עולם הכימיה [מהדורה שמינית ed.] 9789650615321

Table of contents :
עולם הכימיה - מהדורה שמינית
תוכן עניינים כללי
תוכן עניינים מפורט
הקדמה למהדורה העברית
1 כימיה: שיטות ומדידה
מטרות הלימוד
מתווה
2 מבנה האטום והטבלה המחזורית
מטרות לימוד
מתווה
3 מבנה ותכונות של תרכובות יוניות ושל תרכובות מולקולריות
מטרות לימוד
מתווה
4 חישובים והמשוואה הכימית
מטרות לימוד
מתווה
5 מצבי החומר: גזים, נוזלים ומוצקים
מטרות לימוד
מתווה
6 תמיסות
מטרות לימוד
מתווה
7 אנרגיה, קצב ושיווי משקל
מטרות לימוד
מתווה
8 חומצות, בסיסים וחמצון-חיזור
מטרות לימוד
מתווה
9 הגרעין, רדיואקטיביות ורפואה גרעינית
מטרות לימוד
מתווה
תשובות לשאלות אי־זוגיות
מונחון
רשימת בעלי זכויות היוצרים
מבוא
1.1 תהליך הגילוי
נקודת מבט אנושית: השיטה המדעית
1.2 סיווג החומר
1.3 יחידות המדידה
1.4 תוצאות המדידה
1.5 המרת יחידות
נקודת מבט רפואית:סקרנות והטכנולוגיה שמובילה לתגלית
1.6 גדלים מדידים נוספים
נקודת מבט אנושית: קלוריות במזון
נקודת מבט רפואית: מדידת השמנת יתר: אינדקס מסת הגוף
נקודת מבט אנושית: אנליזה מהירה ושימושית
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
בעיות חשיבה ביקורתית
מבוא
2.1 הרכב האטום
2.2 התפתחות התיאוריה האטומית
כימיה בזירת הפשע: זיהוי פלילי מיקרוביאלי
2.3 אור, מבנה האטום ואטום בוהר
כימיה ירוקה: קרינה אלקטרומגנטית והשפעתה על חיי היום־יום
נקודת מבט אנושית: הספקטרום האטומי וחגיגות יום העצמאות
2.4 החוק המחזורי והטבלה המחזורית
נקודת מבט רפואית: מחסור בנחושת ומחלת וילסון
2.5 סידור האלקטרונים והטבלה המחזורית
2.6 אלקטרוני ערכיות וכלל האוקטט
2.7 מגמות בטבלה המחזורית
נקודת מבט רפואית: סידן בתזונה
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
חשיבה ביקורתית
מבוא
3.1 הקשר הכימי
נקודת מבט רפואית: היווצרות בלתי רצויה של גבישים
3.2 מינוח שיטתי וכתיבת נוסחאות של תרכובות
3.3 תכונות של תרכובות יוניות ושל תרכובות מולקולריות
נקודת מבט רפואית: לבנות מחדש את השיניים
3.4 שרטוט מבני לואיס של מולקולות ושל יונים רב־אטומיים
נקודת מבט רפואית: לחץ דם והיחס בין יוני נתרן ויוני אשלגן
3.5 תכונות המבוססות על המבנה האלקטרוני ועל הגיאומטריה של המולקולות
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
בעיות חשיבה ביקורתית
מבוא
4.1 מושג המול ואטומים
4.2 הנוסחה הכימית, מסת הנוסחה ומסה מולרית
4.3 המשוואה הכימית והמידע הטמון בה
4.4 משוואות כימיות מייצגות שינוי כימי
4.5 עריכת חישובים באמצעות המשוואה הכימית
נקודת מבט אנושית: הכימיה של כריות אוויר במכוניות
נקודת מבט רפואית: הרעלת פחמן חד־חמצני: מקרה של פרופורציות
נקודת מבט רפואית: נקודת מבט רפואית: כימיה פרמצבטית: החשיבות המעשית של אחוז הניצולת
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
בעיות חשיבה ביקורתית
מבוא
5.1 המצב הגזי
נקודת מבט אנושית: סופה של ההינדנבורג
כימיה ירוקה: אפקט החממה ושינויי האקלים הגלובליים
5.2 המצב הנוזלי
נקודת מבט רפואית: גזים בדם ונשימה
כימיה בזירת הפשע: חומרי נפץ בנמל התעופה
5.3 המצב המוצק
נקודת מבט אנושית: אבני חן
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
בעיות חשיבה ביקורתית
מבוא
6.1 תכונות של תמיסות
נקודת מבט אנושית: צלילה: חנקן ודקומפרסיה
6.2 ריכוז המבוסס על יחידות מסה באחוזים
6.3 ריכוז המבוסס על יחידות מולים
6.4 תכונות של תמיסות התלויות בריכוז
נקודת מבט רפואית: טיפול בהתייבשות
6.5 תמיסות מימיות
כימיה במטבח: מסיסות, חומרים פעילי שטח ומדיח הכלים
נקודת מבט רפואית: המודיאליזה
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
בעיות חשיבה ביקורתית
מבוא
7.1 תרמודינמיקה
כימיה ירוקה: אנרגיה במאה העשרים ואחת
נקודת מבט רפואית: תחבושות חמות וקרות
7.2 קביעה ניסיונית של השינוי באנרגיה במהלך תגובה
7.3 קינטיקה
נקודת מבט אנושית: מהר מדי או לאט מדי?
7.4 שיווי משקל
נקודת מבט אנושית: מולקולה יוצאת מן הכלל
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
בעיות חשיבה ביקורתית
מבוא
8.1 חומצות ובסיסים
8.2 סולם מדידה של חומצות ובסיסים: pH
נקודת מבט רפואית: הובלת תרופות
8.3 תגובות בין חומצות ובסיסים
כימיה ירוקה: גשם חומצי
כימיה ירוקה: פרחי הידרנג'אה, pH וכימיה של הקרקע
8.4 תמיסות בופר חומצה-בסיס
8.5 תהליכי חמצון-חיזור
נקודת מבט רפואית: שימוש בגורמים מחמצנים לשליטה כימית בגורמי מחלה
נקודת מבט רפואית: תגובות אלקטרוכימיות בפסל החירות ובסתימות שיניים
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
בעיות חשיבה ביקורתית
בעיות חשיבה ביקורתית
מבוא
9.1 רדיואקטיביות טבעית
נקודת מבט אנושית: מוצַא היסודות
9.2 כתיבת משוואה גרעינית מאוזנת
9.3 תכונות של רדיואיזוטופים
נקודת מבט אנושית: מדענית יוצאת דופן
9.4 ייצור אנרגיה גרעינית
כימיה ירוקה: סילוק פסולת גרעינית
9.5 יישומים רפואיים של רדיואקטיביות
נקודת מבט רפואית: דימות תהודה מגנטית
9.6 השפעות ביולוגיות של קרינה
9.7 מדידה של קרינה
כימיה ירוקה: רדון וזיהום אוויר בחללים בנויים
מפת הפרק
סיכום
תשובות לשאלות "בחנו את עצמכם"
שאלות ובעיות
בעיות מחשבה ביקורתית

Citation preview

‫ ‬

‫‪2 0116‬‬

‫הספר עולם הכימיה פותח בפני הקורא חלון להבנת מגוון רחב של תופעות‬ ‫טבע ופיתוחים טכנולוגיים שלהם אנו חשופים בחיי היום־יום‪ ,‬שההסבר‬ ‫להם מושתת על חוקי הכימיה; זאת לצד הצגת נושאים בסיסיים בכימיה‬ ‫כגון מבנה האטום‪ ,‬הטבלה המחזורית‪ ,‬תרכובות וסוגי תגובות כימיות‪ .‬הספר‬ ‫נועד לתת רקע בסיסי בכימיה לסטודנטים במקצועות מדעי הטבע והחיים‬ ‫ולקוראים המעוניינים להרחיב את ידיעותיהם בתחום‪.‬‬

‫‪0 020820 116569‬‬ ‫דאנאקוד ‪208-2011656‬‬

‫מק"ט ‪20116-5065‬‬ ‫מסת"ב ‪978-965-06-1532-1‬‬

‫‪07/02/2017 11:44:43‬‬

‫‪ISBN‬‬

‫עולם הכימיה‬ ‫מהדורה שמינית‬

‫קתרין דניסטון‬ ‫ג'וזף טופינג‬ ‫קים וודראם‬ ‫רוברט קארט‬

‫האוניברסיטה הפתוחה‬

‫‪Untitled‬‬

‫ ‬ ‫עולם הכימיה‬

‫הכימיה היא מדע החומר‪ .‬חוקי הכימיה מלמדים אותנו על הדרך שבה נוצרות‬ ‫תרכובות מהיסודות שבטבע‪ ,‬על המבנה המולקולרי של חומרים ותכונותיהם‬ ‫ועל האופן שבו הם מגיבים ויוצרים חומרים חדשים‪ .‬הכימיה היא הבסיס‬ ‫המדעי לתחומים רבים בחיינו‪ ,‬ביניהם רפואה‪ ,‬חקלאות‪ ,‬ננוטכנולוגיה וכן‬ ‫תחומי תעשייה רבים‪.‬‬

‫‪‬‬

‫‪20116-COVER 5new.indd 1‬‬

‫ת נ א י ש י מ וש ב ק ובץ ה ד י גיט ל י ‪:‬‬ ‫‪ .1‬הקובץ הוא לשימושך האישי בלבד‪ .‬פרטים מזהים שלך מוטבעים‬ ‫בקובץ בצורה גלויה ובצורה סמויה‪.‬‬ ‫‪ .2‬השימוש בקובץ הוא אך ורק למטרות לימוד‪ ,‬עיון ומחקר אישי‪.‬‬ ‫‪ . 3‬העתקה או שימוש בתכנים נבחרים מותרת בהיקף העומד בכללי ‬ ‫ השימוש ההוגן‪ ,‬המפורטים בסעיף ‪ 19‬לחוק זכות יוצרים ‪.2007‬‬ ‫ במקרה של שימוש כאמור חלה חובה לציין את מקור הפרסום‪.‬‬ ‫‪ .4‬הנך רשאי‪/‬ת להדפיס דפים מחומר הלימוד לצורכי לימוד‪ ,‬מחקר‬ ‫ועיון אישיים‪ .‬אין להפיץ או למכור תדפיסים כלשהם מתוך חומר‬ ‫הלימוד‪.‬‬

‫עולם הכימיה‬ ‫קתרין דניסטון • ג'וזף טופינג • קים וודראם • רוברט קארט‬

‫עולם הכימיה‬ ‫קתרין דניסטון‬ ‫ג'וזף טופינג‬ ‫קים וודראם‬ ‫רוברט קארט‬

‫מהדורה שמינית‬

‫‪General, Organic and Biochemistry‬‬ ‫‪8th edition‬‬ ‫‪By Katherine J. Denniston‬‬ ‫‪Joseph J. Topping‬‬ ‫‪Kim R.Woodrum‬‬ ‫‪Robert L. Caret‬‬

‫‪Original edition copyright 2014 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.‬‬ ‫‪Hebrew edition copyright 2017, by The Open University of Israel. All rights reserved.‬‬

‫צוות הפיתוח‬ ‫אחראית אקדמית‪ :‬ד"ר ענבל טובי‪-‬ערד‬ ‫עריכה מדעית‪ :‬ד"ר חוה גל‪ ,‬ד"ר דורותה צ'רקי‬ ‫תרגום‪ :‬אורי שגיא‬ ‫עריכה‪ :‬חמוטל לרנר‬ ‫עיצוב גרפי ועיצוב עטיפה‪ :‬ירדן זהבי‬ ‫התקנה והבאה לדפוס‪ :‬טלי מאן‬ ‫סדר מחשב‪ :‬ורד פונק‬ ‫התאמת איורים למהדורה העברית‪ :‬רונית בורלא‬ ‫טיפול בזכויות יוצרים‪ :‬נינה איזנקרפט‬ ‫תמונת הטבלה המחזורית על גבי העטיפה‪:‬‬

‫‪Laboratory glassware and periodic table of elements. Shutterstock\Zodar.‬‬

‫מק"ט ‪20116-5073‬‬ ‫מסת"ב ‪978-965-06-1532-1‬‬

‫‪ISBN‬‬

‫הדפסה דיגיטלית מתוקנת — נובמבר ‪2017‬‬ ‫© תשע"ז‪ .2017-‬כל הזכויות שמורות לאוניברסיטה הפתוחה‪.‬‬ ‫בית ההוצאה לאור של האוניברסיטה הפתוחה‪ ,‬הקריה ע"ש דורותי דה רוטשילד‪ ,‬דרך האוניברסיטה ‪ ,1‬ת"ד ‪ ,808‬רעננה‬ ‫‪.4353701‬‬

‫‪The Open University of Israel, The Dorothy de Rothschild Campus, 1 University Road, P.O.Box 808,‬‬ ‫ ‪Raanana 4353701. Printed in Israel.‬‬

‫אין לשכפל‪ ,‬להעתיק‪ ,‬לצלם‪ ,‬להקליט‪ ,‬לתרגם‪ ,‬לאחסן במאגר מידע‪ ,‬לשדר או לקלוט בכל דרך או בכל אמצעי אלקטרוני‪,‬‬ ‫אופטי‪ ,‬מכני או אחר כל חלק שהוא מהחומר שבספר זה‪ .‬שימוש מסחרי בחומר הכלול בספר זה אסור בהחלט‪ ,‬אלא‬ ‫ברשות מפורשת ובכתב ממדור זכויות יוצרים של האוניברסיטה הפתוחה‪.‬‬ ‫‪24‬‬

‫‪07/12/2017 15:30:26‬‬

‫‪23‬‬

‫‪22‬‬

‫‪21‬‬

‫‪20‬‬

‫‪19‬‬

‫‪18‬‬

‫‪0-20116-Dapim Rishonim.indd 4‬‬

‫תוכן עניינים כללי‬ ‫הקדמה למהדורה העברית ‪ XI‬‬ ‫פרק ‪ 1‬‬

‫כימיה‪ :‬שיטות ומדידה ‪1‬‬

‫פרק ‪ 2‬‬

‫מבנה האטום והטבלה המחזורית ‪43‬‬

‫פרק ‪ 3‬‬

‫מבנה ותכונות של תרכובות יוניות ושל תרכובות מולקולריות ‪87‬‬

‫פרק ‪ 4‬‬

‫חישובים והמשוואה הכימית ‪133‬‬

‫פרק ‪ 5‬‬

‫מצבי החומר‪ :‬גזים‪ ,‬נוזלים ומוצקים ‪173‬‬

‫פרק ‪ 6‬‬

‫תמיסות ‪207‬‬

‫פרק ‪ 7‬‬

‫אנרגיה‪ ,‬קצב ושיווי משקל ‪243‬‬

‫פרק ‪ 8‬‬

‫חומצות‪ ,‬בסיסים וחמצון—חיזור ‪281‬‬

‫פרק ‪ 9‬הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה גרעינית ‪321‬‬ ‫תשובות לשאלות אי־זוגיות ‪353‬‬ ‫מונחון ‪369‬‬ ‫רשימת בעלי זכויות היוצרים ‪377‬‬

‫  ת ו כ ן ע נ י י נ י ם מ פ ו ר ט   ‪VII‬‬

‫תוכן עניינים מפורט‬ ‫הקדמה למהדורה העברית ‪ XI‬‬ ‫פרק ‪ 1‬כימיה‪ :‬שיטות ומדידה ‪1‬‬ ‫תהליך הגילוי ‪2‬‬ ‫‪ 1.1‬‬ ‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬השיטה המדעית ‪5‬‬

‫‪ .2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪ 1.3‬‬ ‫‪ 1.4‬‬ ‫‪ 1.5‬‬

‫המרת יחידות ‪21‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬סקרנות והטכנולוגיה שמובילה לתגלית ‪25‬‬

‫‪ 1.6‬‬

‫גדלים מדידים נוספים ‪26‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬קלוריות במזון ‪29‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬מדידת השמנת יתר‪ :‬אינדקס מסת הגוף ‪33‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬אנליזה מהירה ושימושית ‪34‬‬

‫פרק ‪ 2‬‬

‫מבנה האטום והטבלה המחזורית ‪43‬‬

‫סיווג החומר‬

‫‪6‬‬

‫יחידות המדידה ‪11‬‬ ‫תוצאות המדידה ‪14‬‬

‫‪ .1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪ 2.2‬‬

‫התפתחות התיאוריה האטומית ‪48‬‬

‫ ‬

‫כימיה בזירת הפשע‪ :‬זיהוי פלילי מיקרוביאלי ‪49‬‬

‫‪ 2.3‬‬

‫אור‪ ,‬מבנה האטום ואטום בוהר ‪51‬‬

‫ ‬

‫כימיה ירוקה‪ :‬קרינה אלקטרומגנטית והשפעתה על חיי היום־יום ‪54‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬הספקטרום האטומי וחגיגות יום העצמאות ‪56‬‬

‫‪ 2.4‬‬

‫החוק המחזורי והטבלה המחזורית ‪57‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬מחסור בנחושת ומחלת וילסון ‪60‬‬

‫‪ .5‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪ 2.6‬‬ ‫‪ 2.7‬‬

‫סידור האלקטרונים והטבלה המחזורית ‪61‬‬

‫ ‬

‫הרכב האטום ‪44‬‬

‫אלקטרוני ערכיות וכלל האוקטט ‪70‬‬ ‫מגמות בטבלה המחזורית ‪73‬‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬סידן בתזונה ‪74‬‬

‫פרק ‪ 3‬‬

‫‪ 3.1‬‬

‫מבנה ותכונות של תרכובות יוניות ושל תרכובות מולקולריות ‪87‬‬ ‫הקשר הכימי ‪88‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬היווצרות בלתי רצויה של גבישים ‪93‬‬

‫‪ .2‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪ 3.3‬‬

‫מינוח שיטתי וכתיבת נוסחאות של תרכובות ‪95‬‬ ‫תכונות של תרכובות יוניות ושל תרכובות מולקולריות ‪102‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬לבנות מחדש את השיניים ‪103‬‬

‫‪ 3.4‬‬

‫שרטוט מבני לואיס של מולקולות ושל יונים רב־אטומיים ‪104‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬לחץ דם והיחס בין יוני נתרן ויוני אשלגן ‪107‬‬

‫‪ 3.5‬‬

‫תכונות המבוססות על המבנה האלקטרוני ועל הגיאומטריה המולקולרית ‪123‬‬

‫‪  VIII‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫פרק ‪ 4‬‬

‫חישובים והמשוואה הכימית ‪133‬‬

‫‪ .1‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪ 4.2‬‬ ‫‪ 4.3‬‬ ‫‪ 4.4‬‬ ‫‪ 4.5‬‬

‫עריכת חישובים באמצעות המשוואה הכימית ‪155‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬הכימיה של כריות אוויר במכוניות ‪158‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬הרעלת פחמן חד־חמצני‪ :‬מקרה של פרופורציות ‪161‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬כימיה פרמצבטית‪ :‬החשיבות המעשית של אחוז הניצולת ‪164‬‬

‫פרק ‪ 5‬‬

‫מצבי החומר‪ :‬גזים‪ ,‬נוזלים ומוצקים ‪173‬‬

‫‪ 5.1‬‬

‫מושג המול ואטומים ‪134‬‬ ‫הנוסחה הכימית‪ ,‬מסת הנוסחה ומסה מולרית ‪139‬‬ ‫המשוואה הכימית והמידע הטמון בה ‪142‬‬ ‫משוואות כימיות מייצגות שינוי כימי ‪146‬‬

‫המצב הגזי ‪175‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬סופה של ההינדנבורג ‪177‬‬

‫ ‬

‫כימיה ירוקה‪ :‬אפקט החממה ושינויי האקלים הגלובליים ‪188‬‬

‫‪ 5.2‬‬

‫המצב הנוזלי ‪189‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬גזים בדם ונשימה ‪190‬‬

‫ ‬

‫כימיה בזירת הפשע‪ :‬חומרי נפץ בנמל התעופה ‪195‬‬

‫‪ 5.3‬‬

‫המצב המוצק ‪196‬‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬אבני חן ‪198‬‬

‫ ‬

‫פרק ‪ 6‬‬

‫‪ 6.1‬‬

‫תמיסות ‪207‬‬ ‫תכונות של תמיסות ‪208‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬צלילה‪ :‬חנקן ודקומפרסיה ‪212‬‬

‫‪ .2‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪ 6.3‬‬ ‫‪ 6.4‬‬

‫ריכוז המבוסס על יחידות מסה באחוזים ‪213‬‬ ‫תכונות של תמיסות התלויות בריכוז ‪221‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬טיפול בהתייבשות ‪229‬‬

‫‪ 6.5‬‬

‫תמיסות מימיות ‪230‬‬

‫ ‬

‫כימיה במטבח‪ :‬מסיסות‪ ,‬חומרים פעילי שטח ומדיח הכלים ‪231‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬המודיאליזה ‪235‬‬

‫פרק ‪ 7‬‬

‫אנרגיה‪ ,‬קצב ושיווי משקל ‪243‬‬

‫‪ 7.1‬‬

‫ריכוז המבוסס על יחידות מולים ‪217‬‬

‫תרמודינמיקה ‪245‬‬

‫ ‬

‫כימיה ירוקה‪ :‬אנרגיה במאה העשרים ואחת ‪247‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬תחבושות חמות וקרות ‪252‬‬

‫‪ .2‬‬ ‫‪7‬‬ ‫‪ 7.3‬‬

‫קביעה ניסיונית של השינוי באנרגיה במהלך תגובה ‪252‬‬ ‫קינטיקה ‪256‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬מהר מדי או לאט מדי? ‪261‬‬

‫‪ 7.4‬‬

‫שיווי משקל ‪263‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬מולקולה יוצאת מן הכלל ‪273‬‬

‫  ת ו כ ן ע נ י י נ י ם מ פ ו ר ט   ‪IX‬‬

‫פרק ‪ 8‬‬

‫חומצות‪ ,‬בסיסים וחמצון‪-‬חיזור ‪281‬‬

‫‪ .1‬‬ ‫‪8‬‬ ‫‪ 8.2‬‬

‫‪ :pH‬סולם מדידה של חומצות ובסיסים ‪288‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬הובלת תרופות ‪293‬‬

‫‪ 8.3‬‬

‫תגובות בין חומצות ובסיסים ‪294‬‬

‫חומצות ובסיסים ‪282‬‬

‫ ‬

‫כימיה ירוקה‪ :‬גשם חומצי ‪296‬‬

‫ ‬

‫כימיה ירוקה‪ :‬פרחי הידרנג'אה‪ pH ,‬וכימיה של הקרקע ‪298‬‬

‫‪ .4‬‬ ‫‪8‬‬ ‫‪ 8.5‬‬

‫תהליכי חמצון‪-‬חיזור ‪305‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬שימוש בגורמים מחמצנים‬

‫תמיסות בופר חומצה‪-‬בסיס ‪299‬‬

‫ ‬ ‫ ‬

‫לשליטה כימית בגורמי מחלה ‪307‬‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬תגובות אלקטרוכימיות בפסל החירות‬ ‫ ‬

‫פרק ‪ 9‬‬

‫‪ 9.1‬‬

‫ובסתימות בשיניים ‪312‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה גרעינית ‪321‬‬ ‫רדיואקטיביות טבעית ‪322‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬מוצא היסודות ‪325‬‬

‫‪ .2‬‬ ‫‪9‬‬ ‫‪ 9.3‬‬

‫כתיבת משוואה גרעינית מאוזנת ‪326‬‬ ‫תכונות של רדיואיזוטופים ‪330‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט אנושית‪ :‬מדענית יוצאת דופן ‪334‬‬

‫‪ 9.4‬‬

‫ייצור אנרגיה גרעינית ‪334‬‬

‫ ‬

‫כימיה ירוקה‪ :‬סילוק פסולת גרעינית ‪337‬‬

‫‪ 9.5‬‬

‫יישומים רפואיים של רדיואקטיביות ‪338‬‬

‫ ‬

‫נקודת מבט רפואית‪ :‬דימות תהודה מגנטית ‪341‬‬

‫‪ .6‬‬ ‫‪9‬‬ ‫‪ 9.7‬‬

‫השפעות ביולוגיות של קרינה ‪342‬‬ ‫מדידה של קרינה ‪344‬‬

‫ ‬

‫כימיה ירוקה‪ :‬רדון וזיהום אוויר בחללים בנויים ‪346‬‬

‫תשובות לשאלות אי־זוגיות ‪353‬‬ ‫מונחון ‪369‬‬ ‫רשימת בעלי זכויות היוצרים ‪377‬‬

‫  ה ק ד מ ה ל מ ה ד ו ר ה ה ע ב ר י ת   ‪XI‬‬

‫הקדמה למהדורה העברית‬ ‫מדוע קרח צף על פני המים? מה מייחד אבני חן? איך פועל סבון? מהו הקשר בין פלואור‬ ‫לעששת? כיצד נוצרת חלודה? איך מפיקים אנרגיה גרעינית? הספר שלפניכם פותח צוהר‬ ‫לחקר מבנה החומר ותכונותיו ולהבנת השפה הכימית ושימושיה בחיי היום־יום‪ ,‬תוך מתן‬ ‫מענה לשאלות אלה ועוד רבות אחרות‪ .‬במהלך הקריאה מפתחים הקוראים מיומנויות חקר‬ ‫העומדות בבסיס התפתחות הידע המדעי והחשיבה ביקורתית ומאפשרות מבט רב־תחומי‬ ‫על תופעות טבע מגוונות‪.‬‬ ‫בספר משולבים כמה כלים לארגון הידע שמיועדים לסייע בלימוד עצמי‪:‬‬ ‫@ מטרות הלימוד של כל פרק מפורטות בתחילתו‪ .‬בגוף הפרק‪ ,‬כאשר הנושא הרלוונטי‬ ‫מוצג‪ ,‬מופיעה הערת צד עם מטרת הלימוד הספציפית‪.‬‬ ‫@ המתווה של כל פרק מופיע בתחילתו ומפרט את הנושאים הנלמדים עם הפניה לעמודים‬ ‫הרלוונטיים‪.‬‬ ‫@ מפת הפרק מופיעה בסוף כל פרק ומקשרת באופן גרפי בין המושגים העיקריים שנלמדו‪.‬‬ ‫@ סיכום קצר של כל פרק מופיע בסופו‪ ,‬עם הגדרות של המושגים החשובים‪.‬‬ ‫@ הערות צד מופיעות בגוף הטקסט עם הפניות להגדרות של מושגים מפרקים קודמים או‬ ‫להרחבות בנושא בפרקי ההמשך‪.‬‬ ‫@ נקודות מבט הן קטעי טקסט קצרים המקשרים את הנושא הנלמד לחיי היום־יום‪ .‬בפרקים‬ ‫משולבות נקודות מבט בכמה תחומים‪ ,‬ואפשר להבדיל ביניהן בעזרת צבע הכותרות‪:‬‬ ‫‪ ‬נקודת מבט אנושית – באדום‬ ‫‪ ‬נקודת מבט רפואית – בירוק כהה‬ ‫‪ ‬כימיה ירוקה – בירוק זית‬ ‫‪ ‬כימיה במטבח – בצהוב‬ ‫‪ ‬כימיה בזירת הפשע – בכחול‬ ‫@ דוגמאות לשאלות המבהירות את התוכן הנלמד משולבות בכל פרק עם פתרון מלא‪.‬‬ ‫@ שאלות "בחנו את עצמכם" משולבות בכל פרק והן דומות לדוגמאות ומיועדות לתרגול‬ ‫עצמי‪ .‬מומלץ לענות על שאלות אלה במהלך הקריאה‪.‬‬ ‫@ שאלות ובעיות המיועדות לתרגול נוסף מופיעות בסוף כל פרק ומחולקות לפי נושאי‬ ‫הלימוד‪ ,‬תוך הפרדה לשאלות העוסקות ביסודות הנושא הנלמד ולשאלות העוסקות‬ ‫ביישומים של הנושא‪ .‬בסוף מקבץ השאלות מופיעות גם בעיות חשיבה ביקורתית‪ .‬אלו‬ ‫הן שאלות משולבות בנושאי הפרק הנלמד‪.‬‬ ‫@ תשובות לשאלות האי־זוגיות נמצאות בסוף הספר‪.‬‬ ‫ספר זה הוא תרגום של תשעת הפרקים הראשונים של הספר‪K.J. Denniston, J.J. Topping, :‬‬ ‫‪K.R. Woodrum & R.L. Caret, General, Organic and Biochemistry, 8th ed. (McGraw-Hill,‬‬ ‫‪.)2014‬‬

‫מלאכת התרגום וההוצאה לאור היא תוצאה של שיתוף פעולה פורה בין אנשי מקצוע‬ ‫רבים וזה המקום להודות להם על ההשקעה הרבה והמסירות לאורך כל הדרך‪ :‬לאורי שגיא‬ ‫על התרגום‪ ,‬לד"ר דורותה צ'רקי ולד"ר חוה גל על העריכה המדעית‪ ,‬לד"ר רונית הרשקו־‬ ‫קלוסקה ולד"ר חגית פרנקל מילרד על עריכה ובדיקה של הפתרונות לשאלות‪ ,‬לחמוטל לרנר‬

‫‪  XII‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫על העריכה הלשונית‪ ,‬לאנשי ההוצאה לאור באוניברסיטה הפתוחה – ירדן זהבי‪ ,‬רונית‬ ‫בורלא‪ ,‬ורד פונק וטלי מאן‪ ,‬על עיצוב הספר‪ ,‬התאמת האיורים לגרסה העברית‪ ,‬סדר המחשב‪,‬‬ ‫ההתקנה וההבאה לדפוס‪ ,‬ולנינה איזנקרפט על הטיפול בזכויות יוצרים‪.‬‬ ‫אנו מקווים שתמצאו את הספר מעניין ומועיל ללמידה‪ ,‬מרחיב אופקים ומעורר מוטיבציה‬ ‫ללימודי המשך בתחום הכימיה בפרט והמדעים בכלל‪.‬‬

‫ד"ר ענבל טובי‪-‬ערד‬ ‫ראש צוות הפיתוח‬ ‫האוניברסיטה הפתוחה‬ ‫תשע"ז‪2017 ,‬‬

‫‪1‬‬

‫כימיה‪ :‬שיטות ומדידה‬

‫מטרות הלימוד‬ ‫‪ 1‬לתאר את יחסי הגומלין בין הכימיה ובין תחומים אחרים של המדע והרפואה‪.‬‬ ‫‪ 2‬לדון בגישה למדע ובשיטה המדעית‪ ,‬ולהבדיל בין המונחים השערה‪ ,‬תיאוריה‬ ‫וחוק מדעי‪.‬‬ ‫‪ 3‬להבחין בין נתונים ותוצאות‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4‬לתאר את תכונות המצב המוצק‪ ,‬המצב הנוזלי והמצב הגזי‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 5‬לספק דוגמאות ספציפיות של תכונות פיזיקליות ותכונות כימיות ושל שינוי‬ ‫פיזיקלי ושינוי כימי‪.‬‬ ‫‪ 6‬להבדיל בין תכונות אינטנסיביות ותכונות אקסטנסיביות‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7‬לסווג את החומר על פי הרכבו‪ :‬כיסוד‪ ,‬כתרכובת או כתערובת‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8‬ללמוד את יחידות המדידה החשובות במערכת המטרית‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9‬לדווח על נתונים ותוצאות באמצעות הסימולים המדעיים והמספר הנכון של‬ ‫ ‬ ‫ספרות ערך‪.‬‬ ‫‪ 10‬להמיר נכונה בין יחידות במערכת המטרית‪.‬‬ ‫‪ 1‬להכיר את שלושת סולמות הטמפרטורה הנפוצים ולהמיר נכונה מסולם לסולם‪.‬‬ ‫‪ 1‬‬ ‫‪ 1‬להשתמש בצפיפות‪ ,‬במסה ובנפח בפתרון בעיות‪ ,‬ולחשב את הצפיפות‬ ‫‪ 2‬‬ ‫הסגולית של חומר על סמך הצפיפות שלו‪.‬‬

‫מתווה‬ ‫מבוא ‪2‬‬ ‫‪ 1.1‬תהליך הגילוי ‪2‬‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬השיטה המדעית ‪5‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 1.2‬סיווג החומר ‪6‬‬ ‫‪ 1.3‬יחידות המדידה ‪11‬‬ ‫‪ 1.4‬תוצאות המדידה ‪14‬‬ ‫‪ 1.5‬המרת יחידות ‪21‬‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬סקרנות והטכנולוגיה שמובילה לתגלית ‪25‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 1.6‬גדלים מדידים נוספים ‪26‬‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬קלוריות במזון ‪29‬‬ ‫ ‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬מדידת השמנת יתר‪ :‬אינדקס מסת הגוף ‪33‬‬ ‫ ‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬אנליזה מהירה ושימושית ‪34‬‬ ‫ ‬

‫כימיה היא ענף מדעי החוקר כל דבר‬ ‫בעל מסה התופס נפח במרחב‪.‬‬

‫‪  2‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מבוא‬ ‫לואי פסטר (‪ ,)Louis Pasteur‬כימאי ומיקרוביולוג‪ ,‬אמר‪" :‬המזל מעדיף את אלו שמוכנים‬ ‫לקראתו"‪ .‬בהיסטוריה של המדע והרפואה יש דוגמאות רבות של אנשים שגילו תגליות חשובות‬ ‫משום שהכירו בערכה של תצפית מפתיעה‪.‬‬ ‫דוגמה אחת לכך היא השימוש באור על־סגול (‪ )UV‬לטיפול בצהבת ילודים‪ .‬צהבת ילודים‬ ‫היא מצב שבו העור ולובן העין נראים צהובים עקב רמות גבוהות של בילירובין בדם‪ .‬בילירובין‬ ‫הוא תוצר פירוק של החלבון המוגלובין‪ ,‬אשר נושא את החמצן בדם‪ .‬אם בילירובין מצטבר בגוף‬ ‫הוא יכול לגרום לנזק מוחי ולמוות‪ .‬כבד התינוק‪ ,‬שטרם הגיע למלוא יכולתו התפקודית‪ ,‬אינו‬ ‫מצליח לסלק את הבילירובין‪.‬‬ ‫ב־‪ ,1956‬אחות אנגלייה חדת הבחנה שמה לב לכך שכשתינוקות שנולדו עם צהבת נחשפו‬ ‫לאור שמש‪ ,‬הצהבת נעלמה‪ .‬מחקר שהסתמך על התצפית שלה הראה שאור על־סגול הופך את‬ ‫הבילירובין לחומר אחר‪ ,‬אשר הגוף מסוגל להפריש‪ .‬עד היום צהבת ילודים מטופלת באמצעות‬ ‫אור על־סגול‪.‬‬ ‫בפרק זה‪ ,‬הפותח את לימודי הכימיה‪ ,‬נתמקד בהבנת השיטה המדעית‪ :‬התהליך של פיתוח‬ ‫השערות על מנת להסביר תצפיות‪ ,‬ותכנון ניסויים על מנת לבחון את ההשערות הללו‪.‬‬ ‫נראה גם שמדידת תכונות של החומר‪ ,‬עריכה קפדנית של תצפיות ותיעוד קפדני של‬ ‫הנתונים הם מרכיב חיוני בחקירה המדעית‪ ,‬וכך גם הערכה של הדיוק והמהימנות של מדידות‪.‬‬ ‫יש לדווח על נתונים שנמדדו על מנת שאחרים יוכלו לקבוע את מידת החשיבות שלהם; משום‬ ‫כך‪ ,‬הבנה של ספרות הערך והיכולת להציג נתונים ביחידות בעלות המשמעות הגדולה ביותר‬ ‫מאפשרות למדענים אחרים לפרש את הנתונים והתוצאות‪.‬‬ ‫מטרת פרק המבוא הזה היא לסייע לכם לפתח את הכישורים הדרושים על מנת להציג‬ ‫ולמסור נתונים ותוצאות המבוססים על חקירה מדעית‪.‬‬

‫‪1.1‬‬

‫תהליך הגילוי‬

‫כימיה‬

‫חומר ואנרגיה הם נושאים מרכזיים בחקר הכימיה‪ .‬חומר (‪ )matter‬הוא כל דבר בעל מסה‬ ‫שתופס נפח‪ .‬אנרגיה (‪ )energy‬היא היכולת לבצע עבודה לשם השגת שינוי כלשהו‪ .‬כימיה‬ ‫עוסקת בחקר החומר והשינויים שחלים בו‪ .‬כאשר חל שינוי בחומר‪ ,‬הוא מקבל או מאבד‬ ‫אנרגיה‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 1‬לתאר את יחסי הגומלין בין‬

‫הכימיה ובין תחומים אחרים של‬ ‫המדע והרפואה‪.‬‬

‫ענפים מרכזיים בכימיה‬ ‫החל בחלקיקים תת־אטומיים וכלה‬ ‫כימיה היא תחום מחקר רחב העוסק במגוון נושאים‪ֵ ,‬‬ ‫באינטראקציות בין מולקולות ביולוגיות ענקיות‪ .‬משום כך הכימיה כוללת את התחומים‬ ‫שלהלן‪.‬‬ ‫ביוכימיה (‪ )biochemistry‬עוסקת בחקר החיים ברמה המולקולרית ובחקר התהליכים‬ ‫הקשורים בחיים‪ ,‬כגון רבייה‪ ,‬גדילה ונשימה‪ .‬כימיה אורגנית (‪ )organic chemistry‬עוסקת‬ ‫בחקר חומרים שמורכבים בעיקר מפחמן וממימן‪ .‬מדענים העוסקים בכימיה אורגנית‬ ‫חוקרים שיטות להכנת חומרים רבים ומגוונים‪ ,‬כגון פלסטיק‪ ,‬תרופות‪ ,‬ממסים שונים‬ ‫ומגוון חומרים כימיים תעשייתיים‪ .‬כימיה אי־אורגנית (‪ )inorganic chemistry‬עוסקת בחקר‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫חומרים שמורכבים בעיקר מיסודות שאינם פחמן ומימן וצירופים שלהם‪ .‬חוקרים בתחום‬ ‫זה הם האחראים לפיתוחם של חומרים ייחודיים כגון מוליכים למחצה וחומרים קרמיים‬ ‫תעשייתיים המסוגלים לעמוד בטמפרטורות גבוהות‪ .‬כימיה אנליטית (‪)analytical chemistry‬‬ ‫עוסקת בניתוח של חומרים לצורך קביעת ההרכב שלהם וכמותם‪ .‬כימאים בתחום זה הם אלה‬ ‫שמזהים שרידים של חומרים כימיים רעילים במים ובאוויר‪ .‬הם מפתחים גם שיטות לניתוח‬ ‫נוזלי גוף בחיפוש אחר סמים‪ ,‬רעלים ורמות של תרופות בדם‪ .‬כימיה פיזיקלית (‪physical‬‬ ‫‪ )chemistry‬היא תחום שמנסה להסביר את התנהגות החומר‪ .‬מדענים שזוהי התמחותם‬ ‫מפתחים מושגים תיאורטיים ומנסים לאשש אותם באמצעות ניסויים‪ .‬בכך הם עוזרים לנו‬ ‫להבין כיצד מערכות כימיות מתנהגות‪.‬‬ ‫במרוצת ‪ 30‬השנים האחרונות התפוגגו בהדרגה הגבולות המסורתיים בין מדעי הכימיה‪,‬‬ ‫הפיזיקה והביולוגיה‪ ,‬כמו גם המתמטיקה ומדעי המחשב‪ .‬כל העוסקים ברפואה‪ ,‬כולל רופאים‪,‬‬ ‫אחיות וטכנאים רפואיים‪ ,‬משתמשים בטיפולים שמבוססים על מרכיבים מכל התחומים‬ ‫הללו‪ .‬ההתפתחות המהירה של תעשיית התרופות מבוססת על הכרה בקשר שבין תפקודו של‬ ‫אורגניזם וההרכב הכימי שלו‪ .‬התפקוד הוא תוצאה של שינויים שהחומרים הכימיים עוברים‪.‬‬ ‫מסיבות אלה‪ ,‬הבנה של עקרונות היסוד של הכימיה חיונית לכל מי ששוקל לפתח קריירה‬ ‫בתחום הרפואי; יתרה מכך‪ ,‬כל העוסק בתחום מדעי ימצא תועלת בהבנה של העקרונות‬ ‫והיישומים של ענף הכימיה‪.‬‬

‫השיטה המדעית‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫חקר הסיבות להתכה המהירה של‬ ‫קרחונים הוא יישום גלובלי של ענף‬ ‫הכימיה‪ .‬כיצד הוא ממחיש את יחסי‬ ‫הגומלין בין חומר ואנרגיה?‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬

‫השיטה המדעית (‪ )scientific method‬היא גישה שיטתית לגילוי מידע חדש‪ .‬כיצד אנו לומדים‬ ‫על תכונות החומר‪ ,‬על האופן שבו הוא מתנהג בטבע ועל הדרכים שבעזרתן אפשר לשנות‬ ‫אותו ולייצר ממנו מוצרים שימושיים? כימאים עושים זאת תוך שימוש בשיטה המדעית‬ ‫לחקור את האופן שבו חומר משתנה בתנאים מבוקרים‪.‬‬ ‫השיטה המדעית אינה "מתכון" שאם ממלאים אחריו בדייקנות יניב תגליות חדשות;‬ ‫מדובר בגישה מאורגנת לפתרון בעיות מדעיות‪ .‬כל מדען מביא את הסקרנות‪ ,‬היצירתיות‬ ‫והדמיון שלו למחקר המדעי‪ .‬ואולם‪ ,‬כל תחום מחקר מתאפיין במערכת הליכים משלו‪.‬‬ ‫מדענים המועסקים על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקני (‪ )FDA‬או על ידי מעבדה‬ ‫לזיהוי פלילי‪ ,‬לדוגמה‪ ,‬מוכרחים למלא אחר רצף של הליכים ככתבם וכלשונם‪ .‬אם לא כן‪,‬‬ ‫תוצאותיהם מאבדות מתוקפן‪ .‬בראשית לימודיו ההתנסות של הסטודנט במעבדות מדעיות‬ ‫תכלול למידה של רצפי הליכים (מעין מתכונים)‪ .‬גישת ספר הבישול הזו למעבדות הכימיה‬ ‫היא חלק חיוני בלימוד הכימיה‪.‬‬ ‫מאפייני התהליך המדעי כוללים‪:‬‬ ‫‪ ‬‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪3‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לדון בגישה למדע ובשיטה‬

‫איור ‪1-1‬‬

‫המדעית‪ ,‬ולהבדיל בין המונחים‬ ‫השערה‪ ,‬תיאוריה וחוק מדעי‪.‬‬

‫תצפית על תופעה‬ ‫שאלה‬ ‫השערה‬ ‫)תשובה אפשרית(‬ ‫ניסוי‬

‫תצפית‪ .‬תיאור של צבע‪ ,‬טעם או ריח של חומר‪ ,‬לדוגמה‪ ,‬הוא תוצאה של תצפית‪.‬‬ ‫מדידת הטמפרטורה של נוזל או מדידה של גודל או מסה של מוצק נובעים‬ ‫תיאוריה‬ ‫השערה חדשה‬ ‫מתצפית‪.‬‬ ‫ניסוח שאלה‪ .‬הסקרנות הטבועה באנושות מדרבנת אותנו לשאול שאלות‪ ,‬כגון‬ ‫למה ואיך דברים פועלים‪.‬‬ ‫ניסויים נוספים‬ ‫פיתוח תיאוריה‬ ‫זיהוי תבנית‪ .‬אם מדען מוצא קשר של סיבה ותוצאה‪ ,‬הוא עשוי להיות בסיס‬ ‫וניסויים חדשים‬ ‫להסבר כללי של חומרים והתנהגותם‪.‬‬ ‫פיתוח תיאוריה‪ .‬כשמדענים צופים בתופעה הם רוצים להסביר אותה‪ .‬תהליך‬ ‫איור ‪ 1.1‬השיטה המדעית‪,‬‬ ‫להסביר‬ ‫ההסבר של תופעות נצפות מתחיל בהשערה‪ .‬השערה (‪ )hypothesis‬היא ניסיון‬ ‫דרך מאורגנת לעסוק במדע‪ .‬מידה‬ ‫תצפית‪ ,‬או שורה של תצפיות‪ ,‬באופן הגיוני‪ .‬אם ניסויים רבים תומכים בהשערה היא‬ ‫מסוימת של ניסוי וטעייה היא חלק‬ ‫עשויה להגיע למעמד של תיאוריה‪ .‬תיאוריה (‪ )theory‬היא השערה שנתמכת בבדיקות‬ ‫מהמדע‪ .‬אם הניסוי אינו תומך‬ ‫בהשערה‪ ,‬התהליך מתחיל מחדש‪.‬‬ ‫מקיפות (ניסויים)‪ ,‬אשר מסבירה עובדות מדעיות ובכוחה לחזות עובדות חדשות‪.‬‬ ‫ניתוח נתונים‬

‫מ‬

‫‪  4‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫ניסוי‪ .‬המחשת הנכונות של השערות ושל תיאוריות היא לב לבה של השיטה המדעית‪.‬‬ ‫הדבר נעשה באמצעות עריכת ניסויים מתוכננים היטב שנועדו לאשש או להפריך את‬ ‫התיאוריה או ההשערה‪.‬‬ ‫סיכום המידע‪ .‬חוק (‪ )law‬מדעי אינו אלא סיכום של כמות גדולה של מידע‪ .‬לדוגמה‪ ,‬חוק‬ ‫שימור החומר קובע שהחומר אינו נוצר או נעלם‪ ,‬רק מומר מצורה אחת לאחרת‪ .‬הקביעה‬ ‫הזו מייצגת מידע שנאסף באינספור ניסויים שונים בכימיה‪.‬‬

‫השיטה המדעית מצריכה שימוש משולב בהשערות‪ ,‬בפיתוח תיאוריות ובבדיקה יסודית של‬ ‫תיאוריות באמצעות ניסויים מתוכננים היטב‪ .‬תמצית שלה מופיעה באיור ‪.1.1‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬להבחין בין נתונים ותוצאות‪.‬‬

‫נתונים ותוצאות‬ ‫ניסוי מדעי מניב נתונים (‪ .)data‬כל נתון הוא תוצאה אחת של מדידה אחת או של תצפית‬ ‫אחת‪ .‬נתונים יכולים להיות‪ ,‬למשל‪ ,‬מסה של דגימה והזמן הדרוש להתרחשותה של תגובה‬ ‫כימית‪ .‬מסה‪ ,‬אורך‪ ,‬נפח‪ ,‬זמן‪ ,‬טמפרטורה ואנרגיה הם כולם סוגים נפוצים של נתונים‬ ‫שמתקבלים בניסויים כימיים‪.‬‬ ‫תוצאה (‪ )result‬היא הדבר שמתקבל בניסוי‪ .‬הנתונים והתוצאות לעתים זהים‪ ,‬אך לרוב‬ ‫יש לצרף כמה נתונים ולהפעיל עליהם חישוב כלשהו כדי לקבל תוצאה‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 1.1‬הבדל בין נתונים ותוצאות‬ ‫תרופות רבות מאבדות מיציבותן בתנאי לחות‪ ,‬ולכן לחות יתרה עלולה להאיץ את ההתפרקות של המרכיב הפעיל בתרופה ולפגוע‬ ‫בהשפעתה‪ .‬לפיכך רצוי לדעת מהי כמות המים שמסה מסוימת של תרופה יכולה לספוח בחשיפה לאוויר‪ .‬לצורך הניסוי‪ ,‬תחילה‬ ‫עלינו למדוד את מסתה של דגימה של התרופה‪ ,‬אחר כך לחשוף אותה לאוויר למשך פרק זמן מסוים ולבסוף למדוד את מסתה‬ ‫שוב‪ .‬השינוי במסה‪,‬‬ ‫השינוי במסה = [מסה התחלתית – מסה סופית]‬

‫מעיד על מסת המים שהתרופה ספחה‪ .‬המסה ההתחלתית והמסה הסופית הן פיסות בדידות של נתונים; כשלעצמם הם אינם‬ ‫עונים על השאלה‪ ,‬אבל הם מספקים את המידע הדרוש כדי לחשב את התשובה‪ :‬התוצאות‪ .‬ההפרש במסה הוא התוצאה של‬ ‫הניסוי‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.1‬‬

‫תארו ניסוי המראה כי נקודת הרתיחה של מים משתנה כאשר מוסיפים מלח (נתרן כלורי) למים‪.‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.35‬ו–‪1.36‬‬

‫הניסוי המתואר בדוגמה ‪ 1.1‬אינו ניסוי טוב במיוחד משום שרבים מהתנאים לא נמדדו‪.‬‬ ‫מדידה של הטמפרטורה והלחות של האטמוספרה ושל משך חשיפת התרופה לאוויר (יצירת‬ ‫אוסף נתונים שלם יותר) הייתה הופכת את התוצאות למפורשות יותר‪.‬‬

‫מודלים בכימיה‬ ‫השערות‪ ,‬תיאוריות וחוקים מבוטאים לא אחת באמצעות משוואות מתמטיות‪ .‬את המשוואות‬ ‫האלה לעתים רק טובי המתמטיקאים מסוגלים להבין‪ .‬מסיבה זאת נהוג להשתמש במודל‬ ‫(‪ )model‬של חלקיק או של מערכת כימית על מנת להבהיר את הרעיונות‪ .‬מודל טוב המבוסס‬ ‫על ניסיון יומיומי‪ ,‬גם אם אינו מושלם‪ ,‬מספק כמות גדולה של מידע באופן פשוט‪ .‬נחשוב‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪5‬‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫השיטה המדעית‬ ‫גילוי הפניצילין על ידי אלכסנדר פלמינג (‪ )Alexander Fleming‬הוא דוגמה‬ ‫לפעולתה של השיטה המדעית‪ .‬פלמינג חקר את תהליכי הגדילה של חיידקים‪.‬‬ ‫יום אחד הניסוי שלו נהרס משום שמושבות של טחב גדלו בצלחות שלו‪ .‬על‬ ‫סמך הניסוי הכושל הזה ערך פלמינג תצפית שעתידה לשנות את פני הרפואה‪:‬‬ ‫מושבות חיידקים לא גדלו מסביב למושבות הטחב‪ .‬פלמינג שיער שהטחב ייצר‬ ‫תרכובת כימית שמנעה את גדילת החיידקים‪ .‬הוא ביצע שורה של ניסויים‬ ‫במטרה לבדוק את ההשערה‪.‬‬ ‫המפתח לשיטה המדעית הוא תכנון של ניסויים מבוקרים וקפדניים שיכולים‬ ‫לאשש או להפריך השערה‪ .‬זה בדיוק מה שפלמינג עשה‪.‬‬ ‫באחד הניסויים הוא השתמש בשתי קבוצות של מבחנות שהכילו מצע‬ ‫סטרילי של חומרים מזינים‪ .‬לאחת הקבוצות הוא הוסיף תאי טחב‪ .‬הקבוצה‬ ‫השנייה (מבחנות הבקרה) נשארה סטרילית‪ .‬הוא אפשר לטחב לגדול במשך‬ ‫כמה ימים‪ .‬לאחר מכן הוא העביר את תכולת המבחנות משני הסוגים (ניסוי‬ ‫ובקרה) דרך מסננת שסילקה את תאי הטחב‪ .‬לבסוף הוא הכניס חיידקים לכל‬ ‫המבחנות‪ .‬אם ההשערה של פלמינג נכונה‪ ,‬המבחנות שבהן גדל הטחב יכילו את‬ ‫החומר הכימי שמונע את גדילת החיידקים‪ ,‬והחיידקים לא יגדלו בהן‪ .‬לעומתן‪,‬‬ ‫מבחנות הבקרה (שבהן לא גדל טחב) יאפשרו גידול של חיידקים‪ .‬ואכן כך היה‪.‬‬ ‫בתוך שנים ספורות האנטיביוטיקה הזו‪ ,‬פניצילין‪ ,‬שימשה לטיפול בזיהומים‬ ‫חיידקיים בחולים‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ מהי מטרת מבחנות הבקרה ששימשו בניסוי?‬ ‫@ השוו את השלבים המתוארים בקטע לחלקים השונים של איור ‪.1.1‬‬

‫אחות מתכוננת להזריק פניצילין למטופל צעיר‪.‬‬

‫מספר אחד‬ ‫אשר מורכב מאטום פחמן‬ ‫העיקרי בגז הטבעי‪,‬‬ ‫המרכיב‬ ‫הבסיסי של מתאן‪,‬‬ ‫העבודה‪20116 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫רונית בורלאעל החלקיק שם‬ ‫(שסימולו ‪ )C‬ומארבעה אטומי מימן (שסימולם ‪.)H‬‬ ‫אפשר להרכיב מודל מדויק מבחינה גיאומטרית של מתאן באמצעות מודל כדור־מקל;‬ ‫עמוד ‪5‬‬ ‫(אטומים) של מימן ופחמן‪ ,‬והמקלות מייצגים‬ ‫הכדורים מייצגים את היחידות הבדידות‬ ‫את כוחות המשיכה שקושרים בין אטומי המימן והפחמן‪ .‬המודל מורכב מארבעה כדורים‬ ‫המייצגים אטומי מימן‪ ,‬המסודרים באופן סימטרי מסביב לכדור מרכזי המייצג אטום פחמן‪.‬‬ ‫כדור ה"פחמן" מחובר לכל כדור "מימן" באמצעות מקלות‪ ,‬כדלקמן‪:‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪C‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬

‫צבעם השונה של הכדורים מבדיל בין האטומים מסוגים שונים; הצורה הגיאומטרית של‬ ‫אה ֶדר‪ ,‬זהה בכל יחידת מתאן המופיעה בטבע‪.‬‬ ‫טר ֶ‬ ‫לט ָ‬ ‫המודל‪ ,‬שמתאימה בזוויות ובממדים שלה ֶ‬

‫‪  6‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מתאן אינו בשום אופן אוסף של כדורים ומקלות‪ ,‬אבל מודלים מעין זה חשובים משום שהם‬ ‫עוזרים לנו להבין את ההתנהגות הכימית של מתאן ושל חומרים אחרים ומורכבים יותר‪.‬‬ ‫כימאים ופיזיקאים השתמשו בתכונות הנצפות של החומר על מנת לפתח מודלים של‬ ‫יחידות החומר הבדידות‪ .‬המודלים הללו מרכיבים יחד את מה שאנו מכירים כיום כתיאוריה‬ ‫האטומית של החומר‪ ,‬שבה נדון בפרוטרוט בפרק ‪.2‬‬ ‫ההבנה של הקשר בין מבנה לתכונות התקדמה עד כדי כך שכיום מתכננים ומסנתזים‬ ‫תרכובות במעבדה בתקווה ליצור השפעה מדויקת מאוד‪ ,‬למשל על מנת לרפא מחלות עמידות‬ ‫לסוגי טיפול אחרים‪ .‬איור ‪ 1.2‬מציג מקצת ממגוון הטכנולוגיות המודרנית ששורשיהן נעוצים‬ ‫בהבנת האטום‪.‬‬

‫(‪)2‬‬

‫איור ‪ 1.2‬דוגמאות לטכנולוגיות‬ ‫שמקורן בחקירה המדעית‪:‬‬ ‫(‪ )1‬סינתזה של תרופות חדשות;‬ ‫(‪ )2‬תאי אנרגיה סולרית; (‪ )3‬הכנת‬ ‫מוצרי אלקטרוניקה של מצב מוצק;‬ ‫(‪ )4‬שימוש בסמן כימי זוויגי של עש‬ ‫לשם פיקוח על חרקים‪.‬‬

‫(‪)1‬‬

‫)‪(d‬‬ ‫(‪)3‬‬

‫(‪)4‬‬

‫‪1.2‬‬

‫סיווג החומר‬

‫חומר הוא מושג רחב ולכאורה בלתי נתפס‪ ,‬משום שהוא כולל כל דבר בעל מסה שתופס‬ ‫נפח במרחב‪ .‬הכימיה הופכת בת תפיסה כשאנו מסווגים חומרים בהתאם לתכונותיהם‬ ‫(‪ ,)properties‬כלומר בהתאם למאפייני החומר‪ .‬כימאים מחפשים קווי דמיון בתכונותיהם‬ ‫של מגוון חומרים‪ .‬זיהוי קווי הדמיון הללו מקל את למידת הנושא ומאפשר לנו לחזות את‬ ‫ההתנהגות של חומרים חדשים על סמך הקשר בינם ובין חומרים מוכרים‪ .‬בחלק זה נסווג את‬ ‫החומר בשני אופנים – על פי מצב הצבירה ועל פי ההרכב‪ .‬כמו כן נדון בחלק זה בתכונות‬ ‫המשמשות לסיווג החומר‪.‬‬

‫)‪(a‬‬

‫)‪(c‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪7‬‬

‫מצבי הצבירה של החומר‬ ‫יש שלושה מצבי צבירה עיקריים לחומר‪ :‬המצב הגזי (‪ ,)gaseous state‬המצב הנוזלי (‪liquid‬‬ ‫‪ )state‬והמצב המוצק (‪ .)solid state‬גז מורכב מחלקיקים שיש ביניהם מרחק גדול‪ .‬למעשה‪,‬‬

‫גז מתפשט עד שהוא ממלא את נפח המכל שבו הוא נמצא; אין לו צורה או נפח מוגדרים‬ ‫משלו‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬חלקיקי הנוזל קרובים יותר אלה לאלה; לנוזל יש נפח מוגדר אך אין לו‬ ‫צורה מוגדרת והוא מקבל את צורת המכל שבו הוא נמצא‪ .‬מוצק מורכב מחלקיקים קרובים‬ ‫אלה לאלה‪ ,‬ולא אחת הם מופיעים בתבנית סדירה וצפויה (גבישים)‪ .‬למוצק יש נפח קבוע‬ ‫וצורה קבועה‪ .‬כוחות משיכה‪ ,‬שקיימים בין כל החלקיקים‪ ,‬בולטים מאוד במוצקים והרבה‬ ‫פחות בגזים‪.‬‬

‫(‪)3‬‬

‫)‪)2((c‬‬

‫)‪)1((b‬‬

‫איור ‪ 1.3‬שלושת מצבי הצבירה של החומר כפי שהם מתבטאים במים‪ )1( :‬מוצק‪ ,‬בתור קרח;‬ ‫(‪ )2‬נוזל‪ ,‬בתור מי אוקיינוס; (‪ )3‬גז‪ ,‬בתור לחות באוויר‪.‬‬

‫תכונות פיזיקליות ושינוי פיזיקלי‬ ‫מים הם הדוגמה השכיחה ביותר לחומר שיכול להתקיים בכל שלושת מצבי הצבירה בטווח‬ ‫טמפרטורות סביר (איור ‪ .)1.3‬המרה של מים ממצב צבירה אחד לאחר היא שינוי פיזיקלי‪.‬‬ ‫שינוי פיזיקלי (‪ )physical change‬מחולל הבדל בר הבחנה במראה של חומר מבלי לגרום‬ ‫לשינוי כלשהו בהרכב שלו או בזהותו‪ .‬לדוגמה‪ ,‬אנו יכולים לחמם קוביית קרח והיא תותך‬ ‫ותהפוך למים נוזליים‪ .‬אין ספק שהמראה שלה השתנה; היא השתנתה ממצב מוצק למצב‬ ‫נוזל‪ .‬עם זאת‪ ,‬עדיין מדובר במים; בהרכב ובזהות שלהם לא חל כל שינוי‪ .‬השינוי שהתרחש‬ ‫הוא פיזיקלי‪ .‬ביכולתנו להדגים את קביעּות ההרכב והזהות על ידי הקפאה של המים הנוזליים‪,‬‬ ‫תוך יצירה מחודשת של קוביית הקרח‪ .‬מחזור ההתכה וההקפאה הזה יכול להישנות שוב‬ ‫ושוב‪ .‬למעשה‪ ,‬התהליך הזה הוא סימן ההיכר של שינויי מזג האוויר‪ .‬ההמרה המתמשכת של‬ ‫מים בסביבה בין שלושת מצבי הצבירה (שלג‪ ,‬גשם ולחות) מדגימה בבירור את שימור הזהות‬ ‫של חלקיקי המים‪ ,‬או המולקולות (‪.)molecules‬‬ ‫אפשר למדוד תכונה פיזיקלית או לצפות בה מבלי לשנות את ההרכב או הזהות של‬ ‫החומר‪ .‬כפי שראינו‪ ,‬התכת קרח היא שינוי פיזיקלי‪ .‬אפשר למדוד את הטמפרטורה שבה‬ ‫ההתכה מתרחשת; זו טמפרטורת ההתכה (‪ )melting point‬של מים‪ .‬אפשר למדוד גם את‬ ‫טמפרטורת הרתיחה (‪ )boiling point‬של מים‪ ,‬שבה מים נוזליים הופכים לגז‪ .‬טמפרטורת‬ ‫ההתכה וטמפרטורת הרתיחה של מים‪ ,‬ואלה של כל חומר אחר‪ ,‬הן תכונות פיזיקליות‪.‬‬ ‫יישום מעשי של הפרדת חומרים על פי ההבדל בתכונות הפיזיקליות שלהם מוצג‬ ‫באיור ‪.1.4‬‬

‫נבחן בפרוטרוט כל אחד משלושת‬ ‫מצבי הצבירה בפרק ‪.5‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לתאר את תכונות המצב המוצק‪,‬‬

‫המצב הנוזלי והמצב הגזי‪.‬‬

‫)‪(a‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לספק דוגמאות ספציפיות של‬

‫תכונות פיזיקליות ותכונות כימיות‬ ‫ושל שינוי פיזיקלי ושינוי כימי‪.‬‬

‫איור ‪ 1.4‬דוגמה להפרדה על‬ ‫בסיס ההבדלים בתכונות פיזיקליות‪.‬‬ ‫ברזל בעל תכונות מגנטיות מופרד‬ ‫מחומרים חסרי תכונות אלה‪.‬‬ ‫התהליך הזה‪ ,‬בקנה מידה גדול‪ ,‬הוא‬ ‫בעל חשיבות בתעשיית המחזור‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬

‫‪  8‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מספר העבודה‪116 :‬‬

‫עמוד ‪7‬‬

‫תכונות כימיות ושינוי כימי‬

‫אור הוא האנרגיה הנדרשת על מנת‬ ‫לאפשר את התגובה‪ .‬הכלורופיל‬ ‫קולט את האנרגיה‪ ,‬וממיר את‬ ‫אנרגיית האור לאנרגיה כימית‪.‬‬

‫ִצייַ נו שאפשר להראות ולמדוד תכונות פיזיקליות‪ ,‬וכן לצפות בהן‪ ,‬מבלי שיחול כל שינוי‬ ‫בזהות או בהרכב של החומר‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬תכונות כימיות (‪ )chemical properties‬באות לידי‬ ‫ביטוי בעת שינוי ההרכב‪ ,‬ואפשר לצפות בהן רק באמצעות תגובות כימיות‪ .‬בתגובה כימית‬ ‫(‪ )chemical reaction‬חומר כימי מומר לחומר אחר‪ ,‬אחד או יותר‪ ,‬באמצעות סידור מחדש‪,‬‬ ‫סילוק‪ ,‬החלפה או הוספה של אטומים‪ .‬לדוגמה‪ ,‬אפשר לתאר את תהליך הפוטוסינתזה כך‪:‬‬ ‫חמצן ‪ +‬סוכר‬

‫אור‬ ‫כלורופיל‬

‫מים ‪ +‬פחמן דו־חמצני‬

‫התגובה הכימית הזאת כוללת המרה של פחמן דו־חמצני ושל מים (המגיבים) לסוכר ולחמצן‬ ‫(התוצרים)‪ .‬התוצרים והמגיבים שונים אלה מאלה במובהק‪ .‬אנחנו יודעים שפחמן דו־חמצני‬ ‫וחמצן הם גזים בטמפרטורת החדר ושמים הם נוזל בטמפרטורה הזו‪ ,‬ואילו סוכר הוא אבקה‬ ‫לבנה מוצקה‪ .‬אחת התכונות הכימיות של פחמן דו־חמצני היא יכולתו להפוך לסוכר בנסיבות‬ ‫מסוימות‪ .‬תהליך היצירה של הסוכר הוא השינוי הכימי‪ .‬המונח תגובה כימית הוא כינוי נרדף‬ ‫לשינוי כימי (‪.)chemical change‬‬

‫דוגמה ‪ 1.2‬זיהוי תכונות‬ ‫האם התהליך המתרחש כאשר מטגנים ביצה הוא שינוי פיזיקלי או שינוי כימי?‬ ‫פתרון‬ ‫נבחן את תכונות הביצה לפני הטיגון ואחריו‪ .‬אין ספק שחל בה שינוי משמעותי‪.‬‬ ‫יתרה מזאת‪ ,‬השינוי נראה בלתי הפיך‪ .‬השינוי שהתחולל כאן לא היה פיזיקלי בלבד‪.‬‬ ‫תגובה כימית (למעשה‪ ,‬יותר מאחת) ללא ספק מעורבת בדבר; ומכאן שזהו שינוי כימי‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לספק דוגמאות ספציפיות של‬

‫תכונות פיזיקליות ותכונות כימיות‬ ‫ושל שינוי פיזיקלי ושינוי כימי‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.2‬‬

‫סווגו כל אחד מהתיאורים שלהלן בתור שינוי כימי או שינוי פיזיקלי‪:‬‬ ‫א‪ .‬מים רותחים והופכים לאדים‬ ‫ב‪ .‬חמאה שמתקלקלת‬ ‫ג‪ .‬שריפת עץ‬ ‫ד‪ .‬התכת קרח באביב‬ ‫ה‪ .‬ריקבון של עלים בחורף‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.51‬ו–‪1.52‬‬

‫‪ 1‬סווגו כל אחת מהתכונות שלהלן בתור תכונה כימית או תכונה פיזיקלית‪:‬‬ ‫שאלה ‪ .1‬‬ ‫א‪ .‬צבע ב‪ .‬דליקות ג‪ .‬קשיות‬ ‫שאלה ‪ 1.2‬סווגו כל אחת מהתכונות שלהלן בתור תכונה כימית או תכונה פיזיקלית‪:‬‬ ‫א‪ .‬ריח ב‪ .‬טעם ג‪ .‬טמפרטורה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 6‬להבדיל בין תכונות אינטנסיביות‬

‫ותכונות אקסטנסיביות‪.‬‬

‫תכונות אינטנסיביות ותכונות אקסטנסיביות‬ ‫אפשר לסווג תכונות גם על פי מידת התלות שלהן בגודל הדגימה‪ .‬משום כך‪ ,‬יש הבדל מהותי‬ ‫בין תכונות כגון צבע וטמפרטורת התכה ותכונות כגון מסה ונפח‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪9‬‬

‫תכונה אינטנסיבית (‪ )intensive property‬היא תכונה של חומר שאינה תלויה בכמות‬ ‫החומר‪ .‬טמפרטורת רתיחה וטמפרטורת התכה הן תכונות אינטנסיביות‪ .‬לדוגמה‪ ,‬טמפרטורת‬ ‫הרתיחה של טיפת מים בודדת זהה לטמפרטורת הרתיחה של ליטר (‪ )L‬מים‪.‬‬ ‫תכונה אקסטנסיבית (‪ )extensive property‬תלויה בכמות החומר‪ .‬מסה ונפח הם תכונות‬ ‫אקסטנסיביות‪ .‬יש הבדל ברור בין ‪ 1‬גרם של זהב ו־‪ 1‬קילוגרם של זהב; הכמויות‪ ,‬וכמו כן‬ ‫הערך הכספי‪ ,‬שונים מהותית‪.‬‬

‫דוגמה ‪1.3‬‬

‫הבחנה בין תכונות אינטנסיביות ותכונות אקסטנסיביות‬

‫האם טמפרטורה היא תכונה אקסטנסיבית או אינטנסיבית?‬ ‫פתרון‬ ‫תארו לעצמכם שתי כוסות שבכל אחת ‪ 100‬גרם מים בטמפרטורה של ‪ .25ºC‬כעת נשפוך את תכולת שתי הכוסות לכוס גדולה‬ ‫יותר‪ .‬נצפה שמסת המים בכוס הגדולה יותר תהיה ‪ 200‬גרם (‪ 100‬גרם ‪ 100 +‬גרם) משום שמסה היא תכונה אקסטנסיבית‪,‬‬ ‫התלויה בכמות‪ .‬עם זאת‪ ,‬נצפה שטמפרטורת המים לא תשתנה (לא תהיה ‪ ;)25ºC + 25ºC‬מכאן שטמפרטורה היא תכונה‬ ‫אינטנסיבית‪ ,‬שאינה תלויה בכמות‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.3‬‬

‫מים טהורים קופאים בטמפרטורה של ‪ .0ºC‬האם זו תכונה אינטנסיבית או אקסטנסיבית? מדוע?‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.45‬ו–‪1.46‬‬

‫שאלה ‪ 1.3‬ציינו לגבי כל אחת מהתכונות שלהלן אם היא אינטנסיבית או אקסטנסיבית‪:‬‬ ‫א‪ .‬אורך העיפרון שלי‬ ‫ב‪ .‬צבע העיפרון שלי‬ ‫‪ 1‬ציינו לגבי כל אחת מהתכונות שלהלן אם היא אינטנסיבית או אקסטנסיבית‪:‬‬ ‫שאלה ‪ .4‬‬ ‫א‪ .‬צורת העלים של עץ‬ ‫ב‪ .‬מספר העלים של עץ‬

‫הרכב החומר‬ ‫ראינו שאפשר לסווג את החומר על פי מצב הצבירה שלו כמוצק‪ ,‬כנוזל או כגז‪ .‬דרך אחרת‬ ‫לסווג חומר היא באמצעות ההרכב שלו‪ .‬השיטה השימושית הזו‪ ,‬שמתוארת בפסקאות‬ ‫הבאות ומתומצתת באיור ‪ ,1.5‬תיושם לכל אורך ספר הלימוד‪.‬‬ ‫כל חומר הוא אחד משניים‪ :‬חומר טהור או תערובת‪ .‬חומר טהור (‪ )pure substance‬מכיל‬ ‫רק מרכיב אחד‪ .‬מים טהורים הם חומר טהור – הם מורכבים רק מחלקיקים שמכילים שני‬ ‫אטומי מימן ואטום חמצן אחד‪ ,‬כלומר מולקולות מים (‪.)H2O‬‬ ‫יש סוגים שונים של חומרים טהורים‪ :‬יסודות ותרכובות‪ .‬יסוד (‪ )element‬הוא חומר טהור‬ ‫שאי־אפשר להפוך לצורה פשוטה יותר של חומר באמצעות תגובה כימית‪ .‬מימן וחמצן‪,‬‬ ‫לדוגמה‪ ,‬הם יסודות‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬תרכובת (‪ )compound‬היא חומר שנוצר משילוב של שני‬ ‫יסודות או יותר באופן מוגדר וחוזר על עצמו‪ .‬היסודות מימן וחמצן‪ ,‬כפי שהזכרנו קודם‪,‬‬ ‫יכולים להתחבר וליצור את התרכובת מים‪.H2O ,‬‬ ‫תערובת (‪ )mixture‬היא שילוב של שני חומרים טהורים או יותר‪ ,‬שבו כל חומר שומר‬ ‫על זהותו‪ .‬אפשר למזג אלכוהול (אתאנול) ומים לכדי תערובת‪ .‬הם מתקיימים זה לצד זה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לסווג את החומר על פי הרכבו‪:‬‬

‫כיסוד‪ ,‬כתרכובת או כתערובת‪.‬‬

‫עד כה (‪ )2014‬זוהו למעלה מ־‪100‬‬ ‫יסודות‪ .‬רשימה מלאה של היסודות‬ ‫וסימוליהם מופיעה בכריכה‬ ‫הפנימית של ספר הלימוד‪.‬‬

‫‪  10‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫ביצוע‪ :‬רונית‬

‫דיון מפורט בתמיסות (תערובות‬ ‫הומוגניות) ובתכונותיהן מובא‬ ‫בפרק ‪.6‬‬

‫כחומרים טהורים משום שהם אינם עוברים תגובה כימית‪ .‬הרכב התערובת יכול להשתנות;‬ ‫אלכוהול ומים אפשר לערבב במספר אינסופי של יחסי כמויות‪ .‬לדוגמה‪ ,‬התערובת יכולה‬ ‫להכיל כמות קטנה של אתאנול וכמות גדולה של מים‪ ,‬או להפך‪ .‬אולם בכל המקרים האלה‬ ‫מדובר בתערובת של אתאנול ומים‪.‬‬ ‫תערובת יכולה להיות הומוגנית או הטרוגנית (איור ‪ .)1.6‬תערובת הומוגנית‬ ‫מספר‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫בורלא‬ ‫שלה‪1‬מעורבבים היטב בכל‬ ‫אחיד‪ :‬החלקיקים‬ ‫בהרכב‬ ‫שם מתאפיינת‬ ‫‪)homogeneous mixture‬‬ ‫(‬ ‫חלקיה‪ .‬תערובת הומוגנית‪ ,‬כגון אלכוהול ומים‪ ,‬נקראת תמיסה‪ .‬אוויר‪ ,‬תערובת של גזים‪,‬‬ ‫הוא דוגמה לתמיסה גזית‪ .‬תערובת הטרוגנית (‪ )heterogeneous mixture‬מתאפיינת בהרכב‬ ‫בלתי אחיד‪ .‬תערובת של מלח ופלפל היאאיור‬ ‫‪1-5‬לתערובת הטרוגנית‪ .‬גם בטון הוא‬ ‫דוגמה טובה‬ ‫תערובת הטרוגנית של חומרים (מגוון סוגים של אבנים וחול בגדלים שונים בצירוף מלט‬ ‫בתערובת בלתי אחידה)‪.‬‬ ‫חומר‬

‫איור ‪ 1.5‬סיווג החומר על‬ ‫פי ההרכב‪ .‬כל חומר הוא חומר‬ ‫טהור או תערובת של חומרים‬ ‫טהורים‪ .‬חומרים טהורים מחולקים‬ ‫ליסודות ולתרכובות‪ ,‬ותערובות‬ ‫מחולקות להומוגניות (הרכב אחיד)‬ ‫ולהטרוגניות (הרכב בלתי אחיד)‪.‬‬

‫חומר טהור‬

‫תערובת‬ ‫תערובת‬ ‫הטרוגנית‬

‫תערובת‬ ‫הומוגנית‬

‫תרכובת‬

‫יסוד‬

‫דוגמה‪ :‬שמן ומים‪,‬‬ ‫מלח ופלפל‬

‫דוגמה‪ :‬אוויר‪,‬‬ ‫מלח במים‬

‫דוגמה‪:‬‬ ‫מלח‪ ,‬מים‬

‫דוגמה‪:‬‬ ‫נתרן‪ ,‬מימן‬

‫(‪)3‬‬

‫(‪)2‬‬

‫(‪)1‬‬

‫איור ‪ 1.6‬ייצוג סכמטי של כמה סוגים של חומר‪ )1( .‬חומר טהור‪ ,‬מים‪ ,‬מכיל מרכיב יחיד‪.‬‬ ‫(‪ )2‬תערובת הומוגנית‪ ,‬צבע כחול במים‪ ,‬מתאפיינת בפיזור אחיד של המרכיבים‪ .‬הכדורים הכחולים‬ ‫מייצגים את מולקולות הצבע הכחול‪ )3( .‬תערובת הטרוגנית‪ ,‬שיש‪ ,‬מתאפיינת בחלוקה בלתי אחידה של‬ ‫מרכיבים‪ .‬היעדר ההומוגניות ברור לעין‪.‬‬

‫העבודה‪:‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫דוגמה ‪ 1.4‬סיווג החומר על פי ההרכב‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪11‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לסווג את החומר על פי הרכבו‪:‬‬

‫האם מי ים הם חומר טהור‪ ,‬תערובת הומוגנית או תערובת הטרוגנית?‬

‫פתרון‬ ‫דמיינו שאתם עומדים על החוף וממלאים כלי בדגימה של מים מהאוקיינוס‪ .‬בחנו אותה‪.‬‬ ‫אתם יכולים לראות מגוון של חלקיקים מוצקים מרחפים במים‪ :‬חול‪ ,‬צמחייה ירוקה‪ ,‬אולי אפילו דג קטן! אין ספק שמדובר‬ ‫בתערובת‪ ,‬ובתערובת שבה החלקיקים אינם מפוזרים באופן אחיד; ומכאן שמי ים הם תערובת הטרוגנית‪.‬‬ ‫כיסוד‪ ,‬כתרכובת או כתערובת‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.4‬‬

‫האם החומרים שלהלן הם חומר טהור‪ ,‬תערובת הומוגנית או תערובת הטרוגנית?‬ ‫א‪ .‬אתאנול ג‪ .‬טבליות נגד צרבת מומסות במים‬ ‫ד‪ .‬חמצן בבלון חמצן רפואי‬ ‫ב‪ .‬דם ‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.57‬ו–‪1.58‬‬

‫‪ 1‬תנו שתי דוגמאות לתערובות הומוגניות שאנו נתקלים בהן בחיי היום־יום‪.‬‬ ‫שאלה ‪ .5‬‬ ‫‪ 1‬תנו שתי דוגמאות לתערובות הטרוגניות שאנו נתקלים בהן בחיי היום־יום‪.‬‬ ‫שאלה ‪ .6‬‬

‫‪1.3‬‬

‫יחידות המדידה‬

‫חקר הכימיה מצריך איסוף של נתונים באמצעות מדידות‪ .‬הגדלים שאנו מודדים הם לרוב‬ ‫מסה‪ ,‬אורך ונפח‪ .‬המדידות מצריכות קביעה של כמות ולאחריה יחידה (‪ ,)unit‬אשר מגדירה‬ ‫את הגודל הבסיסי שנמדד‪ .‬מסה של ‪ 3‬גרם (‪ )g‬שונה בעליל ממסה של ‪ 3‬קילוגרם (‪ .)kg‬מספר‬ ‫שלאחריו לא מופיעה היחידה הנכונה מספק לרוב מידע חסר תועלת‪.‬‬ ‫השיטה המטרית פותחה במקור בצרפת זמן קצר לפני המהפכה הצרפתית ב־‪ .1789‬הגרסה‬ ‫המקיפה יותר של השיטה היא הסיסטם אינטרנסיונל (‪ ,)Systéme International‬או מערכת‬ ‫‪ .S.I.‬אף שמערכת ‪ S.I.‬קיימת זה למעלה מ־‪ 40‬שנה היא עדיין אינה בגדר סטנדרט‪ .‬משום‬ ‫שהיא שיטתית באמת היא משתמשת ביחידות מסוימות שלדעת רבים הן מסורבלות מדי‪,‬‬ ‫במיוחד היחידות למדידת לחץ‪.‬‬

‫טבלה‬ ‫מסה‬

‫אורך‬

‫נפח‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬ללמוד את יחידות המדידה‬ ‫החשובות במערכת המטרית‪.‬‬

‫‪ 1.1‬המרות בין יחידות‬

‫‪ 1‬טונה = ‪ 103‬קילוגרם‬ ‫‪ 1‬קילוגרם = ‪ 103‬גרם‬ ‫‪ 1‬גרם = ‪ 103‬מיליגרם‬ ‫‪ 1‬קילומטר = ‪ 103‬מטר‬ ‫‪ 1‬מטר = ‪ 10‬דצימטר‬ ‫‪ 1‬מטר = ‪ 102‬סנטימטר‬ ‫‪ 1‬מטר = ‪ 103‬מילימטר‬ ‫‪ 1‬מטר = ‪ 109‬ננומטר‬ ‫‪ 1‬מטר = ‪ 1010‬אנגסטרם‬ ‫‪ 1‬מטר מעוקב = ‪ 103‬ליטר‬ ‫‪ 1‬ליטר = ‪ 103‬מיליליטר (סמ"ק)‬ ‫‪ 1‬ליטר = ‪ 1‬דצימטר מעוקב‬

‫בתמונה נראים ‪ 100‬גרם ענבים‬ ‫לצד ‪ 1‬קילוגרם מלון‪ .‬אין להכחיש‬ ‫שליחידות המדידה יש חשיבות‪.‬‬

‫‪  12‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫טבלה‬

‫‪ 1.2‬כמה תחיליות שכיחות המשמשות בשיטה המטרית‬

‫קיצור‬

‫תחילית‬ ‫מגה (‪)mega‬‬ ‫קילו (‪)kilo‬‬ ‫דקה (‪)deka‬‬ ‫דצי (‪)deci‬‬ ‫סנטי (‪)centi‬‬ ‫מילי (‪)milli‬‬ ‫מיקרו (‪)micro‬‬ ‫ננו (‪)nano‬‬ ‫התהליך המתמטי של המרה בין‬ ‫יחידות יתואר בפרוטרוט בסעיף ‪.1.5‬‬

‫משמעות‬

‫מקבילה עשרונית‬

‫מקבילה ליחידה‬

‫מטרית ‪ m ,g‬או ‪L‬‬ ‫(מיוצגת בתור ‪)x‬‬ ‫‪1Mx = 106x‬‬

‫‪M‬‬

‫‪106‬‬

‫‪1,000,000.‬‬

‫‪k‬‬

‫‪103‬‬

‫‪1,000.‬‬

‫‪103x‬‬

‫‪da‬‬

‫‪101‬‬

‫‪10.‬‬

‫‪1dax = 101x‬‬

‫‪d‬‬

‫‪10–1‬‬

‫‪0.1‬‬

‫‪1dx = 10–1x‬‬

‫‪c‬‬

‫‪10–2‬‬

‫‪0.01‬‬

‫‪10–2x‬‬

‫= ‪1cx‬‬

‫‪m‬‬

‫‪10–3‬‬

‫‪0.001‬‬

‫‪10–3x‬‬

‫= ‪1mx‬‬

‫‪μ‬‬

‫‪10– 6‬‬

‫‪0.000001‬‬

‫‪1µx = 10– 6x‬‬

‫‪n‬‬

‫‪10– 9‬‬

‫‪0.000000001‬‬

‫= ‪1kx‬‬

‫‪10– 9x‬‬

‫= ‪1nx‬‬

‫בספר זה נשתמש בשיטה המטרית‪ ,‬לא במערכת ‪.S.I.‬‬ ‫הבה נבחן את היחידות המטריות של מסה‪ ,‬אורך‪ ,‬נפח וזמן ביתר פירוט‪.‬‬

‫מסה‬ ‫מסה (‪ )mass‬מתארת את כמות החומר בגוף‪ .‬המונחים משקל (‪ )weight‬ומסה נחשבים מילים‬ ‫נרדפות בשפת היום־יום‪ ,‬אך למעשה הם שונים‪ .‬משקל הוא כוח הכבידה הפועל על גוף‪:‬‬ ‫תאוצת כוח הכובד × מסה = משקל‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬ללמוד את יחידות המדידה‬ ‫החשובות במערכת המטרית‪.‬‬

‫איור ‪ 1.7‬שלושה סוגים נפוצים‬ ‫של מאזניים שמשמשים למדידת‬ ‫מסה‪ )1( .‬מאזני השוואה בעלי שתי‬ ‫כפות למדידה מקורבת של מסה‬ ‫שמתאימה לעבודה המצריכה‬ ‫רמת דיוק של ‪ 0.1‬גרם (ולעתים‬ ‫‪ 0.01‬גרם)‪ )2( .‬מאזניים אלקטרוניים‬ ‫בעלי כף יחידה שרמת הדיוק‬ ‫שלהם דומה לזו של (‪ ,)1‬אבל‬ ‫יתרונם במהירות ובקלות השימוש‪.‬‬ ‫מהפכת האלקטרוניקה הביאה לכך‬ ‫שבמרוצת ‪ 20‬השנים האחרונות‬ ‫המאזניים האלקטרוניים החליפו‬ ‫ברוב המקרים את מאזני הכפות‬ ‫במעבדה‪ )3( .‬מאזניים אנליטיים‬ ‫מסוג זה משמשים כשיש צורך ברמת‬ ‫הדיוק הגבוהה ביותר‪.‬‬

‫כאשר כוח הכבידה קבוע יש יחס מתכונתי ישיר בין המסה והמשקל‪ .‬אבל כוח הכבידה אינו‬ ‫קבוע; הוא משתנה כפונקציה של המרחק ממרכז כדור הארץ‪ .‬לפיכך המשקל אינו יכול לשמש‬ ‫לביצוע מדידות מדעיות משום שמשקלו של גוף עשוי להשתנות מנקודה לנקודה על פני כדור‬ ‫הארץ‪.‬‬ ‫המסה‪ ,‬לעומת זאת‪ ,‬אינה תלויה בכוח הכבידה; היא מחושבת באמצעות השוואה של‬ ‫מסה לא ידועה למסה ידועה המכונה מסה תקנית (‪ .)standard mass‬מאזניים הם המכשיר‬ ‫המשמש למדידת מסה של חומרים‪.‬‬ ‫היחידה המטרית של המסה היא הגרם‪ .g ,‬דוגמאות לסוגים נפוצים של מאזניים לקביעת‬ ‫מסה מובאות באיור ‪.1.7‬‬

‫אורך‬ ‫היחידה המטרית התקנית של אורך (‪ ,)length‬המרחק בין שתי נקודות‪ ,‬היא המטר‪.m ,‬‬

‫(‪)3‬‬

‫)‪(c‬‬

‫(‪)2‬‬

‫)‪(b‬‬

‫(‪)1‬‬

‫)‪(a‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫עולםת ו מ ד י ד ה‬ ‫העבודה‪ : :‬ש י ט ו‬ ‫שם ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה‬ ‫  פ‬ ‫  ‪1 13‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬

‫‪1-8‬‬ ‫איור‬ ‫לימוד‬ ‫מטרת‬

‫נפח‬ ‫היחידה המטרית התקנית של נפח (‪ ,)volume‬החלל שגוף תופס‪ ,‬היא הליטר‪ .L ,‬ליטר אחד‬ ‫הוא הנפח המאוכלס על ידי ‪ 1,000‬גרם של מים בטמפרטורה של ‪ 4‬מעלות צלסיוס (‪.)ºC‬‬ ‫אפשר לחשב את הנפח‪ ,V ,‬באמצעות הנוסחה‬ ‫גובה × רוחב × אורך = ‪V‬‬

‫לפיכך‪ ,‬נפח נתון לרוב ביחידות של אורך בחזקת שלוש‪ .‬קובייה שאורך כל אחת מצלעותיה שווה‬ ‫ל־‪ 1‬מטר תהיה בעלת נפח של ‪ ,1 m × 1 m × 1 m‬או ‪( 1 m3‬מטר מעוקב)‪.‬‬

‫‪ 8‬ללמוד את יחידות המדידה‬ ‫החשובות במערכת המטרית‪.‬‬

‫נפח‪ 1,000 :‬סמ"ק‬ ‫‪ 1,000‬מיליליטר‬ ‫‪ 1‬דצימטר מעוקב‬ ‫‪ 1‬ליטר‬

‫‪1 m3 = 1,000 L‬‬

‫הקשר בין היחידות ‪ mL ,L‬ו־‪ cm3‬מובא באיור ‪.1.8‬‬ ‫מכשירי מעבדה טיפוסיים למדידת נפח מוצגים באיור ‪ .1.9‬המכשירים האלה מכוילים‬ ‫ביחידות של מיליליטר (‪ )mL‬או מיקרוליטר (‪ ;)μL‬על פי הגדרה‪ 1 ,‬מ"ל שווה ל־‪ 1‬סמ"ק‪.‬‬ ‫בקבוק המדידה משמש להכלת נוזל בנפח ספציפי‪ ,‬והמשורה‪ ,‬הפיפטה והביורטה משחררות‬ ‫נוזל בנפח הרצוי‪.‬‬ ‫‪ 1‬ס"מ‬ ‫‪ 10‬סנטימטר = ‪ 1‬דצימטר‬

‫זמן‬ ‫היחידה המטרית התקנית של זמן היא השנייה (‪ .)s‬הצורך של כימאים במדידה מדויקת של‬ ‫זמן אולי אינו מובן מאליו כמו הצורך במדידת מסה‪ ,‬אורך ונפח‪ ,‬אולם הוא הכרחי במקרים‬ ‫רבים‪ .‬למעשה‪ ,‬אפשר לאפיין חומר באמצעות מדידת הזמן הדרוש להתרחשותו של תהליך‬ ‫מסוים‪ .‬הקצב של תגובה כימית הוא מדד לשינוי כפונקציה של הזמן‪.‬‬

‫נפח‪ 1 :‬סמ"ק‬ ‫‪ 1‬מיליליטר‬ ‫‪ 1‬ס"מ‬

‫איור ‪1.8‬‬

‫הקשר שבין יחידות‬

‫נפח שונות‪.‬‬

‫(‪)2‬‬

‫)‪(b‬‬

‫(‪)1‬‬

‫)‪(a‬‬

‫(‪)4‬‬

‫)‪(d‬‬

‫(‪)3‬‬

‫)‪(c‬‬

‫איור ‪ 1.9‬ציוד מעבדה שכיח‬ ‫למדידת נפח‪ .‬המשורה (‪ ,)1‬הפיפטה‬ ‫(‪ )2‬והביורטה (‪ )3‬משמשות למדידת‬ ‫נפח נוזלים‪ .‬בקבוק המדידה (‪)4‬‬ ‫משמש להכלת נפח ספציפי‪.‬‬ ‫משורה משמשת לרוב למדידה של‬ ‫נפח מקורב; היא מדויקת פחות‬ ‫מהפיפטה ומהביורטה‪.‬‬

‫‪  14‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪1.4‬‬

‫תוצאות המדידה‬

‫לתוצאת מדידה יש שני חלקים‪ :‬מספר ויחידה‪ .‬יחידות המסה‪ ,‬האורך‪ ,‬הנפח והזמן לפי‬ ‫השיטה המטרית נדונו בסעיף הקודם‪ .‬בסעיף זה נלמד על המספרים הקשורים למדידות‪.‬‬ ‫הספרות שמעבירות מידע במספר מכונות ספרות ערך‪ .‬הנתונים והתוצאות המתקבלים‬ ‫ְ‬ ‫מניסוי מדעי מוסרים מידע על האופן שבו הניסוי נערך‪ .‬מספר הספרות שבעזרתן מייצגים‬ ‫את המידע מעיד על מידת חוסר הוודאות או על מידת הספק הקשורה למדידה או לסדרה‬ ‫של מדידות‪.‬‬

‫מטרת‬ ‫ערךהעבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫לימוד רונית בורלאספרות שם‬ ‫ביצוע‪:‬‬

‫‪ 9‬לדווח על נתונים ותוצאות‬ ‫באמצעות הסימולים המדעיים‬ ‫והמספר הנכון של ספרות ערך‪.‬‬

