשת ללא זרז) ולכן ליותר מולקולות מגיבים יש מספיק אנרגיה כדי לעבור בזמן ההתנגשות ביניהם את מחסום אנרגיית השפעול (ליצור יותר תצמידים משופעלים) ליחידת זמן ולכן קצב התגובה גדל.
  4. על פי הקטע, ציין שני יתרונות לניצול ה- CO2(g) הנפלט לאטמוספרה להפקת מגוון של תרכובות פחמן.
    תשובה

    1. הפחתת כמות ה- CO2(g)  שקיים באטמוספרה ובכך הקטנת הזיהום ואפקט החממה.
    2. ניתן לייצר חומרים רבים המשמשים כדלקים.
    3. ניצול הפחמן הדו חמצני לייצור מגוון תרכובות פחמן אחרות הנוצרות כיום מנפט גולמי, ובכך להקטין את התלות בנפט הגולמי.
      (מספיק 2 מתוך ה-3)


פרק שני (60 נקודות)

ענה על שלוש מן השאלות 14-10 (לכל שאלה 20 נקודות).

  1. מבנה האטום, מחזוריות, מבנה וקישור

הטלפון החכם מכיל חומרים שיש בהם למעלה מ- 70 יסודות: מתכות ואל-מתכות, יסודות נפוצים ויסודות נדירים.

  1. המרכיבים העיקריים של זכוכית המסך בטלפון החכם הם: צורן דו חמצני, SiO2(s) , נתרן חמצני, Na2O(s) , ואלומיניום חמצני Aℓ2O3(s).
    1. העתק את הטבלה שלפניך למחברת הבחינה, והשלם אותה.
      SiO2(s) Aℓ2O3(s)
      סוג החלקיקים בחומר אטומי O, Si יוני Aℓ3+ ו- O2-
      סוג הקשרים בין החלקיקים קשר קוולנטי קשר יוני
    2. רשום נוסחאות ייצוג אלקטרוניות של החלקיקים שהתרכובת Na2O(s) מורכבת מהם.
      תשובה 10אii ייצוג אלקטרונים
    3. כדי לחזק את זכוכית המסך מחליפים חלק מיוני הנתרן ביונים גדולים יותר.
      לשם כך טובלים את זכוכית המסך בתרכובת יונית מותכת מתאימה.
      קבע איזו תרכובת מתאימה לתהליך זה: ליתיום חנקתי LiNO3(ℓ) , או אשלגן חנקתי KNO3(ℓ). נמק את קביעתך.
      אשלגן חנקתי היא התרכובת המתאימה לתהליך זה כי יוני +K גדולים יותר מיוני +Na. ליוני +K יש יותר רמות אנרגיה מאוכלסות באלקטרונים (רדיוס גדול יותר) מאשר ליוני +Na, לכן יוני האשלגן גדולים יותר.
  2. מסך המגע, שנמצא מתחת לזכוכית, בנוי משכבה שקופה של תחמוצת אינדיום, In2O3(s) וחומרים נוספים.
    האיזוטופ השכיח של אינדיום הוא 11549In.
    מהו מספר הפרוטונים, מספר הנויטרונים ומספר האלקטרונים בחלקיקי האינדיום בתרכובת 115In2O3(s)?
    In2O3(s)
    היות והחמצן בחומר היוני הוא O2- אז יון ה- In יהיה בעל מטען In3+.
    לכן, ליון זה יש:

    • 49 פרוטונים.
    • 46 אלקטרונים.
    • 66 נויטרונים.
  3. השבב האלקטרוני בנוי מצורן, Si(s) , בתוספת אטומים של יסודות כמו זרחן, 15P, גאליום 31Ga או ארסן 33As.
    1. אנרגיית היינון הראשונה של צורן, Si , היא 789kJmoℓ.
      אנרגיית היינון הראשונה של זרחן, P , היא 1012kJmoℓ.
      הסבר מדוע אנרגיית היינון הראשונה של זרחן, P , גבוהה מאנרגיית היינון הראשונה של צורן, Si .
      שני האטומים באותה רמת אנרגייה.
      לאטום הזרחן יותר פרוטונים בגרעין מאשר לאטום הצורן ולכן המשיכה החשמלית בין הגרעין לאלקטרוני הערכיות חזקה יותר ונדרשת אנרגיה רבה יותר להוצאת האלקטרון.
    2. לפניך שני עריכם של אנרגיית יינון 947kJmoℓ ו- 1251kJmoℓ.
      מהו הערך המתאים עבור אנרגיית היינון הראשונה של ארסן, As ? נמק.
      הערך 947kJmoℓ הוא כי לאטום As יש יותר רמות אנרגייה מאוכלסות ב- ‾e (רדיוס גדול יותר).
      ככל שהמרחק בין הגרעין לאלקטרוני הערכיות גדול יותר, המשיכה החשמלית קטנה יותר ולכן צריך פחות אנרגיה להוצאת ה- ‾e.
  4. הסוללה בטלפונים החכמים מכילה בין השאר גרפיט, C(s) .
    1. כתוב שלושה מאפיינים של המבנה המיקרוסקופי של גרפיט.
      תשובה

