פרק שני (60 נקודות)

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

10. מבנה האטום, מבנה וקישור, חישובים

סוללות ליתיום מספקת אנרגייה למכשירים רבים. הן מכילות תרכובות יוניות, תמיסות שמכילות יונים ניידים וחומרים נוספים.
ליתיום, Li_(s), היה מרכיב חיוני בסוללות הליתיום הראשונות.

1. תארו את מבנה הליתיום, Li_(s), והסבירו מדוע החומר מוליך חשמל בטמפרטורת החדר.
   תשובה:
   המבנה מכיל יוני ליתיום ⁺Li שביניהם נעים ים אלקטרונים לא מאותרים, (ביניהם ישנו קשר מתכתי).
   Li_(s) מוליך זרם חשמלי בזכות ים האלקטרונים הניידים שיש במבנה של מתכת הליתיום.

בסוללות שאינן מבוססות על ליתיום הממס הוא מים. אולם, בסוללות ליתיום הממסים אינם מימיים.
לפניכם התגובה הבאה:

Li_(s) + H₂O_(ℓ) →

$\frac{1}{2}$

H_2(g) + Li⁺_(aq) +OH^–_(aq)         ΔH⁰ <0

2. הסבירו מדוע לא משתמשים במים כממס בסוללת ליתיום.
   תשובה:
   לא משתמשים במים כממס בסוללת ליתיום מכיוון שהמים מגיבים עם הליתיום.
   בתגובה משתחרר גז מימן דליק, סוללה בדרך כלל אטומה ויצירת גז תגרום ללחץ בתוך הסוללה דבר שיכול לגרום לפיצוץ הסוללה.
   בנוסף משתחררת בתגובה אנרגיה בשילוב עם גז המימן הדליק יכול להתרחש פיצוץ.

אחד הממסים בסוללת ליתיום הוא די-מתיל קרבונט (DMC).

לפניכם ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של מולקולת DMC:

3. רשמו נוסחה מולקולרית של DMC.
   תשובה:
   C₃H₆O₃

לפניכם ייצוגים מקוצרים לנוסחאות מבנה של שלוש מולקולות נוספות:

4. איזו מולקולה או אילו מולקולות הן איזומרים של DMC? הסבירו את בחירתכם.
   תשובה:
   למולקולות 1 ו-3 יש אותה נוסחה מולקולרית כמו DMC ונוסחת מבנה שונה ולכן הם איזומרים של DMC.
   למולקולות חומר 2 יש נוסחה מולקולרית שונה מזו של DMC ולכן חומר 2 אינו איזומר של DMC. (הנוסחה המולקולרית של חומר 2 היא C₃H₄O₃)
5. טמפרטורת הרתיחה של DMC נמוכה מטמפרטורת רתיחה של מים באותם תנאים. הסבירו עובדה זו.
   תשובה:
   בין מולקולות DMC יש אינטראקציות ון-דר-ואלס. בין מולקולות המים יש קשרי מימן שחזקים מאינטראקציות הון-דר-ואלס שבין מולקולות DMC.
   נדרשת יותר אנרגיה לפירוק קשרי המימן שבין מולקולות המים ולכן טמפרטורת הרתיחה של מים גבוהה מזו של DMC. (טמפרטורת הרתיחה של DMC נמוכה מטמפרטורת הרתיחה של המים).
6. המסו 139 גרם DMC במים והכינו 1 ליטר תמיסה.
   
   1. הסבירו מדוע DNC מתמוסס במים.
      תשובה:
      DMC נמס במים כי אטומי החמצן במולקולת ה DMC – מהווים מוקד ליצירת קשרי מימן. אטומי המימן החשופים מאלקטרונים במולקולת המים נמשכים לזוג אלקטרונים לא קושר של אטום חמצן במולקולת DMC הסמוכה אליהם.
   2. חשבו את הריכוז המולרי של התמיסה שהוכנה.
      תשובה:
      
      $$\begin{gathered} \mathbf{n}\mathbf{=}\frac{\mathbf{m}}{\mathbf{Mw}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{139}}{\mathbf{90}}\mathbf{=}\mathbf{1}\mathbf{.}\mathbf{54}\mathbf{ }\mathbf{mol} \\ \mathbf{C}\mathbf{=}\frac{\mathbf{n}}{\mathbf{V}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}\mathbf{.}\mathbf{54}}{\mathbf{1}}\mathbf{=}\mathbf{1}\mathbf{.}\mathbf{54}\mathbf{ }\mathbf{M} \end{gathered}$$

סוללות ליתיום נטענות נקראות סוללות ליתיום-יון והן משמשות, בין השאר, להפעלת מכוניות חשמליות.
יש סוללות ליתיום-יון שמבוססות על תרכובות של ליתיום, כגון ליתיום קובלט חמצני, LiCoO_2(g).
התרכובת היונית LiCoO_2(g) מורכבת מיוני ליתיום, יוני קובלט, Co³⁺, ויוני חמצן, O^2-.