‫מספר העבודה‪116 :‬‬

‫תארו לעצמכם מצב כזה‪ :‬סטודנט נתבקש למצוא את האורך של חוט תיל‪ .‬במעבדת הכימיה‬ ‫שלא ידע מהו המכשיר המתאים ביותר‪ ,‬החליט‬ ‫מכיוון ‪14‬‬ ‫יש כמה סוגים של מכשירי מדידה‪ .‬עמ'‬ ‫הסטודנט למדוד את הגוף באמצעות כל מכשיר שעמד לרשותו‪ .‬בתור מדידה קבע הסטודנט‬ ‫את הסימן הקרוב ביותר לקצה החוט‪ ,‬כפי שמתואר באיור להלן; הפס האדום מייצג את‬ ‫חוט התיל הנמדד‪ .‬בכל מקרה ומקרה העריך הסטודנט את האורך כדי ספרה אחת נוספת‬ ‫באמצעות חלוקת היחידה בראשו לעשרה קטעים שווים‪ .‬הוא השיג את הנתונים האלה‪:‬‬

‫‪10‬‬

‫‪9‬‬

‫‪8‬‬

‫‪7‬‬

‫‪6‬‬

‫‪10‬‬

‫‪9‬‬

‫‪8‬‬

‫‪7‬‬

‫‪6‬‬

‫‪5‬‬

‫‪4‬‬

‫‪3‬‬

‫‪2‬‬

‫‪1‬‬

‫‪ 0‬ס"מ‬

‫‪ 5.4‬ס"מ‬ ‫)‪(1‬‬

‫‪5‬‬

‫‪ 5.36‬ס"מ‬

‫‪4‬‬

‫‪3‬‬

‫‪2‬‬

‫‪1‬‬

‫‪ 0‬ס"מ‬

‫)‪(2‬‬

‫הספרה הלא־ודאית מתקבלת על‬ ‫סמך הערכה‪.‬‬

‫הספרה הלא־ודאית מייצגת את גודל‬ ‫הספק במסגרת מדידה יחידה‪.‬‬

‫במקרה (‪ )1‬אנו בטוחים שאורך הגוף לפחות ‪ 5‬ס"מ (‪ ,)cm‬ובטוחים באותה מידה שאורכו‬ ‫אינו ‪ 6‬ס"מ‪ ,‬משום שקצה הגוף נמצא בין השנתות ‪ 5‬ו־‪ .6‬ביכולתנו רק לבצע הערכה בין ‪5‬‬ ‫ו־‪ ,6‬משום שאין שנתות בין הספרות ‪ 5‬ו־‪ .6‬קצה החוט נראה כמגיע ארבע עשיריות מהדרך‬ ‫בין ‪ 5‬ו־‪ ,6‬ומכאן ‪ 5.4‬ס"מ‪ 5 .‬ידוע בוודאות‪ ,‬וה־‪ 4‬הוא הערכה‪.‬‬

‫במקרה (‪ )2‬הסרגל מכויל ברמת דיוק של עשירית הסנטימטר‪ .‬קצה החוט מגיע לפחות‬ ‫ל־‪ 5.3‬ס"מ ולא ל־‪ 5.4‬ס"מ‪ .‬הערכת הנקודה העשרונית השנייה בין שתי השנתות הקרובות‬ ‫ביותר מובילה ל־‪ 5.36‬ס"מ‪ .‬במקרה הזה‪ 5.3 ,‬הוא ודאות‪ ,‬וה־‪ 6‬הוא בגדר הערכה (או‬ ‫אי־ודאות)‪.‬‬ ‫שתי שאלות אמורות לעלות בדעתכם מיד‪:‬‬ ‫האם שתי התשובות שקולות?‬ ‫אם לא‪ ,‬איזו תשובה נכונה?‬ ‫למעשה‪ ,‬שתי התשובות אינן שקולות‪ ,‬אך שתיהן נכונות‪ .‬כיצד אפשר להסביר את‬ ‫הסתירה לכאורה?‬ ‫הנתונים אינם שקולים משום שכל נתון ידוע במידה שונה של ודאות‪ .‬המונח ספרות‬ ‫ערך (‪ )significant figures‬מוגדר בתור כל הספרות במספר שמייצגות נתונים או תוצאות‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪15‬‬

‫שידועים בוודאות‪ ,‬ולצדן ספרה לא ודאית אחת‪ .‬התשובה ‪ 5.36‬ס"מ‪ ,‬המכילה שלוש ספרות‬ ‫ערך‪ ,‬מפרטת את אורך הגוף בדיוק רב יותר מ־‪ 5.4‬ס"מ‪ ,‬אשר מכילה רק שתי ספרות ערך‪.‬‬ ‫שתי התשובות נכונות משום שכל תשובה עקבית ביחס למכשיר המדידה ששימש לקבלת‬ ‫הנתונים‪ .‬תשובה של ‪ 5.36‬ס"מ שהושגה באמצעות מדידה בסרגל (‪ )1‬תהיה שגויה משום‬ ‫שמכשיר המדידה אינו מסוגל לרמת דיוק שכזו‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬ערך של ‪ 5.4‬ס"מ שהושג‬ ‫באמצעות סרגל (‪ )2‬יהיה גם הוא שגוי‪ ,‬משום שמכשיר המדידה מסוגל להניב רמת ודאות‬ ‫גבוהה יותר (ספרות ערך רבות יותר) מכפי שדּווח‪.‬‬ ‫לסיכום‪ ,‬מספר ספרות הערך הקשורות למדידה מסוימת נקבע על פי מכשיר המדידה‪.‬‬ ‫ובניסוח הפוך‪ ,‬מספר ספרות הערך המדּווח מעיד על רמת הדיוק של המדידה עצמה‪.‬‬

‫זיהוי ספרות ערך‬ ‫בדיווח על נתונים או על תוצאות יש להביא רק ספרות ערך‪ .‬ואולם‪ ,‬האם כל הספרות של‬ ‫המספר הן ספרות ערך? הבה נבחן כמה דוגמאות הממחישות את הכללים שבעזרתם מציגים‬ ‫נתונים ותוצאות עם מספר נכון של ספרות ערך‪.‬‬ ‫‪ #‬‬

‫ ‬ ‫‪ #‬‬

‫ ‬ ‫‪ #‬‬

‫ ‬ ‫‪ #‬‬

‫‪ #‬‬

‫ ‬

‫כל הספרות שאינן אפס הן ספרות ערך‪.‬‬ ‫ל־‪ 7.314‬יש ארבע ספרות ערך‪.‬‬ ‫מספר ספרות הערך אינו תלוי במיקום הנקודה העשרונית‪.‬‬ ‫ל־‪ 73.14‬יש ארבע ספרות ערך‪ ,‬כמו ל־‪.7.314‬‬ ‫אפסים הממוקמים בין ספרות שאינן אפס הם ספרות ערך‪.‬‬ ‫ל־‪ 60.052‬יש חמש ספרות ערך‪.‬‬ ‫אפסים בסוף מספר (המכונים לרוב אפסים עוקבים) יכולים להיות בעלי ערך או חסרי‬ ‫ערך‪ ,‬כתלות בקיומה של נקודה עשרונית במספר‪.‬‬ ‫‪ #‬אם יש נקודה עשרונית‪ ,‬כל אפס עוקב הוא ספרת ערך‪.‬‬ ‫ ל־‪ 4.70‬יש שלוש ספרות ערך‪.‬‬ ‫ ל־‪ 1,000.‬יש ארבע ספרות ערך משום שהנקודה העשרונית נרשמה במספר‪.‬‬ ‫‪ #‬אם המספר אינו מכיל נקודה עשרונית‪ ,‬האפסים העוקבים אינם ספרות ערך‪.‬‬ ‫ ל־‪ 1,000‬יש ספרת ערך אחת‪.‬‬ ‫אפסים משמאל למספר השלם הראשון שאינו אפס הם חסרי ערך; מטרתם היחידה היא‬ ‫לקבוע את מקום הנקודה העשרונית‪.‬‬ ‫ל־‪ 0.0032‬יש שתי ספרות ערך‪.‬‬

‫‪ 1‬כמה ספרות ערך יש בכל אחד מהמספרים שלהלן?‬ ‫שאלה ‪ .7‬‬ ‫א‪ 7.26 .‬ב‪ 726 .‬ג‪ 700.2 .‬ד‪ 7.0 .‬ה‪0.0720 .‬‬ ‫שאלה ‪ 1.8‬כמה ספרות ערך יש בכל אחד מהמספרים שלהלן?‬ ‫א‪ 0.042 .‬ב‪ 4.20 .‬ג‪ 24.0 .‬ד‪ 240 .‬ה‪204 .‬‬

‫הסימול המדעי‬ ‫לא אחת קשה להביע מספרים גדולים מאוד בהתאם לכללי ספרות הערך באמצעות הסימול‬ ‫המקובל‪ .‬הפתרון לבעיה טמון בשימוש בסימול המדעי (‪ ,)scientific notation‬אשר מייצג‬ ‫מספרים בחזקות של עשר‪.‬‬ ‫דרך ההמרה מתוארת להלן‪:‬‬ ‫‪6,200 = 6.2 × 1,000 = 6.2 × 103‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לדווח על נתונים ותוצאות‬

‫באמצעות הסימולים המדעיים‬ ‫והמספר הנכון של ספרות ערך‪.‬‬

‫‪  16‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫הסימול המדעי נקרא גם סימול‬ ‫אקספוננציאלי‪ .‬כשמספר אינו נכתב‬ ‫לפי הסימול המדעי אנו אומרים‬ ‫שהוא נכתב בצורה תקנית‪.‬‬

‫אם נרצה להביע את ‪ 6200‬באמצעות שלוש ספרות ערך נוכל לכתוב אותו כך‪6.20 × 103 :‬‬

‫האפס העוקב הופך לספרת ערך משום קיומה של הנקודה העשרונית במספר‪ .‬שימו לב‬ ‫שלחזקה ‪ 3‬אין כל השפעה על מספר ספרות הערך‪ .‬גם המספר ‪ 6.20 × 1014‬מכיל שלוש‬ ‫ספרות ערך‪.‬‬ ‫‪ 0‬כלל‪ :‬על מנת להמיר מספר הגדול מאחת לסימול מדעי יש להזיז את הנקודה העשרונית‬ ‫ ‬ ‫המקורית ‪ x‬מקומות שמאלה‪ ,‬ואת המספר המתקבל להכפיל ב־‪ x .10x‬הוא מספר‬ ‫חיובי השווה למספר המקומות שבהם הוזזה הנקודה העשרונית‪.‬‬

‫הסימול המדעי שימושי גם בייצוג מספרים הקטנים מאחת‪ .‬ההמרה מתוארת להלן‪:‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪= 6.2 × 3 = 6.2 × 10− 3‬‬ ‫‪1, 000‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪ 0‬‬

‫× ‪0.0062 = 6.2‬‬

‫כלל‪ :‬על מנת להמיר מספר הקטן מאחת לסימול מדעי יש להזיז את הנקודה העשרונית‬ ‫‪ x‬מקומות ימינה‪ ,‬ואת המספר המתקבל להכפיל ב־‪ –x .10–x‬הוא מספר שלילי‬ ‫השווה למספר המקומות שבהם הוזזה הנקודה העשרונית‪.‬‬

‫כשמספר הוא גדול מאוד או קטן מאוד‪ ,‬חובה להשתמש בסימול המדעי על מנת להכניס את‬ ‫המספר למחשבון‪ .‬לדוגמה‪ ,‬המסה של אטום הליום בודד היא‬ ‫‪0.000000000000000000000006692 g‬‬

‫כתיבת המספר בדרך זו היא מגושמת‪ ,‬ורוב המחשבונים מאפשרים רק קלט של תשע ספרות‪.‬‬ ‫בסימול המדעי המספר מובע בתור ‪.6.692 × 10–24‬‬ ‫שאלה ‪ 1.9‬הביעו כל אחד מהמספרים שלהלן בסימול המדעי תוך הצגת ספרות הערך‬ ‫בלבד‪ :‬א‪ 0.0024 .‬ב‪ 0.0180 .‬ג‪ 224 .‬ד‪673,000 .‬‬ ‫שאלה ‪ 1.10‬הביעו כל אחד מהמספרים שלהלן בסימול המדעי תוך הצגת ספרות הערך‬ ‫בלבד‪ :‬א‪ 48.20 .‬ב‪ 480.0 .‬ג‪ 0.126 .‬ד‪9,200 .‬‬

‫שגיאה‪ ,‬דיוק‪ ,‬מהימנות ואי־ודאות‬ ‫שגיאה (‪ )error‬היא ההבדל בין הערך האמיתי לבין האומדן שלנו‪ ,‬או המדידה שלנו‪ ,‬את‬ ‫הערך‪ .‬בכל מדידה יש מידה מסוימת של שגיאה‪ .‬יש שני סוגי שגיאות‪ :‬שגיאה אקראית‬ ‫ושגיאה שיטתית‪ .‬שגיאה אקראית (‪ )random error‬גורמת לכך שהנתונים מכמה מדידות של‬ ‫אותו הגודל יתפזרו באופן אחיד‪ ,‬פחות או יותר‪ ,‬סביב ערך ממוצע כלשהו‪ .‬שגיאה שיטתית‬ ‫(‪ )systemic error‬גורמת לנתונים להיות קטנים או גדולים יותר מהערך האמיתי‪ .‬שגיאה‬ ‫אקראית היא חלק בלתי נפרד מהגישה הניסיונית לחקר החומר ולהתנהגותו; את השגיאה‬ ‫השיטתית אפשר למצוא‪ ,‬ובמקרים רבים לסלק או לתקן‪.‬‬ ‫דוגמאות לשגיאה שיטתית‪:‬‬ ‫‪ ‬אבק על כף המאזניים‪ ,‬שגורם למשקל של כל הגופים להיות גדול ממשקלם האמיתי‪.‬‬ ‫‪ ‬זיהומים בחומרים כימיים המשמשים לניתוח של חומרים‪ ,‬שעלולים להפריע להתרחשות‬ ‫התהליך הרצוי או למנוע אותו‪.‬‬ ‫דיוק (‪ )accuracy‬הוא מידת ההלימה בין הערך האמיתי והערך הנמדד‪ .‬אי־ודאות (‪)uncertainty‬‬ ‫היא מידת הספק במדידה יחידה‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫כאשר מודדים גדלים רציפים‪ ,‬כגון משקל הדף הזה או נפח של חדר‪ ,‬יש מידה של ספק או‬ ‫של אי־ודאות משום שאי־אפשר לבטא את התשובה באמצעות מספר אינסופי של ספרות‬ ‫ערך‪ .‬מספר ספרות הערך נקבע‪ ,‬כאמור‪ ,‬על ידי מכשיר המדידה‪ .‬קיומה של שגיאה מסוימת‬ ‫הוא תוצאה טבעית של כל מדידה‪.‬‬ ‫התהליך הפשוט של המרת השבר שני שליש למקבילה העשרונית שלו יכול לספק מגוון‬ ‫תשובות‪ ,‬שתלויות במכשיר המשמש לביצוע החישוב‪ :‬עיפרון ונייר‪ ,‬מחשבון‪ ,‬מחשב‪ .‬התשובה‬ ‫עשויה להיות‬ ‫שם העבודה‪:‬‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬ ‫‪0.67‬‬ ‫‪0.667‬‬ ‫‪0.6667‬‬

‫וכן הלאה‪ .‬כולן נכונות‪ ,‬אך לכל ערך יש רמה שונה של אי־ודאות‪ .‬המספר הראשון ברשימה‪,‬‬ ‫‪ ,0.67‬מתאפיין באי־הוודאות הגדולה ביותר‪.‬‬ ‫תמיד מוטב למדוד גודל כמה פעמים‪ .‬המכשירים המדעיים המודרניים מתוכננים מתוך‬ ‫מטרה לבצע מדידות במהירות; כך אפשר לבצע מדידות רבות יותר בפרק זמן סביר‪ .‬מדידות‬ ‫חוזרות ונשנות של אותו הגודל מקטינות את אי־הוודאות של התוצאה‪ .‬מהימנות (‪)precision‬‬ ‫היא מדד למידת הקרבה בין המדידות החוזרות של אותו גודל‪.‬‬ ‫חשוב להבין שדיוק ומהימנות אינם אותו הדבר‪ ,‬ואפשר לקבל את האחד ללא האחר‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬כאשר עורכים מדידות מדעיות באופן קפדני השניים לרוב מופיעים יד ביד; נתונים‬ ‫ברמת איכות גבוהה מתאפיינים ברמה גבוהה של דיוק ומהימנות‪.‬‬ ‫באיור ‪ ,1.10‬מקבץ (‪ )1‬מפגין את המטרה של כל ניסוי‪ :‬לקבל דיוק ומהימנות גם יחד‪.‬‬ ‫מקבץ (‪ )2‬מראה שהתוצאות חוזרות על עצמן (מהימנות גבוהה); אך יש שגיאה בהליך הניסוי‬ ‫שגרמה לתוצאות להיות מרוכזות סביב ערך שגוי‪ .‬השגיאה שיטתית‪ ,‬ומופיעה בכל מדידה‬ ‫חוזרת‪ .‬מדי פעם ניסוי עשוי להציג דיוק "מקרי"‪ .‬המהימנות נמוכה‪ ,‬אבל ממוצע המדידות‬ ‫החוזרות מוביל לערך נכון‪ .‬איננו רוצים להסתמך על הצלחה מקרית; יש לחזור על הניסוי‬ ‫עד שהמהימנות המתקבלת מחזקת את האמונה ברמת הדיוק של השיטה‪ .‬מכשירי מדידה‬ ‫מודרניים המשמשים כימאים מצוידים במחשבים רבי עוצמה בעלי יכולת אחסון גדולה‪,‬‬ ‫ומסוגלים לבצע אלפי מדידות חוזרות נפרדות במטרה לשפר את איכות התוצאות‪ .‬במקבץ‬ ‫(‪ )3‬אנו רואים המחשה של דיוק נמוך ומהימנות נמוכה‪ .‬לעתים קרובות דיוק נמוך מלווה‬ ‫במהימנות נמוכה‪.‬‬

‫ספרות ערך בחישוב תוצאות‬ ‫חיבור וחיסור‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪17‬‬

‫עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫‪1-10‬‬

‫מדויק‬ ‫ומהימן‬

‫מהימן‬ ‫אך לא מדויק‬

‫)‪(1‬‬

‫)‪(2‬‬

‫לא מדויק‬ ‫ולא מהימן‬ ‫)‪(3‬‬

‫איור ‪ 1.10‬המחשה של דיוק‬ ‫ומהימנות בניסויים חוזרים‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לדווח על נתונים ותוצאות‬

‫באמצעות הסימולים המדעיים‬ ‫והמספר הנכון של ספרות ערך‪.‬‬

‫אם נחבר את המספרים שלהלן‪:‬‬ ‫‪ 37.68‬‬ ‫‪ 108.428‬‬ ‫‪ 6.71864‬‬

‫התוצאה הסופית במחשבון תהיה‬ ‫‪152.82664‬‬

‫אין ספק שהתשובה‪ ,‬שבה שמונה ספרות‪ ,‬מגדירה את הסכום באופן מדויק הרבה יותר מכל‬ ‫אחד מהגדלים הבדידים שחוברו‪ .‬אך הדבר לא ייתכן; התשובה אינה יכולה להכיל יותר‬ ‫ספרות ערך משיש בגדלים שהובילו לתשובה‪ .‬ננסח את הבעיה באופן אחר‪:‬‬

‫‪  18‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫ ‬ ‫‪37.68xxx‬‬ ‫ ‬ ‫‪108.428xx‬‬ ‫ ‬ ‫‪+ 6.71864‬‬ ‫ ‬ ‫‪) 152.82664‬צריך להיות ‪(152.83‬‬ ‫ראו את הכללים לעיגול ספרות‬ ‫שמופיעים בהמשך סעיף זה‪.‬‬

‫חשוב לזכור את ההבדל בין המילים‬ ‫אפס ואין‪ .‬אפס היא אחת מעשר‬ ‫הספרות‪ ,‬והיא מעבירה לא פחות‬ ‫מידע מ־‪ 2 ,1‬וכן הלאה‪ .‬אין פירושו‬ ‫שאין מידע; הספרות במקומות‬ ‫המסומנים ב־‪ x‬יכולות להיות ‪ 2 ,1‬או‬ ‫כל ספרה אחרת‪.‬‬

‫‪ x‬פירושו שאין מידע; ‪ x‬יכול להיות כל ספרה בין ‪ 0‬ל־‪ .9‬הוספת ‪ ,4‬למשל‪ ,‬לשני מספרים‬ ‫בלתי ידועים (בעמודה הימנית) אינה מניבה מידע בעל משמעות‪ ,‬והיגיון דומה תקף בשתי‬ ‫העמודות הקודמות לה‪ .‬מכאן שאנו נותרים עם חמש ספרות‪ ,‬שכולן ספרות ערך‪ .‬הכללים‬ ‫המקובלים לעיגול ספרות מכתיבים את התשובה הסופית‪.152.83 ,‬‬ ‫שאלה ‪ 1.11‬כתבו את התוצאה של כל חישוב באמצעות המספר הנכון של ספרות ערך‪:‬‬ ‫א‪4.26 + 3.831 = .‬‬ ‫ב‪8.321 – 2.4 = .‬‬ ‫ג‪16.262 + 4.33 – 0.40 = .‬‬ ‫‪ 1‬כתבו את התוצאה של כל חישוב באמצעות המספר הנכון של ספרות ערך‪:‬‬ ‫שאלה ‪ .12‬‬ ‫א‪7.939 + 6.26 = .‬‬ ‫ב‪2.4 – 8.321 = .‬‬ ‫ג‪2.333 + 1.56 – 0.29 = .‬‬ ‫פעולת החיבור של מספרים הכתובים בסימול מדעי מצריכה מעט יותר תשומת לב‪ .‬יש‬ ‫להמיר את המספרים לצורה התקנית או להמיר אותם למספרים בעלי אותה חזקה‪ .‬דוגמה‬ ‫‪ 1.5‬ממחישה זאת‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 1.5‬קביעת ספרות ערך בחיבור מספרים הכתובים בסימול מדעי‬ ‫יש לכתוב את התשובה לחישוב שלהלן באמצעות המספר הנכון של ספרות ערך ובסימול מדעי‪.‬‬ ‫‪9.47 × 10–6 + 9.3 × 10–5‬‬

‫פתרון‬ ‫אפשר להשתמש באחד מבין שני אופני פעולה כדי להגיע לתשובה הנכונה‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לדווח על נתונים ותוצאות‬

‫באמצעות הסימולים המדעיים‬ ‫והמספר הנכון של ספרות ערך‪.‬‬

‫אופן פעולה ראשון‬ ‫יש להמיר את שני המספרים לצורה התקנית ולחבר אותם‪ ,‬לזהות את ספרות הערך ואז להמיר אותם בחזרה לסימול מדעי‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫‪0.00000947‬‬ ‫‪0.000093xx‬‬ ‫‪0.00010247‬‬

‫‪+‬‬

‫מתקבלת התשובה ‪ ,0.000102‬אשר בהמרה לסימול המדעי היא ‪.1.02 × 10–4‬‬ ‫אופן פעולה שני‬ ‫יש לשנות את אחת משתי החזקות כך ששני המספרים יוכפלו באותה חזקה של עשר‪ .‬בדוגמה זו‪ ,‬שני המספרים יומרו לחזקת‬

‫‪10–5‬‬

‫‪.‬‬

‫‪9.47 × 10–6 = 0.947 × 10–5‬‬ ‫ ‬ ‫‪0.947 × 10–5‬‬ ‫ ‬ ‫‪+ 9.3xx × 10–5‬‬ ‫‪ 10.247 × 10–5‬‬ ‫שימו לב‪ 10–5 :‬גדול פי עשרה‬ ‫מ־‪ ,10–6‬ו־‪ 0.947‬קטן פי עשרה‬ ‫מ־‪ .9.47‬משום כך שני המספרים‬ ‫שווים‪.‬‬

‫ ‬

‫מתקבלת התשובה ‪ ,10.2 × 10–5‬אשר בסימול המדעי התקני נכתבת ‪( 1.02 × 10–4‬שימו לב לכך ש־‪ 1.02‬קטן פי עשרה מ־‪,10.2‬‬ ‫ו־‪ 10–4‬גדול פי עשרה מ־‪ .10–5‬משום כך שני המספרים שווים)‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪19‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.5‬‬

‫כתבו את תוצאת החיבור ‪ 6.72 × 105 + 7.4 × 104‬בעזרת המספר הנכון של ספרות ערך ובסימול המדעי‪.‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.79‬ב‪ ,‬ד; ‪ 1.80‬ד‪ ,‬ה‬

‫כפל וחילוק‬

‫בדיון הקודם בדבר חיבור וחיסור‪ ,‬למקום הנקודה העשרונית בגדלים שחוברו הייתה‬ ‫חשיבות בקביעת מספר ספרות הערך של התשובה‪ .‬בכפל וחילוק המצב שונה‪ :‬מקום הנקודה‬ ‫העשרונית חסר חשיבות בקביעת מספר ספרות הערך של התשובה‪ .‬מספר ספרות הערך של‬ ‫הנתונים הוא החשוב‪ .‬לדוגמה‪,‬‬ ‫‪4.237 × 1.21 × 10− 3 × 0.00 273‬‬ ‫‪= 1.26 × 10− 6‬‬ ‫‪11.125‬‬

‫התשובה מוגבלת לשלוש ספרות ערך; התשובה יכולה להיות אך ורק בעלת שלוש ספרות‬ ‫ערך משום ששני מספרים בחישוב‪ 1.21 × 10–3 ,‬ו־‪ ,0.00273‬הם בעלי שלוש ספרות ערך‪,‬‬ ‫ובכך הם "מגבילים" את התשובה‪ .‬התשובה אינה יכולה להיות מדויקת יותר מהמספר‬ ‫הפחות מדויק מבין אלה שמשמשים בחישוב‪ .‬המספר הפחות מדויק הוא המספר בעל‬ ‫מספר ספרות הערך הנמוך ביותר‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 1.13‬כתבו את התוצאה של כל אחד מהחישובים שלהלן באמצעות המספר‬ ‫המתאים של ספרות ערך‪:‬‬ ‫א‪63.8 × 0.80 = .‬‬ ‫‪63.8‬‬ ‫ב‪= .‬‬ ‫‪0.80‬‬

‫‪6.1 × 10− 4‬‬ ‫ג‪= .‬‬ ‫‪0.3025‬‬

‫שאלה ‪ 1.14‬כתבו את התוצאה של כל אחד מהחישובים שלהלן באמצעות המספר‬ ‫המתאים של ספרות ערך‪:‬‬ ‫‪27.2 × 15.63‬‬ ‫א‪= .‬‬ ‫‪1.84‬‬ ‫‪13.6‬‬ ‫ב‪= .‬‬ ‫‪18.02 × 1.6‬‬

‫ג‪ .‬‬

‫‪4.79 × 105‬‬ ‫=‬ ‫‪0.7911‬‬

‫חזקות‬

‫כעת‪ ,‬הבה נחשוב על קביעת המספר המתאים של ספרות ערך בתוצאה שבה ערך מועלה‬ ‫בחזקה כלשהי‪ .‬בכל מקרה ומקרה‪ ,‬מספר ספרות הערך בתשובה זהה למספר המופיע בביטוי‬ ‫המקורי‪ .‬לפיכך‪,‬‬ ‫‪(8.314 × 102)3 = 574.7 × 106 = 5.747 × 108‬‬

‫וכן‪,‬‬

‫‪1‬‬

‫‪(8.314 × 102 ) 2 = 2.8 83 × 1 01‬‬

‫כל תשובה מכילה ארבע ספרות ערך‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לדווח על נתונים ותוצאות‬

‫באמצעות הסימולים המדעיים‬ ‫והמספר הנכון של ספרות ערך‪.‬‬

‫‪  20‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מספרים מדויקים ומספרים לא מדויקים‬ ‫מספרים לא מדויקים (‪ ,)inexact numbers‬מעצם הגדרתם‪ ,‬מאופיינים באי־ודאות כלשהי‬ ‫(מידת הספק מבוטאת בספרת הערך האחרונה)‪ .‬מספרים מדויקים (‪ ,)exact numbers‬לעומת‬ ‫זאת‪ ,‬הם ודאיים לגמרי‪ .‬מספרים מדויקים יכולים להתקבל מהגדרה; יש בדיוק ‪ 60‬דקות (‪)min‬‬ ‫בשעה אחת (‪ ,)h‬ויש בדיוק ‪ 1,000‬מיליליטר בליטר אחד‪.‬‬ ‫מספרים מדויקים הם תוצר של מניה‪ .‬מניית מספר המטבעות בכיסכם או מספר האותיות‬ ‫באלף־בית הן דוגמאות לכך‪ .‬העובדה שאין אי־ודאות במספרים מדויקים פירושה שהם אינם‬ ‫מגבילים את מספר ספרות הערך בחישוב‪.‬‬ ‫לדוגמה‪ ,‬נאמר שברצוננו לקבוע את מסתם של שלושה ברגים שנרכשו בחנות כלי עבודה‪.‬‬ ‫מסתו של כל בורג היא ‪ 12.97‬גרם‪ .‬המסה הכוללת היא‪:‬‬ ‫‪3 × 12.97 g = 38.941 g‬‬

‫מספר ספרות הערך בתוצאה נקבע על ידי הנתונים (מסת הבורג) ולא על ידי המספר‬ ‫(המדויק) של הברגים‪.‬‬ ‫בסעיף הבא נלמד כיצד להמיר בין יחידות‪ .‬כלל אצבע טוב בביצוע החישובים הוא‬ ‫להשתמש בגודל המדוד שמומר ולא בגורם ההמרה על מנת לקבוע את מספר ספרות הערך‬ ‫בתשובה‪.‬‬

‫עיגול ספרות‬ ‫השימוש במחשבון אלקטרוני מניב לרוב תוצאה בעלת ספרות רבות מכפי שמצדיקים כללי‬ ‫ספרות הערך על פי נתוני הקלט‪ .‬לדוגמה‪ ,‬במחשבון שלכם‪,‬‬ ‫‪3.84 × 6.72 = 25.8048‬‬

‫התשובה הנכונה ביותר תהיה ‪ ,25.8‬תוך השמטת ‪ .048‬אפשר להראות זאת בנוחות בדרך זו‪:‬‬ ‫‪3.84 × 6.72 = 25.8048 ≈ 25.8‬‬

‫יש כמה מוסכמות מקובלות לעיגול ספרות‪ .‬נשתמש בכלל שלהלן‪:‬‬ ‫‪ 0‬כלל‪ :‬כשהספרה המעוגלת קטנה מחמש‪ ,‬הספרה הקודמת לה לא תשתנה‪ .‬כשהספרה‬ ‫ ‬ ‫המעוגלת גדולה מחמש או שווה לחמש‪ ,‬הספרה הקודמת לה תגדל ביחידה אחת‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 1.15‬עגלו כל אחד מהמספרים שלהלן לשלוש ספרות ערך‪.‬‬ ‫א‪ 61.40 .‬ב‪ 6.171 .‬ג‪0.066494 .‬‬ ‫שאלה ‪ 1.16‬עגלו כל אחד מהמספרים שלהלן לשלוש ספרות ערך‪.‬‬ ‫א‪ 6.2262 .‬ב‪ 3,895 .‬ג‪6.885 .‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫‪1.5‬‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪21‬‬

‫המרת יחידות‬

‫שימוש נכון ביחידות הוא מרכיב מרכזי בכל תחומי המדע‪ ,‬ועלינו לדעת כיצד להמיר בין‬ ‫יחידות‪ .‬לדוגמה‪ ,‬אם אנו יודעים שמסתו של גוף היא ‪ ,3.0 kg‬עלינו להיות מסוגלים להמיר‬ ‫את המסה הזאת לגרמים‪ .‬סעיף זה הוא תחילתו של המסע לפתרון בעיות‪ .‬כדי ללמוד אופני‬ ‫פעולה לפתרון בעיות נשתמש בידע שרכשנו על ספרות ויחידות מדידה בסעיפים ‪ 1.3‬ו־‪.1.4‬‬

‫אופני פעולה לפתרון בעיות‬ ‫פתרון בעיות בכימיה הוא מהמיומנויות המאתגרות ביותר עבור סטודנטים‪ .‬אף שגדול‬ ‫הפיתוי לשנן עובדות ולחקות את הצעדים שהמורה נקט בדרך לתשובה‪ ,‬שיטה זו לא תאפשר‬ ‫לכם לפתח אסטרטגיות שימושיות בבואכם להתמודד עם מגוון בעיות חדשות‪ .‬סטודנטים‬ ‫רבים מגיעים לאוניברסיטה כשהם ניחנים ביכולת שינון מפותחת היטב‪ .‬עם זאת‪ ,‬אחת‬ ‫ממטרות הקורס היא לפתח מיומנות אמיתית בפתרון בעיות‪.‬‬ ‫פתרון בעיות משול לתכנון נסיעה ומילוי אחר התכנית על מנת להגיע ליעד‪ .‬היעד ונקודת‬ ‫המוצא של הנסיעה הם מידע הנתון בבעיה‪ .‬מטרתנו היא ללמוד את הנתיב (או נתיבים‬ ‫חלופיים) ברמה מספקת על מנת לתכנן את המסע ולהשלים אותו בהצלחה‪ .‬כל מיומנות‬ ‫חדשה שאנו מפתחים במהלך הספר משולה לגילוי דרך חדשה‪ .‬אתרי מפות אינטראקטיביים‬ ‫מאפשרים לכם להזין את נקודת המוצא והיעד ולבחור בין כמה מסלולים – הדרך המהירה‬ ‫ביותר‪ ,‬הכבישים המוכרים ביותר‪ ,‬הדרך הקצרה ביותר או ללא כבישי אגרה‪ ,‬ואתם משתמשים‬ ‫בידע ובכישורים שלכם על מנת לבחור במסלול הטוב ביותר לנסיעה‪ .‬באותו האופן שבו‬ ‫אתם מפתחים מיומנויות לבחירת מסלולים לנסיעה‪ ,‬כך תוכלו לבחור את הדרכים והכבישים‬ ‫הטובים ביותר לצליחת בעיות‪ .‬בסעיף זה נלמד על הקשר בין יחידות המדידה‪ .‬כל קשר הוא‬ ‫כביש אחר‪ .‬בסעיף זה ובסעיף ‪ 1.6‬נלמד את הנוסחה המתמטית הראשונה מבין רבות‪ .‬כאמור‪,‬‬ ‫כל נוסחה היא כביש‪ .‬בעודנו עושים את דרכנו אל חלקי הספר השונים נמשיך לפתור בעיות‪.‬‬ ‫בעיות שהן פחות מתמטיות יצריכו מערכת כבישים חדשה‪.‬‬ ‫בשעה שנלמד את הדרכים החדשות‪ ,‬המסלולים יוצגו בפנינו באמצעות דוגמאות ויעודדו‬ ‫אותנו להתוודע אליהם‪ .‬נלמד גם לחבר בין הכבישים על מנת לתכנן נסיעה ממושכת‪.‬‬ ‫לפני שנעבור לדוגמה‪ ,‬הבה נחשוב על חלק חשוב נוסף בפתרון בעיות‪ .‬חשוב לבחון את‬ ‫היעד כאשר מגיעים אליו ולבדוק אם זה המקום שקיוויתם להיות בו‪ .‬האם התשובה שלכם‬ ‫הגיונית? האם הגודל של המספר מתאים? האם ספרות הערך נכונות? במילים אחרות‪ ,‬אין די‬ ‫לנסות להגיע לתשובה; יש לנסות להגיע לתשובה מתקבלת על הדעת‪ .‬לשם כך עליכם להבין‬ ‫את העקרונות שבבסיס הבעיות‪ .‬קל להחליף בטעות בין מספרים‪ ,‬לחלק במקום להכפיל או‬ ‫להשמיט סימני מינוס‪ .‬אם אינכם מבינים את העקרונות שבבסיס הבעיות לא תוכלו להעריך‬ ‫אם התשובות נכונות‪ .‬משום כך‪ ,‬אל תנסו להפריד את העבודה בקורס הזה לשני סוגים‬ ‫נבדלים של מיומנויות‪" :‬אני פותר בעיה מתמטית"‪ ,‬ו"אני לומד עיקרון"‪ .‬על מנת להעריך אם‬ ‫התשובה מתקבלת על הדעת יש לשלב את שתי המיומנויות הללו‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להמיר נכונה בין יחידות‬

‫במערכת המטרית‪.‬‬

‫מהירות הנסיעה ברכב מסומנת‬ ‫ביחידה המטרית (‪.)km/h‬‬

‫המרת יחידות‬ ‫טבלה ‪ 1.1‬מציגה את היחסים בין יחידות בתוך המערכת המטרית‪ ,‬ואפשר להשתמש בה על‬ ‫מנת להמיר בין יחידות שונות באותה המערכת‪.‬‬

‫טבלה ‪ 1.1‬מופיעה בעמוד ‪.11‬‬

‫‪  22‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫אנליזת ממדים‬ ‫שיטת אנליזת הממדים (‪ )dimensional analysis‬היא גישה שיטתית להמרה בין יחידות‪.‬‬ ‫על מנת להמיר בין יחידה אחת לאחרת‪ ,‬במסגרת אותה מערכת או בין מערכות‪ ,‬אפשר‬ ‫לבטא את השוויונות המופיעים בטבלה ‪ 1.1‬בתור שברים‪ ,‬המכונים גורם המרה (‪conversion‬‬ ‫‪ .)factor‬לדוגמה‪ ,‬על סמך טבלה ‪ 1.1‬הקשר בין ליטר ומיליליטר נתון על ידי המשוואה‪:‬‬ ‫‪1 L = 1,000 mL‬‬

‫וגורם ההמרה נכתב כך‪:‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫‪1L‬‬ ‫‪1, 000 mL‬‬ ‫או ‪1, 000 mL‬‬ ‫‪1L‬‬

‫משום שהמונה והמכנה מבטאים את אותו נפח‪ ,‬היחסים הללו שקולים לאחד‪ .‬מכיוון שהכפלה‬ ‫ב־‪ 1‬מניבה את הערך המקורי‪ ,‬אפשר להשתמש באחד מגורמי ההמרה הללו ולהכפיל אותם‬ ‫בנפח‪ ,‬וכך לקבל את אותה כמות נפח ביחידה חדשה‪ .‬דוגמה ‪ 1.6‬ממחישה את השימוש בגורם‬ ‫ממיליליטרים לליטרים‪.‬‬ ‫ההמרה כדי‬ ‫מספר העבודה‪20116 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫לעבורעולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬

‫דוגמה ‪ 1.6‬שימוש במקדמי המרה במערכת המטרית‬

‫דוגמה ‪1-6‬‬

‫המירו ‪ 12‬מיליליטרים לליטרים‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להמיר נכונה בין יחידות‬

‫פתרון‬ ‫נקודת המוצא היא ‪ 12‬מיליליטר‪ .‬היעד הוא ליטרים‪ .‬המידע המופיע בטבלה ‪,1.1‬‬ ‫קרי ‪ ,1 L = 1000 mL‬הוא הדרך היחידה שעלינו לנסוע בה‪.‬‬

‫במערכת המטרית‪.‬‬

‫‪12 mL 1 L = 1,000 mL qt‬‬

‫יש לכתוב את הגודל הנתון‪ ,‬שהוא ‪ 12‬מיליליטר‪ .‬כעת יש להציב את גורם ההמרה כך שהיחידה מיליליטר מופיעה במכנה שלו‪.‬‬ ‫כך נוכל לבטל את יחידת המיליליטר ולשמור על היחידה ליטר‪.‬‬ ‫‪1L‬‬ ‫=‬ ‫= ‪0.012 L‬‬ ‫‪1.2 × 10− 2 L‬‬ ‫‪1, 000 mL‬‬

‫× ‪1 2 mL‬‬

‫‪mL‬‬ ‫רמזים‪ :‬אפשר לבטל את היחידה מיליליטר משום שכל דבר חלקי עצמו שווה ל־‪ .1‬כלומר‪= 1 ,‬‬ ‫‪mL‬‬

‫אילו גורם ההמרה הוצב שלא כהלכה‪ ,‬כלומר‬

‫‪.‬‬

‫‪1, 000 mL‬‬ ‫× ‪12 ml‬‬ ‫‪1L‬‬

‫יחידות המיליליטר לא היו מתבטלות‪ .‬במקום זאת התשובה הייתה‬ ‫‪mL2‬‬ ‫‪L‬‬

‫‪12, 000‬‬

‫דרך טובה לבדוק את ההיגיון שהוביל לפתרון היא להקדיש זמן לביטול היחידות שאפשר לבטל ולוודא שהיחידות שנשארות הן‬ ‫היחידות הנכונות‪.‬‬ ‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? לדוגמה‪ ,‬אנו יודעים ש־‪ 1‬מיליליטר של חלב הוא הרבה פחות מ־‪ 1‬ליטר של חלב‪ .‬מתקבל‬ ‫על הדעת שיהיו פחות ליטרים מאשר מיליליטרים‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.6‬‬

‫המירו ‪ 360‬ננומטרים (‪ )nm‬למטרים (‪.)m‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.86‬ו־‪1.88‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬

‫  פ ר ק ‪1‬‬

‫‪20116‬‬ ‫העבודה‪:‬ד ה   ‪23‬‬ ‫מספר ש י ט ו ת ו מ ד י‬ ‫כימיה‪:‬‬

‫דוגמה ‪1-8‬‬

‫לעתים נצטרך להשתמש ביותר מגורם המרה אחד על מנת להמיר מיחידה נתונה ליחידה‬ ‫הרצויה‪ .‬יש לזכור את הגדלים שאנו מכירים ולתכנן את המסלול בהתאם‪ .‬הדוגמאות שלהלן‬ ‫עוסקות בקשיים נפוצים שעולים כאשר משתמשים באנליזת ממדים‪ .‬דוגמה ‪ 1.7‬ממחישה‬ ‫המרה בין יחידות מטריות שבהן בשתי היחידות יש תחיליות‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 1.7‬המרה בכמה שלבים במסגרת השיטה המטרית‬ ‫יש להמיר ‪ 0.0047‬קילוגרם למיליגרם‪.‬‬ ‫פתרון‬ ‫נקודת המוצא היא ‪ 0.0047‬קילוגרם‪ .‬התחיליות בטבלה ‪ 1.2‬מספקות את היחס בין‬ ‫התחילית לבין יחידות הבסיס – גרם‪ ,‬מטר וליטר‪ .‬יש להשתמש במשמעות של קילו‬ ‫על מנת להמיר לגרם‪ ,‬ובמשמעות של מילי על מנת להמיר למיליגרם‪ .‬אין בטבלה מידע‬ ‫שיביא אתכם בצעד אחד מקילו למילי‪.‬‬ ‫‪g 10–3 g = 1 mg mg‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להמיר נכונה בין יחידות‬

‫במערכת המטרית‪.‬‬

‫‪0.0047 kg 1 kg = 103 g‬‬

‫אופן פעולה ראשון‬ ‫צעד צעד‪:‬‬ ‫‪103 g‬‬ ‫=‬ ‫‪4.7 g‬‬ ‫‪1 kg‬‬

‫× ‪0.0047 kg‬‬

‫‪1 mg‬‬ ‫=‬ ‫‪4.7 × 103 mg‬‬ ‫‪10− 3 g‬‬

‫אופן פעולה שני‬ ‫בצעד יחיד‪:‬‬

‫× ‪4.7 g‬‬

‫‪103 g 1 mg‬‬ ‫= ‪× −3‬‬ ‫‪4.7 × 103 mg‬‬ ‫‪1 kg‬‬ ‫‪10 g‬‬

‫× ‪0.0047 kg‬‬

‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? כאמור‪ ,‬חשוב לפתח הבנה כלשהי בדבר סדר הגודל של היחידות‪ .‬גרם קטן פי ‪ 1,000‬מקילוגרם‪,‬‬ ‫ומיליגרם קטן פי ‪ 1,000‬מגרם‪ .‬לפיכך יש צורך בהרבה יותר ‪ mg‬על מנת להגיע לכמות נתונה של ‪.kg‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.7‬‬

‫המירו‪:‬‬ ‫א‪ 0.50 .‬מיקרומטר (‪ )μm‬למטר (‪)m‬‬ ‫ב‪ 56.8 .‬גרם למיקרוגרם (‪)μg‬‬ ‫ג‪ 0.50 .‬ק"מ לסנטימטרים (‪)cm‬‬ ‫ד‪ 56.8 .‬מיליגרם (‪ )mg‬לטונה‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.90‬ו־‪1.91‬‬

‫הדוגמה הבאה ממחישה כיצד להמיר בין יחידות שמועלות בחזקה שנייה או שלישית‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫דוגמה ‪1-9‬‬

‫‪  24‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫דוגמה ‪ 1.8‬שימוש במקדמי המרה המועלים בחזקה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להמיר נכונה בין יחידות‬

‫המירו ‪ 1.5 m2‬ל־‪.cm2‬‬ ‫פתרון‬ ‫בדומה לבעיות אחרות של אנליזת ממדים‪ ,‬יש לתכנן את אופן הפעולה על פי היחסים בין‬ ‫היחידות‪ .‬טבלה ‪ 1.1‬מביאה את היחס בין מטר וסנטימטר‪ ,‬לכן זהו תהליך בן שלב אחד‪.‬‬ ‫ההבדל היחיד הוא שחובה לכלול את החזקה (הריבועית) ביחידות‪.‬‬

‫במערכת המטרית‪.‬‬

‫‪1.5 m2 (10–2 m)2 = (1 cm)2 cm2‬‬ ‫‪(1 cm)2‬‬ ‫‪1 cm 2‬‬ ‫=‬ ‫× ‪1.5 m 2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪−‬‬ ‫)‪(10 m‬‬ ‫‪(10− 2 ) 2 m 2‬‬ ‫‪1 cm 2‬‬ ‫‪1.5 × 104 cm 2‬‬ ‫=‬ ‫‪10− 4 m 2‬‬

‫× ‪1.5 m 2‬‬

‫× ‪1.5 m 2‬‬ ‫=‬

‫רמז‪ :‬החזקה משפיעה על המספר וגם על היחידה שבתוך הסוגריים‪.‬‬ ‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? כאשר ממירים יחידה בחזקה שנייה או שלישית‪ ,‬השפעת גורם ההמרה גדולה בהרבה מאשר‬ ‫ללא חזקה‪ .‬ללא העלאה בריבוע של היחידה ההבדל בין שני המספרים הוא רק פי ‪ ,100‬ואילו כאן ההבדל בין שני המספרים (כפי‬ ‫שמראה התשובה) הוא פי ‪ .10,000‬לזאת אנו מצפים‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.8‬‬

‫המירו‪:‬‬ ‫א‪ 1.5 cm2 .‬ל־‬ ‫ב‪ 3.6 m2 .‬ל־‪cm2‬‬ ‫‪m2‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלה ‪1.93‬‬

‫‪20116‬‬ ‫מספר‬ ‫במכנה‪1 ,‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫עולם‬ ‫שם‬ ‫העבודה‪:‬בגורם‬ ‫להשתמש נכונה‬ ‫ובמקרה כזה חשוב‬ ‫להמיר נמצאת‬ ‫העבודה‪:‬שיש‬ ‫לפעמים היחידה‬ ‫ההמרה‪ .‬דוגמה ‪ 1.9‬ממחישה זאת‪.‬‬

‫דוגמה ‪1-10‬‬

‫דוגמה ‪ 1.9‬המרה בין יחידות במכנה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להמיר נכונה בין יחידות‬

‫צפיפות האוויר היא ‪ .1.29 g/L‬מה ערכה ביחידות של ‪?g/mL‬‬ ‫(הערה‪ :‬נדון בצפיפות ביתר פירוט בסעיף ‪).1.6‬‬

‫במערכת המטרית‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫מדובר בהמרה בת שלב אחד‪ .‬את ‪ L‬שבמכנה יש להמיר ל־‪ .mL‬טבלה ‪ 1.1‬מספקת את היחס בין ‪ L‬ל־‪.mL‬‬ ‫‪1.29 g/L 10–3 L = 1 mL g/mL‬‬ ‫‪g 10− 3 L‬‬ ‫‪g‬‬ ‫‪1.29 × 10− 3‬‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫‪L‬‬ ‫‪1 mL‬‬ ‫‪mL‬‬

‫‪1.29‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.9‬‬

‫המירו ‪ 0.791 g/mL‬ל־‪.kg/L‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלה ‪1.95‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪25‬‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫סקרנות והטכנולוגיה שמובילה לתגלית‬ ‫סקרנות היא התכונה האנושית הבסיסית שמובילה לתגליות‬ ‫מדעיות‪ .‬ילדים מרבים לשאול "למה?"‪ ,‬ואלה שהופכים למדענים‬ ‫יחזרו על השאלה פעמים אינספור במהלך חייהם‪ .‬חיפוש‬ ‫ברשת אחר "תפקיד הסקרנות במדע" מניב מאמרים וראיונות‬ ‫עם מדענים רבים‪ ,‬שמסכימים כי סקרנות היא מרכיב יסודי‬ ‫במדע‪ .‬עם זאת‪ ,‬אין די בסקרנות‪ .‬בבסיס התגליות המודרניות‬ ‫עומד עולם של טכנולוגיה שמפתח את ההתקנים שמשמשים‬ ‫לתצפיות בתופעות‪ .‬המחקרים העדכניים על המוח ותפקודו‬ ‫ממחישים זאת‪.‬‬ ‫אלקמאון (‪ ,)Alcmaeon‬רופא יווני‪ ,‬טען ב־‪ 450‬לפנה"ס‬ ‫שהמוח הוא מושב ההיגיון והתחושה‪ ,‬תוך הסתמכות על‬ ‫תצפיות שערך בזמן נתיחת בעלי חיים‪ .‬מאז ועד ימינו‬ ‫עוררו בנו המוח ותפקודו עניין שהלך והתעצם‪ .‬חקר המוח‬ ‫התפתח מנתיחה של בעלי חיים לטכניקות מתוחכמות יותר‪,‬‬ ‫שבאמצעותן מבינים מדענים את התהליכים המתחוללים במוח‬ ‫אפילו ברמה המולקולרית‪ .‬הניסויים הופכים מורכבים יותר‪,‬‬ ‫ותפקידה של הטכנולוגיה בהם הולך וגדל‪.‬‬ ‫המיקרוסקופ‪ ,‬שמוצאו הצנוע במאה ה־‪ ,16‬גילם תפקיד‬ ‫רב־חשיבות בחקר תפקוד המוח בבעלי חיים בעודם בחיים‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬שימוש במיקרוסקופ לחקר מוחו של בעל חיים תוך‬ ‫כדי תנועה הוא משימה קשה במיוחד‪ .‬רוב המיקרוסקופים הם‬ ‫מכשירים גדולים ומגושמים ומצריכים את קיבוע ראשו של‬ ‫בעל החיים בנקודה אחת‪.‬‬ ‫מיקרוסקופ הפלואורסנציה הזעיר‪ ,‬שפותח ב־‪ 2011‬על‬ ‫ידי מרק שניצר (‪ )Mark Schnitzer‬ואבאס אל גמל (‪Abbas El‬‬ ‫‪ )Gamal‬מאוניברסיטת סטנפורד‪ ,‬הוא דוגמה אחת מני רבות‬ ‫לאופן שבו הטכנולוגיה מסייעת לספק את סקרנותם של‬ ‫מדענים‪ .‬המיקרוסקופ הזה קטן עד כדי כך שאפשר להצמידו‬ ‫לראש של עכבר ולהשתמש בו לצלם תמונות של פעילות מוחית‬

‫מדענים ומהנדסים פיתחו מיקרוסקופ פלואורסצנטי זעיר שאפשר‬ ‫להצמיד לראשו של עכבר חי וכך לבצע דימות של מוחו בעודו מתנועע‪.‬‬

‫בשעה שהעכבר מתרוצץ ממקום למקום‪ .‬המכשיר‪ ,‬שנפחו ‪2.4‬‬ ‫סנטימטרים מעוקבים (‪ )cm3‬ומשקלו ‪ 1.9‬גרם בלבד‪ ,‬מסוגל‬ ‫לצלם תמונות בהפרדה אופטית של ‪ 2.5‬מיקרומטרים (‪.)µm‬‬ ‫באמצעות הטכנולוגיה החדשה הזו צפו מדענים בשינויים‬ ‫ברמות יוני הסידן באזורים מסוימים של המוח אשר קשורים‬ ‫לתנועת העכבר‪ .‬התגלית משפרת את הבנתנו בדבר פעולתו‬ ‫הפנימית של המוח ברמה האטומית; את ההתקדמות הזו אפשר‬ ‫לקשר באופן ישיר לפיתוחה של טכנולוגיה מתוחכמת יותר‪.‬‬ ‫המיקרוסקופ אינו רב עוצמה כמו גרסת המעבדה הרגילה‬ ‫של מיקרוסקופ הפלואורסנציה (אשר מגיע להפרדה של ‪0.5‬‬ ‫‪ ,)µm‬אבל את גרסאות המעבדה אי־אפשר להצמיד לראש של‬ ‫עכבר‪ ,‬מן הסתם‪ .‬לפיכך‪ ,‬פיתוח הטכנולוגיה החדשה חשף מידע‬ ‫נוסף על המוח ואופן פעולתו‪.‬‬

‫שאלות הרחבה‬ ‫@ מדוע חשוב לחוקרים להמשיך לתכנן ולפתח טכנולוגיות‬ ‫חדשות לשימוש בתהליך החקר המדעי?‬ ‫@ מהו גודל התמונות שאפשר לצלם במכשיר ב־‪?cm‬‬ ‫ ‬

‫קשה להפריז בחשיבות של הקדשת תשומת לב מרובה ליחידות ולהמרת יחידות‪ .‬דוגמה‬ ‫למחיר העצום שעלול להיגרם בגלל "שגיאה קטנה" היא האיבוד של לוויין שנשלח לתור סביב‬ ‫מאדים בגלל המרה שגויה ממערכת המידות האנגלית למערכת המטרית במהלך אחד משלבי‬ ‫הבנייה‪ .‬בשל השגיאה נכנס הלוויין למסלול קרוב מדי למאדים ונשרף באטמוספירה שלו‪,‬‬ ‫שמנהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי‬ ‫ואיתו עלה באש תקציב בגובה ‪ 125‬מיליון דולרים ִ‬ ‫(‪ )NASA‬הקדיש לפרויקט‪.‬‬

‫‪  26‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬

‫‪1.6‬‬

‫איור ‪1-11‬‬

‫‪212°F‬‬

‫‪99°F‬‬ ‫‪77°F‬‬ ‫‪32°F‬‬

‫פרנהייט‬

‫נקודת‬ ‫הרתיחה‬ ‫של מים‬

‫טמפרטורת‬ ‫הגוף‬ ‫טמפרטורת‬ ‫החדר‬ ‫נקודת‬ ‫הקיפאון‬ ‫של מים‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫גדלים מדידים נוספים‬

‫בסעיף ‪ 1.3‬הצגנו את התכונות המדידות מסה‪ ,‬אורך‪ ,‬נפח וזמן‪ .‬כעת נציג גדלים נפוצים‬ ‫אחרים שאנו מודדים ומחשבים‪.‬‬

‫טמפרטורה‬ ‫‪100°C‬‬

‫‪373 K‬‬

‫‪37°C‬‬

‫‪310 K‬‬

‫‪25°C‬‬

‫‪298 K‬‬

‫‪0°C‬‬

‫‪273 K‬‬

‫צלסיוס‬

‫קלווין‬

‫איור ‪ 1.11‬נקודת הקיפאון ונקודת הרתיחה של‬ ‫מים‪ ,‬טמפרטורת הגוף וטמפרטורת החדר בשלושת‬ ‫סולמות הטמפרטורה הנפוצים‪.‬‬

‫לסולם קלווין חשיבות מיוחדת משום שהוא קשור‬ ‫ישירות למהירות תנועת המולקולות‪ .‬כאשר טמפרטורת‬ ‫קלווין עולה‪ ,‬מהירות התנועה של המולקולות גדלה‬ ‫באופן מתכונתי‪.‬‬

‫טמפרטורה (‪ )temperature‬היא מידת ה"חום" של גוף‪ .‬תיאור זה אולי אינו‬ ‫נשמע כמו הגדרה "מדעית" במיוחד‪ ,‬ובמובן מסוים זו באמת אינה הגדרה‬ ‫מדעית‪ .‬אנחנו מבינים אינטואיטיבית את ההבדל בין גוף "חם" ו"קר"‪,‬‬ ‫אבל פיתוח הגדרה מדויקת שתסביר זאת אינו פשוט‪ .‬אנו עשויים לחשוב‬ ‫על הטמפרטורה של גוף כעל מדד של כמות החום בגוף‪ ,‬אולם הדבר אינו‬ ‫נכון לגמרי‪ .‬אמנם הטמפרטורה של גוף עולה משום שתכולת החום שלו‬ ‫גדלה‪ ,‬ולהפך; עם זאת‪ ,‬הקשר בין תכולת החום והטמפרטורה תלוי בכמות‬ ‫החומר ובהרכבו‪.‬‬ ‫חומרים רבים‪ ,‬כגון כספית‪ ,‬מתרחבים כאשר הטמפרטורה שלהם‬ ‫עולה‪ ,‬וההתרחבות הזאת מספקת לנו דרך למדוד טמפרטורה ואת השינוי‬ ‫בטמפרטורה‪ .‬אם הכספית נמצאת בתוך צינור סגור‪ ,‬כמו במדחום‪ ,‬גובה‬ ‫הכספית מתכונתי לטמפרטורה‪ .‬אפשר לכייל מדחום כספית לפי מגוון‬ ‫יחידות‪ ,‬בדיוק כמו סרגל‪ .‬שלושת סולמות הטמפרטורה המקובלים הם‬ ‫פרנהייט (‪ ,)ºF‬צלסיוס (‪ )ºC‬וקלווין (‪ .)K‬שתי טמפרטורות ייחוס נוחות‬ ‫שמשמשות לכיול מדחום הן טמפרטורת הקיפאון וטמפרטורת הרתיחה‬ ‫של מים‪ .‬איור ‪ 1.11‬מציג את הקשרים בין הסולמות ואת טמפרטורות‬ ‫הייחוס הללו‪.‬‬ ‫אף שסולם פרנהייט נמצא בשימוש נרחב במדינות שונות בעולם‪,‬‬ ‫במדידות מדעיות משתמשים אך ורק בסולמות צלסיוס וקלווין‪ .‬לא אחת‬ ‫מתעורר הצורך להמיר טמפרטורה מסולם אחד לאחר‪ .‬על מנת להמיר‬ ‫מפרנהייט לצלסיוס נשתמש בנוסחה זו‪:‬‬ ‫‪T° F − 32‬‬ ‫‪1.8‬‬

‫= ‪T° C‬‬

‫על מנת להמיר מצלסיוס לפרנהייט נחלץ את ‪ TºF‬ונקבל‪:‬‬ ‫‪TºF = (1.8 × TºC) + 32‬‬

‫בסימול של טמפרטורת קלווין אין סימן של מעלה‪ .‬סימן‬ ‫המעלה מתייחס לערך שהוא יחסי לאמת מידה כלשהי‪.‬‬ ‫סולם קלווין הוא סולם מוחלט‪.‬‬

‫על מנת להמיר מצלסיוס לקלווין נשתמש בנוסחה‪:‬‬ ‫‪TK = TºC + 273.15‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪27‬‬

‫דוגמה ‪ 1.10‬המרה מצלזיוס לפרנהייט ולקלווין‬ ‫טמפרטורת הגוף הנורמלית היא ‪ .37ºC‬חשבו את הטמפרטורה במעלות פרנהייט וביחידות קלווין‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 11‬להכיר את שלושת סולמות‬

‫פתרון‬ ‫הביטוי הקושר בין ‪ ºC‬ו־‪ ºF‬הוא‬

‫הטמפרטורה הנפוצים ולהמיר נכונה‬ ‫מסולם לסולם‪.‬‬

‫‪TºF = 1.8 × TºC + 32‬‬

‫אם נשלב את המידע הנתון נקבל‬ ‫‪= 37 × 1.8 + 32‬‬

‫והתוצאה הסופית היא‪:‬‬ ‫‪= 99ºF‬‬

‫על מנת לחשב את הטמפרטורה ביחידות קלווין נשתמש בביטוי הקושר בין ‪ K‬ו־‪,ºC‬‬ ‫‪TK = TºC + 273.15‬‬

‫נשלב את הערך שקיבלנו בחלק הראשון ונקבל‬ ‫‪= 37 + 273.15‬‬

‫והתוצאה היא‪:‬‬ ‫‪= 310 K‬‬

‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? כל עוד אין לכם ניסיון בשלושת סולמות הטמפרטורה‪ ,‬עיינו באיור ‪ .1.11‬שלוש הטמפרטורות‬ ‫הללו נמצאות באותו מקום בכל מדחום‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.10‬‬

‫א ‪ .‬טמפרטורת הקיפאון של מים היא ‪ .0ºC‬חשבו את טמפרטורת הקיפאון של מים בפרנהייט ובקלווין‪.‬‬ ‫ב‪ .‬כשמטופל חולה טמפרטורת הגוף שלו עשויה לעלות ל־‪ .104ºF‬חשבו את הטמפרטורה של המטופל בצלסיוס ובקלווין‪.‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.110‬ו־‪1.111‬‬

‫אנרגיה‬ ‫אנרגיה‪ ,‬היכולת לבצע עבודה‪ ,‬מתחלקת לאנרגיה קינטית (‪ ,)kinetic energy‬האנרגיה של‬ ‫תנועה‪ ,‬ולאנרגיה פוטנציאלית (‪ ,)potential energy‬האנרגיה של מיקום‪ .‬אפשר לראות באנרגיה‬ ‫קינטית אנרגיה תוך כדי תהליך‪ ,‬ובאנרגיה הפוטנציאלית אנרגיה מאוחסנת‪.‬‬ ‫דרך שימושית אחרת לסווג אנרגיה היא לפי מקורותיה‪ .‬סוגי האנרגיה העיקריים הם‬ ‫אנרגיית אור‪ ,‬אנרגיית חום‪ ,‬אנרגיה חשמלית‪ ,‬אנרגיה מכנית ואנרגיה כימית‪ .‬לכל סוגי‬ ‫האנרגיה הללו כמה מאפיינים משותפים‪:‬‬ ‫‪ #‬‬ ‫‪ #‬‬ ‫‪ #‬‬

‫‪ #‬‬

‫אנרגיה אינה נוצרת או נעלמת‪.‬‬ ‫אפשר להמיר אנרגיה מצורה אחת לאחרת‪.‬‬ ‫היעילות של המרת אנרגיה מצורה אחת לאחרת תהיה תמיד נמוכה מ־‪ .100%‬האנרגיה‬ ‫אינה אובדת (כזכור‪ ,‬אנרגיה אינה נעלמת)‪ ,‬אך אי־אפשר להשתמש בה‪ .‬אנחנו קונים דלק‬ ‫על מנת שהמכונית תיסע ממקום למקום; עם זאת‪ ,‬חלק גדול מתכולת האנרגיה שבדלק‬ ‫משתחרר בצורת חום‪.‬‬ ‫בכל התגובות הכימיות יש "רווח" או "הפסד" של אנרגיה‪.‬‬

‫‪  28‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫קילוקלוריה (‪ )kcal‬היא היחידה‬ ‫התזונתית המוכרת כקלוריה‪ .‬היא‬ ‫ידועה גם כקלוריה גדולה (‪ ;)C‬שימו‬ ‫לב שבמינוח זה ‪ C‬מופיעה באות‬ ‫לועזית גדולה‪ ,‬להבדילה מהקלוריה‬ ‫הרגילה‪ .‬הקלוריה הגדולה שווה‬ ‫ל־‪ 1,000‬קלוריות קטנות‪ .‬למידע‬ ‫נוסף ראו "נקודת מבט אנושית‪:‬‬ ‫קלוריות במזון"‪.‬‬

‫למים בסביבה (בצורת אגמים‪,‬‬ ‫אוקיינוסים ונהרות) יש השפעה‬ ‫רבת־עוצמה על האקלים משום‬ ‫יכולתם לאצור כמויות גדולות של‬ ‫אנרגיה‪ .‬בקיץ מים אוצרים אנרגיית‬ ‫חום וממזגים את הטמפרטורה של‬ ‫האזור הסובב אותם‪ .‬בחורף חלק‬ ‫מהאנרגיה האגורה הזו משוחררת‬ ‫לאוויר וטמפרטורה המים יורדת;‬ ‫משום כך השינוי בטמפרטורת‬ ‫הסביבה אינו קיצוני‪.‬‬

‫אנרגיה שנקלטת או משתחררת בתגובות כימיות מופיעה לרוב בצורת אנרגיית חום‪ .‬אפשר‬ ‫לייצג את אנרגיית החום ביחידות של קלוריה (‪ )cal‬או ג'אול (‪ ,)J‬והקשר ביניהן הוא‬ ‫‪1 cal = 4.18 J‬‬

‫קלוריה אחת מוגדרת בתור כמות אנרגיית החום הדרושה כדי להעלות את הטמפרטורה של‬ ‫‪ 1‬גרם של מים ב־‪.1ºC‬‬ ‫מדידת אנרגיית חום היא מדידה כמותית של תכולת החום‪ .‬מדובר בתכונה אקסטנסיבית‪,‬‬ ‫התלויה בכמות החומר‪ .‬הטמפרטורה‪ ,‬כפי שראינו‪ ,‬היא תכונה אינטנסיבית‪ ,‬שאינה תלויה‬ ‫בכמות החומר‪.‬‬ ‫לחומרים שונים יש קיבול חום שונה; ‪ 1‬גרם של ברזל ו־‪ 1‬גרם של מים אינם מכילים‬ ‫אותה כמות של אנרגיית חום גם אם הם באותה טמפרטורה‪ .‬גרם אחד של ברזל יקלוט‬ ‫אנרגיה בסך של ‪ 0.108‬קלוריות כאשר הטמפרטורה שלו תעלה ב־‪ .1ºC‬לעומת זאת‪ ,‬גרם‬ ‫אחד של מים יקלוט כמות אנרגיה גדולה כמעט פי עשרה‪ 1.00 ,‬קלוריה‪ ,‬כאשר הטמפרטורה‬ ‫שלו תעלה במידה דומה‪.‬‬ ‫היחידות של צורות אנרגיה אחרות יוצגו בפרקים מאוחרים יותר‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 1.17‬המירו ‪ 595 cal‬ליחידות של ג'אול‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 1.18‬המירו ‪ 2.00 × 102 J‬ליחידות של קלוריה‪.‬‬

‫ריכוז‬ ‫ריכוז (‪ )concentration‬הוא מדד של מספר החלקיקים בחומר‪ ,‬או של מסת אותם החלקיקים‪,‬‬ ‫שמוכלת בנפח מסוים‪ .‬מדענים עושים שימוש נרחב בריכוז כדרך לייצג תערובות של חומרים‪.‬‬ ‫כמה דוגמאות לכך‪:‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫ריכוז החמצן באוויר‬ ‫ספירת פולן‪ ,‬שנערכת בעונות שקדחת השחת נפוצה בהן‪ ,‬מספקת את מספר גרגרי אבקת‬ ‫הפרחים המוכלים בנפח מדוד של אוויר‬ ‫כמות של סם אסור בנפח מסוים של דם‪ ,‬שמעידה על מידת השימוש בסמים‬ ‫הכמות הנכונה של אנטיביוטיקה‪ ,‬על סמך משקל המטופל‬

‫נתאר בהמשך מצבים רבים שבהם משתמשים בריכוז כדי לחזות מידע מועיל על תגובות‬ ‫כימיות (סעיפים ‪ 6.4‬ו־‪ ,8.2‬לדוגמה)‪ .‬בפרק ‪ 6‬נחשב ערכים מספריים של ריכוז על סמך נתוני‬ ‫ניסויים‪.‬‬

‫צפיפות וצפיפות סגולית‬ ‫איור ‪ 1.12‬צפיפות (מסה‬ ‫חלקי נפח) היא תכונה ייחודית של‬ ‫חומר‪ .‬בתמונה מוצגת תערובת של‬ ‫שעם‪ ,‬מים‪ ,‬פליז וכספית‪ .‬השעם‪,‬‬ ‫שצפיפותו הנמוכה ביותר‪ ,‬צף על פני‬ ‫המים‪ ,‬והפליז‪ ,‬שצפיפותו גדולה מזו‬ ‫של מים אך נמוכה מזו של כספית‪,‬‬ ‫צף בגבול שבין שני הנוזלים הללו‪.‬‬

‫מסה ונפח תלויים שניהם בכמות החומר הקיימת (תכונות אקסטנסיביות)‪ .‬צפיפות (‪,)density‬‬ ‫היחס בין המסה והנפח‪,‬‬ ‫מסה‬ ‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫= ) ‪(d‬‬ ‫צפיפות‬ ‫‪V‬‬ ‫נפח‬ ‫היא בלתי תלויה בכמות החומר (תכונה אינטנסיבית)‪ .‬צפיפות היא דרך שימושית לאפיין או‬ ‫לזהות חומר משום שלכל חומר יש צפיפות ייחודית (איור ‪.)1.12‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪29‬‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫קלוריות במזון‬ ‫הגוף מקבל את האנרגיה שלו באמצעות קבוצה של תהליכים‬ ‫המכונים במשותף מטבוליזם או חילוף חומרים‪ .‬מקורות‬ ‫האנרגיה העיקריים של הגוף הם פחמימות‪ ,‬שומנים וחלבונים‪,‬‬ ‫שאותם אנו משיגים מהמזונות שאנו אוכלים‪ .‬כמות האנרגיה‬ ‫הזמינה במזון כלשהו קשורה לכמות הקלוריות הגדולות (‪)C‬‬ ‫המצויות במזון‪ .‬קלוריה גדולה היא יחידת מידה לאנרגיה‬ ‫ולתכולת חום שאפשר להשיג ממזון‪ .‬קלוריה גדולה אחת (של‬ ‫מזון‪ ,‬המסומנת ‪ )C‬שווה ל־‪ 1,000‬קלוריות (מטריות‪ ,‬שסימולן‬ ‫‪:)cal‬‬ ‫‪1 C = 1,000 cal = 1 kcal‬‬

‫את האנרגיה הזמינה במזון אפשר למדוד באמצעות שריפת‬ ‫המזון עד תומו; במילים אחרות‪ ,‬באמצעות שימוש במזון‬ ‫כדלק‪ .‬האנרגיה המשתחררת בצורת חום קשורה ישירות‬ ‫לכמות האנרגיה הכימית הזמינה במזון – האנרגיה המאוחסנת‬ ‫בקשרים כימיים‪ .‬מזון מספק אנרגיה לגוף באמצעות מגוון‬ ‫מסלולים מטבוליים‪.‬‬ ‫הסוגים השונים של מולקולות מזון אינם עשירים באנרגיה‬ ‫באותה המידה‪ .‬כאשר פחמימות וחלבונים מתחמצנים‬ ‫באמצעות מסלולים מטבוליים‪ ,‬הם מספקים לגוף ‪ ,4 C/g‬בעוד‬ ‫שומנים מניבים בקירוב ‪.9 C/g‬‬ ‫נוסף לכך‪ ,‬כמו בכל התהליכים‪ ,‬לא את כל האנרגיה הזמינה‬ ‫אפשר להפיק מהמזון ביעילות; אחוז מסוים ממנה תמיד הולך‬ ‫לאיבוד‪ .‬האדם הממוצע זקוק ל־‪ 2,000‬עד ‪ 3,000‬קילוקלוריות‬ ‫ליום על מנת לשמור על תפקודי גוף נורמליים כגון ויסות‬ ‫טמפרטורת הגוף‪ ,‬תנועת השרירים וכן הלאה‪ .‬אם אדם צורך‬ ‫יותר קלוריות משהגוף מנצל‪ ,‬החומרים מכילי הקלוריות‬ ‫יאוחסנו בגוף בצורת שומן‪ ,‬והאדם יעלה במשקל‪ .‬מנגד‪ ,‬אם‬ ‫אדם משתמש ביותר קלוריות משהוא צורך‪ ,‬הוא יֵ רד במשקל‪.‬‬ ‫עודפי קילוקלוריות מאוחסנים בגוף בצורת שומן‪ ,‬מולקולת‬ ‫המזון שמספקת את הכמות הגדולה ביותר של אנרגיה לגרם‪.‬‬ ‫צריכה של יותר מדי קילוקלוריות מובילה להצטברות של יותר‬ ‫מדי שומן‪ .‬בדומה‪ ,‬מחסור בקילוקלוריות (בצורת מזון) מאלץ‬ ‫את הגוף לנצל את המאגרים שלו‪ ,‬את השומן‪ .‬בתהליך זה משקל‬ ‫אובד בשעה שהגוף צורך שומן‪ .‬לרוע המזל‪ ,‬דומה שתמיד קל‬ ‫יותר להוסיף שומן למאגרים מאשר לסלק אותו מהם‪.‬‬ ‫כלל האצבע הוא ש־‪ 7,700 C‬שקולים לכ־‪ 1 kg‬של משקל‬ ‫גוף‪ .‬עליכם לצרוך ‪ 7,700 C‬יותר מהדרוש לכם כדי להעלות‬ ‫‪ ,1 kg‬ועליכם להוציא ‪ 7,700 C‬יותר משאנו מוציאים בדרך כלל‬ ‫על מנת להוריד ‪ .1 kg‬אם אנו אוכלים בסך הכול ‪100 C/day‬‬ ‫מעבר לצורכי הגוף‪ ,‬אנו עשויים לעלות ‪ 4.5-5.0 kg‬בשנה (‪:)yr‬‬

‫‪1 kg‬‬ ‫‪4.7 kg‬‬ ‫‪100 C 365 day‬‬ ‫×‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫‪day‬‬ ‫‪1 yr‬‬ ‫‪7, 700 C‬‬ ‫‪yr‬‬

‫אחת הדרכים המומלצות להגדלת קצב הירידה במשקל היא‬ ‫שילוב של דיאטה (צריכה מופחתת של קילוקלוריות) ופעילות‬ ‫גופנית‪ .‬ריצה‪ ,‬שחייה‪ ,‬הליכה ורכיבה על אופניים הן צורות‬ ‫יעילות במיוחד של פעילות גופנית‪ .‬בריצה אנו שורפים‬ ‫כ־‪ 0.22 C/min‬לכל ק"ג של משקל גוף‪ ,‬ובשחייה אנו שורפים‬ ‫בקירוב ‪ 0.1 C/min‬לכל ק"ג של משקל גוף‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ שרה רצה ‪ 1‬שעה מדי יום‪ ,‬וקרן שוחה ‪ 2‬שעות מדי יום‪.‬‬ ‫בהנחה שמשקלן של שרה וקרן זהה‪ ,‬מי מהן שורפת יותר‬ ‫קילוקלוריות בשבוע אחד?‬ ‫@ האם תצפו שרץ ישרוף יותר קילוקלוריות בקיץ או בחורף?‬ ‫מדוע?‬

‫‪  30‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫בחישובי צפיפות המסה מיוצגת לרוב בגרם‪ ,‬והנפח נתון ביחידות של מיליליטר או סנטימטרים‬ ‫מעוקבים (‪ cm3‬או ‪:)cc‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 12‬להשתמש בצפיפות‪ ,‬במסה‬

‫‪1 mL = 1 cm3 = 1 cc‬‬

‫ובנפח בפתרון בעיות‪ ,‬ולחשב את‬ ‫הצפיפות הסגולית של חומר על‬ ‫סמך הצפיפות שלו‪.‬‬

‫טבלה‬

‫לפיכך‪ ,‬יחידת הצפיפות היא ‪ g/cm3 ,g/mL‬או ‪.g/cc‬‬ ‫לדגימת אוויר בנפח ‪ 1‬מיליליטר ולדגימת ברזל בנפח ‪ 1‬מיליליטר יש מסות שונות‪ .‬יש‬ ‫הרבה יותר מסה ב־‪ 1‬מיליליטר של ברזל; הצפיפות שלו גדולה יותר‪ .‬מדידות של צפיפות‬ ‫שימשו להבדיל בין זהב אמיתי ו"זהב של שוטים" בתקופת הבהלה לזהב‪ ,‬וגם כיום מדידת‬ ‫הצפיפות של חומר היא שיטה אנליטית רבת־ערך‪ .‬צפיפותם של כמה חומרים שכיחים מוצגת‬ ‫בטבלה ‪.1.3‬‬

‫‪ 1.3‬צפיפות של כמה חומרים שכיחים‬

‫צפיפות (‪)g/mL‬‬ ‫‪( 0.00129‬ב־‪)0ºC‬‬ ‫‪( 0.000771‬ב־‪)0ºC‬‬

‫חומר‬ ‫אוויר‬ ‫אמוניה‬ ‫בנזן‬ ‫עצם‬ ‫פחמן דו־חמצני‬ ‫אתאנול‬ ‫דלק‬ ‫זהב‬ ‫מימן‬

‫‪0.879‬‬

‫‪1.7– 2.0‬‬

‫‪( 0.001963‬ב־‪)0ºC‬‬ ‫‪0.789‬‬

‫‪0.66 – 0.69‬‬ ‫‪19.3‬‬

‫‪( 0.000090‬ב־‪)0ºC‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫חומר‬ ‫מתאנול‬ ‫חלב‬ ‫חמצן‬ ‫גומי‬ ‫טרפנטין‬ ‫שתן‬ ‫מים‬ ‫מים‬ ‫עץ (בלזה‪ ,‬בעל הצפיפות הקטנה ביותר;‬ ‫הובנה וטיק‪ ,‬בעלי הצפיפות הגדולה ביותר)‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬

‫קרוסין (אחד מתזקיקי נפט גולמי)‬ ‫עופרת‬ ‫כספית‬

‫‪0.82‬‬

‫‪11.3‬‬

‫‪0.792‬‬

‫‪1.028 – 1.035‬‬

‫‪( 0.00143‬ב־‪)0ºC‬‬ ‫‪0.9 – 1.1‬‬ ‫‪0.87‬‬ ‫‪1.010 – 1.030‬‬

‫‪( 1.000‬ב־‪)4ºC‬‬ ‫‪( 0.998‬ב־‪)20ºC‬‬ ‫‪0.3 – 0.98‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫דוגמה ‪1-12‬‬

‫‪13.6‬‬

‫דוגמה ‪ 1.11‬חישוב צפיפות של מוצק‬ ‫דגימת אלומיניום בנפח ‪ 2.00 cm3‬נמדדה ונמצא שמשקלה ‪ .5.40 g‬חשבו את צפיפות‬ ‫האלומיניום ביחידות של ‪ g/cm3‬ו־‪.g/mL‬‬ ‫פתרון‬ ‫על מנת לקבוע את הצפיפות נשתמש בנוסחה להלן‪ .‬זו אינה בעיה של אנליזת ממדים‪ ,‬אף‬ ‫שחשוב לכלול את היחידות‪.‬‬ ‫‪m‬‬ ‫‪V‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 12‬להשתמש בצפיפות‪ ,‬במסה‬

‫ובנפח בפתרון בעיות‪ ,‬ולחשב את‬ ‫הצפיפות הסגולית של חומר על‬ ‫סמך הצפיפות שלו‪.‬‬

‫= ‪d‬‬

‫על מנת לקבוע את הצפיפות ביחידות של ‪ ,g/mL‬נשתמש בשוויון ‪ 1 mL=1 cm3‬כגורם המרה‪.‬‬ ‫‪g/mL‬‬

‫צפיפות (‪)g/mL‬‬

‫‪g/cm3 1 cm3 = 1 mL‬‬

‫נוסחת הצפיפות ‪5.40 g, 2.00 cm3‬‬

‫נשלב את המידע הנתון בבעיה‪.‬‬ ‫‪5.40 g‬‬ ‫=‬ ‫‪2.70 g/cm3‬‬ ‫‪2.00 cm3‬‬

‫=‬ ‫‪d‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪31‬‬

‫נמיר מ־‪ cm3‬ל־‪.mL‬‬ ‫‪g‬‬ ‫‪1 cm3‬‬ ‫‪2.70 g/mL‬‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫‪3‬‬ ‫‪1 mL‬‬ ‫‪cm‬‬

‫‪2.70‬‬

‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? צפיפות המים היא ‪ .1.0 g/mL‬אלומיניום צפוף יותר ממים (הוא אינו צף על מים); לפיכך‪,‬‬ ‫הערך מתקבל על הדעת‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.11‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬

‫מסתה של דגימת כספית בנפח ‪ 0.500 mL‬היא ‪ .6.8 g‬חשבו את צפיפות הכספית ביחידות של ‪ g/mL‬ו־‪.g/cm3‬‬

‫דוגמה ‪1-13‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.116‬ו־‪1.117‬‬

‫דוגמה ‪ 1.12‬שימוש בצפיפות לחישוב מסה של נוזל‬ ‫חשבו את המסה‪ ,‬ב־‪ ,g‬של ‪ 10.0 mL‬של כספית (סימול ‪ ,)Hg‬אם צפיפות הכספית היא ‪.13.6 g/mL‬‬ ‫פתרון‬ ‫צפיפות מבוטאת ביחידות של ‪ ,g/mL‬ואפשר להשתמש בה כגורם המרה מ־‪ mL‬ל־‪ .g‬ההמרה חד־שלבית‪.‬‬ ‫‪13.6 g Hg‬‬ ‫‪1 mL Hg‬‬ ‫‪g‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫צפיפות‬

‫‪13.6 g Hg‬‬ ‫=‬ ‫‪136 g Hg‬‬ ‫‪1 mL Hg‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 12‬להשתמש בצפיפות‪ ,‬במסה‬

‫‪10.0 mL‬‬ ‫× ‪1.10 mL Hg‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬

‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? אם ל־‪ 1.0 mL‬של כספית יש מסה של ‪,13.6 g‬‬ ‫מתקבל על הדעת שהמסה של ‪ 10 mL‬גדולה יותר‪.‬‬

‫ובנפח בפתרון בעיות‪ ,‬ולחשב את‬ ‫הצפיפות הסגולית של חומר על‬ ‫סמך הצפיפות שלו‪.‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫דוגמה ‪1-14‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.12‬‬

‫הצפיפות של אתאנול (אלכוהול טהור) היא ‪ 0.789 g/mL‬ב־‪ .20ºC‬חשבו את המסה של דגימה בנפח ‪.30.0 mL‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.120‬ו־‪1.121‬‬

‫דוגמה ‪ 1.13‬חישוב מסה של גז על סמך צפיפותו‬ ‫צפיפות האוויר היא ‪ .0.0013 g/mL‬מה תהיה המסה של דגימת אוויר בנפח ‪?6.0 L‬‬ ‫פתרון‬ ‫צפיפות מבוטאת ביחידות של ‪ ,g/mL‬ואפשר להשתמש בה כגורם המרה מ־‪ mL‬ל־‪.g‬‬ ‫אוויר ‪0.0013 g‬‬ ‫אוויר ‪1 mL‬‬

‫על מנת להשתמש בגורם ההמרה עלינו להמיר תחילה ‪ 6.0 L‬ל־‪.mL‬‬ ‫‪g‬‬

‫צפיפות‬

‫‪6.0 L 10–3 L = 1 mL mL‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 12‬להשתמש בצפיפות‪ ,‬במסה‬

‫ובנפח בפתרון בעיות‪ ,‬ולחשב את‬ ‫הצפיפות הסגולית של חומר על‬ ‫סמך הצפיפות שלו‪.‬‬

‫‪  32‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫אוויר ‪ 0.0013 g‬אוויר ‪1 mL‬‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫אוויר ‪7.8 g‬‬ ‫אוויר ‪1 mL‬‬ ‫אוויר‪10− 3 L‬‬

‫× אוויר ‪6.0 L‬‬

‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? תארו לעצמכם נפח של ‪ ,6.0 L‬השקול לארבעה בקבוקי מים מינרליים‪ .‬יש לצפות שמסת‬ ‫האוויר בארבעה בקבוקי מים "ריקים" תהיה קטנה‪ .‬לפיכך‪ ,‬התשובה ‪ 7.8 g‬סבירה‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.13‬‬

‫מהי מסת האוויר‪ ,‬ב־‪ ,g‬שתימדד בבלון בנפח ‪?2.0 L‬‬ ‫@‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.118‬ו־‪1.119‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬

‫דוגמה ‪ 1.14‬שימוש בצפיפות לחישוב נפח של נוזל‬ ‫דוגמה ‪1-15‬‬ ‫יש לחשב את הנפח‪ ,‬ב־‪ ,mL‬של נוזל בעל צפיפות של ‪ 1.20 g/mL‬ומסה של ‪.5.00 g‬‬

‫‪5.00 g‬‬

‫צפיפות‬

‫נוזל ‪1 mL‬‬ ‫=‬ ‫נוזל ‪4.17 mL‬‬ ‫נוזל ‪1.2 g‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 12‬להשתמש בצפיפות‪ ,‬במסה‬

‫ובנפח בפתרון בעיות‪ ,‬ולחשב את‬ ‫הצפיפות הסגולית של חומר על‬ ‫סמך הצפיפות שלו‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫בשתי הדוגמאות הקודמות השתמשנו בצפיפות על מנת להמיר מנפח למסה‪.‬‬ ‫כאן נשתמש בצפיפות כגורם המרה על מנת לעבור בין מסה לנפח‪.‬‬ ‫‪mL‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫× נוזל ‪5.00 g‬‬

‫רמז‪ :‬שימו לב שבמסגרת הפתרון אנו משתמשים בהופכי של הצפיפות‪ ,‬והמסה נמצאת במכנה‪ .‬בדרך זו אפשר לבטל את היחידות‪.‬‬ ‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? אילו הצפיפות הייתה ‪ 5 g ,1 g/mL‬היו תופסים נפח של ‪ .5 mL‬משום שהצפיפות גדולה מ־‪,1‬‬ ‫יש צורך בנפח קטן יותר; לפיכך‪ 4.17 mL ,‬היא תשובה סבירה‪.‬‬

‫עצמכם ‪1.14‬‬ ‫העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫ונית בורלאבחנו את שם‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫חשבו את הנפח‪ ,‬ב־‪ ,mL‬של ‪ 10.0 g‬של תמיסת מלח בעלת צפיפות של ‪.1.05 g/mL‬‬

‫דוגמה ‪1-16‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 1.125‬ו־‪1.128‬‬

‫דוגמה ‪ 1.15‬פתרון בעיה המצריך כמה שלבים‬ ‫מהי המסה‪ ,‬בקילוגרם‪ ,‬של קוביית אלומיניום בנפח ‪ ?3.5 m3‬צפיפות האלומיניום היא ‪.2.7 g/cm3‬‬ ‫פתרון‬ ‫שאלה זו מצריכה פתרון בכמה שלבים‪ .‬אנו מתחילים בכמות הנתונה‪ .3.5 m3 ,‬זהו הנפח‪ .‬עלינו להמיר מנפח למסה באמצעות‬ ‫הצפיפות‪ .‬הצפיפות הנתונה מכילה נפח ביחידות של ‪ .cm3‬לפיכך עלינו להמיר תחילה ‪ 3.5 m3‬ל־‪ .cm3‬לאחר מכן נוכל להשתמש‬ ‫בצפיפות על מנת להמיר לגרם‪ .‬השלב האחרון יהיה להמיר מגרם לקילוגרם‪.‬‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪kg‬‬

‫‪g 103 g = 1 kg‬‬

‫צפיפות‬

‫‪3.5 m3 (10–2 m)3 = (1 cm)3 cm3‬‬

‫‪ 12‬להשתמש בצפיפות‪ ,‬במסה‬ ‫ובנפח בפתרון בעיות‪ ,‬ולחשב את‬ ‫הצפיפות הסגולית של חומר על‬ ‫סמך הצפיפות שלו‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪33‬‬

‫השלבים מפורטים בחישוב להלן‪:‬‬ ‫‪2.7 g 1 kg‬‬ ‫‪13 cm3‬‬ ‫‪9.5 × 103 kg‬‬ ‫×‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫‪−‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪(10 ) m‬‬ ‫‪1 cm3 103 g‬‬

‫× ‪3.5 m3‬‬

‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? תארו לעצמכם קוביה שאורך כל צלע מצלעותיה הוא ‪ ,1 m‬כלומר‪ .1 m3 ,‬נפח של ‪ 3.5 m3‬גדול‬ ‫מזאת פי שלושה ויותר; ‪ 9500‬קילוגרם היא מסה גדולה‪ ,‬כצפוי מנפח גדול‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪1.15‬‬

‫מהו הנפח‪ ,‬בליטר‪ ,‬של ‪ 1.5‬קילוגרם של אתאנול ‪ ?70%‬הצפיפות היא ‪.0.786 g/mL‬‬

‫ביקורתית ‪3‬‬ ‫בעיית חשיבה‬ ‫העבודה‪:‬נוסף‪:‬‬ ‫שם@ לתרגול‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫עולם‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫מספר הע‬

‫טבלה‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫צפיפות‪ ,‬היחס בין שתי התכונות האקסטנסיביות מסה ונפח‪,‬‬ ‫היא תכונה אינטנסיבית שיכולה לספק מידע רב־ערך בנוגע‬ ‫לזהות ולתכונות של חומרים‪ .‬אינדקס מסת הגוף (‪ )BMI‬גם‬ ‫הוא יחס של שתי תכונות אקסטנסיביות‪ ,‬המשקל והגובה‬ ‫(למעשה‪ ,‬ריבוע הגובה) של אדם‪ .‬משום כך‪ ,‬ה־‪ BMI‬גם הוא‬ ‫תכונה אינטנסיבית‪ .‬האינדקס מצוי בשימוש נרחב של רופאים‪,‬‬ ‫אנשי מקצוע וחברות ביטוח כמדד להשמנת יתר‪ ,‬שהיא גורם‬ ‫מנבא למגוון בעיות בריאות‪.‬‬ ‫ביחידות מטריות‪ ,‬ה־‪ BMI‬מבוטא באופן זה‪:‬‬ ‫)‪ (kg‬משקל‬ ‫) ‪2 (m 2‬גובה‬

‫גובה )ס"מ(‬

‫מדידת השמנת יתר‪ :‬אינדקס מסת הגוף‬

‫= ‪BMI‬‬

‫‪150‬‬ ‫‪155‬‬ ‫‪160‬‬ ‫‪165‬‬ ‫‪170‬‬ ‫‪175‬‬ ‫‪180‬‬ ‫‪185‬‬ ‫‪190‬‬ ‫‪195‬‬ ‫‪200‬‬