      1. לאטומים תנועת תנודה.
      2. קשרים קוולנטיים חזקים בין האטומים.
      3. הגרפיט בנוי במבנה ענק של שכבות.
      4. בכל שכבה, כל אטום פחמן קשור בקשרים קוולנטיים לשלושה אטומי פחמן.
      5. לכל אטום פחמן נותר אלקטרון אחד לא מזווג, האלקטרונים הלא מזווגים של כל אטומי הפחמן בשכבה נעים בחופשיות בשכבה.
        (מספיק לציין 3 מאפיינים)
    2. גרפיט מוליך זרם חשמלי. הסבר מדוע.
      לגרפיט ‾e ניידים ולכן יש לגרפיט מוליכות חשמלית במצב מוצק.

  1. כימיה של מזון ואנרגייה

חמאה היא מוצר עתיר שומן המופק מחלב או משמנת בתהליך המכונה חיבוץ.

  1. השומן מספק 99.4% מן הערך הקלורי של חמאה.
    הערך הקלורי של 100 גרם חמאה הוא 733 קילו-קלוריות.
    נתון: הערך הקלורי של 1 גרם שומן הוא 9 קילו-קלוריות.
    חשב כמה גרם שומן יש ב- 100 גרם חמאה. פרט את חישוביך.
    קילו-קלוריות 733 × 99.4100 = 728.602
    m=\frac { 728.602 }{ 9 } =80.95g

מדענים מצאו שבחמאה יש למעלה מ- 200 סוגים של טריגליצרידים.

לפניך טבלה המציגה את חומצות השומן העיקריות המרכיבות טריגליצרידים בחמאה.

חומצת השומן סמל רישום מקוצר
של חומצת השומן
אחוז
חומצה מירסטית M C14:0 12%
חומצה פלמיטית P C16:0 26%
חומצה סטארית S C18:0 11%
חומצה אולאית O C18:1ω9 , cis 28%
  1. כאשר מוציאים חמאה מן המקרר, היא מתרככת בטמפרטורת החדר ואפשר למרוח אותה בקלות.
    לפניך רשימה של טריגליצרידים המצויים בחמאה:
    MOO , SPS , SPM , MPO , SPP , POO
    שלושה מן הטריגליצרידים שברשימה גורמים לחמאה להתרכך בטמפרטורת החדר.
    קבע מה הם שלושת הטריגליצרידים האלה. הסבר מדוע הם גורמים לריכוך החמאה.
    תשובה:
    MOO ,  MPO , POO
    בשלושת הטריגליצרידים הללו יש שרשרת פחמימנית שמקורה בחומצת שומן לא רוויה. קיום קשר כפול גורם לכיפוף במבנה המולקולה ולא מאפשר / מקטין את היכולת ליצור אריזה צפופה בין המולקולות ולכן אינטראקציות הואן דר ואלס בין המולקולות הללו חלשות יותר וצריך פחות אנרגיה כדי להפריד ביניהם.
  2. חומצה בוטרית, C4:0 , היא מרכיב של אחוז קטן של טריגליצרידים בחמאה.
    כאשר חמאה מתקלקלת, בגלל הידרוליזה של טריגליצרידים אלה, נוצרת חומצה בוטירית המפיצה ריח לא נעים.