7. רשמו נוסחאות ייצוג אלקטרונים של יוני ליתיום ושל יוני חמצן.
   תשובה:
   

11. חומצות שומן, מבנה וקישור, חישובים

בפולי קקאו יש חמאת קקאו ומוצקי קקאו. חמאת קקאו מכילה שומן. מוצקי קקאו מכילים חומרים שאינם שומן.
לאחר טיפול מתאים בפולי הקקאו מייצרים מהם שוקולד.
שוקולד הוא תערובת של חמאת קקאו ומוצרי קקאו ומרכיבים אחרים כמו סוכר וחומרי טעם במינונים שונים.

בחמאת קקאו יש טריגליצרים שמורכבים בעיקר משלוש חומצות השומן שמוצגות בטבלה 1:

חומצת שומן	סמל	ייצוג מקוצר לנוסחת מבנה
חומצה פלמיטית	P
חומצה סטארית	S
חומצה אולאית	O

טבלה 1

1. כתבו רישום מקוצר של כל אחת מחומצות השומן שמוצגות בטבלה 1.
   תשובה:
   חומצה פלמיטית: C16:0
   חומצה סטארית: C18:0
   חומצה אולאית: C18:1ω9 cis
2. טמפרטורת ההיתוך של חומצה פלמיטית נמוכה מטמפרטורת ההיתוך של חומצה סטארית. מהו הגורם לכך?
   תשובה:
   גודל ענן אלקטרונים (מספר אטומי פחמן, אורך השרשרת הפחמנית).

חמאת קקאו מכילה חומצות שומן נוספות בכמויות קטנות, ובהן חומצות השומן שרשומות בטבלה 2:

טבלה 2

3. רשמו ייצוג מקוצר של נוסחאות המבנה של חומצות השומן הלא רוויות שרשומות בטבלה 2.
   תשובה:
   חומצה לינולאית
   חומצה לינולנית
   
4. טמפרטורת ההיתוך של חומצה אולאית גבוהה מטמפרטורת ההיתוך של חומצה לינולאית. מהו הגורם לכך?
   תשובה:
   מידת הריוויון (מספר קשרי C=C במולקולה)

חומצת שומן נוספת בחמאת הקקאו היא חומצה פלמיטולאית. הרישום המקוצר של חומצה זו הוא C16:1ω7 cis.

5. רשמו ייצוג מלא של נוסחת המבנה של מולקולת חומצה פלמיטולאית.
   תשובה:
   

הסמלים של הטריגליצרידים בחמאת קקאו הם: POP, SOS, POS.

לפניכם ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של מולקולת טריגליצריד:

6. בחרו את הסמל המתאים לייצוג המקוצר של נוסחת המבנה הנתונה.
   תשובה:
   POS

לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה של שלוש מולקולות:

7. איזה ייצוג מקוצר משלושת הייצוגים האלה מתאים לייצוג המקוצר של נוסחת המבנה של מולקולת הגליצרול?
   תשובה:
   ייצוג מקוצר מספר 1 מתאים לייצוג המקוצר של נוסחת המבנה של מולקולת הגליצרול.

מוצקי הקקאו שבשוקולד מכילים, בין השאר, את החומרים הממריצים תאוברומין וקפאין.

לפניכם ייצוג מקוצר של נוסחאות המבנה של מולקולת תאוברומין, C₇H₈N₄O₂, ומולקולת קפאין, C₈H₁₀N₄O₂.

8. הסבירו מדוע החומרים תאוברומין וקפאין מתמוססים בחמאת קקאו.
   תשובה:
   בין מולקולות התאוברומין או מולקולות הקפאין למולקולות של הטריגליצרידים ולחומצות השומן הנמצאות בחמאת הקקאו נוצרים בעיקר אינטראקציות ון-דר-ולס (ומעט מאוד קשרי מימן) ולכן תאוברומין או קפאין מתמוססים בחמאת הקקאו.
9. לפניכם נתונים על ריכוז קפאין במשקאות שונים.
   
   רצוי לצרוך לא יותר מ- 400 מיליגרם קפאין ביום. תלמיד שתה 4 פחיות משקה אנרגייה ביום אחד.
   