‫‪50‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪18‬‬ ‫‪17‬‬ ‫‪16‬‬ ‫‪15‬‬ ‫‪15‬‬ ‫‪14‬‬ ‫‪13‬‬ ‫‪13‬‬

‫‪55‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪23‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪19‬‬ ‫‪18‬‬ ‫‪17‬‬ ‫‪16‬‬ ‫‪15‬‬ ‫‪14‬‬ ‫‪14‬‬

‫‪60‬‬ ‫‪27‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪23‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪19‬‬ ‫‪18‬‬ ‫‪17‬‬ ‫‪16‬‬ ‫‪15‬‬

‫‪65‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪27‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪19‬‬ ‫‪18‬‬ ‫‪17‬‬ ‫‪16‬‬

‫משקל )ק"ג(‬ ‫‪70‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪27‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪23‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪19‬‬ ‫‪18‬‬ ‫‪18‬‬

‫‪75‬‬ ‫‪33‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪28‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪23‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪19‬‬

‫‪80‬‬ ‫‪36‬‬ ‫‪33‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪28‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪23‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪20‬‬

‫‪85‬‬ ‫‪38‬‬ ‫‪35‬‬ ‫‪33‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪28‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪21‬‬

‫‪90‬‬ ‫‪40‬‬ ‫‪37‬‬ ‫‪35‬‬ ‫‪33‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪28‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪23‬‬

‫‪95‬‬ ‫‪42‬‬ ‫‪40‬‬ ‫‪37‬‬ ‫‪35‬‬ ‫‪33‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪28‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪24‬‬

‫‪100‬‬ ‫‪44‬‬ ‫‪42‬‬ ‫‪39‬‬ ‫‪37‬‬ ‫‪35‬‬ ‫‪33‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪28‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪25‬‬

‫אדם שמדד ה־‪ BMI‬שלו הוא ‪ 25‬או יותר נחשב כסובל מעודף‬ ‫משקל; אם ה־‪ BMI‬הוא ‪ 30‬או יותר הוא נחשב כסובל מהשמנת‬ ‫יתר‪ .‬ה־‪ BMI‬יכול לשמש ככלי עזר בתכנון דיאטה ותוכנית שאלות הרחבה‬ ‫פעילות גופנית מתאימות‪.‬‬ ‫@ עיינו ב"נקודת מבט אנושית‪ :‬קלוריות במזון" (עמוד ‪)29‬‬ ‫ערכי ‪ BMI‬כפונקציה של הגובה והמשקל של אדם מוצגים‬ ‫ותארו את הקשרים בין שתי נקודות המבט הללו‪.‬‬ ‫בטבלה שלהלן‪:‬‬ ‫@ חשבו את ה־‪ BMI‬שלכם‪.‬‬ ‫משקל בריא‬

‫מטעמי נוחות‪ ,‬ערכי הצפיפות מחושבים לרוב ביחס לצפיפות מוכרת ומוסכמת – הצפיפות‬ ‫של מים טהורים ב־‪ .4ºC‬צפיפות ה"ייחוס" הזו מכונה צפיפות סגולית (‪ ,)specific gravity‬והיא‬ ‫היחס בין צפיפות הגוף הנמדד לבין צפיפותם של מים טהורים ב־‪.4ºC‬‬ ‫)‪(g/mL‬‬ ‫צפיפות הגוף = צפיפות סגולית‬ ‫)‪ (g/mL‬צפיפות המים‬

‫עודף משקל‬

‫השמנה‬

‫צפיפות סגולית מחושבת לרוב‬ ‫ביחס למים בטמפרטורה של‬ ‫‪ ,4ºC‬הטמפרטורה שבה צפיפותם‬ ‫מקסימלית (‪ .)1.000 g/mL‬אפשר‬ ‫להשתמש בטמפרטורות ייחוס‬ ‫אחרות‪ ,‬אך חובה לציין את‬ ‫טמפרטורת הייחוס‪.‬‬

‫צפיפות סגולית היא מספר חסר יחידות‪ .‬משום שצפיפותם של מים ב־‪ 4ºC‬היא ‪,1.00 g/mL‬‬ ‫הערכים המספריים של הצפיפות ושל הצפיפות הסגולית זהים‪ .‬כלומר‪ ,‬חומר שצפיפותו‬ ‫‪ 2.00 g/mL‬ניחן בצפיפות סגולית של ‪ 2.00‬ב־‪.4ºC‬‬

‫‪07/12/2017 15:31:49‬‬

‫‪1-20116-Perek_1.indd 33‬‬

‫‪  34‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫בדיקות רפואיות שגרתיות רבות נעזרות במדידת הצפיפות הסגולית של דגימות שתן‬ ‫ודם ככלי אבחוני שכיח‪ .‬לדוגמה‪ ,‬סוכרת ומחלות כליה משנות את הרכב השתן‪ ,‬והשינוי‬ ‫בהרכב מתבטא בשינוי בצפיפות הסגולית‪ .‬קל למדוד את השינוי הזה‪ ,‬והוא מספק בסיס‬ ‫לאבחנה מקדמית מהירה‪ .‬נושא זה נידון ביתר פירוט ב"נקודת מבט אנושית‪ :‬אנליזה מהירה‬ ‫ושימושית"‪.‬‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫אנליזה מהירה ושימושית‬ ‫מדידת הצפיפות הסגולית של נוזל היא תהליך מהיר וקל שאינו‬ ‫מזיק לדגימה‪ .‬שינויים בצפיפות הסגולית לאורך זמן יכולים‬ ‫לספק שפע של מידע‪ .‬נביא שתי דוגמאות‪:‬‬ ‫בתא החי מתרחשות שפע של תגובות כימיות‪ ,‬אשר יוצרות‬ ‫מולקולות ואנרגיה החיוניות לתפקוד התקין של האורגניזם‬ ‫החי‪ .‬שתן‪ ,‬שהוא פסולת הנוצרת בגוף‪ ,‬מכיל מגוון של‬ ‫תוצרי לוואי מהתהליכים הכימיים הללו‪ .‬אפשר לנתח אותו‬ ‫בחיפוש אחר בעיות בתפקוד התא או אפילו לזהות התנהגות‬ ‫בתחרויות‬ ‫סטרואידים‬ ‫אישית בלתי מקובלת (כגון‬ ‫בורלא‬ ‫בדיקותרונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫אולימפיות)‪.‬‬ ‫רבות מהבדיקות הללו מבוצעות באמצעות מכשירים מתוחכמים‬ ‫ורגישים‪ .‬ואולם‪ ,‬בדיקה פשוטה מאוד כמו מדידת הצפיפות‬ ‫הסגולית של שתן יכולה להעיד על סוכרת או על דלקת בכליות‪.‬‬ ‫הערכים התקינים של הצפיפות הסגולית של השתן האנושי הם‬ ‫‪.1.010 - 1.030‬‬ ‫כדי לקבוע את הצפיפות הסגולית אפשר להשתמש‬ ‫בהידרומטר‪ ,‬מצוף עם משקולת איזון‪ .‬ככל שהוא צף גבוה‬ ‫יותר בנוזל‪ ,‬כך הנוזל צפוף יותר‪ .‬הידרומטר המכויל למדידת‬ ‫הצפיפות הסגולית של שתן נקרא אורינומטר (‪.)urinometer‬‬ ‫יין נוצר בתהליך של תסיסה‪ .‬הטעם‪ ,‬הניחוח וההרכב של‬ ‫היין תלויים במידת התסיסה‪ .‬בתהליך התסיסה הצפיפות‬ ‫הסגולית של היין משתנה אט אט‪ .‬מדידה תקופתית של‬ ‫הצפיפות הסגולית במהלך התסיסה מאפשרת ליינן לקבוע מתי‬ ‫היין הגיע להרכב האופטימלי שלו‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ הציעו סיבות שיסבירו את הטווח הרחב של ערכים‬ ‫"תקינים" עבור צפיפות סגולית של שתן‪.‬‬ ‫@ האם התוצאות של בדיקת סוכרת עשויות להיות מושפעות‬ ‫ממזון או מתרופות שנלקחו בסמוך לבדיקה?‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫עמ' ‪35‬‬ ‫ניטור תהליך הכנת היין‪.‬‬

‫‪1.06‬‬

‫שתן פתולוגי‬

‫‪1.03‬‬

‫שתן תקין‬

‫הידרומטר‪ ,‬המשמש במדידת הצפיפות הסגולית של שתן‪.‬‬

‫מספר הע‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫עמ' ‪36‬‬

‫מפת הפרק‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬ ‫ו מ ד י ד ה   ‪35‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫יסוד‬ ‫חומר טהור‬

‫מוצק‬

‫תרכובת‬ ‫הומוגנית‬

‫נוזל‬ ‫תערובת‬

‫הטרוגנית‬

‫גז‬ ‫על פי הרכב‬

‫שינוי פיזיקלי‬

‫חומר‬

‫שינוי‬

‫על פי מצב צבירה‬ ‫סיווג‬

‫שינוי כימי‬

‫כימיה‬

‫השיטה המדעית‬

‫אנרגיה קינטית‬ ‫על תופעה‬ ‫תצפית‬ ‫‪Observation‬‬ ‫‪of Phenomena‬‬

‫אנרגיה‪J ,‬‬

‫אנרגיה פוטנציאלית‬

‫חוק‬

‫שאלה‬

‫מסה‪g ,‬‬ ‫צפיפות‪g/mL ,‬‬

‫השערה‬

‫נפח‪L ,‬‬

‫ניסוי‬

‫אורך‪m ,‬‬

‫צפיפות סגולית‬

‫ניתוח נתונים‬

‫טמפרטורה‬

‫‪K, °C, °F‬‬

‫תיאוריה‬

‫פתרון בעיות‬

‫ניסויים נוספים‬

‫אנליזת ממדים‬ ‫מדידה‬ ‫תחיליות היחידות‬ ‫יחידה‬

‫יחידה מטרית‬

‫יחידה‬

‫מספר‬

‫סימול מדעי‬

‫ספרות ערך‬

‫‪  36‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫סיכום‬ ‫‪ 1.1‬תהליך הגילוי‬ ‫@ חומר הוא כל דבר בעל מסה שתופס נפח במרחב‪.‬‬ ‫@ כימיה עוסקת בחקר החומר והשינויים שהוא עובר‪.‬‬ ‫@ חומר קולט ומאבד אנרגיה תוך כדי השינויים שהוא עובר‪.‬‬ ‫@ התחומים העיקריים של הכימיה הם‪:‬‬ ‫‪ ‬כימיה אי־אורגנית‬ ‫‪ ‬כימיה אורגנית‬ ‫‪ ‬ביוכימיה‬ ‫‪ ‬כימיה אנליטית‬ ‫‪ ‬כימיה פיזיקלית‬ ‫@ השיטה המדעית היא גישה שיטתית לגילוי של מידע חדש‪.‬‬ ‫כמה ממאפייני השיטה המדעית הם‪:‬‬ ‫‪ ‬תצפית על תופעה‪.‬‬ ‫‪ ‬ניסוח שאלה הנוגעת לתצפית‪.‬‬ ‫‪ ‬הצגת השערה‪ ,‬או תשובה לשאלה‪.‬‬ ‫‪ ‬ניסוי‪ ,‬שבמסגרתו אוספים ומנתחים נתונים ותוצאות‬ ‫בניסיון לאשש או להפריך את ההשערה‪.‬‬ ‫‪ ‬המטרה הסופית של התהליך היא ליצור תיאוריה‪,‬‬ ‫השערה שנתמכת בניסויים נרחבים‪.‬‬ ‫‪ ‬חוק הוא תמצית של כמות גדולה של מידע‪.‬‬ ‫‪ 1.2‬סיווג החומר‬ ‫@ סיווג החומר בהתאם לתכונותיו הוא שימושי‪.‬‬ ‫@ אפשר לסווג חומר על פי מצב צבירה‪ :‬מוצק‪ ,‬נוזל או גז‪.‬‬ ‫@ את תכונות החומר אפשר לסווג כך‪:‬‬ ‫‪ ‬תכונה פיזיקלית – שבה אפשר לצפות מבלי לשנות את‬ ‫הרכב החומר‪ ,‬או‬ ‫‪ ‬תכונה כימית – שבה אפשר לצפות רק כאשר החומר‬ ‫מומר לחומר חדש‪.‬‬ ‫@ אפשר לסווג תכונות גם באופן זה‪:‬‬ ‫‪ ‬תכונה אינטנסיבית – תכונה שאינה תלויה בכמות‬ ‫החומר‪ ,‬או‬ ‫‪ ‬תכונה אקסטנסיבית – תכונה שתלויה בכמות החומר‪.‬‬ ‫@ השינויים שחומר יכול לעבור מסווגים בתור שינוי פיזיקלי‬ ‫או שינוי כימי‪ .‬שינוי כימי הוא כינוי נרדף לתגובה כימית‪.‬‬ ‫@ אפשר לסווג חומר גם על פי ההרכב‪ .‬בגישה זו החומר‬ ‫מתואר כחומר טהור או כתערובת‪.‬‬ ‫@ חומרים טהורים אפשר לסווג סיווג משנה כיסודות או‬ ‫כתרכובות‪.‬‬ ‫@ תערובות אפשר לסווג סיווג משנה כתערובות הומוגניות‬ ‫או כתערובות הטרוגניות‪.‬‬

‫‪ 1.3‬יחידות המדידה‬ ‫@ יחידת המדידה חשובה לא פחות מהמספר הנמדד‪.‬‬ ‫@ מסה היא מדד של כמות החומר‪ .‬משקל הוא כוח הכובד‬ ‫הפועל על גוף‪ .‬יחידת המסה המטרית התקנית היא‬ ‫קילוגרם‪.‬‬ ‫@ אורך הוא המרחק בין שתי נקודות‪ .‬היחידה המטרית‬ ‫התקנית היא מטר‪.‬‬ ‫@ נפח הוא המרחב שגוף תופס‪ .‬היחידה המטרית התקנית‬ ‫היא ליטר‪.‬‬ ‫@ היחידה המטרית של הזמן היא השנייה‪.‬‬ ‫‪ 1.4‬תוצאות המדידה‬ ‫@ ספרות ערך הן כל הספרות של מדידה הידועות בוודאות‪,‬‬ ‫נוסף לספרה לא ודאית אחת‪ .‬חשוב שנהיה מסוגלים‪:‬‬ ‫‪ ‬לקרוא במכשיר מדידה את המספר הנכון של ספרות‬ ‫ערך‪.‬‬ ‫‪ ‬לזהות את מספר ספרות הערך במדידה כתובה נתונה‪.‬‬ ‫‪ ‬לדווח תשובות לחישובים בהתאם למספר הנכון של‬ ‫ספרות הערך‪ .‬כללי החיבור והחיסור שונים מכללי‬ ‫הכפל והחילוק‪.‬‬ ‫‪ ‬למלא אחר כללים לעיגול ספרות כאשר אנו משמיטים‬ ‫ספרות מחישוב על מנת לספק את המספר הנכון של‬ ‫ספרות ערך‪.‬‬ ‫@ סימול מדעי הוא דרך לבטא מספרים כחזקות של עשר‪.‬‬ ‫@ כל מדידה מתאפיינת במידה מסוימת של אי־ודאות‬ ‫ושגיאה‪ .‬בביצוע מדידה חשוב להקפיד על מזעור השגיאה‬ ‫ועל השגת רמה גבוהה של דיוק ומהימנות‪.‬‬ ‫‪ 1.5‬המרת יחידות‬ ‫@ פתרון בעיות משול לתכנון נסיעה בכביש‪ .‬הכבישים‬ ‫והמסלולים הם קשרים ומושגים המוצגים לאורך ספר‬ ‫הלימוד‪ .‬לא די להכיר את הכבישים; על פותר הבעיה‬ ‫להיות מסוגל לחבר בין הקשרים על מנת להגיע מפיסת‬ ‫מידע נתונה אל יעדו‪.‬‬ ‫@ ברגע שבעיה נפתרה חשוב לקבוע אם התשובה מתקבלת‬ ‫על הדעת – מבחינת הגודל כמו גם הסימן‪.‬‬ ‫@ אפשר לבצע המרה בין יחידות באמצעות אנליזת ממדים‪.‬‬ ‫@ מקדמי המרה הם שברים שבהם המונה והמכנה שקולים‬ ‫בגודלם‪ ,‬ומשום כך גורם ההמרה שקול לאחד‪.‬‬ ‫@ בשיטת אנליזת הממדים אנו מבטלים יחידות לא רצויות‬ ‫באמצעות היחידות של גורם ההמרה‪.‬‬ ‫@ כאשר יחידה מועלית בחזקה שנייה או שלישית חובה‬ ‫להעלות בחזקה גם את גורם ההמרה‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫‪ 1.6‬גדלים מדידים נוספים‬ ‫@ טמפרטורה היא גודל פיזיקלי המבטא את מידת ה"חום"‬ ‫של גוף‪ .‬היחידות השכיחות הן צלסיוס‪ ,‬קלווין‪ ,‬והיחידה‬ ‫האנגלית פרנהייט‪ .‬יש משוואות שמאפשרות להמיר בין‬ ‫היחידות‪.‬‬ ‫@ אנרגיה‪ ,‬היכולת לבצע עבודה‪ ,‬מסווגת כאנרגיה קינטית או‬ ‫אנרגיה פוטנציאלית‪ .‬יחידות האנרגיה השכיחות הן קלוריה‬ ‫וג'אול‪.‬‬ ‫@ ריכוז הוא מדד לכמות החומר המוכלת בכמות מסוימת של‬ ‫תערובת‪.‬‬ ‫@ צפיפות היא היחס בין מסה לנפח‪ ,‬והיא תכונה אינטנסיבית‪.‬‬ ‫‪ ‬הצפיפות מדווחת לרוב ביחידות של ‪ g/mL‬או ‪.g/cm3‬‬ ‫‪ ‬אפשר להשתמש בצפיפות כגורם המרה על מנת להמיר‬ ‫בין מסה לנפח של גוף‪.‬‬ ‫@ צפיפות סגולית היא היחס בין צפיפות של גוף לצפיפות של‬ ‫מים טהורים ב־‪ .4ºC‬היא זהה לצפיפות מבחינה מספרית‪,‬‬ ‫אך היא גודל חסר יחידות‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬ ‫תשובות לשאלות‬

‫"בחנו את עצמכם"‬ ‫‪ 1.1‬‬

‫‪ 1.2‬‬

‫‪ 1.3‬‬ ‫‪ 1.4‬‬

‫‪1 .5‬‬ ‫‪ 1.6‬‬ ‫‪ 1.7‬‬

‫‪ 1.8‬‬

‫נמלא שתי כוסות כימיות בנפחים זהים של מים‪.‬‬ ‫נוסיף מלח (כמה גרמים) לאחת הכוסות‪ .‬נכניס מדחום‬ ‫לכל כוס‪ ,‬ונחמם את הכוסות באיטיות‪ .‬נכתוב את‬ ‫הטמפרטורה של כל נוזל כאשר הוא מגיע לרתיחה‪.‬‬ ‫א‪ .‬שינוי פיזיקלי‬ ‫ב‪ .‬שינוי כימי‬ ‫ג‪ .‬שינוי כימי‬ ‫ד‪ .‬שינוי פיזיקלי‬ ‫ה‪ .‬שינוי כימי‬ ‫זוהי תכונה אינטנסיבית; נקודות הקיפאון של כוס‬ ‫מים טהורים ושל ליטר מים טהורים זהות‪ .‬טמפרטורת‬ ‫הקיפאון אינה תלויה בכמות החומר‪.‬‬ ‫א‪ .‬חומר טהור‬ ‫ב‪ .‬תערובת הטרוגנית‬ ‫ג‪ .‬תערובת הומוגנית‬ ‫ד‪ .‬חומר טהור‬ ‫‪7.46 × 105‬‬ ‫‪3.6 × 10–7 m‬‬ ‫א‪5.0 × 10–7 .‬‬ ‫ב‪5.68 × 107 µg .‬‬ ‫ג‪5.0 × 104 cm .‬‬ ‫ד‪5.68 × 10–8 ton .‬‬ ‫א‪1.5 × 10– 4 m2 .‬‬ ‫ב‪3.6 × 104 cm2 .‬‬

‫‪ 1.9‬‬ ‫‪ 1.10‬‬ ‫‪1 .11‬‬ ‫‪ 1.12‬‬ ‫‪ 1.13‬‬ ‫‪ 1.14‬‬ ‫‪ 1.15‬‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪37‬‬

‫‪0.791 kg/L‬‬ ‫א‪32ºF, 273 K .‬‬ ‫ב‪40ºC, 313 K .‬‬ ‫‪13.6 g/cm3 ,13.6 g/mL‬‬ ‫‪ 23.7 g‬אתאנול‬ ‫‪ 2.6 g‬אוויר‬ ‫‪ 9.52 mL‬תמיסת מלח‬ ‫‪ 1.9 L‬אתאנול ‪70%‬‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫תהליך הגילוי‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 1.19‬הגדירו מהי כימיה ומנו את תת־התחומים העיקריים‬ ‫שלה‪.‬‬ ‫‪ 1.20‬הגדירו אנרגיה והסבירו את חשיבות האנרגיה בכימיה‪.‬‬ ‫‪ 1.21‬מדוע חשוב לכל אדם השוקל לפתח קריירה בתחום‬ ‫רפואי לרכוש הבנה בסיסית של עקרונות הכימיה?‬ ‫חיונית‪ 1‬לכל מחקר‬ ‫עולםנקודת התחלה‬ ‫תצפית היא‬ ‫שם מדוע‬ ‫‪ 1.22‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫מדעי?‬ ‫‪ 1.23‬אילו נתונים נחוצים על מנת להעריך את עלות הדלק‬ ‫ובעיותמתל־אביב לירושלים?‬ ‫שאלות מנת לנהוג‬ ‫הכוללת הדרושה על‬ ‫‪ 1.24‬אילו נתונים דרושים על מנת להעריך את מסת כדור‬ ‫‪1-25‬‬ ‫הארץ?‬ ‫‪ 1.25‬מהן תכונות המתאן שהמודל שלפניכם מדגיש?‬ ‫‪H‬‬

‫‪C‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪ 1.26‬מודל המתאן בבעיה ‪ 1.25‬מתאפיין במגבלות מסוימות‪,‬‬ ‫כמו כל המודלים‪ .‬מהן המגבלות הללו?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 1.27‬דונו בהבדל בין השערה ותיאוריה‪.‬‬ ‫‪ 1.28‬דונו בהבדל בין תיאוריה וחוק‪.‬‬ ‫‪ 1.29‬אנחנו משתמשים בפנים שונים של השיטה המדעית‬ ‫בחיי היום־יום‪ .‬הביאו דוגמה אחת לניסוח השערה‬ ‫ככלי עזר בפתרון בעיה מעשית‪.‬‬ ‫‪ 1.30‬הביאו דוגמה אחת לשימוש בזיהוי תבניות בפעילויות‬ ‫היום־יום שלכם‪.‬‬ ‫‪ 1.31‬דונו במשמעות המונח שיטה מדעית‪.‬‬

‫מספר הע‬

‫‪  38‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 1.32‬‬ ‫‪ 1.33‬‬ ‫‪ 1.34‬‬ ‫‪ 1.35‬‬ ‫‪ 1.36‬‬

‫תארו דוגמה מעשית מחיי היום־יום שבה השתמשתם‬ ‫בהסקת מסקנות תוך שימוש בשיטה המדעית‪.‬‬ ‫המחקר בתאי גזע עשוי לספק בעתיד "חלקי חילוף"‬ ‫לגוף האדם‪ .‬האם הצהרה זו היא תיאוריה או חוק?‬ ‫הסבירו‪.‬‬ ‫העליה הנצפית בטמפרטורה העולמית נגרמת על ידי‬ ‫רמות גבוהות של פחמן דו־חמצני‪ .‬האם הצהרה זו היא‬ ‫תיאוריה או חוק? הסבירו‪.‬‬ ‫תארו ניסוי שמדגים כי טמפרטורת הקיפאון של מים‬ ‫משתנה כאשר מוסיפים להם מלח בישול (נתרן כלורי)‪.‬‬ ‫תארו ניסוי שיאפשר לכם לקבוע את כמות המוצקים‬ ‫(בגרמים) המצויים בדגימת מי ים בנפח ‪ 1‬ליטר‪.‬‬

‫סיווג החומר‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 1.37‬מנו את שלושת מצבי הצבירה העיקריים של החומר‪.‬‬ ‫‪ 1.38‬הסבירו את ההבדלים בין שלושת מצבי הצבירה של‬ ‫החומר במונחי נפח וצורה‪.‬‬ ‫‪ 1.39‬מהי המשמעות של תכונה פיזיקלית?‬ ‫‪ 1.40‬מהי המשמעות של שינוי פיזיקלי?‬ ‫‪ 1.41‬תארו כמה תכונות כימיות של החומר‪.‬‬ ‫‪ 1.42‬מהי המשמעות של תגובה כימית?‬ ‫‪ 1.43‬מהו ההבדל בין חומר טהור ותערובת?‬ ‫‪ 1.44‬הביאו דוגמאות לחומרים טהורים ולתערובות‪.‬‬ ‫‪ 1.45‬מהי המשמעות של תכונה אינטנסיבית? הביאו דוגמה‪.‬‬ ‫‪ 1.46‬מהי המשמעות של תכונה אקסטנסיבית? הביאו דוגמה‪.‬‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫הטרוגנית?‬ ‫ותערובת‬ ‫הומוגנית‬ ‫‪ 1.47‬מהו ההבדל בין תערובת‬ ‫‪ 1.48‬מהו ההבדל בין תכונה אינטנסיבית ותכונה‬ ‫אקסטנסיבית?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 1.49‬שרטטו איור המייצג תערובת הטרוגנית של שני‬ ‫חומרים שונים‪ .‬השתמשו בשני כדורים בצבעים שונים‬ ‫על מנת לייצג את שני החומרים השונים‪.‬‬ ‫‪ 1.50‬שרטטו איור המייצג תערובת הומוגנית של שני‬ ‫חומרים שונים‪ .‬השתמשו בשני כדורים בצבעים שונים‬ ‫על מנת לייצג את שני החומרים השונים‪.‬‬ ‫‪ 1.51‬ציינו לגבי כל סעיף אם מדובר בשינוי פיזיקלי או‬ ‫בתגובה כימית‪:‬‬ ‫א‪ .‬מסמר ברזל מחליד‪.‬‬ ‫ב‪ .‬קוביית קרח ניתכת‪.‬‬ ‫ג‪ .‬ענף נופל מעץ‪.‬‬ ‫‪ 1.52‬ציינו לגבי כל סעיף אם מדובר בשינוי פיזיקלי או‬ ‫בתגובה כימית‪:‬‬ ‫א‪ .‬שלולית של מים מתאדה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬מזון מעוכל‪.‬‬ ‫ג‪ .‬עץ נשרף‪.‬‬

‫‪ 1.53‬ציינו לגבי כל אחת מתכונות הנתרן אם מדובר בתכונה‬ ‫פיזיקלית או בתכונה כימית‪:‬‬ ‫א‪ .‬נתרן הוא מתכת רכה (אפשר לחתוך אותה בסכין)‪.‬‬ ‫ב‪ .‬נתרן מגיב תגובה אלימה עם מים ומייצר גז מימן‬ ‫ונתרן הידרוקסידי‪.‬‬ ‫‪ 1.54‬ציינו לגבי כל אחת מתכונות הנתרן אם מדובר בתכונה‬ ‫פיזיקלית או בתכונה כימית‪:‬‬ ‫א‪ .‬כאשר נתרן נחשף לאוויר הוא יוצר תחמוצת לבנה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬נתרן ניתך ב־‪.98ºC‬‬ ‫ג‪ .‬צפיפות מתכת הנתרן ב־‪ 25ºC‬היא ‪.0.97 g/cm3‬‬ ‫‪ 1.55‬ציינו לגבי כל אחד מהחומרים שלהלן אם מדובר‬ ‫בחומר טהור או בתערובת‪:‬‬ ‫א‪ .‬מים‬ ‫ב‪ .‬מלח בישול (נתרן כלורי)‬ ‫ג‪ .‬דם‬ ‫‪ 1.56‬ציינו לגבי כל אחד מהחומרים שלהלן אם מדובר‬ ‫בחומר טהור או בתערובת‪:‬‬ ‫א‪ .‬סוכרוז (סוכר ביתי)‬ ‫ב‪ .‬מיץ תפוזים‬ ‫ג‪ .‬שתן‬ ‫‪ 1.57‬ציינו לגבי כל אחד מהחומרים שלהלן אם מדובר‬ ‫בתערובת הומוגנית או בתערובת הטרוגנית‪:‬‬ ‫א‪ .‬משקה קל‬ ‫ב‪ .‬תמיסת מי מלח‬ ‫ג‪ .‬ג'לטין‬ ‫הכימיה‪-‬יח'אם‪ 1‬מדובר‬ ‫מהחומרים שלהלן‬ ‫אחד‬ ‫כל‬ ‫לגבי‬ ‫‪ 1.58‬שםציינוהעבודה‪ :‬עולם‬ ‫בתערובת הומוגנית או בתערובת הטרוגנית‪:‬‬ ‫א‪ .‬דלק‬ ‫ב‪ .‬מרק ירקות שאלות ובעיות‬ ‫ג‪ .‬בטון‬ ‫‪1-59‬‬ ‫‪ 1.59‬סווגו את החומר המיוצג באיור שלהלן לפי מצב‬ ‫הצבירה וההרכב‪.‬‬

‫תרכובת א =‬ ‫תרכובת ב =‬

‫מספר ה‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫‪1-60‬‬ ‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫‪ 1.60‬סווגו את החומר המיוצג באיור שלהלן לפי מצב‬ ‫הצבירה וההרכב‪.‬‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪39‬‬

‫‪ 1.70‬מהי קריאת הטמפרטורה של המדחום להלן? הקפידו‬ ‫על המספר המתאים של ספרות ערך‪.‬‬

‫‪25.3‬‬

‫‪25.2‬‬

‫אטום =‬

‫‪ 1 .61‬אפשר להבדיל בין זנים שונים של צמחים באמצעות‬ ‫התבוננות בתכונות העלים שלהם‪.‬‬ ‫א‪ .‬הציעו שתי תכונות אקסטנסיביות של עלים‬ ‫שיכולות להועיל בהבדלה בין זנים‪.‬‬ ‫ב‪ .‬הציעו שתי תכונות אינטנסיביות של עלים שיכולות‬ ‫להועיל בהבדלה בין זנים‪.‬‬ ‫‪ 1.62‬אילו תכונות של עלים יהיו לדעתכם מועילות יותר‬ ‫בניסיון להבדיל בין זנים שונים – תכונות אינטנסיביות‬ ‫או תכונות אקסטנסיביות?‬

‫שם‬

‫יחידות המדידה‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 1.63‬איזו תכונה של החומר מודדת מסה?‬ ‫‪ 1.64‬מהו ההבדל בין מסה ומשקל?‬ ‫‪ 1.65‬הגדירו אורך‪.‬‬ ‫‪ 1.66‬כיצד מוגדרת היחידה המטרית ליטר?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 1.67‬דרגו את היחידות שלהלן לפי האורך‪ ,‬מהקצרה לארוכה‪.‬‬ ‫העבודה‪,km ,:‬‬ ‫‪m‬‬ ‫ ‬ ‫‪ mm‬הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫עולם‬ ‫מספר‬ ‫‪ 1.68‬דרגו את היחידות שלהלן לפי מסה‪ ,‬מהקטנה ביותר עד‬ ‫הגדולה ביותר‪.‬‬ ‫שאלות‪mg‬ובעיות‬ ‫‪,µg ,Mg‬‬ ‫ ‬

‫‪1-71‬‬ ‫תוצאות המדידה‬

‫יסודות‬ ‫‪ 1 .69‬מהי קריאת הטמפרטורה של המדחום להלן? הקפידו‬ ‫על המספר המתאים של ספרות ערך‪.‬‬

‫‪24‬‬

‫‪23‬‬

‫‪ 1.71‬הגדירו את המונחים שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ .‬דיוק‬ ‫ב‪ .‬מהימנות‬ ‫‪ 1.72‬הגדירו את המונחים שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ .‬שגיאה‬ ‫ב‪ .‬אי־ודאות‬ ‫‪ 1.73‬כמה ספרות ערך יש בכל אחד מהמספרים שלהלן‪:‬‬ ‫א‪10.0 .‬‬ ‫ב‪0.214 .‬‬ ‫ג‪0.120 .‬‬ ‫ד‪2.062 .‬‬ ‫ה‪10.50 .‬‬ ‫ו‪1,050 .‬‬ ‫‪ 1.74‬כמה ספרות ערך יש בכל אחד מהמספרים שלהלן‪:‬‬ ‫א‪3.8 × 10–3 .‬‬ ‫ב‪5.20 × 102 .‬‬ ‫ג‪0.00261 .‬‬ ‫ד‪24 .‬‬ ‫‪20116240‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫ה‪ .‬‬ ‫ו‪2.40 .‬‬ ‫‪ 1.75‬עגלו את המספרים שלהלן לשלוש ספרות ערך‪:‬‬ ‫א‪3.873 × 10–3 .‬‬ ‫ב‪5.202 × 10–2 .‬‬ ‫ג‪0.002616 .‬‬ ‫ד‪24.3387 .‬‬ ‫ה‪240.1 .‬‬ ‫ו‪2.407 .‬‬ ‫‪ 1.76‬עגלו את המספרים שלהלן לשלוש ספרות ערך‪:‬‬ ‫א‪123,700 .‬‬ ‫ב‪0.00285792 .‬‬ ‫ג‪1.421 × 10–3 .‬‬ ‫ד‪53.2995 .‬‬ ‫ה‪16.96 .‬‬ ‫ו‪507.5 .‬‬

‫‪  40‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫יישומים‬ ‫‪ 1.77‬בצעו כל אחד מהחישובים שלהלן והקפידו בתשובתכם‬ ‫על המספר הנכון של ספרות ערך‪:‬‬ ‫א‪(23)(657) .‬‬ ‫ב‪0.236 + 0.00521 .‬‬ ‫ג‪18.3 .‬‬ ‫‪3.0576‬‬ ‫ד‪1,157.26 – 17.812 .‬‬ ‫)‪(1.987 )( 298‬‬ ‫ה‪ .‬‬ ‫‪0.0821‬‬

‫‪ 1.78‬בצעו כל אחד מהחישובים שלהלן והקפידו בתשובתכם‬ ‫על המספר הנכון של ספרות ערך‪:‬‬

‫‪ 1.79‬‬

‫‪ 1.80‬‬

‫‪ 1.81‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 1.82‬‬ ‫ ‬

‫)‪(16)(0.1879‬‬ ‫א‪ .‬‬ ‫‪45.3‬‬ ‫)‪(76.32)(1.53‬‬ ‫ב‪ .‬‬ ‫‪0.052‬‬ ‫ג‪)57.8()0.0063( .‬‬ ‫ד‪52.1 + 18 .‬‬ ‫ה‪58.17 – 57.79 .‬‬

‫הביעו את המספרים שלהלן בסימול מדעי (השתמשו‬ ‫במספר הנכון של ספרות ערך)‪:‬‬ ‫א‪12.3 .‬‬ ‫ב‪0.0569 .‬‬ ‫ג‪–1,527 .‬‬ ‫ד‪0.000000789 .‬‬ ‫ה‪92,000,000 .‬‬ ‫ו‪0.005280 .‬‬ ‫ז‪1.279 .‬‬ ‫ח‪–531.77 .‬‬ ‫הביעו את המספרים שלהלן בסימול עשרוני‪:‬‬ ‫א‪3.24 × 103 .‬‬ ‫ב‪1.50 × 104 .‬‬ ‫ג‪4.579 × 10–1 .‬‬ ‫ד‪– 6.83 × 105 .‬‬ ‫ה‪– 8.21 × 10–2 .‬‬ ‫ו‪2.9979 × 108 .‬‬ ‫ז‪1.50 × 100 .‬‬ ‫ח‪6.02 × 1023 .‬‬ ‫ארבע מדידות של גוף‪ ,‬שמסתו האמיתית ‪ ,4.56 g‬הניבו‬ ‫את התוצאות שלהלן‪4.55 g ,4.56 g ,4.56 g ,4.57 g :‬‬ ‫תארו את המדידות במונחי רמת הדיוק והמהימנות‬ ‫שלהן‪.‬‬ ‫ארבע מדידות של גוף‪ ,‬שנפחו האמיתי ‪,17.55 mL‬‬ ‫הניבו את התוצאות שלהלן‪,18.69 mL ,18.69 mL :‬‬ ‫‪18.70 mL ,18.71 mL‬‬ ‫תארו את המדידות במונחי רמת הדיוק והמהימנות‬ ‫שלהן‪.‬‬

‫המרת יחידות‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 1.83‬מדוע חשוב לכלול תמיד את היחידות כאשר מתעדים‬ ‫מדידה?‬ ‫‪ 1.84‬כתבו את הקיצור ואת המשמעות של התחיליות‬ ‫המטריות שלהלן‪:‬‬ ‫א‪kilo .‬‬ ‫ב‪mili .‬‬ ‫ג‪micro .‬‬ ‫‪ 1.85‬מלאו את החסר בקיצורים המתאימים ונקבו בשם‬ ‫התחילית‪.‬‬ ‫א‪106 m = 1 ____ m .‬‬ ‫ב‪10–3 L = ______ L .‬‬ ‫ג‪10–9 g = 1 ____ g .‬‬ ‫‪ 1.86‬באיזה מקדם המרה אפשר להשתמש בהמרה בין ‪Mm‬‬ ‫ו־‪?dm‬‬ ‫‪ 1.87‬באיזה מקדם המרה אפשר להשתמש בהמרה בין ‪ cm‬ו־‬ ‫‪?nm‬‬ ‫‪ 1.88‬המירו ‪ 2.0‬קילוגרם ליחידות אלה‪:‬‬ ‫א‪ .‬טונה‬ ‫ב‪ .‬גרם‬ ‫ג‪ .‬מיליגרם‬ ‫ד‪ .‬מיקרוגרם (‪)μg‬‬ ‫‪ 1.89‬המירו ‪ 5.0‬ליטר ליחידות אלה‪:‬‬ ‫א‪dm3 .‬‬ ‫ב‪m3 .‬‬ ‫ג‪mL .‬‬ ‫ד‪µL .‬‬ ‫‪ 1.90‬המירו ‪ 3.0‬גרם ליחידות אלה‪:‬‬ ‫א‪ .‬טונה‬ ‫ב‪ .‬מיקרוגרם‬ ‫ג‪ .‬קילוגרם‬ ‫ד‪ .‬ננוגרם (‪)ng‬‬ ‫ה‪ .‬מיליגרם‬ ‫‪ 1.91‬המירו ‪ 1.50 × 104 µg‬למיליגרם‪.‬‬ ‫‪ 1.92‬המירו ‪ 7.50 × 10–3‬סנטימטר למילימטר‪.‬‬ ‫‪ 1.93‬שטח הרצפה במשרד טיפוסי הוא ‪ .9.5 m2‬חשבו את‬ ‫שטח הרצפה ב־‪.mm2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪ 1.94‬לחץ נמדד ביחידות של ‪ .kg/m‬המירו ‪32 kg/m‬‬ ‫ל־‪.g/cm2‬‬ ‫יישומים‬ ‫של‬ ‫‪ 1.95‬לגבר במשקל ‪ 75‬ק"ג יש כ־‪ 5.6‬ליטר דם‪ .‬כמה‬ ‫דם יש לו?‬ ‫‪ 1.96‬אם נפחה של טיפת דם הוא ‪ 0.05‬מיליליטר‪ ,‬כמה‬ ‫טיפות דם יש לאדם המתואר בבעיה ‪?1.95‬‬ ‫‪m3‬‬

‫  פ ר ק ‪ 1‬כ י מ י ה ‪ :‬ש י ט ו ת‬

‫‪ 1.97‬‬ ‫‪ 1.98‬‬ ‫‪1 .99‬‬ ‫‪ 1.100‬‬ ‫‪ 1.101‬‬ ‫‪ 1.102‬‬ ‫‪ 1.103‬‬

‫טמפרטורת הגוף של אדם מסוים היא ‪ .38.5ºC‬מהי‬ ‫טמפרטורת הגוף שלו בפרנהייט?‬ ‫אורכו של תינוק בן יומו הוא ‪ 50‬סנטימטר‪ ,‬ומשקלו‬ ‫כ־‪ 3‬קילוגרם‪ .‬תארו את ממדיו ביחידות מטריות של‬ ‫מטר וגרם‪.‬‬ ‫איזה מרחק קצר יותר‪ 5.0 cm :‬או ‪?5.0 mm‬‬ ‫איזה נפח קטן יותר‪ 50.0 mL :‬או ‪?0.500 L‬‬ ‫איזו מסה קטנה יותר‪ 5.0 mg :‬או ‪?5.0 μg‬‬ ‫איזה נפח קטן יותר‪ 1.0 L :‬או ‪?1.0 dL‬‬ ‫רוכש של בניין מעוניין לדעת את היקף הנכס שלו‪ .‬הוא‬ ‫מצא שהגבול הקדמי והאחורי של הנכס נמדדו במטרים‪:‬‬ ‫‪ 85‬מטר ו־‪ 95‬מטר‪ ,‬בהתאמה‪ .‬הגבולות הצדדיים נמדדו‬ ‫בדצימטרים‪ 1,305 :‬דצימטר ו־‪ 1,545‬דצימטר‪.‬‬ ‫א‪ .‬תארו את אופן הפעולה שבו תשתמשו על מנת‬ ‫לקבוע את ההיקף בקילומטר‪.‬‬ ‫ב‪ .‬חשבו את ההיקף בקילומטר‪.‬‬

‫גדלים מדידים נוספים‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 1.104‬מנו שלושה סולמות טמפרטורה חשובים‪.‬‬ ‫‪ 1.105‬דרגו את הטמפרטורות שלהלן מהנמוכה לגבוהה‪:‬‬ ‫אפס מעלות צלסיוס‪ ,‬אפס מעלות פרנהייט‪ ,‬אפס‬ ‫ ‬ ‫מעלות קלווין‪.‬‬ ‫‪ 1.106‬הגדירו שני סוגים של אנרגיה‪.‬‬ ‫‪ 1.107‬ציינו אם ההצהרות הבאות הן אמת או שקר‪ .‬אם אינן‬ ‫אמת‪ ,‬תקנו אותן‪.‬‬ ‫א‪ .‬אנרגיה אפשר ליצור או להעלים‪.‬‬ ‫ב‪ .‬אפשר להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור‪.‬‬ ‫ג‪ .‬אפשר להמיר אנרגיה מצורה אחת לאחרת ביעילות‬ ‫של ‪.100%‬‬ ‫ד‪ .‬כל התגובות הכימיות כוללות קליטה או שחרור של‬ ‫אנרגיה‪.‬‬ ‫‪ 1.108‬לגבי כל אחת מהתכונות שלהלן ציינו אם מדובר‬ ‫בתכונה אינטנסיבית או בתכונה אקסטנסיבית‪.‬‬ ‫א‪ .‬מסה‬ ‫ב‪ .‬נפח‬ ‫ג‪ .‬צפיפות‬ ‫‪ 1.109‬מהו הקשר בין הצפיפות והצפיפות הסגולית?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 1.110‬המירו ‪ 50.0ºF‬ליחידות שלהלן‪ :‬א‪ ;ºC .‬ב‪K .‬‬ ‫‪ 1.111‬המירו ‪ –10.0ºF‬ליחידות שלהלן‪ :‬א‪ ;ºC .‬ב‪K .‬‬ ‫‪ 1.112‬המירו ‪ 20.0ºC‬ליחידות שלהלן‪ :‬א‪ ;K .‬ב‪ºF .‬‬ ‫‪ 1.113‬המירו ‪ 300 K‬ליחידות שלהלן‪ :‬א‪ ;ºC .‬ב‪ºF .‬‬ ‫ּבֹוטן משחררת ‪ 6 kcal‬של חום‪ .‬המירו את‬ ‫‪ 1.114‬שרפה של ֶ‬ ‫האנרגיה ל־‪.J‬‬ ‫‪ 1.115‬האנרגיה הזמינה בכל מאגרי הדלק בעולם מוערכת‬ ‫בכ־‪ .2.0 × 1022 J‬המירו את האנרגיה ל־‪.kcal‬‬

‫ו מ ד י ד ה   ‪41‬‬

‫‪ 1.116‬חשבו את הצפיפות של גוף בעל מסה של ‪3.00 × 102 g‬‬ ‫ונפח של ‪.50.0 mL‬‬

‫‪ 1.117‬‬

‫‪ 1.118‬‬ ‫‪ 1.119‬‬

‫‪ 1.120‬‬ ‫‪ 1.121‬‬ ‫‪ 1.122‬‬

‫חשבו את הצפיפות של תערובת של כוהל איזופרופילי‬ ‫ומים (המוכרת לכם בשם המסחרי אלכוהול ‪,)70%‬‬ ‫בעלת מסה של ‪ 50.0 g‬ונפח של ‪.63.6 mL‬‬ ‫איזה נפח‪ ,‬ב־‪ ,L‬יתפוס אוויר בעל מסה של ‪,8.00 × 102 g‬‬ ‫אם צפיפות האוויר היא ‪?1.29 g/L‬‬ ‫בשאלה ‪ 1.118‬חישבתם את הנפח של אוויר בעל מסה‬ ‫‪ 8.00 × 102 g‬וצפיפות ‪ .1.29 g/L‬טמפרטורת דגימת‬ ‫האוויר הורדה והצפיפות גדלה ל־‪ .1.50 g/L‬חשבו את‬ ‫הנפח החדש של דגימת האוויר‪.‬‬ ‫מהי המסה‪ ,‬ב־‪ ,g‬של גוש ברזל בעל נפח של ‪1.5 × 102 mL‬‬ ‫וצפיפות של ‪?7.20 g/mL‬‬ ‫מהי המסה של עצם ירך בעלת נפח של ‪?118 cm3‬‬ ‫צפיפות העצם היא ‪.1.8 g/cm3‬‬ ‫בידיכם חתיכת עץ מסוג אדר‪ ,‬אלון או טיק‪ .‬נפחה הוא‬ ‫‪ 1.00 × 102 cm3‬ומסתה ‪ .98 g‬צפיפויות זני העץ הללו‬ ‫הן‪:‬‬ ‫עץ‬ ‫אדר‬ ‫טיק‬ ‫אלון‬

‫ ‬ ‫‪ 1.123‬‬ ‫‪ 1.124‬‬ ‫‪ 1.125‬‬ ‫‪ 1.126‬‬

‫‪ 1.127‬‬ ‫‪ 1.128‬‬ ‫‪ 1.129‬‬

‫צפיפות (‪)g/cm3‬‬ ‫‪0.70‬‬ ‫‪0.98‬‬ ‫‪0.85‬‬

‫לאיזה מהזנים משתייכת חתיכת העץ?‬ ‫הצפיפות הסגולית של דגימת שתן של מטופל נמדדה‪,‬‬ ‫וערכה ‪ .1.008‬בהתחשב בעובדה שצפיפות המים היא‬ ‫‪ 1.000 g/mL‬ב־‪ ,4ºC‬מהי צפיפות דגימת השתן?‬ ‫הצפיפות של כוהל אתילי היא ‪ .0.789 g/mL‬בהתחשב‬ ‫בעובדה שצפיפות המים ב־‪ 4ºC‬היא ‪ ,1.00 g/mL‬מהי‬ ‫הצפיפות הסגולית של הכוהל?‬ ‫צפיפות הכספית היא ‪ .13.6 g/mL‬אם משקלה של‬ ‫דגימת כספית הוא ‪ ,272 g‬מה נפח הדגימה ב־‪?mL‬‬ ‫נתונים שלושה מוטות מתכת‪ .‬סוג המתכת מסומן על‬ ‫כל מוט (עופרת‪ ,‬אורניום‪ ,‬פלטינה)‪ .‬מסת מוט העופרת‬ ‫היא ‪ 5.0 × 101 g‬ונפחו ‪ .6.36 cm3‬מסת מוט האורניום‬ ‫היא ‪ 75 g‬ונפחו ‪ .3.97 cm3‬מסת מוט הפלטינה היא‬ ‫‪ 2,140 g‬ונפחו ‪ .1.00 × 102 cm3‬צפיפותה של מי‬ ‫מהמתכות היא הנמוכה ביותר? צפיפותה של מי היא‬ ‫הגבוהה ביותר?‬ ‫עיינו בבעיה ‪ .1.126‬נניח כעת שהמסה של כל המוטות‬ ‫זהה‪ .‬כיצד תוכלו לקבוע את הצפיפות הגבוהה ביותר‬ ‫ואת הצפיפות הנמוכה ביותר?‬ ‫צפיפות הכוהל המתילי היא ‪ 0.791 g/mL‬ב־‪ .20ºC‬מהו‬ ‫נפחה של דגימת כוהל בעלת מסה של ‪?10.0 g‬‬ ‫צפיפות הכוהל המתילי היא ‪ 0.791 g/mL‬ב־‪ .20ºC‬מהי‬ ‫מסתה של דגימת כוהל בעלת נפח של ‪?50.0 mL‬‬

‫‪  42‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫בעיות חשיבה ביקורתית‬ ‫‪ .1‬מכשיר המשמש לזיהוי מתכות במי שתייה מסוגל לאתר‬ ‫‪ 1‬מיקרוגרם של כספית ב־‪ 1‬ליטר של מים‪ .‬כספית היא‬ ‫מתכת רעילה; היא מצטברת בגוף וגורמת להתנוונות של‬ ‫תאי מוח‪ .‬חשבו את מספר אטומי הכספית שתצרכו אם‬ ‫תשתו ‪ 1‬ליטר של מים שמכילים ‪ 1‬מיקרוגרם של כספית‬ ‫(מסת אטום הכספית היא ‪ 3.3 × 10–22‬גרם)‪.‬‬ ‫‪ .2‬הטמפרטורה אתמול הייתה ‪ .10ºC‬היום היא ‪ .20ºC‬ירון‬ ‫אומר לסיגל שהיום חם כפליים‪ .‬סיגל אינה מסכימה‪ .‬האם‬ ‫סיגל צודקת או טועה? מדוע?‬

‫‪ .3‬נטילת אספירין מומלצת לשם הקטנת הסיכון להתקף‬ ‫לב בקרב אנשים שכבר חוו התקף לב אחד או יותר‪ .‬אם‬ ‫מטופל נוטל גלולת אספירין אחת ביום במשך ‪ 10‬שנים‪,‬‬ ‫כמה גרם של אספירין הוא צרך? (הניחו שמשקלה של כל‬ ‫גלולה כ־‪ 325‬מיליגרם)‪.‬‬ ‫‪ .4‬תכננו ניסוי שיאפשר לכם למדוד את צפיפות התכשיט‬ ‫האהוב עליכם‪.‬‬ ‫‪ .5‬קוטרו של אטום אלומיניום הוא ‪ 250‬פיקומטר )‪(pm‬‬ ‫)‪ .(1 pm = 10–12 m‬כמה אטומי אלומיניום יש לסדר זה‬ ‫לצד זה כדי ליצור "שרשרת" של אטומי אלומיניום באורך‬ ‫‪ 30‬סנטימטר?‬

‫‪2‬‬

‫מבנה האטום‬ ‫והטבלה המחזורית‬

‫מטרות לימוד‬ ‫‪ 1‬לתאר את התכונות החשובות של פרוטונים‪ ,‬נויטרונים ואלקטרונים‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2‬לחשב את מספר הפרוטונים‪ ,‬הנויטרונים והאלקטרונים בכל אטום‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 3‬להבדיל בין המונחים אטום ואיזוטופ ולחשב את המסה האטומית על סמך‬ ‫ ‬ ‫שכיחות האיזוטופים‪.‬‬ ‫‪ 4‬לסקור את ההיסטוריה של התפתחות התיאוריה האטומית‪ ,‬החל בדלטון‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 5‬להסביר את התפקיד החיוני של הספקטרוסקופיה בהתפתחות התיאוריה‬ ‫ ‬ ‫האטומית ובחיי היום־יום‪.‬‬ ‫‪ 6‬לתאר את ההנחות הבסיסיות של תיאוריית בוהר‪ ,‬את יתרונותיה ואת מגבלותיה‪.‬‬ ‫‪ 7‬לזהות את החלוקות החשובות של הטבלה המחזורית‪ :‬מחזור (שורה)‪ ,‬קבוצה (משפחה)‪,‬‬ ‫ ‬ ‫מתכות ואל־מתכות‪.‬‬ ‫‪ 8‬להשתמש בטבלה המחזורית על מנת להשיג מידע על יסוד‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9‬לתאר את הקשר בין המבנה האלקטרוני של יסוד ומקומו בטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 1‬לכתוב את היערכות האלקטרונים ודיאגרמות האכלוס של אטומים עבור היסודות השכיחים ביותר‪.‬‬ ‫‪ 0‬‬ ‫‪ 1‬להשתמש בכלל האוקטט על מנת לחזות מטענים חשמליים של קטיונים ואניונים נפוצים‪.‬‬ ‫‪ 1‬‬ ‫‪ 1‬להשתמש בטבלה המחזורית ובכוח החיזוי שלה על מנת להעריך את הגדלים היחסיים של‬ ‫‪ 2‬‬ ‫אטומים ויונים‪ ,‬כמו גם את העוצמה היחסית של אנרגיית היינון ושל הזיקה האלקטרונית‪.‬‬

‫הזוהר הדרומי‪ ,‬כפי שהוא נראה‬ ‫מתחנת החלל‪ .‬הקשרים בין אנרגיית‬ ‫האור והאנרגיה האצורה בחומר‬ ‫מסייעים לנו להבין את מבנה‬ ‫האטום‪.‬‬

‫מתווה‬ ‫מבוא ‪44‬‬ ‫‪ 2.1‬הרכב האטום ‪44‬‬ ‫‪ 2.2‬התפתחות התיאוריה האטומית ‪48‬‬ ‫כימיה בזירת הפשע‪ :‬זיהוי פלילי מיקרוביאלי ‪49‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.3‬אור‪ ,‬מבנה האטום ואטום בוהר ‪51‬‬ ‫כימיה ירוקה‪ :‬קרינה אלקטרומגנטית והשפעתה על חיי היום־יום ‪54‬‬ ‫ ‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬הספקטרום האטומי וחגיגות יום העצמאות ‪56‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.4‬החוק המחזורי והטבלה המחזורית ‪57‬‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬מחסור בנחושת ומחלת וילסון ‪60‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.5‬סידור האלקטרונים והטבלה המחזורית ‪61‬‬ ‫‪ 2.6‬אלקטרוני ערכיות וכלל האוקטט ‪70‬‬ ‫‪ 2.7‬מגמות בטבלה המחזורית ‪73‬‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬סידן בתזונה ‪74‬‬ ‫ ‬

‫‪  44‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מבוא‬ ‫מדוע קרח צף על פני המים? מדוע שמן ומים אינם מתערבבים? מדוע הדם מעביר חמצן לתאים‪,‬‬ ‫ומדוע פחמן חד־חמצני מדכא את התהליך הזה? הדרך הטובה ביותר לענות על שאלות מעין‬ ‫אלה היא באמצעות הבנה של התנהגות החומר ברמה האטומית‪.‬‬ ‫בפרק זה נלמד כמה מהתכונות של החלקיקים העיקריים שמרכיבים את האטום‪ ,‬ונבחן את‬ ‫הניסויים המוקדמים שאפשרו לפתח תיאוריות של מבנה האטום‪ .‬התיאוריות הללו מסייעות‬ ‫לנו להסביר את התנהגות האטומים עצמם‪ ,‬כמו גם את התנהגות התרכובות הנוצרות משילוב‬ ‫שלהם‪ ,‬כגון מים ופחמן דו־חמצני‪.‬‬ ‫המבנה האטומי של כל יסוד הוא ייחודי‪ ,‬ולכן יש טעם לבחון את הקשרים וההבדלים בין‬ ‫היסודות עצמם‪ .‬העיקרון המאחד שלהם מכונה "החוק המחזורי"‪ ,‬והוא מאפשר ליצור "מפה"‬ ‫מאורגנת של היסודות‪ ,‬הקושרת בין המבנה שלהם לתכונות הכימיות והפיזיקליות שלהם‪.‬‬ ‫ה"מפה" הזו היא הטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫כאשר נחקור את החוק המחזורי והטבלה המחזורית נראה שהתכונות הכימיות והפיזיקליות‬ ‫של היסודות נובעות ישירות מהמבנה האלקטרוני של האטומים שמרכיבים אותם‪ .‬הכרת הארגון‬ ‫של הטבלה המחזורית על בוריו היא חיונית בחקר הכימיה‪ :‬לא רק שהיא מאפשרת לנו לחזות‬ ‫את המבנה והתכונות של היסודות השונים‪ ,‬אלא היא גם בסיס לפיתוח ההבנה של קשרים‬ ‫כימיים ושל תהליך יצירתן של מולקולות‪ .‬כמו כן‪ ,‬התכונות וההתנהגות של צברי מולקולות‬ ‫(תכונות החומר) קשורות קשר יסודי למאפייני האטומים שמרכיבים אותם‪.‬‬

‫‪2.1‬‬

‫הרכב האטום‬

‫היחידה המבנית הבסיסית של יסוד היא האטום (‪ ,)atom‬שהוא היחידה הקטנה ביותר של‬ ‫יסוד אשר שומרת על המאפיינים של אותו יסוד‪ .‬דגימה זעירה של היסוד נחושת‪ ,‬קטנה מכדי‬ ‫שתיראה בעין בלתי מזוינת‪ ,‬מורכבת ממיליארדי אטומי נחושת המאורגנים באופן מסודר‪.‬‬ ‫האטום עצמו קטן להדהים‪ .‬בימינו אפשר "לראות" אטומים באמצעות מכשירים מודרניים‪,‬‬ ‫כגון מיקרוסקופ מנהור סורק (איור ‪.)2.1‬‬

‫אלקטרונים‪ ,‬פרוטונים ונויטרונים‬

‫איור ‪ 2.1‬שיטות מתוחכמות‪,‬‬ ‫כגון מיקרוסקופיית מנהור סורקת‬ ‫(‪Scanning Tunneling Microscopy,‬‬ ‫‪ ,)STM‬מספקות עדויות ויזואליות‬ ‫על מבנה האטומים והמולקולות‪.‬‬ ‫כל נקודה מייצגת אטום ברזל יחיד‪.‬‬ ‫אם לא די בכך‪ ,‬אטומי הברזל סודרו‬ ‫על פניו של משטח נחושת בצורת‬ ‫המילה אטום הכתובה בסינית‪.‬‬

‫אנו יודעים שהאטום מורכב משלושה חלקיקים עיקריים‪ :‬האלקטרון‪ ,‬הפרוטון והנויטרון‪ .‬אף‬ ‫שנתגלו חלקיקים תת־אטומיים נוספים (נויטרינו‪ ,‬גלואון‪ ,‬קווארק ועוד)‪ ,‬אנו נעסוק אך ורק‬ ‫בחלקיקים המרכזיים‪ :‬הפרוטונים‪ ,‬הנויטרונים והאלקטרונים‪.‬‬ ‫אפשר לראות את האטום כמורכב משני אזורים נבדלים‪:‬‬ ‫‪ .1‬הגרעין (‪ )nucleus‬הוא אזור קטן‪ ,‬דחוס ובעל מטען חיובי במרכז האטום‪ .‬בגרעין מצויים‬ ‫פרוטונים (‪ )protons‬בעלי מטען חיובי ונויטרונים (‪ )neutrons‬חסרי מטען‪.‬‬ ‫‪ .2‬סביב הגרעין יש אזור מאוכלס בדלילות על ידי מטען שלילי‪ .‬מקור המטען השלילי הוא‬ ‫האלקטרונים (‪ .)electrons‬מסת האלקטרונים קטנה מאוד בהשוואה לזו של הפרוטונים‬ ‫והנויטרונים‪.‬‬ ‫תמצית של תכונות החלקיקים הללו מובאת בטבלה ‪.2.1‬‬

‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫טבלה‬

‫ונית בורלא‬

‫שם‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪45‬‬

‫‪ 2.1‬תכונות נבחרות של שלושת החלקיקים התת־אטומיים הבסיסיים‬

‫מסה (‪)amu‬‬ ‫(יחידת מסה אטומית)‬

‫אטומית)הכימיה‪-‬יח' ‪2‬‬ ‫מטעןעולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫מטען‬ ‫(יחידת‬

‫אלקטרון (‪)e−‬‬ ‫פרוטון (‪)p+‬‬ ‫נויטרון (‪)n‬‬

‫‪5.4 × 10−4‬‬

‫‪−1‬‬

‫‪ +1‬עמ' ‪45‬‬ ‫‪0‬‬

‫מסה (‬ ‫מספר‪)g‬העבודה‪20116 :‬‬ ‫‪9.1095 × 10−28‬‬

‫‪1.0‬‬

‫‪1.6725 × 10−24‬‬

‫‪1.0‬‬

‫‪1.6750 × 10−24‬‬

‫אטומים מסוגים שונים נבדלים במספר הפרוטונים‪ ,‬הנויטרונים והאלקטרונים שלהם‪ .‬מספר‬ ‫הפרוטונים קובע את זהות האטום‪ .‬משום כך‪ ,‬מספר הפרוטונים אופייני ליסוד‪ .‬כאשר מספר‬ ‫הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים האטום ניטרלי משום שהמטענים מאוזנים ומבטלים‬ ‫אלה את אלה‪ .‬משום כך‪ ,‬בכל האטומים מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים‪.‬‬ ‫אפשר לייצג יסוד באמצעות הסימול שלהלן‪:‬‬ ‫סימול היסוד‬

‫‪X‬‬

‫‪A‬‬

‫מספר מסה‬

‫‪Z‬‬

‫מספר אטומי‬

‫המספר האטומי (‪ )Z ,atomic number‬שווה למספר הפרוטונים באטום‪ ,‬ומספר המסה‬ ‫(‪ )A ,mass number‬שווה לסכום מספרי הפרוטונים והנויטרונים (מסת האלקטרונים קטנה‬ ‫עד כדי כך שהיא זניחה בהשוואה למסת הגרעין)‪.‬‬ ‫המספר האטומי הוא המספר השלם המיוחס לאטום בטבלה המחזורית‪ .‬מספר המסה‬ ‫אינו מופיע בטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫מאחר שהגדרנו‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 1‬לתאר את התכונות החשובות‬

‫של פרוטונים‪ ,‬נויטרונים‬ ‫ואלקטרונים‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לחשב את מספר הפרוטונים‪,‬‬

‫הנויטרונים והאלקטרונים בכל אטום‪.‬‬

‫(מספר הפרוטונים) ‪( +‬מספר הנויטרונים) = מספר המסה‬ ‫הרי שעל מנת לקבוע את מספר הנויטרונים אפשר לארגן את האברים במשוואה ולקבל‪:‬‬ ‫(מספר הפרוטונים) – (מספר המסה) = מספר הנויטרונים‬ ‫(המספר האטומי) – (מספר המסה) = מספר הנויטרונים‬ ‫‪ = A – Z‬מספר הנויטרונים‬

‫דוגמה ‪ 2.1‬קביעת ההרכב של אטום‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫חשבו את מספר הפרוטונים‪ ,‬הנויטרונים והאלקטרונים באטום פלואור‪ .‬הסימול האטומי של‬ ‫‪ 2‬לחשב את מספר הפרוטונים‪,‬‬ ‫‪19‬‬ ‫הפלואור הוא ‪. 9 F‬‬

‫הנויטרונים והאלקטרונים בכל אטום‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬המספר האטומי הוא ‪ .Z = 9‬יש ‪ 9‬פרוטונים‪.‬‬ ‫שלב ‪ .2‬מספר הפרוטונים = מספר האלקטרונים באטום‪ .‬יש ‪ 9‬אלקטרונים‪.‬‬ ‫שלב ‪ .3‬מספר המסה הוא ‪ .A = 19‬מספר הנויטרונים = ‪ .A – Z‬מספר הנויטרונים הוא ‪ .19 – 9 = 10‬יש ‪ 10‬נויטרונים‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪2.1‬‬

‫חשבו את מספרי הפרוטונים‪ ,‬הנויטרונים והאלקטרונים בכל אחד מהאטומים שלהלן‪:‬‬ ‫‪244 Pu‬‬ ‫א‪32 S .‬‬ ‫‪ 23‬ג‪ 11 H .‬ד‪.‬‬ ‫‪94‬‬ ‫ב‪11 Na .‬‬ ‫‪16‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 2.35‬ו־‪2.36‬‬

‫‪  46‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬להבדיל בין המונחים אטום‬

‫ואיזוטופ ולחשב את המסה‬ ‫האטומית על סמך שכיחות‬ ‫האיזוטופים‪.‬‬

‫איזוטופים‬ ‫איזוטופים (‪ )isotopes‬הם אטומים של אותו יסוד בעלי מסה שונה משום שהם מכילים‬ ‫מספר שונה של נויטרונים‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬מספר המסה של איזוטופים שונה‪ .‬לדוגמה‪ ,‬כל‬

‫האטומים שלהלן הם איזוטופים של מימן‪:‬‬ ‫‪3H‬‬

‫‪ 1‬‬ ‫ ‬ ‫טריטיום (מימן‪ )3-‬‬

‫‪2H‬‬

‫‪ 1‬‬ ‫דויטריום (מימן‪ )2-‬‬

‫‪1H‬‬ ‫‪1‬‬

‫מימן (מימן‪ )1-‬‬

‫איזוטופים נכתבים לרוב בצורת השם ולאחריו מספר המסה‪ .‬לדוגמה‪ ,‬את האיזוטופים‬ ‫ו־ ‪ 146 C‬נכתוב פחמן‪( 12-‬או ‪ )C-12‬ופחמן‪( 14-‬או ‪ ,)C-14‬בהתאמה‪.‬‬

‫‪12 C‬‬ ‫‪6‬‬

‫‪ 2‬כמה פרוטונים‪ ,‬נויטרונים ואלקטרונים יש באטום בודד של‪:‬‬ ‫שאלה ‪ .1‬‬ ‫א‪ .‬ברום‪ 79-‬ב‪ .‬ברום‪ 81-‬ג‪ .‬ברזל‪56-‬‬ ‫‪ 2‬כמה פרוטונים‪ ,‬נויטרונים ואלקטרונים יש באטום בודד של‪:‬‬ ‫שאלה ‪ .2‬‬ ‫א‪ .‬זרחן‪ 30-‬ב‪ .‬גפרית‪ 32-‬ג‪ .‬כלור‪35-‬‬ ‫דיון מפורט בשימוש באיזוטופים‬ ‫רדיואקטיביים לצורך אבחון וטיפול‬ ‫במחלות מובא בפרק ‪.9‬‬

‫איזוטופים של יסודות מסוימים (איזוטופים רדיואקטיביים) פולטים חלקיקים ואנרגיה שאפשר‬ ‫להשתמש בהם על מנת להתחקות אחר ההתנהגות של מערכות ביוכימיות‪ .‬האיזוטופים הללו‬ ‫מתנהגים באופן דומה לכל איזוטופ אחר של אותו היסוד‪ ,‬מלבד הרדיואקטיביות שלהם‪.‬‬ ‫ההתנהגות הכימית שלהם זהה; ההתנהגות הגרעינית שלהם ייחודית‪ .‬משום כך אפשר להחליף‬ ‫איזוטופ "לא רדיואקטיבי" באיזוטופ רדיואקטיבי‪ ,‬ולעקוב אחרי הפעילות הביוכימית שלו‬ ‫באמצעות ניטור החלקיקים או האנרגיה שהאיזוטופ פולט כשהוא עובר בגוף‪.‬‬ ‫כפי שהוזכר קודם‪ ,‬המספר האטומי הוא המספר השלם המיוחס לכל יסוד בטבלה‬ ‫המחזורית‪ .‬המספר הנוסף המיוחס לכל יסוד בטבלה המחזורית הוא המסה האטומית (‪atomic‬‬ ‫‪ ,)mass‬שהיא הממוצע המשוקלל של המסות של כל האיזוטופים של אותו היסוד‪ .‬המסה‬ ‫האטומית נמדדת ביחידות מסה אטומית (‪.)atomic mass units, amu‬‬ ‫)‪1 amu = 1.66 × 10−24 grams (g‬‬

‫שימו לב שבטבלה ‪ ,2.1‬המסה של הפרוטון והמסה של הנויטרון הן ‪.1.0 amu‬‬ ‫אם נעיין בטבלה המחזורית נראה שהמסה האטומית של כלור היא ‪ .35.45 amu‬יש שני‬ ‫איזוטופים של כלור‪ Cl-35 ,‬ו־‪ .Cl-37‬המסה האטומית של כלור‪ ,35.45 amu ,‬אינה ממוצע של ‪35‬‬ ‫ו־‪( 37‬שהוא ‪ ,)36‬אלא ממוצע משוקלל‪ .‬בטבע יש יותר ‪ Cl-35‬מאשר ‪ .Cl-37‬האחוז של כל‬ ‫איזוטופ מתוך כלל האיזוטופים‪ ,‬כפי שהוא מופיע בטבע‪ ,‬מכונה שכיחות טבעית‪ .‬ממוצע‬ ‫משוקלל מביא בחשבון את השכיחות הטבעית של כל איזוטופ‪.‬‬ ‫דוגמה ‪ 2.2‬ממחישה את חישוב המסה האטומית של כלור‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 2.2‬קביעת המסה האטומית‬ ‫חשבו את המסה האטומית של כלור בטבע אם ‪ 75.77%‬מאטומי הכלור הם ‪35 Cl‬‬ ‫‪( 17‬כלור ‪,35‬‬ ‫‪( 37‬כלור ‪ ,37‬מסה אטומית = ‪.)37.0‬‬ ‫מסה אטומית = ‪ )35.0‬ו־‪ 24.23%‬מהאטומים הם ‪17 Cl‬‬

‫פתרון‬ ‫הממוצע המשוקלל יהיה בין ‪ 35‬ו־‪ .37‬אחוז אטומי כלור‪ 35-‬גבוה מזה של כלור‪ ;37-‬לפיכך‬ ‫נצפה שהממוצע המשוקלל יהיה קרוב יותר ל־‪.35‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬להבדיל בין המונחים אטום‬

‫ואיזוטופ ולחשב את המסה‬ ‫האטומית על סמך שכיחות‬ ‫האיזוטופים‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪47‬‬

‫שלב ‪ .1‬נמיר את האחוזים לשברים עשרוניים‪.‬‬ ‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪0.7577 Cl-35‬‬ ‫‪100%‬‬ ‫‪1‬‬ ‫× ‪24.23% Cl-37‬‬ ‫=‬ ‫‪0.2423 Cl-37‬‬ ‫‪100%‬‬

‫× ‪75.77% Cl-35‬‬

‫שלב ‪ .2‬נקבע את תרומתו של כל איזוטופ למסה האטומית הכוללת באמצעות הכפלת השבר העשרוני במסת האיזוטופ‪.‬‬ ‫עבור כלור‪0.7577 × 35.0 amu = 26.5 amu :35-‬‬ ‫עבור כלור‪0.2423 × 37.0 amu = 8.97 amu :37-‬‬

‫שלב ‪ .3‬נחבר את תרומת המסות של כל איזוטופ‪.‬‬ ‫‪Atomic mass = 26.5 amu + 8.97 amu = 35.5 amu‬‬

‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? הערך ‪ 35.5‬מצוי בין ‪ 35‬ו־‪ 37‬והוא קרוב יותר ל־‪ ,35‬כצפוי‪ .‬הוא גם קרוב לערך ‪ 35.45‬שמופיע‬ ‫בטבלה המחזורית כמסה האטומית של כלור‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪2.2‬‬

‫ליסוד חנקן יש שני איזוטופים טבעיים‪ .‬לאחד מהם מסה של ‪ 14.0 amu‬ושכיחות טבעית של ‪ ;99.63%‬לאיזוטופ האחר מסה של‬ ‫‪ 15.0 amu‬ושכיחות טבעית של ‪ .0.37%‬חשבו את המסה האטומית של חנקן‪.‬‬ ‫@‬

‫דוגמה ‪ 2.3‬קביעת המסה האטומית‬ ‫ליסוד נאון‪ ,Ne ,‬שלושה איזוטופים טבעיים‪ .‬השכיחות הטבעית והמסה של כל אחד מהם‬ ‫מובאת להלן‪ .‬חשבו את המסה האטומית של נאון‪.‬‬ ‫איזוטופ‬

‫מסה‬

‫שכיחות‬

‫‪21Ne‬‬

‫‪20.0 amu‬‬ ‫‪21.0 amu‬‬ ‫‪22.0 amu‬‬

‫‪90.48%‬‬ ‫‪0.27%‬‬ ‫‪9.25%‬‬

‫‪20Ne‬‬ ‫‪22Ne‬‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלה ‪2.37‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬להבדיל בין המונחים אטום‬

‫ואיזוטופ ולחשב את המסה‬ ‫האטומית על סמך שכיחות‬ ‫האיזוטופים‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫אפשר לבצע אומדן של הערך באמצעות בחינת אחוזי השכיחויות‪ .‬האיזוטופ ששכיחותו גדולה ביותר הוא ‪ .Ne-20‬לפיכך‪ ,‬הערך‬ ‫הצפוי יהיה קרוב ל־‪ .20.0 amu‬משום שמסת האיזוטופים האחרים גדולה מזו של ‪ ,Ne-20‬המסה האטומית תהיה גדולה מעט‬ ‫מ־‪.20.0 amu‬‬ ‫שלב ‪ .1‬נמיר כל אחוז לשבר עשרוני‪.‬‬ ‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪0.9048‬‬ ‫‪100%‬‬

‫× ‪90.48% Ne-20‬‬

‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪0.0027‬‬ ‫‪100%‬‬

‫× ‪0.27% Ne-21‬‬

‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪0.0925‬‬ ‫‪100%‬‬

‫× ‪9.25% Ne-22‬‬

‫שלב ‪ .2‬נקבע את התרומה של כל איזוטופ למסה האטומית הכוללת באמצעות הכפלת השבר העשרוני במסת האיזוטופ‪.‬‬

‫עבור ‪:Ne-20‬‬

‫‪0.9048 × 20.0 amu = 18.1 amu‬‬

‫עבור ‪:Ne-21‬‬

‫‪0.0027 × 21.0 amu = 0.057 amu‬‬

‫עבור ‪:Ne-22‬‬

‫‪0.0925 × 22.0 amu = 2.04 amu‬‬

‫‪  48‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שלב ‪ .3‬נחבר את תרומת המסות של כל איזוטופ‪.‬‬ ‫‪Atomic mass = 18.1 amu + 0.057 amu + 5.04 amu = 20.2 amu‬‬

‫האם התשובה מתקבלת על הדעת? הערכנו כי המסה האטומית תהיה גדולה מעט מ־‪ ,20‬ואכן זו התשובה שקיבלנו‪ .‬כבדיקה‬ ‫אחרונה אפשר לעיין בטבלה המחזורית‪ .‬המסה האטומית של נאון היא ‪.20.18 amu‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪2.3‬‬

‫חשבו את המסה האטומית של בור טבעי אם ‪ 19.9%‬מאטומי הבור הם ‪ )10.0 amu( 10B‬ו־‪ 80.1%‬הם ‪.(11.0 amu) 11B‬‬ ‫@‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לסקור את ההיסטוריה של‬

‫התפתחות התיאוריה האטומית‪,‬‬ ‫החל בדלטון‪.‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח'‬ ‫איור ‪2-2‬‬

‫‪2.2‬‬

‫התיאוריה של דלטון‬ ‫ג'ון דלטון (‪ ,)John Dalton‬מורה ומדען אנגלי‪ ,‬הציע בתחילת המאה ה־‪ 19‬את התיאוריה‬ ‫הראשונה של מבנה האטום המבוססת על ניסוי‪ .‬דלטון הציע את התיאור שלהלן של האטום‪:‬‬

‫‪. 3‬‬ ‫‪ .4‬‬ ‫‪ .5‬‬ ‫אטומים של יסוד ‪Y‬‬

‫התפתחות התיאוריה האטומית‬

‫בעזרת סקירה זו של ההבנה הנוכחית שלנו את מבנה האטום נדון כעת בכמה מהתגליות‬ ‫‪20116‬המודרנית‪.‬‬ ‫לתיאוריה האטומית‬ ‫מספרשהובילו‬ ‫‪ 2‬המדעיות החשובות‬ ‫העבודה‪:‬‬

‫‪. 1‬‬ ‫‪ .2‬‬

‫)‪(1‬‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלה ‪2.38‬‬

‫אטומים של יסוד ‪ .6 X‬‬

‫כל חומר מורכב מחלקיקים זעירים המכונים אטומים‪.‬‬ ‫אטומים אינם ניתנים ליצירה או לחלוקה‪ .‬אי־אפשר להעלים אטומים או להמיר אותם‬ ‫לסוג אחר של אטומים‪.‬‬ ‫לכל האטומים של יסוד מסוים יש מאפיינים זהים‪.‬‬ ‫לאטומים של יסודות שונים יש מאפיינים שונים‪.‬‬ ‫אטומים של יסודות שונים מתחברים ביחסים פשוטים של מספרים שלמים ויוצרים‬ ‫תרכובות (סידורים יציבים של אטומים)‪.‬‬ ‫שינוי כימי מערב חיבור‪ ,‬הפרדה או סידור מחדש של אטומים‪.‬‬

‫אף שהתיאוריה של דלטון התבססה על מידע ניסויי דל ולא מתוחכם‪ ,‬חלק גדול ממנה נחשב‬ ‫נכון גם כיום‪ .‬הנחות ‪ 5 ,4 ,1‬ו־‪ 6‬נחשבות נכונות כיום‪ .‬גילוי הרדיואקטיביות ותהליכי ההיתוך‬ ‫והביקוע הגרעיניים ("פיצול" של אטומים) הפריכו את ההנחה שאי־אפשר ליצור או להעלים‬ ‫אטומים‪ .‬הנחה ‪ ,3‬שלפיה המאפיינים של כל האטומים של יסוד מסוים הם זהים‪ ,‬הופרכה‬ ‫עם גילוי האיזוטופים‪.‬‬ ‫היתוך‪ ,‬ביקוע‪ ,‬רדיואקטיביות ואיזוטופים נידונים בפירוט רב יותר בפרק ‪ .9‬איור ‪2.2‬‬ ‫משתמש במודל פשוט להמחשת התיאוריה של דלטון‪.‬‬ ‫תרכובת הנוצרת מהיסודות ‪ X‬ו־‪Y‬‬ ‫)‪(2‬‬ ‫איור ‪ 2.2‬המחשה של התיאוריה‬ ‫האטומית של ג'ון דלטון‪ )1( .‬אטומים‬ ‫של אותו יסוד הם זהים אבל נבדלים‬ ‫מאטומים של יסוד אחר‪ )2( .‬אטומים‬ ‫מתחברים ביחסים של מספרים‬ ‫שלמים ויוצרים תרכובות‪.‬‬

‫עדויות לקיומם של חלקיקים תת־אטומיים‪:‬‬ ‫אלקטרונים‪ ,‬פרוטונים ונויטרונים‬ ‫התגליות החשובות הבאות התרחשו כמעט מאה שנים מאוחר יותר (‪ .)1897-1879‬אף‬ ‫שדלטון תיאר אטומים כבלתי ניתנים לחלוקה‪ ,‬ניסויים שונים‪ ,‬במיוחד אלה של ויליאם‬ ‫קרוקס (‪ )William Crookes‬ויוג'ין גולדסטין (‪ ,)Eugene Goldstein‬העידו שהאטום מורכב‬ ‫מחלקיקים טעונים (חיובית ושלילית)‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪49‬‬

‫כימיה בזירת הפשע‬ ‫זיהוי פלילי מיקרוביאלי‬ ‫למדנו שהאטומים של אותו היסוד אינם זהים; בדרך כלל‬ ‫היסודות הם תערובת של שני איזוטופים או יותר‪ ,‬השונים‬ ‫במסתם משום שהם מכילים מספר שונה של נויטרונים‪ .‬המסה‬ ‫האטומית היא הממוצע המשוקלל של מסות האיזוטופים‬ ‫השונים הללו‪.‬‬ ‫לכאורה משתמע מכך שהכמויות היחסיות של האיזוטופים‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬ ‫הללו יהיו זהות‪ ,‬ואין זה חשוב היכן בעולם אנו דוגמים את‬ ‫היסוד‪ .‬במציאות הדבר אינו נכון‪ .‬יש הבדלים קטנים אך‬ ‫מדידים ביחסים בין האיזוטופים של היסוד; ההבדלים הללו‬ ‫קשורים למיקום‪.‬‬ ‫מים מכילים אטומי חמצן‪ ,‬ואחוז קטן מהאטומים הללו‬ ‫הם חמצן‪ .18-‬אנחנו יודעים שאגמים ונהרות ברחבי ארצות‬ ‫הברית מכילים ריכוזים שונים של חמצן‪ .18-‬מי אוקיינוס‬ ‫עשירים יותר בחמצן‪ ,18-‬ולכן אספקת מי השתייה בקרבת‬ ‫האוקיינוס עשירה בהם גם היא‪ .‬מדענים הרכיבו מפה של‬ ‫התפלגות חמצן‪ 18-‬ברחבי ארצות הברית‪ ,‬הדומה למפת‬ ‫מזג אוויר‪ ,‬ובה מתוארים אזורים שונים בהתאם‬ ‫לריכוז האיזוטופ‪.‬‬ ‫כיצד אפשר לנצל עובדות אלה לתועלתנו? לבולשת‬ ‫האמריקנית (‪ )FBI‬יש עניין לקבוע את מקורם של‬ ‫מיקרואורגניזמים שעשויים לשמש מחבלים‪ .‬נבגי גחלת‬ ‫(‪ ,)antrax‬שפוזרו בכמה אתרים זמן קצר לאחר אירועי‬ ‫‪ 11‬בספטמבר ‪ 2001‬באמצעות שירות הדואר של ארצות‬ ‫הברית‪ ,‬הם דוגמה מוכרת אחת לכך‪ .‬אם נוכל למדוד בקפידה‬ ‫את היחס בין חמצן‪ 18-‬לחמצן‪ 16-‬בכלי נשק ביולוגיים‪ ,‬אולי‬ ‫נוכל להצליב בין היחס הזה ליחס הקיים במי השתייה במקום‬ ‫מסוים‪ .‬או אז תהיה לנו אינדיקציה לגבי האזור במדינה שבו‬

‫החומר פותח‪ ,‬מה שיוביל אולי למעצרים ולהעמדה לדין של‬ ‫יוזמי פעילות הטרור‪.‬‬ ‫אין זו משימה קלה‪ .‬עם זאת‪ ,‬ה־‪ FBI‬הרכיב ועדה מייעצת‬ ‫של מומחים למדע ולזיהוי פלילי על מנת לחקור גישה זו‬ ‫ואחרות להתחקּות אחר מקורם של כלי נשק ביולוגיים להשמדה‬ ‫המונית‪ .‬בדיוק כמו "אקדח מעשן"‪ ,‬אסטרטגיות אלה‪,‬‬ ‫המכונותמספר‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪2‬‬ ‫זיהוי פלילי מיקרוביאלי‪ ,‬יוכלו לחזק את כוחה של התביעה‬ ‫ולהפוך את החברה לבטוחה יותר‪.‬‬

‫עמ' ‪49‬‬

‫שאלות הרחבה‬ ‫@ חפשו ברשת מידע נוסף על תכונות הגחלת‪.‬‬ ‫ ‬ ‫@ כיצד אפשר ליישם את הגישה המתוארת לעיל לקביעת‬ ‫מקורה של דליפת נפט בים?‬ ‫ריכוז פחמן‪18-‬‬

‫גבוה‬

‫נמוך‬

‫קרוקס חיבר שתי אלקטרודות מתכת (דיסקיות מתכת המחוברות למקור חשמל) משני‬ ‫הצדדים של שפופרת ריק אטומה עשויה מזכוכית‪ .‬כשהוא הפעיל את החשמל נצפו קרני‬ ‫אור עוברות בין שתי האלקטרודות‪ .‬הן נקראו קרניים קתודיות משום שעברו מהקתודה‬ ‫(האלקטרודה השלילית) לאנודה (האלקטרודה החיובית)‪.‬‬ ‫ניסויים מאוחרים יותר שערך המדען האנגלי ג'יי ג'יי תומסון (‪ )J. J. Thomson‬הדגימו‬ ‫את התכונות החשמליות והמגנטיות של קרניים קתודיות (איור ‪ .)2.3‬הקרניים הוסטו לעבר‬ ‫האלקטרודה החיובית של שדה חשמלי חיצוני‪ .‬משום שמטענים הפוכים מושכים אלה את‬ ‫אלה‪ ,‬הדבר מעיד כי לקרניים מטען שלילי‪ .‬ניסויים דומים בשדה מגנטי חיצוני הראו גם הם‬ ‫הסטה; מכאן שלקרניים הקתודיות יש גם תכונות מגנטיות‪.‬‬ ‫שינוי החומר ששימש לייצור האלקטרודות לא שינה כלל את תוצאות הניסויים‪ .‬מכך‬ ‫השתמע שהיכולת לייצר קרניים קתודיות היא תכונה של כל החומרים‪.‬‬ ‫תומסון הכריז ב־‪ 1897‬כי הקרניים הקתודיות הן שטף של חלקיקים שליליים של אנרגיה‪.‬‬ ‫החלקיקים הללו הם אלקטרונים‪ .‬ניסויים דומים שערך גולדסטין הובילו לגילוי חלקיקים‬

‫העב‬

‫‪  50‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫–‬

‫קתודה‬

‫אנודה‬ ‫‪N‬‬ ‫‪A‬‬ ‫‪S‬‬

‫איור ‪ 2.3‬המחשה של ניסוי‬ ‫המדגים את תכונות המטען‬ ‫של קרניים קתודיות‪ .‬הקרניים‬ ‫הקתודיות פוגעות במסך הגלאי‬ ‫בנקודה ‪ .A‬בנוכחות שדה חשמלי‬ ‫האלומה תוסט ותפגע בנקודה ‪.B‬‬

‫‪B‬‬

‫מסך גלאי‬ ‫מתח גבוה‬

‫‪+‬‬

‫בעלי מטען בגודל זהה למטען האלקטרון אך סימן הפוך‪ .‬חלקיקים אלה‪ ,‬הכבדים בהרבה‬ ‫מהאלקטרון (כבדים פי ‪ ,1,837‬למעשה)‪ ,‬נקראים פרוטונים‪.‬‬ ‫כפי שראינו‪ ,‬החלקיק האטומי היסודי השלישי הוא הנויטרון‪ .‬הוא זהה כמעט במסתו‬ ‫לפרוטון (הנויטרון כבר מהפרוטון בפחות מ־‪ )1%‬ואין לו מטען חשמלי‪ .‬קיומו המשוער‬ ‫הוצע בראשונה בתחילת שנות ה־‪ 20‬של המאה ה־‪ ,20‬אבל רק ב־‪ 1932‬הוכיח ג'יימס צ'דוויק‬ ‫(‪ )James Chadwick‬את קיומו בעזרת שורה של ניסויים שכללו הפצצה של גרעינים בחלקיקים‬ ‫קטנים‪.‬‬

‫עדויות לקיום הגרעין‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לסקור את ההיסטוריה של‬

‫התפתחות התיאוריה האטומית‪,‬‬ ‫החל בדלטון‪.‬‬

‫בתחילת המאה ה־‪ 20‬האמונה הרווחת הייתה שהפרוטונים והאלקטרונים מפוזרים באופן‬ ‫אחיד בתוך האטום‪ .‬ניסוי שערך הנס גייגר (‪ )Hans Geiger‬הוביל את ארנסט רתרפורד‬ ‫(‪ )Ernest Rutherford‬להציע ב־‪ 1911‬שרוב המסה והמטען החיובי של האטום מצויים באזור‬ ‫קטן ודחוס‪ ,‬הגרעין‪ ,‬והאלקטרונים בעלי המטען השלילי מאכלסים נפח גדול בהרבה מחוץ‬ ‫לגרעין‪.‬‬ ‫על מנת להבין כיצד הובילו הניסויים והתצפיות של גייגר לפיתוח התיאוריה של רתרפורד‪,‬‬ ‫הבה נבחן את הניסוי ביתר פירוט‪ .‬רתרפורד ואחרים הראו זה כבר כי חלק מהאטומים‬ ‫עוברים "דעיכה" ספונטנית שמייצרת שלושה סוגי קרינה עיקריים‪ :‬אלפא (‪ ,)α‬בטא (‪)β‬‬ ‫וגמא (‪ .)γ‬התהליך הזה מכונה רדיואקטיביות טבעית (‪ .)natural radioactivity‬חלקיק‬ ‫אלפא הוא גרעין אטום הליום המכיל שני פרוטונים ושני נויטרונים‪ ,‬חלקיק בטא הוא‬ ‫אלקטרון שמקורו בפירוק נויטרון שבגרעין וקרינת גמא היא אור‪ .‬גייגר השתמש בחומרים‬ ‫רדיואקטיביים‪ ,‬כדוגמת רדיום‪ ,Ra ,‬בתור "תחמושת"‪ ,‬ו"ירה" חלקיקי אלפא על מטרה בדמות‬ ‫רדיד מתכת דק (עלה זהב)‪ .‬הוא ניתח את תמונת האינטראקציה בין המתכת וחלקיקי האלפא‬ ‫שנוצרה על מסך גלאי (איור ‪ )2.4‬ומצא כי‬ ‫א‪ .‬רוב חלקיקי האלפא עברו דרך הרדיד מבלי לסטות ממסלולם‪.‬‬

‫ב‪ .‬חלק קטן מהחלקיקים סטו ממסלולם‪ ,‬וחלק מזערי מהם אפילו חזרו ישירות לכיוון‬ ‫שממנו באו‪.‬‬

‫רתרפורד פירש את התוצאות כמעידות על כך שרוב האטום הוא חלל ריק‪ ,‬משום שרוב‬ ‫חלקיקי האלפא לא סטו ממסלולם‪ .‬יתרה מזאת‪ ,‬רוב המסה והחלקיקים החיוביים מוכרחים‬

‫איור ‪2-4‬‬ ‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫רדיד זהב‬ ‫מקור חלקיקי‬ ‫אלפא‬