    1. הטריגליצריד SPB הוא אחד מן הטריגליצרידים המורכב בין השאר מחומצה בוטירית.
      האות B היא הסמל של החומצה הבוטירית.
      רשום ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של הטריגליצריד SPB.
      נתון הייצוג המקוצר לנוסחת המבנה של מולקולת גליצרול:
      שאלה 11ג מולקולת גליצרול
      תשובה 11גi ייצוג מקוצר של נוסחת מבנה טריגליצריד SPB
    2. האינטראקציות בין המולקולות של הטריגליצריד SPB חלשות מן האינטראקציות שבין המולקולות של הטריגליצריד SPP. ציין מהו הגורם לכך.
      ענן אלקטרונים קטן יותר בטריגליצריד SPB, כי לחומצה הבוטירית יש פחות אטומי פחמן מאשר לחומצה הפלמיטית, לכן אינטראקציות הואן דר ואלס בין המולקולות של הטריגליצריד SPB חלשות יותר.
  3. חומצות שומן, בצורה של טריגליצרידים, נאגרות בגוף בתאי שומן ומשמשות בין השאר מקור אנרגייה.
    חומצות השומן שבתאים עוברות שרשרת של תהליכים שבהם נוצרים פחמן דו חמצני, CO2(g) , ומים , H2O(ℓ) , בדומה לתגובת השרפה המלאה של תרכובות פחמן.
    תגובה (1) שלפניך היא תגובת השרפה המלאה של חומצה בוטידית.

    (1)  C3H7COOH(ℓ) + 5O2(g) → 4CO2(g) + 4H2O(ℓ)         ΔH0(1)=?

    נתונות 3 תגובות I-III:

    I.   C(s) + O2(g) → CO2(g)                                 ΔH0(I)=-393.5kJ
    II.   H2(g) + 12O2(g) → H2O(ℓ)                           ΔH0(II)=-286.0kJ
    III.  4C(s) + 4H2(g) + O2(g) → C3H7COOH(ℓ)     ΔH0(III)=-534.0kJ

    היעזר בנתונים אלה וחשב את הערך של ΔH0(1)
    תשובה
    תגובה I כפול 4
    תגובה II כפול 4
    תגובה III כפול 1-

    I.   4C(s) + 4O2(g) → 4CO2(g)                                      ΔH0(I)=-1574kJ
    II.   4H2(g) + 2O2(g) → 4H2O(ℓ)                                    ΔH0(II)=1144kJ
    III.  C3H7COOH(ℓ)4C(s) + 4H2(g) + O2(g)               ΔH0(III)=-534.0kJ


          C3H7COOH(ℓ) + 5O2(g) → 4CO2(g) + 4H2O(ℓ)      ΔH0 = -2184kJ

  4. במעבדה ביצעו את תגובה (2) שלפניך

    (2)  C3H7COOH(g) + 5O2(g) → 4CO2(g) + 4H2O(g)       ΔH0(2)= -2,065.6kJ

    בטבלה שלפניך מוצגים ערכים של אנתלפיות קשר.

    הקשר O–H
    (במולקולת H2O)
    C=O
    (במולקולת CO2)
    אנתלפיית הקשר
    (kJmoℓ)
    463 803

    חשב את כמות האנרגייה שיש להשקיע כדי לפרק את כל הקשרים הקוולנטיים במגיבים, בתגובה של 1 מול C3H7COOH(g). פרט את חישוביך.

  1. תשובה 11ה פירוט הקשרים בתגובה
    תשובה 11ה - משוואה

    -2065.6 = X – (8×803 + 8×463)
    X=8062.4kJ


  1. סטויכיומטריה

המתכת מגנזיום, Mg(s) , משמשת בעיקר בתעשיית הרכב והתעופה. בדרך כלל משתמשים בסגסוגת של Mg(s)  עם אלומיניום , Aℓ(s) , אך לפעמים מוסיפים לסגסוגת כמויות זעירות של מתכות אחרות, לדוגמה טיטניום,Ti(s),  (המספר האטומי של טיטניום הוא 22)

  1. ב- 1 ק"ג של אחת מן הסגסוגות של מגנזיום יש 0.1 גרם של Ti(s) .
    חשב כמה אטומי Ti יש ב-1 ק"ג של סגסוגת זו. פרט את חישוביך.
    נתון: במול אחד של חלקיקיים יש 6.02×1023 חלקיקים.
    n=\cfrac { m }{ Mw } =\cfrac { 0.1 }{ 47.9 } =2.04\times { 10 }^{ -3 }mol

    N = n × NA = 2.04×10-3 × 6.02×1020 = 1.228×1021אטומים

בסוף המאה ה-20 הוקם בסדום מפעל להפקת המתכת Mg(s) כדי לנצל את הריכוז הגבוה של יוני מגנזיום, Mg2+(aq) , במי ים המלח.