   1. מהי מסת הקפאין בפחית אחת של משקה אנרגיה? פרטו את חישוביכם.
      תשובה
      הריכוז של הקפאין במשקה אנרגייה הוא 1.6mM שהוא: 1.6×10^-3M
      נפח פחית השתייה הוא 0.33 ליטר ולכן:
      n = C × V = 1.6×10^-3 × 0.33 = 5.28×10^-4 mol (קפאין)
      Mw = 194 gram / mol (קפאין)
      m = n × Mw = 5.28×10^-4 × 194 = 0.102 gram (קפאין)
      בפחית אחת של משקה אנרגיה יש 0.102 גרם של קפאין.
   2. קבעו אם התלמיד עבר את צריכת הקפאין היומית המומלצת (בהנחה שמשקה זה היה מקור הקפאין היחיד). פרטו את חישוביכם.
      נתונים: 1×10^-3M = 1mM
        1 מיליגרם = 10^-3×1 גרם
        נפח פחית = 330 מ”ל

      תשובה:
      אם תלמיד שתה ארבע פחיות משקה אנרגייה הוא שתה 0.102 כפול 4 גרם קפאין. זאת אומרת שהוא שתה 0.408 גרם קפאין.
      היות שרצוי לצרוך לא יותר מ- 400 מיליגרם קפאין ליום שהם 0.4 גרם. ניתן לקבוע שהתלמיד עבר את צריכת הקפאין היומית הממולצת.

12. חומצות ובסיסים

לפניכם 3 כוסות כימיות שכל אחת מהן מכילה חומצה אחרת.

בכל אחת מן התמיסות טבלו נייר לקמוס ורוד וגם נייר לקמוס כחול. כמו כן, בדקו בכל אחת מהתמיסות את ערך ה- pH ואת המוליכות החשמלית.

בכל אחת מן הכוסות נמצא כי:

• הצבע של שני ניירות הלקמוס בתמיסה הוא ורוד.
• ערך ה- pH של התמיסה הוא 2.
• התמיסה מוליכה חשמל.

נתון: בטבלה שלפניכם מצויין הצבע של ניירות לקמוס שנטבלו בתמיסות שונות.

1. א
   
   1. ציינו את כל סוגי החלקיקים שנמצאים בכל אחת מן התמיסות בכוסות 3-1.
      תשובה:
      תמיסה 1 מכילה: יוני H₃O⁺_(aq) ,Cℓ^–_(aq) ומולקולות H₂O.
      תמיסה 2 מכילה: יוני H₃O⁺_(aq) ,NO₃^–_(aq) ומולקולות H₂O.
      תמיסה 3 מכילה : יוני H₃O⁺_(aq) , Br^–_(aq) ומולקולות H₂O.
   2. מדוע כל אחת מהתמיסות מוליכה חשמל?
      תשובה:
      בכל התמיסות יש יונים ממוימים ניידים.
   3. מדוע ערך ה- pH זהה בכל הכוסות?
      תשובה:
      בכל התמיסות ריכוז יוני ההידרוניום, H₃O⁺_(aq), שווה.

לכל אחת מן הכוסות הוסיפו תמיסת נתרן הידרוקסידי, NaOH_(aq), בנפחים ובריכוזים שונים, כמפורט לפניכם.

לכוס 1 – הוסיפו 50 מ”ל תמיסת NaOH_(aq) בריכוז 0.02M.
לכוס 2 – הוסיפו 50 מ”ל תמיסת NaOH_(aq) בריכוז 0.01M.
לכוס 3 – הוסיפו 100 מ”ל תמיסת NaOH_(aq) בריכוז 0.02M.

לאחר ההוספה, התקבלה תמיסה צלולה בכל אחת מן הכוסות.

בכל אחת מן הכוסות טבלו נייר לקמוס ורוד.