‫סדק‬ ‫)‪(2‬‬

‫מסך גלאי‬ ‫)‪(1‬‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪51‬‬

‫איור ‪ )1( 2.4‬הניסוי של פיזור‬ ‫חלקיקי אלפא‪ .‬רוב חלקיקי האלפא‬ ‫עוברים דרך הרדיד ואינם מוסטים;‬ ‫מקצתם מוסטים ממסלולם על ידי‬ ‫הגרעינים של אטומי הזהב‪.‬‬ ‫(‪ )2‬מבט מוגדל על החלקיקים‬ ‫העוברים דרך האטומים‪ .‬הגרעינים‪,‬‬ ‫המוצגים כנקודות שחורות‪ ,‬מסיטים‬ ‫חלק מחלקיקי האלפא‪.‬‬

‫להימצא באזור קטן ודחוס; התנגשות של חלקיקי האלפא הכבדים ובעלי המטען החיובי עם‬ ‫מספר העבודה‪20116 :‬‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪2‬‬ ‫צוע‪ :‬רונית בורלא‬ ‫האזור הקטן הדחוס והחיובי (הגרעין) היא שגרמה להסטות הגדולות‪ .‬רתרפורד סיכם את‬ ‫תדהמתו למראה החלקיקים שסטו‪" :‬זה מדהים כמעט כאילו הייתם יורים כדור תותח על נייר‬ ‫טואלט והוא היה מוחזר ממנו ופוגע בכם"‪.‬איור ‪2-5‬‬ ‫אי־אפשר להפריז בחשיבות תרומתו של רתרפורד‪ .‬היא חוללה שינוי מהפכני בתפיסת‬ ‫האטום במדע (איור ‪ .)2.5‬תגלית הגרעין היא מרכיב יסודי בהבנתנו את הכימיה‪ .‬פרק ‪ 9‬ידון‬ ‫בהרחבה בגרעין ובתכונותיו הייחודיות‪.‬‬ ‫גרעין דחוס‪,‬‬ ‫טעון חיובית‬

‫מטען חיובי מפוזר ברחבי הכדור;‬ ‫למעשה‪ ,‬הכדור כולו הוא בעל‬ ‫מטען חיובי‬ ‫אלקטרונים‬

‫אזור ריק ברובו‬ ‫שבו נמצאים‬ ‫אלקטרונים‬ ‫)‪(2‬‬

‫‪2.3‬‬

‫)‪(1‬‬

‫אור‪ ,‬מבנה האטום ואטום בוהר‬

‫אור והמבנה האטומי‬ ‫בתמונת האטום על פי רתרפורד יש גרעין זעיר ודחוס בעל מטען חיובי‪ ,‬המכיל פרוטונים‬ ‫ומוקף באלקטרונים‪ .‬סידור האלקטרונים‪ ,‬או ההיערכות שלהם‪ ,‬אינו מפורט בו‪ .‬יש צורך‬ ‫במידע נוסף על היחסים בין האלקטרונים‪ ,‬ובינם לבין הגרעין‪ .‬כשעוסקים בממדים מסדר‬ ‫גודל של ‪ 10−9‬מטרים (קנה המידה האטומי)‪ ,‬השיטות המקובלות למדידת מקום ומרחק‬ ‫בין גופים אינן שמישות‪ .‬גישה חלופית היא למדוד את האנרגיה במקום את המקום של‬ ‫החלקיקים האטומיים על מנת לקבוע את המבנה שלהם‪ .‬לדוגמה‪ ,‬מידע שמושג מקליטה או‬ ‫מפליטה של אור על ידי אטומים מניב תובנות רבות ערך על מבנה האטום‪ .‬מחקרים מסוג זה‬ ‫שייכים לתחום הספקטרוסקופיה (‪.)spectroscopy‬‬

‫איור ‪ )1( 2.5‬מודל האטום של‬ ‫תומסון שהוצע קודם לעבודתם של‬ ‫גייגר ורתרפורד‪ )2( .‬מודל האטום‬ ‫שנתמך בידי ניסויי פיזור חלקיקי‬ ‫אלפא של גייגר ורתרפורד‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬להסביר את התפקיד החיוני‬

‫של הספקטרוסקופיה בהתפתחות‬ ‫התיאוריה האטומית ובחיי היום־יום‪.‬‬

‫‪  52‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫ביצוע‪ :‬רונית‬

‫באופן כללי אנחנו מתייחסים לאור כאל קרינה אלקטרומגנטית (‪.)electromagnetic radiation‬‬ ‫קרינה אלקטרומגנטית נעה בגלים היוצאים ממקור כלשהו‪ .‬מקור הקרינה המוכר לנו ביותר‬ ‫‪ 2‬שאנו רואים מופרד‬ ‫הכימיה‪-‬יח'הלבן‬ ‫עולםשבה אור השמש‬ ‫הקשת בענן‪,‬‬ ‫מכירים את‬ ‫הוא‬ ‫מספר‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫בורלאהשמש‪ .‬אנחנו שם‬ ‫לכמה פסים אופייניים בעלי צבעים שונים‪ .‬באופן דומה‪ ,‬אור לבן העובר דרך מנסרת זכוכית‬ ‫משולשת מופרד לצבעים השונים המרכיבים אותו (איור ‪ .)2.6‬הצבעים השונים הללו הם אור‬ ‫סינוס‪ ,‬ואורך הגל הוא המרחק בין נקודות‬ ‫באורכי גל שונים‪ .‬האור מתקדם כאוסף של גלי‬ ‫עמ' ‪52‬‬ ‫זהות על גלים עוקבים‪:‬‬

‫איור ‪ 2.6‬הספקטרום של האור‬ ‫הנראה‪ .‬אור עובר דרך מנסרה‬ ‫משולשת ויוצר ספקטרום רציף‪.‬‬ ‫הצבע הוא תוצר של האופן שבו‬ ‫העין שלנו מפרשת את אורכי הגל‬ ‫השונים‪.‬‬

‫אורך גל‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪2‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫מספר העבודה‪116 :‬‬

‫איור ‪2-7‬‬

‫כיוון התקדמות הגל‬

‫ספקטרומטר‪ ,‬מכשיר שמשתמש‬ ‫במנסרה משולשת (או במתקן דומה)‬ ‫ובגלאי רגיש לאור‪ ,‬מסוגל למדוד‬ ‫אורכי גל ברמה גבוהה של דיוק‬ ‫ומהימנות‪.‬‬

‫כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית נעים במהירות של ‪ ,3.0 × 108 m/s‬היא מהירות האור‬ ‫(‪ )speed of light‬בוואקום‪ .‬עם זאת‪ ,‬כל אורך גל של אור‪ ,‬אף שהוא נע באותה המהירות‪,‬‬ ‫מתאפיין באנרגיה משלו‪ .‬אוסף של כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית‪ ,‬כולל כל אחד מאורכי‬ ‫הגל הללו‪ ,‬מכונה הספקטרום האלקטרומגנטי‪ .‬מטעמי נוחות‪ ,‬כשאנו דנים בסוג הקרינה‬ ‫הזה אנו מחלקים את הקרינה האלקטרומגנטית לאזורים ספקטרליים שונים‪ ,‬שמאופיינים‬ ‫בתכונות פיזיקליות של הקרינה‪ ,‬כגון אורך הגל או האנרגיה שלה (איור ‪ .)2.7‬כמה מהאזורים‬ ‫הללו מוכרים לנו היטב מניסיון היום־יום שלנו; האור הנראה וגלי מיקרו הם שתי דוגמאות‬ ‫שכיחות‪.‬‬ ‫אורך גל בננומטרים )‪(nm‬‬ ‫‪1010‬‬

‫‪1012‬‬

‫‪108‬‬

‫‪104‬‬

‫אנרגיה )‪(s–1‬‬ ‫‪750 nm‬‬

‫‪106‬‬

‫‪700‬‬

‫גלי מיקרו‬ ‫‪108‬‬

‫‪1010‬‬

‫‪104‬‬

‫תת־אדום‬ ‫‪1012‬‬

‫‪600‬‬

‫האור הנראה‬

‫גלי רדיו‬

‫‪106‬‬

‫‪102‬‬

‫‪1014‬‬

‫‪100‬‬

‫על־‬ ‫סגול‬ ‫‪1016‬‬

‫‪500‬‬

‫העבודה‪6 :‬‬

‫‪10–2‬‬

‫קרני רנטגן‬

‫קרני‬ ‫גמא‬

‫‪1018‬‬

‫‪1020‬‬

‫‪400‬‬

‫האזור הנראה‬ ‫איור ‪ 2.7‬הספקטרום האלקטרומגנטי‪ .‬שימו לב שהאור הנראה הוא חלק קטן מהספקטרום‬ ‫האלקטרומגנטי המלא‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫צוע‪ :‬רונית‬

‫ניסויים שערך מקס פלנק (‪ )Max Planck‬בתחילת המאה ה־‪ ,20‬ופירוש התוצאות על ידי‬ ‫אלברט איינשטיין (‪ ,)Albert Einstein‬הובילו להבנה שהאור מורכב מחלקיקים המכונים‬ ‫פוטונים‪ .‬מכאן נובע שלאור יש טבע דואלי‪ :‬יש לו תכונות של גל וגם של חלקיק‪ .‬האנרגיה‬ ‫של כל חלקיק עומדת ביחס הפוך לאורך הגל של האור‪ .‬ידיעת אורך הגל של האור מאפשרת‬ ‫לקבוע את האנרגיה של הפוטון‪ .‬הבנת מהות האור הייתה רבת חשיבות להבנת המבנה‬ ‫האלקטרוני של האטום‪.‬‬ ‫כאשר גז מימן מוכנס לשפופרת ריקה שדרכה מעבירים זרם חשמלי‪ ,‬נפלט אור‪ .‬לא‬ ‫כל אורכי הגל (או האנרגיות) של האור נפלטים – רק אורכי גל מסוימים‪ ,‬שאופייניים לגז‬ ‫המצוי בשפופרת‪ .‬תופעה זו נקראת ספקטרום פליטה (‪ ,emission spectrum‬איור ‪ .)2.8‬אם‬ ‫מספר‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪2‬‬ ‫משתמשים בגז אחר‪,‬שם‬ ‫בורלא‬ ‫המאופיין באורכי גל אחרים‪.‬‬ ‫עולםספקטרום אחר‬ ‫העבודה‪:‬מתקבל‬ ‫כדוגמת הליום‪,‬‬ ‫הסיבה להתנהגות זו הוסברה על ידי נילס בוהר (‪ ,)Niels Bohr‬אשר סיפק לנו את ההצצה‬ ‫הראשונה על המבנה האלקטרוני של האטום‪.‬‬ ‫איור ‪2-8‬‬

‫העבודה‪20116 :‬‬

‫גז‬ ‫אורך גל גדל‬ ‫מקור‬

‫סגול‬

‫סדק‬

‫מנסרה‬

‫כחול‪/‬סגול‬ ‫ירוק‬ ‫כתום‪/‬אדום‬

‫)‪(1‬‬

‫‪434.1 nm‬‬ ‫‪410.1 nm‬‬ ‫‪486.1 nm‬‬

‫‪656.3 nm‬‬ ‫‪750 nm‬‬

‫‪700‬‬

‫‪650‬‬

‫‪600‬‬

‫‪550‬‬

‫‪500‬‬

‫‪450‬‬

‫‪750 nm‬‬

‫‪700‬‬

‫‪650‬‬

‫‪600‬‬

‫‪550‬‬

‫‪500‬‬

‫‪450‬‬

‫‪750 nm‬‬

‫‪700‬‬

‫‪650‬‬

‫‪600‬‬

‫‪550‬‬

‫‪500‬‬

‫‪450‬‬

‫‪750 nm‬‬

‫‪700‬‬

‫‪650‬‬

‫‪600‬‬

‫‪550‬‬

‫‪500‬‬

‫‪450‬‬

‫ספקטרום‬ ‫פליטה‬ ‫של מימן‬

‫)‪(2‬‬

‫‪400‬‬

‫ספקטרום‬ ‫פליטה‬ ‫של הליום‬

‫)‪(3‬‬

‫‪400‬‬

‫ספקטרום‬ ‫פליטה‬ ‫של נתרן‬

‫)‪(4‬‬

‫‪400‬‬

‫הספקטרום‬ ‫הנראה‬

‫‪400‬‬

‫אורך גל גדל‬ ‫איור ‪ )1( 2.8‬פליטה של אורכי גל מסוימים האופייניים לאטומים המעוררים באמצעות זרם חשמלי‬ ‫של גז מסוים‪ )2( .‬ספקטרום קווי של מימן בהשוואה לספקטרום קווי של הליום‪ ,He ,‬ונתרן‪ 3) Na ,‬ו־‪,)4‬‬ ‫ולספקטרום של האור הנראה (‪.)5‬‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪53‬‬

‫)‪(5‬‬

‫‪  54‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫כימיה ירוקה‬ ‫קרינה אלקטרומגנטית והשפעתה על חיי היום־יום‬ ‫מהדיון הקודם באינטראקציה של הקרינה האלקטרומגנטית‬ ‫עם החומר – ספקטרוסקופיה – ייתכן שקיבלתם את הרושם‬ ‫שהתועלת שבקרינה זו מוגבלת למחקר התיאורטי של מבנה‬ ‫האטום‪ .‬אף שזהו יישום מועיל שאפשר לנו ללמוד רבות על‬ ‫המבנה והתכונות של החומר‪ ,‬בשום אופן אין זה היישום היחיד‪.‬‬ ‫יישומים מועילים ויומיומיים של התיאוריות של אנרגיית האור‬ ‫והעברתה נמצאים מכל עבר‪ .‬הבה נתבונן בכמה דוגמאות‪.‬‬ ‫שידור של תמונות וקול מבוצע בתדרי רדיו (‪ )RF‬או גלי‬ ‫רדיו‪ .‬אנחנו מוצפים מכל עבר בגלי רדיו מרגע לידתנו‪ .‬מכשירי‬ ‫רדיו‪ ,‬מכשירי טלוויזיה‪ ,‬טלפונים ניידים ומחשבים (באמצעות‬ ‫רשת אלחוטית‪ )Wi-Fi ,‬הם כולם "גלאים" של גלי רדיו‪ .‬הסברה‬ ‫הנפוצה היא שסוג זה של קרינה אלקטרומגנטית אינו גורם כל‬ ‫נזק פיזי‪ ,‬בשל האנרגיה הנמוכה שלו‪ .‬עם זאת‪ ,‬רשות התקשורת‬ ‫הפדרלית האמריקנית (‪ )FCC‬אימצה קווים מנחים לחשיפה‬ ‫לקרינת ‪ ,RF‬והיא מעניקה תו תקן לשימוש במכשירים ובמתקנים‬ ‫שמייצרים גלי רדיו על מנת להבטיח את בריאות הציבור‪.‬‬ ‫קרני רנטגן הן קרינה אלקטרומגנטית‪ ,‬והן נעות במהירות‬ ‫האור בדיוק כמו גלי רדיו‪ .‬אולם מפאת האנרגיה הגבוהה יותר‬ ‫שלהן הן מסוגלות לעבור דרך גוף האדם ולשקף את החלק‬ ‫הפנימי של הגוף כתמונה על סרט צילום‪ .‬צילומי רנטגן הם‬ ‫רבי חשיבות באבחון הרפואי‪ .‬עם זאת‪ ,‬יש צורך להיזהר‬ ‫בחשיפה לקרני רנטגן משום שהאנרגיה הגבוהה יכולה לעקור‬ ‫אלקטרונים ממולקולות בגוף‪ ,‬ולחולל שינויים קלים ולעתים‬ ‫מזיקים בתכונות הכימיות שלהן‪.‬‬ ‫אור השמש שחודר את האטמוספירה שלנו הוא הבסיס‬ ‫לטכנולוגיה רבת פוטנציאל לאספקת חום וחשמל‪ :‬אנרגיה‬ ‫סולרית‪ .‬האור נקלט על ידי קולטי שמש‪ ,‬אשר ממירים את‬ ‫אנרגיית האור לאנרגיית חום‪ .‬את החום הזה אפשר להעביר‬ ‫למים הזורמים מתחת לקולטים על מנת לחמם בתי מגורים‬ ‫ומבני תעשייה או לספק להם מים חמים‪ .‬שכבות דקות של‬ ‫חומר מבוסס סיליקון מסוגלות להמיר אנרגיית אור לאנרגיה‬

‫עוצמת קרינת ‪ IR‬ממוצק‬ ‫או מנוזל היא סממן של‬ ‫הטמפרטורה היחסית שלו‪.‬‬ ‫מצלמות ‪ IR‬מנצלות עובדה‬ ‫זו‪ ,‬ובכוחן לצלם תמונות גם‬ ‫בהיעדר אור נראה‪ ,‬שהכרחי‬ ‫במצלמות רגילות‪ .‬תמונה זו‬ ‫מציגה את קו החוף של העיר‬ ‫סן פרנסיסקו כפי שצולם‬ ‫במצלמת ‪.IR‬‬

‫חשמלית; רבים מאמינים‬ ‫שאם נצליח לשפר את‬ ‫יעילות התהליכים הללו‬ ‫גישות אלה יוכלו לספק‬ ‫פתרון חלקי‪ ,‬לכל הפחות‪,‬‬ ‫לבעיות הזיהום והעלייה‬ ‫במחירי האנרגיה הקשורות‬ ‫לכלכלת האנרגיה שלנו‪,‬‬ ‫תמונה של גידול שזוהה בסריקת ‪.CT‬‬ ‫המבוססת על דלקים‬ ‫מאובנים (נפט‪ ,‬פחם וגז טבעי)‪ .‬קרינת גלי מיקרו לבישול‪,‬‬ ‫מנורות תת־אדום (‪ )Infra-Red, IR‬לחימום ולצילום ‪,IR‬‬ ‫מנורות על־סגול (‪ )Ultra-Violet, UV‬שמשמשות להרוג‬ ‫מיקרואוגניזמים על משטחים‪ ,‬קרינת גמא מפסולת גרעינית‪,‬‬ ‫האור הנראה מהמנורה שבעזרתה אתם קוראים את הדפים‬ ‫הללו – כולם סוגים של אותה צורת אנרגיה‪ ,‬אשר לטוב ולרע‬ ‫מגלמת תפקיד גדול כל כך בחברה הטכנולוגית של המאה ה־‪.21‬‬ ‫לקרינה האלקטרומגנטית ולספקטרוסקופיה יש תפקיד‬ ‫חיוני גם בתחום האבחון הרפואי‪ .‬הן משמשות דרך שגרה‬ ‫ככלים אבחוניים וטיפוליים לצורך זיהוי מחלות וטיפול בהן‪.‬‬ ‫תרפיית הקרינה המשמשת לטיפול בסוגים רבים של סרטן‬ ‫סייעה להציל חיים רבים ולהאריך את חייהם של רבים אחרים‪.‬‬ ‫כשמשתמשים בקרינה לטיפול היא משמידה תאים סרטניים‪.‬‬ ‫נדון בנושא זה בהרחבה בפרק ‪.9‬‬ ‫ככלי אבחוני‪ ,‬יתרונה של הספקטרוסקופיה שהיא מספקת‬ ‫נתונים במהירות ובאמינות; נוסף לכך‪ ,‬היא מספקת לעתים‬ ‫מידע שאינו זמין בשום אמצעי אחר‪ .‬כמו כן‪ ,‬רבים מההליכים‬ ‫הספקטרוסקופיים אינם פולשניים ואינם מצריכים אשפוז‪.‬‬ ‫בהליכים אלה טמון סיכון נמוך‪ ,‬אפשר לבצע אותם בתדירות‬ ‫גבוהה יותר והם מקובלים יותר בציבור הרחב מאשר הליכים‬ ‫ניתוחיים‪ .‬החיסכון הכלכלי הנובע מביטול הצורך בחלק‬ ‫מההליכים הניתוחיים הוא בחזקת רווח נוסף‪.‬‬ ‫היישום הרפואי הנפוץ ביותר של ספקטרוסקופיה הוא סורק‬ ‫‪ ,CT‬ראשי תיבות של טומוגרפיה ממוחשבת (‪computerized‬‬ ‫‪ .)tomography‬בשיטה זו מכוונים קרני רנטגן אל הרקמה‬ ‫הרלוונטית‪ .‬כשהקרניים עוברות דרך הרקמה גלאים סביב הרקמה‬ ‫אוספים את האותות‪ ,‬משווים אותם לאלומת הרנטגן המקורית‪,‬‬ ‫ובאמצעות מחשב מפיקים תמונה תלת־ממדית של הרקמה‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ רונית אומרת שצילום רנטגן הוא מסוכן‪ ,‬אך סריקת ‪CT‬‬ ‫ ‬ ‫אינה מסוכנת‪ .‬האם רונית צודקת? הסבירו‪.‬‬ ‫@ מדוע עיצוב החיישנים (גלאים) של מצלמת ‪ IR‬שונה מזה‬ ‫ ‬ ‫של מצלמה רגילה?‬

‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫אטום בוהר‬ ‫נילס בוהר חקר את ספקטרום הפליטה של מימן (איור ‪2.8‬ב) ופיתח מודל שיסביר את‬ ‫ספקטרום קווי שנצפה באטום הזה‪ ,‬שלו אלקטרון אחד (מכאן ואילך הדיון מתייחס לאיור‬ ‫‪ .)2.9‬בוהר העלה את ההשערה שלפיה סביב כל גרעין אטום יש רמות אנרגיה (‪)energy levels‬‬ ‫קבועות שהאלקטרון יכול להימצא בהן‪ .‬למצב זה אנו קוראים קוואנטיזציה (‪)quantization‬‬ ‫של האנרגיה‪ ,‬כלומר האנרגיה יכולה לקבל ערכים מסוימים ואינה יכולה לקבל את ערכי‬ ‫הביניים‪ .‬הערכים הללו משולים למסלולי כוכבי הלכת סביב השמש‪ ,‬והם ממוספרים על פי‬ ‫המרחק היחסי שלהם מהגרעין (… ‪.)n = 1, 2, 3,‬‬ ‫אטום מצוי במצב היסוד (‪ )ground state‬כאשר האלקטרונים של האטום נמצאים ברמות‬ ‫האנרגיה הנמוכות ביותר האפשריות‪ .‬במצב היסוד של מימן האלקטרון נמצא ברמה ‪.n = 1‬‬ ‫האלקטרון יכול לקלוט אנרגיה ולעלות לרמת אנרגיה גבוהה יותר‪ ,‬רחוק יותר מהגרעין‪,‬‬ ‫מעורר (‪ .)n > 1 ,excited state‬במצב המעורר האלקטרון פולט אנרגיה באופן‬ ‫ָ‬ ‫ולהיות במצב‬ ‫ספונטני‪ ,‬בדמות פוטון של אור שהאנרגיה שלו שווה להפרש האנרגיות בין המצב המעורר‬ ‫לבין מצב היסוד‪ .‬תהליך זה נקרא דעיכה (‪ .)relaxation‬פוטון האור שנפלט נראה כקו ספציפי‬ ‫(קו ספקטרלי) בספקטרום הפליטה‪ .‬בוהר השתמש באורכי הגל של האור הנפלט מהאטום‬ ‫והצליח לחשב בעזרתם את האנרגיה של האלקטרון בכל אחת מרמות האנרגיה‪.‬‬ ‫עיקרי התיאוריה של בוהר הם כדלקמן‪:‬‬

‫ע‪ :‬רונית‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 6‬לתאר את ההנחות הבסיסיות של‬

‫תיאוריית בוהר‪ ,‬את יתרונותיה ואת‬ ‫מגבלותיה‪.‬‬

‫ספקטרום הקווים של כל יסוד מוכר‬ ‫הוא ייחודי‪ ,‬ולכן ספקטרוסקופיה‬ ‫היא כלי שימושי מאוד לזיהוי‬ ‫יסודות‪.‬‬

‫‪ ‬כאשר אטומים קולטים אנרגיה מהסביבה האלקטרונים שלהם מעוררים לרמות אנרגיה‬ ‫גבוהות יותר‪ ,‬רחוק יותר מהגרעין‪.‬‬ ‫‪ ‬אטומים משחררים אנרגיה באמצעות דעיכה של אלקטרונים לרמות אנרגיה נמוכות‬ ‫יותר‪.‬‬ ‫‪ ‬האנרגיה שנפלטת במסגרת דעיכה מרמה מסוימת לרמת היסוד נצפית כאורך גל יחיד‪,‬‬ ‫שםשווי אנרגיה‪.‬‬ ‫בורלאאוסף של פוטונים‬ ‫מספר העבודה‪:‬‬ ‫העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪2‬‬ ‫‪ ‬הקווים הספקטרליים הללו הם תוצאה של מעברי אלקטרונים בין הרמות המותרות‬ ‫באטום‪.‬‬ ‫‪2-9‬‬ ‫‪ ‬האלקטרונים נמצאים אך ורק ברמותאיור‬ ‫המותרות‪.‬‬ ‫האנרגיה‬ ‫‪ ‬הרמות המותרות הן רמות אנרגיה קוואנטיות‪ ,‬ומכונות מסלולים (‪.)orbits‬‬ ‫‪ ‬אפשר לחשב את הפרשי האנרגיה על סמך אורך הגל של האור הנפלט‪.‬‬

‫–‬ ‫פוטון‪λ ,‬‬

‫–‬

‫‪n=3‬‬

‫‪n=2‬‬

‫‪n=1‬‬

‫‪++‬‬ ‫‪+ +‬‬ ‫‪+ +‬‬

‫‪+‬‬

‫רמת‬ ‫אנרגיה‬ ‫‪1‬‬

‫רמת‬ ‫אנרגיה‬ ‫‪2‬‬

‫רמת‬ ‫אנרגיה‬ ‫‪3‬‬

‫איור ‪ 2.9‬האלקטרון (בצהוב) קולט אנרגיה כשהוא עובר למצב המעורר ‪ .n = 3‬לאחר מכן הוא דועך‬ ‫ושב למסלול ‪( n = 1‬מצב היסוד)‪ .‬מעבר זה של האלקטרון מביא לשחרור פוטון אחד של אור בעל אורך גל‬ ‫ספציפי‪ ,‬הקשור למעבר הרמות ‪.n = 3 → n = 1‬‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪55‬‬

‫‪20116‬‬

‫‪  56‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫הספקטרום האטומי וחגיגות יום העצמאות‬ ‫במועד כזה או אחר כולנו התפעלנו מתצוגת האורות והקולות חיונית ליצירת מופע זיקוקים מרהיב‪ .‬חשובה לא פחות היא‬ ‫של מופעי זיקוקים‪ .‬המראות והקולות הללו הם תוצר של תגובה אריזת החומרים הכימיים בכמויות הנכונות כך שיהיה אפשר‬ ‫כימית שמייצרת את האנרגיה הדרושה כדי לעורר מגוון של לאחסן אותם ולהשתמש בהם בבטחה‪.‬‬ ‫יסודות למצבי אנרגיה אלקטרוניים גבוהים יותר‪ .‬האור הנפלט‬ ‫הוא תוצאה של דעיכת האטומים המעוררים בחזרה למצב שאלות הרחבה‬ ‫ ‬ ‫היסוד‪ .‬כל אטום משחרר אור בעל אורך גל ספציפי‪ ,‬ואורכי הגל‬ ‫@ הסבירו מדוע נתרן מעורר פולט אור צהוב (היעזרו באיור‬ ‫בתחום הנראה נתפסים בעינינו כאור בשלל צבעים‪.‬‬ ‫‪.)2.8‬‬ ‫זיקוקים זקוקים לתגובה כימית על מנת לייצר אנרגיה‪ @ .‬כיצד הקטע ממחיש את ההמרה של אנרגיה פוטנציאלית‬ ‫אנחנו יודעים מניסיון היום־יום שתגובה בין חמצן ודלק‬ ‫לאנרגיה קינטית‪ ,‬ובחזרה?‬ ‫משחררת אנרגיה‪ .‬הדלק המשמש ברוב הזיקוקים הוא גפרית‬ ‫או אלומיניום‪ .‬יסודות אלה מגיבים לאט עם חמצן אטמוספרי;‬ ‫מקור עשיר יותר לחמצן הוא אשלגן על־כלורטי (‪ )KClO4‬במצב‬ ‫מוצק המצוי בזיקוקים‪ .‬חומר זה מתפרק בטמפרטורה גבוהה‬ ‫לכמה מרכיבים וביניהם גז חמצן‪ ,‬המשמש לתגובה מהירה עם‬ ‫הגפרית או האלומיניום (תגובת חמצון‪-‬חיזור‪ ,‬פרק ‪ .)8‬אנרגיית‬ ‫החום הנפלטת בתגובה מעוררת את היסודות השונים בזיקוקים‬ ‫ומייצרת הבזק לבן וחזק של אור‪.‬‬ ‫מלחי נתרן‪ ,‬כגון נתרן כלורי‪ ,‬מכילים יוני נתרן‪ ,‬וכשמעוררים‬ ‫אותם הם פולטים אור צהוב‪ .‬צבעים אדומים הם תוצר של‬ ‫מלחי סטרונציום‪ ,‬אשר פולטים כמה גוונים של אדום באורכי‬ ‫גל של ‪ 600-700 nm‬בתחום האור הנראה‪ .‬מלחי נחושת מייצרים‬ ‫קרינה בצבע כחול‪ ,‬משום שנחושת פולטת אור באורכי גל של‬ ‫‪.400-500 nm‬‬ ‫היופי של מופע הזיקוקים הוא תוצר ישיר של מיומנותו של‬ ‫היצרן‪ .‬בחירה נכונה של המחמצן‪ ,‬הדלק והיסודות פולטי האור מופע זיקוקים הוא דוגמה דרמטית לפליטת אור על ידי אטומים מעוררים‪.‬‬

‫התיאוריה האטומית המודרנית‬ ‫מודל בוהר תרם תרומה עצומה להבנת המבנה האטומי‪ .‬הרעיון שאלקטרונים מצויים במצבים‬ ‫אנרגטיים ספציפיים ושפליטת אנרגיה בדמות פוטון נחוצה על מנת שהאלקטרון יעבור‬ ‫ממצב אנרגיה גבוה לנמוך סיפק את הקשר בין המבנה האטומי והספקטרום האטומי‪ .‬אולם‬ ‫עד מהרה התחוורו כמה מגבלות של המודל‪ .‬אף שהוא הסביר את ספקטרום אטום המימן‪,‬‬ ‫הוא היה קירוב גס בלבד של הספקטרום של אטומים בעלי יותר מאלקטרון אחד‪ .‬פיתוחן של‬ ‫שיטות ניסוי מתוחכמות יותר הראה שיש בעיה במודל בוהר‪ ,‬אפילו במקרה של אטום המימן‪.‬‬ ‫אף שרעיון רמות האנרגיה הראשיות של בוהר עדיין תקף‪ ,‬הגבלת האלקטרונים למסלולים‬ ‫קבועים היא נוקשה מדי‪ .‬כל העדויות המצויות בידינו מראות שלמעשה‪ ,‬האלקטרונים אינם‬ ‫מקיפים את הגרעין‪ .‬כיום אנו מדברים על ההסתברות להימצאות אלקטרון במרחב הנתחם‬ ‫על ידי רמת האנרגיה הראשית‪ ,‬אשר נקרא אורביטל אטומי (‪ .)atomic orbital‬התנועה של‬ ‫האלקטרונים מהירה מאוד‪ ,‬כך שבפועל נוצר ענן של מטען‪ .‬הענן דחוס יותר באזורים מסוימים‪,‬‬ ‫והצפיפות האלקטרונית (‪ )electron density‬מתכונתית להסתברות למציאת האלקטרון בכל‬ ‫נקודה נתונה של מרחב וזמן‪ .‬כדי לראות בעיני רוחנו את הצפיפות האלקטרונית עלינו‬

‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪57‬‬

‫לדמיין ענן שבמרכזו נמצא גרעין האטום‪ .‬צפיפות הענן בכל נקודה במרחב בזמן נתון מייצגת‬ ‫את ההסתברות למצוא בה את האלקטרון‪ .‬קבוצות של אורביטלים אטומיים המשתייכים‬ ‫לאותן רמות אנרגיה ראשיות נקראות תת־רמות‪ .‬בפרק ‪ 3‬נראה שמודל האורביטלים של‬ ‫האטום יכול לשמש אותנו כדי לחזות כיצד אטומים נקשרים ויוצרים תרכובות‪ .‬יתרה מזאת‪,‬‬ ‫סידור האלקטרונים באורביטלים מאפשר לנו לחזות מגוון תכונות כימיות ופיזיקליות של‬ ‫התרכובות הללו‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 2.3‬מהי משמעות המונח צפיפות אלקטרונית?‬ ‫שאלה ‪ 2.4‬מהו ההבדל בין מסלולים ואורביטלים?‬ ‫תיאוריית המבנה האטומי התפתחה בתוך פרק זמן קצר יחסית‪ ,‬מרמה בסיסית מאוד לרמת‬ ‫התחכום הנוכחית שלה‪ .‬בטרם נמשיך יש להוסיף הערת אזהרה‪ :‬אל לנו לחשוב שהתיאור‬ ‫הנוכחי של האטום הוא סופי‪ .‬המחקר המדעי נמשך‪ ,‬ועלינו להתייחס אל התיאוריה הנוכחית‬ ‫כאל שלב בתהליך התפתחותי‪ .‬תיאוריות נתונות לשינויים בלתי פוסקים‪ ,‬כפי שציינו בדיון‬ ‫על השיטה המדעית‪.‬‬

‫‪2.4‬‬

‫החוק המחזורי והטבלה המחזורית‬

‫דמיטרי מנדלייב (‪ )Dmitri Mendeleev‬הרוסי ולותר מאייר (‪ )Lothar Meyer‬הגרמני מצאו‬ ‫ב־‪ 1869‬ובאופן בלתי תלוי דרכים לסדר יסודות בסדר עולה של המסה האטומית‪ ,‬כך שיסודות‬ ‫בעלי תכונות דומות קובצו יחדיו בטבלה של יסודות‪ .‬החוק המחזורי (‪ )periodic law‬מתבטא‬ ‫בקביעתו של מנדלייב‪" ,‬היסודות‪ ,‬כאשר הם מסודרים על פי המשקלים האטומיים שלהם‬ ‫(המסות)‪ ,‬מפגינים מחזוריות (שינויים סדירים) מובהקת בתכונותיהם"‪ .‬הטבלה המחזורית‬ ‫(איור ‪ )2.10‬היא ייצוג ויזואלי של החוק המחזורי‪.‬‬ ‫יש קשר הדוק בין התכונות הכימיות והפיזיקליות של היסודות ובין המבנה האלקטרוני‬ ‫של האטומים שמרכיבים אותם‪ ,‬והמבנה האלקטרוני קשור קשר הדוק עם המיקום של היסוד‬ ‫בטבלה המחזורית‪ .‬נבחן את הקשרים הללו בסעיף ‪ ;2.5‬עם זאת‪ ,‬המדענים אשר סידרו את‬ ‫היסודות בראשונה לא ידעו דבר על המבנה האלקטרוני של האטומים‪.‬‬ ‫היכרות מעמיקה עם סידור הטבלה המחזורית מאפשרת לנו לחזות את המבנה האלקטרוני‬ ‫של היסודות השונים‪ ,‬כמו גם את התכונות הפיזיקליות והכימיות שלהם‪ .‬זהו גם הבסיס‬ ‫להבנה של קשרים כימיים‪.‬‬ ‫נמחיש את המושג "מחזוריות" באמצעות בחינת חלק מהטבלה המחזורית המודרנית‪.‬‬ ‫היסודות בשורה השנייה (החל בליתיום‪ ,Li ,‬וימינה) מפגינים הבדלים מובהקים בתכונותיהם‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬תכונות הנתרן (‪ )Na‬דומות לאלה של ליתיום‪ ,‬ולפיכך הנתרן ממוקם מתחת לליתיום;‬ ‫ברגע שהנתרן נקבע במקום זה‪ ,‬היסודות ‪ Mg‬עד ‪ Ar‬מפגינים תכונות דומות להדהים (אם כי‬ ‫לא זהות) לאלה של היסודות שמעליהם‪ .‬אותו הדבר נכון בטבלה המחזורית כולה‪.‬‬ ‫מנדלייב סידר את היסודות בטבלה המחזורית המקורית שלו לפי סדר עולה של מסה‬ ‫אטומית‪ .‬עם זאת‪ ,‬כאשר הבנתנו את המבנה האטומי השתפרה הפכו המספרים האטומיים‬ ‫לבסיס המארגן של הטבלה‪ .‬באופן מדהים‪ ,‬הטבלה של מנדלייב חזתה את קיומם של יסודות‬ ‫שלא היו מוכרים באותה התקופה‪.‬‬ ‫החוק המחזורי המודרני קובע כי התכונות הפיזיקליות והכימיות של היסודות הן‬ ‫פונקציות מחזוריות של המספרים האטומיים שלהם‪ .‬אם נסדר את היסודות בסדר עולה‬ ‫לפי מספר הפרוטונים‪ ,‬תכונות היסודות יחזרו על עצמן במרווחים סדירים‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לזהות את החלוקות החשובות‬

‫של הטבלה המחזורית‪ :‬מחזור‬ ‫(שורה)‪ ,‬קבוצה (משפחה)‪ ,‬מתכות‬ ‫ואל־מתכות‪.‬‬

‫איור ‪2-10‬‬ ‫‪  58‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מתכות )מייצגות(‬ ‫מתכות )מעבר(‬ ‫מתכות )מעבר פנימיות(‬ ‫מטלואידים‬ ‫אל־מתכות‬

‫יסודות מייצגים‬ ‫‪VIIIA‬‬ ‫)‪(18‬‬

‫‪10‬‬ ‫‪Ne‬‬ ‫‪20.18‬‬

‫‪8‬‬ ‫‪9‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪F‬‬ ‫‪16.00 19.00‬‬

‫‪5‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪7‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪C‬‬ ‫‪N‬‬ ‫‪10.81 12.01 14.01‬‬

‫‪18‬‬ ‫‪Ar‬‬ ‫‪39.95‬‬

‫‪16‬‬ ‫‪17‬‬ ‫‪S‬‬ ‫‪Cl‬‬ ‫‪32.07 35.45‬‬

‫‪13‬‬ ‫‪14‬‬ ‫‪15‬‬ ‫‪Al‬‬ ‫‪Si‬‬ ‫‪P‬‬ ‫‪26.98 28.09 30.97‬‬

‫‪36‬‬ ‫‪Kr‬‬ ‫‪83.80‬‬

‫‪34‬‬ ‫‪35‬‬ ‫‪Se‬‬ ‫‪Br‬‬ ‫‪78.96 79.90‬‬

‫‪54‬‬ ‫‪Xe‬‬ ‫‪131.3‬‬

‫‪52‬‬ ‫‪53‬‬ ‫‪Te‬‬ ‫‪I‬‬ ‫‪127.6 126.9‬‬

‫‪IA‬‬ ‫)‪(1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪1.008‬‬

‫‪1‬‬

‫‪3‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪Li‬‬ ‫‪Be‬‬ ‫‪6.941 9.012‬‬

‫‪2‬‬

‫‪IIIB‬‬ ‫)‪(3‬‬

‫‪11‬‬ ‫‪12‬‬ ‫‪Na‬‬ ‫‪Mg‬‬ ‫‪22.99 24.31‬‬

‫‪3‬‬

‫‪19‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪K‬‬ ‫‪Ca‬‬ ‫‪39.10 40.08‬‬

‫‪4‬‬

‫‪37‬‬ ‫‪38‬‬ ‫‪Rb‬‬ ‫‪Sr‬‬ ‫‪85.47 87.62‬‬

‫‪5‬‬

‫‪57‬‬ ‫‪55‬‬ ‫‪56‬‬ ‫‪La‬‬ ‫‪Cs‬‬ ‫‪Ba‬‬ ‫‪132.9 137.3 138.9‬‬

‫‪6‬‬

‫‪87‬‬ ‫‪Fr‬‬ ‫)‪(223‬‬

‫‪7‬‬

‫‪IIA‬‬ ‫)‪(2‬‬

‫‪IIIA‬‬ ‫)‪(13‬‬

‫מתכות מעבר‬ ‫)‪(10‬‬

‫‪VIIIB‬‬ ‫)‪(9‬‬

‫‪31‬‬ ‫‪32‬‬ ‫‪33‬‬ ‫‪Ga‬‬ ‫‪Ge‬‬ ‫‪As‬‬ ‫‪69.72 72.61 74.92‬‬ ‫‪49‬‬ ‫‪51‬‬ ‫‪50‬‬ ‫‪In‬‬ ‫‪Sn‬‬ ‫‪Sb‬‬ ‫‪114.8 118.7 121.8‬‬

‫‪28‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪30‬‬ ‫‪Ni‬‬ ‫‪Cu‬‬ ‫‪Zn‬‬ ‫‪58.69 63.55 65.41‬‬

‫‪27‬‬ ‫‪Co‬‬ ‫‪58.93‬‬

‫‪23‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪26‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪Cr‬‬ ‫‪Mn‬‬ ‫‪Fe‬‬ ‫‪Sc‬‬ ‫‪Ti‬‬ ‫‪44.96 47.88 50.94 52.00 54.94 55.85‬‬

‫‪46‬‬ ‫‪48‬‬ ‫‪47‬‬ ‫‪Pd‬‬ ‫‪Ag‬‬ ‫‪Cd‬‬ ‫‪106.4 107.9 112.4‬‬

‫‪45‬‬ ‫‪Rh‬‬ ‫‪102.9‬‬

‫‪44‬‬ ‫‪Ru‬‬ ‫‪101.1‬‬

‫‪41‬‬ ‫‪42‬‬ ‫‪39‬‬ ‫‪40‬‬ ‫‪Nb‬‬ ‫‪Mo‬‬ ‫‪Y‬‬ ‫‪Zr‬‬ ‫‪88.91 91.22 92.91 95.94‬‬

‫‪86‬‬ ‫‪Rn‬‬ ‫)‪(222‬‬

‫‪85‬‬ ‫‪At‬‬ ‫)‪(210‬‬

‫‪84‬‬ ‫‪Po‬‬ ‫)‪(209‬‬

‫‪81‬‬ ‫‪82‬‬ ‫‪83‬‬ ‫‪Tl‬‬ ‫‪Pb‬‬ ‫‪Bi‬‬ ‫‪204.4 207.2 209.0‬‬

‫‪78‬‬ ‫‪79‬‬ ‫‪80‬‬ ‫‪Pt‬‬ ‫‪Au‬‬ ‫‪Hg‬‬ ‫‪195.1 197.0 200.6‬‬

‫‪77‬‬ ‫‪Ir‬‬ ‫‪192.2‬‬

‫‪73‬‬ ‫‪74‬‬ ‫‪75‬‬ ‫‪76‬‬ ‫‪72‬‬ ‫‪Ta‬‬ ‫‪W‬‬ ‫‪Re‬‬ ‫‪Os‬‬ ‫‪Hf‬‬ ‫‪178.5 180.9 183.9 186.2 190.2‬‬

‫‪118‬‬

‫‪117‬‬

‫‪116‬‬ ‫‪Lv‬‬ ‫)‪(292‬‬

‫‪114‬‬ ‫‪Fl‬‬ ‫)‪(289‬‬

‫‪110‬‬ ‫‪111‬‬ ‫‪Ds‬‬ ‫‪Rg‬‬ ‫)‪(281) (272‬‬

‫‪109‬‬ ‫‪Mt‬‬ ‫)‪(268‬‬

‫‪104‬‬ ‫‪105‬‬ ‫‪Rf‬‬ ‫‪Db‬‬ ‫)‪(263) (262‬‬

‫‪115‬‬

‫‪113‬‬

‫‪IIB‬‬ ‫)‪(12‬‬

‫‪112‬‬ ‫‪Cn‬‬ ‫)‪(285‬‬

‫‪IB‬‬ ‫)‪(11‬‬

‫)‪(8‬‬

‫‪108‬‬ ‫‪Hs‬‬ ‫)‪(277‬‬

‫‪VIIB‬‬ ‫)‪(7‬‬

‫‪43‬‬ ‫‪Tc‬‬ ‫)‪(98‬‬

‫‪107‬‬ ‫‪Bh‬‬ ‫)‪(267‬‬

‫‪VIB‬‬ ‫)‪(6‬‬

‫‪106‬‬ ‫‪Sg‬‬ ‫)‪(266‬‬

‫‪VB‬‬ ‫)‪(5‬‬

‫‪IVB‬‬ ‫)‪(4‬‬

‫‪89‬‬ ‫‪88‬‬ ‫‪Ac‬‬ ‫‪Ra‬‬ ‫)‪(226) (227‬‬

‫מחזור‬

‫‪2‬‬ ‫‪He‬‬ ‫‪4.003‬‬

‫‪VIIA‬‬ ‫)‪(17‬‬

‫‪VIA‬‬ ‫)‪(16‬‬

‫‪VA‬‬ ‫)‪(15‬‬

‫‪IVA‬‬ ‫)‪(14‬‬

‫יסודות מייצגים‬

‫מתכות מעבר פנימיות‬ ‫‪71‬‬ ‫‪Lu‬‬ ‫‪175.0‬‬

‫‪69‬‬ ‫‪70‬‬ ‫‪Tm‬‬ ‫‪Yb‬‬ ‫‪168.9 173.0‬‬

‫‪66‬‬ ‫‪67‬‬ ‫‪68‬‬ ‫‪Dy‬‬ ‫‪Ho‬‬ ‫‪Er‬‬ ‫‪162.5 164.9 167.3‬‬

‫‪103‬‬ ‫‪Lr‬‬ ‫)‪(260‬‬

‫‪101‬‬ ‫‪102‬‬ ‫‪Md‬‬ ‫‪No‬‬ ‫)‪(258) (259‬‬

‫‪98‬‬ ‫‪Cf‬‬ ‫)‪(251‬‬

‫איור ‪ 2.10‬סיווג היסודות‪:‬‬ ‫הטבלה המחזורית‪.‬‬

‫‪100‬‬ ‫‪Fm‬‬ ‫)‪(257‬‬

‫‪99‬‬ ‫‪Es‬‬ ‫)‪(252‬‬

‫‪64‬‬ ‫‪65‬‬ ‫‪62‬‬ ‫‪63‬‬ ‫‪Gd‬‬ ‫‪Tb‬‬ ‫‪Sm‬‬ ‫‪Eu‬‬ ‫‪150.4 152.0 157.3 158.9‬‬

‫‪59‬‬ ‫‪60‬‬ ‫‪61‬‬ ‫‪Pr‬‬ ‫‪Nd‬‬ ‫‪Pm‬‬ ‫)‪140.9 144.2 (145‬‬

‫‪94‬‬ ‫‪Pu‬‬ ‫)‪(242‬‬

‫‪91‬‬ ‫‪Pa‬‬ ‫)‪(231‬‬

‫‪97‬‬ ‫‪Bk‬‬ ‫)‪(247‬‬

‫‪96‬‬ ‫‪Cm‬‬ ‫)‪(247‬‬

‫‪95‬‬ ‫‪Am‬‬ ‫)‪(243‬‬

‫‪92‬‬ ‫‪93‬‬ ‫‪U‬‬ ‫‪Np‬‬ ‫)‪238.0 (237‬‬

‫‪58‬‬ ‫‪Ce‬‬ ‫‪140.1‬‬

‫לנתנידים‬

‫‪6‬‬

‫‪90‬‬ ‫‪Th‬‬ ‫‪232.0‬‬

‫אקטינידים‬

‫‪7‬‬

‫נשתמש בטבלה המחזורית בתור "מפה"‪ ,‬בדיוק כפי שמטייל ישתמש במפת דרכים‪ .‬הקדשת‬ ‫זמן קצר ללמידת הדרך הנכונה לקריאת המפה קלה יותר מאשר שינון כל כביש וצומת (חשוב‬ ‫לזכור לקחת אותה לנסיעה!)‪ .‬המידע שאנו לומדים על יסוד אחד קשור למשפחה שלמה של‬ ‫יסודות‪ ,‬המקובצים ביחידה מובהקת במסגרת הטבלה‪.‬‬ ‫לא כל היסודות חשובים באותה מידה במסגרת מבוא ללימודי הכימיה‪ .‬טבלה ‪ 2.2‬מונה‬ ‫עשרים מהיסודות החשובים ביותר במערכות ביולוגיות‪ ,‬לצד סימוליהם ותיאור קצר של‬ ‫תפקידם‪.‬‬

‫מספור הקבוצות בטבלה המחזורית‬ ‫הטבלה המחזורית המקורית של‬ ‫מנדלייב כללה רק את היסודות‬ ‫המוכרים באותה התקופה‪ ,‬פחות‬ ‫מחצי מאלה הידועים כיום‪.‬‬

‫הטבלה המחזורית שמנדלייב יצר עברה לא מעט שינויים במרוצת השנים‪ ,‬לאור הידע‬ ‫שהצטבר על התכונות הכימיות והפיזיקליות של היסודות‪.‬‬ ‫קבוצות (‪ )groups‬או משפחות הן טורים של יסודות בטבלה המחזורית‪ .‬היסודות בקבוצה‬ ‫או במשפחה מסוימת חולקים קווי דמיון רבים‪ ,‬כמו במשפחה אנושית‪ .‬קווי הדמיון מקיפים‬ ‫תכונות פיזיקליות וכימיות הקשורות לקווי דמיון במבנה האלקטרוני (כלומר לאופן שבו‬ ‫האלקטרונים מסודרים באטום)‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫הנוהג המקובל עד ‪ ,1983‬בצפון אמריקה וברוסיה‪ ,‬היה לתייג את הקבוצות בספרות רומיות‬ ‫ולאחריהן האות ‪ A‬או ‪ .B‬אולם בחלקים אחרים של העולם האותיות ‪ A‬ו־‪ B‬שימשו באופן‬ ‫אחר‪ ,‬ולכן שתי טבלאות מחזוריות שונות היו מצויות בשימוש נרחב‪ .‬מן הסתם‪ ,‬הדבר יצר‬ ‫בלבול מסוים‪.‬‬ ‫האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (‪ )IUPAC‬המליץ ב־‪ 1983‬על מערכת שלישית‪,‬‬ ‫שבה תויגו הקבוצות בספרות ‪ ,1-18‬במטרה להחליף את שתי השיטות הקודמות‪ .‬לרוע המזל‬ ‫כיום יש כמה שיטות‪ ,‬והדבר עלול לבלבל את הסטודנט כמו גם את הכימאי המנוסה‪.‬‬ ‫הטבלאות המחזוריות המובאות בספר זה משתמשות ב"תיוג כפול"‪ :‬אנו משתמשים‬ ‫במערכת הישנה (ספרות רומיות) והחדשה (‪ )1-18‬גם יחד לתייג את הקבוצות‪ .‬התיוג אינו‬ ‫אלא כלי עזר לקריאת הטבלה; מקור המידע האמיתי הוא מבנה הטבלה עצמה‪ .‬בסעיפים‬ ‫הבאים נראה לכם כיצד לחלץ מידע שימושי מהמבנה הזה‪.‬‬ ‫היסודות בקבוצה ‪ A‬נקראים יסודות מייצגים (‪ ,)representative elements‬והיסודות‬ ‫בקבוצה ‪ B‬יסודות מעבר (‪ .)transition elements‬גם לחלק מהמשפחות יש שמות מוכרים‪.‬‬ ‫לדוגמה‪ ,‬היסודות בקבוצה ‪( IA‬או ‪ )1‬מכונים מתכות אלקליות (‪ ;)alkali metals‬היסודות‬ ‫בקבוצה ‪( IIA‬או ‪ – )2‬מתכות אלקליות־עפרוריות (‪ ;)alkaline earth metals‬קבוצה ‪( VIIA‬או‬ ‫‪ – )17‬הלוגנים (‪ ;)halogens‬וקבוצה ‪( VIIIA‬או ‪ – )18‬גזים אצילים (‪.)noble gases‬‬

‫טבלה ‪2.2‬‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪59‬‬

‫למתכת נחושת יש שימושים רבים‪.‬‬ ‫האם תוכלו לנקוב בשימושים‬ ‫נוספים שלה?‬

‫יסודות מייצגים נקראים גם יסודות‬ ‫הקבוצות הראשיות‪ .‬מדובר בשמות‬ ‫נרדפים‪.‬‬

‫סיכום של היסודות החשובים ביותר במערכות ביולוגיות‬

‫יסודות חשובים במערכות ביולוגיות‬ ‫מרכיבים במולקולות ביולוגיות עיקריות‬ ‫אחראים למאזן נוזלים ולהולכה עצבית‬ ‫חיוניים לתפקוד העצמות ולתפקוד העצבים‬ ‫חיוניים לחילוף החומרים בבני אדם בכמויות קטנות מאוד (קורט)‬ ‫"מתכות כבדות"‪ ,‬רעילות למערכות חיות‬

‫סימול היסודות‬

‫‪H, C, O, N, P, S‬‬ ‫‪K, Na, Cl‬‬ ‫‪Ca, Mg‬‬

‫‪Zn, Sr, Fe, Cu, Co, Mn‬‬ ‫‪Cd, Hg, Pb‬‬

‫מחזורים‬ ‫מחזור (‪ )period‬הוא שורה אופקית של יסודות בטבלה המחזורית‪ .‬הטבלה המחזורית מורכבת‬ ‫משישה מחזורים‪ ,‬המכילים שניים‪ ,‬שמונה‪ ,‬שמונה‪ ,‬שמונה עשר‪ ,‬שמונה עשר ושלושים‬ ‫ושניים יסודות‪ .‬המחזור השביעי אינו שלם אבל יכול להכיל שלושים ושניים יסודות‪ .‬שימו‬ ‫לב לכך שסדרת הלנתנידים (‪ ,)lanthanide series‬קבוצה של ארבעה עשר יסודות הדומים‬ ‫מבחינה כימית ופיזיקלית ליסוד לנתן‪ ,‬היא חלק מהמחזור השישי‪ .‬הסדרה נכתבת בנפרד‬ ‫מטעמי נוחות ההצגה ומוכנסת בין לנתן (‪ ,)La‬שמספרו האטומי ‪ ,57‬והפניום (‪ ,)Hf‬שמספרו‬ ‫האטומי ‪ .72‬בדומה‪ ,‬סדרת האקטינידים (‪ ,)actinide series‬המורכבת מארבעה עשר יסודות‬ ‫הדומים ליסוד אקטיניום‪ ,‬מוכנסת בין אקטיניום (‪ ,)Ac‬שמספרו האטומי ‪ ,89‬ורתרפורדיום‬ ‫(‪ ,)Rf‬שמספרו האטומי ‪.104‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לזהות את החלוקות החשובות‬

‫של הטבלה המחזורית‪ :‬מחזור‬ ‫(שורה)‪ ,‬קבוצה (משפחה)‪ ,‬מתכות‬ ‫ואל־מתכות‪.‬‬

‫מתכות ואל־מתכות‬ ‫מתכת (‪ )metal‬היא חומר שהאטומים שלו נוטים לאבד אלקטרונים במהלך שינויים כימיים‪.‬‬ ‫אל־מתכת (‪ ,)non-metal‬לעומת זאת‪ ,‬היא חומר שהאטומים שלו עשויים לקבל אלקטרונים‪.‬‬ ‫בחינה קפדנית של הטבלה המחזורית מגלה קו מזוגזג מודגש העובר מלמעלה למטה‪,‬‬ ‫המתחיל משמאל לבור (‪ )B‬ומסתיים בין פולוניום (‪ )Po‬ואסטטין (‪ .)At‬קו זה הוא הגבול בין‬ ‫המתכות‪ ,‬משמאל‪ ,‬והאל־מתכות‪ ,‬מימין‪ .‬היסודות הגובלים בקו זה משני הצדדים מתאפיינים‬ ‫בתכונות ביניים בין המתכות והאל־מתכות‪ ,‬והם מכונים מטלואידים (‪ )metalloid‬או‬

‫שימו לב לכך שאלומיניום (אף שהוא‬ ‫גובל בקו המזוגזג) מסווג כמתכת‪,‬‬ ‫לא כמטלואיד‪.‬‬

‫‪  60‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נקודת מבט רפואית‬

‫מחסור בנחושת ומחלת וילסון‬ ‫ִאמרה עתיקה גורסת שעלינו לנהוג במתינות בכל הדברים‪.‬‬ ‫הדבר נכון בכל האמור ברבים ממינרלי הקורט‪ ,‬כגון נחושת‪.‬‬ ‫כמות גדולה מדי של נחושת בתזונה גורמת להרעלה‪ ,‬וכמות‬ ‫קטנה מדי של נחושת גורמת למחסור מסוכן‪.‬‬ ‫הנחושת חשובה מאוד לתפקוד התקין של הגוף‪ .‬היא‬ ‫מסייעת בספיגת ברזל מהמעיים ובמטבוליזם של ברזל‪ .‬היא‬ ‫חיונית ליצירת המוגלובין ותאי דם אדומים במח העצם‪.‬‬ ‫נחושת חיונית גם לסינתזה של החלבון קולגן‪ ,‬מרכיב מרכזי‬ ‫ברקמות החיבור‪ .‬היא חיונית למערכת העצבים המרכזית בשני‬ ‫אופנים‪ .‬ראשית‪ ,‬הנחושת נחוצה לשם סינתזה של נוראפינפרין‬ ‫(‪ )norepinephrine‬ודופמין (‪ ,)dopamine‬שני חומרים כימיים‬ ‫חיוניים להעברה של אותות עצביים‪ .‬שנית‪ ,‬היא נחוצה לשם‬ ‫יצירה של מעטפת המיאלין (‪ ,)myelin‬שכבת בידוד סביב‬ ‫תאי העצב‪ .‬שחרור של כולסטרול מהכבד תלוי בנחושת‪ ,‬כמו‬ ‫גם התפתחות העצמות והתפקוד התקין של מערכת החיסון‬ ‫ומערכת קרישת הדם‪.‬‬ ‫הצריכה היומית הבטוחה והמומלצת למבוגרים היא ‪1.5-3.0‬‬ ‫מיליגרם של נחושת‪ .‬בשר‪ ,‬קקאו‪ ,‬אגוזים‪ ,‬קטניות ודגנים מלאים‬ ‫הם מזונות עשירים בנחושת‪.‬‬ ‫אף שנדמה כי קל למדי להבטיח כמות מספקת של נחושת‬ ‫בדיאטה‪ ,‬ההערכות הן שאמריקנים רבים צורכים כמויות‬ ‫שוליות של נחושת‪ .‬כמו כן‪ ,‬רק ‪ 25-40%‬מהנחושת שבמזון‬ ‫נספגת בגוף‪ .‬חרף עובדות אלה‪ ,‬נראה שחוסר בנחושת אינו שאלות הרחבה‬ ‫בגדר בעיה חמורה בארצות הברית‪.‬‬ ‫@ מדוע יש גבול עליון לצריכה היומית המומלצת של נחושת?‬ ‫ ‬ ‫בקבוצת הסיכון ללקות במחסור בנחושת נמצאים אנשים @ ברזל הוא מתכת קורט חיונית נוספת בדיאטה שלנו‪ .‬בדקו‬ ‫שמתאוששים מניתוחי בטן‪ ,‬אשר גורמים לירידה ביכולת ספיגת‬ ‫ברשת אם יש גבול עליון לצריכה היומית המומלצת של‬ ‫הנחושת מהמעיים‪ .‬אוכלוסיות אחרות בסיכון הן פגים ואנשים‬ ‫ברזל‪.‬‬

‫שמוזנים אך ורק בעירויים שאינם מכילים מספיק נחושת‪ .‬כמו‬ ‫כן‪ ,‬אנשים שנוטלים מינונים גבוהים של נוגדי חומציות או‬ ‫כמויות מופרזות של תוספי אבץ‪ ,‬ברזל או ויטמין ‪ C‬עלולים‬ ‫לפתח מחסור בנחושת משום הפגיעה בספיגת הנחושת‪ .‬מכיוון‬ ‫שנחושת מעורבת בתהליכים רבים כל כך בגוף‪ ,‬אין זה מפתיע‬ ‫שהתסמינים של מחסור בנחושת רבים ומגוונים‪ :‬אנמיה; ירידה‬ ‫בספירת תאי הדם האדומים והלבנים; מחלות לב; רמות גבוהות‬ ‫של כולסטרול; אובדן מסת עצם; פגיעה במערכת העצבים‪,‬‬ ‫במערכת החיסון וברקמות חיבור; וצמיחת שיער בלתי נורמלית‪.‬‬ ‫בדיוק כפי שמחסור בנחושת גורם לבעיות חמורות‪ ,‬כך‬ ‫גם עודף של נחושת‪ .‬במינונים גדולים מ־‪ 15‬מיליגרם‪ ,‬נחושת‬ ‫גורמת לרעילות שמביאה להקאות‪ .‬דוגמה להשפעות של‬ ‫חשיפה ממושכת לכמויות עודפות של נחושת אפשר לראות‬ ‫במחלת וילסון‪ .‬זוהי מחלה תורשתית שבה הגוף אינו מסוגל‬ ‫לסלק את עודפי הנחושת והם מצטברים בקרנית העין‪ ,‬בכבד‪,‬‬ ‫בכליות ובמוח‪ .‬התסמינים כוללים הופעה של טבעת ירקרקה‬ ‫סביב הקרנית‪ ,‬נחושת בשתן‪ ,‬שחמת הכבד‪ ,‬שיטיון‪ ,‬פרנויה‪,‬‬ ‫ריור ורעידות לא רצוניות‪ .‬המחלה מובילה לרוב למוות בתחילת‬ ‫גיל ההתבגרות‪ .‬אפשר לטפל במחלת וילסון באמצעות תרופות‬ ‫ודיאטה מיוחדת במידת הצלחה מתונה אם מזהים אותה בשלב‬ ‫מוקדם‪ ,‬לפני שנגרם נזק תמידי לרקמות‪.‬‬

‫מתכות למחצה‪ .‬עם המטלואידים נמנים בור (‪ ,)B‬צורן (סיליקון‪ ,)Si ,‬גרמניום (‪ ,)Ge‬ארסן‬ ‫(‪ ,)As‬אנטימון (‪ )Sb‬וטלוריום (‪.)Te‬‬ ‫אפשר להבדיל בין מתכות ואל־מתכות גם על סמך הבדלים בתכונות הפיזיקליות‪ ,‬נוסף‬ ‫לנטייתם הכימית לאבד או לקבל אלקטרונים‪ .‬מתכות מתאפיינות בברק‪ ,‬ולרוב הן מוליכות‬ ‫חום וחשמל היטב‪ .‬רובן (למעט כספית) מוצקות בטמפרטורת החדר‪ .‬אל־מתכות‪ ,‬לעומת‬ ‫זאת‪ ,‬אינן מוליכות חשמל היטב‪ ,‬וחלקן הן גזים בטמפרטורת החדר‪.‬‬ ‫‪ 2‬באמצעות הטבלה המחזורית כתבו את הסימול של היסודות שלהלן‪ ,‬וסווגו‬ ‫שאלה ‪ .5‬‬ ‫אותם כמתכת‪ ,‬כמטלואיד או כאל־מתכת‪:‬‬ ‫א‪ .‬נתרן ב‪ .‬רדיום ג‪ .‬מנגן ד‪ .‬מגנזיום‬ ‫‪ 2‬באמצעות הטבלה המחזורית כתבו את הסימול של היסודות שלהלן‪ ,‬וסווגו‬ ‫שאלה ‪ .6‬‬ ‫אותם כמתכת‪ ,‬כמטלואיד או כאל־מתכת‪:‬‬ ‫א‪ .‬גפרית ב‪ .‬חמצן ג‪ .‬זרחן ד‪ .‬חנקן‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪2‬‬

‫רונית בורלא‬

‫עמוד ‪60‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬ ‫  פ ר ק ‪ 2‬מ ב נ ה ה א ט ו ם ו ה ט ב ל ה‬

‫המידע הכלול בטבלה המחזורית‬ ‫המספר האטומי והמסה האטומית הממוצעת של כל יסוד מופיעים בטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫לדוגמה‪,‬‬ ‫מספר אטומי‬ ‫סימול‬ ‫שם‬ ‫מסה אטומית‬

‫‪20‬‬ ‫‪Ca‬‬

‫‪Calcium‬‬

‫‪40.08‬‬

‫ה מ ח ז ו ר י ת   ‪61‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬להשתמש בטבלה המחזורית על‬

‫מנת להשיג מידע על יסוד‪.‬‬

‫להסבר על המספר האטומי והמסה‬ ‫האטומית ראו סעיף ‪.2.1‬‬

‫טבלאות מחזוריות מפורטות יותר עשויות להכיל גם מידע כגון היערכות אלקטרונים‪ ,‬גדלים‬ ‫יחסיים של אטומים ויונים ומטעני היונים הסבירים ביותר‪.‬‬ ‫‪ 2‬עיינו בטבלה המחזורית (איור ‪ )2.10‬ומצאו את המידע שלהלן‪:‬‬ ‫שאלה ‪ .7‬‬ ‫א‪ .‬סימול היסוד בעל מספר אטומי ‪40‬‬ ‫ב‪ .‬המסה האטומית של היסוד נתרן (‪)Na‬‬ ‫ג‪ .‬היסוד שהאטומים שלו מכילים ‪ 24‬פרוטונים‬ ‫ד‪ .‬היסוד המוכר שאמור להיות דומה ביותר ליסוד בעל המספר האטומי ‪ ,117‬שטרם נתגלה‬ ‫‪ 2‬עיינו בטבלה המחזורית (איור ‪ )2.10‬ומצאו את המידע שלהלן‪:‬‬ ‫שאלה ‪ .8‬‬ ‫א‪ .‬הסימול של הגז האציל במחזור ‪3‬‬ ‫ב‪ .‬היסוד בקבוצה ‪ IVA‬בעל המסה הקטנה ביותר‬ ‫ג‪ .‬המטלואיד היחיד בקבוצה ‪IIIA‬‬ ‫ד‪ .‬היסוד שהאטומים שלו מכילים ‪ 18‬פרוטונים‬ ‫‪ 2‬כתבו את שם היסוד‪ ,‬המספר האטומי והמסה האטומית עבור סימולי היסודות‬ ‫שאלה ‪ .9‬‬ ‫שלהלן‪ :‬א‪ He .‬ב‪ F .‬ג‪Mn .‬‬ ‫‪ 2‬כתבו את שם היסוד‪ ,‬המספר האטומי והמסה האטומית עבור סימולי‬ ‫שאלה ‪ .10‬‬ ‫היסודות שלהלן‪ :‬א‪ Mg .‬ב‪ Ne .‬ג‪Se .‬‬

‫‪2.5‬‬

‫סידור האלקטרונים והטבלה המחזורית‬

‫מטרה מרכזית של המחקר הכימי היא להבין את האופן שבו אטומים מתחברים ויוצרים‬ ‫תרכובות כימיות‪ .‬תהליך יצירת הקשרים (‪ )bonding process‬הוא תוצר ישיר של סידור‬ ‫האלקטרונים באטומים המשתתפים בקשר הכימי‪ .‬היערכות האלקטרונים (‪electron‬‬ ‫‪ )configuration‬מתארת את סידור האלקטרונים באטומים‪ .‬ארגון הטבלה המחזורית‪,‬‬ ‫שפותחה במקור על סמך מדידות קפדניות של תכונות היסודות‪ ,‬תואם היטב גם לקווי הדמיון‬ ‫בהיערכות האלקטרונים‪ .‬הדבר חושף עובדה חשובה מאוד‪ :‬התכונות של קבוצות האטומים‬ ‫הן תוצר ישיר של סידור האלקטרונים‪.‬‬

‫האטום על פי מכניקת הקוואנטים‬ ‫כפי שציינו בסעיף ‪ ,2.3‬הצלחת התיאוריה של בוהר הייתה קצרת מועד‪ .‬ספקטרום הפליטה‬ ‫של אטומים בעלי אלקטרונים מרובים (כזכור‪ ,‬לאטום המימן אלקטרון אחד בלבד) לא עלה‬ ‫בקנה אחד עם התיאוריה של בוהר‪ .‬העדויות לכך שלאלקטרונים תכונות גליות היו בעיה‪.‬‬ ‫בוהר קבע שלאלקטרונים באטומים יש מיקום מדויק מאוד‪ ,‬שכיום מכונה רמות אנרגיה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לתאר את הקשר בין המבנה‬

‫האלקטרוני של יסוד ומקומו בטבלה‬ ‫המחזורית‪.‬‬

‫‪  62‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫ראשיות (‪ .)principal energy level‬עצם טבעם של גלים‪ ,‬שמתפשטים במרחב‪ ,‬סותר מודל‬ ‫מדויק כל כך של מיקום האלקטרונים באטום‪ .‬יתרה מזאת‪ ,‬המודל של בוהר סותר את‬ ‫התיאוריה ואת הניסויים שנערכו לאחר פרסומו‪.‬‬ ‫הרעיון היסודי של התיאוריה של בוהר‪ ,‬שלפיו האנרגיה של האלקטרון באטום היא‬ ‫קוואנטית‪ ,‬שוכלל והורחב על ידי הפיזיקאי האוסטרי ארווין שרדינגר (‪.)Erwin Shrödinger‬‬ ‫הוא תיאר אלקטרונים באטומים במונחי הסתברות‪ ,‬ופיתח משוואות שהדגישו את האופי‬ ‫הגלי של האלקטרונים‪ .‬הגישה של שרדינגר התבססה על מתמטיקה מורכבת‪ ,‬אך ביכולתנו‬ ‫להשתמש במודלים של אזורי הסתברות להימצאות אלקטרונים על מנת לדון בסידור‬ ‫האלקטרונים באטום מבלי להזדקק להבנה של המתמטיקה שהובילה לתיאוריה‪.‬‬ ‫התיאוריה של שרדינגר‪ ,‬שמכונה לרוב מכניקת הקוואנטים‪ ,‬עוסקת ברמות האנרגיה‬ ‫הראשיות של בוהר (… ‪ ;)n = 1, 2, 3,‬עם זאת‪ ,‬היא גורסת שהרמות הללו מורכבות מתת־‬ ‫רמות‪ .‬כל תת־רמה מכילה לפחות אורביטל אטומי אחד‪ ,‬ולעתים יותר‪ .‬בסעיף הבא נבחן‬ ‫בפרוטרוט את המושגים הללו ונלמד כיצד לחזות את האופן שבו אלקטרונים מסודרים‬ ‫באטומים יציבים‪.‬‬

‫רמות אנרגיה ראשיות‪ ,‬תת־רמות ואורביטלים‬ ‫רמות אנרגיה ראשיות‬

‫בוהר הגיע למסקנה שהאלקטרונים באטומים אינם משוטטים באופן חופשי במרחב; הם‬ ‫מוגבלים לאזורים מסוימים במרחב שמחוץ לגרעין האטום‪ .‬רמות אנרגיה ראשיות (שמקבילות‬ ‫למסלולים של בוהר) הן אזורים שבהם עשויים להימצא אלקטרונים‪ ,‬והן מסומנות בערכים‬ ‫שלמים‪ ,n = 1, 2, 3 :‬וכן הלאה‪ .‬רמת האנרגיה הראשית קשורה למרחק הממוצע מהגרעין‪.‬‬ ‫רמה ‪ n = 1‬היא הקרובה ביותר לגרעין; ככל ש־‪ n‬גדול יותר‪ ,‬כך גדול המרחק הממוצע של‬ ‫אלקטרון באותה הרמה מהגרעין‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫המספר המרבי של אלקטרונים שיכולים להימצא ברמת אנרגיה ראשית שווה ל־ ‪.2n‬‬ ‫לדוגמה‪:‬‬ ‫ ‪2 × 12‬‬ ‫מספר מרבי‪ 2 :‬אלקטרונים )‪(2e−‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ ‪2×2‬‬ ‫מספר מרבי‪ 8 :‬אלקטרונים )‪(8e−‬‬ ‫מספר מרבי‪ 18 :‬אלקטרונים )‪2 × 32 (18e−‬‬

‫ ‬ ‫ ‪n = 1‬‬ ‫ ‪ n = 2‬‬ ‫ ‪ n = 3‬‬

‫תת־רמות‬

‫תת־רמה (‪ )sublevel‬היא אוסף של אורביטלים שווי־אנרגיה בתוך רמת אנרגיה ראשית‪.‬‬ ‫תת־הרמות מסומלות באותיות ‪ f ,d ,p ,s‬וכן הלאה; האנרגיה של תת־הרמות גדלה באופן זה‪:‬‬ ‫‪s מימן פלואורי > אמוניה > מתאן‬ ‫ולא‬ ‫מימן פלואורי > מים > אמוניה > מתאן‬

‫‪O‬‬

‫‪H‬‬

‫מדוע? על מנת לענות על השאלה שומה עלינו לבחון את מספר אתרי הקשירה‬ ‫האפשריים בכל מולקולה‪ .‬למולקולת מים שני אתרי קשירה חיוביים חלקיים‬

‫‪H‬‬ ‫(הממוקמים בכל אטום מימן) ושני אתרים שליליים חלקיים (שני זוגות‬ ‫אלקטרונים לא־קושרים באטום החמצן); קשרי מימן יכולים להיווצר בכל‬ ‫מולקולת מים‬ ‫אתר‪ .‬התוצאה היא רשת מורכבת של כוחות משיכה בין מולקולות המים במצב‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫הנוזלי‪ .‬נקודת הרתיחה הגבוהה של מים נובעת מחוזקם של כוחות אלה‪ .‬רשת‬ ‫איור ‪ 5.7‬קשרי מימן במים‪ .‬מולקולת המים‬ ‫המרכזית קשורה בקשרי מימן לארבע מולקולות‬ ‫זו מתוארת באיור ‪.5.7‬‬ ‫מים אחרות‪ .‬כוח המשיכה בין אטום המימן‬ ‫אמוניה ומימן פלואורי יכולים ליצור רק קשר מימן אחד בכל מולקולה‪.‬‬ ‫מים‬ ‫הטעון במטען חיובי חלקי (‪ )δ+‬במולקולת‬ ‫במולקולות אמוניה יש שלושה אתרים חיוביים חלקיים (שלושה אטומי מימן‬ ‫אחת לבין אטום החמצן הטעון במטען שלילי‬ ‫הקשורים לחנקן) אך רק אתר שלילי חלקי יחיד (זוג אלקטרונים לא־קושרים);‬ ‫חלקי (‪ )δ−‬במולקולת מים אחרת הוא שיוצר את‬ ‫זוג האלקטרונים הלא־קושרים היחיד הוא הגורם המגביל‪ .‬יש צורך באתר חיובי‬ ‫קשרי המימן‪.‬‬ ‫אחד ובאתר שלילי אחד לכל קשר מימן‪ .‬במולקולת מימן פלואורי יש אתר‬ ‫חיובי חלקי אחד ושלושה אתרים שליליים חלקיים (שלושה זוגות אלקטרונים‬ ‫לא־קושרים); האתר החיובי היחיד הוא הגורם המגביל‪ .‬משום כך מימן פלואורי‪,‬‬ ‫כמו אמוניה‪ ,‬יכול ליצור רק קשר מימן אחד בכל מולקולה‪ .‬רשת כוחות המשיכה באמוניה‬ ‫ובמימן הפלואורי‪ ,‬לפיכך‪ ,‬מסועפת הרבה פחות מזו שבמים‪ ,‬ונקודות הרתיחה שלהם נמוכות‬ ‫קשרי מימן בין־מולקולריים בין‬ ‫בהרבה מזו של מים‪.‬‬ ‫לשמור‬ ‫אזורים קוטביים מסייעים‬ ‫לקשרי מימן השפעה חשובה ביותר על ההתנהגות של מערכות ביולוגיות רבות‪ .‬במולקולות‬ ‫על הקיפול המרחבי של חלבונים‪,‬‬ ‫כגון חלבונים ו־‪ DNA‬קיימים קשרי מימן רבים המאפשרים שמירה על המבנה שלהן‪ ,‬ובכך גם‬ ‫ובכך על המבנה התלת־ממדי התקין‬ ‫על תפקודן‪ DNA .‬הוא מולקולת ענק‪ ,‬ולו רשתות שלובות של אטומים המוחזקים במקומם‬ ‫שלהם‪.‬‬ ‫על ידי אלפי קשרי מימן‪.‬‬

‫רונית בור‬

‫  פ ר ק ‪ 5‬מ צ ב י ה ח ו מ ר ‪ :‬ג ז י ם ‪ ,‬נ ו ז ל י ם‬

‫ו מ ו צ ק י ם   ‪195‬‬

‫כימיה בזירת הפשע‬ ‫חומרי נפץ בנמל התעופה‬ ‫כלבים ידועים בחוש הריח החד שלהם‪ ,‬ולכמה זני כלבים‬ ‫חוש ריח מפותח משל אחרים‪ .‬אפשר לאמן כלבים לאותת על‬ ‫נוכחות ריחות שונים באמצעות נביחה או הפגנה של התרגשות‬ ‫בלתי רגילה‪ .‬מטפל מוסמך מסוגל לזהות את הסימנים הללו‬ ‫ולהתריע בפני הרשויות המתאימות‪.‬‬ ‫מכשור מדעי מתוכנן לחקות את התרחיש המתואר כאן‪.‬‬ ‫מכשיר בשם ספקטרומטר מסות רגיש דיו לזהות ריכוזים‬ ‫נמוכים מאוד של מולקולות באוויר‪ .‬הוא מסוגל גם לזהות‬ ‫מולקולות "מטרה" מסוימות‪ ,‬משום שלכל תרכובת יש מסה‬ ‫מולרית ייחודית ומבנה שונה‪ .‬זיהוי של אותן מולקולות מטרה‬ ‫מחולל אות חשמלי‪ ,‬ואזעקה מופעלת‪.‬‬ ‫קל לאתר תרכובות שלחץ האדים שלהן גבוה‪ .‬אחד‬ ‫התחומים הפעילים במחקר הזיהוי הפלילי עוסק בפיתוח דור‬ ‫חדש של מכשירים שיהיו רגישים ובררניים עוד יותר מאלה‬ ‫הזמינים כיום‪ .‬ירידה בעלויות ושיפור בניידות ובאמינות‬ ‫יאפשרו לאתרים רבים שכרגע אין בהם פיקוח ליהנות מרמת‬ ‫הגנה דומה לזו של נמלי תעופה‪.‬‬

‫ת בורלא‬

‫התמונות מרצדות על מרקע הטלוויזיה‪ :‬כלב לזיהוי פצצות‬ ‫מובל בנמל תעופה או בתחנת רכבת‪ ,‬נעצר לרחרח מזוודות או‬ ‫נוסעים‪ ,‬מחפש חפצים חשודים‪ .‬או אולי המרקע מציג שורה‬ ‫ארוכה של אנשים הממתינים לעבור במתקן סריקה המוקף‬ ‫במה שנראה כמו ציוד אלקטרוני בשווי מאות אלפי דולרים‪.‬‬ ‫ברמה מסוימת‪ ,‬אין ספק שאנחנו מבינים מה קורה‪ .‬הצעדים‬ ‫האלה ננקטים על מנת להגדיל את הסבירות לכך שהנסיעה‬ ‫שלנו‪ ,‬וזו של כל אדם אחר‪ ,‬תהיה בטוחה ונטולת דאגות ככל‬ ‫האפשר‪ .‬מנקודת מבט מדעית‪ ,‬אולי נתהה כיצד הצעדים האלה‬ ‫מסייעים בזיהוי חומרי נפץ‪ .‬מה משותף לכלב ולכמה מכשירים‬ ‫אלקטרוניים? איך יכול כלב לרחרח מוצק או נוזל? הרי כולם‬ ‫יודעים שהאף מסוגל להריח רק גזים‪ ,‬ומכשירי חבלה הם‬ ‫מוצקים או נוזלים‪ ,‬או שילוב של השניים‪.‬‬ ‫אחד מאופני הפעולה האפשריים מבוסס על מושג לחץ‬ ‫האדים‪ ,‬אשר זה עתה למדנו‪ .‬כעת אנו יודעים שלנוזלים‪ ,‬כגון‬ ‫מים‪ ,‬יש לחץ אדים מדיד בטמפרטורת החדר‪ .‬למעשה‪ ,‬לרוב‬ ‫הנוזלים ולרבים מהמוצקים יש לחץ אדים גבוה דיו כדי לזהות‬ ‫מולקולות שלהם בפאזת הגז‪ .‬האתגר הוא להכין התקנים‬ ‫רגישים ובררניים מספיק‪ ,‬כך שיוכלו לאתר ריכוזים נמוכים‬ ‫של מולקולות אופייניות לחומרי נפץ מבלי שאלפי התרכובות‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫האחרות הקיימות באוויר דרך שגרה יבלבלו אותם‪.‬‬ ‫לכל התקן חבלה יש "חתימה" משלו‪ ,‬שילוב ייחודי של @ איזה חומר יהיה קל יותר לזהות לדעתכם‪ :‬בעל מולקולות‬ ‫חומרים כימיים המשמשים להכנתו‪ .‬אם לאחת מהתרכובות‬ ‫קוטביות או לא־קוטביות? מדוע? הניחו שמסת החומרים‬ ‫הללו‪ ,‬או לכמה מהן‪ ,‬יש לחץ אדים מדיד‪ ,‬מתקן מדידה רגיש‬ ‫זהה‪.‬‬ ‫‪20116‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫מספר‬ ‫העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪5‬‬ ‫שםאותה‪.‬‬ ‫יוכל לזהות‬ ‫@ מדוע מכשיר לאיתור חומרי נפץ חייב להיות בררן מאוד?‬

‫עמוד ‪185‬‬

‫שאלה ‪ 5.9‬סדרו את התרכובות הבאות לפי סדר עולה של נקודות רתיחה‪:‬‬ ‫‪CH3Cl CH3OH CO2‬‬

‫הסבירו את ההיגיון שהנחה אתכם‪.‬‬ ‫‪ 5‬הסבירו את ההבדל הגדול בנקודות הרתיחה של האיזומרים בוטאנול‬ ‫שאלה ‪ .10‬‬ ‫ודו־אתיל אתר‪.‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪O‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫דו־אתיל אתר‬

‫‪b.p. = 34.5˚C‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪O‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫בוטאנול‬

‫‪b.p. = 117˚C‬‬

‫‪H‬‬

‫‪  196‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪5.3‬‬

‫המצב המוצק‬

‫הקרבה הגדולה בין חלקיקי המוצק נובעת מהעובדה שכוחות המשיכה חזקים מספיק כדי‬ ‫להגביל את תנועתם‪ .‬הסיבה לכך היא שהאנרגיה הקינטית של החלקיקים אינה גדולה דייה כדי‬ ‫להתגבר על כוחות המשיכה בין החלקיקים‪ .‬החלקיקים "לכודים" יחד באופן מוגדר ומאורגן‪.‬‬ ‫התוצאה היא צורה ונפח קבועים‪ ,‬אף שבקנה המידה האטומי אפשר להבחין בתנועת תנודה‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לקשור בין תכונות של סוגי‬

‫המוצקים השונים (יוני‪ ,‬אטומרי‪,‬‬ ‫מולקולרי ומתכתי) למבנה המוצקים‬ ‫הללו‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫תכונות המוצקים‬ ‫מוצקים הם כמעט בלתי דחיסים עקב המרחק הקטן בין החלקיקים‪ .‬רובם הופכים לנוזלים‬ ‫בטמפרטורה גבוהה‪ ,‬כאשר אנרגיית החום גורמת לשבירה של כוחות המשיכה בתוך המוצק‪.‬‬ ‫‪ .)melting‬נקודת‬ ‫עולם הנוזל נקראת‬ ‫עובר לפאזת‬ ‫שבה מוצק‬ ‫הטמפרטורה‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫נקודת‪5‬ההתכה (‪point‬מספר‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫ההתכה תלויה בעוצמת כוחות המשיכה במוצק‪ ,‬ומכאן במבנה שלו‪.‬‬ ‫שני סוגים עיקריים של מוצקים הם מוצקים גבישיים (‪ ,)crystalline solid‬שלהם מבנה‬ ‫איור‪5-8solid‬‬ ‫‪ ,)amorphous‬שאין להם מבנה סדור‪ .‬יהלום ונתרן‬ ‫סדור ומחזורי‪ ,‬ומוצקים אמורפיים (‬ ‫כלורי (איור ‪ )5.8‬הם דוגמאות למוצקים גבישיים; זכוכית‪ ,‬פלסטיק ובטון הם דוגמאות‬ ‫למוצקים אמורפיים‪.‬‬

‫‪Na+‬‬

‫‪C‬‬

‫)‪ (2‬המבנה הגבישי של יהלום‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫‪+‬‬

‫)‪ (4‬המבנה הגבישי של מוצק מתכתי‪.‬‬ ‫האזור האפור מייצג אלקטרונים ניידים‬ ‫מסביב לקטיונים מתכתיים מאותרים‪.‬‬

‫איור ‪5.8‬‬

‫מוצקים גבישיים‪.‬‬

‫–‪Cl‬‬

‫)‪ (1‬המבנה הגבישי של נתרן כלורי‬

‫‪H‬‬ ‫‪C H‬‬ ‫‪H H‬‬

‫)‪ (3‬המבנה הגבישי של מתאן קפוא‪ ,‬מוצק מולקולרי‪.‬‬ ‫רק אחת ממולקולות המתאן מוצגת בפרוטרוט‪.‬‬

‫‪20116‬‬

‫  פ ר ק ‪ 5‬מ צ ב י ה ח ו מ ר ‪ :‬ג ז י ם ‪ ,‬נ ו ז ל י ם‬

‫ו מ ו צ ק י ם   ‪197‬‬

‫סוגים של מוצקים גבישיים‬

‫‪2011‬‬

‫רונית בורלא‬

‫מוצקים גבישיים מתחלקים לארבע קבוצות כלליות‪:‬‬ ‫‪ .1‬מוצקים יוניים‪ .‬היחידות שמרכיבות מוצק יוני (‪ )ionic solid‬הן יונים חיוביים ושליליים‪.‬‬ ‫כוחות חשמליים שומרים על מבנה הגביש‪ .‬מוצקים יוניים מתאפיינים לרוב בנקודות‬ ‫התכה גבוהות‪ ,‬והם קשים ופריכים‪ .‬דוגמה שכיחה למוצק יוני היא נתרן כלורי‪.‬‬ ‫‪ .2‬מוצקים אטומריים‪ .‬היחידות שמרכיבות מוצק אטומרי (‪ )network solid‬הן אטומים‬ ‫הקשורים בקשרים קוולנטיים‪ .‬למוצקים אטומריים נקודות התכה גבוהות מאוד (אלפי‬ ‫מעלות צלזיוס) והם קשים ביותר‪ .‬הם קשי־תמס ברוב הממסים‪ .‬יהלום הוא מוצק אטומרי‬ ‫המורכב מאטומי פחמן הקשורים בקשרים קוולנטיים‪ .‬יהלומים משמשים בתעשיית‬ ‫החיתוך משום הקשיות שלהם וכאבני חן בשל הגבישים היפים שלהם‪.‬‬ ‫כוחות בין־מולקולריים נידונו גם‬ ‫‪ .3‬מוצקים מולקולריים‪ .‬היחידות שמרכיבות מוצק מולקולרי (‪ )molecular solid‬הן‬ ‫בסעיפים ‪ 3.5‬ו־‪.5.2‬‬ ‫מולקולות‪ ,‬והן מוחזקות במקומן באמצעות כוחות משיכה בין־מולקולריים (כוחות‬ ‫לונדון‪ ,‬אינטראקציות דיפול‪-‬דיפול וקשרי מימן)‪ .‬המוצקים המולקולריים לרוב רכים‬ ‫ונקודות ההתכה שלהם נמוכות‪ .‬במקרים רבים הם נדיפים ומוליכים גרועים של חשמל‪.‬‬ ‫דוגמה נפוצה היא קרח (מים מוצקים; איור ‪.)5.9‬‬ ‫‪ .4‬מוצקים מתכתיים‪ .‬היחידות שמרכיבות מוצק מתכתי (‪ )metallic solid‬הן אטומי‬ ‫מתכת המוחזקים במקומם באמצעות קשרים מתכתיים‪ .‬בגביש המתכתי אלקטרוני‬ ‫הערכיות של אטומי המתכת נעים בחופשיות בין הקטיונים מבלי להיות קשורים לקטיון‬ ‫העבודה‪20116 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫עולם‬ ‫מסוים‪ .‬שם‬ ‫מספרבין "ים‬ ‫הכוחות ‪5‬החשמליים הפועלים‬ ‫‪ )metallic‬הם‬ ‫העבודה‪bond(:‬‬ ‫קשרים מתכתיים‬ ‫האלקטרונים" לבין הקטיונים‪ .‬הודות לקשרים אלה‪ ,‬רבים מהמוצקים המתכתיים מפגינים‬ ‫מוליכות גבוהה (יכולת גבוהה להעביר זרם חשמלי)‪ .‬כסף ונחושת הם דוגמאות שכיחות‬ ‫איור ‪5-9‬‬ ‫למוצקים מתכתיים‪ .‬המתכות קלות לעיצוב ומשמשות למגוון מטרות‪ .‬רוב המטרות הללו‬ ‫הן יישומים שימושיים כגון כלי עבודה‪ ,‬כלי בישול וכלים המשמשים בניתוחים וברפואת‬ ‫שיניים‪ .‬יישומים אחרים הם למטרות הנאה וקישוט‪ ,‬כגון תכשיטי כסף וזהב‪.‬‬

‫‪=O‬‬ ‫‪=H‬‬ ‫איור ‪ 5.9‬המבנה של קרח‪ ,‬מוצק מולקולרי‪ .‬קשרי מימן בין מולקולות המים יוצרים מבנה פתוח‬ ‫וסדור‪ ,‬שצפיפותו נמוכה מזו של מים נוזליים‪.‬‬