  1. ריכוז יוני Mg2+(aq) במי ים המלח הוא 39.2 גרם לליטר.
    חשב את הריכוז המולרי של יוני Mg2+(aq) במי ים המלח פרט את חישוביך.
    39.2ג'………………..1 ליטר
    n=\cfrac { m }{ Mw } =\cfrac { 39.2 }{ 24.3 } =1.613mol
    C=\cfrac { n }{ V } =\cfrac { 1.613 }{ 1 } =1.61314
  2. ממי ים המלח מפירים תערובת המכונה קרנליט, שאחד ממרכיביה הוא מגנזיום כלורי ,  MgCℓ2(s).
    באחד השלבים להפקת Mg(s) מתיכים את הקרנליט בטמפרטורה של 700°C ומעבירים דרכו זרם חשמלי.
    בתנאים אלה מתרחשת תגובה (1):
    שאלה 12 - תגובה קרנליט

    1. הסבר מדוע צריך להתיך את הקרנליט לפני שמעבירים זרם חשמלי.
      כדי להפיק את המגנזיום יש להעביר דרכו זרם חשמלי. היות ומגנזיום כלורי הוא חומר יוני, במצב מוצק לא ניתן להעביר זרם חשמלי דרכו כי היונים לא ניידים, לכן יש להתיך את הקרנליט במצב מותך (נוזל) יש לחומר היוני יונים ניידים ולכן ניתן להעביר דרכו זרם חשמלי.
    2. חשב את הנפח של גז Cℓ2(g) שמתקבל בעת הפקת 1 טון Mg(s). פרט את חישוביך.
      נתון: ב- 1 טון יש 1,000,000 גרם (1×106 גרם).
      בתנאי התגובה הנפח של 1 מול גז הוא 80 ליטר.

      Cℓ2(g) Mg(s)
      1 : 1 יחס מולים
      1000000 m (גרם)
      24.3 Mw (גרם למול)
      4115.2 \xrightarrow { \times \cfrac { 1 }{ 1 } } 41152 n (מול)
      80 Vm (ליטר למול)
      3292181 V (ליטר)
  3. חלק מן ה- Cℓ2(g) המופק במפעל המגנזיום משמש להפקת ברום,  Br2(ℓ).
    מזרימים גז Cℓ2(g) לתמיסה המכילה יוני ברום Br‾(aq) .
    מתרחשת תגובה (2).

    (2)  Cℓ2(g) + 2Br‾(aq) → Br2(ℓ) + 2Cℓ ‾(aq)

    הריכוז של יוני Br‾(aq) בתמיסה המשמשת להפקת Br2(ℓ) הוא 0.125M.
    חשב את נפח התמיסה הדרוש להפקת 1,000 מול Br2(ℓ) . פרט את חישוביך.

    Br‾(aq) Br2(ℓ)
    2 : 1 יחס מולים
    2000 \xrightarrow { \times \cfrac { 2 }{ 1 } } 1000 n (מול)
    0.125 0.5 (M) C
    16000 0.05 V (ליטר)
  4. במעבדה בוצע ניסוי להפקת ברום על פי תגובה (2).
    הזרימו גז Cℓ2(g) ל- 100 מ"ל תמיסה המכילה יוני Br‾(aq) בריכוז 0.5M.

    1. חשב את המסה של Br2(ℓ) שהתקבל. פרט את חישוביך.
      Br2(ℓ) Br‾(aq)
      1 : 2 יחס מולים
      0.1 V (ליטר)
      0.5 (M) C
      0.025 \xrightarrow { \times \cfrac { 1 }{ 2 } } 0.05 n (מול)
      159.8 Mw (גרם למול)
      3.995 m (גרם)
    2. חשב את הנפח של Cℓ2(g) שהגיב. פרט את חישוביך.
      נתון: בתנאי הניסוי הנפח של 1 מול גז הוא 2.5 ליטר.

      Cℓ2(g) Br2(ℓ)
      1 : 1 יחס מולים
      0.025 \xrightarrow { \times \cfrac { 1 }{ 2 } } 0.025 n (מול)
      25 Vm (ליטר למול)
      0.625 V (ליטר)

  1. חמצון חיזור

השאלה עוסקת בכושר היחסי של מתכות לחזר ובכושר היחסי של יונים ממוימים לחמצן.

לפניך רשימה של יוני מתכת ממוימים:

Cu2+(aq)  ,  Ag+(aq) ,  Fb2+(aq) ,  Zn2+(aq)

  1. במעבדה ביצעו ניסוי בשני שלבים.
    בשלב הראשון טבלו פס נחושת, Cu(s) , בכוס המכילה תמיסה חסרת צבע של כסף חנקתי , AgNO3(aq) .
    בתגובה שהתרחשה הגיבו כל יוני הכסף, Ag+(aq) .
    צבע התמיסה השתנה לתכלת ובתחתית הכוס התקבל משקע אפור.