2. ב
   
   1. רשמו ניסוח נטו של התגובה שהתרחשה בכל אחת מן הכוסות.
      תשובה:
      H₃O⁺_(aq) + OH^–_(aq) → 2H₂O_(ℓ)
   2. באיזו מן הכוסות נראה שינוי בצבע של נייר הלקמוס? פרטו את חישוביכם.
      תשובה:
      כעת יש לבדוק בכל אחת מהכוסות כמה מול יוני הידרוניום היו בכוס וכמה מול יוני הידרוקסיד הכניסו, ובעקבות תגובת הסתירה מאיזה יון נותר עודף.
      כוס 1
      

      H3O+(aq)		HCℓ(aq)
      1		1	יחס מולים
      		0.1	V (ליטר)
      		0.01	(M) C
      0.001	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.001	n (מול)

      לכוס הוסיפו

      OH–(aq)		NaOH(aq)
      1		1	יחס מולים
      		0.05	V (ליטר)
      		0.02	(M) C
      0.001	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.001	n (מול)

      OH–(aq)		H3O+(aq)
      1		1	יחס מולים
      0.001		0.001	n (מול) התחלה
      0.001	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.001	n (מול) תגובה
      —-		—-	n (מול) סוף

      היות שבתום התגובה אין עודף יוני הידרוניום או עודף יוני הידרוקסיד (התרחשה תגובת סתירה בשלמות) ניתן לקבוע שערך ה-pH של התמיסה בתום התגובה הוא 7, התמיסה ניטראלית ולכן לא יחול שינוי בצבע נייר הלקמוס הורוד.
      כוס 2

      H3O+(aq)		HNO3(aq)
      1		1	יחס מולים
      		0.1	V (ליטר)
      		0.01	(M) C
      0.001	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.001	n (מול)

      לכוס הוסיפו

      OH–(aq)		NaOH(aq)
      1		1	יחס מולים
      		0.05	V (ליטר)
      		0.01	(M) C
      0.0005	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.0005	n (מול)

      OH–(aq)		H3O+(aq)
      1		1	יחס מולים
      0.0005		0.001	n (מול) התחלה
      0.0005	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\leftarrow }}$	0.0005	n (מול) תגובה
      —-		0.0005	n (מול) סוף

      היות שבתום התגובה יש עודף יוני הידרוניום, ניתן לקבוע שערך ה-pH של התמיסה בתום התגובה קטן מ- 7, התמיסה חומצית ולכן לא יכול שינוי בצבע נייר הלקמוס הורוד.
      כוס 3

      H3O+(aq)		HBr(aq)
      1		1	יחס מולים
      		0.1	V (ליטר)
      		0.01	(M) C
      0.001	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.001	n (מול)

      לכוס הוסיפו

      OH–(aq)		NaOH(aq)
      1		1	יחס מולים
      		0.1	V (ליטר)
      		0.02	(M) C
      0.002	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.002	n (מול)

      OH–(aq)		H3O+(aq)
      1		1	יחס מולים
      0.002		0.001	n (מול) התחלה
      0.001	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.001	n (מול) תגובה
      0.001		—-	n (מול) סוף

      היות שבתום התגובה יש עודף יוני הידרוקסיד ניתן לקבוע שערך ה-pH של התמיסה בתום התגובה גדול 7, התמיסה בסיסית ולכן יכול שינוי בצבע נייר הלקמוס הורוד, הוא יהפוך לכחול.

   3. קבעו אם ה- pH היה קטן מ- 7, שווה ל- 7, או גדול מ- 7 בכל אחת מן הכוסות לאחר ההוספה של תמיסת נתרן הידרוקסידי.
      תשובה:
      על פי החישובים שנעשו בסעיף הקודם ניתן לקבוע כי:
       – לאחר ההוספה בכוס הראשונה ערך ה- pH הוא 7.
       – לאחר ההוספה בכוס השנייה ערך ה- pH קטן 7.
       – לאחר ההוספה בכוס השלישית ערך ה- pH גדול 7.
3. נערכו שני ניסויים
   ניסוי 1
   מדדו את ה- pH של 100 מ”ל תמיסת H₂SO_4(aq) בריכוז 0.2M.
   לתמיסה זו הוסיפו 100 מ”ל תמיסת HCℓ_(aq) בריכוז 0.2M וערבבו את שתי התמיסות.
   בתום הערבוב בדקו שוב את ה- pH.
   
   1. קבעו אם בתום הערבוב ה- pH גבוה מן ה- pH ההתחלתי, נמוך ממנו או שווה לו. נמקו או פרטו את חישוביכם.
      תשובה:
      ראשית נחשב את ריכוז יוני ההידרוניום, H₃O⁺_(aq), בתמיסה לפני ההוספה.
      

      H3O+(aq)		H2SO4(aq)
      2		1	יחס מולים
      0.1		0.1	V (ליטר)
      0.4		0.2	(M) C
      0.04	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{2}{1}}{\mathbf{\to }}$	0.02	n (מול)

      כעת נחשב כמה מול יוני הידרוניום התווספו מהתמיסה השנייה.
      