‫‪  198‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫אבני חן‬ ‫כשאנו חושבים על המצב המוצק אנו עשויים להעלות בדעתנו‬ ‫קרח‪ ,‬הצורה המוצקה של מים; פחם‪ ,‬מקור אנרגיה חשוב; או‬ ‫אולי בטון ופלדה‪ ,‬יסודות תעשיית הבניין‪ .‬כל אלה הם חומרים‬ ‫שכיחים בעלי תכונות ויישומים מוגדרים היטב‪ .‬עם זאת‪ ,‬כשאנו‬ ‫מפנים את מחשבותינו ליופי ולערך‪ ,‬יהלומים הם שעולים‬ ‫בדעתנו לא אחת‪ .‬היהלומים נחשקים בשל הברק‪ ,‬העמידות‬ ‫והנדירות שלהם‪ .‬יהלומים הם אבני החן המפורסמות ביותר‪,‬‬ ‫אך יש אבני חן נוספות שניחנות בתכונות נחשקות ובתג מחיר‬ ‫גבוה‪.‬‬ ‫שוק היהלומים מגלגל למעלה מ־‪ 12‬מיליארד דולר בשנה‪ ,‬מגוון אבני חן‪ .‬הבדלים במבנה הגבישי אחראים להבדלים בצבע ובברק‪.‬‬ ‫ושוק אבני החן הצבעוניות מגלגל שישה מיליארד דולר נוספים‪.‬‬ ‫ממה עשויות אבני החן הללו ומדוע מחירן גבוה כל כך?‬ ‫האלה בולעות אור בקצה האדום של הספקטרום; האור הכחול‬ ‫מועבר והספיר נראה כחול‪.‬‬ ‫יהלום‬ ‫רוב משקעי הפחמן בכדור הארץ הם אמורפיים; אין להם אזמרגד‬ ‫מבנה מאורגן‪ .‬משום כך‪ ,‬אין להם אותן תכונות כמו למוצקים היון ‪ Cr3+‬אחראי גם לצבע הירוק של האזמרגד‪ .‬הכרום הוא‬ ‫שהמבנה שלהם סדור ומחזורי‪ .‬רוב הפחמן הזה מצוי בצורת זיהום במבנה הבסיסי של המינרל בריל (מקור השם הוא בריליום‪,‬‬ ‫פחם‪ .‬חלק זעיר מהפחמן המוצק בעולם קיים בצורת מוצקים יסוד מרכזי במבנה שלו)‪ .‬מבנה הבריל הוא ‪,Be3Al2Si6O18‬‬ ‫אטומריים‪ .‬כזכור‪ ,‬למוצקים אטומריים יש קשרים קוולנטיים ו־‪( Cr3+‬וגם יוני ונדיום) מחליף את ‪ Al3+‬במבנה הגבישי של‬ ‫חזקים ומבנה גבישי סדור ומחזורי‪ .‬יהלום הוא מוצק אטומרי הבריל‪ .‬הצבע שנוצר הוא הירוק המוכר של האזמרגד‪.‬‬ ‫המורכב מאטומי פחמן המסודרים במבנה גבישי תלת־ממדי‬ ‫(איור (‪.)5.8)2‬‬ ‫טנזניט‬ ‫יהלום של קראט אחד‪ ,‬שמסתו רק ‪ ,0.20 g‬נמכר לקמעונאי אבן החן הכחולה הזו היא תוצר של מינרל שנוסחתו‬ ‫באלפי דולרים‪ .‬המחיר המדויק תלוי בסדירות של התבנית )‪ .Ca2Al2(SiO4)(SiO7)O(OH‬לעומת אבני חן אחרות שדנו בהן‪,‬‬ ‫המחזורית של אטומי הפחמן ובמיעוט הזיהומים ביהלום‪ .‬הטנזניט נתגלה ואופיין רק בשנות ה־‪ .60‬הוא נתגלה בראשונה‬ ‫מספר היהלומים העומדים באמות המידה הגבוהות ביותר קטן בטנזניה‪ ,‬ומשום כך קיבל את שמו‪ .‬גם כאן‪ ,‬זיהומים של יסודות‬ ‫מאוד‪.‬‬ ‫הם הסיבה להבדל שבין סלע חסר ערך ואבן חן יקרה‪ .‬יוני‬ ‫ונדיום‪ ,‬המחליפים את יוני האלומיניום‪ ,‬הם שאחראים לצבע‬ ‫אודם וספיר‬ ‫הכחול העמוק של הטנזניט‪.‬‬ ‫אבני חן אלה הן תצורות שונות של המינרל קורונדום‪ ,‬שהוא‬ ‫אנו חבים את מוצאן של אבני החן לתנאים של לחץ‬ ‫למעשה התרכובת ‪ .Al2O3‬אודם וספיר מתאפיינים במבנה וטמפרטורה הקשורים להתהוות כדור הארץ‪ .‬למדנו לייצר אבני‬ ‫גבישי דומה; עם זאת‪ ,‬האודם אדום והספיר כחול‪ .‬מדוע? חן סינתטיות במעבדה‪ ,‬אבל מומחים לאבני חן ברחבי העולם‬ ‫ההבדל נעוץ בכמויות זעירות של יסודות אחרים המזהמים את ממשיכים להעדיף את התוצר הטבעי‪ .‬שלא במפתיע‪ ,‬מחירן‬ ‫האבנים‪ .‬באודם‪ ,‬יוני כרום מחליפים חלק מיוני האלומיניום נובע מנדירותן ומיופיין‪.‬‬ ‫(‪ Cr3+‬מחליף ‪ .)Al3+‬הדבר משנה את ספקטרום הבליעה של‬ ‫החומר‪ ,‬ונוצרת נטייה להעברה של אור אדום (‪ ;)610 nm‬כך שאלות הרחבה‬ ‫מקבלת האבן את צבעה האדום‪ .‬תכונות הבליעה והפליטה של @ מהו הצבע של אבן חן שבולעת אור בעיקר בטווח אורכי‬ ‫אור של האודם הם שגרמו לתאודור מיימן (‪)Theodore Maiman‬‬ ‫הגל ‪?500-700 nm‬‬ ‫להשתמש בה ליצירת הלייזר הראשון ב־‪ .1960‬הספיר נראה @ הציעו סיבה לכך שאוסף של אבני ספיר יתהדר בגוונים‬ ‫כחול בשל זיהומים של ‪ Fe2+‬ו־‪ .Ti4+‬תרכובות שיוצרים היונים‬ ‫שונים של כחול‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 5‬מ צ ב י ה ח ו מ ר ‪ :‬ג ז י ם ‪ ,‬נ ו ז ל י ם‬

‫המראה של מוצקים‬ ‫ַה ְמ ָר ָאה (‪ )sublimation‬היא התהליך שבו חלק מהמולקולות במצב המוצק עוברות ישירות‬ ‫למצב הגזי‪.‬‬ ‫כפי שראינו במסגרת "כימיה בזירת הפשע" שדנה בפיתוח מתקני אבטחה בנמלי תעופה‬ ‫(עמוד ‪ ,)195‬חלק מהמוצקים המולקולריים מתאפיינים בלחץ אדים בר מדידה‪ .‬כזכור‪ ,‬לחץ‬ ‫אדים של נוזל הוא מושג מפתח שמסייע להסביר את המעבר של נוזל לגז באמצעות אידוי‬ ‫או רתיחה‪ .‬מוצקים מולקולריים מסוימים‪ ,‬כגון קרח יבש (פחמן דו־חמצני מוצק) ונפתלין‬ ‫(כדורים נגד עש)‪ ,‬הופכים לגז בטמפרטורת החדר מבלי לעבור דרך פאזת נוזל‪ ,‬משום שלחץ‬ ‫האדים שלהם גבוה מספיק‪ .‬התהליך נקרא המראה‪.‬‬ ‫באזורים שבהם האקלים קר מאוד קורה שבמהלך תקופה של כמה ימים שלג וקרח‬ ‫"נעלמים"‪ ,‬אף שהטמפרטורה נמוכה משמעותית מנקודת ההתכה של מים‪ .‬שלג וקרח‪ ,‬שהם‬ ‫מוצקים מולקולריים‪ ,‬עוברים המראה‪ ,‬והופכים ממוצק לאדי מים‪.‬‬

‫שאלה ‪5.11‬‬

‫א ‪ .‬אילו תכונות מאפיינות מוצקים יוניים?‬ ‫ב‪ .‬ציינו שתי דוגמאות למוצקים יוניים‪.‬‬

‫שאלה ‪5.12‬‬

‫א ‪ .‬אילו תכונות מאפיינות מוצקים מולקולריים?‬ ‫ב‪ .‬ציינו שתי דוגמאות למוצקים מולקולריים‪.‬‬

‫ו מ ו צ ק י ם   ‪199‬‬

‫כימיה של מצב מוצק היא בעלת‬ ‫חשיבות עצומה בתעשיית המוליכים‬ ‫למחצה‪ .‬שבבים‪ ,‬שהם מוצקים‬ ‫גבישיים העשויים סיליקון וכמויות‬ ‫זעומות של יסודות אחרים כגון ארסן‬ ‫וגרמניום‪ ,‬הם "המוח" שמאחורי‬ ‫המחשב‪ ,‬הטלפון הנייד ומגוון‬ ‫מכשירים אלקטרוניים אחרים‪.‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪5‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫‪  200‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫עמ' ‪188‬‬

‫מפת הפרק‬

‫תכונות‪:‬‬ ‫צמיגות‬ ‫מתח פנים‬ ‫לחץ אדים‬ ‫נקודת רתיחה‬

‫תכונות‪:‬‬ ‫אינם דחיסים‬ ‫נקודת התכה‬ ‫כוחות משיכה‬ ‫סוגים‬ ‫מוצקים‬

‫אמורפי‬

‫מוצק‬ ‫מתכתי‬

‫גבישי‬

‫מוצק‬ ‫מולקולרי‬

‫נוזלים‬

‫מצבי צבירה‬

‫מוצק‬ ‫אטומרי‬

‫מוצק יוני‬

‫כוחות משיכה‬

‫קשרי מימן‬ ‫גזים‬

‫התיאוריה הקינטית‬

‫גז אידיאלי‬

‫נפח מולרי‬ ‫חוק אבוגדרו‬

‫חוק בויל‬

‫חוק שארל‬

‫צפיפות הגז‬ ‫חוק דלטון‬

‫חוק הגז האידיאלי‬

‫מאפשר לחשב לחץ‪ ,‬נפח‪ ,‬מספר מולים‪ ,‬גרמים‬ ‫או טמפרטורה של גז‬

‫חוק הגזים המשולב‬

‫כוחות‬ ‫ון דר ואלס‬

‫  פ ר ק ‪ 5‬מ צ ב י ה ח ו מ ר ‪ :‬ג ז י ם ‪ ,‬נ ו ז ל י ם‬

‫ו מ ו צ ק י ם   ‪201‬‬

‫סיכום‬ ‫‪ 5.1‬המצב הגזי‬ ‫@ התיאוריה הקינטית מתארת גז אידיאלי שבו אין כוחות‬ ‫משיכה או דחייה בין חלקיקי הגז והנפח של חלקיקי הגז‬ ‫הבדידים זניח‪.‬‬ ‫@ לחץ‪ ,‬נפח‪ ,‬טמפרטורה וכמות (מספר המולים) מאפיינים‬ ‫גזים אידיאליים‪ .‬לחץ מוגדר בתור כוח ליחידת שטח‪ ,‬והוא‬ ‫נמדד באמצעות ברומטר‪.‬‬ ‫@ חוק בויל קובע שנפח הגז משתנה ביחס הפוך ללחץ שהגז‬ ‫מפעיל‪ ,‬אם מספר המולים של הגז והטמפרטורה שלו‬ ‫קבועים (‪.)PV = k1‬‬ ‫@ חוק שארל קובע כי נפח הגז משתנה ביחס ישר לטמפרטורה‬ ‫המוחלטת (קלווין)‪ ,‬אם הלחץ ומספר המולים של הגז‬ ‫קבועים (‪.)V/T = k2‬‬ ‫@ חוק הגזים המשולב מספק ביטוי נוח לביצוע חישובים‬ ‫המערבים את המשתנים השכיחים ביותר המאפיינים גזים‪:‬‬ ‫לחץ‪ ,‬נפח וטמפרטורה‪.‬‬ ‫@ חוק אבוגדרו קובע שנפחים זהים של כל גז שהוא מכילים‬ ‫מספר מולים זהה כאשר מודדים אותם בטמפרטורה ובלחץ‬ ‫קבועים (‪.)V/n = k3‬‬ ‫@ הנפח המאוכלס על ידי ‪ 1 mol‬של כל גז שהוא מוגדר‬ ‫בתור הנפח המולרי שלו‪ .‬בתנאי טמפרטורה ולחץ תקניים‬ ‫(‪ ,)STP‬הנפח המולרי של כל גז אידיאלי הוא ‪ .22.4 L‬תנאי‬ ‫‪ STP‬מוגדרים בתור ‪ )0ºC( 273 K‬ו־‪.1 atm‬‬ ‫@ אפשר לשלב את חוק בויל‪ ,‬חוק שארל וחוק אבוגדרו‬ ‫לכדי ביטוי יחיד הקושר בין כל ארבעת הביטויים‪ ,‬שהוא‬ ‫חוק הגזים האידיאליים‪ .PV = nRT :‬כשאנו משתמשים‬ ‫ביחידות ‪( n ,)L( V ,)atm( P‬מספר המולים) ו־ ‪( T‬קלווין)‪,‬‬ ‫‪ R‬הוא קבוע הגזים (‪.)0.0821 L ∙ atm ∙ K−1 ∙ mol−1‬‬ ‫@ חוק דלטון של היחסים החלקיים קובע כי תערובת‬ ‫של גזים מפעילה לחץ השווה לסכום הלחצים שכל‬ ‫גז היה מפעיל אילו היה מצוי לבדו בתנאים זהים‬ ‫(… ‪.)Pt = p1 + p2 + p3 +‬‬ ‫‪ 5.2‬המצב הנוזלי‬ ‫הקרבה בין‬ ‫@ נוזלים הם בלתי דחיסים כמעט בגלל ִ‬ ‫המולקולות‪ .‬הצמיגות של נוזל היא אמת מידה להתנגדות‬ ‫שלו לזרום‪ .‬הצמיגות פוחתת לרוב כשהטמפרטורה עולה‪.‬‬ ‫מתח הפנים של נוזל הוא אמת מידה לכוחות המשיכה‬ ‫הקיימים על פני הנוזל‪ .‬חומרים פעילי שטח מפחיתים את‬ ‫מתח הפנים‪.‬‬ ‫@ מעבר פאזה של נוזל לאדים בטמפרטורה הנמוכה מנקודת‬ ‫הרתיחה של הנוזל נקרא אידוי‪ .‬מעבר פאזה של גז לנוזל‬ ‫נקרא עיבוי‪ .‬לחץ האדים של הנוזל מוגדר בתור הלחץ‬ ‫שיוצרים האדים במצב שיווי משקל בטמפרטורה נתונה‪.‬‬

‫‪07/12/2017 15:34:02‬‬

‫נקודת הרתיחה הנורמלית של נוזל היא הטמפרטורה שבה‬ ‫לחץ האדים של הנוזל שווה ל־‪.1 atm‬‬ ‫@ כוחות ון דר ואלס הם שם כולל לאינטראקציות דיפול‪-‬‬ ‫דיפול‪ ,‬שהן כוחות משיכה בין מולקולות קוטביות‪ ,‬ולכוחות‬ ‫לונדון‪ ,‬שהם כוחות משיכה בין מולקולות בעלות דיפולים‬ ‫רגעיים‪.‬‬ ‫@ מולקולות שבהן אטום מימן קשור לאטום קטן בעל‬ ‫אלקטרושליליות גבוהה כגון חנקן‪ ,‬חמצן או פלואור‬ ‫יוצרות קשרי מימן‪ .‬קשרי מימן בנוזלים גורמים ללחצי‬ ‫אדים נמוכים מהצפוי ולנקודות רתיחה גבוהות מהצפוי‪.‬‬ ‫@ קיומם של כוחות ון דר ואלס וקשרי מימן משפיע השפעה‬ ‫משמעותית על נקודות הרתיחה של נוזלים‪ ,‬כמו גם על‬ ‫נקודות ההתכה של מוצקים‪.‬‬ ‫‪ 5.3‬המצב המוצק‬ ‫@ למוצקים יש צורה ונפח קבועים‪ .‬הם בלתי דחיסים עקב‬ ‫הקרבה בין החלקיקים‪ .‬מוצקים עשויים להיות גבישיים‪,‬‬ ‫ִ‬ ‫כלומר בעלי מבנה סדור ומחזורי‪ ,‬או אמורפיים‪ ,‬שלהם אין‬ ‫מבנה מאורגן‪.‬‬ ‫@ מוצקים גבישיים יכולים להתקיים כמוצקים יוניים‪ ,‬מוצקים‬ ‫אטומריים‪ ,‬מוצקים מולקולריים או מוצקים מתכתיים‪.‬‬ ‫אלקטרונים במוצקים מתכתיים הם ניידים מאוד‪ ,‬ולכן‬ ‫רבים מהמוצקים המתכתיים מפגינים מוליכות גבוהה‬ ‫(יכולת גבוהה להעביר זרם חשמלי)‪ .‬המראה היא תהליך‬ ‫שבו מוצקים מולקולריים עוברים ישירות ממוצק לגז‪.‬‬

‫תשובות לשאלות‬ ‫"בחנו את עצמכם"‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫‪ 5.1‬‬

‫‪ 5.2‬‬

‫‪5 .3‬‬ ‫‪ 5.4‬‬ ‫‪ 5.5‬‬

‫דגימה ‪:1‬‬ ‫דגימה ‪:2‬‬ ‫דגימה ‪:3‬‬ ‫דגימה ‪:4‬‬ ‫א‪3.76 L .‬‬ ‫ב‪3.41 L .‬‬ ‫ג‪2.75 L .‬‬ ‫ד‪5.50 L .‬‬ ‫ה‪2.75 L .‬‬ ‫ו‪3.76 L .‬‬

‫‪38 atm‬‬ ‫‪25 atm‬‬ ‫‪0.15 L‬‬ ‫‪0.38 L‬‬

‫‪0.200 atm‬‬ ‫‪99.5ºC‬‬ ‫א‪4.46 mol H2 .‬‬ ‫ב‪0.75 mol H2 .‬‬

‫‪5-20116-Perek_5.indd 201‬‬

‫‪  202‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 5.6‬‬

‫‪5 .7‬‬ ‫‪ 5.8‬‬

‫הנפח המולרי מבוסס על ‪ 1 mol‬של כל גז אידיאלי‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫בורלא הגדלים‬ ‫אידיאלי‪ ,‬כל‬ ‫כל גז‬ ‫שהוא‪ .‬לפיכך‪ ,‬עבור‬ ‫המופיעים במשוואת הגז האידיאלי אינם תלויים‬ ‫בזהות הגז האידיאלי‪.‬‬ ‫‪0.223 mol N2‬‬ ‫‪9.00 L‬‬

‫‪ 5.29‬הלחץ הפועל על מסה קבועה של גז מוכפל פי שלושה‬ ‫יגדל‪5 ,‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫בטמפרטורה עולם‬ ‫שם העבודה‪:‬‬ ‫יקטן או לא‬ ‫קבועה‪ .‬האם הנפח‬ ‫ישתנה?‬ ‫‪ 5.30‬פי כמה ישתנה נפח הגז בשאלה ‪?5.29‬‬ ‫שאלות ובעיות‬ ‫יישומים‬ ‫לגליל עם בוכנה‪ ,‬ונפח הגז נמדד‬ ‫הוכנסה‬ ‫הליום‬ ‫גז‬ ‫של‬ ‫דגימה‬ ‫‪5-30‬‬ ‫בשעה שהלחץ הוגדל באטיות‪ .‬תוצאות הניסוי מוצגות בגרף‪.‬‬

‫שאלות ובעיות‬

‫חוק בויל‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.27‬נסחו את חוק בויל במילים‪.‬‬ ‫‪ 5.28‬נסחו את חוק בויל בצורת משוואה‪.‬‬

‫‪4‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪8 10‬‬

‫‪6‬‬

‫‪4‬‬

‫נפח )‪(L‬‬

‫לחץ )‪(atm‬‬

‫התיאוריה הקינטית של הגזים‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.13‬פרטו את ההבדלים וקווי הדמיון בין המצב הגזי‪ ,‬הנוזלי‬ ‫והמוצק במושגים של המרחק הממוצע בין החלקיקים‪.‬‬ ‫‪ 5.14‬פרטו את ההבדלים וקווי הדמיון בין המצב הגזי‪ ,‬הנוזלי‬ ‫והמוצק במושגים של אופי האינטראקציות שבין‬ ‫החלקיקים‪.‬‬ ‫‪ 5.15‬תארו את הבסיס המולקולרי‪/‬אטומי של לחץ הגז‪.‬‬ ‫‪ 5.16‬תארו את דרך המדידה של לחץ הגז‪.‬‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 5.17‬מדוע גזים הם דחיסים?‬ ‫‪ 5.18‬מדוע צפיפות הגזים נמוכה בהרבה מזו של נוזלים או‬ ‫מוצקים?‬ ‫‪ 5.19‬מדוע גזים מתפשטים ומאכלסים את מלוא נפחו של‬ ‫כלי הקיבול?‬ ‫‪ 5.20‬מדוע גזים בעלי מסה מולרית נמוכה עוברים דיפוזיה‬ ‫מהר יותר מגזים בעלי מסה מולרית גבוהה?‬ ‫‪ 5.21‬האם התנהגות הגזים קרובה יותר להתנהגות אידיאלית‬ ‫בלחץ נמוך או בלחץ גבוה? מדוע?‬ ‫‪ 5.22‬האם התנהגות הגזים קרובה יותר להתנהגות אידיאלית‬ ‫בטמפרטורה נמוכה או בטמפרטורה גבוהה? מדוע?‬ ‫‪ 5.23‬השתמשו בתיאוריה הקינטית על מנת להסביר‬ ‫מדוע גזים שונים מתערבבים במהירות רבה יותר‬ ‫בטמפרטורה גבוהה מאשר בטמפרטורה נמוכה‪.‬‬ ‫‪ 5.24‬השתמשו בתיאוריה הקינטית על מנת להסביר מדוע‬ ‫תרסיסים נושאים אזהרות מפני חימום או השלכת‬ ‫המכל לאש‪.‬‬ ‫‪ 5.25‬אילו שינויים תחזו שיתרחשו‪ ,‬אם בכלל‪ ,‬כאשר בלון‬ ‫מנופח עובר קירור (נאמר‪ ,‬מוכנס למקרר)? הסבירו‪.‬‬ ‫‪ 5.26‬אילו שינויים תחזו שיתרחשו‪ ,‬אם בכלל‪ ,‬כאשר בלון‬ ‫מנופח עובר חימום (נאמר‪ ,‬מוכנס למיקרוגל)? הסבירו‪.‬‬

‫‪5‬‬

‫‪2‬‬

‫שאלות ‪ 5.34–5.31‬מסתמכות על הניסוי הזה‪.‬‬ ‫‪ 5.31‬באיזה לחץ מאכלס הגז נפח של ‪?5 L‬‬ ‫‪ 5.32‬מהו נפח הגז בלחץ של ‪?5 atm‬‬ ‫‪ 5.33‬מהו ערכו של הקבוע של חוק בויל בנפח של ‪?2 L‬‬ ‫‪ 5.34‬מהו ערכו של הקבוע של חוק בויל בלחץ של ‪?2 atm‬‬ ‫‪ 5.35‬מהו הלחץ הדרוש‪ ,‬ב־‪ ,atm‬על מנת לדחוס דגימה של‬ ‫גז הליום מנפח של ‪( 20.9 L‬ב־‪ )1.00 atm‬לנפח של‬ ‫‪?4.00 L‬‬ ‫‪ 5.36‬בלון מלא בגז הליום‪ ,‬המצוי בלחץ של ‪,1.00 atm‬‬ ‫מאכלס נפח של ‪ .15.6 L‬איזה נפח יאכלס הבלון ברום‬ ‫האטמוספרה‪ ,‬בלחץ של ‪?0.150 atm‬‬ ‫חוק שארל‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.37‬נסחו את חוק שארל במילים‪.‬‬ ‫‪ 5.38‬נסחו את חוק שארל בצורת משוואה‪.‬‬ ‫‪ 5.39‬מדוע אנו משתמשים בסולם קלווין בחישובים של‬ ‫חוקי גזים? הסבירו‪.‬‬ ‫‪ 5.40‬הטמפרטורה ביום קיץ עשויה להגיע ל־‪ .90ºF‬המירו‬ ‫את הערך הזה ליחידות קלווין‪.‬‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 5.41‬הטמפרטורה של גז עולה מ־‪ 25ºC‬ל־‪ .50ºC‬האם הנפח‬ ‫יוכפל כאשר המסה והלחץ קבועים? מדוע‪ ,‬או מדוע‬ ‫לא?‬ ‫‪ 5.42‬אשרו את תשובתם לשאלה ‪ 5.41‬באמצעות עריכת‬ ‫חישוב של הטמפרטורה הדרושה על מנת להכפיל את‬ ‫נפח הגז‪.‬‬ ‫‪ 5.43‬מהו השינוי בנפח שמתחולל כאשר מחממים דגימת‬ ‫)‪ N2(g‬בנפח של ‪ 2.00 L‬מטמפרטורה של ‪250ºC‬‬ ‫ל־‪?500ºC‬‬

‫מספר העב‬

‫  פ ר ק ‪ 5‬מ צ ב י ה ח ו מ ר ‪ :‬ג ז י ם ‪ ,‬נ ו ז ל י ם‬

‫‪ 5.44‬מהו השינוי בנפח שמתחולל כאשר מחממים דגימת‬

‫העבודה‪20116 :‬‬ ‫‪ 5.45‬‬ ‫‪ 5.46‬‬ ‫‪ 5.47‬‬ ‫‪ 5.48‬‬

‫)‪ N2(g‬בנפח של ‪ 2.00 L‬מטמפרטורה של ‪250 K‬‬ ‫ל־‪?500 K‬‬

‫בלון המכיל דגימה של גז הליום מחומם בתנור‪ .‬אם‬ ‫נפח הבלון בטמפרטורת החדר (‪ )20ºC‬הוא ‪ ,1.25 L‬מה‬ ‫יהיה נפחו ב־‪?80ºC‬‬ ‫הבלון המתואר בבעיה ‪ 5.45‬הוכנס לאחר מכן למקרר‬ ‫שהטמפרטורה שלו היא ‪ .3.9ºC‬חשבו את נפחו החדש‬ ‫של הבלון‪.‬‬ ‫בלון המלא ב־‪ N2‬מצוי בחדר שהטמפרטורה שלו היא‬ ‫‪ ,20ºC‬ונפחו ‪ .2.00 L‬כשמוציאים אותו החוצה‪ ,‬נפחו‬ ‫גדל ל־‪ .2.20 L‬מהי הטמפרטורה בחוץ‪ ,‬ב־‪?ºC‬‬ ‫נפחו של בלון המלא בגז אידיאלי הוא ‪ 5.00 L‬ב־‪.10ºC‬‬ ‫באיזו טמפרטורה (‪ )ºC‬יהיה נפח הבלון כפול?‬

‫חוק הגזים המשולב‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.49‬האם נפח של גז יגדל‪ ,‬יקטן או לא ישתנה כאשר מעלים‬ ‫את הטמפרטורה ומקטינים את הלחץ? הסבירו‪.‬‬ ‫‪ 5.50‬האם נפח של גז יגדל‪ ,‬יקטן או לא ישתנה כאשר‬ ‫מקטינים את הטמפרטורה ומגדילים את הלחץ?‬ ‫הסבירו‪.‬‬ ‫יישומים‬ ‫השתמשו בחוק הגזים המשולב‪,‬‬ ‫‪Pf V f‬‬ ‫‪PV‬‬ ‫‪i i‬‬ ‫=‬ ‫‪Ti‬‬ ‫‪Tf‬‬

‫על מנת לענות על שאלות ‪ 5.51‬ו־‪.5.52‬‬ ‫‪ 5.51‬בטאו את הנפח הסופי באמצעות חוק הגזים המשולב‪.‬‬ ‫‪ 5.52‬בטאו את הטמפרטורה הסופית באמצעות חוק הגזים‬ ‫המשולב‪.‬‬ ‫‪ 5.53‬אם גז המצוי בתנאים ‪ 1.00 atm ,16ºC‬ו־‪ 2.25 L‬נדחס‬ ‫בלחץ של ‪ 125 atm‬ובטמפרטורה של ‪ ,20ºC‬מה יהיה‬ ‫הנפח החדש של הגז?‬ ‫‪ 5.54‬בלון המלא בגז הליום מאכלס נפח של ‪ 2.50 L‬ב־‪25ºC‬‬ ‫וב־‪ .1.00 atm‬כשמשחררים אותו הוא מתרומם לגובה‬ ‫שהטמפרטורה בו היא ‪ ,20ºC‬והלחץ רק ‪ .0.800 atm‬מה‬ ‫יהיה הנפח החדש של הבלון?‬ ‫‪ 5.55‬בלון בנפח ‪ 5.00 L‬מפעיל לחץ של ‪ 2.00 atm‬ב־‪.30.0ºC‬‬ ‫איזה לחץ יפעיל הבלון אם הנפח גדל ל־‪ 7.0 L‬ב־‪?40ºC‬‬ ‫‪ 5.56‬אם נכפיל את הלחץ והטמפרטורה של הבלון משאלה‬ ‫‪ ,5.55‬מהי יהיה הנפח החדש שלו?‬ ‫חוק אבוגדרו‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.57‬נסחו את חוק אבוגדרו במילים‪.‬‬ ‫‪ 5.58‬נסחו את חוק אבוגדרו בצורת משוואה‪.‬‬

‫ו מ ו צ ק י ם   ‪203‬‬

‫יישומים‬ ‫‪ 5.59‬אם גז הליום במסה של ‪ 5.00 g‬נוסף לבלון שנפחו‬ ‫‪ ,1.00 L‬המכיל גז הליום במסה של ‪ ,1.00 g‬מה יהיה נפחו‬ ‫החדש של הבלון? הניחו שלא חל שינוי בטמפרטורה‬ ‫או בלחץ‪.‬‬ ‫‪ 5.60‬כמה הליום‪ ,‬ב־‪ ,g‬יש להוסיף לבלון המכיל גז הליום‬ ‫במסה של ‪ 8.00 g‬על מנת שנפחו יוכפל? הניחו שלא‬ ‫חל שינוי בטמפרטורה או בלחץ‪.‬‬ ‫נפח מולרי וחוק הגזים האיזיאליים‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.61‬האם ‪ 1.00 mol‬של גז תמיד יאכלסו ‪?22.4 L‬‬ ‫‪ H2O 5.62‬ו־‪ CH4‬הם גזים בטמפרטורה של ‪ .150ºC‬מי מהם‬ ‫מפגין תכונות הקרובות יותר לגז אידיאלי? מדוע?‬ ‫‪ 5.63‬מהם היחידות והערך המספרי של הטמפרטורה‬ ‫התקנית?‬ ‫‪ 5.64‬מהם היחידות והערך המספרי של הלחץ התקני?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 5.65‬דגימה של גז חנקן‪ ,‬המאוחסנת בכלי קיבול בנפח ‪4.0 L‬‬ ‫וב־‪ ,32ºC‬מפעילה לחץ של ‪ .5.00 atm‬כמה מולים של גז‬ ‫חנקן מצויים בכלי הקיבול?‬ ‫‪ 5.66‬שבעה מולים של פחמן חד־חמצני מאוחסנים בכלי‬ ‫קיבול שנפחו ‪ 30.0 L‬ב־‪ .65ºC‬מהו לחץ הפחמן החד־‬ ‫חמצני בכלי הקיבול?‬ ‫‪ 5.67‬מהו נפחו של פחמן חד־חמצני שמסתו ‪ 44.0 g‬בתנאי‬ ‫‪?STP‬‬ ‫‪ 5.68‬מהו נפחו של פחמן דו־חמצני שמסתו ‪ 44.0 g‬בתנאי‬ ‫‪?STP‬‬ ‫‪ 5.69‬מהי צפיפותו של פחמן חד־חמצני בתנאי ‪?STP‬‬ ‫‪ 5.70‬מהי צפיפותו של פחמן דו־חמצני בתנאי ‪?STP‬‬ ‫‪ 5.71‬כמה מולים של גז נמצאים בכלי קיבול שנפחו ‪7.55 L‬‬ ‫ב־‪ ,45ºC‬אם הגז מפעיל לחץ של ‪?725 mm Hg‬‬ ‫‪ 5.72‬מהו הלחץ שמפעיל גז בכמות של ‪ ,1.00 mol‬שנמצא‬ ‫בכלי קיבול שנפחו ‪ 7.55 L‬ב־‪?45ºC‬‬ ‫‪ 5.73‬דגימה של גז ארגון (‪ )Ar‬מאכלסת נפח של ‪65.0 mL‬‬ ‫ב־‪ 22ºC‬וב־‪ .750 torr‬מהו נפח דגימת הגז בתנאי ‪?STP‬‬ ‫‪ 5.74‬דגימה של גז ‪ O2‬מאכלסת נפח של ‪ 257 mL‬ב־‪20ºC‬‬ ‫וב־‪ .1.20 atm‬מהו נפח דגימת הגז בתנאי ‪?STP‬‬ ‫‪ 5.75‬מהו הנפח המולרי של גז ‪ Ar‬בתנאי ‪?STP‬‬ ‫‪ 5.76‬מהו הנפח המולרי של גז ‪ O2‬בתנאי ‪?STP‬‬ ‫‪ 5.77‬מהו הנפח של גז ‪ Ar‬שכמותו ‪ ,4.00 mol‬המצוי בלחץ‬ ‫של ‪ 8.25 torr‬ובטמפרטורה של ‪?27ºC‬‬ ‫‪ 5.78‬מהו הנפח של גז ‪ O2‬שכמותו ‪ ,6.00 mol‬המצוי בלחץ‬ ‫של ‪ 30 cm Hg‬ובטמפרטורה של ‪?72ºF‬‬ ‫‪ 5.79‬מהי הטמפרטורה (‪ )ºC‬של גז ‪ O2‬שמסתו ‪,1.75 g‬‬ ‫המאכלס נפח של ‪ 2.00 L‬ב־‪?1.00 atm‬‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫‪5-96‬‬ ‫‪  204‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 5.80‬מהי המסה (ב־‪ )g‬של גז ‪ O2‬המאכלס נפח של ‪10.0 L‬‬ ‫בתנאי ‪?STP‬‬

‫חוק דלטון של הלחצים החלקיים‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.81‬נסחו את חוק דלטון במילים‪.‬‬ ‫‪ 5.82‬נסחו את חוק דלטון בצורת משוואה‪.‬‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 5.83‬תערובת של גזים מכילה שלושה מרכיבים‪F2 ,N2 :‬‬ ‫ו־‪ .He‬הלחצים החלקיים שלהם הם ‪0.16 atm ,0.40 atm‬‬ ‫ו־‪ ,0.18 atm‬בהתאמה‪ .‬מהו הלחץ של תערובת הגז?‬ ‫‪ 5.84‬תערובת של גזים מכילה שלושה מרכיבים‪F2 ,N2 :‬‬ ‫ו־‪ .He‬הלחץ החלקי של ‪ N2‬הוא ‪ 0.35 atm‬ושל ‪ F2‬הוא‬ ‫‪ .0.45 atm‬אם הלחץ הכולל הוא ‪ ,1.20 atm‬מהו הלחץ‬ ‫החלקי של הליום?‬ ‫‪ 5.85‬תערובת של גזים מתאפיינת בלחץ כולל של ‪,0.56 atm‬‬ ‫ומורכבת מ־‪ He‬ו־‪ .Ne‬אם הלחץ החלקי של ‪He‬‬ ‫בתערובת הוא ‪ ,0.27 atm‬מהו הלחץ החלקי של ‪Ne‬‬ ‫בתערובת?‬ ‫‪ 5.86‬אם נסלק את כל ההליום מהתערובת המתוארת‬ ‫בשאלה ‪ ,5.84‬מה יהיה הלחץ החלקי של ‪ N2‬ושל ‪?F2‬‬ ‫מדוע? מהו הלחץ הכולל החדש?‬

‫ורלא‬

‫המצב הנוזלי‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.87‬ערכו השוואה בין עוצמת הכוחות הבין־מולקולריים‬ ‫בנוזלים לאלה בגזים‪.‬‬ ‫‪ 5.88‬ערכו השוואה בין עוצמת הכוחות הבין־מולקולריים‬ ‫בנוזלים לאלה במוצקים‪.‬‬ ‫‪ 5.89‬מהו הקשר בין הטמפרטורה של נוזל ולחץ האדים של‬ ‫הנוזל?‬ ‫בנוזל ולחץ‬ ‫עולם כוחות המשיכה‬ ‫העבודה‪ :‬עוצמת‬ ‫מהו הקשר בין‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪5‬‬ ‫‪ 5.90‬שם‬ ‫האדים שלו?‬ ‫‪ 5.91‬איזה תהליך המתרחש ברמה המולקולרית מסביר את‬ ‫שאלות ובעיות‬ ‫תכונת הצמיגות?‬ ‫‪ 5.92‬איזה תהליך המתרחש ברמה המולקולרית מסביר את‬ ‫תכונת מתח הפנים? ‪5-92‬‬ ‫יישומים‬ ‫שאלות ‪ 5.96–5.93‬עוסקות במולקולות להלן‪:‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪OH‬‬

‫‪C‬‬ ‫‪H‬‬ ‫מתאנול‬

‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪Cl‬‬

‫‪C‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪H‬‬ ‫מתיל כלורי‬

‫‪H‬‬

‫‪C‬‬ ‫‪H‬‬ ‫מתאן‬

‫‪H‬‬

‫‪ 5.93‬מי מהמולקולות הללו יכולה ליצור כוחות לונדון?‬ ‫מדוע?‬ ‫‪ 5.94‬מי מהמולקולות הללו יכולה ליצור כוחות דיפול‪-‬דיפול?‬ ‫מדוע?‬ ‫‪ 5.95‬מי מהמולקולות הללו יכולה ליצור קשרי מימן? מדוע?‬ ‫‪ 5.96‬למי מהתרכובות הללו נקודת הרתיחה הגבוהה ביותר‪,‬‬ ‫לדעתכם? מדוע?‬ ‫שאלות ‪ 5.97‬ו־‪ 5.98‬עוסקות במולקולות להלן‪:‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪O‬‬

‫‪O‬‬

‫‪O‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪H‬‬

‫‪O‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫פרופילן גליקול‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫איזופרופאנול‬ ‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫פרופאן‬

‫‪ 5.97‬איזו תרכובת מתאפיינת בצמיגות הגבוהה ביותר במצב‬ ‫הנוזל‪ ,‬לדעתכם?‬ ‫‪ 5.98‬איזו תרכובת מתאפיינת במתח הפנים הגדול ביותר‬ ‫במצב הנוזל‪ ,‬לדעתכם?‬ ‫המצב המוצק‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 5.99‬מדוע מוצקים אינם דחיסים? הסבירו‪.‬‬ ‫‪ 5.100‬מהו ההבדל בין מוצקים אמורפיים וגבישיים?‬ ‫‪ 20116‬המוצקים האלה‪:‬‬ ‫אופיינית אחת של‬ ‫תארו תכונה‬ ‫‪ 5.101‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫מספר‬ ‫א‪ .‬מוצקים יוניים‬ ‫ב‪ .‬מוצקים אטומריים‬ ‫‪ 5.102‬תארו תכונה אופיינית אחת של המוצקים האלה‪:‬‬ ‫א‪ .‬מוצקים מולקולריים‬ ‫ב‪ .‬מוצקים מתכתיים‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 5.103‬מי מוליך חשמל טוב יותר במצב המוצק‪ ,‬בריליום או‬ ‫פחמן? מדוע?‬ ‫‪ 5.104‬מדוע יהלומים משמשים ככלי חיתוך בתעשייה?‬ ‫‪ 5.105‬כספית וכרום הם חומרים רעילים‪ .‬איזה מהם סביר‬ ‫יותר שיזהם את האוויר? מדוע?‬ ‫‪ 5.106‬מדוע נקודת ההתכה של סיליקון גבוהה בהרבה מזו של‬ ‫ארגון‪ ,‬אף שהמסה המולרית של ארגון גדולה יותר?‬

‫  פ ר ק ‪ 5‬מ צ ב י ה ח ו מ ר ‪ :‬ג ז י ם ‪ ,‬נ ו ז ל י ם‬

‫ו מ ו צ ק י ם   ‪205‬‬

‫בעיות חשיבה ביקורתית‬ ‫‪ .1‬כאשר ערכו מדידות בצמחים מהסוג אלודאה (‪,)elodea‬‬ ‫שמצויים לרוב באקוויוריומים של דגים טרופיים‪ ,‬נמצא‬ ‫שהם מניבים ‪ 5.0 × 1022‬מולקולות של חמצן בשעה (‪.)h‬‬ ‫מהו נפח החמצן (בתנאי ‪ )STP‬שיתקבל בפרק זמן של ‪?8 h‬‬ ‫‪ .2‬כימאי מודד את הנפח של גז הליום בכמות של ‪,1.00 mol‬‬ ‫בתנאי ‪ ,STP‬ומקבל ערך של ‪ .22.4 L‬לאחר שהוא משנה את‬ ‫הטמפרטורה ל־‪ ,137 K‬הערך הנמדד הוא ‪ .11.05 L‬בדקו‬ ‫את תוצאות הכימאי באמצעות חוק הגזים האידיאליים‬ ‫והסבירו מדוע חלה סטייה ממנו‪ ,‬אם ישנה‪.‬‬ ‫‪ .3‬כימאי מודד את הנפח של ‪ H2‬בכמות של ‪ ,1.00 mol‬ושל‬ ‫‪ CO‬בכמות של ‪ ,1.00 mol‬ומוצא שההבדל ביניהם הוא‬ ‫‪ .0.10 L‬נפחו של איזה גז גדול יותר? האם התוצאות‬ ‫סותרות את חוק הגזים האידיאליים? מדוע‪ ,‬או מדוע לא?‬

‫‪ .4‬דגימת מים במסה של ‪ 100.0 g‬עברה פירוק באמצעות‬ ‫זרם חשמלי (אלקטרוליזה)‪ ,‬תוך ייצור של גז מימן וגז‬ ‫חמצן‪ .‬כתבו את המשוואה המאוזנת של התהליך וחשבו‬ ‫את הנפח של כל אחד מהגזים שהתקבלו (בתנאי ‪.)STP‬‬ ‫הסבירו את הקשרים שקיבלתם‪ ,‬אם קיבלתם‪ ,‬בין הנפחים‬ ‫המחושבים והמשוואה המאוזנת של התהליך‪.‬‬ ‫‪ .5‬מכשיר אוטוקלב משמש לעיקור ציוד ניתוחי‪ .‬הוא יעיל‬ ‫בהרבה מאדים שנוצרים בהרתחת מים באטמוספרה‬ ‫פתוחה משום שהאדים במתקן מיוצרים בלחץ של ‪.2 atm‬‬ ‫מדוע אוטוקלב הוא מתקן עיקור יעיל כל כך?‬ ‫‪ .6‬תארו לעצמכם שאתם מתבקשים לתכנן חומר מוצק חדש‬ ‫שישמש להחלפת עצמות ומפרקים‪ .‬אילו תכונות פיזיקליות‬ ‫וכימיות יהיו חשובות בעיניכם בחומר החדש?‬

‫‪6‬‬

‫תמיסות‬

‫מטרות לימוד‬ ‫‪ 1‬להבדיל בין המונחים תמיסה‪ ,‬מומס וממס‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2‬לתאר סוגים שונים של תמיסות ולספק דוגמאות לכל סוג‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 3‬לתאר את הקשר שבין מסיסות ושיווי משקל‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4‬לחשב את ריכוז התמיסה במונחי מסה‪/‬נפח באחוזים‪ ,‬מסה‪/‬מסה באחוזים‪,‬‬ ‫ ‬ ‫חלקים לאלף וחלקים למיליון‪.‬‬ ‫‪ 5‬לחשב את ריכוז התמיסה ביחידות של מולר‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 6‬לבצע חישובי מיהול‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7‬לתאר ולהסביר את תכונות התמיסה התלויות בריכוזה‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8‬לבצע חישובים המתייחסים לתכונות קוליגטיביות של תמיסות‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9‬להסביר מדוע התכונות הכימיות והפיזיקליות של מים הופכות אותם‬ ‫ ‬ ‫לממס ייחודי‪.‬‬ ‫‪ 0‬‬ ‫‪ 1‬להמיר ריכוזים מולריים של יונים ליחידות מילי־שקולה‪/‬ליטר‪ ,‬ולהפך‪.‬‬ ‫‪ 1‬להסביר את תפקיד האלקטרוליטים בדם ואת הקשר בינם ובין תהליך‬ ‫‪ 1‬‬ ‫הדיאליזה‪.‬‬

‫מתווה‬ ‫מבוא ‪208‬‬ ‫‪ 6.1‬תכונות של תמיסות ‪208‬‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬צלילה‪ :‬חנקן ודקומפרסיה ‪212‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 6.2‬ריכוז המבוסס על יחידות מסה באחוזים ‪213‬‬ ‫‪ 6.3‬ריכוז המבוסס על יחידות מולים ‪217‬‬ ‫‪ 6.4‬תכונות של תמיסות התלויות בריכוז ‪221‬‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬טיפול בהתייבשות ‪229‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 6.5‬תמיסות מימיות ‪230‬‬ ‫כימיה במטבח‪ :‬מסיסות‪ ,‬חומרים פעילי שטח ומדיח הכלים ‪231‬‬ ‫ ‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬המודיאליזה ‪235‬‬ ‫ ‬

‫משקאות תוססים הם דוגמה שכיחה‬ ‫לתמיסה של גז מומס בממס נוזלי‪.‬‬ ‫על סמך ניסיון היום־יום‪ ,‬האם תוכלו‬ ‫לחזות מה יקרה למסיסות של‬ ‫פחמן דו־חמצני במים (או בקוקה‬ ‫קולה) כתלות בטמפרטורה של‬ ‫התמיסה? האם המסיסות תעלה‬ ‫כשהטמפרטורה תעלה?‬

‫‪  208‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מבוא‬ ‫מכשול מרכזי העומד בפני ביצועים אתלטיים מיטביים בספורט תחרותי מאומץ‪ ,‬במיוחד במזג‬ ‫אוויר חם‪ ,‬הוא התייבשות — אובדן נוזלי גוף באמצעות הזעה‪ .‬זיעה היא תמיסה מימית‪ ,‬ואובדן‬ ‫היונים המומסים במים (הממס) משפיע לרעה על תפקוד הגוף לא פחות מאובדן המים עצמם‪.‬‬ ‫עובדה זו לא נעלמה מעיניהם של חוקרים באוניברסיטת פלורידה בשנות ה־‪ .60‬קבוצת‬ ‫הפוטבול של אוניברסיטת פלורידה ("פלורידה גייטורס") שיחקה חלק ניכר מהמשחקים שלה‬ ‫באקלים חם מאוד‪ .‬עובדה זו‪ ,‬בשילוב עם המאמץ הפיזי הרב שנדרש מהשחקנים והלבוש העבה‬ ‫והמרופד שהיה עליהם ללבוש למניעת פציעות‪ ,‬הפכו את התייבשות האתלטים לבעיה של‬ ‫ממש‪.‬‬ ‫התרופה‪ ,‬באותו זמן‪ ,‬הייתה לשתות כמויות גדולות של מים תוך צריכה של טבליות מלח‪,‬‬ ‫על מנת להשיב את היונים שאבדו‪ ,‬ושל מזונות עתירי סוכר (לרוב תפוזים) על מנת לספק‬ ‫אנרגיה‪ .‬אבל כמה יש לצרוך מכל דבר? התשובה לשאלה זו הייתה בגדר ניחוש בעלמא‪ .‬לא אחת‬ ‫הייתה התרופה גרועה מהבעיה המקורית‪ ,‬והתוצאה הייתה התכווצויות שרירים‪.‬‬ ‫רופא הקבוצה‪ ,‬בשיתוף עם חוקרים בתחום הרפואה באוניברסיטה‪ ,‬הגה רעיון‪ .‬האם אפשר‬ ‫לערבב את שלושת המרכיבים הדרושים ביחס כלשהו‪ ,‬ולקבל תמיסה שתשיג את ההשפעה‬ ‫הרצויה ללא תופעות הלוואי הבלתי רצויות? תוצאת המחקר הזה הייתה תמיסה של תרכובות‬ ‫יוניות וסוכר מומסים במים‪ ,‬הדומה בהרכבה לזיעה שאבדה‪ ,‬בתוספת חומרי טעם על מנת‬ ‫שתהיה ערבה לחך‪ .‬זהות היונים — נתרן‪ ,‬אשלגן וכלור — הייתה חשובה ללא ספק‪ ,‬כפי שהיו גם‬ ‫ריכוזי היונים‪ ,‬ביצירת תמיסה שהביאה להשפעה המיוחלת מבלי לגרום להתכווצויות שרירים‪.‬‬ ‫קבוצת הפוטבול החלה להשתמש בתמיסה‪ ,‬שכונתה "גייטור־אייד"‪ ,‬וזכתה באליפות אורנג'‬ ‫בול ב־‪ ,1966‬מה שסיפק הוכחה מסוימת לכך שלתמיסה הייתה השפעה חיובית על הישגי‬ ‫הקבוצה‪ .‬המשקה‪ ,‬שקיבל את השם "גייטורייד"‪ ,‬היה "משקה הספורט" הראשון‪ .‬כיום יש בשוק‬ ‫כמה מותגים מתחרים‪ ,‬הנבדלים זה מזה בהרכב‪ ,‬בריכוז ובטעם‪ ,‬והם נמצאים בשימוש נרחב‬ ‫בקרב ספורטאים מקצועיים וחובבים כאחד‪ .‬אך בל נשכח שהמרכיב החשוב ביותר בכל משקאות‬ ‫הספורט הוא הממס — מים‪ .‬למעשה‪ ,‬יש הטוענים שמים טהורים יעילים לא פחות ממשקאות‬ ‫ספורט במניעת התייבשות תאית‪.‬‬ ‫בפרק זה נוסיף ללמוד על תמיסות‪ ,‬על הרכבן ועל הריכוז שלהן‪ .‬נראה למה חומרים‬ ‫מסוימים מסיסים במים ואחרים לא‪ ,‬ומדוע ריכוז היונים‪ ,‬כדוגמת נתרן ואשלגן‪ ,‬חיוני לתפקוד‬ ‫התאים בגופנו ולשלמותם‪.‬‬

‫‪6.1‬‬ ‫מטרת לימוד‬

‫‪ 1‬להבדיל בין המונחים תמיסה‪,‬‬ ‫מומס וממס‪.‬‬

‫תכונות של תמיסות‬

‫תמיסה (‪ )solution‬היא תערובת הומוגנית (אחידה) של שני חומרים או יותר‪ .‬תמיסה‬ ‫מורכבת ממומס אחד או יותר‪ ,‬שמצוי בממס‪ .‬המומס (‪ )solute‬הוא מרכיב בתמיסה שמצוי‬ ‫בכמות קטנה יותר מהממס‪ .‬הממס (‪ )solvent‬הוא מרכיב בתמיסה שמצוי בכמות גדולה‬ ‫יותר‪ .‬לדוגמה‪ ,‬כשסוכר (המומס) נוסף למים (הממס)‪ ,‬הסוכר מתמוסס במים ונוצרת תמיסה‪.‬‬ ‫במקרים שבהם הממס הוא מים אנו מתייחסים לתערובת ההומוגנית בתור תמיסה מימית‬ ‫(‪ ,aqueous solution‬מהמילה הלטינית ‪ ,aqua‬שפירושה "מים")‪.‬‬ ‫התמוססות של מוצק בנוזל היא אולי הדוגמה השכיחה ביותר להתהוות של תמיסה‪ .‬עם‬ ‫זאת‪ ,‬אפשר ליצור גם תמיסות של גזים ומוצקים‪ ,‬ולא רק של נוזלים‪ .‬לדוגמה‪:‬‬ ‫‪ ‬אוויר הוא תערובת גזית‪ ,‬אך הוא גם תמיסה; חמצן וכמויות זעירות של גזים אחרים‬ ‫מומסים בממס הגזי‪ ,‬חנקן‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪209‬‬

‫‪ ‬נתכים (סגסוגות‪ ,‬מסגים)‪ ,‬כגון פליז וכן הכסף והזהב המשמשים בייצור תכשיטים‪ ,‬גם הם‬ ‫תערובות הומוגניות של שני סוגים (או יותר) של אטומי מתכת המצויים במצב מוצק‪.‬‬

‫רבים‪ ,‬הדגש שלנו יהיה‬ ‫חשיבות ביישומים‬ ‫בעלות‬ ‫מוצקות וגזיות הן‬ ‫אף‬ ‫מספרעל העבודה‪20116 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫בורלאשתמיסות שם‬ ‫ע‪ :‬רונית‬ ‫תמיסות נוזליות משום שתגובות כימיות חשובות רבות מתרחשת בתמיסות נוזליות‪.‬‬

‫עמוד ‪ 195‬א'‬

‫תכונות כלליות של תמיסות נוזליות‬ ‫תמיסות נוזליות הן צלולות ושקופות‪ ,‬וחלקיקי המומס שבהן אינם נראים לעין‪ .‬הן עשויות‬ ‫להיות בעלות צבע או חסרות צבע‪ ,‬בהתאם לתכונות הממס והמומס‪ .‬שימו לב לכך שהמונחים‬ ‫צלול וחסר צבע אינם היינו הך; חסר צבע מציין פשוט היעדר צבע‪.‬‬ ‫כזכור‪ ,‬תמיסות של אלקטרוליטים (‪ )electrolytes‬נוצרות כאשר תרכובות יוניות מומסות‬ ‫במים‪ .‬תרכובות אלה מתפרקות במים ויוצרות יונים‪ .‬תמיסות אלקטרוליטיות מוליכות חשמל‬ ‫היטב‪ .‬לדוגמה‪ ,‬נתרן כלורי מתמוסס במים‪:‬‬

‫צוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫‪HO‬‬ ‫–‬ ‫‪+‬‬ ‫‪2‬‬

‫)‪Na (aq) + Cl (aq‬‬

‫נתרן כלורי‬

‫מומסעמוד‬

‫)‪NaCl(s‬‬

‫לעומת זאת‪ ,‬תמיסות של לא־אלקטרוליטים (‪ )nonelectrolytes‬נוצרות כאשר חומרים‬ ‫מולקולריים שאינם מתפרקים (לא־אלקטרוליטים) מומסים במים‪ ,‬ותמיסות אלה אינן‬ ‫מוליכות חשמל‪ .‬לדוגמה‪ ,‬סוכר מומס במים‪:‬‬ ‫)‪C6H12O6(aq‬‬

‫גלוקוז מומס‬

‫ולספק דוגמאות לכל‬ ‫סוג‪ –.‬איורים לביצוע בגרפיקה‬ ‫פרק ‪6‬‬

‫עמ' ‪ – 195‬תרגום לכיתוב מתחת למש‬ ‫נתרן כלורי מוצק‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫נתרן כלורי‬ ‫‪ 195‬ב'‬ ‫מוצק‬

‫‪H2O‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לתאר סוגים שונים של תמיסות‬ ‫עולם הכימיה ‪20116‬‬

‫)‪C6H12O6(s‬‬

‫גלוקוז מוצק‬

‫תמיסה היא תערובת בעלת תכונות אחידות בכל חלקיה‪ .‬בתמיסה כזו אי־אפשר לבודד את‬ ‫המומס מהתמיסה באמצעות סינון‪ .‬גודל חלקיקי המומס זהה בקירוב לגודל חלקיקי הממס‪,‬‬ ‫והמומס והממס עוברים שניהם את נייר הסינון‪ .‬יתרה מכך‪ ,‬חלקיקי המומס אינם "שוקעים‬ ‫לקרקעית" לאחר זמן‪ .‬כל חלקיקי המומס והממס מעורבבים היטב‪ .‬תנועת החלקיקים המתמדת‬ ‫בתמיסה שומרת על פיזור הומוגני ואקראי של חלקיקי המומס והממס בכלי התמיסה‪.‬‬ ‫סכום הנפחים של המומס והממס אינו שווה לנפח התמיסה; הנפח הכולל של ליטר אחד‬ ‫(‪ )L‬של אלכוהול המעורבב עם ‪ 1‬ליטר של מים אינו ‪ 2‬ליטרים של תמיסה‪ .‬הנפח של נוזל‬ ‫טהור נקבע על פי האופן שבו המולקולות הבדידות מסודרות זו ביחס לזו‪ .‬כאשר מערבבים‬ ‫שני סוגים של מולקולות או יותר‪ ,‬האינטראקציות הופכות מורכבות יותר והסידור משתנה‪.‬‬ ‫קיימות אינטראקציות בין מולקולות הממס לבין עצמן‪ ,‬בין מולקולות המומס לבין עצמן‬ ‫ובין מולקולות המומס לבין מולקולות הממס‪ .‬חשוב לזכור את הדבר בבואנו לפתור בעיות‬ ‫ריכוזים בהמשך‪.‬‬

‫תמיסות וקולואידים‬ ‫כיצד מזהים תמיסה? נוזל צלול המצוי בכוס כימית עשוי להיות חומר טהור‪ ,‬תמיסה או‬ ‫קולואיד‪ .‬רק אנליזה כימית‪ ,‬הקובעת את זהות כל החומרים בנוזל‪ ,‬יכולה להבדיל בין חומר‬ ‫טהור ותמיסה‪ .‬בחומר טהור יש מרכיב אחד‪ ,‬ודוגמה לכך הם מים טהורים‪ .‬תמיסה מכילה‬ ‫כמה חומרים‪ ,‬והחלקיקים הזעירים מעורבבים באופן אחיד‪.‬‬ ‫תרחיף קולואידי (‪ )colloidal suspension‬מורכב אף הוא מחלקיקי מומס המפוזרים‬ ‫בממס‪ .‬עם זאת‪ ,‬ההתפלגות אינה הומוגנית לחלוטין בשל גודל חלקיקי הקולואיד‪ .‬חלקיקים‬

‫תרגום לכיתוב מתחת למשוואה השניי‬ ‫גלוקוז מומס‬ ‫גלוקוז מוצק‬

‫עמ' ‪ ,196‬איור ‪.6.2‬‬ ‫כיתוב בציר האופקי‪ :‬טמפרטורה )‪(oC‬‬ ‫האנכי‪ :‬מסיסות )‪g H2O‬‬ ‫כיתוב בציר‬ ‫מוליכות‬ ‫תמיסות אלקטרוליטיות‬ ‫חשמל כיוון שיש בהן יונים‪.‬‬

‫עמ' ‪ ,197‬איור ‪.6.3‬‬ ‫כיתוב בציר האופקי‪ :‬טמפרטורה )‪(oC‬‬ ‫כיתוב בציר האנכי‪ :‬מסיסות )‪(mol/L‬‬

‫תמיסות לא־אלקטרוליטיות אינן‬ ‫אלא תרגום‪ :‬שקית דיאל‬ ‫איור ‪.6.5‬‬ ‫‪,211‬יונים‬ ‫עמ' בהן‬ ‫מוליכות חשמל כי אין‬ ‫מולקולות‪.‬‬

‫עמ' ‪ ,213‬איור ‪ ,6.6‬לשנות מ‪ a,b,c-‬ל‪-‬‬

‫עמ' ‪ ,215‬איור ‪ ,6.8‬לשנות מ‪ a,b-‬ל‪2-‬‬

‫עמ' ‪ ,216‬מבנה במסגרת הצהובה‪ .‬תרג‬ ‫אזור קוטבי‬ ‫אזור לא‪-‬קוטבי‬

‫איור בתחתית המסגרת הצהובה‪ ,‬לשנו‬

‫עמ' ‪ ,218‬משוואה עם כיתוב אדום בת‬ ‫בצד ימין‪ :‬מולריות של יונים זרחתיים‬ ‫הקשר‬ ‫ביןמולים של מטען לכל מול‬ ‫שמאל‪:‬‬ ‫סעיף ‪ 3.5‬מתאר אתבצד‬ ‫תכונות החומר והגיאומטריה של‬

‫עמ'‬ ‫אותו‪.‬מפת הפרק )האנגלית לשם ה‬ ‫המרכיבות ‪,221‬‬ ‫המולקולות‬ ‫)‪emodialysis‬‬ ‫המודיאליזה‬ ‫השפעות ביולוגיות )‪ological effects‬‬ ‫אלקטרוליטים בתמיסות מימיות )‪ion‬‬ ‫תמיסות מימיות )‪Aqueous solution‬‬ ‫חוק הנרי )‪(Henry's law‬‬ ‫מסיסות של גזים )‪olubility of gases‬‬ ‫שיווי משקל של מסיסות )‪quilibrium‬‬ ‫תכונות של תמיסות )‪ion properties‬‬ ‫קוטביות של מומס וממס )‪nd solvent‬‬ ‫טמפרטורה )‪(Temperature‬‬ ‫)‪(Pressure‬‬ ‫לחץ‬ ‫משקעים תוכלו‬ ‫מידע נוסף על‬ ‫למצוא בסעיף ‪ .4.4‬תמיסות )‪(Solutions‬‬ ‫ריכוז )‪(Concentration‬‬ ‫• מסה‪/‬נפח באחוזים‬ ‫כולל‪:‬‬ ‫• מסה‪/‬מסה באחוזים‬ ‫• חלקים לאלף‬ ‫• חלקים למיליון‬ ‫כולם ניתנים לחישוב בעזרת משוואות‬ ‫תכונות קוליגטיביות )‪ive properties‬‬

‫‪  210‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שקוטרם ‪ 1 × 10−9‬עד ‪ 2 × 10−7‬מטרים הם קולואידים (כזכור‪1 × 10−9 m = 1 nanometer ,‬‬ ‫(‪ ,)nm‬ולפיכך ‪ .)2 × 10−7 m = 200 nm‬חלקיקים הקטנים מ־‪ 1‬ננומטר הם חלקיקי תמיסה;‬ ‫חלקיקים הגדולים מ־‪ 200‬ננומטר הם משקעים (מוצק המצוי במגע עם ממס)‪.‬‬

‫איור ‪ 6.1‬אפקט טינדול‪ .‬הכוס‬ ‫הכימית משמאל מכילה תרחיף‬ ‫קולואידי‪ ,‬אשר מפזר את האור‪.‬‬ ‫האור המפוזר ניכר כאובך‪ .‬הכוס‬ ‫הכימית מימין מכילה תמיסה;‬ ‫לא נצפה בה פיזור של האור‪.‬‬

‫בעין בלתי מזוינת אין הבדל בין תרחיף קולואידי ותמיסה; אין בכוחנו לראות את המומס‬ ‫וגם לא את הקולואיד‪ .‬אך ניסוי פשוט‪ ,‬המשתמש אך ורק במקור אור חזק‪ ,‬מאפשר להבדיל‬ ‫בקלות בין השניים על סמך ההבדלים באינטראקציה שלהם עם אור‪ .‬חלקיקי קולואיד גדולים‬ ‫מספיק לפזר אור; לא כן חלקיקים של מומס‪ .‬כאשר אלומת אור עוברת דרך תרחיף קולואידי‬ ‫החלקיקים הגדולים מפזרים אור‪ ,‬והנוזל נראה עכור‪ .‬דוגמה לתופעה זו היא אור שמש הפוגע‬ ‫בערפל‪ .‬ערפל הוא תרחיף קולואידי של חלקיקים זעירים של מים נוזליים המפוזרים בתווך‬ ‫גזי‪ ,‬אוויר‪ .‬האובך הוא אור המפוזר על ידי טיפות המים‪ .‬אולי שמתם לב לכך שהאורות‬ ‫במכונית שלכם אינם מועילים כל כך במזג אוויר ערפילי‪ :‬הראות גרועה יותר משום שפיזור‬ ‫האור מהפנסים רב יותר‪.‬‬ ‫כוחו של תרחיף קולואידי לפזר אור מכונה אפקט טינדול (‪ .)Tyndall effect‬תמיסות‪,‬‬ ‫שמכילות חלקיקים זעירים‪ ,‬אינן מפזרות אור – לא נצפית בהן עכירות – ואפשר להבדיל‬ ‫בקלות בין תמיסות ותרחיפים קולואידיים באמצעות בחינת תכונות פיזור האור שלהם‬ ‫(איור ‪.)6.1‬‬ ‫תרחיף (‪ )suspension‬הוא תערובת הטרוגנית שמכילה חלקיקים גדולים בהרבה מאלה‬ ‫בתרחיף קולואידי; לאחר זמן מה החלקיקים עשויים לשקוע וליצור פאזה שנייה‪ .‬תרחיף‬ ‫איננו תמיסה אך גם אינו משקע‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 6.1‬כיצד אפשר להבדיל בניסוי בין חומר טהור ותמיסה?‬ ‫שאלה ‪ 6.2‬כיצד אפשר להבדיל בניסוי בין תמיסה ותרחיף קולואידי?‬

‫מידת המסיסות‬ ‫סעיף ‪ 3.5‬דן בפרוטרוט‬ ‫באינטראקציות מומס—ממס‪.‬‬ ‫המונח איכותי מתייחס לזהות‪,‬‬ ‫והמונח כמותי מתייחס לכמות‪.‬‬

‫בדיון שלנו על הקשר שבין קוטביות ומסיסות‪ ,‬הכלל "דומה ממס דומה" תואר כתנאי יסודי‬ ‫של מסיסות‪ .‬מומסים קוטביים מסיסים בממסים קוטביים‪ ,‬ומומסים לא־קוטביים מסיסים‬ ‫בממסים לא־קוטביים‪ .‬מכאן שדי בידע בסיסי על המבנה של מולקולה נתונה על מנת לחזות‬ ‫באופן איכותי את מסיסות התרכובת‪.‬‬ ‫מידת המסיסות (‪ ,)solubility‬כלומר מהי כמות המומס שאפשר להמיס בנפח נתון של‬ ‫ממס‪ ,‬היא אמת מידה כמותית של מסיסות‪ .‬קשה לחזות את המסיסות של כל תרכובת‬ ‫ותרכובת‪ .‬עם זאת יש מגמות כלליות של מסיסות‪ ,‬המבוססות על השיקולים האלה‪:‬‬ ‫‪ ‬מידת ההבדל בקוטביות של הממס והמומס‪ .‬ככל שההבדל גדול יותר‪ ,‬כך מסיסות‬ ‫המומס קטנה יותר‪.‬‬ ‫‪ ‬טמפרטורה‪ .‬בדרך כלל‪ ,‬אך לא תמיד‪ ,‬עלייה בטמפרטורה מגדילה את המסיסות (איור‬ ‫‪ .)6.2‬לא אחת ההשפעה דרמטית‪ .‬לדוגמה‪ ,‬עלייה בטמפרטורה מ־‪ 0°C‬ל־‪ 100°C‬מגדילה‬ ‫את המסיסות במים של ‪ KNO3‬מ־‪ 10‬גרמים ב־‪ 100‬גרם של מים (‪)10 g/100 g H2O‬‬ ‫ל־‪ 240‬גרמים של ‪ KNO3‬ב־‪ 100‬גרם של מים (‪.)240 g/100 g H2O‬‬ ‫‪ ‬לחץ‪ .‬ללחץ השפעה מועטה על מסיסות של מוצקים ונוזלים בנוזלים‪ .‬עם זאת‪ ,‬המסיסות‬ ‫של גז בנוזל מתכונתית ללחץ המופעל‪ .‬משקאות מוגזים‪ ,‬לדוגמה‪ ,‬מיוצרים באמצעות‬ ‫המסת פחמן דו־חמצני במשקה בתנאים של לחץ גבוה‪.‬‬ ‫כאשר תמיסה מכילה את כל המומס שאפשר להמיס בטמפרטורה נתונה אנו אומרים‬ ‫שהתמיסה רוויה (‪ .)saturated solution‬ערכים של מסיסות מתייחסים לריכוז של תמיסה‬

‫איור ‪6-2‬‬ ‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫רוויה‪ .‬לדוגמה‪ ,‬אם נתון שהתמיסה מכילה ‪ 13.3 g‬של אשלגן‬ ‫חנקתי ב־‪ 100 g‬של מים ב־ ‪ ,1°C‬משמע שזוהי המסה‬ ‫המקסימלית של אשלגן חנקתי שאפשר להמיס ב־‪ 100‬גרם‬ ‫מים בטמפרטורה הנתונה‪.‬‬ ‫כפי שציינו‪ ,‬עלייה בטמפרטורה מגדילה לרוב את כמות‬ ‫המומס שתמיסה נתונה יכולה להכיל‪ .‬ולהפך – קירור תמיסה‬ ‫רוויה מוביל לא אחת להקטנת כמות המומס בתמיסה‪ .‬המומס‬ ‫העודף צונח לקרקעית כלי הקיבול בצורת משקע (‪;precipitate‬‬ ‫מוצק המצוי במגע עם התמיסה)‪ .‬מדי פעם‪ ,‬לאחר הקירור‪,‬‬ ‫עודפי המומס עשויים להישאר בתמיסה במשך זמן מה‪.‬‬ ‫תמיסה מעין זו מכונה תמיסה רוויה ביתר (‪supersaturated‬‬ ‫‪ .)solution‬במצב זה התמיסה בלתי יציבה מיסודה‪ .‬לאחר זמן‬ ‫מה עודפי המומס ישקעו והתמיסה תחזור למצב הרווי היציב‪.‬‬

‫‪250‬‬

‫‪KNO3‬‬

‫‪200‬‬ ‫‪NaNO3‬‬ ‫‪150‬‬ ‫‪NaBr‬‬ ‫‪KBr‬‬

‫‪100‬‬

‫‪KCl‬‬ ‫‪NaCl‬‬ ‫‪Na2SO4‬‬ ‫‪Ce2(SO4)3‬‬ ‫‪100‬‬

‫‪50‬‬

‫‪80‬‬

‫‪40‬‬ ‫‪60‬‬ ‫טמפרטורה )‪(°C‬‬

‫‪20‬‬

‫מסיסות )‪(g solute/100 g H2O‬‬

‫מסיסות ושיווי משקל‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪211‬‬

‫‪0‬‬

‫כאשר עודף של מומס מוצק נוסף לממס‪ ,‬הוא מתחיל להתמוסס‬ ‫וממשיך עד שמתקבל שיווי משקל דינמי בין המומס בתמיסה‬ ‫איור ‪ 6.2‬מסיסות של מגוון תרכובות יוניות במים כתלות‬ ‫לבין המוצק‪.‬‬ ‫בטמפרטורה‪ .‬שימו לב לכך ש־‪ Na2SO4‬ו־‪ Ce2(SO4)3‬מסיסים פחות ככל‬ ‫בתחילה קצב ההתמוססות גדול‪ .‬לאחר זמן מה גדל קצב‬ ‫שהטמפרטורה עולה‪.‬‬ ‫התהליך ההפוך – שיקוע‪ .‬קצב ההתמוססות וקצב השיקוע‬ ‫משתווים בסופו של דבר‪ ,‬ואז לא חל כל שינוי נוסף בהרכב‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫התמיסה‪ .‬עם זאת‪ ,‬יש תחלופה בלתי פוסקת של חלקיקי מומס בין הפאזה המוצקה והנוזלית‬ ‫‪ 3‬לתאר את הקשר שבין מסיסות‬ ‫משום שהחלקיקים מצויים בתנועה מתמדת‪ .‬התמיסה רוויה‪ .‬ההגדרה המדויקת ביותר של‬ ‫ושיווי משקל‪.‬‬ ‫תמיסה רוויה היא תמיסה המצויה בשיווי משקל עם המוצק‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫מסיסות של גזים‪ :‬חוק הנרי‬

‫הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם‬ ‫מושג שיווי המשקל הוצג בסעיף ‪5.2‬‬

‫כשנוזל וגז מגיעים למצב של שיווי משקל‪ ,‬כמות הגז המומסת בנוזל מגיעה לרמה מרבית‬ ‫מסוימת‪ .‬אפשר לחזות את הכמות הזאת על סמך קשר פשוט מאוד‪ .‬חוק הנרי (‪)Henry's Law‬‬ ‫קובע כי מספר המולים של גז מומס בנוזל בטמפרטורה נתונה מתכונתי ללחץ הגז‪ .‬במילים‬ ‫אחרות‪ ,‬מסיסות הגז מתכונתית ללחץ של הגז באטמוספרה שבאה במגע עם הנוזל‪.‬‬ ‫הניסוח המתמטי של חוק הנרי הוא‪:‬‬

‫איור ‪6-3‬‬ ‫מושג הלחץ החלקי הוא תוצאה של‬

‫חוק דלטון‪ ,‬שתואר בסעיף ‪.5.1‬‬

‫‪0.002‬‬

‫מסיסות )‪(mol/L‬‬

‫‪M = kP‬‬

‫ויתואר בפרוטרוט בסעיף ‪.7.4‬‬

‫‪ M‬הוא המולריות של הגז בנוזל ביחידות מולים לליטר (‪ .)mol/L‬לחץ הגז (ב־‪ )atm‬מעל‬ ‫התמיסה‪ ,‬במצב שיווי המשקל‪ ,‬הוא ‪ .P‬עבור גז נתון‪ k ,‬הוא קבוע שתלוי אך ורק בטמפרטורה‪.‬‬ ‫‪0.001‬‬ ‫היחידות של הקבוע ‪ k‬הן ‪ .mol/L ∙ atm‬אם יש כמה גזים‪ P ,‬הוא הלחץ החלקי‪.‬‬ ‫משקאות מוגזים מבוקבקים בתנאי לחץ גבוה של פחמן דו־חמצני‪ .‬כשפותחים את הפקק‬ ‫מתרחש בעבוע‪ ,‬משום שהלחץ של הפחמן הדו־חמצני באטמוספרה נמוך בהרבה מזה ששימש ‪0 20 40 60 80 100‬‬ ‫הבקבוק‪ .‬עקב כך‪ ,‬כמות הגז המומס משתנה במהירות עד לקבלת שיווי משקל של‬ ‫בתהליך ִּ‬ ‫טמפרטורה )‪(°C‬‬ ‫לחץ נמוך יותר‪.‬‬ ‫איור ‪ 6.3‬המסיסות של גז‬ ‫קטנה בחדות בטמפרטורות גבוהות (איור‬ ‫מסיסות הגז גדולה בטמפרטורות נמוכות‪ ,‬והיא ֵ‬ ‫‪ O2‬במים קטנה באופן חד כאשר‬ ‫‪ .)6.3‬הדבר מסביר תצפיות שכיחות רבות‪ .‬לדוגמה‪ ,‬כשאנו פותחים משקה מוגז צונן הוא‬ ‫טמפרטורת המים עולה; לכך‬ ‫מאבד את הגזים במהירות תוך שהוא מתחמם לטמפרטורת החדר‪ .‬בזמן שהמשקה מתחמם‪,‬‬ ‫עשויות להיות השלכות סביבתיות‬ ‫מסיסות הפחמן הדו־חמצני קטנה‪.‬‬ ‫משמעותיות‪.‬‬

‫‪  212‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫צלילה‪ :‬חנקן ודקומפרסיה‬ ‫החשש הגדול ביותר של צוללן הנעזר במכשירי צלילה הוא‬ ‫מפגיעה באספקת החמצן עקב כשל בציוד‪ ,‬דבר שיכפה עליו‬ ‫לעלות במהירות לפני המים על מנת לנשום‪ .‬כאשר צוללן נאלץ‬ ‫לעלות מהר מדי הוא עלול לסבול ממצב המכונה "דקומפרסיה"‪.‬‬ ‫הבעיה נעוצה בגידול העצום בלחץ שצוללים חווים ככל‬ ‫שהם מעמיקים‪ ,‬וזאת עקב משקל המים שמעליהם‪ .‬על פני‬ ‫המים הלחץ הוא בקירוב אטמוספרה אחת (‪ .)atm‬בעומק‬ ‫של כ־‪ 60‬מטר הלחץ המקורב גדול פי שישה; מכאן שריכוז‬ ‫ה־‪ N2‬בדם גדל באופן חד‪ .‬גם מסיסות החמצן גדלה‪ ,‬אם כי‬ ‫השפעת הדבר חמורה פחות (‪ 20%‬מהאוויר הם ‪ 80% ,O2‬ממנו‬ ‫הם ‪ .)N2‬כזכור‪ ,‬לפי חוק הנרי מספר המולים של גז המומס בדם‬ ‫מתכונתי ללחץ הגז‪.‬‬ ‫כאשר הצוללן עולה במהירות אל פני המים הלחץ יורד‬ ‫במהירות והחנקן "רותח" מתוך הדם‪ ,‬ונוצרות בועות אשר‬ ‫עוצרות את זרימת הדם ומפריעות להולכה העצבית‪ .‬מפרקי‬ ‫הגוף ננעלים בתנוחה כפופה‪ ,‬ולכן התופעה נקראת באנגלית‬ ‫גם ‪( the bends‬מלשון ‪ ,bend‬כפיפה)‪.‬‬ ‫על מנת לצמצם את הבעיה‪ ,‬חלק ממכלי הצלילה ממולאים‬ ‫בתערובת של הליום וחמצן במקום חנקן וחמצן‪ .‬מסיסות‬ ‫ההליום בדם נמוכה בהרבה‪ ,‬ובדומה לחנקן הוא גז אדיש‪.‬‬ ‫אם משתמשים במכל המכיל תערובת של חנקן וחמצן‬ ‫צלילה‪.‬‬ ‫מומלץ לצוללנים לבצע כמה עצירות דקומפרסיה תוך כדי‬ ‫העלייה לפני המים על מנת להימנע מבעבוע של חנקן‪" .‬פסקי‬ ‫זמן" כאלה מאפשרים שינוי הדרגתי יותר של ריכוז החנקן שאלות הרחבה‬ ‫בדם; המטרה היא להגיע לרמות חנקן נורמליות (או כמעט @ מדוע כשצוללנים מתרוממים לפני המים באטיות הסבירות‬ ‫נורמליות) כאשר הצוללן עולה לפני המים‪ .‬על מנת לסייע‬ ‫שיינזקו נמוכה?‬ ‫לצוללנים פותחו טבלאות ותרשימים המפרטים לחצים וזמני‬ ‫@ אילו תכונות הכרחיות בעיצוב כלי שיט מאוישים לחקר‬ ‫ ‬ ‫דקומפרסיה‪.‬‬ ‫מצולות האוקיינוס?‬ ‫חוק הנרי מסייע להסביר את תהליך הנשימה‪ .‬הנשימה מבוססת על תחלופה מהירה ויעילה‬ ‫של חמצן ופחמן דו־חמצני בין האטמוספרה והדם‪ .‬התחלופה הזו מתרחשת באמצעות‬ ‫הריאות‪ .‬התהליך שבו חמצן נכנס לדם ופחמן דו־חמצני משתחרר לאטמוספרה מתבצע‬ ‫בנאדיות ריאה שמוקפות במערכת נימים מסועפת‪ .‬האוויר בנאדיות והדם בנימים מגיעים‬ ‫למצב שיווי משקל בתוך זמן קצר‪ .‬הטמפרטורה של הדם קבועה הלכה למעשה‪ ,‬לפיכך ריכוזי‬ ‫שיווי המשקל של החמצן והפחמן הדו־חמצני נקבעים על פי יחסי הלחצים של הגזים‪ .‬החמצן‬ ‫מועבר לתאים‪ ,‬שם מתחוללות מגוון תגובות‪ ,‬ותוצר הלוואי של הנשימה‪ ,‬פחמן דו־חמצני‪,‬‬ ‫מוחזר לריאות ונפלט לאטמוספרה‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 6.3‬מדוע בקבוק משקה מוגז מאבד את הגזים שבו זמן מה לאחר שנפתח?‬ ‫שאלה ‪ 6.4‬האם המשקה הקל משאלה ‪ 6.3‬מאבד גזים מהר יותר אם הוא מחומם‬ ‫לטמפרטורת החדר? מדוע?‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫עבור ‪ CO2‬בתמיסה מימית ובטמפרטורה של ‪ ,25ºC‬הקבוע של חוק הנרי‪ ,k ,‬הוא‬ ‫(‪ .)3.1 × 10–2 mol/L ∙ atm‬השתמשו במידע הזה על מנת לענות על שאלות ‪ 6.5‬ו־‪.6.6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪213‬‬

‫ראו נקודת מבט רפואית‪ :‬גזים בדם‬ ‫ונשימה‪ ,‬פרק ‪.5‬‬

‫שאלה ‪ 6.5‬בקבוק סודה סגור מכיל גז ‪ CO2‬ב־‪ .6.0 atm‬מהי מסיסות שיווי המשקל של ‪CO2‬‬ ‫בבקבוק הסגור בטמפרטורה של ‪ 25ºC‬ביחידות של ‪?mol/L‬‬

‫שאלה ‪ 6.6‬לאחר שהבקבוק משאלה ‪ 6.5‬נפתח‪ ,‬התסיסה שמתרחשת מעידה על אובדן של‬ ‫‪ .CO2‬אם הלחץ של ‪ CO2‬באטמוספרה הוא ‪ ,5.0 × 10–4 atm‬מהו ריכוז שיווי המשקל של ‪CO2‬‬ ‫בבקבוק הסודה הפתוח‪ ,‬ביחידות ‪?mol/L‬‬

‫‪6.2‬‬

‫ריכוז המבוסס על יחידות מסה באחוזים‬

‫ריכוז (‪ )concentration‬של תמיסה מוגדר בתור כמות המומס שהתמוססה בכמות נתונה של‬ ‫תמיסה‪ .‬לריכוז של תמיסה יש השפעה מהותית על תכונות התמיסה‪ ,‬הן הפיזיקליות (נקודת‬ ‫התכה ונקודת רתיחה) והן הכימיות (פעילות התמיסה)‪ .‬אפשר לבטא את ריכוז התמיסה‬ ‫ביחידות רבות‪ .‬כאן נבחן יחידות ריכוז המבוססות על מסה באחוזים‪.‬‬

‫מסה‪/‬נפח באחוזים‬ ‫הריכוז של תמיסה מוגדר בתור כמות המומס שהתמוסס בכמות נתונה של תמיסה‪,‬‬ ‫כמות המומס‬ ‫כמות התמיסה‬

‫= ריכוז‬

‫אם נגדיר את כמות המומס במונחי מסת המומס (בגרמים) ואת כמות התמיסה במונחי נפח‬

‫(מיליליטר)‪ ,‬הרי שהריכוז יבוטא בתור היחס‬

‫גרם של מומס‬ ‫מיליליטר של תמיסה‬

‫= ריכוז‬

‫אפשר לבטא את הריכוז הזה כאחוז באמצעות הכפלת היחס ב־‪ .100%‬התוצאה היא‬ ‫‪ × 100 %‬גרם של מומס‬ ‫מיליליטר של תמיסה‬

‫‪ %‬ריכוז‬ ‫=‬

‫הריכוז האחוזי המבוטא בדרך זו מכונה מסה‪/‬נפח באחוזים (‪ ,)mass/volume percent‬או‬ ‫)‪ .% (m/V‬כלומר‬ ‫גרם של מומס‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫מיליליטר של תמיסה‬ ‫הבה נבחן את הדוגמאות שלהלן‪.‬‬

‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫‪% ‬‬ ‫‪V‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב את ריכוז התמיסה במונחי‬

‫מסה‪/‬נפח באחוזים‪ ,‬מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪ ,‬חלקים לאלף וחלקים‬ ‫למיליון‪.‬‬

‫‪  214‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫דוגמה ‪ 6.1‬חישוב מסה‪/‬נפח באחוזים‬ ‫מהו הריכוז במושגים של מסה‪/‬נפח באחוזים‪ ,‬או )‪ ,% (m/V‬של ‪ 3.0 × 102 mL‬של תמיסה‬ ‫המכילה ‪ 15.0 g‬של גלוקוז?‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬הביטוי למסה‪/‬נפח באחוזים הוא‪:‬‬

‫גרם של מומס‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫מיליליטר של תמיסה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב את ריכוז התמיסה במונחי‬

‫מסה‪/‬נפח באחוזים‪ ,‬מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪ ,‬חלקים לאלף וחלקים‬ ‫למיליון‪.‬‬

‫‪m‬‬ ‫‪% ‬‬ ‫=‬ ‫‪V‬‬

‫שלב ‪ .2‬יש ‪ 15.0 g‬של גלוקוז (המומס) ונפח התמיסה הכולל הוא ‪ .3.0 × 102 mL‬נציב נתונים בביטוי שלנו למסה‪/‬נפח באחוזים‬ ‫ונקבל‪:‬‬ ‫‪1 5.0 g glucose‬‬ ‫‪m‬‬ ‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫‪% ‬‬ ‫=‬ ‫‪× 100% 5.00%   glucose‬‬ ‫‪2 mL solution‬‬ ‫‪V‬‬ ‫×‬ ‫‪3.00‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪V‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.1‬‬

‫א ‪.‬‬ ‫ב‪ .‬‬ ‫ג‪ .‬‬ ‫ד‪ .‬‬

‫מהו הריכוז במושגים של )‪ % (m/V‬של תמיסה בנפח ‪ 0.0600 L‬המכילה ‪ 10.0 g‬של ‪?NaCl‬‬ ‫מהו הריכוז במושגים של )‪ % (m/V‬של תמיסה בנפח ‪ 0.200 L‬המכילה ‪ 15.0 g‬של ‪?KCl‬‬ ‫‪ 20.0 g‬של גז חמצן מעורבבים עם ‪ 80.0 g‬של גז חנקן‪ ,‬ומצויים בכלי קיבול בנפח ‪ 78.0 L‬בתנאי טמפרטורה ולחץ תקניים‪.‬‬ ‫מהו הריכוז במושגים של )‪ % (m/V‬של גז החמצן בתמיסה?‬ ‫‪ 50.0 g‬של גז ארגון מעורבבים עם ‪ 80.0 g‬של גז הליום‪ ,‬ומצויים בכלי קיבול בנפח ‪ 476 L‬בתנאי טמפרטורה ולחץ תקניים‪.‬‬ ‫מהו הריכוז במושגים של )‪ % (m/V‬של גז הארגון בתמיסה?‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.23‬ו־‪6.24‬‬

‫דוגמה ‪ 6.2‬חישוב המסה או הנפח של מומס באמצעות מסה‪/‬נפח באחוזים‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫כמה גרמים של ‪ NaCl‬יש ב־‪ 5.00 × 102 mL‬של תמיסה בריכוז )‪?10.0% (m/V‬‬ ‫‪ 4‬לחשב את ריכוז התמיסה במונחי‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬הביטוי למסה‪/‬נפח באחוזים הוא‪:‬‬

‫שלב ‪ .2‬נציב את נתוני הבעיה‪:‬‬

‫גרם של מומס‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫מיליליטר של תמיסה‬

‫מסה‪/‬נפח באחוזים‪ ,‬מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪ ,‬חלקים לאלף וחלקים‬ ‫למיליון‪.‬‬

‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫‪% ‬‬ ‫‪V‬‬

‫‪X g NaCl‬‬ ‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫‪10.0%  ‬‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫‪ V  5.00 × 1 02 mL solution‬‬

‫שלב ‪ .3‬נכפול משני הצדדים ונפשט‪:‬‬ ‫‪m‬‬ ‫‪‬‬ ‫=‪X g NaCl‬‬ ‫)‪× 100% 10.0%  (5.00 × 102 mL solution‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪‬‬

‫שלב ‪ .4‬נחלק את שני הצדדים ב־‪ 100%‬על מנת לבודד את מסת ‪ NaCl‬בגרמים בצד שמאל של המשוואה‪:‬‬ ‫‪X = 50.0 g NaCl‬‬

‫לחלופין‪ ,‬אפשר להשתמש בריכוז כגורם המרה ולהגיע לתוצאה זהה‪:‬‬ ‫‪ 10% g NaCl ‬‬ ‫‪2‬‬ ‫=‬ ‫‪g NaCl ‬‬ ‫)‪ (5.00 × 10 mL solution‬‬ ‫‪ mL solution ‬‬ ‫‪g NaCl = 50.0 g NaCl‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪215‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.2‬‬

‫א‪ .‬מהי המסה (בגרמים) של נתרן הידרוקסידי הדרושה על מנת להכין ‪ 2.00‬ליטר של תמיסה בריכוז )‪?1.00% (m/V‬‬ ‫ב‪ .‬מהו הנפח (במיליליטר) של תמיסה שמכילה ‪ 10.0‬גרם של ‪ NaCl‬בריכוז )‪?25.0% (m/V‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.33‬ו־‪6.34‬‬

‫אם יחידות המסה אינן בגרמים‪ ,‬או אם נפח התמיסה מובא ביחידות שאינן מיליליטר‪ ,‬יש‬ ‫להשתמש בגורם המרה מתאים על מנת להגיע ליחידות המופיעות במשוואה‪.‬‬

‫סעיפים ‪ 1.3‬ו־‪ 1.5‬דנים ביחידות‬ ‫ובהמרת יחידות‪.‬‬

‫מסה‪/‬מסה באחוזים‬ ‫היחס בין מסת המומס למסת התמיסה המבוטא באחוזים הוא יחידה שימושית במיוחד‬ ‫במקרה של תערובות של מוצקים‪ ,‬שבהן קל למדוד את המסות‪ .‬היחס מסומן‪ :‬מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים (‪ ,)mass/mass percent‬או )‪ .% (m/m‬הביטוי המשמש לחישוב מסה‪/‬מסה באחוזים‬ ‫מקביל לנוסח של )‪:% (m/V‬‬ ‫גרם של מומס‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫גרם של תמיסה‬

‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫‪% ‬‬ ‫‪m‬‬

‫דוגמה ‪ 6.3‬חישוב מסה‪/‬מסה באחוזים‬ ‫מהו )‪ % (m/m‬של פלטינה בטבעת זהב אשר מכילה ‪ 14.00‬גרם זהב ו־‪ 4.500‬גרם פלטינה?‬

‫מסה‪/‬נפח באחוזים‪ ,‬מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪ ,‬חלקים לאלף וחלקים‬ ‫למיליון‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נשתמש בהגדרה של מסה‪/‬מסה באחוזים‪,‬‬

‫גרם של מומס‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫גרם של תמיסה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב את ריכוז התמיסה במונחי‬

‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫‪% ‬‬ ‫‪m‬‬

‫שלב ‪ .2‬נציב נתונים‪,‬‬ ‫‪× 100 %‬‬

‫פלטינה ‪4.500 g‬‬ ‫זהב ‪ + 14.00 g‬פלטינה ‪4.500 g‬‬ ‫‪4.500 g‬‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫‪18.50 g‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.3‬‬

‫‪m‬‬ ‫‪% ‬‬ ‫=‬ ‫‪m‬‬

‫=‬

‫פלטינה ‪= 24.32%‬‬

‫א ‪ .‬מהו )‪ % (m/m‬של גז חמצן המצוי בתערובת המכילה ‪ 20.0‬גרם של גז חמצן ו־‪ 80.0‬גרם של גז חנקן?‬ ‫ב‪ .‬מהו )‪ % (m/m‬של גז ארגון המצוי בתערובת המכילה ‪ 50.0‬גרם של גז ארגון ו־‪ 80.0‬גרם של גז הליום?‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.27‬ו־‪6.28‬‬

‫‪  216‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב את ריכוז התמיסה במונחי‬

‫מסה‪/‬נפח באחוזים‪ ,‬מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪ ,‬חלקים לאלף וחלקים‬ ‫למיליון‪.‬‬