    1. רשום ניסוח נטו מאוזן לתגובה שהתרחשה בשלב הראשון של הניסוי.

      Cu(s) + 2Ag+(aq) → 2Ag(s) + Cu2+(aq)

    בשלב השני, בתום התגובה שהתרחשה בשלב הראשון, הפרידו את המשקע האפור מן התמיסה.
    לאחר מכן טבלו פס אבץ, Zn(s) , בתמיסה. התרחשה תגובה.
    התקבלו תמיסה חסרת צבע ומשקע בצבע חום-אדום.

    1. רשום ניסוח נטו מאוזן לתגובה שהתרחשה בשלב השני של הניסוי.

      Zn(s) + Cu+2(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

    2. סדר את המתכות: נחושת, Cu(s) , כסף, Ag(s) , ואבץ, Zn(s) , על פי הכושר היחסי שלהן לחזר, מן הגבוה לנמוך.
      נמק את תשובתך על פי התוצאות של שני שלבי הניסוי.

      Zn(s) > Cu(s) > Ag(s)

      בתגובה הראשונה המתכת Cu(s) העבירה אלקטרונים ליוני Ag+(aq) ולכן ניתן לקבוע שהיא מחזרת טובה יותר מאשר המתכת Ag(s) .
      בתגובה השנייה המתכת Zn(s) העבירה אלקטרונים Cu2+(aq) ליוני  ולכן ניתן לקבוע שהיא מחזרת טובה יותר מאשר המתכת Cu(s) .

  2. מתכות החשופות לסביבה עוברות לעיתים קורוזיה. כדי למנוע את הקורוזיה נוקטים באמצעי הגנה שונים.
    1. כדי למנוע קורוזיה, מצפים צינורות ברזל, Fe(s) , הטמונים באדמה באבץ, Zn(s) .
      ציפוי צינורות ברזל בנחושת, Cu(s) , אינו מונע קורוזיה של הברזל.
      קבע איזו מתכת Cu(s) או Zn(s), היא חומר מחזר יותר טוב מ- Fe(s). נמק את קביעתך.
      המתכת אבץ Zn(s) היא  מחזרת טובה יותר מאשר המתכת ברזל, היא מתחמצנת ולא הברזל ויוצרת שכבת הגנה (שכבת פאסיבציה תוצר החמצון לא מתפורר כמו חלודה) לברזל.
      ניתן גם לומר שהמתכת אבץ היא מחזרת טובה יותר כי היא מתחמצנת ומונעת ממתכת הברזל להתחמצן ואילו הנחושת לא מונעת מהברזל להתחמצן.
    2. פסל החירות בניו יורק בנוי מעמודי ברזל שאליהם מחוברים לוחות נחושת.
      בנקודות המגע שבין עמודי הברזל ובין לוחות הנחושת נוצרה קורוזיה.
      הסבר מדוע נוצרה קורוזיה בנקודות המגע האלה.
      הנחושת לא מגנה על הברזל מפני קורוזיה, הנחושת היא מחזרת פחות טובה מהברזל, לכן הברזל עובר חמצון/קורוזיה ברווח שקיים ביניהם, שם הוא חשוף לסביבה.
      (בנקודת החיבור המבנה המתכתי פגום כתוצאה מהחיבור ולכן שם נוצרת הקורוזיה. היות והברזל מחזר טוב יותר מהנחושת הוא מתחמצן.)

  3. סדר את היונים Fe2+(aq)  ,Cu2+(aq)  ,  Ag+(aq) ,  Zn2+(aq) על פי הכושר היחסי שלהם לחמצן, מן הגבוה לנמוך.
    התבסס על המידע שבסעיפים א ו-ב.
    Ag+(aq) > Cu2+(aq) > Fe2+(aq) > Zn2+(aq)
  4. יוני הידרוניום, H3O+(aq) , יכולים להגיב כמחמצן.
    כאשר טובלים פס Fe(s) בתמיסה של חומצת מימן כלורי, HCℓ(aq) , מתרחשת תגובה (1):

    (1) Fe(s) + 2H3O+(aq) → Fe2+(aq) + H2(g) + 2H2O(ℓ)

    קבע איזה מהיונים H3O+(aq) או Fe2+(aq) , הוא מחמצן טוב יותר. נמק.
    יוני H3O+(aq) הם מחמצן טוב יותר כי בתגובה אטומי H ביון H3O+(aq) קיבלו ‾e מה- Fe(s). אטומי ה- H  שביוני ההידרוניום עברו תגובת חיזור ( פעלו כמחמצן).
    (הברזל פעל כמחזר בתגובה ועלה בדרגת החמצון ולכן הוא מחזר טוב יותר, יוני הברזל מחמצנים פחות טובים).