      H3O+(aq)		HCℓ(aq)
      1		1	יחס מולים
      		0.1	V (ליטר)
      		0.2	(M) C
      0.02	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	0.02	n (מול)

      כעת נחשב את ריכוז יוני ההידרוניום החדש לאחר ערבוב שתי התמיסות:

      $\mathbf{C}\mathbf{=}\frac{n}{V}\mathbf{=}\frac{0.04+0.02}{0.1+0.1}\mathbf{=}\mathbf{0}\mathbf{.}\mathbf{3}\mathbf{M}$

      היות שריכוז יוני ההידרוניום ירד מ- 0.4M ל- 0.3M ניתן לקבוע שערך ה-pH עלה, זאת אומרת שערך ה-pH לאחר ערבוב התמיסות גבוה מערך ה- pH ההתחלתי.

ניסוי 2
מדדו את ה- pH של 100 מ”ל תמיסת HCℓ_(aq) בריכוז 0.1M.
לתמיסה זו הוסיפו 100 מ”ל תמיסת NaCℓ_(aq) בריכוז 0.1M וערבבו את שתי התמיסות.
בתום הערבוב בדקו שוב את ה- pH.

1. 2. קבעו אם בתום הערבוב ה- pH גבוה מן ה- pH ההתחלתי, נמוך ממנו או שווה לו? נמקו או פרטו את חישוביכם.
      תשובה:
      במקרה זה אפשר לבצע חישוב אבל ניתן להסביר גם ללא חישוב.
      היות שהוסיפו תמיסה שלא מכילה יוני הידרוניום או יוני הידרוקסיד לתמיסת HCℓ_(aq) ולא מתרחשת תגובה ניתן לקבוע שמספר המולים של יוני ההידרוניום שהיה בתמיסה המקורית לא משתנה, אבל נפח התמיסה הכולל גדל ולכן על פי הנוסחה:
      $\mathbf{C}\mathbf{=}\frac{n}{V}$

      ניתן לקבוע כי ריכוז יוני ההידרוניום בתמיסה החדשה קטן מריכוז יוני ההידרוניום לפני ההוספה. לכן ערך ה- pH לאחר ההוספה גבוה מערך ה-pH לפני ההוספה.

13. חמצון חיזור, מבנה וקישור וחישובים

השאלה עוסקת במתכת טיטניום, Ti_(s), ובסגסוגות שלה. למתכת זו ולסגסוגות שלה יש שימושים רבים בתעשייה, בין היתר בתעשיית התעופה והחלל.
להפקת טיטניום משתמשים במחצבים המכילים טיטניום חמצני TiO_2(s).
הפקת המתכת טיטניום מתבצעת בשני שלבים:
שלב ראשון
בשלב זה טיטניום חמצני, TiO_2(s), מגיב עם פחמן, C_(s), ועם גז כלור, Cℓ_2(g).
אחד התוצרים הוא הנוזל, TiCℓ_4(ℓ), על פי תגובה (1)

(1)  TiO_2(s) + C_(s) + Cℓ_2(g) → TiCℓ_4(ℓ) + CO_2(g)

שלב שני

התרכובת הנוזלית טיטניום ארבע כלורי, TiCℓ_4(ℓ), שנוצרה בתגובה (1), מגיבה עם מגנזיום מתכתי, Mg_(s), על פי תגובה (2).

(2)  TiCℓ_4(ℓ) + 2Mg_(s) → Ti_(s) + 2MgCℓ_2(s)

נתון: אלקטרושליליות של טיטניום, Ti – 1.54.

1. קבעו מי החומר המחמצן ומי החומר המחזר בכל אחת מן התגובות (1) ו- (2). נמקו את קביעתכם.
   תשובה:
   $\underset{\overline{)\mathbf{+}\mathbf{4}}}{\mathbf{Ti}}\underset{\overline{)\mathbf{–}\mathbf{2}}}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{2}\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\underset{\overline{)\mathbf{0}}}{{\mathbf{C}}_{\left(s\right)}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\underset{\overline{)\mathbf{0}}}{\mathbf{2}{\mathbf{C\ell }}_{\mathbf{2}\mathbf{\left(}\mathbf{g}\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\stackrel{}{\mathbf{\to }}\mathbf{ }\underset{\overline{)\mathbf{+}\mathbf{4}}}{\mathbf{Ti}}\underset{\overline{)\mathbf{–}\mathbf{1}}}{{\mathbf{C\ell }}_{\mathbf{4}\mathbf{\left(}\mathbf{\ell }\mathbf{\right)}}}\mathbf{ }\mathbf{+}\mathbf{ }\underset{\overline{)\mathbf{+}\mathbf{4}}}{\mathbf{C}}\underset{\overline{)\mathbf{–}\mathbf{2}}}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{2}\mathbf{\left(}\mathbf{g}\mathbf{\right)}}}$

   בתגובה (1) ה- C_(s) בדרגת חמצון 0 הוא המחזר הוא עולה בדרגת החמצון מ- 0 ל- 4+. הוא מוסר אלקטרונים ועובר תגובת חמצון.
   ה- Cℓ_2(g) בדרגת חמצון 0 הוא המחמצן. הוא יורד בדרגת החמצון ל- 1- הוא מקבל  אלקטרונים ועובר תגובת חיזור.