‫חלקים לאלף (‪ )ppt‬וחלקים למיליון (‪)ppm‬‬ ‫חישוב הריכוז ביחידות חלקים לאלף (‪ )parts per thousand, ppt‬או חלקים למיליון (‪parts‬‬ ‫‪ )per million, ppm‬מסתמך על היגיון זהה לחישוב של מסה‪/‬מסה באחוזים‪ .‬התוצאה באחוזים‬ ‫היא למעשה מספר החלקים של מומס לכל ‪ 100‬חלקים של תמיסה‪ .‬לדוגמה‪ ,‬תמיסה שבה‬ ‫)‪ 5.00% (m/m‬מורכבת מ־‪ 5.00‬גרם מומס ב־‪ 100‬גרם תמיסה‪.‬‬ ‫גרם של מומס ‪5.00‬‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫גרם של תמיסה ‪100‬‬

‫‪m‬‬ ‫‪5.00%  ‬‬ ‫=‬ ‫‪m‬‬

‫מכאן נובע שתמיסה שבה ‪ 5.00 ppt‬מורכבת מ־‪ 5.00‬גרם מומס ב־‪ 1,000‬גרם תמיסה‪.‬‬ ‫גרם של מומס ‪5.00‬‬ ‫‪× 103 ppt‬‬ ‫גרם של תמיסה ‪1,000‬‬

‫=‬ ‫‪5.00 ppt‬‬

‫באותו אופן‪ ,‬תמיסה שבה ‪ 5.00 ppm‬מורכבת מ־‪ 5.00‬גרם מומס ב־‪ 1,000,000‬גרם תמיסה‪.‬‬ ‫גרם של מומס ‪5.00‬‬ ‫‪× 106 ppm‬‬ ‫גרם של תמיסה ‪1,000,000‬‬

‫הביטויים הכלליים הם‪:‬‬ ‫וכן‬

‫‪ × 103 ppt‬גרם של מומס‬ ‫גרם של תמיסה‬

‫=‬ ‫‪5.00 ppm‬‬

‫=‬ ‫‪ppt‬‬

‫גרם של מומס‬ ‫‪× 106 ppm‬‬ ‫גרם של תמיסה‬

‫=‬ ‫‪ppm‬‬

‫היחידות ‪ ppt‬ו־‪ ppm‬משמשות לרוב לביטוי ריכוזים של תמיסות מהולות מאוד‪.‬‬

‫דוגמה ‪6.4‬‬

‫חישוב ‪ ppt‬ו־‪ppm‬‬

‫דגימת מי נהר במסה של ‪ 1.00‬גרם מכילה ‪ 1.0 × 10−6‬גרם עופרת‪ .‬מהו ריכוז העופרת במי‬ ‫הנהר ביחידות )‪ ppt ,% (m/m‬ו־‪ ?ppm‬איזו יחידה מתאימה יותר בנסיבות האלה?‬ ‫פתרון‬ ‫מסה באחוזים‪:‬‬ ‫‪× 100 %‬‬

‫גרם של מומס‬ ‫גרם של תמיסה‬

‫‪m‬‬ ‫‪−4‬‬ ‫= ‪%‬‬ ‫‪ 1.0 × 10 %‬‬ ‫‪m‬‬

‫גרם של מומס‬ ‫=‬ ‫‪ppt‬‬ ‫‪× 103 ppt‬‬ ‫גרם של תמיסה‬ ‫‪1.0 × 10− 6 g Pb‬‬ ‫‪× 103 ppt‬‬ ‫‪1.0 g solution‬‬

‫‪ppt = 1.0 × 10−3 ppt‬‬

‫מסה‪/‬נפח באחוזים‪ ,‬מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪ ,‬חלקים לאלף וחלקים‬ ‫למיליון‪.‬‬

‫‪m‬‬ ‫=‬ ‫‪% ‬‬ ‫‪m‬‬

‫‪ m  1.0 × 10− 6 g Pb‬‬ ‫‪% ‬‬ ‫=‬ ‫‪× 100%‬‬ ‫‪1.0 g solution‬‬ ‫‪m‬‬

‫חלקים לאלף‪:‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב את ריכוז התמיסה במונחי‬

‫=‬ ‫‪ppt‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫חלקים למיליון‪:‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪217‬‬

‫גרם של מומס‬ ‫=‬ ‫‪ppm‬‬ ‫‪× 106 ppm‬‬ ‫גרם של תמיסה‬ ‫‪1.0 × 10− 6 g Pb‬‬ ‫‪× 106 ppm‬‬ ‫‪1.0 g solution‬‬

‫=‬ ‫‪ppm‬‬

‫‪ppm = 1.0 ppm‬‬

‫חלקים למיליון היא היחידה המתאימה ביותר‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.4‬‬

‫א ‪ .‬מהו הריכוז‪ ,‬ביחידות ‪ ppt‬ו־‪ ,ppm‬של גז חמצן בתערובת המכילה ‪ 20.0‬גרם של גז חמצן ו־‪ 80.0‬גרם של גז חנקן?‬ ‫ב‪ .‬מהו הריכוז‪ ,‬ביחידות ‪ ppt‬ו־‪ ,ppm‬של גז ארגון בתערובת המכילה ‪ 50.0‬גרם של גז ארגון ו־‪ 80.0‬גרם של גז הליום?‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.37‬ו־‪6.38‬‬

‫‪6.3‬‬

‫ריכוז המבוסס על יחידות מולים‬

‫בפרק ‪ 4‬ראינו כי המשוואה הכימית מייצגת את המספר היחסי של מולים של מגיבים המניבים‬ ‫תוצרים‪ .‬כאשר תגובות כימיות מתרחשות בתמיסה‪ ,‬מקובל לייצג את הריכוז על בסיס מולרי‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לחשב את ריכוז התמיסה‬

‫ביחידות של מולר‪.‬‬

‫מולריות‬ ‫יחידת הריכוז השכיחה ביותר המבוססת על המול היא מולר (‪ ,)M‬והיא מייצגת את המולריות‬ ‫(‪ ,)Molarity‬המסומלת גם היא ‪ .M‬מולר מוגדר בתור מספר המולים של מומס בליטר של‬ ‫תמיסה‪ ,‬או‬ ‫מולים של מומס‬ ‫ליטר של תמיסה‬

‫=‪M‬‬

‫דוגמה ‪ 6.5‬חישוב מולריות על סמך מולים‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לחשב את ריכוז התמיסה‬

‫מהי המולריות של תמיסה בנפח ‪ 2.0‬ליטר המכילה ‪ 5.0‬מול של ‪?NaOH‬‬ ‫פתרון‬ ‫נשתמש בביטוי למולריות‪,‬‬

‫נציב נתונים ונקבל‪,‬‬

‫ביחידות של מולר‪.‬‬

‫מולים של מומס‬ ‫ליטר של תמיסה‬

‫=‪M‬‬

‫‪5.00 mol NaOH‬‬ ‫‪= 2.5 M‬‬ ‫‪2.0 L solution‬‬

‫=‬ ‫‪M NaOH‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.5‬‬

‫מהי המולריות של תמיסה בנפח ‪ 2.5‬ליטר שמכילה ‪ 0.75‬מול של ‪?MgCl2‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.41‬ו־‪6.42‬‬

‫‪  218‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫חשוב לזכור שלעתים עלינו להשתמש בגורמי המרה על מנת להמיר ממסה למספר המולים‪.‬‬ ‫ראו בדוגמה שלהלן‪:‬‬

‫סעיפים ‪ 1.3‬ו־‪ 1.5‬דנים ביחידות‬ ‫ובהמרת יחידות‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 6.6‬חישוב מולריות על סמך מסה‬ ‫אם ‪ 5.00‬גרם גלוקוז מומסים בתמיסה בנפח ‪ 1.00 × 102‬מיליליטר‪ ,‬מהי המולריות‪ ,M ,‬של‬ ‫תמיסת הגלוקוז?‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לחשב את ריכוז התמיסה‬

‫ביחידות של מולר‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬על מנת שנוכל לחשב את המולריות עלינו להמיר את כמות הגלוקוז מגרמים למולים‪ .‬המסה המולרית של גלוקוז היא‬ ‫‪ .1.80 × 102 g/mol‬לפיכך‪,‬‬ ‫‪1 mol‬‬ ‫‪2.78 × 10− 2 mol glucose‬‬ ‫=‬ ‫‪1.80 × 102 g‬‬

‫× ‪5.00 g‬‬

‫שלב ‪ .2‬נמיר מיליליטר לליטר‪:‬‬ ‫‪1L‬‬ ‫‪1.00 × 10− 1 L‬‬ ‫=‬ ‫‪103 mL‬‬

‫שלב ‪ .3‬נציב נתונים‪:‬‬

‫× ‪1.00 × 102 mL‬‬

‫‪2.78 × 10− 2 mol‬‬ ‫=‬ ‫‪1.00 × 10− 1 L‬‬

‫‪M glucose‬‬

‫‪= 2.78 × 10–1 M‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.6‬‬

‫מהי המולריות‪ ,M ,‬של ‪ KCl‬כאשר ‪ 2.33‬גרם של ‪ KCl‬מומסים ב־‪ 2.50 × 103 mL‬של תמיסה?‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.43‬ו־‪6.44‬‬ ‫דוגמה ‪ 6.7‬חישוב נפח על סמך מולריות‬ ‫מהו הנפח של תמיסת חומצה גפרתית (‪ )H2SO4‬המכילה ‪ 0.120‬מול של מומס בריכוז‬ ‫‪?0.750 M‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לחשב את ריכוז התמיסה‬

‫ביחידות של מולר‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫נציב נתונים בביטוי נוסחת החישוב של המולריות ונקבל‬

‫ ‬

‫‪0.120 mol H 2 SO4‬‬ ‫‪X L‬‬ ‫‪X L = 0.160 L‬‬

‫= ‪0.750 M H 2 SO4‬‬

‫לחלופין‪ ,‬אפשר להשתמש בריכוז כגורם המרה ולהגיע לתשובה זהה‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪Vsoln (L) = ‬‬ ‫) ‪ (0.120 mol H 2SO 4‬‬ ‫‪0.750‬‬ ‫‪mol‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪SO‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪4 ‬‬ ‫‪‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.7‬‬

‫מהו הנפח של תמיסת ‪ KCl‬המכילה‬

‫‪Vsoln = 0.160 L‬‬ ‫‪10–2‬‬

‫× ‪ 5.00‬מול של מומס בריכוז ‪?0.200 M‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.45‬ו־‪6.46‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪219‬‬

‫שאלה ‪ 6.7‬כמה מולים של מומס יש בתמיסת ‪ HCl‬בנפח ‪ 5.00 × 102 mL‬ובריכוז ‪?0.250 M‬‬ ‫שאלה ‪ 6.8‬מהי כמות הכסף החנקתי‪ ,‬בגרמים‪ ,‬הדרושה על מנת להכין ‪ 2.00 L‬של ‪AgNO3‬‬ ‫בריכוז ‪?0.500 M‬‬

‫מיהול‬ ‫ריאגנטים המשמשים במעבדה נקנים לא אחת בצורת תמיסות מרוכזות (לדוגמה ‪12 M HCl‬‬ ‫או ‪ )6 M NaOH‬מסיבות של בטיחות‪ ,‬חיסכון ומגבלות מקום‪ .‬לא אחת עלינו למהול תמיסות‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 6‬לבצע חישובי מיהול‪.‬‬

‫אלה בנפח גדול יותר על מנת להכין תמיסה מרוכזת פחות לצורכי הניסוי שאנו עורכים‪ .‬להלן‬ ‫נציג את הגישה הנהוגה לביצוע חישובי המיהול‪.‬‬ ‫נגדיר‪,‬‬ ‫‪ = M1‬המולריות של התמיסה לפני המיהול‬ ‫‪ = M2‬המולריות של התמיסה אחרי המיהול‬ ‫‪ = V1‬הנפח של התמיסה לפני המיהול‬ ‫‪ = V2‬הנפח של התמיסה אחרי המיהול‬ ‫וכן‪,‬‬ ‫נסדר אברים‪:‬‬

‫מספר המולים של המומס‬ ‫=‪M‬‬ ‫ליטרים של תמיסה‬ ‫(ליטרים של תמיסה))‪ = (M‬מולים של מומס‬

‫מספר המולים של המומס לפני ואחרי המיהול אינו משתנה‪ ,‬משום שהמיהול מתבצע על ידי‬ ‫הוספת כמות של ממס בלבד‪:‬‬

‫או‬

‫‪ mol2‬של מומס = ‪ mol1‬של מומס‬ ‫מצב התחלתי‬ ‫מצב סופי‬ ‫)‪(M1)(L1 solution) = (M2)(L2 solution‬‬ ‫)‪(M1)(V1) = (M2)(V2‬‬

‫ידיעת שלושה מהאברים מאפשרת לנו לחשב את הרביעי‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 6.8‬חישוב מולריות לאחר מיהול‬ ‫מהי המולריות של תמיסה שהוכנה על ידי מיהול של תמיסת ‪ HCl‬בנפח ‪ 0.050 L‬ובריכוז‬ ‫‪ 0.10 M‬לכדי תמיסה בנפח ‪?1.0 L‬‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נסכם את המידע המובא בבעיה‪:‬‬

‫שלב ‪ .2‬נשתמש בביטוי המיהול‪:‬‬

‫‪M1 = 0.10 M‬‬ ‫‪M2 = X M‬‬ ‫‪V1 = 0.050 L‬‬ ‫‪V2 = 1.0 L‬‬ ‫)‪(M1)(V1) = (M2)(V2‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 6‬לבצע חישובי מיהול‪.‬‬

‫‪  220‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שלב ‪ .3‬נחלץ את ‪ ,M2‬הריכוז של התמיסה הסופית‪:‬‬ ‫) ‪( M1 ) (V1‬‬ ‫‪V2‬‬

‫שלב ‪ .4‬נציב נתונים‬

‫= ‪M2‬‬

‫)‪(0.10 M)(0.050 L‬‬ ‫)‪(1.0 L‬‬

‫=‪XM‬‬

‫‪ 5.0 × 10−3 M HCl‬או ‪= 0.0050 M‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.8‬‬

‫מהו הנפח של תמיסת סוכר בריכוז ‪ 0.200 M‬שאפשר להכין מתוך תמיסה בנפח ‪ 50.0‬מיליליטר ובריכוז ‪?0.400 M‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.48‬ו־‪6.49‬‬ ‫משוואת המיהול תקפה לכל יחידת ריכוז‪ ,‬כגון )‪ ,% (m/V‬ולא רק למולריות‪ ,‬שבה השתמשנו‬ ‫בדוגמאות ‪ 6.8‬ו־‪ .6.9‬עם זאת‪ ,‬חשוב להשתמש באותן יחידות בערכי הריכוז ההתחלתי‬ ‫והסופי‪ .‬רק בדרך זו אפשר לבטל יחידות כנדרש‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 6.9‬חישוב נפח מיהול‬ ‫מהו נפח המים‪ ,‬בליטר‪ ,‬שיש להוסיף על מנת למהול תמיסת ‪ HCl‬בנפח ‪ 20.0 mL‬ובריכוז‬ ‫‪ 12.0 M‬לכדי תמיסת ‪ HCl‬ב־‪?0.100 M‬‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נסכם את המידע המובא בבעיה‪:‬‬

‫שלב ‪ .2‬כעת נשתמש בביטוי המיהול‬ ‫שלב ‪ .3‬נחלץ את ‪ ,V2‬הנפח הסופי‪:‬‬

‫שלב ‪ .4‬נציב נתונים‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 6‬לבצע חישובי מיהול‪.‬‬

‫‪M1 = 12.0 M‬‬ ‫‪M2 = 0.100 M‬‬ ‫)‪V1 = 20.0 mL (0.0200 L‬‬ ‫‪V2 = Vfinal‬‬

‫)‪(M1)(V1) = (M2)(V2‬‬ ‫) ‪( M1 )(V1‬‬ ‫) ‪(M2‬‬

‫= ‪V2‬‬

‫)‪(12.0 M)(0.0200 L‬‬ ‫‪= 2.40 L solution‬‬ ‫‪0.100 M‬‬

‫=‬ ‫‪Vfinal‬‬

‫‪= 2.40 L solution‬‬

‫שימו לב לכך שזהו הנפח הסופי הכולל‪ .‬כמות המים שנוספה היא נפח זה פחות נפח התמיסה המקורי‪ ,‬או‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.9‬‬

‫מים ‪2.40 L – 0.0200 L = 2.38 L‬‬

‫כיצד תכינו תמיסת ‪ HCl‬בריכוז ‪ 2.0 M‬ובנפח ‪ 1.0 × 102 mL‬כאשר בידכם תמיסת ‪ HCl‬מרוכזת (‪?)12.0 M‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.47‬ו־‪6.50‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫‪6.4‬‬

‫תכונות של תמיסות התלויות בריכוז‬

‫תכונות קוליגטיביות (‪ )colligative property‬הן תכונות של תמיסה שתלויות בריכוז של‬ ‫חלקיקי המומס ולא בזהות המומס‪.‬‬ ‫יש ארבע תכונות קוליגטיביות של תמיסות‪:‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪221‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לתאר ולהסביר את תכונות‬

‫התמיסה התלויות בריכוזה‪.‬‬

‫הקטנת לחץ האדים‬ ‫הורדת נקודת הקיפאון‬ ‫העלאת נקודת הרתיחה‬ ‫לחץ אוסמוטי‬

‫לכל אחת מהתכונות שימושים מעשיים נרחבים‪ .‬נבחן כל אחת מהן במידת מה של פירוט‬ ‫בחלקים שלהלן‪.‬‬

‫הקטנת לחץ האדים‬ ‫חוק ראול (‪ )Raoult’s law‬קובע כי כאשר מוסיפים מומס בלתי נדיף לממס‪ ,‬לחץ האדים של‬ ‫הממס קטן באופן מתכונתי לריכוז המומס‪.‬‬ ‫אולי התוצאה החשובה ביותר של חוק ראול היא השפעת המומס על נקודת הרתיחה של‬ ‫התמיסה‪.‬‬ ‫כאשר מוסיפים מומס בלתי נדיף לממס‪ ,‬טמפרטורת הרתיחה של התמיסה עולה משום‬ ‫שיש צורך בטמפרטורה גבוהה יותר על מנת לעבור לפאזה הגזית‪.‬‬ ‫אפשר להסביר את חוק ראול במונחים מולקולריים כך‪ :‬לחץ האדים של תמיסה הוא‬ ‫תוצאה של מולקולות ממס שעוברות מהנוזל לפאזה הגזית‪ ,‬ובכך מגדילות את הלחץ החלקי‬ ‫של מולקולות הממס בפאזה הגזית עד שמתקבל שיווי משקל של לחץ האדים‪ .‬נוכחותן‬ ‫של מולקולות מומס מפריעה למעבר מולקולות הממס‪ ,‬וכך לחץ האדים בשיווי משקל קטן‬ ‫(איור ‪.)6.4‬‬

‫הורדת נקודת הקיפאון והעלאת נקודת הרתיחה‬ ‫אפשר להסביר את הורדת נקודת הקיפאון באמצעות בחינת שיווי המשקל בין מצבי המוצק‬ ‫והנוזל‪ .‬בנקודת הקיפאון‪ ,‬קרח מצוי בשיווי משקל עם מים נוזליים‪:‬‬ ‫)‪(f‬‬

‫‪‬‬ ‫) ‪→ H O( s‬‬ ‫‪H 2 O( l ) ←‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪2‬‬

‫איור ‪ 6.4‬המחשה של חוק ראול‪:‬‬ ‫הקטנת לחץ האדים באמצעות‬ ‫הוספה של מולקולות מומס‪.‬‬ ‫היחידות הלבנות מייצגות מולקולות‬ ‫ממס‪ ,‬והיחידות האדומות הן‬ ‫מולקולות מומס‪ .‬מולקולות המומס‬ ‫מקשות על מולקולות הממס להגיע‬ ‫לפני השטח ולעבור לפאזה הגזית‪,‬‬ ‫ובכך מקטינות את לחץ האדים‪.‬‬ ‫כזכור‪ ,‬מושג לחץ האדים של נוזל‬ ‫נידון בסעיף ‪.5.2‬‬

‫)‪(r‬‬

‫מולקולות המומס מפריעות לקצב שבו מולקולות המים הנוזליים נקשרות ויוצרות את המצב‬ ‫המוצק‪ ,‬ומשום כך הן מקטינות את קצב התגובה הישירה‪ .‬במצב של שיווי משקל אמיתי‪ ,‬קצב‬ ‫התהליך הישיר ( ‪ ) f‬וקצב התהליך ההפוך (‪ )r‬מוכרחים להיות שווים‪ .‬הקטנת הטמפרטורה‬ ‫מאטה בסופו של דבר את קצב התהליך ההפוך (‪ )r‬כך שישתווה לקצב התגובה הישירה‪.‬‬ ‫בטמפרטורה הנמוכה יותר נוצר שיווי משקל‪ ,‬והתמיסה קופאת‪.‬‬ ‫אפשר להסביר את התופעה של העלאת נקודת הרתיחה תוך בחינת ההגדרה של נקודת‬ ‫הרתיחה‪ :‬הטמפרטורה שבה לחץ האדים של הנוזל שווה ללחץ האטמוספרי‪ .‬חוק ראול קובע‬ ‫כי המומס מקטין את לחץ האדים של תמיסה‪ .‬לפיכך יש צורך בטמפרטורה גבוהה יותר על‬ ‫מנת להעלות את לחץ האדים ללחץ האטמוספרי‪ ,‬ומכאן נובעת העלייה בנקודת הרתיחה‪.‬‬

‫סעיף ‪ 7.4‬דן בנושא שיווי המשקל‪.‬‬

‫‪  222‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫השיעור של ירידת נקודת הקיפאון ( ‪ )ΔTf‬מתכונתי לריכוז המומס בטווח מוגבל של ריכוזים‪:‬‬ ‫)ריכוז חלקיקי המומס( × ‪ΔTf = kf‬‬

‫העלייה בנקודת הרתיחה ( ‪ )ΔTb‬מתכונתית אף היא לריכוז המומס‪:‬‬ ‫)ריכוז חלקיקי המומס( × ‪ΔTb = kb‬‬

‫אם אנו יודעים את גורם הפרופורציה ( ‪ kf‬או ‪ )kb‬עבור הממס‪ ,‬אנו יכולים לחשב את מידת‬ ‫הירידה בנקודת הקיפאון או העלייה בנקודת הרתיחה עבור תמיסה בריכוז נתון‪.‬‬ ‫את ריכוז המומס יש להביא ביחידות המבוססות על מול‪ .‬מספר החלקיקים (מולקולות‬ ‫או יונים) הוא המרכיב החיוני במקרה הזה‪ ,‬ולא מסת המומס‪ .‬ההשפעה של מולקולה בעלת‬ ‫מסה גבוהה על נקודת הקיפאון או הרתיחה זהה לזו של מולקולה בעלת מסה נמוכה‪ .‬יחידה‬ ‫המבוססת על מול תייצג נכונה את מספר החלקיקים בתמיסה משום שהיא קשורה ישירות‬ ‫למספר אבוגדרו‪.‬‬ ‫עבדנו כבר עם יחידה אחת המבוססת על מולים‪ ,‬היא מולריות‪ ,‬ואפשר להשתמש בה על‬ ‫מנת לחשב את הירידה בנקודת הקיפאון או את העלייה בנקודת הרתיחה‪.‬‬ ‫אולם במצבים מעין אלה נהוג יותר להשתמש ביחידת ריכוז שנייה המבוססת על מולים –‬ ‫מולליות (‪ ,molality‬המסומנת באות ‪ ,)m‬המוגדרת בתור מספר המולים של מומס לקילוגרם‬ ‫(‪ )Kg‬של ממס בתמיסה‪:‬‬ ‫מולים של מומס‬ ‫ק"ג של ממס‬ ‫מולריות תלויה בטמפרטורה‬ ‫משום שהיא מבוטאת ביחידות‬ ‫של מול חלקי נפח‪ .‬הנפח תלוי‬ ‫בטמפרטורה — רוב הנוזלים‬ ‫מתרחבים בשיעור מדיד כאשר‬ ‫מחממים אותם‪ ,‬ומתכווצים‬ ‫כשמקררים אותם‪ .‬מולליות היא‬ ‫‪ ;mol/mass‬המול והמסה כאחד אינם‬ ‫תלויים בטמפרטורה‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית‬

‫=‪m‬‬

‫מולליות אינה משתנה כתלות בטמפרטורה‪ ,‬בעוד מולריות תלויה בטמפרטורה‪ .‬משום כך‬ ‫מולליות היא יחידת הריכוז המועדפת בניסויים הנוגעים לירידה בנקודת הקיפאון ועלייה‬ ‫בנקודת הרתיחה‪ ,‬שבהם מדידת שינוי הטמפרטורה היא מרכיב מהותי‪.‬‬ ‫להלן כמה יישומים מעשיים שמנצלים את הירידה בטמפרטורת הקיפאון של תמיסות‬ ‫בהשפעת מומסים‪:‬‬

‫‪ ‬פיזור מלח על כבישים על מנת להתיך קרח בחורף‪ .‬המלח מוריד את נקודת הקיפאון של‬ ‫המים‪ ,‬ולכן הם נשארים בפאזת הנוזל מתחת לנקודת הקיפאון הרגילה שלהם‪ ,‬שהיא ‪0ºC‬‬ ‫מספר העבודה‪:‬‬ ‫בורלאאו ‪ .32ºF‬שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬ ‫‪ ‬תוספת מומסים "מונעי קפיאה"‪ ,‬כגון אתילן גליקול‪ ,‬לרדיאטורים של מכוניות בחורף‬ ‫מונעת קיפאון באמצעות הורדת נקודת הקיפאון של נוזל הקירור‪.‬‬

‫עמוד ‪222‬א משוואה‬

‫ביצוע‪ :‬רונית‬

‫בדיון על חלקיקים קוליגטיביים התייחסנו לריכוז של חלקיקים‪ .‬מדוע הדגשנו את המילה?‬ ‫הסיבה היא שיש הבדל חשוב מאוד בין אלקטרוליטים ולא־אלקטרוליטים‪ ,‬הנעוץ בהתנהגותם‬ ‫גלוקוז (‪ )C6H12O6‬ב־‪1‬‬ ‫אם נמיס ‪ 1‬מול‬ ‫קילוגרם של מים‪ ,‬מספר העבודה‪:‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬ ‫העבודה‪:‬שלעולם‬ ‫בתמיסה‪ .‬לדוגמה‪,‬שם‬ ‫בורלא‬ ‫)‪1C H O (aq‬‬

‫‪H2O‬‬

‫)‪1C6H12O6(s‬‬

‫‪12 6‬‬ ‫עמוד ‪2226‬ב משוואה‬

‫הרי שכעת מצויים בתמיסה ‪ 1‬מול (מספר אבוגדרו‪ 6.022 × 1023 ,‬חלקיקים) גלוקוז‪ .‬גלוקוז‬ ‫הוא לא־אלקטרוליט המאופיין בקשרים קוולנטיים‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬בהמסת ‪ 1‬מול של נתרן‬ ‫כלורי ב־‪ 1‬קילוגרם של מים‪,‬‬ ‫)‪1Na+(aq) + 1Cl–(aq‬‬

‫‪H2O‬‬

‫)‪1NaCl(s‬‬

‫‪16‬‬

‫‪16‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪223‬‬

‫אנו מקבלים ‪ 2‬מול של חלקיקים (‪ 1‬מול יוני נתרן ו־‪ 1‬מול יוני כלור)‪ .‬נתרן כלורי הוא‬ ‫אלקטרוליט יוני‪.‬‬

‫‪ 1‬מול גלוקוז ← ‪ 1‬מול של חלקיקים בתמיסה‬ ‫‪ 1‬מול נתרן כלורי ← ‪ 2‬מול של חלקיקים בתמיסה‬ ‫מכאן נובע כי ‪ 1‬מול נתרן כלורי יקטינו את לחץ האדים‪ ,‬יעלו את נקודת הרתיחה או יורידו‬ ‫את נקודת הקיפאון של ‪ 1‬קילוגרם מים במידה כפולה מזו של ‪ 1‬מול גלוקוז בכמות זהה של‬ ‫מים‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 6.9‬נשווה מים טהורים ותמיסת גלוקוז בריכוז ‪ .0.10 m‬למי נקודת קיפאון גבוהה‬ ‫יותר?‬ ‫שאלה ‪ 6.10‬נשווה מים טהורים ותמיסת גלוקוז בריכוז ‪ .0.10 m‬למי נקודת רתיחה גבוהה‬ ‫יותר?‬

‫חישוב נקודת הקיפאון ונקודת הרתיחה‬ ‫של תמיסות מימיות‬ ‫הקבוע של הירידה בנקודת הקיפאון עבור תמיסות מימיות הוא‪:‬‬ ‫‪1.86 °C‬‬ ‫‪m‬‬

‫= ‪kf‬‬

‫הביטוי לחישוב השינוי (הירידה) בנקודת הקיפאון של תמיסה מימית שווה למכפלת קבוע‬ ‫הירידה בנקודת הקיפאון והמולליות של התמיסה‪:‬‬ ‫‪ 1.86 °C ‬‬ ‫= ‪∆T f‬‬ ‫‪ m m‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫בדומה לכך‪ ,‬במקרה של עלייה בנקודת הרתיחה‪:‬‬ ‫‪0.52 °C‬‬ ‫‪m‬‬

‫וכן‪,‬‬

‫= ‪kb‬‬

‫‪ 0.52 °C ‬‬ ‫= ‪∆ Tb‬‬ ‫‪ m m‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫אם אנו יודעים את המולליות של התמיסה (‪,)m‬‬ ‫מולים של מומס‬ ‫ק"ג של ממס‬

‫=‪m‬‬

‫אזי בכוחנו לחשב את הירידה בטמפרטורת הקיפאון או את העלייה בטמפרטורת הרתיחה‪.‬‬ ‫אם נזכור שמים טהורים קופאים ב־‪ 0ºC‬ורותחים ב־‪ ,100ºC‬נוכל להפחית ‪ ΔTf‬מ־‪ 0ºC‬ולקבל‬ ‫את נקודת הקיפאון של התמיסה‪ ,‬ולהוסיף ‪ ΔTb‬ל־‪ 100ºC‬וכך לקבל את נקודת הרתיחה של‬ ‫התמיסה‪.‬‬ ‫נציג חישובים מסוג זה בדוגמה ‪.6.10‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לבצע חישובים המתייחסים‬

‫לתכונות קוליגטיביות של תמיסות‪.‬‬

‫א‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬ ‫‪  224‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫דוגמה ‪6-10‬‬

‫דוגמה ‪ 6.10‬חישוב נקודות קיפאון ורתיחה של תמיסות מימיות של מומסים קוולנטיים‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫ללא דיסוציאציה‬ ‫‪H H‬‬ ‫‪ 8‬לבצע חישובים המתייחסים‬ ‫אתילן גליקול‪H ,‬‬

‫‪O‬‬

‫‪C‬‬

‫‪C‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪O‬‬

‫‪ , H‬הוא מונע קיפאון המצוי בשימוש נרחב בכלי רכב‪.‬‬

‫לתכונות קוליגטיביות של תמיסות‪.‬‬

‫א ‪ .‬מהי נקודת הקיפאון של תמיסה מימית של אתילן גליקול בריכוז ‪?8.38 m‬‬ ‫ב‪ .‬מהי נקודת הרתיחה של תמיסה מימית של אתילן גליקול בריכוז ‪?8.38 m‬‬ ‫פתרון‬ ‫תחילה נזהה כי אתילן גליקול הוא תרכובת מולקולרית שאינה מתפרקת ליונים‪ .‬משום כך‪ 8.38 m ,‬של תמיסת אתילן גליקול‬ ‫שקולים ל־‪ 8.38 m‬חלקיקים של מומס‪.‬‬ ‫עבור חלק א‪:‬‬ ‫שלב ‪ .1‬נשתמש בביטוי לירידה בנקודת הקיפאון‪:‬‬ ‫‪ 1.86 °C ‬‬ ‫= ‪∆T f‬‬ ‫‪ m m‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫נציב את נתון מולליות החלקיקים ונקבל‬ ‫‪ 1.86 °C ‬‬ ‫= ‪∆T f‬‬ ‫‪− 15.6 m‬‬ ‫= ) ‪ m  (8.38 m‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫שלב ‪ .2‬נקודת הקיפאון של התמיסה היא ‪ 15.6ºC‬מתחת ל־‪ ,0.0ºC‬שהיא נקודת הקיפאון של מים טהורים‪ .‬לפיכך אנו מקבלים‪,‬‬ ‫‪ = 0.0ºC – 15.6ºC = −15.6ºC‬נקודת קיפאון‬

‫עבור חלק ב‪:‬‬ ‫שלב ‪ .1‬נציב את נתון המולליות של החלקיקים במשוואה של עליית נקודת הרתיחה‪:‬‬

‫‪ 0.52 °C ‬‬ ‫‪ 0.52 °C ‬‬ ‫‪∆ Tb = ‬‬ ‫‪ m =  m  (8.38 m ) = 4.4 °C‬‬ ‫‪m‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫שלב ‪ .2‬פירוש הדבר שנקודת הרתיחה של התמיסה היא ‪ 4.4ºC‬מעל נקודת הרתיחה של מים טהורים‪ .‬לפיכך אנו מקבלים‪,‬‬ ‫‪ = 100.0ºC + 4.4ºC = 104.4ºC‬נקודת רתיחה‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.10‬‬

‫מהי נקודת הרתיחה ונקודת הקיפאון של תמיסת גלוקוז (‪ )C6H12O6‬בריכוז ‪ ?1.500 m‬זכרו שגלוקוז הוא מומס מולקולרי שאינו‬ ‫מתפרק ליונים‪.‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪6.65‬א ו־‪6.66‬א‬

‫דוגמה ‪ 6.11‬חישוב נקודות קיפאון ורתיחה של תמיסה מימית של תרכובות יוניות‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫סידן כלורי מפוזר בכבישים ובמדרכות על מנת למנוע התהוות קרח בחורף‪.‬‬ ‫‪ 8‬לבצע חישובים המתייחסים‬ ‫א ‪ .‬מהי נקודת הקיפאון של תמיסה מימית של ‪ CaCl2‬בריכוז ‪?3.00 m‬‬ ‫ב‪ .‬מהי נקודת הרתיחה של תמיסה מימית של ‪ CaCl2‬בריכוז ‪?3.00 m‬‬

‫לתכונות קוליגטיביות של תמיסות‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫סידן כלורי מתפרק במים ויוצר שלושה חלקיקים לכל יחידת ‪:CaCl2‬‬ ‫) ‪2 + ( aq ) + 2Cl − ( aq‬‬ ‫→ ) ‪CaCl2 ( aq‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ Ca‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪3 particles‬‬

‫‪1 particle‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪225‬‬

‫משום מכך‪ ,‬עבור תמיסה מימית של ‪ CaCl2‬ב־‪ 3.00 m‬אנו מקבלים‬

‫‪3 m particles solute‬‬ ‫‪9.00 m particles solute‬‬ ‫= ‪× 3.00 m CaCl2‬‬ ‫‪1 m CaCl2‬‬

‫חלק א‪:‬‬ ‫שלב ‪ .1‬נשתמש בביטוי לירידה בנקודת הקיפאון‪:‬‬ ‫‪ 1.86 °C ‬‬ ‫= ‪∆Tf‬‬ ‫‪ m m‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫נציב את נתון מולליות החלקיקים ונקבל‬

‫‪ 1.86 °C ‬‬ ‫‪m ) 16. 7 °C‬‬ ‫=‪ m  (9.00‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫שלב ‪ .2‬נקודת הקיפאון של התמיסה היא ‪ 16.7ºC‬מתחת ל־‪ ,0.0ºC‬נקודת הקיפאון של מים טהורים‪ .‬לפיכך אנו מקבלים‬ ‫‪ = 0.0ºC – 16.7ºC = −16.7ºC‬נקודת קיפאון‬

‫עבור חלק ב‪:‬‬ ‫שלב ‪ .1‬נציב את נתון מולליות החלקיקים במשוואה של עליית נקודת הרתיחה‪:‬‬

‫‪ 0.52 °C ‬‬ ‫‪ 0.52 °C ‬‬ ‫‪∆ Tb = ‬‬ ‫‪ m =  m  (9.00 m ) = 4. 7 °C‬‬ ‫‪m‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫ ‬

‫שלב ‪ .2‬פירוש הדבר שנקודת הרתיחה של התמיסה היא ‪ 4.7ºC‬מעל נקודת הרתיחה של מים טהורים‪ .‬לפיכך אנו מקבלים‪,‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.11‬‬

‫‪ = 100.0ºC + 4.7ºC = 104.7ºC‬נקודת רתיחה‬

‫מהי נקודת הרתיחה ונקודת הקיפאון של תמיסת ‪ KCl‬בריכוז ‪ ?1.500 m‬זכרו ש־‪ 1‬מול של ‪ KCl‬מניב ‪ 2‬מול של חלקיקים‪.‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪6.65‬ב ו־‪6.66‬ב‬

‫לחץ אוסמוטי‪ ,‬אוסמוזה ואוסמולריות‬ ‫ממברנת התא היא גורם מתווך באינטראקציה של התא עם סביבתו ואחראית לוויסות מעבר‬ ‫של חומרים אל תוך התא וממנו‪ .‬אחת הדרכים המרכזיות להעברה מכונה דיפוזיה‪ .‬דיפוזיה‬ ‫(‪ )diffusion‬היא תנועה נטו של מולקולות מומס או ממס מאזור שבו ריכוזן גבוה לאזור שבו‬ ‫קטן לאורך מרחק כלשהו מכונה מפל ריכוזים (‪concentration‬‬ ‫ריכוזן נמוך‪ .‬האזור שבו הריכוז ֵ‬ ‫‪ .)gradient‬בשל המבנה של ממברנת התא‪ ,‬רק מולקולות קטנות יכולות לבצע דיפוזיה ולעבור‬ ‫בחופשיות את המחסום הזה‪ .‬מולקולות גדולות ויונים בעלי מטען גדול נחסמים על ידו‪.‬‬ ‫במילים אחרות‪ ,‬ממברנת התא מתנהגת באופן בררני‪ .‬ממברנות מסוג זה מכונות ממברנות‬ ‫חדירות בררניות (‪.)selectively permeable membrane‬‬ ‫משום שממברנת התא בררנית‪ ,‬לא תמיד יכולים מומסים לעבור דרכה בתגובה למפל‬ ‫הריכוזים‪ .‬במקרים אלה הממס עובר דרך הממברנה‪ .‬ממברנות מעין אלה‪ ,‬שהממס עובר בהן‬ ‫אך לא המומס‪ ,‬מכונות ממברנות חדירות למחצה (‪ .)semipermeable membrane‬אוסמוזה‬ ‫(‪ )Osmosis‬היא דיפוזיה של ממס (מים במערכות ביולוגיות) דרך ממברנה חדירה למחצה‬ ‫בתגובה למפל ריכוזים (של מים)‪.‬‬ ‫נניח שאנו מכניסים תמיסת גלוקוז בריכוז ‪ 0.5 M‬לשקית דיאליזה שמורכבת מממברנה‬ ‫בעלת נקבים‪ ,‬שמאפשרים למולקולות מים לעבור בעדה אך לא למולקולות גלוקוז‪ .‬תארו‬ ‫לעצמכם מה קורה כאשר מכניסים את השקית לכוס כימית שמכילה מים טהורים‪ .‬נוצר מפל‬ ‫ריכוזים שבו ריכוז הגלוקוז בתוך השקית גבוה מריכוזו בסביבה החיצונית‪ ,‬אבל הגלוקוז אינו‬ ‫יכול לבצע דיפוזיה דרך השקית ולהגיע לריכוז שווה משני עברי הממברנה‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לתאר ולהסביר את תכונות‬

‫התמיסה התלויות בריכוזה‪.‬‬

‫המונחים חדירות בררנית או‬ ‫חדירות דיפרנציאלית (‪differentially‬‬ ‫‪ )permeable‬משמשים לתיאור‬

‫ממברנות ביולוגיות משום‬ ‫שממברנות אלה מגבילות מעבר‬ ‫של חלקיקים על פי הגודל והמטען‬ ‫שלהם‪ .‬אפילו יונים קטנים‪ ,‬כגון ‪,H+‬‬ ‫אינם יכולים לעבור בחופשיות את‬ ‫ממברנת התא‪.‬‬

‫‪  226‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫כעת הבה נבחן את המצב בדרך אחרת‪ .‬מחוץ לשקית ריכוז מולקולות המים גבוה יותר‬ ‫‪6-5‬‬ ‫השקית (שם חלק ממולקולות המים מקיימות‬ ‫איור בתוך‬ ‫(יש שם מים טהורים בלבד) מאשר‬ ‫אינטראקציות דיפול‪-‬דיפול עם חלקיקי המומס ולכן אינן יכולות לנוע בחופשיות במערכת)‪.‬‬ ‫מאחר שמים יכולים לעבור את הממברנה‪ ,‬תתרחש דיפוזיה נטו של מים דרך הממברנה אל‬ ‫תוך השקית‪ .‬זהו תהליך האוסמוזה (איור ‪.)6.5‬‬ ‫שקית‬ ‫דיאליזה‬

‫איור ‪ 6.5‬אוסמוזה בממברנה‪.‬‬ ‫הממס‪ ,‬מים‪ ,‬מבצע דיפוזיה מחוץ‬ ‫לשקית (הממברנה) אל האזור‬ ‫שריכוז המומס בו גבוה (בתוך‬ ‫השקית)‪.‬‬

‫מים‬ ‫מומס‬

‫כפי שככל הנראה ניחשתם‪ ,‬המערכת הזאת לעולם לא תגיע לשיווי משקל (כלומר לריכוזים‬ ‫שווים מחוץ לשקית ובתוכה)‪ .‬לא חשוב כמה מים יעברו אל תוך השקית וימהלו את תמיסת‬ ‫הגלוקוז‪ ,‬ריכוז הגלוקוז תמיד יהיה גבוה יותר בתוך השקית (וריכוז המים החופשיים הנלווה‬ ‫לכך תמיד יהיה נמוך יותר)‪.‬‬ ‫מה יקרה לאחר שהשקית תקלוט מים ככל יכולתה‪ ,‬לאחר שתתרחב ככל האפשר? כעת‬ ‫דופנות השקית מפעילות כוח שיפסיק את הזרימה נטו של מים אל תוך השקית‪ .‬לחץ אוסמוטי‬ ‫(‪ )osmotic pressure‬הוא הלחץ שיש להפעיל על מנת להפסיק את זרימת המים דרך ממברנה‬ ‫בררנית בדרך של אוסמוזה‪ .‬בניסוח מדויק יותר‪ ,‬הלחץ האוסמוטי של תמיסה הוא הלחץ‬ ‫נטו שבו המים נכנסים אליה בדרך של אוסמוזה מאזור של מים טהורים כאשר שני האזורים‬ ‫מופרדים בממברנה חדירה למחצה‪.‬‬ ‫את הלחץ האוסמוטי‪ ,‬כמו הלחץ שגז מפעיל‪ ,‬אפשר לתאר באופן כמותי‪ .‬לחץ אוסמוטי‪,‬‬ ‫המסומל באות ‪ ,π‬מקיים משוואה זהה לזו של גז אידיאלי‪:‬‬ ‫גז אידיאלי ‬

‫לחץ אוסמוטי‬

‫‪ PV = nRT‬‬

‫‪πV = nRT‬‬

‫ ‬ ‫או‬ ‫‪n‬‬ ‫‪RT‬‬ ‫‪V‬‬

‫=‪P‬‬

‫ ‬ ‫ומכיוון שמתקיים ‬ ‫‪n‬‬ ‫=‪M‬‬ ‫‪V‬‬ ‫ ‬

‫ ‬ ‫אזי‬ ‫‪ P = MRT‬‬

‫או‬ ‫‪n‬‬ ‫‪π = RT‬‬ ‫‪V‬‬

‫ומכיוון שמתקיים‬ ‫‪n‬‬ ‫‪V‬‬

‫=‪M‬‬

‫אזי‬

‫‪ π = MRT‬‬

‫ ‬ ‫אפשר לחשב את הלחץ האוסמוטי על סמך ריכוז התמיסה בכל טמפרטורה‪ .‬כיצד אנו קובעים‬ ‫את "ריכוז התמיסה"? זכרו שאוסמוזה היא תכונה קוליגטיבית‪ ,‬התלויה בריכוז חלקיקי‬ ‫המומס‪ .‬פעם נוספת אנו נדרשים להבדיל בין תמיסות של אלקטרוליטים ולא־אלקטרוליטים‪.‬‬ ‫לדוגמה‪ ,‬תמיסת גלוקוז בריכוז ‪ 1 M‬מורכבת מ־‪ 1‬מול של חלקיקים לכל ליטר; גלוקוז הוא‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫לא־אלקטרוליט‪ .‬תמיסת ‪ NaCl‬בריכוז ‪ 1 M‬מכילה ‪ 2‬מול של חלקיקים לכל ליטר תמיסה‬ ‫(‪ 1‬מול של ‪ Na+‬ו־‪ 1‬מול של ‪ .)Cl−‬תמיסת ‪ CaCl2‬בריכוז ‪ 1 M‬מכילה ריכוז חלקיקים של ‪3 M‬‬ ‫(‪ 1‬מול של ‪ Ca2+‬ו־‪ 2‬מול של ‪ Cl−‬לכל ליטר)‪.‬‬ ‫אוסמולריות (‪ ,)osmolarity‬המולריות של חלקיקים בתמיסה‪ ,‬המכונה בקיצור אוסמול‬ ‫(‪ ,)osmol‬משמשת בחישובים של לחץ אוסמוטי‪.‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫דוגמה ‪ 6.12‬חישוב אוסמולריות של תמיסה‬ ‫עמוד ‪ 227‬משוואה‬

‫לתכונות קוליגטיביות של תמיסות‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ Na3PO4 .1‬היא תרכובת יונית‪ ,‬והיא יוצרת תמיסה אלקטרוליטית‪:‬‬ ‫)‪3Na+ + PO43–(aq‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לבצע חישובים המתייחסים‬

‫מהי האוסמולריות של ‪ Na3PO4‬בריכוז ‪?5.0 × 10−3 M‬‬

‫‪H2O‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪227‬‬

‫‪Na3PO4‬‬

‫שלב ‪ 1 .2‬מול של ‪ Na3PO4‬יוצר ‪ 4‬מול של יוני תוצר; ומכאן‬ ‫‪mol Na 3 PO4 4 mol particles‬‬ ‫‪mol particles‬‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫‪2.0 × 10− 2‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪1 mol Na 3 PO4‬‬ ‫‪L‬‬

‫‪5.0 × 10− 3‬‬

‫ ‬

‫שלב ‪ .3‬נשתמש בהגדרת האוסמולריות ונקבל‬ ‫ ‬

‫‪mol particles‬‬ ‫=‬ ‫‪2.0 × 10− 2 osmol‬‬ ‫‪L‬‬

‫‪2.0 × 10− 2‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.12‬‬

‫מהי האוסמולריות של התמיסות שלהלן‪ :‬א‪( 5.0 × 10−3 M NH4NO3 .‬אלקטרוליט) ב‪( 5.0 × 10−3 M C6H12O6 .‬לא־אלקטרוליט)‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.81‬ו־‪6.82‬‬ ‫דוגמה ‪ 6.13‬חישוב לחץ אוסמוטי‬ ‫מהו הלחץ האוסמוטי של תמיסת ‪ NaCl‬בריכוז ‪ ,5.0 × 10−2 M‬המצויה בטמפרטורה‬ ‫של ‪?)298 K( 25ºC‬‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נשתמש בהגדרת הלחץ האוסמוטי‪:π ,‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לבצע חישובים המתייחסים‬

‫לתכונות קוליגטיביות של תמיסות‪.‬‬

‫‪π = MRT‬‬

‫שלב ‪ .2‬יש לייצג את ‪ M‬כאוסמולריות כפי שראינו בדוגמה ‪,6.12‬‬ ‫‪mol particles‬‬ ‫‪n‬‬ ‫‪mol NaCl 2 mol particles‬‬ ‫=‪M‬‬ ‫‪5.0 × 10− 2‬‬ ‫‪1.0 × 10− 1‬‬ ‫=‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫‪V‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪1 mol NaCl‬‬ ‫‪L‬‬

‫שלב ‪ .3‬נציב נתונים בביטוי ללחץ אוסמוטי‪:‬‬ ‫‪mol particles‬‬ ‫‪L ⋅ atm‬‬ ‫‪2.4 atm‬‬ ‫‪× 0.0821‬‬ ‫= ‪× 298 K‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪K ⋅ mol‬‬

‫‪1.0 × 10− 1‬‬ ‫=‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.13‬‬

‫מהו הלחץ האוסמוטי של התמיסות המתוארות ב"בחנו את עצמכם" ‪ ?6.12‬יש להניח שטמפרטורת התמיסות היא ‪.298 K‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.71‬ו־‪6.72‬‬

‫‪  228‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫איור ‪ 6.6‬מיקרוגרמות של‬ ‫מיקרוסקופ אלקטרונים סורק‬ ‫המציגות תאי דם אדומים המצויים‬ ‫בתמיסה (‪ )1‬היפרטונית‪,‬‬ ‫(‪ )2‬איזוטונית‪ )3( ,‬היפוטונית‪.‬‬

‫האוסמולריות של פלזמת הדם שקולה לזו של תמיסת גלוקוז‬ ‫בריכוז ‪ 0.30 M‬או של תמיסת ‪ NaCl‬בריכוז ‪ .0.15 M‬האחרון‬ ‫נכון משום שבתמיסה ‪ NaCl‬עובר פירוק ל־‪ Na+‬ול־‪,Cl−‬‬ ‫ולפיכך תורם כמות חלקיקי מומס כפולה מזו של תרכובת‬ ‫שאינה מתייננת‪ .‬אם תאי דם אדומים‪ ,‬שהאוסמולריות שלהם‬ ‫שווה לזו של פלזמת הדם‪ ,‬מוכנסים לתמיסת גלוקוז בריכוז‬ ‫‪ ,0.30 M‬לא תתרחש אוסמוזה נטו משום שהאוסמולריות‬ ‫וריכוז המים בתוך תאי הדם האדומים זהים לאלה של‬ ‫תמיסת הגלוקוז ב־‪ .0.30 M‬במצב כזה אומרים שהתמיסות‬ ‫בתוך תאי הדם האדומים ומחוץ להם הן תמיסות איזוטוניות‬ ‫(‪)1‬‬ ‫(‪ iso ,isotonic solutions‬פירושו "שווה"‪ tonic ,‬פירושו "כוח")‪.‬‬ ‫משום שהאוסמולריות זהה בפנים ובחוץ‪ ,‬תאי הדם האדומים‬ ‫ישמרו על גודלם (איור ‪.))2(6.6‬‬ ‫מה יקרה אם נניח כעת את תאי הדם האדומים‬ ‫בתמיסה היפוטונית (‪ ,)hypotonic solution‬כלומר תמיסה‬ ‫שהאוסמולריות שלה נמוכה מזו של ציטופלזמת התאים?‬ ‫במקרה הזה תתקיים זרימה נטו של מים אל תוך התאים בזמן‬ ‫שמים יעברו דיפוזיה בהתאם למפל הריכוזים‪ .‬הממברנות‬ ‫של תאי הדם האדומים לא תוכלנה להפעיל לחץ מספיק‬ ‫על מנת לעצור את זרימת המים‪ ,‬והתאים יתנפחו ויתפקעו‬ ‫(איור ‪ .))3(6.6‬אם נכניס את תאי הדם האדומים לתמיסה‬ ‫(‪)2‬‬ ‫היפרטונית (‪ ,)hypertonic solution‬שהאוסמולריות בה גדולה‬ ‫מזו של התאים‪ ,‬מים יצאו מהתאים והם יתכווצו במידה‬ ‫משמעותית (איור ‪.))1(6.6‬‬ ‫לעקרונות אלה יש יישומים חשובים במתן עירויים של‬ ‫תמיסות למטופל (איור ‪ .)6.7‬נוזלים שניתנים באינפוזיה‬ ‫מוכרחים להיות בעלי אוסמולריות נכונה; הם מוכרחים‬ ‫להיות איזוטוניים ביחס לתאי הדם האדומים ולפלזמת‬ ‫הדם‪ .‬העירויים הללו מכילים בדרך כלל דקסטרוז (גלוקוז)‬ ‫בריכוז ‪ 5.5%‬או נתרן כלורי בריכוז ‪ .0.9%‬התמיסה הראשונה‬ ‫מורכבת מ־‪ 5.5‬גרם גלוקוז לכל ‪ 100 mL‬של תמיסה‬ ‫(‪)3‬‬ ‫(‪ ,)0.30 M‬והאחרונה מורכבת מ־‪ 9.0‬גרם של ‪ NaCl‬לכל ‪100‬‬ ‫מיליליטר של תמיסה (‪ .)0.15 M‬כך או כך‪ ,‬הלחץ האוסמוטי‬ ‫והאוסמולריות שלהן זהים לאלה של הפלזמה ותאי הדם ולפיכך אפשר להזריק אותן בבטחה‬ ‫מבלי לערער את המאזן האוסמוטי של הדם ותאי הדם‪.‬‬ ‫יש שפע של דוגמאות לאוסמוזה‪ ,‬וביניהן‪:‬‬ ‫‪ַ ‬מ ָּלח על סירת הצלה בלב ים מת מהתייבשות בעודו מוקף במים‪ .‬מי ים‪ ,‬עקב ריכוז המלח‬ ‫הגבוה שלהם‪ ,‬מייבשים את תאי הגוף בשל ההבדל הגדול בלחץ האוסמוטי בינם ובין‬ ‫הנוזלים התוך־תאיים‪.‬‬ ‫‪ ‬מלפפון שמושרה במי מלח מצטמק ומחמיץ‪ .‬המים במלפפון נשאבים אל תמיסת המלח‬ ‫עקב הבדלים בלחץ האוסמוטי (איור ‪.)6.8‬‬ ‫‪" ‬נקודת מבט רפואית‪ :‬טיפול בהתייבשות" (ראו להלן) מתארת את אחת הדוגמאות‬ ‫הקטלניות והשכיחות ביותר לחוסר איזון בנוזלים התאיים‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪229‬‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫טיפול בהתייבשות‬ ‫האיזון האוסמוטי‪ ,‬מפחיתה את השלשול ומתקנת את חוסר‬ ‫האיזון בנוזלים ובאלקטרוליטים‪.‬‬ ‫המחלה מסתיימת בתוך פחות משבוע‪ .‬למעשה‪ ,‬לא נעשה‬ ‫שימוש באנטיביוטיקה להילחם בכולרה‪ .‬הטיפול היעיל היחיד‬ ‫הוא השבת נוזלים אוראלית‪ ,‬שמפחיתה את שיעור התמותה‬ ‫לפחות מ־‪ .1%‬אפשרות טובה הרבה יותר היא מניעה‪ .‬בצילום‬ ‫למטה נראית אישה מסננת מים בבד סארי‪ .‬מחקרים הראו‬ ‫שהנוהג הפשוט הזה מקטין מאוד את הסיכון לחלות בכולרה‪.‬‬

‫שלשול מביא למותם של מיליוני ילדים לפני הגיעם לגיל ‪5‬‬ ‫שנים‪ .‬הדבר נכון במיוחד במדינות עולם שלישי‪ ,‬שבהן תנאי‬ ‫הסניטציה‪ ,‬אספקת המים והטיפול הרפואי ירודים‪ .‬במקרה של‬ ‫שלשול‪ ,‬המוות נגרם מאיבוד נוזלים‪ ,‬מחוסר איזון אלקטרוליטי‬ ‫ומהלם תת־נפחי (היפוולמי; כשל בכמה אברים עקב פגיעה‬ ‫בהזרמת הדם לרקמות)‪ .‬כולרה היא אחת המחלות השלשוליות‬ ‫הנחקרות ביותר‪ .‬החיידק ‪ Vibrio cholera‬שורד את המעבר‬ ‫בקיבה ומתרבה במעיים‪ ,‬שם הוא מייצר רעלן בשם כולרגן‪.‬‬ ‫הרעלן גורם להפרשה מוגברת של ‪ Na+ ,Cl−‬ו־‪ HCO3−‬מתאי‬ ‫האפיתל שמדפנים את המעיים‪ .‬ריכוז היונים המוגדל (תמיסה‬ ‫היפרטונית) מחוץ לתא מביא למעבר של כמויות מים גדולות‬ ‫אל חלל המעיים‪ .‬הדבר גורם לשלשול והקאות חמורים ותכופים‬ ‫של נוזלים שקופים‪ ,‬שיכולים להביא לאובדן של ‪ 10-15‬ליטרים‬ ‫של נוזלים ביום‪ .‬במהלך התקדמות המחלה‪ ,‬הנמשכת ‪ 4‬עד ‪6‬‬ ‫ימים‪ ,‬החולה עלול לאבד נוזלים בכמות השווה לפעמיים מסת‬ ‫גופו!‬ ‫הצורך בהחלפת הנוזלים ברור מאליו‪ .‬טיפול בהתייבשות‬ ‫באמצעות השבת נוזלים אוראלית עדיף על עירויים תת־עוריים‬ ‫של נוזלים ואלקטרוליטים משום שהוא אינו פולשני‪ .‬במדינות‬ ‫רבות בעולם השלישי זהו הטיפול הזמין היחיד באזורים נידחים‪.‬‬ ‫המתכון להשבת נוזלים כולל ‪ 50-80 g/L‬אורז (או עמילן אחר)‪ ,‬אישה מסננת מים דרך בד סארי‪.‬‬ ‫‪ 3.5 g/L‬נתרן כלורי‪ 2.5 g/L ,‬נתרן מימן פחמתי ו־‪1.5 g/L‬‬ ‫אשלגן כלורי‪ .‬השבת נוזלים אוראלית מנצלת את יכולתם של שאלות הרחבה‬ ‫@ הסבירו את תהליך ההתייבשות במונחי אוסמוזה‪.‬‬ ‫ ‬ ‫התאים המדפנים את המעיים לבצע הובלה של ‪ Na+‬וגלוקוז‬ ‫ביחד‪ .‬בדרך זו הגלוקוז נכנס לתאים ו־‪ Na+‬מועבר יחד איתו‪ @ .‬מדוע גם אנשים הסובלים מהתייבשות חמורה ממשיכים‬ ‫לאבד נוזלים?‬ ‫תנועת החומרים הללו אל תוך התאים מסייעת להקל על חוסר‬

‫שאלה ‪ 6.11‬מהי האוסמולריות של תמיסת‬ ‫העירוי באיור ‪?6.7‬‬ ‫שאלה ‪ 6.12‬האם אוסמולריות התמיסה‬ ‫שחישבתם בשאלה ‪ 6.11‬איזוטונית ביחס‬ ‫לפלזמת הדם? מדוע או מדוע לא?‬

‫איור ‪ 6.7‬להרכב ולריכוז יש חשיבות קריטית‬ ‫בעירויי נוזלים‪ .‬תמיסה זו מכילה‬ ‫)‪ 0.15% (m/V‬של ‪ KCl‬ו־)‪ 5% (m/V‬של גלוקוז‪.‬‬

‫‪  230‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫(‪)1‬‬ ‫)‪(a‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬להסביר מדוע התכונות הכימיות‬

‫והפיזיקליות של מים הופכות אותם‬ ‫לממס ייחודי‪.‬‬ ‫ראו "נקודת מבט אנושית‪ :‬מולקולה‬ ‫יוצאת מן הכלל"‪ ,‬בפרק ‪.7‬‬ ‫עיינו בסעיפים ‪ 3.4‬ו־‪ 3.5‬לקבלת‬ ‫תיאור שלם יותר של הקשרים‪,‬‬ ‫המבנה והקוטביות של מים‪.‬‬ ‫דנו בכוחות תוך־מולקולריים‬ ‫בפרקים ‪ 3‬ו־‪.5‬‬

‫‪6.5‬‬

‫איור ‪ 6.8‬מלפפון בתמיסת מלח‬ ‫חומצית (‪ )1‬מתכווץ במידה ניכרת‬ ‫תוך כדי החמצתו עקב אוסמוזה (‪.)2‬‬

‫(‪)2‬‬ ‫)‪(b‬‬

‫תמיסות מימיות‬

‫מים כממס‬ ‫מים הם החומר הנפוץ ביותר עלי אדמות‪ .‬הם ממס מעולה של רוב החומרים האי־אורגניים‪,‬‬ ‫והממס העיקרי בצמחים ובגוף החי‪ .‬כ־‪ 60%‬מגופו של אדם בוגר הם מים‪ ,‬והשמירה על‬ ‫שיעור מים כזה חיונית להישרדות‪ .‬מאפיינים אלה הם תוצאה ישירה של המבנה המולקולרי‬ ‫של מים‪.‬‬ ‫כפי שראינו בפרק ‪ ,3‬המים מורכבים ממולקולות זוויתיות שזווית הקשר בהן היא ‪.104.5o‬‬ ‫המבנה הזוויתי‪ ,‬שנוצר בהשפעתם של שני זוגות אלקטרונים לא־קושרים סביב אטום‬ ‫החמצן‪ ,‬הוא שאחראי לקוטביות של מולקולות המים‪ .‬הקוטביות מעניקה למים את התכונות‬ ‫הייחודיות שלהם‪.‬‬ ‫משום שמולקולות המים קוטביות‪ ,‬המים הם ממס מצוין של חומרים קוטביים אחרים‬ ‫("דומה ממס דומה")‪ .‬משום שתרכובות רבות בכדור הארץ הן קוטביות‪ ,‬הן בנות תמס במים‬ ‫לפחות במידת מה‪ .‬לכן היה מי שתיאר את המים כממס אוניברסלי‪ .‬הכינוי ממס אוניברסלי‬ ‫הוא מונח היסטורי; במשך מאות שנים היה ידוע שמים ממיסים כל חומר שנמצא בשימוש‬ ‫שכיח‪ .‬הממס בדם הוא מים‪ ,‬והוא ממיס ומעביר ברחבי הגוף תרכובות שונות מאוד זו מזו‪,‬‬ ‫כגון אשלגן כלורי‪ ,‬גלוקוז וחלבונים‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 6.14‬חיזוי המבנה על סמך תכונות נצפות‬ ‫סוכרוז הוא סוכר נפוץ ואנו יודעים שבמצבו המומס הוא משמש כממתיק במשקאות רבים‪.‬‬ ‫מה אפשר לחזות מכך על מבנה הסוכרוז?‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬להסביר מדוע התכונות הכימיות‬

‫והפיזיקליות של מים הופכות אותם‬ ‫לממס ייחודי‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫סוכרוז משמש כממתיק בתה‪ ,‬בקפה ובמגוון משקאות קלים‪ .‬הממס בכל המשקאות הללו הוא מים‪ ,‬המורכבים ממולקולות‬ ‫קוטביות‪ .‬הכלל "דומה ממס דומה" מורה לנו שסוכרוז מוכרח אף הוא להיות מורכב ממולקולות קוטביות‪ .‬וכך‪ ,‬מבלי לדעת את‬ ‫הנוסחה או המבנה של סוכרוז‪ ,‬אנו יכולים להסיק את המידע החשוב הזה על סמך ניסוי פשוט – המסת סוכר בכוס קפה‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.14‬‬

‫מי מסיס יותר במים‪ ,‬אמוניה‪ ,NH3 ,‬או מתאן‪ ?CH4 ,‬הסבירו את תשובתכם (רמז‪ :‬עיינו בסעיף ‪ ,5.2‬שדן באינטראקציות בפאזת‬ ‫הנוזל)‪.‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.93‬ו־‪6.94‬‬

‫עמוד ‪ 216‬א'‬ ‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪231‬‬

‫כימיה במטבח‬ ‫מסיסות‪ ,‬חומרים פעילי שטח ומדיח הכלים‬ ‫המבנה של חומר פעיל שטח טיפוסי‪ ,‬קוקמידו ‪DEA‬‬ ‫(‪ ,)cocamido DEA‬מוצג לעיל‪ .‬שימו לב לשילוב האזורים‬

‫מדי יום אנחנו מייצרים אספקה שוטפת של כלים מלוכלכים –‬ ‫צלחות‪ ,‬כוסות‪ ,‬סירים‪ ,‬מחבתות וסכו"ם‪ .‬אפשר לרחוץ אותם‬ ‫ביד‪ ,‬בעזרת מגוון של חומרי ניקוי‪ ,‬ואפשר גם להכניס אותם הקוטביים והלא־קוטביים באותה המולקולה‪:‬‬ ‫למדיח כלים יחד עם חומר ניקוי מוצק או נוזלי‪ .‬סוגרים את‬ ‫‪H H‬‬ ‫הדלת‪ ,‬לוחצים על כמה כפתורים‪ ,‬ובתוך פחות משעה אחת‬ ‫הכלים נקיים מלכלוך ונקיים יחסית מחיידקים‪ .‬כיצד זה קורה? ‪C C O H‬‬ ‫‪H H H H H H H H H O‬‬ ‫זהו מקרה של כימיה בפעולה‪.‬‬ ‫‪H H‬‬ ‫‪H C C C C C C C C C C N‬‬ ‫המומסים‬ ‫הם‬ ‫הצלחות‬ ‫על‬ ‫והשמנים‬ ‫בתהליך הניקוי השומנים‬ ‫‪H H‬‬ ‫והמים משמשים כממס‪ .‬אולם אם הממס הוא מים טהורים‪,‬‬ ‫‪H H H H H H H H H‬‬ ‫בלתי סביר שתתקיים התמוססות‪ .‬כזכור‪" ,‬דומה ממס דומה"‪C C O H .‬‬ ‫שאריות המזון מורכבות בעיקר ממולקולות לא־קוטביות או‬ ‫‪H H‬‬ ‫ממולקולות בעלות קוטביות נמוכה מאוד‪ .‬המים‪ ,‬לעומת זאת‪,‬‬ ‫אזור לא־קוטבי‬ ‫אזור קוטבי‬ ‫מורכבים ממולקולות בעלות קוטביות גבוהה מאוד‪ .‬אנו זקוקים‬ ‫לחומר אחר כלשהו על מנת לאפשר את האינטראקציה בין קבוצות ‪ −OH‬יוצרות אינטראקציה עם מולקולות המים; אזור‬ ‫המים הקוטביים והמזון הלא־קוטבי‪ .‬החומר הזה הוא חומר קשרי הפחמן‪-‬מימן (המכונה שייר פחמימני או שייר הידרופובי)‬ ‫פעיל שטח‪ .‬חומרי ניקוי המשמשים במדיחי כלים הם תערובת יוצר אינטראקציות עם שאריות המזון הלא־קוטביות‪.‬‬ ‫קיומם של אתרים קוטביים ולא־קוטביים באותה מולקולה‬ ‫של מרכיבים רבים‪ ,‬שחלקם אינם קשורים כלל לתהליך הניקוי‬ ‫עצמו‪ .‬מקובל להוסיף בשמים וצבעים למוצר על מנת שייראה הוא ללא ספק התכונה החשובה ביותר של מולקולה המרכיבה‬ ‫מושך יותר לעין הצרכן‪ .‬חלק מהמרכיבים מאריכים את חיי חומר לשטיפת כלים‪ .‬עם זאת‪ ,‬אין זו התכונה הרצויה היחידה‪.‬‬ ‫המדף‪ .‬אך המרכיב הפעיל המרכזי הוא חומר פעיל שטח‪ ,‬המולקולה צריכה להיות לא רעילה‪ ,‬זולה‪ ,‬מסיסה במים‬ ‫שתפקידו "לגשר" בין החומרים הקוטביים והלא־קוטביים‪ .‬הבה על נקלה ובעלת השפעה שלילית מזערית על הסביבה‪ .‬היא‬ ‫צריכה להיות חומר מתכלה ביולוגית‪ ,‬כלומר לאפשר לחיידקים‬ ‫נראה כיצד הדבר מתרחש‪.‬‬ ‫חומרים רבים הם פעילי שטח‪ ,‬והם מתאפיינים במגוון גדול המצויים במים באופן טבעי לתקוף את הקשרים ולפרק את‬ ‫של מבנים כימיים‪ .‬עם זאת‪ ,‬לכולם תכונה מבנית משותפת‪ :‬המולקולות לפני שתוכלנה להזיק למערכות אקולוגיות ימיות‪.‬‬ ‫למולקולות שלהם קצה קוטבי וקצה לא־קוטבי‪ .‬הקצה הקוטבי כימאים אורגניים (שחוקרים תרכובות המכילות בעיקר אטומי‬ ‫יוצר אינטראקציה עם המים והקצה הלא־קוטבי מתמוסס פחמן ומימן) מיומנים מאוד בסינתזה של מולקולות שהתכונות‬ ‫מספר רצויות‬ ‫מיטביות והתכונות הבלתי‬ ‫הרצויות שלהן‬ ‫שםהבלתי‬ ‫הקוטביות פחות (או‬ ‫שלהן ‪20116‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬ ‫קוטביות)‪.‬עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫המזון בורלא‬ ‫בשאריותרונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫קטן מתח הפנים של המים‪ ,‬שמשמש כמחסום מזעריות‪.‬‬ ‫כתוצאה מכך ֵ‬ ‫חומרים פעילי שטח שמתוכננים במחשבה יתרה מאפשרים‬ ‫בין המים וחלקיקי המזון (ראו סעיף ‪ .)5.2‬ערבול המים במדיח‬ ‫עמודלנו‪216‬‬ ‫ב'בכלי מטבח נקיים‪ ,‬יפים והיגייניים על מנת להכין‬ ‫להשתמש‬ ‫מסלק את צברי החלקיקים שנוצרו (מים‪-‬חומר פעיל שטח‪-‬‬ ‫שאריות) מפני השטח של הכלים‪ .‬הצברים נשארים מומסים ולהגיש את מזוננו בה בעת שהם מצמצמים את ההשפעה‬ ‫השלילית של מי הביוב על הסביבה הימית‪.‬‬ ‫במים עד שהשטיפה מנקזת אותם לביוב‪.‬‬

‫)‪(3‬‬

‫)‪(2‬‬

‫שומן‬

‫)‪(1‬‬

‫חומר פעיל שטח בפעולה‪ )1( .‬שאריות מזון (לא־קוטביות) אינן מסיסות במים‪ )2( .‬הקצוות הלא־קוטביים של מולקולות פעילות שטח יוצרים‬ ‫אינטראקציה עם שאריות המזון‪ )3( .‬שאריות המזון מסולקות מפני השטח ומתמוססות במים‪.‬‬

‫‪  232‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מים הם חומר זמין שקל לטהר‪ .‬הפעילות הכימית שלהם נמוכה והם בלתי רעילים‪ .‬האופי‬ ‫הקוטבי של המים מסביר גם מדוע נקודת הרתיחה שלהם‪ ,100ºC ,‬גבוהה בהשוואה למולקולות‬ ‫בגודל דומה כגון ‪( N2‬נקודת רתיחה ‪ .)−196ºC‬אינטראקציות דיפול‪-‬דיפול חזקות בין מטען‬ ‫חלקי חיובי (‪ )δ+‬של אטום מימן במולקולה אחת ומטען חלקי שלילי (‪ )δ+‬של אטום חמצן‬ ‫באחרת‪ ,‬המכונות קשרי מימן‪ ,‬מביאות ליצירתה של רשת קשרים בין־מולקולריים בפאזת‬ ‫הנוזל (ראו איור ‪ .)5.8‬עוצמת הקשרים האלה מצריכה השקעה גדולה יותר של אנרגיה‬ ‫(טמפרטורה גבוהה יותר) על מנת להביא את המים לרתיחה‪ .‬טמפרטורת הרתיחה הגבוהה‬ ‫מהצפוי מגדילה את ערכם של המים כממס; תגובות מבוצעות לא אחת בטמפרטורות גבוהות‬ ‫יותר על מנת להאיץ את קצב התגובה‪ .‬ממסים אחרים‪ ,‬בעלי טמפרטורת רתיחה נמוכה יותר‪,‬‬ ‫פשוט יתאדו‪ ,‬והתגובה תיפסק‪.‬‬ ‫קל להרחיב את הרעיון לכימיה של הגוף שלנו – משום ש־‪ 60%‬מהגוף הוא מים‪ ,‬יש לנו‬ ‫סיבה להעריך את הקוטביות של מולקולות המים‪ .‬כממס ביולוגי בגוף האדם‪ ,‬מים מעורבים‬ ‫בהובלה של יונים‪ ,‬חומרי מזון ופסולת אל תוך התאים ומהם‪ .‬מים משמשים גם כממס‬ ‫בתגובות ביוכימיות בתאים ובמערכת העיכול‪ ,‬והם מגיב או תוצר בכמה תהליכים ביוכימיים‪.‬‬

‫אלקטרוליטים בתמיסה‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להמיר ריכוזים מולריים של‬

‫יונים ליחידות מילי־שקולה‪/‬ליטר‪,‬‬ ‫ולהפך‪.‬‬

‫כזכור (סעיפים ‪ 3.3‬ו־‪ ,)6.1‬אלקטרוליט הוא חומר שמתמוסס במים ומניב תמיסה‬ ‫אלקטרוליטית שמוליכה זרם חשמלי‪ .‬ההתנהגות של מערכות ביולוגיות רבות נסמכת באופן‬

‫מהותי על ריכוז התמיסות האלקטרוליטיות שמצויות בהן‪.‬‬ ‫מולר (‪ )mol/L‬הוא יחידת הריכוז השכיחה ביותר; עם זאת‪ ,‬יחידת ריכוז מועילה אחרת‬ ‫מבוססת על שקולה‪ .‬שקולה (‪ )equivalent ,eq‬היא כמות החומר בגרמים הקולטת או פולטת‬ ‫‪ 1‬מול (מספר אבוגדרו) של מטענים חשמליים‪ .‬יחידת הריכוז המתקבלת היא ‪.eq/L‬‬ ‫בכל האמור בתמיסות של תרכובות יוניות‪ ,‬מולריות מדגישה את מספר היונים בתמיסה‪.‬‬ ‫תמיסת יוני ‪ Na+‬בריכוז של ‪ 1 M‬מכילה מול אחד (מספר אבוגדרו‪ )6.022 × 1023 ,‬של יוני‬ ‫‪ Na+‬לליטר תמיסה‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬היחידה ‪ eq/L‬מדגישה את המטען; ‪ 1‬שקולה לליטר של יוני‬ ‫‪ Na+‬מכילה ‪ 1‬מול (מספר אבוגדרו) של מטענים חיוביים לליטר תמיסה‪.‬‬ ‫הריכוז של יון כלשהו בתמיסה מימית‪ ,‬ביחידות ‪ ,eq/L‬שווה למכפלת ‪equivalents/mol‬‬ ‫של היון והמולריות של היון‪:‬‬ ‫‪ eq   mol ion ‬‬ ‫‪eq/L = ‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ mol ion  ‬‬

‫מכיוון שמתקיים‬

‫‪mol ion‬‬ ‫‪=M‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪ eq ‬‬ ‫‪eq/L = ‬‬ ‫)‪ (M‬‬ ‫‪ mol ion ‬‬

‫עבור יון נתון‪ eq/mol ,‬הוא פשוט מספר המטענים של היון‪ ,‬בהתעלם מסימן המטען‪ .‬לדוגמה‪:‬‬ ‫עבור יוני ‪ eq/mol ,Na+‬שווה ל־‪1‬‬ ‫עבור יוני ‪ eq/mol ,Cl−‬שווה ל־‪1‬‬ ‫עבור יוני ‪ eq/mol ,Mg2+‬שווה ל־‪2‬‬ ‫עבור יוני ‪ eq/mol ,CO32−‬שווה ל־‪2‬‬ ‫וכן הלאה‪.‬‬ ‫לא אחת משתמשים ביחידות מילי־שקולה לליטר (‪ )meq/L‬בהתייחסות לכמויות קטנות‬ ‫או לריכוזים קטנים של תמיסת יונים‪ .‬יחידה זו נהוגה בהתייחסות ליונים בדם‪ ,‬בשתן‬ ‫ובפלזמת הדם‪.‬‬ ‫אפשר להמיר בין ‪ eq/L‬ו־‪ meq/L‬באמצעות גורמי המרה המבוססים על הזהות‬ ‫‪1 eq = 103 meq‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪233‬‬

‫השפעה ביולוגית של אלקטרוליטים בתמיסה‬ ‫לריכוז הקטיונים‪ ,‬האניונים ויתר החומרים בנוזלים ביולוגיים יש השפעה מהותית על‬ ‫הבריאות‪ ,‬ומשום כך הכליות מווסתות בקפדנות את האוסמולריות של נוזלי הגוף‪.‬‬ ‫שני הקטיונים החשובים ביותר בנוזלי הגוף הם ‪ Na+‬ו־‪ .K+‬יון הנתרן הוא הקטיון הנפוץ‬ ‫ביותר בדם ובנוזלים החוץ־תאיים‪ ,‬ואילו יון האשלגן הוא הקטיון הנפוץ ביותר בתוך התאים‪.‬‬ ‫בדם ובנוזלים החוץ־תאיים ריכוז ‪ Na+‬הוא ‪ 135 meq/L‬וריכוז ‪ K+‬הוא ‪ .3.5-5.0 meq/L‬בתוך‬ ‫התא המצב הפוך‪ :‬ריכוז ‪ K+‬הוא ‪ 125 meq/L‬וריכוז ‪ Na+‬הוא ‪.10 meq/L‬‬

‫דוגמה ‪ 6.15‬ריכוז יונים‬

‫האלקטרוליטים בדם ואת הקשר‬ ‫בינם ובין תהליך הדיאליזה‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להמיר ריכוזים מולריים של‬

‫עבור תמיסת יונים זרחתיים (‪ )PO4−3‬בריכוז ‪,5.0 × 10−3 M‬‬ ‫א‪ .‬מהו ריכוז היונים הזרחתיים ביחידות ‪ eq/L‬בתמיסה?‬ ‫ב‪ .‬מהו ריכוז היונים הזרחתיים ביחידות ‪ meq/L‬בתמיסה?‬ ‫פתרון‬ ‫א‪ .‬נציב נתונים במשוואה‪:‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 11‬להסביר את תפקיד‬

‫יונים ליחידות מילי־שקולה‪/‬ליטר‪,‬‬ ‫ולהפך‪.‬‬

‫‪ eq ‬‬ ‫‪eq/L = ‬‬ ‫)‪ (M‬‬ ‫‪ mol ion ‬‬

‫‪‬‬ ‫‪  5.0 × 10− 3 M ‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪ ‬ריכוז מולרי ‪  ‬מולים של מטען לכל ‪eq/L = ‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ ‬של יוני פוספט‪  ‬מול של יוני פוספט ‪‬‬ ‫‪eq/L = 1.5 × 10−2 eq/L‬‬

‫ ‬

‫שימו לב‪ :‬מול המטען במשוואה זו הוא תמיד מספר חיובי‪ ,‬גם אם היון שלילי‪ .‬הוא מייצג את מספר המולים של המטען‪ ,‬לא‬ ‫את סימן המטען‪.‬‬

‫ב‪ .‬כל שעלינו לעשות הוא להשתמש בגורם ההמרה‬

‫‪103 meq‬‬ ‫‪eq‬‬

‫‪eq 103 meq‬‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫‪15 meq/L‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪eq‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.15‬‬

‫×= ‪eq/L‬‬ ‫‪1.5 10− 2‬‬

‫מהו ריכוז היונים הפחמתיים ( ‪ ,)CO3‬ב־‪ ,eq/L‬בתמיסה בעלת ריכוז של ‪M‬‬ ‫‪2−‬‬

‫‪10−4‬‬

‫× ‪?6.4‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.101‬ו־‪6.102‬‬ ‫דוגמה ‪ 6.16‬ריכוז אלקטרוליטים‬ ‫ריכוז טיפוסי של יוני סידן בפלזמת הדם הוא ‪ .4 meq/L‬יש לחשב את הריכוז ביחידות ‪.mol/L‬‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬המטען של יון הסידן הוא ‪( +2‬כזכור‪ ,‬סידן מופיע בקבוצה ‪ IIA‬בטבלה המחזורית;‬ ‫מכאן שמטען יון הסידן הוא ‪.)+2‬‬ ‫שלב ‪ .2‬אנו זקוקים לשני גורמי המרה‪:‬‬ ‫‪meq → eq‬‬ ‫יון סידן ‪eq → mol‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להמיר ריכוזים מולריים של‬

‫יונים ליחידות מילי־שקולה‪/‬ליטר‪,‬‬ ‫ולהפך‪.‬‬

‫‪  234‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שלב ‪ .3‬נשתמש בגורמי המרה מדוגמה ‪,6.15‬‬ ‫‪4 meq Ca 2 +‬‬ ‫‪1 eq Ca 2 +‬‬ ‫‪eq Ca 2 +‬‬ ‫‪× 3‬‬ ‫=‬ ‫‪4 × 10− 3‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪10 meq Ca‬‬

‫שלב ‪ .4‬הקשר בין ‪ eq/L‬ו־‪ M‬הוא‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫)‪ (M‬‬ ‫‪‬‬

‫‪ eq Ca 2 +‬‬ ‫‪eq Ca 2 + /L = ‬‬ ‫‪2+‬‬ ‫‪ mol Ca‬‬

‫שלב ‪ .5‬נסדר אברים ונחלץ את ‪,M‬‬ ‫‪  mol‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪  eq Ca 2 + ‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪Ca 2 +‬‬

‫‪ eq‬‬ ‫‪M=‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪‬‬

‫‪Ca 2 +‬‬

‫שלב ‪ .6‬נציב נתונים ונקבל‬ ‫‪‬‬ ‫‪eq Ca 2 +  1 mol Ca 2 + ‬‬ ‫‪=  4 × 10− 3‬‬ ‫‪M‬‬ ‫‪ 2 eq Ca 2 + ‬‬ ‫‪L‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪6.16‬‬

‫‪mol Ca 2 +‬‬ ‫‪L‬‬

‫‪M= 2 × 10− 3‬‬

‫נתרן כלורי [)‪ ]0.9% (m/V‬הוא תמיסה שניתנת בעירוי על מנת לטפל באובדן נוזלים‪ .‬אחד השימושים המקובלים בה הוא במקרים‬ ‫של התייבשות‪ .‬ריכוז יוני הנתרן הוא ‪ .15.4 meq/L‬מהו ריכוז יוני הנתרן ביחידות ‪?mol/L‬‬

‫@ לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 6.105‬ו־‪6.106‬‬

‫שאלה ‪ 6.13‬ריכוז טיפוסי של יוני כלור בפלזמת הדם הוא ‪ .110 meq/L‬מהו הריכוז ביחידות‬ ‫‪?mol/L‬‬ ‫שאלה ‪ 6.14‬ריכוז טיפוסי של יוני מגנזיום בסוגים מסוימים של עירויים הוא ‪.3 meq/L‬‬ ‫מהו הריכוז ביחידות ‪?mol/L‬‬

‫אילו אוסמוזה ודיפוזיה פשוטה היו המנגנונים היחידים להובלת מים ויונים דרך ממברנת‬ ‫התא‪ ,‬ההבדלים הללו בריכוז לא היו מתקיימים‪ .‬יון חיובי אחד היה שקול לאחר‪ .‬עם זאת‪,‬‬ ‫המצב מורכב יותר‪ .‬מולקולות חלבון גדולות המשובצות בממברנות התאים שואבות יוני נתרן‬ ‫החוצה מהתא ויוני אשלגן אל תוך התא‪ .‬מנגנון זה מכונה הובלה פעילה (‪)active transport‬‬ ‫משום שהתא משתמש באנרגיה על מנת להעביר את היונים הללו‪ .‬תפקוד תאי תקין בפעילות‬ ‫השרירים ובמערכת העצבים נסמך על היחס בין יוני הנתרן והאשלגן בתוך התא ומחוץ לו‪.‬‬ ‫כאשר ריכוז יוני ‪ Na+‬בדם נמוך מדי‪ ,‬ייצור השתן פוחת‪ ,‬ניכרת תחושת יובש בפה‪,‬‬ ‫העור הופך סמוק וחום עלול להתפתח‪ .‬רמת יוני ‪ Na+‬בדם עלולה להיות גבוהה כשאנו‬ ‫מאבדים כמויות גדולות של מים‪ ,‬ועלולה להיגרם בשל סוכרת‪ ,‬שלשול וכמה דיאטות עשירות‬ ‫בחלבונים‪ .‬במקרים קיצוניים‪ ,‬רמות גבוהות של יוני ‪ Na+‬עלולות לגרום לבלבול‪ ,‬לקהות‬ ‫חושים או לתרדמת‪.‬‬ ‫ריכוז יוני ‪ K+‬בדם עלול לעלות לרמה מסוכנת עקב פציעה שגורמת להתפקעות מספר גדול‬ ‫של תאים‪ ,‬שמשחררים את יוני ‪ K+‬שבהם‪ .‬הדבר עלול להוביל למוות עקב כשל לבבי‪ .‬גם רמות‬ ‫נמוכות של יוני ‪ K+‬בדם עלולות לגרום לכשל לבבי ולמוות‪ ,‬והדבר עלול להתרחש עקב פעילות‬ ‫גופנית ממושכת המלווה בהזעה מרובה‪ .‬במקרה כזה יש להשיב לגוף נוזלים ואלקטרוליטים‬ ‫גם יחד‪ .‬טבליות מלח המכילות ‪ NaCl‬ו־‪ KCl‬המעורבבות במים‪ ,‬ומשקאות איזוטוניים כגון‬ ‫גייטורייד‪ ,‬מספקים לגוף ביעילות מים ואלקטרוליטים ומונעים תסמינים חמורים‪.‬‬ ‫המטען הקטיוני בדם מנוטרל על ידי שני אניונים עיקריים‪ Cl– ,‬ו־–‪ .HCO3‬ליון הכלור‬ ‫תפקיד באיזון החומציות‪ ,‬בשמירה על רמות תקינות של לחץ אוסמוטי ובהעברת החמצן על‬ ‫ידי המוגלובין‪ .‬אניון המימן הפחמתי הוא הצורה שבה רוב ה־‪ CO2‬נישא בדם‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪235‬‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫המודיאליזה‬ ‫כפי שראינו בסעיף ‪ ,6.5‬דם הוא התווך להחלפה של חומרי מזון‬ ‫ותוצרי פסולת‪ .‬הממברנות של הכליות מסלקות חומרי פסולת‬ ‫כגון שינן וחומצת שתן‪ ,‬עודפי מלחים וכמויות גדולות של מים‪.‬‬ ‫תהליך סילוק הפסולת מכונה דיאליזה (‪ ,)dialysis‬והוא דומה‬ ‫בתפקודו לאוסמוזה (סעיף ‪ .)6.14‬ממברנות חדירות למחצה‬ ‫בכליות מאפשרות למולקולות קטנות (בעיקר מים ושינן)‬ ‫וליונים בתמיסה לעבור ובסופו של דבר להצטבר בשלפוחית‬ ‫השתן‪ .‬משם הגוף יכול להיפטר מהם‪.‬‬ ‫לרוע המזל‪ ,‬מגוון מחלות עלולות לגרום לכשל חלקי או‬ ‫מוחלט של הכליות‪ .‬כאשר הכליות אינן מבצעות עוד את‬ ‫תפקידן העיקרי‪ ,‬קרי דיאליזה של תוצרי פסולת‪ ,‬הריכוז של‬ ‫שינן ותוצרי פסולת אחרים בדם גדל במהירות‪ .‬מצב זה עלול‬ ‫להיות מסכן חיים בתוך זמן קצר‪.‬‬ ‫הטיפול היעיל ביותר בכשל כלייתי הוא שימוש במכונה‪,‬‬ ‫כליה מלאכותית‪ ,‬שמחקה את תפקוד הכליה‪ .‬הכליה‬ ‫המלאכותית מסלקת פסולת מהדם באמצעות תהליך של‬ ‫המודיאליזה (דיאליזת דם)‪ .‬הדם נשאב דרך ממברנה חדירה‬ ‫למחצה ארוכה‪ ,‬היא ממברנת הדיאליזה‪ .‬תהליך הדיאליזה דומה‬ ‫לאוסמוזה‪ ,‬אך נוסף למולקולות מים גם מולקולות גדולות יותר‬ ‫(כולל תוצרי הפסולת בדם) ויונים יכולים לעבור את הממברנה‬ ‫מהדם אל נוזל הדיאליזה‪ .‬נוזל הדיאליזה איזוטוני ביחס לדם‬ ‫רגיל‪ ,‬והריכוז שלו דומה ליתר מרכיבי הדם החיוניים‪ .‬חומרי‬ ‫הפסולת עוברים את ממברנת הדיאליזה (מריכוז גבוה לנמוך‪,‬‬ ‫כמו בדיפוזיה)‪ .‬הליך דיאליזה מוצלח מסלק באופן בררני את‬ ‫הפסולת מהגוף מבלי להפר את מאזן האלקטרוליטים החיוני‬ ‫בדם‪.‬‬ ‫המודיאליזה‪ ,‬אף שהיא טיפול מציל חיים‪ ,‬אינה חוויה‬ ‫נעימה‪ .‬המטופל נדרש להקפיד על צריכת מים מוגבלת ביותר‬ ‫על מנת לצמצם את מספר הטיפולים שעליו לעבור בשבוע‪.‬‬

‫טיפול דיאליזה‪.‬‬

‫מטופלים רבים בדיאליזה זקוקים לשניים או שלושה טיפולים‬ ‫בשבוע וכל טיפול עשוי לארוך חצי יום אשפוז (או יותר)‪,‬‬ ‫במיוחד כשהמטופל סובל מסיבוכים כגון סוכרת‪.‬‬ ‫שיפורים טכנולוגיים‪ ,‬כמו גם הצמיחה והתחכום של מערכות‬ ‫הטיפול הרפואי שלנו בשנים האחרונות‪ ,‬הפכו את הטיפול‬ ‫בדיאליזה ידידותי בהרבה למטופל‪ .‬מרכזי דיאליזה שמתמחים‬ ‫בטיפול בחולי כליות קיימים כיום בכל רחבי הארץ‪ .‬יחידות‬ ‫דיאליזה קטנות וממוכנות יותר זמינות לשימוש ביתי‪ ,‬בפיקוח‬ ‫אחות‪ .‬בהתחשב בהתפתחות המהירה בתחום השתלות הכליה‪,‬‬ ‫הדיאליזה הולכת והופכת לפתרון זמני‪ ,‬המסייע בשמירה על‬ ‫חיי החולה עד למציאת תורם כליה מתאים‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ באיזה אופן דומה הדיאליזה לאוסמוזה?‬ ‫ ‬ ‫@ באיזה אופן שונה הדיאליזה מאוסמוזה?‬ ‫ ‬