  1. חומצות בסיסים וסטויכיומטריה

בכל אחד משני כלים A ו- B יש 500 מ"ל מים H2O(ℓ).

לכלי A הזרימו 100 מ"ל גז מימן ברומי, HBr(g) .

לכלי B הזרימו 100 מ"ל גז אמוניה, NH3(g) .

  1. א
    1. נסח את התגובה שהתרחשה בכלי A ואת התגובה שהתרחשה בכלי B.

      HBr(g) + H2O(ℓ) → H3O+(aq) + Br ‾(aq)
      NH3(g) + H2O(ℓ) → NH4+(aq) + OH ‾(aq)

    2. קבע האם ה- pH של התמיסה בכל אחד מן הכלים A ו- B בתום התגובה היה גדול מ- 7, קטן מ- 7 או שווה ל- 7. נמק.
      ה- pH בתמיסה שבכלי A קטן מ- 7 כי יש עודף יוני H3O+(aq) בתמיסה.
      ה- pH בתמיסה שבכלי B גדול מ- 7 כי יש עודף יוני OH‾(aq) בתמיסה.
    3. חשב את הריכוז המולרי של התמיסה שהתקבלה בכלי A. פרט את חישוביך.
      נתון: בתנאי התגובה הנפח של 1 מול גז הוא 25 ליטר.

      HBr
      0.1 V (ליטר) גז
      25 Vm (ליטר למול)
      0.004 n (מול)
      0.5 V (ליטר) תמיסה
      0.008 (M) C
  2. ל- 100 מ"ל מן התמיסה שבכלי A הוסיפו בהדרגה 900 מ"ל מים ומדדו את ה- pH של התמיסה.
    קבע איזה מן הגרפים I-IV שלפניך מתאר נכון את השינוי ב- pH של התמיסה במהלך הוספת המים. נמק.
    שאלה 14 גרפים
    תשובה
    גרף IV, כי בהוספת המים ריכוז יוני H3O+(aq) קטן ולכן ה- pH גדל אבל לא עובר את הערך 7 (התמיסה עדיין חומצית).
  3. ערבבו 100 מ"ל מן התמיסה שבכלי A עם 20 מ"ל תמיסת אשלגן הידרוקסידי,  KOH(aq).
    התרחשה תגובה. ה- pH של התמיסה בתום התגובה היה שווה ל- 7.

    1. רשום ניסוח נטו לתגובה שהתרחשה.

      H3O+(aq) + OH ‾(aq) → 2H2O(ℓ)

    2. חשב את הריכוז המולרי של תמיסת  KOH(aq). פרט את חישוביך ונמק.
      H3O+(aq) HBr(g)
      1 : 1 יחס מולים
      0.1 V (ליטר)
      0.008 (M) C
      0.0008 \xrightarrow { \times \cfrac { 1 }{ 1 } } 0.0008 n (מול)
      OH ‾(aq) H3O+(aq)
      1 : 1 יחס מולים
      0.0008 \xrightarrow { \times \cfrac { 1 }{ 1 } } 0.0008 n (מול)
      KOH(aq) OH ‾(aq)
      1 : 1 יחס מולים
      0.0008 \xrightarrow { \times \cfrac { 1 }{ 1 } } 0.0008 n (מול)
      0.02 V (ליטר)
      0.04 (M) C
  4. כאשר הגז HBr(g) בא במגע עם הגז NH3(g) , מתרחשת התגובה:

    HBr(g) + NH3(g) → NH4Br(s)

    המוצק אמוניום ברומי, NH4Br(s) , שנוצר בתגובה מתמוסס היטב במים.
    קבע עבור כל אחד מההיגדים i ו- ii שלפניך, אם הוא נכון או לא נכון. נמק כל קביעה.

    1. התגובה בין HBr(g) ובין NH3(g) היא תגובת חומצה-בסיס.
      נכון. יש מעבר פרוטון מ- HBr(g) ל- NH3(g).
    2. התמיסה המימית של NH4Br(aq) מוליכה זרם חשמלי.
      נכון. בתמיסה יש יונים ניידים.