   בתגובה 2 ה- Mg_(s) בדרגת חמצון 0 הוא המחזר הוא עולה בדרגת החמצון ל- 2+ הוא מוסר אלקטרונים ועובר תגובת חמצון. ואילו Ti בחומר TiCℓ_4(ℓ) בדרגת חמצון 4+ הוא המחמצן הוא יורד בדרגת החמצון ל- 0 מקבל אלקטרונים ועובר תגובת חיזור.

2. איזו מתכת מחזרת טובה יותר – מגנזיום או טיטניום? נמקו את תשובתכם.
   תשובה:
   המתכת המחזרת הטובה יותר היא ה- Mg_(s) . על פי תגובה (2) היא מוסרת אלקטרונים לאטומי   Ti בדרגת חמצון 4+ בחומר TiCℓ_4(ℓ). לכן  המתכת מגנזיום Mg_(s) מחזרת טובה יותר מהמתכת טיטניום Ti_(s).  
   
3. כמה טון טיטניום חמצני, TiO_2(s), דרושים כדי להפיק טון אחד של המתכת טיטניום, Ti_(s)? פרטו את חישוביכם.
   נתון: 1 טון = 10⁶ × 1 גרם
   

   TiCℓ4(ℓ)		Ti(s)
   1		1	יחס מולים
   		100000	m (גרם)
   		47.9	Mw (גרם/מול)
   20876	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{1}}}{\mathbf{\to }}$	20876	n (מול)

   TiO2(s)		TiCℓ4(ℓ)
   1		1	יחס מולים
   20876	$\stackrel{\mathbf{\times }\frac{1}{1}}{\mathbf{\to }}$	20876	n (מול)
   79.9			Mw (גרם/מול)
   1667992.4			m (גרם)

   דרושים 1.667 טון של TiO_2(s).

4. אחת הסגסוגות השימושיות בתעשיית החלל והתעופה נוצרת מעיבוד של המתכות טיטניום, Ti_(s) , ונדיום, V_(s), ואלומיניום, Aℓ_(s).
   בכל 100 גרם סגסוגת כזאת יש 90 גרם טיטניום, 4 גרם ונדיום והשאר אלומיניום.
   
   1. לפניכם רשימה של סוגי חלקיקים: אטומים, מולקולות, יונים, יונים ניידים, אלקטרונים ניידים.
      אילו סוגי חלקיקים מרשימה זו מרכיבים את הסגסוגת?
      תשובה:
      החלקיקים המרכיבים את הסגסוגת הם: יונים, אלקטרונים ניידים.
   2. כמה מול אלומיניום יש ב- 1 ק”ג סגסוגת זו? פרטו את חישוביכם.
      תשובה:
      ב- 100 גרם סגסוגת יש 6 גרם אלומיניום.
      m = 100 – 90 – 4 = 6 gram (אלומיניום)
      לכן ב- 1 קילוגרם שהם 1000 גרם יש 60 גרם אלומיניום.
      

      Aℓ(s)		סגסוגת
      6		100	m (גרם)
      60	$\stackrel{\times \frac{6}{100}}{\to }$	1000	m (גרם)

      $\mathbf{n}\mathbf{=}\frac{m}{\mathrm{Mw}}\mathbf{=}\frac{60}{27}\mathbf{=}\mathbf{2}\mathbf{.}\mathbf{22}\mathbf{ }\mathbf{mol}$

כאשר מכינים סגסוגת של טיטניום צריך להתיך אותו. טיטניום מותך יכול להגיב עם גזים שבאוויר.