‫הדם מכיל גם מגוון חלבונים המצויים בתרחיף קולואידי בשל גודלם‪ .‬חלבונים אלה כוללים‬ ‫גורמי קרישה; אימונוגלובולינים (נוגדנים) שמסייעים לגוף להילחם בזיהומים; ואלבומינים‬ ‫שמתפקדים כנשאים של חומרים לא־קוטביים והידרופוביים (חומצות שומניות והורמונים‬ ‫סטרואידיים) שאינם מסיסים במים‪.‬‬ ‫יתר על כן‪ ,‬דם הוא תווך להחלפה של חומרי מזון ותוצרי פסולת‪ .‬חומרי מזון‪ ,‬כגון הסוכר‬ ‫הקוטבי גלוקוז‪ ,‬נכנסים לדם מהמעיים או מהכבד‪ .‬משום שמולקולות הגלוקוז קוטביות הן‬ ‫מתמוססות בנוזלי הגוף ונישאות לרקמות ברחבי הגוף‪ .‬כאמור‪ ,‬חומרי מזון לא־קוטביים‬ ‫מובלים בסיוע חלבונים‪ .‬תוצרי פסולת המכילים חנקן‪ ,‬כגון שינן‪ ,‬עוברים מהתאים לדם‪ .‬הם‬ ‫מסולקים מהגוף ביעילות וללא הפסקה על ידי הכליות‪.‬‬ ‫מקרים של אובדן תפקוד כלייתי מטופלים בעזרת מכשירים מכניים המחקים את פעולת‬ ‫הכליות – מכונות דיאליזה‪ .‬התהליך של דיאליזת הדם‪ ,‬המודיאליזה‪ ,‬נידון ב"נקודת מבט‬ ‫רפואית‪ :‬המודיאליזה"‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪6‬‬

‫‪  236‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫עמוד ‪221‬‬

‫מפת הפרק‬

‫קוטביות של‬ ‫מומס וממס‬ ‫טמפרטורה‬

‫חוק הנרי‬

‫המודיאליזה‬

‫מסיסות של גזים‬

‫השפעות‬ ‫ביולוגיות‬

‫שיווי משקל‬ ‫של מסיסות‬

‫אלקטרוליטים‬ ‫בתמיסות מימיות‬

‫לחץ‬ ‫תכונות של‬ ‫תמיסות‬ ‫לחץ אוסמוטי‬

‫אוסמולריות‬

‫אוסמוזה‬

‫תמיסות מימיות‬

‫תמיסות‬

‫תכונות‬ ‫קוליגטיביות‬ ‫כולל‪:‬‬ ‫• הקטנת לחץ האדים‬ ‫• הורדת נקודת הקיפאון‬ ‫• העלאת נקודת הרתיחה‬

‫כולם ניתנים לחישוב‬ ‫באמצעות משוואות מתאימות‬

‫ריכוז‬

‫כולל‪:‬‬ ‫• מסה‪/‬נפח באחוזים‬ ‫• מסה‪/‬מסה באחוזים‬ ‫• חלקים לאלף‬ ‫• חלקים למיליון‬

‫כולם ניתנים לחישוב‬ ‫בעזרת משוואות מתאימות‬

‫‪2‬‬ ‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪237‬‬

‫סיכום‬ ‫‪ 6.1‬תכונות של תמיסות‬ ‫@ תמיסה היא תערובת הומוגנית (או אחידה) של שני‬ ‫ ‬ ‫חומרים או יותר‪ .‬תמיסה מורכבת ממומס אחד או יותר‪,‬‬ ‫המצוי בממס‪ .‬אם הממס הוא מים‪ ,‬התמיסה מכונה תמיסה‬ ‫מימית‪.‬‬ ‫@ תמיסות נוזליות הן צלולות ושקופות ואין רואים בהן‬ ‫ ‬ ‫חלקיקים של מומס‪ .‬הן עשויות להיות צבעוניות או חסרות‬ ‫צבע‪ ,‬בהתאם לתכונות הממס והמומס‪.‬‬ ‫@ בתמיסות של אלקטרוליטים המומסים הם תרכובות יוניות‬ ‫ ‬ ‫שמתפרקות בתמיסה ליונים‪ .‬תמיסות אלה מוליכות חשמל‬ ‫היטב‪ .‬תמיסות של לא־אלקטרוליטים נוצרות ממומסים‬ ‫מולקולריים שאינם מתפרקים (לא־אלקטרוליטים)‪ ,‬והן‬ ‫אינן מוליכות חשמל‪.‬‬ ‫@ הכלל "דומה ממס דומה" הוא התנאי היסודי למסיסות‪.‬‬ ‫ ‬ ‫מומסים קוטביים הם בני תמס בממסים קוטביים‪ ,‬ומומסים‬ ‫לא־קוטביים הם בני תמס בממסים לא־קוטביים‪.‬‬ ‫@ מידת המסיסות תלויה בהבדל בקוטביות של המומס‬ ‫ ‬ ‫והממס‪ ,‬בטמפרטורה ובלחץ‪ .‬לשיקולי לחץ יש חשיבות רק‬ ‫בתמיסות של גזים‪.‬‬ ‫@ כשתמיסה מכילה את כל המומס שאפשר להמיס בה‬ ‫ ‬ ‫בטמפרטורה נתונה היא רוויה‪ .‬המומסים העודפים‬ ‫צונחים לקרקעית כלי הקיבול ויוצרים משקע‪ .‬מדי פעם‪,‬‬ ‫כאשר התמיסה מתקררת‪ ,‬עודפי המומס עשויים להישאר‬ ‫בתמיסה לזמן מה לפני השיקוע‪ .‬תמיסה במצב זה נקראת‬ ‫תמיסה רוויה ביתר‪.‬‬ ‫@ כאשר עודפי מומס‪ ,‬המשקע‪ ,‬באים במגע עם הממס‪,‬‬ ‫ ‬ ‫תהליך ההתמוססות מגיע למצב של שיווי משקל דינמי‪.‬‬ ‫@ תרחיף קולואידי מתאפיין בחלקיקים שגודלם בין גודל‬ ‫ ‬ ‫החלקיקים בתמיסה לבין גודל החלקיקים במשקע‪ .‬תרחיף‬ ‫הוא תערובת הטרוגנית שמכילה חלקיקים גדולים בהרבה‬ ‫מאלה שבתרחיף קולואידי‪ .‬במרוצת הזמן החלקיקים האלה‬ ‫עשויים לשקוע וליצור פאזה שנייה‪.‬‬ ‫@ חוק הנרי מתאר את המסיסות של גזים בנוזלים‪.‬‬ ‫ ‬ ‫בטמפרטורה נתונה המסיסות של גז מתכונתית ללחץ‬ ‫החלקי של הגז‪.‬‬ ‫‪ 6.2‬ריכוז המבוסס על יחידות מסה באחוזים‬ ‫@ כמות המומס שמצויה בכמות נתונה של תמיסה מוגדרת‬ ‫ ‬ ‫בתור ריכוז התמיסה‪ .‬יחידות הריכוז באחוזים שנמצאות‬ ‫בשימוש נרחב הן מסה‪/‬נפח באחוזים ומסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪ .‬חלקים לאלף (‪ )ppt‬וחלקים למיליון (‪)ppm‬‬ ‫נהוגים בתמיסות מהולות במיוחד‪.‬‬

‫‪ 6.3‬ריכוז המבוסס על יחידות מולים‬ ‫@ מולריות‪ ,‬המסומלת ‪ ,M‬מוגדרת בתור מספר המולים של‬ ‫מומס בליטר של תמיסה‪.‬‬ ‫@ מיהול משמש על מנת להכין תמיסות מרוכזות פחות‪.‬‬ ‫ ‬ ‫הביטוי לחישובי מיהול הוא )‪ .(M1)(V1) = (M2)(V2‬ידיעת‬ ‫שלושה מהאברים מאפשרת לנו לחשב את הרביעי‪ .‬את‬ ‫ריכוז המומס אפשר לבטא ביחידות ‪( mol/L‬מולר) או‬ ‫בכל יחידת ריכוז מתאימה אחרת‪ .‬עם זאת‪ ,‬יש לשמור על‬ ‫אותה יחידת ריכוז משני עברי משוואת המיהול‪.‬‬ ‫‪ 6.4‬תכונות של תמיסות התלויות בריכוז‬ ‫@ תכונות של תמיסות שמבוססות על הריכוז של חלקיקי‬ ‫ ‬ ‫המומס‪ ,‬במקום על זהות המומס‪ ,‬מכונות תכונות‬ ‫קוליגטיביות‪.‬‬ ‫@ יש ארבע תכונות קוליגטיביות של תמיסות‪ ,‬וכולן תלויות‬ ‫ ‬ ‫בריכוז החלקיקים בתמיסה‪:‬‬ ‫‪ ‬הקטנת לחץ האדים‪ .‬חוק ראול קובע כי כשמומס בלתי‬ ‫נדיף נוסף לממס‪ ,‬לחץ האדים של הממס קטן באופן‬ ‫מתכונתי לריכוז המומס‪.‬‬ ‫ ‪ ‬הורדת נקודת הקיפאון והעלאת נקודת הרתיחה‪.‬‬ ‫כאשר מוצק בלתי נדיף נוסף לממס נקודת הקיפאון‬ ‫קטנה ונקודת הרתיחה גדלה‪.‬‬ ‫של התמיסה המתקבלת ֵ‬ ‫שיעור הירידה בנקודת הקיפאון (‪ )ΔTf‬ושיעור העלייה‬ ‫בנקודת הרתיחה (‪ )ΔTb‬מתכונתיים שניהם לריכוז‬ ‫המומס בטווח מוגבל של ריכוזים‪ .‬מולליות‪ ,‬יחידת‬ ‫ריכוז המבוססת על מולים‪ ,‬נהוגה בחישובים הכוללים‬ ‫תכונות קוליגטיביות משום שהמולליות אינה תלויה‬ ‫בטמפרטורה‪ .‬מולליות (המסומלת ‪ )m‬מוגדרת בתור‬ ‫מספר המולים של מומס בקילוגרם של ממס בתמיסה‪.‬‬ ‫ ‪ ‬אוסמוזה ולחץ אוסמוטי‪ .‬ממברנת התא היא גורם‬ ‫מתווך באינטראקציה של התא עם הסביבה‪ ,‬ואחראית‬ ‫לוויסות העברת החומרים אל תוך התא וממנו‪ .‬אחת‬ ‫הדרכים המרכזיות להובלת חומרים מכונה דיפוזיה‪.‬‬ ‫דיפוזיה היא תנועה נטו של מולקולות של מומס או‬ ‫ממס מאזור שבו ריכוזן גבוה לאזור שבו ריכוזן נמוך‪.‬‬ ‫האזור שבו הריכוז פוחת לאורך מרחק מסוים מכונה‬ ‫מפל ריכוזים‪ .‬עקב מבנה ממברנת התא‪ ,‬רק מולקולות‬ ‫קטנות מסוגלות לבצע דיפוזיה חופשית ולעבור אותה‪.‬‬ ‫מולקולות גדולות ויונים בעלי מטען גדול נעצרים בה‪.‬‬ ‫במלים אחרות‪ ,‬ממברנת התא מתנהגת באופן בררני‪.‬‬ ‫ממברנות מסוג זה מכונות ממברנות חדירות בררניות‪.‬‬ ‫אוסמוזה היא תנועה של מומס מתמיסה מהולה‬

‫‪  238‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫תשובות לשאלות‬ ‫"בחנו את עצמכם"‬

‫לתמיסה מרוכזת יותר דרך ממברנה חדירה למחצה‪.‬‬ ‫הלחץ שיש להפעיל על התמיסה המרוכזת יותר על‬ ‫מנת לעצור את הזרימה מכונה לחץ אוסמוטי‪ .‬אפשר‬ ‫לתאר את הלחץ האוסמוטי‪ ,‬כפי שאפשר לתאר לחץ‬ ‫שגז מפעיל‪ ,‬באופן כמותי באמצעות משוואה דומה‬ ‫בצורתה למשוואת הגז האידיאלי‪ .π = MRT :‬על פי‬ ‫המוסכמה‪ ,‬מולריות החלקיקים שמשמשת בחישובי‬ ‫לחץ אוסמוטי מכונה אוסמולריות (ומבוטאת ביחידות‬ ‫אוסמול)‪.‬‬ ‫@ במערכות ביולוגיות‪ ,‬אם ריכוז הנוזל המקיף תאי דם‬ ‫ ‬ ‫אדומים גבוה מזה בתוך התאים (תמיסה היפרטונית)‪ ,‬מים‬ ‫זורמים החוצה מהתא וגורמים לו לקרוס‪ .‬ריכוז נמוך מדי‬ ‫של הנוזל ביחס לתמיסה בתוך התא (תמיסה היפוטונית)‬ ‫גורם לתא להתפקע‪.‬‬ ‫@ שתי תמיסות הן איזוטוניות אם הלחצים האוסמוטיים‬ ‫שלהן זהים‪ .‬במצב זה הפרש הלחצים האוסמוטיים בין התא‬ ‫ובין סביבתו הוא אפס‪ ,‬ופעילות התא אינה משתבשת‪.‬‬ ‫‪ 6.5‬תמיסות מימיות‬ ‫@ תפקיד המים בתהליך היצירה של תמיסה ראוי לתשומת לב‬ ‫ ‬ ‫מיוחדת‪ .‬לא אחת מתייחסים למים כאל "ממס אוניברסלי"‬ ‫עקב המספר הגדול של תרכובות יוניות ומולקולריות‬ ‫קוטביות שמסיסות במים‪ ,‬ולו במידה חלקית‪ .‬מים הם‬ ‫הממס העיקרי בצמחים ובגוף החי‪ .‬תכונות אלה הן תוצאה‬ ‫ישירה של הגיאומטריה והמבנה של מולקולות המים‪ ,‬ושל‬ ‫יכולתן להיקשר בקשרי מימן‪.‬‬ ‫@ כאשר אנו עוסקים בתמיסות של תרכובות יוניות‪,‬‬ ‫ ‬ ‫המולריות מבטאת את מספר היונים בתמיסה‪ .‬תמיסת‬ ‫יוני ‪ Na+‬בריכוז ‪ 1 M‬מכילה מספר אבוגדרו של יוני נתרן‬ ‫בליטר תמיסה‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬הריכוז ביחידות של שקולה‬ ‫לליטר מבטא את כמות המטען בליטר תמיסה; תמיסה‬ ‫המכילה ‪ 1‬שקולה של יוני ‪ Na+‬לליטר תמיסה מכילה מספר‬ ‫אבוגדרו של מטענים חיוביים‪ .‬ההמרה מ־‪ mol/L‬ל־‪eq/L‬‬ ‫(או להפך) מבוצעת באמצעות גורמי המרה‪.‬‬ ‫@ לריכוז המטען בתמיסות אלקטרוליטיות חשיבות רבה‪.‬‬ ‫ ‬ ‫לא אחת אנו משתמשים ביחידות ריכוז (‪ eq/L‬ו־‪)meq/L‬‬ ‫שמדגישות את המטען ולא את מספר היונים בתמיסה‪.‬‬ ‫@ ריכוזי הקטיונים‪ ,‬האניונים ויתר החומרים המצויים‬ ‫ ‬ ‫בנוזלים ביולוגיים הם בעלי השפעה מהותית על הבריאות‪.‬‬ ‫משום כך הכליות מווסתות בקפדנות את האוסמולריות‬ ‫של נוזלי הגוף באמצעות תהליך הדיאליזה‪.‬‬

‫‪ 6.1‬‬

‫‪ 6.2‬‬ ‫‪ 6.3‬‬ ‫‪ 6.4‬‬ ‫‪6 .5‬‬ ‫‪ 6.6‬‬ ‫‪ 6.7‬‬ ‫‪ 6.8‬‬ ‫‪ 6.9‬‬

‫ ‬

‫‪6 .10‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 6.11‬‬ ‫‪ 6.12‬‬ ‫‪ 6.13‬‬

‫א‪16.7% (m/V) NaCl .‬‬ ‫ב‪7.50% (m/V) KCl .‬‬ ‫ג‪ 2.56 × 10–2% (m/V) .‬חמצן‬ ‫ד‪ 1.05 × 10–2% (m/V) .‬ארגון‬ ‫א‪2.00 × 101 g NaOH .‬‬ ‫ב‪40.0 mL .‬‬ ‫א‪ 20.0% (m/m) .‬חמצן‬ ‫ב‪ 38.5% (m/m) .‬ארגון‬ ‫א‪ 2.00 × 102 ppt .‬גז חמצן וכן ‪ 2.00 × 105 ppm‬גז חמצן‬ ‫ב‪ 3.85 × 102 ppt .‬גז ארגון וכן ‪ 3.85 × 105 ppm‬גז‬

‫ארגון‬

‫‪0.30 M‬‬ ‫‪1.25 × 10–2 M‬‬ ‫‪0.250 L‬‬ ‫‪( 1.000 × 10–1 L‬או ‪ )1.000 × 102 mL‬של תמיסת סוכר‬ ‫בריכוז ‪0.200 M‬‬ ‫על מנת להכין את התמיסה יש למהול ‪ 1.7 × 10–2 L‬של‬ ‫‪ HCl‬בריכוז ‪ 12 M‬עם מספיק מים להניב תמיסה בנפח‬ ‫כולל של ‪.1.0 × 102 mL‬‬ ‫טמפרטורת רתיחה = ‪100.8ºC‬‬ ‫טמפרטורת קיפאון = ‪–2.790º‬‬ ‫טמפרטורת רתיחה = ‪101.6ºC‬‬ ‫טמפרטורת קיפאון = ‪–5.580ºC‬‬ ‫א‪1.0 × 10–2 osmol .‬‬ ‫ב‪5.0 × 10–3 osmol .‬‬ ‫א‪0.24 atm .‬‬ ‫ב‪0.12 atm .‬‬

‫‪ 6.14‬אמוניה היא חומר קוטבי‪ ,‬כמו מים‪ .‬לפי הכלל "דומה‬ ‫ממס דומה" אפשר להניח כי אמוניה מסיסה במים‪.‬‬ ‫מתאן‪ ,‬שהוא חומר לא־קוטבי‪ ,‬יהיה קשה תמס במים‪.‬‬ ‫‪6.15‬‬

‫‪eq CO32 −‬‬ ‫‪L‬‬

‫‪1.3 × 10− 3‬‬

‫‪6.16‬‬

‫‪mol Na +‬‬ ‫‪L‬‬

‫‪1.54 × 10− 2‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫תכונות של תמיסות‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 6.15‬סווגו את המומסים הבאים כאלקטרוליטים או‬ ‫לא־אלקטרוליטים‪:‬‬ ‫א‪NaNO3 .‬‬ ‫ב‪C6H12O6 .‬‬ ‫ג‪FeCl3 .‬‬ ‫‪ 6.16‬סווגו את המומסים שלהלן כאלקטרוליטים או‬ ‫לא־אלקטרוליטים‪:‬‬ ‫א‪HCl .‬‬ ‫ב‪Na2SO4 .‬‬ ‫ג‪ .‬אתנאול (‪)CH3CH2OH‬‬ ‫‪ 6.17‬הסבירו את ההבדל בין המונחים תמיסה‪ ,‬קולואיד‬ ‫ותרחיף‪.‬‬ ‫‪ 6.18‬מהו ההבדל בין תמיסה רוויה ותמיסה רוויה ביתר?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 6.19‬דייגים באמצעות חכה באזור צפון מזרח ארה"ב יודעים‬ ‫מזה זמן רב שסיכוייהם לתפוס דגי שמך (טרוטה)‬ ‫גדולים בהרבה בתחילת האביב מאשר באמצע אוגוסט‪.‬‬ ‫בהסתמך על פרק זה‪ ,‬הציעו הסבר לתופעה‪.‬‬ ‫‪ 6.20‬מוות המוני ופתאומי של אלפי דגים מתרחש לא אחת‬ ‫בתקופות ממושכות של טמפרטורות גבוהות‪ .‬במקרים‬ ‫רבים‪ ,‬אם כי לא תמיד‪ ,‬הסיבה לכך היא זיהום‪ .‬הציעו‬ ‫סיבה אחרת‪ ,‬בהסתמך על פרק זה‪.‬‬ ‫‪ 6.21‬האם תמיסה יכולה להיות צלולה ואדומה גם יחד?‬ ‫הסבירו‪.‬‬ ‫‪ 6.22‬שני ליטרים של נוזל ‪ A‬מעורבבים עם שני ליטרים‬ ‫של נוזל ‪ .B‬הנפח הסופי הוא רק ‪ .3.95 L‬הסבירו מה‬ ‫מתרחש ברמה המולקולרית‪.‬‬ ‫ריכוז המבוסס על יחידות מסה באחוזים‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 6.23‬חשבו את הרכב התמיסות שלהלן ביחידה מסה‪/‬נפח‬ ‫באחוזים‪:‬‬ ‫א‪ 20.0 g .‬של ‪ NaCl‬בתמיסה בנפח ‪1.00 L‬‬ ‫ב‪ 33.0 g .‬של סוכר‪ ,C6H12O6 ,‬בתמיסה בנפח‬ ‫‪5.00 × 102 mL‬‬

‫‪ 6.24‬חשבו את הרכב התמיסות שלהלן ביחידה מסה‪/‬נפח‬ ‫באחוזים‪:‬‬ ‫א‪ 0.700 g .‬של ‪ KCl‬ב־‪1.00 mL‬‬ ‫ב‪ 1.00 mol .‬של ‪ MgCl2‬בתמיסה בנפח ‪2.50 × 102 mL‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪239‬‬

‫‪ 6.25‬חשבו את הרכב התמיסות שלהלן ביחידה מסה‪/‬נפח‬ ‫באחוזים‪:‬‬ ‫א‪ 50.0 g .‬אתאנול שמומסים בתמיסה בנפח ‪1.00 L‬‬ ‫ב‪ 50.0 g .‬אתאנול שמומסים בתמיסה בנפח‬ ‫‪5.00 × 102 mL‬‬

‫‪ 6.26‬חשבו את הרכב התמיסות שלהלן ביחידה מסה‪/‬נפח‬ ‫באחוזים‪:‬‬ ‫א‪ 20.0 g .‬חומצה אצטית שמומסים בתמיסה בנפח‬

‫‪2.50 L‬‬ ‫ב‪ 20.0 g .‬בנזן שמומסים בתמיסה בנפח ‪1.00 × 102 mL‬‬

‫ ‬ ‫‪ 6.27‬חשבו את הרכב התמיסות שלהלן ביחידה מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪:‬‬ ‫‪2‬‬ ‫א‪ 21.0 g .‬של ‪ NaCl‬בתמיסה שמסתה ‪1.00 × 10 g‬‬ ‫ב‪ 21.0 g .‬של ‪ NaCl‬בתמיסה שנפחה‬ ‫)‪.5.00 × 102 mL (d = 1.12 g/mL‬‬ ‫‪ 6.28‬חשבו את הרכב התמיסות שלהלן ביחידה מסה‪/‬מסה‬ ‫באחוזים‪:‬‬ ‫א‪ 1.00 g .‬של ‪ KCl‬בתמיסה שמסתה ‪1.00 × 102 g‬‬ ‫ ‬ ‫שנפחה‬ ‫בתמיסה‬ ‫‪KCl‬‬ ‫של‬ ‫ב‪50.0 g .‬‬ ‫)‪.5.00 × 102 mL (d = 1.14 g/mL‬‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 6.29‬כמה גרמים של מומס דרושים על מנת להכין את‬ ‫התמיסות שלהלן?‬ ‫א‪ 2.50 × 102 g .‬של ‪ NaCl‬ב־)‪0.900% (m/m‬‬ ‫ב‪ 2.50 × 102 g .‬של ‪( NaC2H3O2‬נתרן אצטט)‬ ‫ב־)‪1.25% (m/m‬‬ ‫‪ 6.30‬כמה גרמים של מומס דרושים על מנת להכין את‬ ‫התמיסות שלהלן?‬ ‫א‪ 2.50 × 102 g .‬של ‪( NH4Cl‬אמוניום כלורי)‬ ‫ב־)‪5.00% (m/m‬‬ ‫ב‪ 2.50 × 102 g .‬של ‪ Na2CO3‬ב־)‪3.50% (m/m‬‬ ‫‪ 6.31‬תמיסה הוכנה באמצעות המסת ‪ 14.6 g‬של ‪KNO3‬‬ ‫במים בכמות שהניבה תמיסה בנפח ‪ .75.0 mL‬מהי‬ ‫המסה‪/‬נפח באחוזים של התמיסה?‬ ‫‪ 6.32‬תמיסה הוכנה באמצעות המסת ‪ 12.4 g‬של ‪NaNO3‬‬ ‫במים בכמות שהניבה תמיסה בנפח ‪ .95.0 mL‬מהי‬ ‫המסה‪/‬נפח באחוזים של התמיסה?‬ ‫‪ 6.33‬כמה גרמים של סוכר דרושים על מנת להכין תמיסה‬ ‫בנפח ‪ 100 mL‬ובעלת מסה‪/‬נפח באחוזים של ‪?1.00‬‬ ‫‪ 6.34‬תמיסת ‪ Mg(NO3)2‬בעלת מסה‪/‬נפח באחוזים של ‪4.0‬‬ ‫מכילה ‪ 1.2 g‬של מגנזיום חנקתי‪ .‬מהו נפח התמיסה‬ ‫במיליליטר?‬

‫‪  240‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 6.35‬‬ ‫‪ 6.36‬‬ ‫‪ 6.37‬‬ ‫‪ 6.38‬‬

‫איזו תמיסה מרוכזת יותר‪ :‬תמיסה בריכוז )‪0.04% (m/m‬‬ ‫או תמיסה בריכוז ‪?50 ppm‬‬ ‫איזו תמיסה מרוכזת יותר‪ :‬תמיסה בריכוז ‪ 20 ppt‬או‬ ‫תמיסה בריכוז ‪?200 ppm‬‬ ‫‪2+‬‬ ‫תמיסה מכילה ‪ 1.0 mg‬של ‪ Cu‬לכל ‪ 0.50 kg‬של‬ ‫תמיסה‪ .‬מהו ריכוז התמיסה ב־‪?ppt‬‬ ‫תמיסה מכילה ‪ 1.0 mg‬של ‪ Cu2+‬לכל ‪ 0.50 kg‬של‬ ‫תמיסה‪ .‬מהו ריכוז התמיסה ב־‪?ppm‬‬

‫ריכוז המבוסס על יחידות מולים‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 6.39‬מדוע לעתים קרובות יש למהול תמיסות במעבדה?‬ ‫‪ 6.40‬כתבו את משוואת המיהול והגדירו כל מונח בה‪.‬‬ ‫‪ 6.41‬מהי המולריות של תמיסה בנפח ‪ 5.0 L‬המכילה‬ ‫‪ 2.5 mol‬של ‪?HNO3‬‬ ‫‪ 6.42‬מהי המולריות של תמיסה בנפח ‪ 2.75 L‬המכילה‬ ‫‪ 1.35 × 10–2 mol‬של ‪?HCl‬‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 6.43‬כמה גרמים של מומס דרושים על מנת להכין את‬ ‫התמיסות שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ 2.50 × 102 mL .‬של ‪ NaCl‬ב־‪0.100 M‬‬ ‫ב‪ 2.50 × 102 mL .‬של ‪( C6H12O6‬גלוקוז) ב־‪0.200 M‬‬ ‫‪ 6.44‬כמה גרמים של מומס דרושים על מנת להכין את‬ ‫התמיסות שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ 2.50 × 102 mL .‬של ‪ NaBr‬ב־‪0.100 M‬‬ ‫ב‪ 2.50 × 102 mL .‬של ‪ KOH‬ב־‪0.200 M‬‬ ‫‪ 6.45‬מהו הנפח של תמיסת סוכרוז (סוכר שולחן‪)C12H22O11 ,‬‬ ‫בריכוז ‪ ,0.500 M‬המכילה ‪ 0.133 mol‬של מומס?‬ ‫‪ 6.46‬מהו הנפח של תמיסת ‪ KOH‬בריכוז ‪1.00 × 10–2 M‬‬ ‫המכילה ‪ 3.00 × 10–1 mol‬של מומס?‬ ‫‪ 6.47‬יש להכין תמיסת ‪ NaCl‬בנפח ‪ 0.500 L‬ובריכוז ‪0.100 M‬‬ ‫באמצעות תמיסת אם בריכוז ‪ .1.00 M‬מהו נפח תמיסת‬ ‫האם במיליליטר שיש לקחת לצורך מיהול?‬ ‫‪ 6.48‬תמיסת סוכרוז בנפח ‪ 50.0 mL‬ובריכוז ‪ 0.250 M‬נמהלה‬ ‫לנפח של ‪ .5.00 × 102 mL‬מהי המולריות של התמיסה‬ ‫החדשה?‬ ‫‪ 6.49‬דגימה של תמיסת אם בנפח ‪ 50.0 mL‬נמהלה לנפח של‬ ‫‪ .500.0 mL‬אם ריכוז התמיסה החדשה הוא ‪,2.00 M‬‬ ‫מה הייתה המולריות של תמיסת האם המקורית?‬ ‫‪ 6.50‬דגימה של תמיסת אם בנפח ‪ 6.00 mL‬ובריכוז ‪8.00 M‬‬ ‫נמהלת לריכוז של ‪ .0.400 M‬מה יהיה הנפח הסופי‬ ‫לאחר המיהול?‬ ‫‪ 6.51‬מהי המולריות של תמיסה שמכילה ‪ 2.25 mol‬של‬ ‫‪ ,NaNO3‬שמומסים ב־‪?2.50 L‬‬

‫‪ 6.52‬‬ ‫‪ 6.53‬‬ ‫‪ 6.54‬‬ ‫‪ 6.55‬‬ ‫‪ 6.56‬‬

‫מהי המולריות של תמיסה שמכילה ‪ 1.75 mol‬של‬ ‫‪ ,KNO3‬שמומסים ב־‪?3.00 L‬‬ ‫כמה גרמים של גלוקוז (‪ )C6H12O6‬יש בתמיסה בנפח‬ ‫‪ 1.75 L‬ובריכוז ‪?0.500 M‬‬ ‫כמה גרמים של נתרן הידרוקסידי יש בתמיסה בנפח‬ ‫‪ 675 mL‬ובריכוז ‪?0.500 M‬‬ ‫דגימת ‪ NaOH‬בריכוז ‪ 0.500 M‬ובנפח ‪ 50.0 mL‬נמהלה‬ ‫לנפח של ‪ .500.0 mL‬מהי המולריות החדשה?‬ ‫מוסיפים ‪ 300.0 mL‬של ‪ H2O‬לתמיסת ‪ H2SO4‬בנפח‬ ‫‪ 300.0 mL‬מיליליטר ובריכוז ‪ .0.250 M‬מהי המולריות‬ ‫החדשה?‬

‫תכונות של תמיסות התלויות בריכוז‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 6.57‬מהי משמעות המונח תכונה קוליגטיבית?‬ ‫‪ 6.58‬תארו‪ ,‬תוך הבאת השם הנכון‪ ,‬ארבע תכונות‬ ‫קוליגטיביות של תמיסות‪.‬‬ ‫‪ 6.59‬הסבירו‪ ,‬במונחי תכונות התמיסה‪ ,‬מדוע משתמשים‬ ‫במלח להתיך קרח בחורף‪.‬‬ ‫‪ 6.60‬הסבירו‪ ,‬במונחי תכונות התמיסה‪ ,‬מדוע צמח נבול‬ ‫"מבריא" כשמשקים אותו‪.‬‬ ‫‪ 6.61‬מהו חוק ראול?‬ ‫‪ 6.62‬מהי החשיבות המרכזית של חוק ראול?‬ ‫‪ 6.63‬מדוע ‪ 1 mol‬של ‪ CaCl2‬מורידים את נקודת הקיפאון‬ ‫של מים יותר מאשר ‪ 1 mol‬של ‪?NaCl‬‬ ‫‪ 6.64‬הניסיון להשתמש במלח להתיך קרח ביום‬ ‫שהטמפרטורה בו היא ‪ −20ºC‬לא יעלה בהצלחה‪.‬‬ ‫מדוע?‬ ‫‪ 6.65‬א‪ .‬מהי טמפרטורת הקיפאון של שינן‪,N2H4CO ,‬‬ ‫בריכוז ‪ ?1.50 m‬שינן הוא תרכובת מולקולרית‪.‬‬ ‫ב‪ .‬מהי טמפרטורת הקיפאון של ‪ LiBr‬בריכוז ‪?1.50 m‬‬ ‫‪ LiBr‬הוא תרכובת יונית‪.‬‬ ‫‪ 6.66‬א‪ .‬מהי טמפרטורת הרתיחה של שינן‪ ,N2H4CO ,‬בריכוז‬ ‫‪ ?1.50 m‬שינן הוא תרכובת מולקולרית‪.‬‬ ‫ב‪ .‬מהי טמפרטורת הרתיחה של ‪ LiBr‬בריכוז ‪?1.50 m‬‬ ‫‪ LiBr‬הוא תרכובת יונית‪.‬‬ ‫יישומים‬ ‫על שאלות ‪ 6.72-6.67‬יש לענות מתוך השוואה בין שתי‬ ‫תמיסות‪ :‬נתרן כלורי (תרכובת יונית) בריכוז ‪ ,0.50 M‬וסוכרוז‬ ‫(תרכובת מולקולרית) בריכוז ‪.0.50 M‬‬ ‫‪ 6.67‬מהי טמפרטורת הקיפאון של כל תמיסה? הניחו‬ ‫שהמולליות של כל תמיסה היא ‪( 0.50 m‬ברוב המקרים‪,‬‬ ‫הריכוזים המולריים והמולליים של תמיסות מימיות‬ ‫מהולות זהים עד כדי שתי ספרות ערך)‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪6‬‬

‫‪ 6.68‬מהי טמפרטורת הרתיחה של כל תמיסה? הניחו כי‬ ‫המולליות של כל תמיסה היא ‪( 0.50 m‬ברוב המקרים‪,‬‬ ‫הריכוזים המולריים והמולליים של תמיסות מימיות‬ ‫מהולות זהים עד כדי שתי ספרות ערך)‪.‬‬ ‫‪ 6.69‬באיזו תמיסה לחץ האדים גבוה יותר?‬ ‫‪ 6.70‬כל תמיסה מופרדת ממים באמצעות ממברנה חדירה‬ ‫למחצה‪ .‬באיזו תמיסה הלחץ האוסמוטי גבוה יותר?‬ ‫‪ 6.71‬מהו הלחץ האוסמוטי של נתרן כלורי בריכוז ‪?0.50 M‬‬ ‫‪ 6.72‬מהו הלחץ האוסמוטי של סוכרוז בריכוז ‪?0.50 M‬‬ ‫על שאלות ‪ 6.76–6.73‬יש לענות על סמך התרחיש שלהלן‪:‬‬ ‫שתי תמיסות‪ A ,‬ו־‪ ,B‬מופרדות על ידי ממברנה חדירה למחצה‪.‬‬ ‫בכל אחד מהמקרים קבעו אם תהיה זרימה נטו של מים‪ ,‬ואם‬ ‫כן – באיזה כיוון‪.‬‬ ‫‪ A 6.73‬היא מים טהורים ו־‪ B‬היא גלוקוז בריכוז ‪.5%‬‬ ‫‪ A 6.74‬היא גלוקוז ב־‪ 0.10 M‬ו־‪ B‬היא ‪ KCl‬ב־‪.0.10 M‬‬ ‫‪ A 6.75‬היא ‪ NaCl‬ב־‪ 0.10 M‬ו־‪ B‬היא ‪ KCl‬ב־‪.0.10 M‬‬ ‫‪ A 6.76‬היא ‪ NaCl‬ב־‪ 0.10 M‬ו־‪ B‬היא גלוקוז ב־‪.0.20 M‬‬ ‫בשאלות ‪ 6.80-6.77‬סווגו כל תמיסה כאיזוטונית‪ ,‬היפוטונית‬ ‫או היפרטונית בהשוואה ל־‪ NaCl‬בריכוז )‪NaCl( 0.9% (m/V‬‬ ‫ב־‪.)0.15 M‬‬ ‫‪ CaCl2 6.77‬ב־‪0.15 M‬‬ ‫‪ 6.78‬גלוקוז ב־‪0.35 M‬‬ ‫‪ 6.79‬גלוקוז ב־‪0.15 M‬‬ ‫‪ NaCl 6.80‬ב־)‪3% (m/V‬‬ ‫‪ 6.81‬מהי האוסמולריות של ‪ KNO3‬בריכוז ‪5.0 × 10−4 M‬‬ ‫(אלקטרוליט)?‬ ‫‪−4‬‬ ‫‪ 6.82‬מהי האוסמולריות של ‪ C6H12O6‬בריכוז ‪2.5 × 10 M‬‬ ‫(לא־אלקטרוליט)?‬ ‫תמיסות מימיות‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 6.83‬אילו תכונות הופכות את המים לממס שימושי כל כך?‬ ‫‪ 6.84‬שרטטו את רשת הקשרים הבין־מולקולריים של‬ ‫מולקולות מים במצב הנוזלי‪.‬‬ ‫‪ 6.85‬שרטטו את האינטראקציה של מים עם מולקולת‬ ‫אמוניה‪.‬‬ ‫‪ 6.86‬שרטטו את האינטראקציה של מים עם מולקולת‬ ‫אתנול‪.‬‬ ‫‪ 6.87‬מדוע חשוב להבדיל בין אלקטרוליטים ולא־‬ ‫אלקטרוליטים כשדנים בתכונות קוליגטיביות?‬ ‫‪ 6.88‬מהם שני הקטיונים החשובים ביותר בנוזלים ביולוגיים?‬ ‫‪ 6.89‬הסבירו מדוע תמיסת דיאליזה מוכרחה להכיל ריכוז‬ ‫נמוך של יוני נתרן אם היא מיועדת לסלק עודפים של‬ ‫יוני נתרן מהדם‪.‬‬

‫ת מ י ס ו ת   ‪241‬‬

‫‪ 6.90‬הסבירו מדוע תמיסת דיאליזה מוכרחה להכיל ריכוז‬ ‫גבוה של יוני אשלגן כאשר יש חשש למחסור ביוני‬ ‫אשלגן בדם‪.‬‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 6.91‬תמיסות של אמוניה במים נמכרות כנוזל לניקוי חלונות‪.‬‬ ‫מדוע לתמיסות אלה יש חיי מדף ארוכים?‬ ‫‪ 6.92‬מדוע טמפרטורת הרתיחה הגבוהה ויוצאת הדופן של‬ ‫מים עוזרת להפוך אותם לממס מועדף?‬ ‫‪ 6.93‬שרטטו את האינטראקציה של מולקולת מים עם יון‬ ‫נתרן‪.‬‬ ‫‪ 6.94‬שרטטו את האינטראקציה של מולקולת מים עם יון‬ ‫כלור‪.‬‬ ‫‪ 6.95‬איזה סוג של מומס מתמוסס בקלות במים?‬ ‫‪ 6.96‬איזה סוג של מומס מתמוסס בקלות בדלק?‬ ‫‪ 6.97‬תארו את ההשפעה הקלינית של ריכוז גבוה של יוני‬ ‫נתרן בדם‪.‬‬ ‫‪ 6.98‬תארו את ההשפעה הקלינית של ריכוז נמוך של יוני‬ ‫אשלגן בדם‪.‬‬ ‫‪ 6.99‬תארו את התנאים שעשויים להוביל לריכוז גבוה של‬ ‫נתרן בדם‪.‬‬ ‫‪ 6.100‬תארו את התנאים שעשויים להוביל לריכוז נמוך‬ ‫ומסוכן של אשלגן בדם‪.‬‬ ‫‪2+‬‬ ‫‪2+‬‬ ‫‪ 6.101‬מהו מספר ‪ eq/L‬של ‪ ,Ca‬בתמיסת ‪ Ca‬שהריכוז‬ ‫שלה הוא ‪?5.0 × 10−2 M‬‬ ‫‪2−‬‬ ‫‪ 6.102‬מהו מספר ‪ eq/L‬של ‪ ,SO42−‬בתמיסת ‪ SO4‬שהריכוז‬ ‫שלה הוא ‪?2.5 × 10−3 M‬‬ ‫‪ 6.103‬חלק מההתוויה של תמיסת מי מלח רפואית הוא‬ ‫"‪ 154 meq/L‬של יוני ‪ Na+‬ו־‪ 154 meq/L‬של יוני ‪."Cl−‬‬ ‫א‪ .‬כמה מולים של יוני ‪ Na+‬יש ב־‪ 1.00 L‬של תמיסה?‬ ‫ב‪ .‬כמה מולים של יוני ‪ Cl−‬יש ב־‪ 1.00 L‬של תמיסה?‬ ‫‪ 6.104‬תמיסה רפואית שמיועדת להשבת יוני ‪ K+‬של מטופל‬ ‫מכילה ‪ 40 meq/L‬של יוני ‪ K+‬ו־‪ 40 meq/L‬של יוני ‪.Cl−‬‬ ‫א‪ .‬כמה מולים של יוני ‪ K+‬יש ב־‪ 1.00 L‬של תמיסה?‬ ‫ב‪ .‬כמה מולים של יוני ‪ Cl−‬יש ב־‪ 1.00 L‬של תמיסה?‬ ‫‪ 6.105‬תמיסת אשלגן כלורי שמכילה גם דקסטרוז בריכוז‬ ‫)‪ 5% (m/V‬ניתנת בעירוי לטיפול במקרים מסוימים של‬ ‫תת־תזונה‪ .‬ריכוז יוני האשלגן בתמיסה הוא ‪.40 meq/L‬‬ ‫מהו ריכוז יוני האשלגן ביחידות מול לליטר?‬ ‫‪ 6.106‬אילו ריכוז יוני האשלגן בתמיסה המתוארת בשאלה‬ ‫‪ 6.105‬היה רק ‪ ,35 meq/L‬מה היה ריכוז יוני האשלגן‬ ‫ביחידות מול לליטר?‬

‫‪  242‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫בעיות חשיבה ביקורתית‬ ‫‪ . 1‬איזו מהתרכובות שלהלן תגרום לירידה גדולה יותר בנקודת‬ ‫הקיפאון‪ ,‬לכל מול‪ ,‬ב־‪( C6H12O6 :H2O‬גלוקוז) או ‪?NaCl‬‬ ‫‪ .2‬איזו מהתרכובות שלהלן תגרום לעלייה גדולה יותר בנקודת‬ ‫הרתיחה‪ ,‬לכל מול‪ ,‬ב־‪ MgCl2 :H2O‬או ‪HOCH2CH2OH‬‬ ‫(אתילן גליקול‪ ,‬מונע קפיאה)?‬ ‫ (רמז‪ HOCH2CH2OH :‬היא תרכובת מולקולרית)‬ ‫‪ .3‬מדענים מתחום הכימיה האנליטית מנצלים לא אחת‬ ‫הבדלים במסיסות על מנת להפריד יונים‪ .‬לדוגמה‪ ,‬הוספת‬ ‫‪ Cl−‬לתמיסה של ‪ Cu2+‬ו־‪ Ag+‬גורמת לשיקוע של ‪;AgCl‬‬ ‫בתמיסה נותר ‪ .Cu2+‬סינון התמיסה מביא להפרדתו‪ .‬תכננו‬ ‫שיטה להפרדה בין הקטיונים ‪ Ca2+‬ו־‪.Pb2+‬‬

‫‪ .4‬‬ ‫‪ .5‬‬ ‫‪ .6‬‬ ‫‪ .7‬‬

‫באמצעות אופן פעולה דומה לזה שתואר בבעיה הקודמת‪,‬‬ ‫תכננו שיטה להפרדה בין האניונים ‪ S2−‬ו־‪.CO32−‬‬ ‫תכננו ניסוי שיאפשר לכם למדוד את מידת המסיסות של‬ ‫מלח‪ ,‬כגון ‪ ,KI‬במים‪.‬‬ ‫כיצד אפשר להבדיל בניסוי בין תמיסה רוויה ותמיסה‬ ‫רוויה ביתר?‬ ‫דם הוא ביסודו של דבר תמיסה מימית‪ ,‬אבל עליו להעביר‬ ‫מגוון חומרים לא־קוטביים (הורמונים‪ ,‬לדוגמה)‪ .‬חלבונים‬ ‫קולואידיים‪ ,‬המכונים אלבומינים (‪ ,)albumins‬מאפשרים‬ ‫את ההעברה הזו‪ .‬האם האלבומינים קוטביים או לא־‬ ‫קוטביים? מדוע?‬

‫‪7‬‬

‫אנרגיה‪ ,‬קצב ושיווי משקל‬

‫מטרות לימוד‬ ‫‪ 1‬לקשר בין המונחים אנדותרמי ואקסותרמי לבין מעבר חום‬ ‫בין מערכת וסביבתה‪.‬‬ ‫‪ 2‬לנסח את משמעות המונחים אנתלפיה‪ ,‬אנטרופיה ואנרגיה חופשית‪,‬‬ ‫ ‬ ‫ולהבין את השלכותיהם‪.‬‬ ‫‪ 3‬לתאר ניסויים שמניבים מידע תרמוכימי ולחשב ערכים קלוריים‬ ‫ ‬ ‫על סמך מידע ניסיוני‪.‬‬ ‫‪ 4‬לתאר את המושג קצב התגובה ואת תפקיד הקינטיקה‬ ‫ ‬ ‫בשינויים פיזיקליים וכימיים‪.‬‬ ‫‪ 5‬לתאר את חשיבות אנרגיית השפעול והקומפלקס המשופעל‬ ‫ ‬ ‫בקביעת קצב התגובה‪.‬‬ ‫‪ 6‬לחזות את האופן שבו המבנה והריכוז של מגיב‪ ,‬וכן הטמפרטורה ונוכחות זרז‪,‬‬ ‫ ‬ ‫משפיעים על הקצב של תגובה כימית‪.‬‬ ‫‪ 7‬לכתוב חוקי קצב ולהשתמש במשוואות כדי לחשב את השפעת הריכוז‬ ‫ ‬ ‫על הקצב‪.‬‬ ‫‪ 8‬לזהות ולתאר מצבי שיווי משקל‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9‬לכתוב ביטויים לקבועי שיווי משקל ולהשתמש בביטויים‬ ‫ ‬ ‫על מנת לחשב את ערכם‪.‬‬ ‫‪ 10‬להשתמש בעקרון לה שטלייה על מנת לחזות שינויים במצב שיווי המשקל‪.‬‬

‫מתווה‬ ‫מבוא ‪244‬‬ ‫‪ 7.1‬תרמודינמיקה ‪244‬‬ ‫כימיה ירוקה‪ :‬אנרגיה במאה העשרים ואחת ‪247‬‬ ‫ ‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬תחבושות חמות וקרות ‪252‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7‬קביעה ניסיונית של השינוי באנרגיה במהלך תגובה ‪252‬‬ ‫‪ .2‬‬ ‫‪ 7.3‬קינטיקה ‪256‬‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬מהר מדי או לאט מדי? ‪261‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.4‬שיווי משקל ‪263‬‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬מולקולה יוצאת מן הכלל ‪273‬‬ ‫ ‬

‫תארו את הקשר של מנוע המכונית‬ ‫המודרנית לנושאים שבהם עוסק‬ ‫פרק זה‪.‬‬

‫‪  244‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מבוא‬ ‫בפרק ‪ 4‬ערכנו חישובים העוסקים בכמויות החומר המעורבות בשינוי כימי‪ ,‬והנחנו שכל החומר‬ ‫המגיב נצרך ושבסוף התגובה נותרים רק התוצרים‪ .‬לא אחת אין זה המקרה‪ .‬יתרה מזאת‪ ,‬לא‬ ‫כל התגובות הכימיות מתרחשות באותו הקצב; חלקן מתרחשות כמעט מיד (פיצוצים) ואילו‬ ‫אחרות עשויות להימשך שנים רבות (שיתוך)‪.‬‬ ‫שני גורמים ממלאים תפקיד חשוב בקביעת העוצמה והקצב של תגובה כימית‪:‬‬ ‫(‪ )1‬תרמודינמיקה‪ ,‬שעוסקת בשינויי אנרגיה בתגובות כימיות‪ ,‬ו־(‪ )2‬קינטיקה‪ ,‬שמתארת את‬ ‫הקצב של תגובה כימית‪.‬‬ ‫הן התרמודינמיקה והן הקינטיקה קשורות באנרגיה‪ ,‬אך אלו הם שני שיקולים שונים‪ .‬חוקי‬ ‫התרמודינמיקה עשויים לחזות שתגובה מסוימת תתרחש‪ ,‬אך לא בהכרח נוכל לצפות בתהליך‬ ‫משום שהתגובה עלולה להיות אטית מאוד; לחלופין‪ ,‬תגובה עשויה להיות מהירה מאוד בזכות‬ ‫הקינטיקה שלה‪ ,‬אך עלולה להניב כמות קטנה מאוד (ואפילו אפסית) של תוצרים בשל שיקולים‬ ‫תרמודינמיים‪.‬‬ ‫בפרק זה נחקור את מושגי היסוד של התרמודינמיקה והקינטיקה‪ ,‬בדגש על התפקיד‬ ‫המהותי של שינויי אנרגיה בתגובות כימיות‪ .‬נבחן שינויים פיזיקליים ושינויים כימיים‪ ,‬כולל‬ ‫המרות בין מצבי הצבירה של החומר (מוצק‪ ,‬נוזל וגז)‪ .‬נשתמש במושגים הללו כדי להסביר את‬ ‫ההתנהגות של תגובות שאינן מגיעות לכדי סיום‪ .‬תגובות אלה מכונות תגובות שיווי משקל‪.‬‬ ‫נפתח את הביטוי לקבוע שיווי המשקל ונדגים כיצד אפשר לשנות את הרכב שיווי המשקל‬ ‫באמצעות עקרון לה שטלייה‪.‬‬

‫‪7.1‬‬

‫תרמודינמיקה‬

‫התרמודינמיקה (‪ )thermodynamics‬עוסקת בחקר אנרגיה‪ ,‬עבודה וחום‪ .‬אפשר להשתמש‬ ‫בה בחקר שינוי כימי‪ ,‬למשל כדי לחשב את כמות החום שאפשר להשיג בשרפת ‪ 1‬ליטר של‬ ‫דלק‪ .‬בדומה לכך‪ ,‬אפשר לקבוע בעזרתה את כמות האנרגיה שמשתחררת או נצרכת בשינוי‬ ‫פיזיקלי‪ ,‬דוגמת רתיחה או קיפאון של מים‪.‬‬ ‫התרמודינמיקה מושתתת על שלושה חוקים בסיסיים‪:‬‬ ‫‪ .1‬אנרגיה אינה נוצרת או נעלמת‪ ,‬רק מומרת מצורה אחת לאחרת‪.‬‬ ‫‪ .2‬לתהליכים ביקום יש נטייה טבעית להתרחש באופן שמגדיל את רמת אי־הסדר או‬ ‫האקראיות‪.‬‬ ‫‪ .3‬רמת אי־הסדר של גביש טהור ומושלם באפס המוחלט (‪ 0‬קלווין) היא אפס‪.‬‬ ‫אנו נעסוק כאן רק בשני החוקים הראשונים של התרמודינמיקה‪ .‬הם עוזרים לנו לחזות מדוע‬ ‫תגובות כימיות מסוימות מתרחשות באופן טבעי (ספונטני)‪ ,‬ואחרות לא‪ .‬תגובה ספונטנית‬ ‫תתרחש כשמתקיימים תנאים מסוימים; תגובה לא־ספונטנית לא תתרחש בתנאים מסוימים‪.‬‬ ‫בין שאנחנו מפיקים תרכובות במעבדה‪ ,‬מייצרים כימיקלים תעשייתיים או מחפשים את‬ ‫הגורמים לסרטן‪ ,‬היכולת לחזות ספונטניות היא חיונית‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫  פ ר ק‬

‫‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י מ ש ק ל   ‪245‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם‬

‫התגובה הכימית ואנרגיה‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫חלק מההתנגשויות‪ ,‬אם הן מלוות באנרגיה מספקת‪ ,‬יובילו לפירוק קשרים בצורונים‬ ‫השונים‪.‬‬ ‫כאשר קשרים בצורוני המגיבים מתפרקים‪ ,‬קשרים חדשים יכולים להיווצר ולהניב‬ ‫תוצרים‪.‬‬

‫החוק הראשון של התרמודינמיקה‬ ‫תגובה אקסותרמית ותגובה אנדותרמית‬

‫החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע שכמות האנרגיה ביקום קבועה‪ .‬זהו חוק שימור‬ ‫האנרגיה‪ .‬חקר שינויי האנרגיה שמתרחשים בתגובות כימיות הוא יישום מעשי של החוק‬ ‫הראשון‪ .‬נבחן לדוגמה את התגובה הכללית‪:‬‬ ‫‪A−B + C−D → A−D + C−B‬‬

‫תגובה אקסותרמית (‪ )exothermic reaction‬משחררת אנרגיה לסביבה‪ .‬טמפרטורת הסביבה‬ ‫עולה‪.‬‬

‫חום‬

‫מערכת‬ ‫)‪(1‬‬

‫סביבה‬ ‫טמפרטורה‬

‫כדאי לציין שאי־אפשר למדוד את הערך המדויק של האנרגיה האצורה במערכת כימית‪.‬‬ ‫בכוחנו למדוד אך ורק את השינוי באנרגיה (האנרגיה שנקלטת או משתחררת) תוך כדי‬ ‫תגובה כימית‪ .‬כמו כן‪ ,‬לא אחת נוח ואף הכרחי לקבוע גבול בין המערכת וסביבתה‪.‬‬ ‫המערכת (‪ )system‬היא התהליך הנחקר‪ .‬הסביבה (‪ )surroundings‬היא שאר היקום‪ .‬היקום‬ ‫שלנו מורכב מהמערכת ומהסביבה‪ .‬המערכת יכולה לאבד אנרגיה לטובת הסביבה‪ ,‬ויכולה גם‬ ‫לקבל אנרגיה על חשבון הסביבה‪ .‬השינוי הזה באנרגיה מתרחש לרוב בצורת חום‪ ,‬ויש בכוחנו‬ ‫לחשב אותו משום שהטמפרטורה של הסביבה משתנה‪ ,‬ואת השינוי הזה בטמפרטורה אפשר‬ ‫למדוד‪ .‬התהליך מומחש באיור ‪.7.1‬‬ ‫ראו לדוגמה את השרפה של מתאן; כלומר תגובה של מתאן וחמצן שמניבה פחמן דו־חמצני‬ ‫ומים‪ .‬אם נגדיר את התגובה בתור המערכת‪ ,‬אזי טמפרטורת האוויר שסביב המערכת עולה‪.‬‬ ‫העלייה בטמפרטורה מעידה כי מקצת מהאנרגיה הפוטנציאלית (האנרגיה האצורה בקשרים)‬ ‫מומרת לאנרגיה קינטית‪ ,‬מה שגורם למולקולות שמקיפות את המערכת לנוע במהירות גבוהה‬ ‫יותר‪ .‬סוג זה של אנרגיה קינטית מכונה אנרגיה תרמית (‪ .)thermal energy‬העברה של אנרגיה‬ ‫תרמית לסביבה היא חום (‪ ,)heat‬ולעתים היא מכונה מעבר חום (‪.)heat flow‬‬ ‫מדידה מדויקת של טמפרטורת האוויר לפני התגובה ואחריה איננה דבר קל‪ .‬עם זאת‪,‬‬ ‫אם נוכל לבודד חלק מהסביבה‪ ,‬וכך לבודד וללכוד את החום‪ ,‬נוכל לחשב גודל שימושי –‬ ‫חום התגובה‪ .‬נדון באפשרויות ניסיוניות למדידת שינויי טמפרטורה ולחישוב חום התגובה‪,‬‬ ‫המכונות קלורימטריה (‪ ,)calorimetry‬בסעיף ‪.7.2‬‬

‫סביבה‬ ‫טמפרטורה‬

‫ג'ון דלטון האמין ששינוי כימי כרוך בצירוף‪ ,‬בהפרדה או בסידור מחדש של אטומים‪ .‬מאתיים‬ ‫שנה לאחר מכן‪ ,‬קביעה זו עדיין עומדת על ִתלה כתיאור מדויק של תגובות כימיות‪ .‬עם זאת‪,‬‬ ‫כיום אנחנו יודעים הרבה יותר על שינויי האנרגיה שמהווים חלק חיוני בכל תגובה‪.‬‬ ‫התיאוריה הקינטית של הגזים הוצגה בסעיף ‪ .5.1‬טוב נעשה אם נזכור את הרעיונות‬ ‫הבסיסיים של התיאוריה לכל אורך הדיון בתרמודינמיקה ובקינטיקה‪ .‬זכרו כי מולקולות‬ ‫ואטומים מצויים בתנועה מתמדת ואקראית המלווה בהתנגשויות תכופות אלה באלה‪ .‬כמו‬ ‫כן‪ ,‬האנרגיה הקינטית הממוצעת של האטומים או המולקולות גדלה ככל שהטמפרטורה‬ ‫גדלה‪ .‬לקביעות אלה של התיאוריה הקינטית נוסיף את המושגים שלהלן‪ ,‬אשר קשורים‬ ‫לתגובות כימיות‪:‬‬

‫איור ‪7-1‬‬

‫אנרגיה‪ ,‬צורותיה השונות ויחידות‬ ‫האנרגיה השכיחות הוצגו בפרק ‪.1‬‬

‫חום‬

‫מערכת‬ ‫)‪(2‬‬

‫איור ‪ 7.1‬המחשה של מעבר‬ ‫חום בתגובה אקסותרמית (‪)1‬‬ ‫ובתגובה אנדותרמית (‪.)2‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 1‬לקשר בין המונחים אנדותרמי‬

‫ואקסותרמי לבין מעבר חום בין‬ ‫מערכת וסביבתה‪.‬‬

‫‪  246‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫כל קשר כימי אוצר בתוכו אנרגיה כימית (אנרגיה פוטנציאלית)‪ .‬על מנת שהתגובה תתרחש‪,‬‬ ‫הקשר ‪ A – B‬והקשר ‪ C – D‬צריכים להתפרק; הפירוק תמיד מצריך אנרגיה‪ .‬בה בעת‪,‬‬ ‫הקשרים ‪ A – D‬ו־‪ C – B‬מוכרחים להתהוות; ההתהוות תמיד משחררת אנרגיה‪.‬‬ ‫אם האנרגיה הדרושה כדי לפרק את הקשרים ‪ A – B‬ו־‪ C – D‬קטנה מהאנרגיה‬ ‫המשתחררת כשהקשרים ‪ A – D‬ו־‪ C – B‬מתהווים‪ ,‬אזי התגובה תשחרר את האנרגיה‬ ‫העודפת‪ .‬אפשר להתייחס לאנרגיה כאל תוצר‪ ,‬והתגובה נקראת תגובה אקסותרמית (ביוונית‬ ‫‪" ,exo‬חוץ"‪ ,‬ו־‪" ,therm‬חום")‪.‬‬ ‫דוגמה לתגובה אקסותרמית היא שרפה של מתאן‪ ,‬המיוצגת על ידי משוואה תרמוכימית‬ ‫(‪:)thermochemical equation‬‬ ‫בתגובה אקסותרמית‪ ,‬חום משתחרר‬ ‫מהמערכת לסביבה‪ .‬בתגובה‬ ‫אנדותרמית‪ ,‬חום נקלט על ידי‬ ‫המערכת מהסביבה‪.‬‬

‫פירוק קשרים הוא תהליך‬ ‫אנדותרמי‪ .‬התהוות קשרים היא‬ ‫תהליך אקסותרמי‪.‬‬

‫)‪CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) + 211 kilocalories (kcal‬‬

‫תגובה אקסותרמית‬

‫שרפת מול אחד של מתאן משחררת ‪ 211‬קילוקלוריות‪.‬‬ ‫משמעות המשוואה היא‪ֵ :‬‬ ‫תגובה אנדותרמית (‪ )endothermic reaction‬קולטת אנרגיה מהסביבה‪ .‬טמפרטורת‬ ‫הסביבה יורדת‪.‬‬ ‫אם האנרגיה הדרושה כדי לפרק את הקשרים ‪ A – B‬ו־‪ C – D‬גדולה מזו שמשתחררת‬ ‫כשהקשרים ‪ A – D‬ו־‪ C – B‬מתהווים‪ ,‬התגובה תזדקק לאספקה חיצונית של אנרגיה‪ .‬תגובה‬ ‫"פנים"‪ ,‬ו־‪" ,therm‬חום")‪ ,‬ובה אפשר להתייחס‬ ‫שכזו מכונה תגובה אנדותרמית (ביוונית ‪ְּ ,endo‬‬ ‫לאנרגיה כאל מגיב‪.‬‬ ‫פירוק של אמוניה לחנקן ולמימן הוא דוגמה לתגובה אנדותרמית‪:‬‬ ‫)‪22 kcal + 2NH3(g) → N2(g) + 3H2(g‬‬

‫תגובה אנדותרמית‬

‫משמעות המשוואה היא‪ :‬פירוק ‪ 2‬מול של אמוניה מצריך ‪ 22‬קילוקלוריות‪.‬‬ ‫הדוגמאות המופיעות כאן ממחישות קליטה או שחרור של אנרגיה בצורת חום‪ .‬בהתאם‬ ‫לתגובה ולתנאים שבהם היא מתרחשת‪ ,‬האנרגיה עשויה להיות בצורה של אנרגיית אור או‬ ‫אנרגיה חשמלית‪ .‬גחלילית משחררת אנרגיה בצורת אור זוהר בליל קיץ‪ .‬זרם חשמלי נוצר על‬ ‫ידי תגובה כימית בסוללה‪ ,‬ומאפשר למכונית להתניע‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 7.1‬האם תהליך הוא אקסותרמי או אנדותרמי‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 1‬לקשר בין המונחים אנדותרמי‬

‫קוביית קרח מוכנסת לכוס מים בטמפרטורת החדר‪ .‬קוביית הקרח ניתכת‪.‬‬ ‫האם התכת הקרח אקסותרמית או אנדותרמית?‬

‫ואקסותרמי לבין מעבר חום בין‬ ‫מערכת וסביבתה‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נגדיר את קוביית הקרח כמערכת‪ ,‬ואת כוס המים כסביבה‪.‬‬ ‫קטנה‪ .‬הסביבה מעבירה חום למערכת‪ ,‬לקוביית הקרח‪ .‬החום משמש לשבירת חלק‬ ‫שלב ‪ .2‬נשים לב שטמפרטורת המים (הסביבה) ֵ‬ ‫מקשרי המימן בין מולקולות המים שבקוביית הקרח‪ ,‬והקרח ניתך‪.‬‬ ‫שלב ‪ .3‬מעבר החום מתרחש מהסביבה למערכת‪.‬‬ ‫שלב ‪ .4‬המערכת מקבלת אנרגיה; לפיכך‪ ,‬תהליך ההתכה (שינוי פיזיקלי) הוא אנדותרמי‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.1‬‬

‫האם התהליכים הבאים אקסותרמיים או אנדותרמיים? א‪ .‬שרפת דלק‪ .‬ב‪ .‬המסת ‪ NaOH‬מוצק במים המלווה בעלייה בטמפרטורת‬ ‫התמיסה‪.‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 7.23‬ו־‪7.24‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪247‬‬

‫כימיה ירוקה‬ ‫אנרגיה במאה העשרים ואחת‬ ‫את המים ולהפיק אדים‪ .‬תגובות גרעיניות מייצרות חום‪ ,‬וזהו‬ ‫הבסיס לתחנות כוח גרעיניות‪ .‬שרפה של פחם‪ ,‬נפט וגז טבעי‬ ‫(תגובות אקסותרמיות) מייצרת גם היא חום‪ .‬אם כן‪ ,‬אנו רואים‬ ‫שההבדל המהותי בין הסוגים השונים של תחנות הכוח נעוץ‬ ‫בזהות של מקור החום ובמורכבות הטכנולוגית שלו‪.‬‬ ‫גישות חדשות ל"הזזת" אלקטרונים כוללות אנרגיית רוח‬ ‫ואנרגיה סולרית‪ .‬על פי הערכות‪ ,‬תחנות רוח חדישות שיוקמו‬ ‫באזורים לא מאוכלסים (המים הרדודים של האוקיינוס‬ ‫האטלנטי והמישורים בחלק המערבי של ארה"ב)‪ ,‬בשילוב עם‬ ‫רשתות תמסורת חשמלית מודרניות‪ ,‬יוכלו לספק את דרישות‬ ‫החשמל של כמעט כל ארה"ב‪ .‬אנרגיה סולרית‪ ,‬שנאספת‬ ‫בתאים פוטוולטאיים המסודרים בלוחות סולריים‪ ,‬מומרת‬ ‫לאנרגיה חשמלית‪.‬‬ ‫חרף ההתקדמות הכבירה בעיצוב ובפיתוח של טכנולוגיות‬ ‫חדשות‪ ,‬נותרו בעיות רבות‪ .‬יחלפו עשרות שנים בטרם נפסיק‬ ‫להשתמש במקורות אנרגיה לא מתחדשים‪ .‬השימוש באנרגיה‬ ‫גרעינית מעלה שאלות בטיחות חמורות לאור האסונות באי‬ ‫שלושת המילין‪ ,‬בצ'רנוביל ובפוקושימה‪ .‬מערכות אנרגיה‬ ‫סולרית אינן כה יעילות ואי־אפשר להשתמש בהן בימים‬ ‫מעוננים; הן מצריכות אמצעי אחסון שמגדילים את עלות‬ ‫הבנייה והתחזוקה שלהן‪ .‬טורבינות רוח נחשבות לעתים‬ ‫כפגיעה בנוף והן יעילות בעיקר באזורים שהרוחות בהם חזקות‬ ‫ועקביות‪ .‬יש לזכור שמכוניות חשמליות מחליפות את הדלק‬ ‫בחשמל‪ ,‬והחשמל (או לפחות חלק ממנו) מקורו בשרפה של‬ ‫דלקים מאובנים‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬שיפור בעיצוב וביעילות של מקורות האנרגיה‬ ‫החלופיים הללו יכול לצמצם את התלות שלנו במקורות אנרגיה‬ ‫מזהמים ולא מתחדשים‪.‬‬

‫כשאנחנו קונים דלק לרכב או נפט לקמין אין ספק שאנחנו‬ ‫קונים חומר‪ .‬אבל החומר הזה הוא רק "מתקן אחסון"; למעשה‬ ‫שרפה‪,‬‬ ‫אנחנו קונים את האנרגיה האצורה בקשרים הכימיים‪ֵ .‬‬ ‫בערה בנוכחות חמצן‪ ,‬משחררת את האנרגיה המאוחסנת‬ ‫(אנרגיה פוטנציאלית) בצורה שמתאימה לתפקיד שלה‪ :‬אנרגיה‬ ‫מכנית שמניעה כלי רכב או אנרגיית חום שמחממת בית‪.‬‬ ‫שחרור האנרגיה הוא תוצאה של שינוי‪ .‬השינוי שחל בעת‬ ‫שרפת דלק מניב תוצרי פסולת שעלולים להזיק לסביבה‪ .‬על‬ ‫מנת לנקות את הסביבה דרושה הוצאה של זמן‪ ,‬כסף ואנרגיה‬ ‫נוספת‪.‬‬ ‫אנחנו משלמים מחיר מכובד בתמורה לאספקת האנרגיה‬ ‫שלנו‪ ,‬אבל האם אנו מקבלים תמורה מלאה לכספנו? למרבה‬ ‫הצער התשובה שלילית‪ .‬לחילוץ האנרגיה מהמולקולות יש‬ ‫מחיר‪ .‬לדוגמה‪ ,‬היעילות של מנוע רכב מכוון כהלכה מגיעה אולי‬ ‫ל־‪ .30%‬פירוש הדבר שפחות משליש מהאנרגיה הזמינה מניעה‬ ‫את הרכב הלכה למעשה‪ .‬שני השלישים הנותרים משתחררים‬ ‫לאטמוספרה בצורת אנרגיה מבוזבזת‪ ,‬בעיקר אנרגיית חום‪.‬‬ ‫חוק שימור האנרגיה מורה לנו שהאנרגיה אינה נעלמת‪ ,‬אבל‬ ‫היא בשום אופן אינה זמינה לנו בצורה שימושית‪.‬‬ ‫האם אפשר לבנות מערכת העברת אנרגיה ביעילות של‬ ‫‪ ?100%‬האם אפשר להפיק אנרגיה ללא עלות? התשובה לשתי‬ ‫השאלות האלה שלילית‪ .‬הדבר בלתי אפשרי מבחינה תיאורטית‪,‬‬ ‫וחוקי התרמודינמיקה מסבירים לנו מדוע‪.‬‬ ‫אף שהמרת אנרגיה בשיעור של ‪ 100%‬איננה אפשרית‪,‬‬ ‫אפשר לשפר את האופן שבו אנו משתמשים כיום באנרגיה‪.‬‬ ‫נקווה שצריכת כמויות עצומות של משאבים לא מתחדשים‬ ‫(דלקים מאובנים‪ :‬פחם‪ ,‬נפט וגז טבעי) תוך פליטה לאטמוספרה‬ ‫של תוצרי הפסולת (פחמן דו־חמצני ותחמוצות גפרית) איננה‬ ‫המערכת הטובה ביותר לייצור אנרגיה שכושר ההמצאה‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫האנושי מסוגל להגות‪.‬‬ ‫תהליך ייצור החשמל נסוב בפשטות סביב מציאת דרכים @ השמש והרוח הוזכרו כמקורות אנרגיה חלופיים‪ .‬הציעו‬ ‫חלופה שלישית‪.‬‬ ‫ליצור תנועה מכוונת של אלקטרונים‪ .‬המרת מים לאדים‪ ,‬ואז‬ ‫@ מהם לדעתכם היתרונות האפשריים (והחסרונות‬ ‫ ‬ ‫שימוש בלחץ האדים לסובב טורבינה (אמצעי מכני "לדחוף"‬ ‫האפשריים) של החלופה שהצעתם?‬ ‫אלקטרונים) מצריכים כמויות עצומות של חום כדי להרתיח‬

‫אנתלפיה של תגובה‬

‫תגובה כימית עשויה לכלול פירוק והתהוות של קשרים רבים‪ .‬לא אחת אנו מתעניינים בכמות‬ ‫הכוללת של החום שמשתחרר בתגובה או שנקלט על ידה‪.‬‬ ‫אנתלפיה (‪ )enthalpy‬היא מונח שמשמש לייצוג אנרגיה האצורה בחומר ומסומל באות‬ ‫‪ .H‬השינוי באנתלפיה הוא הפרש האנתלפיה בין התוצרים והמגיבים בתגובה כימית‪ ,‬והוא‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לנסח את משמעות המונחים‬

‫אנתלפיה‪ ,‬אנטרופיה ואנרגיה‬ ‫חופשית‪ ,‬ולהבין את השלכותיהם‪.‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫איור ‪7-2‬‬ ‫‪  248‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪A+B‬‬

‫מגיבים‬ ‫אנתלפיה‬

‫‪∆H‬‬ ‫‪C+D‬‬

‫תוצרים‬

‫מסומל ‪ .ΔH‬בתהליכים המתרחשים בלחץ קבוע‪ ,‬שינוי האנתלפיה מעיד על מעבר החום‬ ‫בין המערכת והסביבה‪ .‬על פי המוסכמה‪ ,‬אנרגיה (או אנתלפיה) שמשתחררת מיוצגת‬ ‫בסימן שלילי (סימון המעיד על תגובה אקסותרמית)‪ ,‬ואנרגיה (או אנתלפיה) שנקלטת‬ ‫מיוצגת בסימן חיובי (סימון המעיד על תגובה אנדותרמית)‪ .‬הדבר מבוסס על הקשר‬ ‫הזה‪:‬‬ ‫מגיבים‪ – H‬תוצרים‪ = H‬תגובה‪ΔH‬‬

‫אם תוצרים‪ < H‬מגיבים‪ ,H‬הרי ‪ ΔH‬שלילי בהכרח והתגובה אקסותרמית‪.‬‬

‫התקדמות התגובה‬

‫לעומת זאת‪ ,‬אם תוצרים‪ > H‬מגיבים‪ ,H‬הרי ‪ ΔH‬חיובי בהכרח והתגובה אנדותרמית‪.‬‬

‫)‪(1‬‬

‫במקרה של שרפת מתאן‪ ,‬שהיא תהליך אקסותרמי‪ ,‬אפשר להתייחס לאנרגיה כתוצר‬

‫במשוואה התרמוכימית‪ ,‬ולכן‬

‫‪C+D‬‬

‫תוצרים‬

‫‪A+B‬‬

‫אנתלפיה‬

‫‪∆H‬‬

‫מגיבים‬ ‫התקדמות התגובה‬ ‫)‪(2‬‬ ‫איור ‪ )1( 7.2‬תגובה אקסותרמית‪.‬‬ ‫‪ ΔH‬מייצג את האנרגיה שמשתחררת‬ ‫במהלך התגובה האקסותרמית‪:‬‬ ‫‪ )2( .A + B → C + D + ΔH‬תגובה‬ ‫אנדותרמית‪ ΔH .‬מייצג את האנרגיה‬ ‫הנקלטת במהלך התגובה האנדותרמית‪:‬‬ ‫‪.ΔH + A + B → C + D‬‬

‫‪ΔH = −211 kcal‬‬

‫במקרה של פירוק אמוניה‪ ,‬שהוא תהליך אנדותרמי‪ ,‬אפשר להתייחס לאנרגיה כמגיב‬

‫במשוואה התרמוכימית‪ ,‬ולכן‬

‫‪ΔH = +22 kcal‬‬

‫תרשימים שמייצגים שינויי אנתלפיה בתגובות אקסותרמיות (‪ )1‬ואנדותרמיות (‪)2‬‬ ‫מובאים באיור ‪.7.2‬‬ ‫שאלה ‪ 7.1‬האם התהליכים שלהלן אקסותרמיים או אנדותרמיים?‬ ‫א‪C6H12O6(s) → 2C2H5OH(l) + 2CO2(g), ΔH = −16 kcal .‬‬

‫ב‪ .‬‬

‫‪N2O5(g) + H2O(l) → 2HNO3(l) + 18.3 kcal‬‬

‫‪ 7‬האם התהליכים שלהלן אקסותרמיים או אנדותרמיים?‬ ‫שאלה ‪ .2‬‬ ‫א‪S(s) + O2(g) → SO2(g), ΔH = −71 kcal .‬‬

‫ב‪ .‬‬

‫)‪N2(g) + 2O2(g) + 16.2 kcal → 2NO2(g‬‬

‫לאנרגיה צורות רבות‪ ,‬ואנתלפיה היא רק אחת מהן‪ .‬לשם פשטות‪ ,‬בתיאור תהליכים‬ ‫כימיים אנו נשתמש בשני המושגים אנרגיה ואנתלפיה ללא הבחנה מדויקת‪ .‬להרחבה בנושא‬ ‫ראו פרקים ‪ 6‬ו־‪ 7‬בספר כימיה כללית א‪.‬‬

‫תגובות ספונטניות ולא־ספונטניות‬

‫לכאורה‪ ,‬כל התגובות האקסותרמיות אמורות להתרחש באופן ספונטני‪ .‬ככלות הכול‪ ,‬נדמה‬ ‫שהן אינן זקוקות לאספקה של אנרגיה חיצונית כי אפשר להתייחס לאנרגיה כאל תוצר של‬ ‫התגובה‪ .‬נדמה גם שכל התגובות האנדותרמיות צריכות להיות לא־ספונטניות‪ ,‬כי אפשר‬ ‫להתייחס לאנרגיה כאל מגיב בתגובה שיש לספקו‪ .‬עם זאת‪ ,‬השערות אלה אינן נתמכות‬ ‫בניסוי‪.‬‬ ‫מדידות נסיוניות מראות שרוב התגובות האקסותרמיות‪ ,‬אך לא כולן‪ ,‬הן ספונטניות‪.‬‬ ‫בדומה‪ ,‬רוב התגובות האנדותרמיות‪ ,‬אך לא כולן‪ ,‬הן לא־ספונטניות‪ .‬מוכרח להיות גורם‬ ‫כלשהו‪ ,‬נוסף לאנתלפיה‪ ,‬שיעזור לנו להסביר את המקרים הברורים פחות של תגובות‬ ‫אקסותרמיות לא־ספונטניות ותגובות אנדותרמיות ספונטניות‪ .‬הגורם הנוסף הזה הוא‬ ‫אנטרופיה‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪249‬‬

‫החוק השני של התרמודינמיקה‬ ‫אנטרופיה‬

‫ע‪ :‬רונית‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לנסח את משמעות המונחים‬

‫החוק הראשון של התרמודינמיקה נוגע לאנתלפיה של תגובות כימיות‪ .‬החוק השני קובע‬ ‫שתהליכים ביקום מתרחשים באופן ספונטני באופן שמגדיל את מידת אי־הסדר או‬ ‫אנתלפיה‪ ,‬אנטרופיה ואנרגיה‬ ‫האקראיות‪.‬‬ ‫חופשית‪ ,‬ולהבין את השלכותיהם‪.‬‬ ‫המדד לאקראיות במערכת כימית הוא האנטרופיה (‪ )entropy‬שלה‪ .‬האנטרופיה של חומר‬ ‫מיוצגת על ידי הסימול ‪ .S‬מערכת אקראית‪ ,‬או חסרת סדר‪ ,‬מאופיינת באנטרופיה גבוהה;‬ ‫מערכת מסודרת מאוד מאופיינת באנטרופיה נמוכה‪.‬‬ ‫למה כוונתנו ב"אי־סדר" במערכות כימיות? אי־סדר הוא בפשטות היעדר תבנית מחזורית‬ ‫סדורה‪ .‬מידת אי־הסדר או האקראיות גדלה כשאנו עוברים ממצב הצבירה המוצק לנוזלי‬ ‫ומהנוזלי לגזי‪ .‬כפי שראינו‪ ,‬מוצקים מתאפיינים לא אחת במבנה גבישי סדור‪ ,‬נוזלים במבנה‬ ‫רופף‪ ,‬וחלקיקי גז אקראיים כמעט לגמרי בפיזור שלהם‪ .‬לפיכך האנטרופיה של גז גבוהה‪ ,‬וזו‬ ‫של מוצקים גבישיים נמוכה מאוד‪ .‬איורים ‪ 7.3‬ו־‪ 7.4‬ממחישים את מאפייני האנטרופיה של‬ ‫מערכות‪.‬‬ ‫החוק השני מתייחס ליקום כולו או לכל מערכת מבודדת בתוך היקום‪ .‬ברמה אישית‪,‬‬ ‫כולנו קורבנות של חוק הגידול באי־הסדר‪ .‬הבלאגן בחדר או במקום העבודה בשום אופן‬ ‫אינו תוצאה של כוונת מכוון! הוא מתרחש כמעט בלא מאמץ‪ .‬עם זאת‪ ,‬היפוך התהליך‬ ‫מצריך עבודה ואנרגיה‪ .‬כך גם ברמה המולקולרית‪ .‬ההידרדרות ההדרגתית של התשתיות‬ ‫העירוניות (כבישים‪ ,‬גשרים‪ ,‬מובילי מים וכן הלאה) היא דוגמה מוכרת היטב‪ .‬מיליוני דולרים‬ ‫(שמתורגמים לאנרגיה ועבודה) מושקעים מדי שנה רק בשביל לנסות לשמר את המצב הקיים‪.‬‬ ‫האנטרופיה של תגובה נמדדת כהפרש‪ ,ΔS ,‬בין האנטרופיות‪ ,S ,‬של התוצרים ושל‬ ‫המגיבים‪.‬‬ ‫הנטייה לעלייה באנטרופיה‪ ,‬לצד הנטייה לירידה באנתלפיה‪ ,‬הן שאחראיות לספונטניות‬ ‫אקסותרמיות שהתוצרים‬ ‫תגובות כימיות‬ ‫בורלאתגובות כימיות‪.‬‬ ‫של‬ ‫באי־סדרהעבודה‪20116 :‬‬ ‫שלהן מתאפייניםמספר‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬ ‫העבודה‪ :‬עולם‬ ‫שם‬ ‫גדול יותר (אנטרופיה גבוהה יותר) ביחס למגיבים יתרחשו באופן ספונטני‪ ,‬ואילו תגובות‬ ‫אנדותרמיות שהתוצרים שלהן מתאפיינים באנטרופיה נמוכה יותר ביחס למגיבים לא יהיו‬ ‫‪7-3‬לתוספת אנרגיה‪.‬‬ ‫איורזקוקות‬ ‫ספונטניות‪ .‬על מנת שיתרחשו‪ ,‬אם בכלל‪ ,‬הן‬

‫תהליך ספונטני‬ ‫)‪(1‬‬

‫תהליך לא־ספונטני‬ ‫)‪(2‬‬

‫איור ‪ )1( 7.3‬חלקיקי גז‪,‬‬ ‫הלכודים בתא השמאלי‪ ,‬מבצעים‬ ‫דיפוזיה ספונטנית לתא הימני‪,‬‬ ‫הנמצא תחילה בריק‪ ,‬לאחר פתיחת‬ ‫השסתום‪ )2( .‬קשה לדמיין שחלקיקי‬ ‫הגז ינדדו ויהפכו את התהליך עד‬ ‫ליצירת ריק‪ .‬אפשר לבצע זאת רק‬ ‫באמצעות משאבה‪ ,‬כלומר באמצעות‬ ‫ביצוע עבודה על המערכת‪.‬‬

‫‪  250‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬

‫מספר העבודה‪16 :‬‬

‫שאלה ‪ 7.3‬לאיזה חומר אנטרופיה גדולה יותר‪ He(g) ,‬או )‪ ?Na(s‬הסבירו את התשובה‪.‬‬

‫איור ‪7-4‬‬

‫שאלה ‪ 7.4‬לאיזה חומר אנטרופיה גדולה יותר‪ H2O(l) ,‬או )‪ ?H2O(g‬הסבירו את התשובה‪.‬‬

‫איור ‪ 7.4‬תהליכים כגון‬ ‫התכה (‪ ,)1‬אידוי (‪ )2‬והתמוססות‬ ‫(‪ )3‬מגדילים את האנטרופיה של‬ ‫החלקיקים‪ ,‬או את אקראיות הפיזור‬ ‫שלהם‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לנסח את משמעות המונחים‬

‫אנתלפיה‪ ,‬אנטרופיה ואנרגיה‬ ‫חופשית‪ ,‬ולהבין את השלכותיהם‪.‬‬

‫נוזל‬

‫מוצק‬

‫אדים‬

‫נוזל‬

‫מומס‬

‫תמיסה‬

‫אנרגיה חופשית‬ ‫שני המצבים המתוארים לעיל הם ברורים וחד־משמעיים‪ .‬בכל מצב אחר התגובה עשויה‬ ‫להיות ספונטנית ועשויה שלא להיות ספונטנית‪ .‬הדבר תלוי בגודל היחסי של ערכי האנתלפיה‬ ‫והאנטרופיה‪.‬‬ ‫אנרגיה חופשית (‪ ,)free energy‬המסומנת ‪ ,ΔG‬מייצגת את התרומה המשותפת של ערכי‬ ‫האנתלפיה והאנטרופיה לתגובה כימית‪ .‬מכאן שאנרגיה חופשית היא הגורם המנבא המכריע‬ ‫לגבי ספונטניות התגובה‪ ,‬והיא מבוטאת בתור‬ ‫‪ΔG = ΔH − TΔS‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪251‬‬

‫‪ ΔH‬הוא השינוי באנתלפיית התגובה‪ ,‬כלומר ההפרש בין המצב הסופי (אנתלפיית התוצרים)‬ ‫למצב ההתחלתי (אנתלפיית המגיבים); ‪ ΔS‬הוא השינוי באנטרופיית התגובה‪ ,‬כלומר ההפרש‬ ‫בין המצב הסופי (אנטרופיית התוצרים) למצב ההתחלתי (אנטרופיית המגיבים); ו־‪ T‬היא‬ ‫הטמפרטורה של התגובה בקלווין‪ .‬כאשר ‪ ΔG‬שלילי‪ ,‬התגובה תמיד תהיה ספונטנית‪ .‬תגובות‬ ‫שבהן ‪ ΔG‬חיובי תמיד יהיו לא־ספונטניות‪.‬‬ ‫עלינו לדעת את ערכם של ‪ ΔH‬ו־‪ ΔS‬על מנת לחזות את הסימן של ‪ ΔG‬ולקבוע בוודאות‬ ‫אם תגובה מסוימת ספונטנית‪ .‬בחלק מהמצבים הטמפרטורה יכולה להכריע את כיוון‬ ‫ספונטניות התגובה‪ .‬להלן ארבעה מצבים אפשריים‪:‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ΔH‬חיובי ו־‪ ΔS‬שלילי‪ ΔG :‬חיובי תמיד‪ ,‬בלי קשר לטמפרטורה‪ .‬התגובה לא־ספונטנית‪.‬‬ ‫‪ ΔH‬שלילי ו־‪ ΔS‬חיובי‪ ΔG :‬שלילי תמיד‪ ,‬בלי קשר לטמפרטורה‪ .‬התגובה ספונטנית‪.‬‬ ‫‪ ΔH‬ו־‪ ΔS‬חיוביים שניהם‪ :‬הסימן של ‪ ΔG‬תלוי בטמפרטורה‪.‬‬ ‫‪ ΔH‬ו־‪ ΔS‬שליליים שניהם‪ :‬הסימן של ‪ ΔG‬תלוי בטמפרטורה‪.‬‬

‫במבוא לפרק זה הצהרנו שהתרמודינמיקה מאפשרת לחזות אם תגובה מסוימת תתרחש‪.‬‬ ‫הערך של ‪ ΔG‬קובע אם תגובה עדיפה מבחינה תרמודינמית או לא‪.‬‬ ‫שאלה ‪ .5‬‬ ‫‪ 7‬האם תגובה שבה ‪ ΔH‬חיובי ו־‪ ΔS‬שלילי תהיה ספונטנית‪ ,‬לא־ספונטנית או‬ ‫תלויה בטמפרטורה? הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫‪ 7‬האם תגובה שבה ‪ ΔH‬חיובי ו־‪ ΔS‬חיובי תהיה ספונטנית‪ ,‬לא־ספונטנית או‬ ‫שאלה ‪ .6‬‬ ‫תלויה בטמפרטורה? הסבירו את התשובה‪.‬‬

‫דוגמה ‪7.2‬‬

‫קביעת הסימן של ‪ΔG‬‬

‫מהו הסימן של ‪ ΔG‬בתגובה שלהלן? האם התגובה ספונטנית‪ ,‬לא־ספונטנית או תלויה‬ ‫בטמפרטורה?‬ ‫)‪42.5 kcal + CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לנסח את משמעות המונחים‬

‫אנתלפיה‪ ,‬אנטרופיה ואנרגיה‬ ‫חופשית‪ ,‬ולהבין את השלכותיהם‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נקבע את הסימן של ‪ .ΔH‬משום שהחום מופיע בצד המגיבים‪ ,‬התגובה אנדותרמית‪ .‬מכאן שהסימן של ‪ ΔH‬חיובי‪.‬‬ ‫שלב ‪ .2‬נקבע את הסימן של ‪ .ΔS‬בצד המגיבים יש רק מוצק בלבד ואילו אחד התוצרים הוא במצב צבירה גזי‪ .‬מכאן שאי־הסדר‬ ‫בתחילת התגובה הוא נמוך מזה שבסופה‪ ,‬כלומר במהלך התגובה חלה עלייה באי־הסדר‪ ,‬ו־‪ ΔS‬חיובי‪.‬‬ ‫שלב ‪ .3‬נבחן את המשוואה ‪ .ΔG = ΔH – TΔS‬מאחר ש־‪ ΔH‬ו־‪ ΔS‬חיוביים שניהם‪ ΔG ,‬תלוי בטמפרטורה‪ .‬התגובה ספונטנית אך‬ ‫ורק אם הביטוי ‪ TΔS‬גדול עד כדי כך שכשמחסירים אותו מ־‪ ΔH‬הערך של ‪ ΔG‬הופך שלילי‪ .‬לפיכך התגובה תלויה בטמפרטורה‬ ‫ועשויה להיות ספונטנית בטמפרטורות גבוהות‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.2‬‬

‫מהו הסימן של ‪ ΔG‬בתגובה שלהלן? האם התגובה ספונטנית‪ ,‬לא־ספונטנית או תלויה בטמפרטורה?‬ ‫‪2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 137 kcal‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 7.41‬ו־‪7.42‬‬

‫‪  252‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫תחבושות חמות וקרות‬ ‫תחבושות חמות מספקות "חום מידי" למטיילים ולגולשי סקי‬ ‫ומשמשות בטיפול בפציעות כגון שרירים תפוסים‪ .‬תחבושות‬ ‫קרות מצויות כיום בשימוש שכיח לטיפול בפציעות ולהקלה‬ ‫על נפיחות‪ .‬הפריטים המועילים האלה הם דוגמה מעולה למדע‬ ‫בסיסי שמניב מוצר טכנולוגי שימושי‪.‬‬ ‫התחבושות הקרות והחמות כאחת מתבססות על שינויי‬ ‫אנרגיה גדולים המתרחשים במהלך תגובה כימית‪ .‬תחבושות‬ ‫קרות מבוססות על תגובה אנדותרמית‪ ,‬ותחבושות חמות‬ ‫מבוססות על תגובה אקסותרמית‪.‬‬ ‫תחבושות קרות מורכבות משני תאים נפרדים הארוזים‬ ‫יחדיו‪ .‬אחד התאים מכיל ‪ NH4NO3‬והאחר מכיל מים‪.‬‬ ‫תחבושת חמה‪.‬‬ ‫כשלוחצים את האריזה ההפרדה הפנימית בין שני התאים‬ ‫נהרסת והמרכיבים יכולים להתערבב‪ ,‬מה שגורם לתגובה‬ ‫התגובה הזו אנדותרמית; החום שנלקח מהסביבה יוצר את‬ ‫שלהלן‪:‬‬ ‫אפקט הקירור‪.‬‬ ‫התכנון של תחבושות חמות דומה‪ .‬במקרה הזה אבקה של‬ ‫)‪6.7 kcal/mol + NH4NO3(s) → NH4+(aq) + NO3−(aq‬‬ ‫ברזל מעורבבת עם חמצן‪ .‬יצירת ברזל חמצני מביאה לפליטת‬ ‫חום‪:‬‬ ‫‪4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s) + 198 kcal/mol‬‬