5. בתגובה בין טיטניום מותך ובין גז חנקן, N_2(g), שבאוויר נוצרת התרכובת טיטניום חנקני, TiN_(s).
   נסחו ואזנו את התגובה.
   תשובה:
   2Ti_(ℓ) + N_2(g) → 2TiN_(s)
6. מעבדים את הטיטניום המותך בסביבה של גז ארגון, Ar_(g). הסבירו מדוע.
   תשובה:
   באוויר יש גם חמצן וגם חנקן שיכולים להגיב עם מתכת הטיטניום. כאשר התהליכים מתרחשים בסביבת הגז האציל ארגון הוא לא יגיב עם המתכת טיטניום.
7. בסעיפי השאלה הוזכרו החומרים: Ti_(s), TiO_2(s), TiCℓ_4(ℓ), TiN_(s).
   קבעו באיזה מן החומרים האלה הטיטניום יכול להגיב רק כמחזר.
   תשובה:
   נרשום דרגות חמצון לכל המרכיבים:
   
   $\underset{\overline{)\mathbf{+}\mathbf{3}}}{\mathbf{Ti}}\underset{\overline{)\mathbf{–}\mathbf{3}}}{{\mathbf{N}}_{\left(s\right)}}\mathbf{,}\mathbf{ }\underset{\overline{)\mathbf{+}\mathbf{4}}}{\mathbf{Ti}}\underset{\overline{)\mathbf{–}\mathbf{2}}}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{2}\mathbf{\left(}\mathbf{s}\mathbf{\right)}}}\mathbf{,}\mathbf{ }\underset{\overline{)\mathbf{+}\mathbf{4}}}{\mathbf{Ti}}\underset{\overline{)\mathbf{–}\mathbf{1}}}{{\mathbf{C\ell }}_{\mathbf{4}\mathbf{\left(}\mathbf{\ell }\mathbf{\right)}}}\mathbf{,}\mathbf{ }\underset{\overline{)\mathbf{0}}}{{\mathbf{Ti}}_{\left(s\right)}}$

    

   דרגת החמצון המינימאלית של המתכת טיטניום היא 0 כמו לכל המתכות. לכן רק במצב זה היא יכולה לשמש רק כמחזר.

   ולכן רק Ti_(s) יכול לשמש רק כמחזר.

14. מבנה וקישור, חמצון חיזור, חומצות ובסיסים

בטבלה שלפניכם מצוינים נתונים של שלושה יסודות המסומנים באופן שרירותי באותיות: c, b, a.

1. התאימו בין היסודות: מימן, H_2(g), ברום, Br_2(ℓ), נתרן, Na_(s) ובין האותיות c, b, a.
   תשובה:
   a – Na_(s)
   b – H_2(g)
   c – Br_2(ℓ)
2. ב
   
   1. קבעו מהו סוג הקשרים בין אטומי היסוד המסומן באות b.
      תשובה:
      בין אטומי היסוד b – H_2(g) ישנם קשרים קוולנטיים.
   2. הסבירו מדוע טמפרטורת הרתיחה של היסוד המסומן באות c גבוהה מטמפרטורת הרתיחה של היסוד המסומן באות b.
      תשובה:
      טמפרטורת הרתיחה של היסוד c – Br₂ גבוהה מזו של היסוד b – H₂ כי למולקולת Br₂ ענן אלקטרונים גדול מזה של מולקולת H₂, אינטראקציות הון-דר-ולס בין מולקולות Br₂ חזקות יותר מאלה שבין מולקולות H₂, צריך יותר אנרגייה לפירוק אינטראקציות הון-דר-ולס בין מולקולות ה- Br₂, ולכן טמפרטורת הרתיחה של החומר Br₂ גבוהה יותר.

בתנאים מתאימים היסודות מגיבים ביניהם.

3. בתגובה בין היסוד שסומן באות a ובין היסוד שסומן באות b מתקבל תוצר יחיד שהוא מוצק בטמפרטורת החדר.
   מהי דרגת החמצון של כל אחד מן החלקיקים בתוצר שהתקבל?
   תשובה:
   התוצר שמתקבל בין a – N_a(s) לבין b – H_2(g) הוא NaH_(s) , חומר יוני.
   נתרן Na_(s) היא מתכת מהטור הראשון ולכן כשהיא הופכת ליון מטענה הוא 1+.
   מימן H_2(g) היא אל מתכת שיכולה לקבל רק אלקטרון אחד ולכן כשהיא הופכת ליון מטענה הוא 1-.
   דרגות החמצון הן:
   $$\begin{gathered} \underset{\overline{)\mathbf{+}\mathbf{1}}}{\mathbf{Na}}\underset{\overline{)\mathbf{–}\mathbf{1}}}{{\mathbf{H}}_{\left(s\right)}} \\ \underset{\overline{)\mathbf{+}\mathbf{1}}}{{\mathbf{Na}}^{\mathbf{+}}}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{,}\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{ }\mathbf{ }\underset{\overline{)\mathbf{–}\mathbf{1}}}{{\mathbf{H}}^{\mathbf{–}}} \end{gathered}$$

    

4. בתגובה בין היסוד שסומן באות a ובין היסוד שסומן באות c מתקבל תוצר יחיד שהוא מוצק בטמפרטורת החדר.
   תוצר זה מסיס במים.
   
   1. נסחו את תגובת ההמסה במים של התוצר.
      תשובה:
      התוצר שמתקבל בין a – Na_(s) לבין c – Br_2(ℓ) הוא NaBr_(s) , חומר יוני.
      נתרן Na_(s) היא מתכת מהטור הראשון ולכן שהיא הופכת ליון מטענה הוא 1+.
      ברום Br_2(ℓ) היא אל מתכת מהטור השביעי ולכן שהיא הופכת ליון מטענה הוא 1-.
      ניסוח תגובת ההמסה במים של התוצר:
      ${\mathbf{NaBr}}_{\left(s\right)}\mathbf{ }\stackrel{{\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}{\mathbf{O}}_{\left(\ell \right)}}{\mathbf{\to }}{\mathbf{Na}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{\mathbf{+}}\mathbf{+}{\mathbf{Br}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{\mathbf{–}}$

       

   2. האם התמיסה הנוצרת מוליכה חשמל? נמקו את תשובתכם.
      תשובה:
      לתמיסה יש מוליכות חשמלית כי יש בה יונים ממוימים ניידים.
5. בתגובה בין היסוד שסומן באות b ובין היסוד שסומן באות c מתקבל תוצר יחיד, שהוא גז בטמפרטורת החדר.
   תוצר זה מגיב עם מים ונוצרת תמיסה.
   
   1. מהי נוסחת התוצר?
      תשובה:
      התוצר שמתקבל בין b – H_2(g) לבין c – Br_2(ℓ) הוא HBr_(g) , חומר מולקולרי.
      מימן (H) הוא יסוד אל מתכתי שיש לאטום שלו אלקטרון אחד לא מזווג, הוא משתף רק אלקטרון אחד בקשר הקוולנטי.
      ברום (Br) הוא יסוד על מתכתי שיש לאטום שלו אלקטרון אחד לא מזווג, הוא משתף רק אלקטרון אחד בקשר הקוולנטי.
   2. נסחו את תגובת התוצר עם מים.
      תשובה:
      HBr_(g) + H₂O_(ℓ) → H₃O⁺_(aq) + Br^–_(aq)
   3. האם התמיסה הנוצרת חומצית, בסיסית, או ניטרלית? נמקו את תשובתכם.
      תשובה:
      התמיסה חומצית, יש בה עודף יוני הידרוניום, H₃O⁺_(aq) .
6. היסוד חנקן, N_2(g), מגיב עם היסוד המסומן באות b, ומתקבל תוצר יחיד שהוא גז. תוצר זה מגיב עם מים ויוצר תמיסה בסיסית.
   
   1. נסחו את התגובה לקבלת התוצר.
      תשובה:
      התוצר שמתקבל בין b – H_2(g) לבין N_2(g) הוא NH_3(g) , חומר מולקולרי.
      מימן (H) הוא יסוד אל מתכתי שיש לאטום שלו אלקטרון אחד לא מזווג, הוא משתף רק אלקטרון אחד בקשר הקוולנטי.
      חנקן (N) הוא יסוד אל מתכתי שיש לאטום שלו שלושה אלקטרונים לא מזווגים, הוא משתף שלושה אלקטרונים בקשר הקוולנטי.
      ניסוח התגובה:
      N_2(g) + 3H_2(g) → 2NH_3(g)
   2. נסחו את התגובה בין התוצר המתקבל ובין מים.
      תשובה:
      NH_3(g) + H₂O_(ℓ) → NH₄⁺_(aq) + OH^–_(aq)
7. היסוד חנקן, N_2(g), מגיב עם היסוד המסומן באות a, ומתקבל תוצר יחיד.
   רשמו את נוסחת התוצר בטמפרטורת החדר.
   תשובה:
   התוצר שמתקבל בין a – Na_(s) לבין N_2(g) הוא Na₃N_(s) , חומר יוני.
   נתרן Na_(s) היא מתכת מהטור הראשון שהופכת ליון שמטענו 1+.
   חנקן N_2(g) היא אל מתכת מהטור החמישי שהופכת ליון שמטענו 3-.

בהצלחה !