‫תגובה זו מתרחשת באמצעות מנגנון חמצון־חיזור (ראו‬ ‫פרק ‪ .)8‬אטומי הברזל מתחמצנים ו־‪ O2‬עובר תהליך חיזור‪.‬‬ ‫אלקטרונים עוברים מאטומי הברזל ל־‪ O2‬ומתרחשת תגובה‬ ‫אקסותרמית ליצירת ‪ .Fe2O3‬קצב התגובה אטי; משום כך החום‬ ‫משתחרר בהדרגה לאורך כמה שעות‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ מהו הסימן של ‪ ΔH‬במשוואות שהופיעו במסגרת זו?‬ ‫ ‬ ‫@ האם האנטרופיה גדלה או קטנה במשוואות הללו?‬ ‫ ‬

‫תחבושת קרה‪.‬‬

‫‪7.2‬‬

‫קביעה ניסיונית של השינוי באנרגיה‬ ‫במהלך תגובה‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬לתאר ניסויים שמניבים מידע‬

‫תרמוכימי ולחשב ערכים קלוריים‬ ‫על סמך מידע ניסיוני‪.‬‬

‫מדידת השינויים באנרגיית החום בתגובות כימיות מכונה קלורימטריה (‪.)calorimetry‬‬ ‫בשיטה זו מודדים את השינוי בטמפרטורה של כמות של מים או תמיסה‪ ,‬אשר באה במגע‬ ‫עם התגובה הנחקרת ומבודדת מהסביבה‪ .‬המתקן המשמש לביצוע מדידות אלה מכונה‬ ‫קלורימטר (‪ ,)calorimeter‬והוא מודד את שינויי החום בקלוריות‪.‬‬ ‫אפשר לחשוב על קלורימטר כעל "יקום" סגור שבו החום יכול לעבור בין המערכת‬ ‫וסביבתה‪ ,‬אך אינו יכול לצאת מהקלורימטר‪ .‬בה בעת‪ ,‬חום חיצוני אינו יכול להיכנס‬ ‫לקלורימטר‪.‬‬

‫איור ‪7-5‬‬ ‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫כוס קלקר היא סוג פשוט של קלורימטר‪ ,‬והתוצאות בה מדויקות להפתיע‪ .‬הבידוד שלה‬ ‫טוב‪ ,‬וכשממלאים אותה בתמיסה אפשר להשתמש בה כדי למדוד את שינויי הטמפרטורה‬ ‫המתרחשים עקב תגובה כימית המתרחשת בתמיסה (איור ‪ .)7.5‬השינוי בטמפרטורת התמיסה‬ ‫עקב התגובה הוא הבסיס לחישוב הקליטה או האובדן של אנרגיית חום בתגובה‪.‬‬ ‫מוט ערבוב‬ ‫אם התגובה היא אקסותרמית‪ ,‬החום שמשתחרר בתגובה נקלט על ידי התמיסה‪ .‬אם‬ ‫התגובה היא אנדותרמית‪ ,‬המגיבים קולטים חום מהתמיסה‪.‬‬ ‫החום הסגולי (‪ )specific heat‬של חומר מוגדר כמספר הקלוריות (‪ )cal‬של חום הדרושות‬ ‫להעלות את הטמפרטורה של גרם אחד (‪ )g‬של חומר במעלת צלסיוס אחת (‪ .)°C‬ידיעת‬ ‫החום הסגולי של המים או של התמיסה המימית לצד המסה הכוללת של התמיסה (ב־‪)g‬‬ ‫והשינוי בטמפרטורה (שנמדד כהפרש בין הטמפרטורה הסופית וההתחלתית של התמיסה)‬ ‫מאפשרת לחוקר לחשב את החום שמשתחרר בתגובה‪.‬‬ ‫התמיסה מתנהגת כ"מלכודת" לאנרגיה שמשתחררת בתהליך אקסותרמי‪ .‬העלייה‬ ‫בטמפרטורה מעידה על קליטה של אנרגיית חום‪ .‬בתגובה אנדותרמית‪ ,‬לעומת זאת‪ ,‬חום‬ ‫נלקח מהתמיסה‪ ,‬והטמפרטורה יורדת‪.‬‬ ‫כמות החום הנקלטת או המשתחררת בתגובה (‪ )Q‬היא מכפלה של מסת התמיסה‬ ‫בקלורימטר (‪ ,)ms‬החום הסגולי של התמיסה (‪ ,)cs‬והשינוי בטמפרטורה (‪ )ΔTs‬של התמיסה‬ ‫תוך כדי המעבר מהמצב ההתחלתי של התגובה למצבה הסופי‪.‬‬ ‫החום מחושב באמצעות המשוואה שלהלן‪:‬‬ ‫והיחידה של החום היא‬

‫× ‪cal= g × °C‬‬

‫פירוט של הגישה הניסויית מומחש בדוגמה ‪.7.3‬‬

‫דוגמה ‪ 7.3‬חישובי אנרגיה בתגובות המתרחשות בקלורימטר‬ ‫אם מערבבים ‪ 0.050 mol‬של חומצה הידרוכלורית (‪ )HCl‬עם ‪ 0.050 mol‬של נתרן הידרוקסידי‬ ‫(‪ )NaOH‬בקלורימטר מסוג "כוס קפה"‪ ,‬הטמפרטורה של התמיסה שנוצרת‪ ,‬שמסתה‬ ‫‪ ,1.00 × 102 g‬גדלה מ־‪ )Ts initial( 25.0ºC‬ל־‪ .)Ts final( 31.5ºC‬אם החום הסגולי של התמיסה‬ ‫הוא ‪ ,1.00 cal/g ∙ ºC‬מהי כמות האנרגיה המעורבת בתגובה? האם התגובה אנדותרמית או‬ ‫אקסותרמית?‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬הביטוי לחום הוא‪:‬‬

‫כוסות קלקר‬

‫תערובת‬ ‫התגובה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬לתאר ניסויים שמניבים מידע‬

‫תרמוכימי ולחשב ערכים קלוריים‬ ‫על סמך מידע ניסיוני‪.‬‬

‫‪Q = ms × ΔTs × cs‬‬

‫התגובה היא המערכת; התמיסה היא הסביבה‪.‬‬ ‫שלב ‪ .2‬השינוי בטמפרטורה הוא‬

‫‪ΔTs = Ts final − Ts initial‬‬ ‫‪= 31.5ºC − 25.0ºC = 6.5ºC‬‬

‫טמפרטורת התמיסה גדלה ב־‪ ;6.5ºC‬לפיכך‪ ,‬התגובה אקסותרמית‪.‬‬ ‫שלב ‪ .3‬נציב נתונים‪:‬‬ ‫‪1.00 cal‬‬ ‫‪= 6.5 × 102 cal‬‬ ‫‪g solution ⋅ °C‬‬

‫מדחום‬

‫איור ‪ 7.5‬קלורימטר מסוג‬ ‫"כוס קפה" המשמש למדידת‬ ‫שינוי חום בתגובות כימיות‪ .‬כוסות‬ ‫הקלקר מבודדות את התמיסה‪.‬‬ ‫החום שמשתחרר בתגובה הכימית‬ ‫(המערכת) זורם לתמיסה (הסביבה)‬ ‫ומעלה את הטמפרטורה שלה‪ ,‬אשר‬ ‫נמדדת באמצעות מדחום‪.‬‬

‫‪Q = ms × ΔTs × cs‬‬ ‫‪cal‬‬ ‫‪g ⋅ °C‬‬

‫מ ש ק ל   ‪253‬‬

‫× ‪Q= 1.00 × 102 g solution × 6.5 °C‬‬

‫‪  254‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫כמות החום שהשתחררה לסביבה – התמיסה – על ידי התגובה‪ ,‬שהיא תגובת חומצה‪-‬בסיס‪ ,‬עומדת על ‪( 6.5 × 102 cal‬או ‪0.65‬‬ ‫‪ ;)kcal‬התגובה אקסותרמית‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.3‬‬

‫מהו השינוי בטמפרטורה שהיינו מודדים אילו בקלורימטר היו ‪ 50.0 g‬של תמיסה במקום‬

‫‪102 g‬‬ ‫@‬

‫דוגמה ‪ 7.4‬חישובי אנרגיה בתגובות המתרחשות בקלורימטר‬ ‫כאשר ‪ 0.10 mol‬של אמוניום כלורי (‪ )NH4Cl‬מומסים במים ויוצרים תמיסה שמסתה‬ ‫‪ ,1.00 × 102 g‬טמפרטורת המים יורדת מ־‪ 25.0ºC‬ל־‪ .18.0ºC‬אם החום הסגולי של התמיסה‬ ‫הסופית הוא )‪ ,1.00 cal/(g ∙ ºC‬מהי כמות האנרגיה המעורבת בתהליך? כמו כן‪ ,‬האם תהליך‬ ‫ההתמוססות של אמוניום כלורי הוא אנדותרמי או אקסותרמי?‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬הביטוי לחום הוא‪:‬‬

‫× ‪ 1.00‬של תמיסה?‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלה ‪7.35‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬לתאר ניסויים שמניבים מידע‬

‫תרמוכימי ולחשב ערכים קלוריים‬ ‫על סמך מידע ניסיוני‪.‬‬

‫‪Q = ms × ΔTs × cs‬‬

‫התגובה היא המערכת; התמיסה היא הסביבה‪.‬‬ ‫שלב ‪ .2‬השינוי בטמפרטורה הוא‪:‬‬

‫‪ΔTs = Ts final − Ts initial‬‬ ‫‪= 18.0ºC − 25.0ºC = −7.0ºC‬‬

‫טמפרטורת התמיסה ירדה ב־‪ ;7.0ºC‬לפיכך‪ ,‬התגובה אנדותרמית‪.‬‬ ‫שלב ‪ .3‬נציב נתונים‪:‬‬ ‫‪1.00 cal‬‬ ‫‪= − 7.0 × 102 cal‬‬ ‫‪g solution ⋅ °C‬‬

‫× )‪Q =1.00 × 102 g solution × ( − 7.0 °C‬‬

‫ ‬

‫בתהליך ההתמוססות קלטה התגובה ‪( 7.0 × 102 cal‬או ‪ )0.70 kcal‬של אנרגיית חום‪ ,‬משום שהתמיסה איבדה ‪ 7.0 × 102 cal‬של‬ ‫אנרגיית חום למערכת‪ .‬התגובה אנדותרמית‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.4‬‬

‫מהו השינוי בטמפרטורה שהיינו מודדים אילו במקום המים היו בקלורימטר ‪g‬‬ ‫החום הסגולי שלה הוא )‪?0.800 cal/(g ∙ ºC‬‬

‫‪102‬‬

‫× ‪ 1.00‬של נוזל אחר‪ ,‬שיוצר תמיסה שקיבול‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלה ‪7.36‬‬

‫‪ 7‬באמצעות גורם ההמרה מפרק ‪ ,1‬המירו את האנרגיה המשתחררת בדוגמה ‪7.3‬‬ ‫שאלה ‪ .7‬‬ ‫לג'אולים (‪.)J‬‬ ‫‪ 7‬באמצעות גורם ההמרה מפרק ‪ ,1‬המירו את האנרגיה הנקלטת בדוגמה ‪ 7.4‬ל־‪.J‬‬ ‫שאלה ‪ .8‬‬ ‫הערה‪ :‬ראו נקודת מבט אנושית‪:‬‬ ‫קלוריות במזון‪ ,‬סעיף ‪.1.6‬‬

‫רבות מהתגובות הכימיות שמניבות חום הן תגובות בערה‪ .‬רבים מחומרי המזון בגופנו‬ ‫(פחמימות‪ ,‬חלבונים ושומנים) מתחמצנים ומשחררים אנרגיה‪ .‬ערך קלורי (‪ )fuel value‬הוא‬ ‫כמות האנרגיה בגרמים של מזון‪.‬‬ ‫הערך הקלורי של מזון הוא מושג חשוב במדע התזונה‪ .‬הוא מדווח לרוב ביחידות של‬ ‫קלוריות תזונתיות (‪ .)nutritional calories‬קלוריה תזונתית (‪ )Cal‬אחת שקולה לקילוקלוריה‬ ‫(‪ )1000 cal‬אחת‪ .‬היא ידועה גם בשם קלוריה גדולה (‪.)C‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪255‬‬

‫האנרגיה הדרושה לפעילות היומיומית ולתפקודי הגוף מקורה ברובה בתגובה של חמצן עם‬ ‫פחמימות‪ .‬האנרגיה הכימית מהמזון שאינה משמשת לשמירה על טמפרטורת גוף תקינה‬ ‫או להפעלת השרירים מאוחסנת בקשרים של תרכובות כימיות המוכרות בשם הכולל שומן‪.‬‬ ‫תרמוכימי ולחשב ערכים קלוריים‬ ‫עולם אובחנה כגורם‬ ‫העבודה‪:‬קלוריות"‬ ‫מזונות "עתירי‬ ‫מידע ניסיוני‪.‬‬ ‫על סמך‬ ‫‪20116‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫להשמנת יתר‪ .‬מספר‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬ ‫בהתאם‪ ,‬הצריכה שלשם‬ ‫בורלא‬ ‫סוג מיוחד של קלורימטר‪ ,‬קלורימטר פצצה (‪ ,)bomb calorimeter‬משמש במדידת הערך‬ ‫הקלורי (‪ )Cal‬של מזונות‪ .‬מתקן מסוג זה מומחש באיור ‪ .7.6‬העיצוב שלו דומה במהותו‬ ‫הוא כולל בידוד מהסביבה‪ ,‬תמיסה‪ ,‬תא‬ ‫איור לכן‪.‬‬ ‫לזה של קלורימטר "כוס הקפה" שנידון קודם‬ ‫‪7-6‬‬ ‫תגובה ומדחום‪ .‬גז חמצן נוסף כאחד המגיבים‪ ,‬ומצת חשמלי מוכנס על מנת לאתחל את‬ ‫התגובה‪ .‬עם זאת‪ ,‬המכשיר אינו פתוח לאטמוספרה‪ .‬התגובה נמשכת בתא התגובה הסגור עד‬ ‫שהדגימה כולה נשרפת‪ .‬אנרגיית החום המשתחררת בתגובה נלכדת כולה במים‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬לתאר ניסויים שמניבים מידע‬

‫וע‪ :‬רונית‬

‫מוט ערבוב‬

‫מקור זרם‬ ‫חשמלי‬

‫מדחום‬

‫בידוד‬

‫מים‬ ‫פתח כניסת‬ ‫חמצן‬ ‫תא תגובה‬

‫חוט בעל התנגדות‬ ‫להצתת הדגימה‬ ‫דגימה‬

‫דוגמה ‪ 7.5‬חישוב הערך הקלורי של מזונות‬ ‫דגימת גלוקוז (סוג שכיח של סוכר‪ ,‬או פחמימה) שמסתה ‪ 1 g‬נשרפה בקלורימטר פצצה‪.‬‬ ‫הטמפרטורה של ‪ 1.00 × 103 g‬של ‪ H2O‬עלתה מ־‪ 25.0ºC‬ל־‪.)ΔTw = 3.8ºC( 28.8ºC‬‬ ‫מהו הערך הקלורי של גלוקוז?‬

‫איור ‪ 7.6‬קלורימטר פצצה‬ ‫שמשמש למדידת כמות החום‬ ‫המשתחררת בשרפת דגימה‪ .‬נהוג‬ ‫להשתמש במתקן זה לקביעת הערך‬ ‫הקלורי של מזונות‪ .‬קלורימטר‬ ‫פצצה דומה במהותו לקלורימטר‬ ‫"כוס הקפה"‪ ,‬אך שונה ממנו במרכיב‬ ‫החשמלי הדרוש כדי לאתחל את‬ ‫תגובת הבערה‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬לתאר ניסויים שמניבים מידע‬

‫תרמוכימי ולחשב ערכים קלוריים‬ ‫על סמך מידע ניסיוני‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬יש לזכור שערך קלורי הוא מספר הקלוריות התזונתיות שמשתחררות בבערה של ‪ 1 g‬של חומר‪ ,‬וכי בקלורימטר נשרפה‬ ‫דגימה של ‪.1 g‬‬ ‫שלב ‪ .2‬אם כן‪,‬‬ ‫‪ = Q = mw × ΔTw × cw‬ערך קלורי‬

‫שלב ‪ .3‬מים הם הסביבה בקלורימטר; קיבול החום הסגולי שלהם הוא ‪ .1.00 cal/g H2O ∙ ºC‬נציב את הנתונים בביטוי של הערך‬ ‫הקלורי‪:‬‬ ‫‪1.00 cal‬‬ ‫=‬ ‫‪Q‬‬ ‫=‬ ‫‪g‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪O‬‬ ‫×‬ ‫‪°‬‬ ‫‪C‬‬ ‫×‬ ‫ערך קלורי‬ ‫‪2‬‬ ‫‪g H O ⋅ °C‬‬ ‫‪2‬‬

‫‪1.00 cal‬‬ ‫‪g H 2 O ⋅ °C‬‬

‫× ‪= 1.00 × 103 g H 2 O × 3.8 °C‬‬

‫‪= 3.8 × 103 cal0000000‬‬

‫‪  256‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שלב ‪ .4‬נמיר מקלוריות לקלוריות תזונתיות‪:‬‬ ‫‪1 nutritional Cal‬‬ ‫=‬ ‫(תזונתיות קלוריות‪ ,‬או ‪3.8 Cal )kcal‬‬ ‫‪103 cal‬‬

‫× ‪3.8 × 103 cal‬‬

‫מכיוון שכמות הגלוקוז שנשרפה בקלורימטר היא ‪ ,1 g‬הערך הקלורי של גלוקוז הוא ‪.3.8 kcal/g‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.5‬‬

‫דגימה של חטיף (שמכיל המון סוכר ושומנים!) שמסתה ‪ 1 g‬נשרפה בקלורימטר פצצה‪ .‬העלייה הנצפית בטמפרטורת המים‬ ‫(שמסתם ‪ )1.00 × 103 g‬הייתה ‪ .3.0ºC‬המשקל הכולל של החטיף הוא ‪ 71‬גרם‪ .‬מהו הערך הקלורי (ב־‪ )Cal‬של הדגימה ומהי‬ ‫התכולה הקלורית הכוללת של החטיף?‬ ‫@‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לתאר את המושג קצב התגובה‬

‫ואת תפקיד הקינטיקה בשינויים‬ ‫פיזיקליים וכימיים‪.‬‬

‫‪7.3‬‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלה ‪7.38‬‬

‫קינטיקה‬

‫קינטיקה כימית‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫מספר המולקולות‬

‫חוקי התרמודינמיקה עוזרים לנו לקבוע אם תגובה כימית תתרחש באופן ספונטני‪ .‬הידיעה‬ ‫שהתגובה ספונטנית אינה מגלה לנו דבר על משך הזמן הדרוש להתרחשותה‪.‬‬ ‫קינטיקה כימית עוסקת בחקר הקצב (‪ ,rate‬או המהירות) של תגובות כימיות‪ .‬כמו כן‪,‬‬ ‫איור ‪7-7‬‬ ‫הקינטיקה מספקת מידע על מנגנון התגובה‪ ,‬תיאור צעד אחר צעד של האופן שבו מגיבים‬ ‫הופכים לתוצרים‪ .‬המידע הקינטי מיוצג בתור היעלמות של מגיבים או היווצרות של תוצרים‬ ‫לאורך זמן‪ .‬גרף טיפוסי של מספר המולקולות כפונקציה של הזמן מוצג באיור ‪.7.7‬‬ ‫מולקולות‬ ‫המידע על הקצב שבו תהליכים כימיים שונים מתרחשים מביא תועלת ממשית‪.‬‬ ‫‪40‬‬ ‫מסוג ‪A‬‬ ‫לדוגמה‪ ,‬מהו אורך "חיי המדף" של מזונות מעובדים? מתי שינויים אטיים בהרכב‬ ‫‪30‬‬ ‫מולקולות‬ ‫מזונות יהפכו אותם ללא טעימים או אפילו ללא בטוחים? תרופות רבות מאבדות‬ ‫מסוג ‪B‬‬ ‫‪20‬‬ ‫מהשפעתן עם הזמן משום שהמרכיבים הפעילים בהן מתפרקים לחומרים אחרים‪.‬‬ ‫קצב ההתקשות (באמצעות תגובה כימית) של חומרים לסתימת חורים בשיניים‬ ‫‪10‬‬ ‫משפיע על שיטות העבודה של רופא השיניים‪ .‬חיינו תלויים בהעברה יעילה של‬ ‫‪0‬‬ ‫‪10 20 30 40 50 60‬‬ ‫חמצן לכל תא ותא בגופנו ובשימוש מהיר בחמצן בתגובות ליצירת אנרגיה‪.‬‬ ‫זמן‬ ‫התרשים שבאיור ‪ 7.8‬מתאר באופן סכמטי את הקינטיקה של תגובה ברמה‬ ‫המולקולרית‪.‬‬ ‫בחלק מהתגובות אפשר למדוד שינויי צבע לאורך זמן‪ .‬שינויים מעין אלה‬ ‫איור ‪ 7.7‬עבור תגובה היפותטית‬ ‫מועילים בהערכת הקצב של תגובה כימית (איור ‪.)7.9‬‬ ‫‪ ,A → B‬כמות המולקולות מסוג ‪( A‬המגיב)‬ ‫הבה נראה מה קורה הלכה למעשה כאשר שתי תרכובות כימיות מגיבות‪ ,‬ואילו‬ ‫קטנה עם הזמן‪ ,‬וכמות המולקולות מסוג ‪B‬‬ ‫ֵ‬ ‫גדלה עם הזמן‪.‬‬ ‫(התוצר) ֵ‬ ‫תנאים ניסיוניים משפיעים על קצב התגובה‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לתאר את חשיבות אנרגיית‬

‫השפעול והקומפלקס המשופעל‬ ‫בקביעת קצב התגובה‪.‬‬

‫אנרגיית השפעול והקומפלקס המשופעל‬ ‫הבה נבחן את התגובה האקסותרמית שנידונה בסעיף ‪:7.1‬‬ ‫)‪CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) + 211 (kcal‬‬

‫במהלך התרחשותה של התגובה יש לפרק ארבעה קשרי ‪ C – H‬ושני קשרי ‪ ,O = O‬ויש ליצור‬ ‫שני קשרי ‪ C = O‬וארבעה קשרי ‪ .H – O‬יש צורך בכמות מספקת של אנרגיה זמינה לפירוק‬ ‫הקשרים‪ .‬האנרגיה הזו מסופקת על ידי התנגשויות בין המולקולות‪ .‬אם יש די אנרגיה זמינה‬ ‫בטמפרטורה שבה התגובה מתבצעת‪ ,‬אחד הקשרים (או יותר) יתפרק‪ ,‬והאטומים יתרכבו שוב‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫ע‪ :‬רונית בורלא‬

‫‪ 7‬מסוג ‪A‬‬ ‫‪ 33‬מסוג ‪B‬‬

‫איור ‪7.8‬‬

‫מסוג ‪7A‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫העבודה‪ :‬עולם‬ ‫שם‬ ‫‪16‬‬ ‫‪ 12‬מסוג ‪A‬‬ ‫‪ 9‬מסוג ‪A‬‬ ‫‪ 31‬מסוג ‪B‬‬

‫‪ 28‬מסוג ‪B‬‬

‫איור ‪7-9‬‬

‫‪ 24‬מסוג ‪B‬‬

‫העבודה‪20116 :‬‬ ‫מספר‬ ‫‪ 30‬מסוג ‪A‬‬ ‫‪ 22‬מסוג ‪A‬‬ ‫‪ 18‬מסוג ‪B‬‬

‫דרך חלופית לייצג את המידע באיור ‪ .7.7‬הכדורים מייצגים מולקולות‪ :‬בסגול ‪ -‬המגיב (‪ ,)A‬בירוק ‪ -‬התוצר (‪.)B‬‬

‫בסידור בעל אנרגיה נמוכה יותר‪ ,‬במקרה זה פחמן דו־חמצני ומים‪ .‬התנגשויות שמובילות‬ ‫ליצירת מולקולות תוצר מכונות התנגשויות פוריות (‪ .)effective collisions‬כדי שהתנגשות‬ ‫תהיה פורייה דרושות אנרגיית התנגשות גבוהה מספיק והיערכות מרחבית מתאימה של‬ ‫המולקולות המגיבות זו ביחס לזו‪ .‬רק התנגשויות פוריות מובילות לתגובה כימית‪.‬‬ ‫כמות האנרגיה המזערית הדרושה לתחילתה של תגובה כימית מכונה אנרגיית השפעול‬ ‫(אנרגיית האקטיבציה‪ )activation energy ,‬של התגובה‪ ,‬ומסומנת ‪.Ea‬‬ ‫אפשר לתאר את התגובה הכימית במונחי השינויים באנתלפיה של מרכיבי התגובה‬ ‫במרוצת התגובה‪ .‬איור ‪ )1(7.10‬ממחיש באופן גרפי את השינויים הללו במקרה של תגובה‬ ‫אקסותרמית‪ .‬כמה מהמאפיינים החשובים של הגרף הם‪:‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ 10‬מסוג ‪B‬‬

‫‪ 40‬מסוג ‪A‬‬ ‫‪ 0‬מסוג ‪B‬‬

‫זמן‬

‫זמן‬

‫‪ ‬‬

‫מ ש ק ל   ‪257‬‬

‫התגובה מתקדמת מהמגיבים לתוצרים דרך מצב ביניים לא יציב עד מאוד‪ ,‬שאנו מכנים‬ ‫הקומפלקס המשופעל (‪ .)activated complex‬אי־אפשר לבודד את הקומפלקס המשופעל‬ ‫מתערובת התגובה‪ ,‬אבל אפשר לחשוב עליו כעל אוסף קצר מועד של אטומים המאורגנים‬ ‫במבנה שמתפרק במהירות ובקלות לתוצרי התגובה או בחזרה למגיביה‪.‬‬ ‫היווצרות הקומפלקס המשופעל דורשת אנרגיה‪ .‬ההפרש בין אנרגיית המגיבים וזו של‬ ‫הקומפלקס המשופעל הוא אנרגיית השפעול‪ .‬האנרגיה הזו מסופקת על ידי ההתנגשויות‬ ‫בין הצורונים המגיבים בטמפרטורה שבה התגובה מתבצעת‪.‬‬ ‫משום שמדובר בתגובה אקסותרמית‪ ,‬השינוי הכולל באנרגיה מתבטא בשחרור נטו של‬ ‫אנרגיה‪ .‬השחרור נטו של אנרגיה הוא ההפרש באנרגיה בין התוצרים והמגיבים‪.‬‬

‫איור ‪ 7.9‬שינוי צבע לאורך‬ ‫זמן של תמיסת ‪ ,Br2‬שצבעה חום‬ ‫אדמדם‪ ,‬ההופכת לתמיסת ‪Br −‬‬ ‫חסרת צבע‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫מספר העבודה‪16 :‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬ ‫איור ‪7-10‬‬

‫‪  258‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫קומפלקס‬ ‫משופעל‬

‫קומפלקס‬ ‫משופעל‬

‫‪Ea‬‬

‫אנתלפיה‬

‫התקדמות התגובה‬

‫‪A+B‬‬

‫‪C+D‬‬

‫אנתלפיה‬

‫‪C+D‬‬

‫‪Ea‬‬

‫‪A+B‬‬

‫התקדמות התגובה‬ ‫)‪(1‬‬

‫)‪(2‬‬

‫איור ‪ )1( 7.10‬שינוי באנתלפיה כתלות בזמן התגובה בתגובה אקסותרמית‪ )2( .‬השינוי באנתלפיה‬ ‫כתלות בזמן התגובה במקרה של תגובה אנדותרמית‪.‬‬

‫במקרה של תגובה אנדותרמית‪ ,‬כדוגמת התפרקות של מים‪,‬‬ ‫)‪ + 2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g‬אנרגיה‬ ‫השינוי באנתלפיה כתלות בזמן התגובה מוצג באיור ‪.)2(7.10‬‬ ‫התגובה מתרחשת לאט עקב אנרגיית השפעול הגבוהה הדרושה לפירוקם של מים‬ ‫ליסודות מימן וחמצן‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 7.9‬שפשוף גפרור לשם הדלקתו הוא דוגמה לתפקיד אנרגיית השפעול בתגובה‬ ‫כימית‪ .‬הסבירו‪.‬‬ ‫‪ 7‬מהו ההבדל בין המונחים אנרגיה נטו ואנרגיית השפעול?‬ ‫שאלה ‪ .10‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 6‬לחזות את האופן שבו המבנה‬

‫והריכוז של מגיב‪ ,‬וכן הטמפרטורה‬ ‫ונוכחות זרז‪ ,‬משפיעים על קצב של‬ ‫תגובה כימית‪.‬‬

‫גורמים שמשפיעים על קצב התגובה‬ ‫להלן נציג שישה גורמים שמשפיעים על קצב התגובה‪:‬‬ ‫‪ ‬‬

‫ ‬

‫‪ ‬‬

‫ ‬

‫חוזק הקשרים הכימיים במגיבים‬ ‫תגובות בין יונים בתמיסה מתרחשות לרוב במהירות רבה‪ .‬תרכובות יוניות מתקיימות‬ ‫בתמיסה כיונים ממוימים‪ ,‬ומשום כך אנרגיית השפעול של תגובות בין יונים בתמיסות‬ ‫שונות תהיה לרוב נמוכה מאוד‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬תגובות שבהן משתתפות תרכובות‬ ‫מולקולריות עשויות להתרחש לאט יותר‪ ,‬משום שיש לפרק קשרים קוולנטיים במגיבים‬ ‫וליצור קשרים קוולנטיים חדשים‪ .‬אנרגיית השפעול של תהליך זה גדולה הרבה יותר מזו‬ ‫של תגובה בין יונים ממוימים‪ .‬לחוזק הקשר יש ללא ספק תפקיד בקביעת קצב התגובה‬ ‫משום שהוא משפיע על גודל אנרגיית השפעול‪ ,‬או מחסום האנרגיה‪.‬‬ ‫המבנה המרחבי של מולקולות המגיבים‬ ‫הגודל והצורה של המולקולות המגיבות משפיעים על קצב התגובה‪ .‬במולקולות גדולות‪,‬‬ ‫המכילות אטומים רבים‪ ,‬תיתכן הפרעה מרחבית שתקשה עליהן ליצור אינטראקציות‬ ‫עם מולקולות של מגיב אחר‪ ,‬והדבר עלול להאט את קצב התגובה‪ .‬רק התנגשויות בין‬ ‫מולקולות בעלות אנרגיה מספקת ובעלות היערכות מרחבית מתאימה יובילו להיווצרות‬ ‫תוצרים‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫‪ ‬‬

‫ ‬

‫‪ ‬‬

‫ ‬

‫‪ ‬‬

‫ ‬

‫‪ ‬‬

‫ ‬

‫מ ש ק ל   ‪259‬‬

‫ריכוז המגיבים‬ ‫הקצב של תגובה כימית תלוי לרוב בריכוז של חומר מגיב אחד או יותר‪ .‬הקצב בדרך כלל‬ ‫גדל ככל שהריכוז גדל‪ ,‬פשוט משום שריכוז גבוה יותר פירושו כמות גדולה יותר של‬ ‫מולקולות מגיבות בנפח נתון‪ ,‬ומכאן מספר גדול יותר של התנגשויות בכל יחידת זמן‪.‬‬ ‫אם נניח ששאר המשתנים קבועים‪ ,‬מספר גדול יותר של התנגשויות מוביל למספר גדול‬ ‫יותר של התנגשויות פוריות‪ .‬לדוגמה‪ ,‬קצב בערה תלוי בריכוז החמצן באטמוספרה‪ ,‬כמו‬ ‫גם בריכוז הדלק (כגון מתאן או פרופאן)‪ .‬שימוש במטפים המכילים פחמן דו־חמצני הוא‬ ‫אחת הדרכים הנפוצות לכיבוי אש‪ .‬הפחמן הדו־חמצני מוהל את החמצן הסמוך ללהבה‬ ‫לריכוז שבו תהליך הבערה כבר אינו יכול לקיים את עצמו‪.‬‬ ‫טמפרטורת המגיבים‬ ‫קצב התגובה גדל ככל שהטמפרטורה גדלה‪ ,‬משום שהאנרגיה הקינטית הממוצעת של‬ ‫החלקיקים המגיבים מתכונתית לטמפרטורה בקלווין‪ .‬הגדלת מהירות החלקיקים מגדילה‬ ‫את הסבירות להתנגשויות‪ ,‬והאנרגיה הקינטית הגבוהה פירושה שאחוז גבוה יותר‬ ‫מההתנגשויות יובילו להיווצרות התוצרים (התנגשויות פוריות)‪ .‬במקרים רבים‪ ,‬העלאת‬ ‫הטמפרטורה ב־‪ 10ºC‬מובילה להכפלת קצב התגובה‪.‬‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח'‬ ‫בורלא‬ ‫מצב הצבירה של המגיבים ביצוע‪ :‬רונית‬ ‫קצב התגובה תלוי במצב הצבירה של המגיבים‪ :‬מוצק‪ ,‬נוזל או גז‪ .‬על מנת שתגובה‬ ‫תתרחש יש צורך במספר רב של התנגשויות פוריות‪ ,‬ובמצב המוצק תנועת האטומים‪,‬‬ ‫‪7-11‬את מושג‬ ‫ממחיש גפרור‬ ‫כיצד‬ ‫איור‬ ‫היונים או המולקולות מוגבלת‪ .‬במצב הגזי והנוזלי החלקיקים נעים באופן חופשי יותר‪.‬‬ ‫אנרגיית השפעול?‬ ‫מכאן שברוב המקרים תגובות יהיו מהירות יותר במצב הגזי והנוזלי ואטיות‬ ‫יותר במצב המוצק‪.‬‬ ‫נוכחות זרז‬ ‫זרז (קטליזטור‪ )catalyst ,‬הוא חומר שמגביר את קצב התגובה‪ .‬כאשר מוסיפים‬ ‫זרז לתערובת התגובה הוא עצמו אינו עובר כל שינוי נטו‪ ,‬ואף אינו משנה את‬ ‫‪Ea‬‬ ‫תוצאת התגובה‪ .‬עם זאת‪ ,‬האינטראקציה של הזרז עם המגיבים יוצרת נתיב‬ ‫חלופי להיווצרות התוצרים‪ ,‬שאנרגיית השפעול שלו נמוכה יותר‪ .‬משום כך "קל"‬ ‫יותר לתגובה להתרחש והקצב שלה גדל‪ .‬השפעה זו מומחשת באיור ‪.7.11‬‬ ‫‪A+B‬‬

‫הריכוז הוצג בסעיף ‪ ,1.6‬והיחידות‬ ‫והחישובים הקשורים בו נידונו‬ ‫בסעיפים ‪ 6.2‬ו־‪.6.3‬‬

‫‪7‬‬

‫אנתלפיה‬

‫לנוכחות זרז בתערובת התגובה יש חשיבות תעשייתית; לא אחת זהו ההבדל‬ ‫בין רווח והפסד במכירה של תוצר‪ .‬לדוגמה‪ ,‬נוכחות הזרז יכולה להועיל בהפיכת‬ ‫קשרים כפולים לקשרים בודדים‪ .‬תכונה זו מיושמת בתהליך ההידרוגנציה בתעשייה‪:‬‬ ‫בהידרוגנציה מתרחשת פתיחה של אחד או יותר מהקשרים הכפולים בין שני אטומי‬ ‫פחמן בשומן בלתי רווי (כגון שמן תירס או שמן זית) לקשר יחיד האופייני לשומן‬ ‫רווי (כגון השומן שבמרגרינה)‪ .‬השימוש בזרז מתכתי‪ ,‬כגון ניקל‪ ,‬המצוי במגע עם‬ ‫תערובת התגובה‪ ,‬מגדיל באופן חד את קצב התגובה‪.‬‬ ‫אלפי תגובות ביוכימיות חיוניות בגופנו מווסתות ומואצות על ידי זרזים‬ ‫ביולוגיים‪ ,‬המכונים אנזימים (‪.)enzymes‬‬

‫‪C+D‬‬

‫התקדמות התגובה‬ ‫)‪ (1‬תגובה בהיעדר זרז‬

‫‪E 'a‬‬

‫איור ‪ 7.11‬השפעה של זרז על עוצמת אנרגיית השפעול של תגובה כימית‪ )1( :‬תגובה‬ ‫בהיעדר זרז‪ )2( ,‬תגובה בנוכחות זרז‪ .‬שימו לב שנוכחות זרז מקטינה את אנרגיית השפעול‬ ‫(‪ ,)E'a < Ea‬ובכך מגדילה את קצב התגובה‪.‬‬

‫‪C+D‬‬

‫התקדמות התגובה‬ ‫)‪ (2‬תגובה בנוכחות זרז‬

‫אנתלפיה‬

‫‪A+B‬‬

‫מס‬

‫‪  260‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫העבודה‪0116 :‬‬ ‫מספר‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬ ‫העבודה‪:‬דרךעולם‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא המחשה ברמהשם‬ ‫בסינתזה‬ ‫המצוי בשימוש נרחב‬ ‫הפעולה של זרז מוצק‬ ‫מולקולרית של‬ ‫תעשייתית של אמוניה מוצגת באיור ‪.7.12‬‬

‫שחומר‪7-12‬‬ ‫שאלה ‪ 7 .11‬האם אפשר לומראיור‬ ‫שמפריע לפעולתו של אנזים הוא רעל? מדוע?‬ ‫קטן משמעותית במקרר‪ .‬מדוע?‬ ‫‪ 7‬קצב הגידול של חיידקים ֵ‬ ‫שאלה ‪ .12‬‬

‫‪NH3‬‬

‫‪N2‬‬

‫‪H2‬‬

‫פני השטח של הזרז‬

‫בסיוע זרז בפאזת מוצק‬ ‫תעשייתי חשוב‪,‬‬ ‫אמוניה‪ ,‬תוצר‬ ‫הסינתזה של‬ ‫(מעגלהעבודה‪0116 :‬‬ ‫מספר‬ ‫מתבצעת ‪4‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא איור ‪ 7.12‬שם‬ ‫האּבר)‪ H2 .‬ו־‪ N2‬נקשרים לפני השטח של הזרז‪ ,‬והקשרים ביניהם נחלשים ומתפרקים תוך כדי יצירת‬ ‫ֵ‬ ‫קשרים חדשים המרכיבים את מולקולות האמוניה‪ .‬מולקולות האמוניה שנוצרו עוזבות את פני השטח‪.‬‬ ‫התהליך חוזר על עצמו שוב ושוב‪ ,‬ללא כל שינוי בזרז‪.‬‬

‫עמוד ‪260‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לכתוב חוקי קצב ולהשתמש‬

‫במשוואות כדי לחשב את השפעת‬ ‫הריכוז על הקצב‪.‬‬

‫ייצוג מתמטי של קצב התגובה‬ ‫הבה נבחן את תגובת הפירוק של ‪( N2O5‬דו־חנקן חמש־חמצני) בפאזת הגז‪ .‬כאשר מחממים‬ ‫אותו‪ N2O5 ,‬מתפרק ומניב שני תוצרים‪( NO2 :‬חנקן דו־חמצני) ו־‪( O2‬חמצן דו־אטומי)‪.‬‬ ‫המשוואה הכימית המאוזנת של התגובה היא‬ ‫)‪4NO2(g) + O2(g‬‬

‫∆‬

‫)‪2N2O5(g‬‬

‫המשולש על חץ התגובה מסמל שנדרש חימום על מנת שהתגובה תצא לפועל‪ .‬אם כל הגורמים‬ ‫שמשפיעים על קצב התגובה (למעט הריכוז) קבועים (כלומר אופי המגיב‪ ,‬הטמפרטורה ומצב‬ ‫הצבירה של המגיב‪ ,‬קיומו או היעדרו של זרז)‪ ,‬אזי קצב התגובה פרופורציוני לריכוז של ‪,N2O5‬‬ ‫המגיב‪.‬‬ ‫ריכוז ‪ ∝ N2O5‬קצב‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪261‬‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫מהר מדי או לאט מדי?‬ ‫לקינטיקה תפקיד מפתח בפיתוח מגוון רחב של מוצרים‬ ‫מסחריים‪ .‬נביא להלן מקצת מהיישומים הללו‪ ,‬שתורמים‬ ‫לבריאותנו‪ ,‬להנאתנו ולשמירה על הסביבה‪.‬‬

‫קירור‬

‫בראייה היסטורית‪ ,‬מעט מאוד טכנולוגיות הביאו תועלת גדולה‬ ‫יותר לבריאות האדם מאשר פיתוח אמצעי קירור זולים ויעילים‪,‬‬ ‫שמאפשרים לאחסן מזון לתקופות ממושכות מבלי שיתקלקל‪.‬‬ ‫בטמפרטורת החדר מתרחשות תגובות כימיות בלתי רצויות‬ ‫בסיוע חיידקים‪ ,‬אשר מפרקות עד מהרה מזונות רבים‪ ,‬במיוחד‬ ‫בשר ודגים‪ ,‬והופכות אותם בלתי ראויים למאכל אדם‪ .‬אחסון‬ ‫מזון בטמפרטורות נמוכות מאט את קצב הפירוק באמצעות‬ ‫האטה של קצב התרבות החיידקים ושל קצב התגובות הכימיות‬ ‫ההרסניות‪ .‬קירור הוא יישום ישיר של קינטיקה‪ :‬בקירוב טוב‪,‬‬ ‫קטן פי שניים עם כל ירידה של ‪ 10ºC‬בטמפרטורה‪.‬‬ ‫הקצב ֵ‬

‫לאדמה או לצמחייה‪ ,‬ישלימו במהירות את משימתם לקטול‬ ‫עשבים שוטים או חרקים ויתפרקו תוך זמן קצר‪ ,‬לרוב בסיוע‬ ‫חיידקים‪ .‬רוב האנשים מודעים לבעיות שגרמו חומרי הדברה‬ ‫ישנים יותר‪ ,‬שאינם מתכלים‪ ,‬ובראשם ‪( DDT‬דו־כלורו־דו־‬ ‫פניל תלת־כלורואתאן)‪ DDT .‬מתפרק לאט מאוד בסביבה‪ .‬הוא‬ ‫מסיס בשומנים‪ ,‬מצטבר ברקמות בעלי חיים ואחראי להשפעות‬ ‫סביבתיות שליליות רבות‪ ,‬שהידועה מהן היא הפרעה לתהליך‬ ‫הרבייה בציפורים‪ .‬אף שהוא אסור בשימוש בארה"ב‪ ,‬עדיין‬ ‫אפשר למצוא ‪ DDT‬בסביבה‪ .‬הוא הוחלף בתרכובות המתכלות‬ ‫בקצב מהיר יותר‪.‬‬

‫מכוניות‬

‫הממיר הקטליטי במכוניות מודרניות מסייע להאיץ את קצב‬ ‫ההמרה של חומרי הפליטה המזיקים (‪ CO‬ו־‪ ,NO‬לדוגמה)‬ ‫לתוצרים מזיקים פחות (גז ‪ CO2‬ו־‪ .)N2‬הממיר מכיל את‬ ‫המתכות פלטינה‪ ,Pt ,‬ופלדיום‪ ,Pd ,‬שמשמשות כזרזים מוצקים‪,‬‬ ‫רפואת שיניים‬ ‫ומאפשרות המרה כמעט מלאה של חומרי הפליטה לפני שהם‬ ‫הלבנת שיניים נעשית בדרך כלל באמצעות שימוש במימן יוצאים מצינור הפליטה‪.‬‬ ‫על־חמצני (מי חמצן‪ .)H2O2 ,‬משום שהתגובה אטית‪ ,‬מלביני‬ ‫שיניים לשימוש ביתי מורכבים מהתקנים שונים שמטרתם פסולת גרעינית‬ ‫ללכוד ‪ H2O2‬ולהביא אותו במגע עם השיניים‪ .‬פתרון טוב יותר המרה של פסולת גרעינית לתוצרים בלתי מזיקים אינה תהליך‬ ‫הוא להשתמש בריכוזים גבוהים יותר של ‪( H2O2‬כזכור‪ ,‬קצב כימי‪ .‬היינו שמחים אילו יכולנו ליישם כללים של קינטיקה‬ ‫התגובה מושפע מריכוז המגיב)‪ .‬עם זאת‪ ,‬טיפולים אלה רק כימית לפסולת רדיואקטיבית – אולי היינו יכולים לחמם את‬ ‫רופא שיניים רשאי לבצע; בשימוש שגוי‪ ,‬ריכוז גבוה של ‪ H2O2‬הפסולת כדי להמיר אותה לתוצרים בלתי מזיקים‪ .‬אך לא כך‬ ‫הוא! דעיכה רדיואקטיבית (פרק ‪ )9‬היא תהליך גרעיני‪ ,‬והיא‬ ‫עלול להזיק לרקמות רגישות‪ ,‬כגון החניכיים ופנים הפה‪.‬‬ ‫חסינה בפני כל אופני הפעולה השגורים להאצת הקצב של‬ ‫אמנות וצילום‬ ‫תגובות כימיות‪ .‬כך אנו נותרים עם בעיה חמורה של סילוק‬ ‫ציורים ותצלומים ישנים רגישים מאוד להשפעה של אור על־ פסולת רדיואקטיבית‪ .‬לפרטים נוספים‪ ,‬ראו "כימיה ירוקה‪:‬‬ ‫סגול (‪ ,)UV‬כיוון שתגובות כימיות שמביאות לדהיית צבע סילוק פסולת גרעינית" בפרק ‪.9‬‬ ‫מתרחשות בנוכחות אור על־סגול‪ .‬במצב זה מולקולות רבות‬ ‫יותר מגיעות לאנרגיית השפעול הדרושה‪ ,‬והאיכות והערך של‬ ‫יצירת האמנות מידרדרים במהירות רבה יותר‪ .‬זכוכית שבולעת‬ ‫קרינת ‪( UV‬זכוכית שימור) מונעת מהתגובות הללו את שאלות הרחבה‬ ‫@ תנו דוגמה נוספת לתהליך שהקצב שלו אינו אופטימלי‪.‬‬ ‫האנרגיה שהן זקוקות לה‪ ,‬ומשך החיים של היצירות מתארך‪.‬‬ ‫אילו שינויים בתנאים ישפרו את קצב התהליך?‬ ‫הסביבה‬ ‫@ מצאו את מחיר השוק של פלטינה ופלדיום בעיתונות‬ ‫הכלכלית‪ .‬האם הדבר מסייע להסביר את המחיר הגבוה של‬ ‫הדרישה היסודית מקוטלי עשבים ומקוטלי מזיקים היא‬ ‫ממירים קטלטיים?‬ ‫התכלות ביולוגית‪ .‬באופן אידיאלי‪ ,‬חומרים אלה ייכנסו‬

‫‪  262‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נייצג את הריכוז של ‪ N2O5‬ביחידות של מולר‪ ,‬ונסמנו באמצעות סוגריים מרובעים‪.‬‬ ‫ריכוז ‪[N2O5] = N2O5‬‬

‫כלומר‪,‬‬

‫]‪ ∝ [N2O5‬קצב‬

‫מדידות במעבדה מראות שקצב התגובה תלוי במולריות של המגיב; אך את המולריות יש‬ ‫להעלות בחזקה‪ ,‬שגודלה נקבע בניסוי‪ .‬אנו נסמל את החזקה באות ‪ ,n‬ונכנה אותה סדר‬ ‫התגובה‪ .‬סדר התגובה (‪ )reaction order‬מייצג את מספר המולקולות שמעורבות בהתהוות‬ ‫של תוצר‪.‬‬ ‫‪ ∝ [N2O5]n‬קצב‬ ‫בביטויים כגון זה אפשר להחליף את סימול הפרופורציונליות‪ ,∝ ,‬בסימן שוויון תוך הצגה של‬ ‫קבוע פרופורציונליות שנייצג בתור ‪ ,k‬קבוע הקצב (‪.)rate constant‬‬ ‫‪ = k[N2O5]n‬קצב‬ ‫משוואות שמקיימות את המבנה הזה‪ ,‬שבו הקצב שווה לקבוע קצב כפול ריכוז המגיבים‬ ‫המועלה בחזקה שהיא סדר התגובה‪ ,‬מכונות חוקי קצב (‪.)rate laws‬‬ ‫עבור התגובה המתוארת כאן נמדד ‪ n‬בניסוי‪ ,‬וערכו הוא ‪ ;1‬מכאן שהתגובה היא מסדר ראשון‬ ‫ב־‪ ,N2O5‬וחוק הקצב עבור התגובה הוא‬ ‫שימו לב שהחזקה ‪ n‬בחוק הקצב‬ ‫שונה מהמקדם של ‪ N2O5‬במשוואה‬ ‫המאוזנת‪ .‬עם זאת‪ ,‬בחלק מהתגובות‬ ‫המקדם במשוואה המאוזנת והחזקה‬ ‫‪( n‬סדר התגובה) זהים מבחינה‬ ‫מספרית‪.‬‬

‫]‪ = k[N2O5‬קצב‬ ‫באופן כללי‪ ,‬קצב התגובה של משוואה שצורתה הכללית היא‬ ‫תוצר → ‪A‬‬

‫מיוצג על ידי חוק הקצב‬ ‫שבו‬

‫‪ = k[A]n‬קצב‬ ‫‪ = n‬סדר התגובה‬ ‫‪ = k‬קבוע הקצב של התגובה‬ ‫]‪ = [A‬המולריות של המגיב‬

‫כאשר במשוואה שני מגיבים‪,‬‬ ‫תוצרים → ‪A + B‬‬

‫אזי חוק הקצב מקבל את הצורה שלהלן‪:‬‬ ‫'‪ = k[A]n[B]n‬קצב‬

‫בסעיף ‪ 7.4‬נראה כיצד חוקי קצב‬ ‫מהווים את הבסיס לתיאור תגובות‬ ‫שיווי משקל‪.‬‬

‫‪ n‬ו־'‪ n‬נקראים הסדרים החלקיים של התגובה ביחס ל־‪ A‬ו־‪ ,B‬בהתאמה‪ ,‬וסדר התגובה הכולל‬ ‫הוא הסכום‪ .n + n' ,‬הערכים של קבוע הקצב וסדר התגובה נקבעים בשורה של ניסויים‪.‬‬ ‫אי־אפשר לחזות אותם מתוך עיון במשוואה הכימית‪.‬‬ ‫ידיעת הצורה של חוק הקצב‪ ,‬בשילוב ניסויים לקביעת הערך של קבוע הקצב‪ ,k ,‬והסדר‪,‬‬ ‫‪ ,n‬מביאים תועלת מרובה בכמה מובנים‪ .‬כימאים בתעשייה משתמשים במידע הזה לבסס‬ ‫תנאים מיטביים להכנת תוצר בפרק הזמן המעשי הקצר ביותר‪ .‬התכנון של מתקן ייצור שלם‬ ‫עשוי להסתמך בחלקו על הקצב של התגובות החיוניות בו‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫דוגמה ‪ 7.6‬כתיבת חוקי קצב‬ ‫מהו חוק הקצב של חמצון אתנול (‪ ?)C2H5OH‬בניסוי נקבע שהתגובה היא מסדר ראשון‬ ‫באתנול ומסדר שלישי בחמצן (‪ .)O2‬התגובה הכימית של התהליך היא‪:‬‬ ‫)‪C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l‬‬

‫מ ש ק ל   ‪263‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לכתוב חוקי קצב ולהשתמש‬

‫במשוואות כדי לחשב את השפעת‬ ‫הריכוז על הקצב‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬חוק הקצב מצריך רק את המגיבים‪ C2H5OH ,‬ו־‪ .O2‬נתאר את הריכוזים שלהם בתור‬ ‫]‪[C2H5OH][O2‬‬

‫שלב ‪ .2‬כעת נעלה כל ריכוז בחזקה המתאימה לסדר התגובה שנקבע בניסוי‬ ‫‪[C2H5OH][O2]3‬‬

‫שלב ‪ .3‬מכפלה זו מתכונתית לקצב‪:‬‬

‫‪ ∝ [C2H5OH][O2‬קצב‬

‫‪]3‬‬

‫שלב ‪ .4‬היחס המתכונתי (∝) הופך למשוואה באמצעות קבוע הקצב‪.k ,‬‬ ‫‪ = k[C2H5OH][O2]3‬קצב‬ ‫זהו חוק הקצב (שימו לב שיש התייחסות ל־‪ 1‬בתגובה; הכתיב [‪ ]C2H5OH‬נכון‪ ,‬אך ‪ ]C2H5OH[1‬אינו נכון)‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.6‬‬

‫מהי הצורה הכללית של חוק הקצב עבור התהליכים שלהלן? יש לייצג את סדר התגובה ביחס לכל מגיב בתור ‪ n' ,n‬וכן הלאה‪.‬‬ ‫א‪N2(g) + O2(g) → 2NO(g) .‬‬ ‫ב‪2C4H6(g) → C8H12(g) .‬‬ ‫ג‪CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) .‬‬ ‫ד‪2NO2(g) → 2NO(g) + O2(g) .‬‬ ‫@‬

‫‪7.4‬‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 7.49‬ו־‪7.50‬‬

‫שיווי משקל‬

‫קצב והפיכּות של תגובות‬ ‫עד כה הנחנו שרוב השינויים הכימיים והפיזיקליים שבחנו נמשכים עד השלמתם‪ .‬תגובה‬ ‫שהושלמה היא תגובה שבה כל המגיבים הומרו לתוצרים‪ .‬עם זאת‪ ,‬תגובות כימיות חשובות‬ ‫רבות אינן נשלמות‪ .‬בשל כך‪ ,‬לאחר שלא מתחולל שינוי נוסף ניכר לעין‪ ,‬נותרות כמויות‬ ‫מדידות של מגיבים ותוצרים‪ .‬תגובות מעין אלה מכונות תגובות הפיכות או תגובות שיווי‬ ‫משקל (‪.)equilibrium reactions‬‬ ‫דוגמאות לשיווי משקל פיזיקלי וכימי קיימות בשפע בטבע‪ .‬מערכות סביבתיות רבות‬ ‫נסמכות על שיווי משקל עדין‪ .‬התמוססות של חמצן במים היא תהליך הפיך‪ .‬כמות החמצן‬ ‫המומס בנפח נתון של מי אגם (ריכוז החמצן) נשלטת על ידי עקרונות שיווי המשקל ותלויה‬ ‫בטמפרטורה (חוק הנרי‪ ,‬סעיף ‪ .)6.1‬חייהם של צמחים ובעלי חיים במערכת הזאת קשורים‬ ‫קשר קריטי לרמות החמצן המומס במים‪.‬‬ ‫הצורה והתפקוד של כדור הארץ הם עצמם תוצאה של מגוון תופעות מורכבות של שיווי‬ ‫משקל‪ .‬תצורות של נציבים ונטיפים במערות מורכבות מסידן פחמתי מוצק (‪ .)CaCO3‬הן‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לזהות ולתאר מצבי שיווי משקל‪.‬‬

‫‪  264‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫חבות את קיומן לתהליך הפיך (הנסמך על עקרון לה שטלייה‪ ,‬שבו נדון בשלב מאוחר יותר‬ ‫בפרק) המתואר על ידי המשוואה שלהלן‪:‬‬ ‫)‪Ca2+(aq) + 2HCO3−(aq) € CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l‬‬

‫שיווי משקל פיזיקלי‬ ‫שיווי משקל פיזיקלי‪ ,‬כדוגמת זה של סוכר מומס במים‪ ,‬הוא תהליך הפיך‪ .‬תהליך הפיך‬ ‫(‪ )reversible process‬הוא תהליך שיכול להתרחש בשני הכיוונים‪ .‬הוא מסומן בחץ כפול‬ ‫(€)‪.‬‬ ‫התמוססות של סוכר במים‪ ,‬שמניבה תמיסה רוויה‪ ,‬היא המחשה נוחה של שיווי משקל‬ ‫דינמי‪.‬‬ ‫שיווי משקל דינמי (‪ )dynamic equilibrium‬הוא מצב שבו קצב התהליך הישיר בתגובה‬ ‫זהה לקצב התהליך ההפוך‪.‬‬ ‫הבה נבחן את שיווי המשקל של סוכר ומים ביתר פירוט‪.‬‬

‫סוכר במים‬

‫תארו לעצמכם שאתם מערבבים כמות קטנה של סוכר (‪ 2-3‬גרם) ב־‪ 100‬מיליליטרים של‬ ‫מים‪ .‬לאחר ערבוב קצר כל הסוכר מתמוסס; לא נותר סוכר מוצק משום שהסוכר התמוסס‬ ‫במלואו‪ .‬כל הסוכר המוצק התמוסס והתקבלה תמיסה מימית של סוכר‪,‬‬ ‫(‪)aq‬סוכר → (‪)s‬סוכר‬ ‫עודף של סוכר במים יוצר תמיסה‬ ‫רוויה‪ ,‬כמתואר בסעיף ‪.6.1‬‬

‫שיווי משקל דינמי עלול להיות‬ ‫מסוכן לתאים חיים בנסיבות‬ ‫מסוימות‪ ,‬משום שהוא מייצג תהליך‬ ‫שבו כביכול דבר אינו מתבצע‪ .‬אין כל‬ ‫תועלת‪ .‬הבה נבחן לדוגמה תגובה‬ ‫אקסותרמית שמטרתה להניב רווח‬ ‫נטו של אנרגיה בשביל התא‪ .‬במצב‬ ‫של שיווי משקל דינמי‪ ,‬קצב התגובה‬ ‫הישירה (שמשחררת אנרגיה) שווה‬ ‫לקצב התגובה ההפוכה (שצורכת‬ ‫אנרגיה)‪ .‬כך אין רווח נטו של אנרגיה‬ ‫שיכול לשמש לפעילות התאית‪,‬‬ ‫והתא אינו יכול לחיות‪.‬‬

‫כעת‪ ,‬נניח שמוסיפים כמות גדולה מאוד של סוכר (‪ 100‬גרם)‪ ,‬יותר משאפשר להמיס‪ ,‬לאותו‬ ‫נפח של מים‪ .‬בעודכם מערבבים את התערובת אתם מבחינים כי כמות הסוכר המתמוסס‬ ‫הולכת וגדלה‪ .‬לאחר זמן מה כמות הסוכר המוצק שנותר במגע עם התמיסה נראית קבועה‪.‬‬ ‫בחלוף הזמן אתם מבחינים כי אין כל ירידה נוספת בכמות הסוכר שאינו מומס‪ .‬אף שדומה‬ ‫כי אין כל התרחשות נוספת‪ ,‬למעשה מתחוללת במים פעילות מרובה!‬ ‫מתקיים במים מצב של שיווי משקל‪ .‬לאורך זמן כמות הסוכר המומס בכמות הנתונה של‬ ‫מים (ריכוז הסוכר במים) אינה משתנה‪ ,‬ומכאן שגם כמות הסוכר הלא מומס אינה משתנה‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬אילו יכולתם לראות את מולקולות הסוכר הבודדות‪ ,‬הייתם רואים דבר מדהים‬ ‫למדי‪ .‬במקום שמולקולות הסוכר במצב המוצק פשוט יישארו במקומן‪ ,‬הן ממשיכות לעזוב‬ ‫את המצב המוצק ולהיכנס לתמיסה‪ .‬בה בעת‪ ,‬מספר דומה של מולקולות סוכר מומסות‬ ‫עוזבות את המים והופכות למוצק‪ .‬התהליך הפעיל הזה הוא שיווי משקל דינמי‪ .‬התגובה‬ ‫מתנהלת בכיוון ישיר (משמאל לימין) ובכיוון הפוך (מימין לשמאל) בעת ובעונה אחת‪ ,‬מה‬ ‫שהופך את התהליך לתהליך הפיך‪:‬‬ ‫(‪)aq‬סוכר € (‪)s‬סוכר‬ ‫הקצב של התהליך הישיר זהה לקצב של התהליך ההפוך‪ ,‬וכמות הסוכר במצב המוצק ובתמיסה‬ ‫נותרת קבועה‪ .‬המערכת מצויה בשיווי משקל‪ .‬החץ הכפול משמש לצורך סימון של תהליך‬ ‫הפיך וכתזכורת לכך שהתהליך דינמי מטבעו‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 7.13‬תארו דוגמה של שיווי משקל דינמי תוך שימוש בקרון של רכבת תחתית‬ ‫בשעת עומס או במסעדה עמוסה בשעת ארוחת הצהריים‪.‬‬ ‫‪ 7‬שינוי מסוים בתנאי התגובה בתהליך שיווי משקל גרם להגדלת קצב התגובה‬ ‫שאלה ‪ .14‬‬ ‫הישירה‪ ,‬יותר משהגדיל את קצב התגובה ההפוכה‪ .‬האם כמות התוצר גדלה‪ ,‬קטנה או נותרה‬ ‫כשהייתה? מדוע?‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪265‬‬

‫שיווי משקל כימי‬ ‫התגובה של ‪ N2‬ו־‪H2‬‬ ‫כשמערבבים גז חנקן (‪ )N2‬וגז מימן (‪ )H2‬בטמפרטורה גבוהה (נאמר‪ ,)500ºC ,‬חלק‬ ‫מהמולקולות יתנגשו זו בזו באנרגיה מספקת ובהיערכות מרחבית מתאימה כדי לפרק את‬ ‫הקשרים ‪ N ≡ N‬ו־‪ .H – H‬סידור מחדש של האטומים יניב את התוצר (‪:)NH3‬‬ ‫)‪N2(g) + 3H2(g) € 2NH3(g‬‬

‫המצב ההתחלתי הוא תערובת של מימן וחנקן ולכן קצב התגובה ההתחלתי מהיר‪ ,‬משום‬ ‫קטן‪ .‬בה בעת ריכוז התוצר‪,‬‬ ‫שריכוז המגיבים גבוה; ככל שהתגובה מתקדמת ריכוז המגיבים ֵ‬ ‫אמוניה‪ ,‬גדל‪ .‬במצב שיווי המשקל קצב התכלות המימן והחנקן שווה לקצב התכלות‬ ‫האמוניה‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬קצב התגובה הישירה שווה לקצב התגובה ההפוכה‪.‬‬ ‫ריכוז הצורונים השונים קבוע במצב שיווי המשקל משום שתוצרים מתכלים ונוצרים‬ ‫באותו הקצב‪ .‬במילים אחרות‪ ,‬התגובה נמשכת ללא הפסקה (היא דינמית)‪ ,‬אבל ריכוז‬ ‫התוצרים והמגיבים קבוע (שיווי משקל)‪ .‬זהו שיווי משקל דינמי‪ .‬קצב התגובה הזו כתלות‬ ‫בזמן מתואר באיור ‪.7.13‬‬ ‫במערכות המצויות בשיווי משקל אפשר לפתח ביטוי לקבוע שיווי המשקל (‪equilibrium‬‬ ‫‪ ,)constant‬אשר מבטא את הקשר בין ריכוז המגיבים והתוצרים בתגובת שיווי משקל‪.‬‬

‫הביטוי הכללי לקבוע שיווי המשקל‬ ‫של תגובה כימית‬

‫רונית בורלא‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫כימית בתור‬ ‫נכתוב את הצורה הכללית של תגובת שיווי משקל‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬

‫‪aA + bB € cC + dD‬‬

‫בביטוי זה ‪ A‬ו־‪ B‬מייצגים מגיבים‪ C ,‬ו־‪ D‬מייצגים תוצרים‪ ,‬ו־‪ d ,c ,b ,a‬הם המקדמים‬ ‫הסטויכיומטריים של המשוואה המאוזנת‪ .‬הביטוי של קבוע שיווי המשקל במקרה הכללי הזה‬ ‫הוא‬

‫[‪]H2[ + ]N2‬‬

‫שיווי משקל‬

‫מכאן נובע שבמערכת של האמוניה‪ ,‬הביטוי המתאים של שיווי המשקל הוא‪:‬‬ ‫‪]NH 3 [2‬‬ ‫‪]N 2 []H 2 [3‬‬

‫= ‪Keq‬‬

‫אין זה חשוב מהי הכמות ההתחלתית (הריכוזים) של המגיבים או של התוצרים‪ .‬כשהמערכת‬ ‫מגיעה לשיווי משקל‪ ,‬הערך המחושב של ‪ Keq‬יהיה תמיד זהה‪ .‬הדרך היחידה לשנות את‬ ‫הגודל של ‪ Keq‬היא באמצעות שינוי הטמפרטורה‪ .‬מכאן ש־‪ Keq‬תלוי בטמפרטורה‪ .‬התעשייה‬ ‫הכימית מנצלת עובדה זו לטובתה באמצעות בחירת טמפרטורת תגובה שתביא לניצולת‬ ‫מיטבית של התוצר המבוקש‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 7.15‬כיצד אפשר לקבוע מתי תגובה מגיעה לשיווי משקל?‬ ‫‪ 7‬האם מצב של שיווי משקל פירושו שלא חל כל שינוי נוסף במערכת?‬ ‫שאלה ‪ .16‬‬

‫[‪]NH3‬‬

‫קצב התגובה הישירה‬

‫‪] C [c ] D [d‬‬ ‫‪] A[a ] B [b‬‬

‫= ‪K eq‬‬

‫איור ‪7-13‬‬

‫התקדמות התגובה‬ ‫איור ‪ 7.13‬השינוי בקצב‬ ‫התגובה של ‪ H2‬עם ‪ N2‬כתלות בזמן‬ ‫(השינוי בקצב תגובת ההיווצרות‬ ‫של ‪ NH3‬כתלות בזמן)‪ .‬קצב התגובה‪,‬‬ ‫קטן כאשר ריכוז‬ ‫המהיר בתחילה‪ֵ ,‬‬ ‫גדל‪.‬‬ ‫קטן וריכוז התוצר ֵ‬ ‫המגיבים ֵ‬ ‫הקצב מתקרב לערך גבול במצב‬ ‫שיווי המשקל‪.‬‬

‫‪  266‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לכתוב ביטויים לקבועי שיווי‬

‫משקל ולהשתמש בביטויים על מנת‬ ‫לחשב את ערכם‪.‬‬

‫התוצרים של תגובת שיווי המשקל‬ ‫המלאה מופיעים במונה‪ ,‬והמגיבים‬ ‫מופיעים במכנה‪.‬‬

‫החזקות תואמות את המקדמים של‬ ‫המשוואה המאוזנת‪.‬‬

‫כתיבת ביטויים של קבוע שיווי המשקל‬

‫אפשר לכתוב ביטוי לקבוע שיווי המשקל רק לאחר פיתוח משוואה כימית נכונה ומאוזנת‬ ‫שמתארת את מערכת שיווי המשקל‪ .‬המשוואה המאוזנת חיונית משום שהמקדמים‬ ‫במשוואה הופכים לחזקות בביטוי של קבוע שיווי המשקל‪.‬‬ ‫לכל תגובה כימית יש קבוע שיווי משקל בעל ערך ייחודי בטמפרטורה נתונה‪ .‬קבועי שיווי‬ ‫המשקל הנקובים בספרות מדווחים לרוב ב־‪ ,25ºC‬על מנת לאפשר השוואה של מערכת אחת‬ ‫לאחרת‪ .‬בכל תגובת שיווי משקל הערך של קבוע שיווי המשקל משתנה עם הטמפרטורה‪.‬‬ ‫הסוגריים המרובעים מייצגים את הריכוז ביחידות מולר; כזכור‪ ,‬מולר הוא מספר המולים‬ ‫בליטר (‪ .)mol/L‬בדיון שלנו בשיווי משקל כל קבועי שיווי המשקל הם חסרי יחידות (להסבר‬ ‫מקיף ראו פרק ‪ 9‬בספר כימיה כללית א)‪.‬‬ ‫ביטוי נכון של קבוע שיווי המשקל עשוי שלא לכלול את כל האברים במשוואה הכימית‬ ‫שעליה הוא מבוסס‪ .‬רק ריכוזי הגזים והחומרים המצויים בתמיסה מוצגים‪ ,‬משום שהריכוזים‬ ‫שלהם עשויים להשתנות‪ .‬אברים המציינים את הריכוז של הנוזלים והמוצקים אינם מוצגים‪.‬‬ ‫הריכוז של נוזל הוא קבוע‪ .‬ברוב המקרים הנוזל הוא הממס של התגובה הנחקרת‪ .‬ריכוז‬ ‫המוצק קבוע אף הוא‪ ,‬ובתגובות המתרחשות בתמיסה הוא אינו חלק של ממש מהתמיסה‪.‬‬ ‫כאשר מוצק נוצר הוא קיים בפאזה מוצקה הבאה במגע עם פאזת הנוזל (התמיסה)‪.‬‬

‫המשמעות של קבועי שיווי משקל‬

‫מהי התועלת של קבוע שיווי המשקל? החצים ההפוכים במשוואה הכימית מסבים את‬ ‫תשומת לבנו לעובדה שיש שיווי משקל‪ .‬נותרת כמות מדידה כלשהי של התוצר ושל המגיב‪.‬‬ ‫ואולם‪ ,‬איננו יודעים אם במצב שיווי המשקל יש בעיקר תוצרים‪ ,‬בעיקר מגיבים או ריכוזים‬ ‫משמעותיים של מגיבים ותוצרים גם יחד‪.‬‬ ‫הערך המספרי של קבוע שיווי המשקל מספק לנו את המידע הנוסף הזה‪ .‬הוא מעיד על‬ ‫מידת ההמרה של המגיבים לתוצרים‪ .‬המידע הזה חשוב לכל מי שרוצה לייצר ולמכור את‬ ‫התוצר‪ ,‬וגם לכל מי שחוקר את ההשפעה של תגובות שיווי משקל על מערכות סביבתיות‬ ‫ויצורים חיים‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 7.7‬כתיבת ביטוי לקבוע שיווי המשקל‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לכתוב ביטויים לקבועי שיווי‬

‫כתבו את הביטוי של קבוע שיווי המשקל עבור התגובה ההפיכה שלהלן‪:‬‬ ‫)‪H2(g) + F2(g) € 2HF(g‬‬

‫משקל ולהשתמש בביטויים על מנת‬ ‫לחשב את ערכם‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬עיון במשוואה הכימית חושף שהיא אינה מערבת מוצקים או נוזלים‪.‬‬ ‫מכאן שכל המגיבים והתוצרים מופיעים בביטוי לקבוע שיווי המשקל‪.‬‬ ‫שלב ‪ .2‬האבר במונה הוא התוצר ‪ .[HF]2‬החזקה של ]‪ [HF‬זהה למקדם של ‪ HF‬במשוואה המאוזנת‪.‬‬ ‫שלב ‪ .3‬האברים במכנה הם המגיבים ]‪ [H2‬ו־]‪ .[F2‬שימו לב שהחזקה בכל אבר זהה למקדם המתאים לה במשוואה המאוזנת‪.‬‬ ‫שלב ‪ .4‬נסדר את האברים של המונה והמכנה בצורת שבר ונשווה אותו ל־‪:Keq‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.7‬‬

‫‪]HF[2‬‬ ‫[ ‪]H 2 []F2‬‬

‫= ‪Keq‬‬

‫כתבו את הביטוי לקבוע שיווי המשקל עבור כל אחת מהתגובות ההפיכות שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ 2NO2(g) € N2(g) + 2O2(g) .‬ב‪2H2O(l) € 2H2(g) + O2(g) .‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 7.77‬ו־‪7.78‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪267‬‬

‫אף כי פרשנות מלאה של הערך המספרי של קבוע שיווי המשקל תלויה בצורה של הביטוי‬ ‫לקבוע שיווי המשקל‪ ,‬כדאי לזכור את ההכללות שלהלן שמתייחסות לסדר הגודל של קבוע‬ ‫שיווי המשקל‪:‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ Keq‬גדול מ־‪ .1 × 103‬ערך מספרי גדול של ‪ Keq‬מעיד כי המונה (אבר התוצרים) גדול‬ ‫בהרבה מהמכנה (אבר המגיבים)‪ ,‬וכי במצב שיווי המשקל יש בעיקר תוצרים‪.‬‬ ‫‪ Keq‬קטן מ־‪ .1 × 10−3‬ערך מספרי קטן של ‪ Keq‬מעיד כי המונה (אבר התוצרים) קטן‬ ‫בהרבה מהמכנה (אבר המגיבים)‪ ,‬וכי במצב שיווי המשקל יש בעיקר מגיבים‪.‬‬ ‫‪ Keq‬בין ‪ 1 × 10−3‬ו־‪ .1 × 103‬במקרה זה תערובת שיווי המשקל מכילה ריכוזים משמעותיים‬ ‫של מגיבים ותוצרים כאחד‪.‬‬

‫עולםשל תגובה‬ ‫העבודה‪:‬המשקל‬ ‫נתונה‪ ,‬קבוע שיווי‬ ‫שאלה ‪ 7.17‬‬ ‫הוא ‪ .1 × 1020‬מספר העבודה‪20116 :‬‬ ‫מסוימת ‪7‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫בורלאבטמפרטורה שם‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית‬ ‫האם במצב שיווי המשקל יש בעיקר תוצרים או מגיבים? מדוע?‬

‫מסוימת הוא ‪.1 × 10−18‬‬ ‫בעמ'תגובה‬ ‫המשקל של‬ ‫‪249‬‬ ‫שאלה ‪ 7.18‬בטמפרטורה נתונה‪ ,‬קבוע שיוויאיור‬ ‫האם במצב שיווי המשקל יש בעיקר תוצרים או מגיבים? מדוע?‬

‫דוגמה ‪ 7.8‬כתיבת ביטוי לקבוע שיווי המשקל‬ ‫כתבו ביטוי לקבוע שיווי המשקל של התגובה ההפיכה שלהלן‪:‬‬ ‫)‪MnO2(s) + 4H+(aq) + 2Cl−(aq) € Mn2+(aq) + Cl2(g) + 2H2O(l‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ MnO2 .1‬הוא מוצק‪ ,‬ו־‪ ,H2O‬אף שהוא תוצר‪ ,‬זניח בכמותו בהשוואה למים שמשמשים‬ ‫כממס‪ .‬לפיכך שני גורמים אלה אינם מופיעים בביטוי לקבוע שיווי המשקל‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לכתוב ביטויים לקבועי שיווי‬

‫משקל ולהשתמש בביטויים על מנת‬ ‫לחשב את ערכם‪.‬‬

‫)‪MnO2(s) + 4H+(aq) + 2Cl−(aq)  Mn2+(aq) + Cl2(g) + 2H2O(l‬‬ ‫לא חלק מהביטוי ל־‪Keq‬‬

‫שלב ‪ .2‬האבר במונה כולל את התוצרים הנותרים‪:‬‬ ‫[‪ ]Mn2+‬ו־‬

‫[‪]Cl2‬‬

‫שלב ‪ .3‬האבר במכנה כולל את המגיבים הנותרים‪:‬‬ ‫‪ [H+]4‬ו־‬

‫‪[Cl−]2‬‬

‫שימו לב שהחזקות זהות למקדמים המתאימים במשוואה הכימית‪.‬‬ ‫שלב ‪ .4‬נסדר את המונה והמכנה כיחס ונשווה אותם ל־‪:Keq‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.8‬‬

‫[ ‪]Mn 2 + []Cl2‬‬ ‫‪]H + [4 ]Cl− [2‬‬

‫= ‪K eq‬‬

‫כתבו ביטויים לקבועי שיווי המשקל של התגובות ההפיכות שלהלן‪:‬‬ ‫א‪AgCl(s) € Ag+(aq) + Cl−(aq) .‬‬ ‫ב‪PCl5(s) € PCl3(g) + Cl2(g) .‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 7.81‬ו־‪7.83‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬ ‫‪7-14‬‬ ‫איור‬ ‫‪  268‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫חישוב קבועי שיווי משקל‬

‫ריכוז‬

‫‪N 2O 4‬‬

‫הגודל של קבוע שיווי המשקל של תגובה כימית נקבע בניסוי‪ .‬התגובה הנחקרת‬ ‫מתרחשת עד שריכוז התוצרים והמגיבים אינו משתנה ונשאר קבוע (איור ‪.)7.14‬‬ ‫הדבר עשוי לארוך שניות‪ ,‬דקות‪ ,‬שעות או אפילו חודשים ושנים‪ ,‬בהתאם לקצב‬ ‫התגובה‪ .‬או אז התערובת נבדקת לשם קביעת הריכוז של כל מגיב ותוצר‪ .‬הריכוזים‬ ‫הללו מוצבים בביטוי לקבוע שיווי המשקל‪ ,‬ועל פי זאת מתקבל קבוע שיווי המשקל‬ ‫עצמו‪ .‬הדוגמה שלהלן ממחישה את התהליך‪.‬‬

‫‪NO2‬‬

‫זמן‬

‫דוגמה ‪7.9‬‬

‫קטן במהירות בעוד‬ ‫איור ‪ 7.14‬עבור התגובה )‪ ,2NO2(g) € N2O4(g‬ריכוז המגיב (‪ֵ )NO2‬‬ ‫גדל‪ .‬בסופו של דבר הריכוזים של המגיב והתוצר הופכים קבועים כתלות בזמן‬ ‫הריכוז של ‪ֵ N2O4‬‬ ‫(האזור הסגול)‪ .‬הושג מצב של שיווי משקל‪.‬‬

‫חישוב קבוע שיווי משקל‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לכתוב ביטויים לקבועי שיווי‬

‫מימן יודי מוכנס לכלי קיבול אטום ומגיע לשיווי משקל‪ .‬תגובת שיווי המשקל היא‪:‬‬ ‫)‪2HI(g) € H2(g) + I2(g‬‬

‫הריכוזים בשיווי המשקל הם‪:‬‬

‫משקל ולהשתמש בביטויים על מנת‬ ‫לחשב את ערכם‪.‬‬

‫‪[HI] = 0.54 M‬‬ ‫‪[H2] = 1.72 M‬‬ ‫‪[I2] = 1.72 M‬‬

‫מהו קבוע שיווי המשקל?‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נכתוב את הביטוי לקבוע שיווי המשקל‪:‬‬

‫[ ‪]H 2 []I 2‬‬ ‫‪]HI[2‬‬

‫= ‪Keq‬‬

‫שלב ‪ .2‬נציב את ריכוזי שיווי המשקל של התוצרים והמגיבים ונקבל‬ ‫‪]1.72[]1.72[ 2.96‬‬ ‫=‬ ‫‪0.29‬‬ ‫‪]0.54[2‬‬

‫=‬ ‫‪Keq‬‬

‫(שתי ספרות ערך) ‪ 1.0 × 101‬או ‪= 10.1‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.9‬‬

‫במצב שיווי המשקל‪ ,‬כלי קיבול מכיל את התערובת שלהלן‪:‬‬

‫אם התגובה היא‪:‬‬ ‫מהו קבוע שיווי המשקל?‬

‫‪[NH3] = 0.25 M‬‬ ‫‪[N2] = 0.11 M‬‬ ‫‪[H2] = 1.91 M‬‬ ‫)‪N2(g) + 3H2(g) € 2NH3(g‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 7.82‬ו־‪7.84‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪269‬‬

‫שימוש בקבועי שיווי משקל‬ ‫ראינו שבכוחנו לחשב את קבוע שיווי המשקל של תגובה אם אנו יודעים את ריכוזי שיווי‬ ‫המשקל של כל המגיבים והתוצרים‪ .‬ברגע שאנו יודעים את קבוע שיווי המשקל אפשר‬ ‫להשתמש בו כדי לקבוע את ריכוזי שיווי המשקל של המגיבים והתוצרים במגוון מצבים‬ ‫שונים‪ .‬חישובים אלה יכולים להיות מורכבים למדי‪ .‬הבה נבחן מקרה פשוט אך שימושי‪ ,‬שבו‬ ‫אנו יודעים את ריכוז שיווי המשקל של המגיבים ומעוניינים לחשב את ריכוז התוצר‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 7.10‬שימוש בקבוע שיווי המשקל‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬לכתוב ביטויים לקבועי שיווי‬

‫נתייחס לתגובת שיווי המשקל שנחקרה בדוגמה ‪:7.9‬‬ ‫)‪2HI(g) € H2(g) + I2(g‬‬

‫משקל ולהשתמש בביטויים על מנת‬ ‫לחשב את ערכם‪.‬‬

‫דגימה של תערובת של ‪ HI, H2‬ו־‪ I2‬נמדדה במצב שיווי המשקל‪ ,‬ונמצא כי‬ ‫‪ [H2] = 1.0 × 10−2 M‬ו־‪ .[HI] = 4.0 × 10−2 M‬מהו הריכוז (במולר) של ‪ I2‬בתערובת שיווי המשקל?‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬על סמך דוגמה ‪ ,7.9‬אנו יודעים מהו הביטוי לקבוע שיווי המשקל ומהו ערכו‪:‬‬

‫‪; Keq = 1.0 × 101‬‬

‫[ ‪]H 2 []I 2‬‬ ‫‪]HI[2‬‬

‫= ‪Keq‬‬

‫שלב ‪ .2‬על מנת לפתור את ביטוי שיווי המשקל עבור ]‪ ,[I2‬ראשית נכפול את שני צדי המשוואה ב־‪:[HI]2‬‬ ‫‪[H2][I2] = Keq[HI]2‬‬

‫ואחר כך נחלק את שני הצדדים ב־]‪:[H2‬‬

‫‪Keq ]HI[2‬‬ ‫[ ‪]H 2‬‬

‫= [ ‪]I 2‬‬

‫שלב ‪ .3‬נציב את הערכים‪:‬‬ ‫‪Keq = 1.0 × 101‬‬ ‫‪[H2] = 1.0 × 10−2 M‬‬ ‫‪[HI] = 4.0 × 10−2 M‬‬

‫שלב ‪ .4‬נפתור‪:‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.10‬‬

‫‪]1.0 × 101 []4.0 × 10− 2 [2‬‬ ‫= [ ‪]I 2‬‬ ‫‪1.0 × 10− 2‬‬

‫‪[I2] = 1.6 M‬‬

‫בהינתן התגובה (לעיל)‪ ,‬מהו ]‪ [I2‬אם ]‪ [H2‬ו־]‪ [HI‬שניהם ‪?1.0 × 10−4 M‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 7.85‬ו־‪7.86‬‬

‫עקרון לה שטלייה‬ ‫הכימאי הצרפתי ֶלה שטליֶ ה (‪ )LeChatelier‬גילה במאה ה־‪ 19‬ששינויים בשיווי המשקל‬ ‫תלויים ב"עקה" (‪ )stress‬המופעלת על המערכת‪ .‬העקה יכולה להיות העלאה או הורדה של‬ ‫טמפרטורת המערכת במצב שיווי המשקל‪ ,‬שינוי בריכוז המגיבים או התוצרים המצויים בנפח‬ ‫קבוע‪ ,‬ועוד‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להשתמש בעקרון לה שטלייה‬

‫כדי לחזות שינויים במצב שיווי‬ ‫המשקל‪.‬‬

‫‪  270‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫עקרון לה שטלייה (‪ )LeChatelier's principle‬קובע כי כאשר מפעילים עקה על מערכת‬ ‫המצויה בשיווי משקל דינמי‪ ,‬שיווי המשקל נוטה להשתנות בדרך המפחיתה את השפעת‬ ‫העקה‪.‬‬ ‫נבחן את מצב שיווי המשקל שדנו בו מוקדם יותר‪:‬‬ ‫)‪N2(g) + 3H2(g) € 2NH3(g‬‬ ‫אם המגיבים והתוצרים מצויים בנפח קבוע‪ ,‬כגון ליטר אחד‪ ,‬ומוסיפים לכלי כמות של ‪NH3‬‬

‫שם‬

‫(התוצר)‪ ,‬עקה מופעלת על המערכת ושיווי המשקל מופר‪ .‬המערכת תנסה למזער את השפעת‬ ‫העקה באמצעות סילוק כמות גדולה ככל האפשר מהחומר שהתווסף‪ .‬כיצד היא יכולה לעשות‬ ‫זאת? באמצעות המרת חלק מכמות ה־‪ NH3‬ל־‪ H2‬ו־‪ .N2‬תוספת של מולקולות ‪ NH3‬מגבירה‬ ‫את מספר ההתנגשויות הפוריות ביניהן ובכך מגבירה את קצב התגובה ההפוכה‪ .‬מצב שיווי‬ ‫הוספה של תוצרים או מגיבים‬ ‫המשקל מוסט לשמאל‪ ,‬לכיוון המגיבים‪ ,‬ועד מהרה המערכת מגיעה לשיווי משקל דינמי חדש‪.‬‬ ‫עשויה להשפיע באופן מהותי על‬ ‫הוספה של ‪ H2‬או ‪ N2‬גם היא מפעילה עקה על מצב שיווי המשקל‪ .‬על מנת למזער את‬ ‫הרכב תערובת התגובה‪ ,‬אך היא‬ ‫אינה משפיעה על הערך של קבוע‬ ‫השפעת העקה‪ ,‬המערכת "תשתמש" בחלק מעודפי ‪ H2‬או ‪ N2‬על מנת לקבל את התוצר‪.NH3 ,‬‬ ‫שיווי המשקל‪.‬‬ ‫תוספת של מולקולות ‪ H2‬או ‪ N2‬מגבירה את מספר ההתנגשויות הפוריות בין מולקולות‬ ‫העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬ ‫‪20116‬המשקל יוסט לימין‪ ,‬לכיוון התוצרים‪.‬‬ ‫העבודה‪:‬הישירה‪ .‬שיווי‬ ‫מספר קצב התגובה‬ ‫המגיבים ובכך מגבירה את‬ ‫לסיכום‪,‬‬

‫איור ‪7-15‬‬

‫)‪N2(g) + 3H2(g) € 2NH3(g‬‬

‫כיוון ההסטה של שיווי המשקל‬

‫הוספת תוצר‪ :‬‬ ‫ ‬ ‫הוספת מגיב‪ :‬כיוון ההסטה של שיווי המשקל ‬ ‫מה יקרה אם מקצת ממולקולות האמוניה יסולקו מהמערכת? אובדן האמוניה מייצג‬ ‫עקה המופעלת על המערכת; על מנת למזער את השפעת העקה‪ ,‬מימן וחנקן יגיבו‬ ‫ויניבו אמוניה נוספת‪ .‬שיווי המשקל יוסט לימין‪.‬‬

‫השפעת הריכוז‬

‫)‪(3‬‬

‫)‪(1‬‬

‫)‪(2‬‬

‫איור ‪ 7.15‬השפעת הריכוז על‬ ‫שיווי המשקל של התגובה‪:‬‬ ‫)‪FeSCN2+(aq) € Fe3+(aq) + SCN−(aq‬‬

‫חסר צבע‬

‫צהוב‬

‫אדום‬

‫תמיסה (‪ )1‬מייצגת את התגובה‬ ‫במצב של שיווי משקל; הוספת‬ ‫‪ SCN−‬מסיטה את שיווי המשקל‬ ‫לכיוון המגיבים תוך חיזוק הצבע‬ ‫האדום (‪ .)2‬סילוק ‪ SCN−‬מסיט את‬ ‫שיווי המשקל לכיוון התוצרים‪ ,‬כפי‬ ‫שניכר מהיעלמות הצבע האדום (‪.)3‬‬

‫הוספה של תוצר או מגיב לנפח תגובה נתון היא פשוט דרך אחרת לומר שריכוז‬ ‫התוצר או המגיב גדל‪ .‬סילוק חומר מנפח קבוע פירושו שהריכוז קטן‪ .‬לפיכך‪ ,‬שינוי‬ ‫הריכוז של מרכיב אחד או יותר בתערובת התגובה המצויה בשיווי משקל הוא דרך‬ ‫לשנות את הרכב שיווי המשקל של התערובת (איור ‪ .)7.15‬הבה נבחן כמה משתנים ניסיוניים‬ ‫אחרים שעשויים לשנות את הרכב שיווי המשקל‪.‬‬

‫השפעת הטמפרטורה‬

‫השינוי בהרכב שיווי המשקל שנגרם עקב העלאה או הורדה של הטמפרטורה של תערובת‬ ‫בשיווי משקל מוסבר באמצעות התייחסות לאנרגיית חום כאל תוצר או כאל מגיב‪ .‬התגובה‬ ‫של חנקן ומימן היא תגובה אקסותרמית‪:‬‬ ‫‪N2(g) + 3H2(g) € 2NH3(g) + 22 kcal‬‬

‫הוספת חום באמצעות העלאת הטמפרטורה משולה להגדלת כמות התוצר‪ .‬שיווי המשקל‬ ‫יוסט לכיוון המגיבים‪ ,‬תוך הגדלת כמויות ‪ N2‬ו־‪ H2‬והקטנת כמות ה־‪ .NH3‬אם התגובה‬ ‫מתרחשת בנפח קבוע‪ ,‬הריכוזים של ‪ N2‬ו־‪ H2‬יגדלו והריכוז של ‪ NH3‬יקטן‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪271‬‬

‫סילוק חום באמצעות הורדת הטמפרטורה מחולל השפעה הפוכה‪ :‬אמוניה נוספת תיווצר‬ ‫מ־‪ N2‬ו־‪ ,H2‬וריכוזי המגיבים יקטנו‪.‬‬ ‫במקרה של תגובה אנדותרמית‪ ,‬כגון‬ ‫)‪39 kcal + 2N2(g) + O2(g) € 2N2O(g‬‬

‫הוספה של חום משולה להוספה של מגיב‪ ,‬ושיווי המשקל יוסט לכיוון התוצרים‪ .‬סילוק של‬ ‫חום יסיט את התגובה לכיוון המגיבים‪.‬‬ ‫ההשפעה הדרמטית של שינוי בטמפרטורה על שיווי המשקל מומחשת באיור ‪.7.16‬‬

‫השפעת הלחץ‬

‫שינויים בלחץ משפיעים באופן משמעותי רק על גזים‪ ,‬משום שגזים מתפשטים ונדחסים‬ ‫בהתאם לחוק בויל‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬נוזלים ומוצקים הם בלתי דחיסים‪ ,‬ולכן השפעת הלחץ על‬ ‫הנפח שלהם זניחה‪.‬‬ ‫לפיכך‪ ,‬שינויים בלחץ ישפיעו על הרכב שיווי המשקל רק בתגובות שהתוצרים ו‪/‬או‬ ‫המגיבים שלהן כוללים גז או כמה גזים‪ .‬הבה נבחן שוב את הדוגמה של סינתזת אמוניה‪,‬‬ ‫)‪N2(g) + 3H2(g) € 2NH3(g‬‬

‫מול אחד של ‪ N2‬ושלושה מולים של ‪( H2‬בסך הכול ‪ 4 mol‬של מגיבים) יוצרים שני מולים‬ ‫של ‪ 2 mol( NH3‬של תוצרים)‪ .‬תערובת שיווי המשקל (אולי ב־‪ )25ºC‬מכילה ‪ H2 ,N2‬ו־‪.NH3‬‬ ‫הגדלת הלחץ תפר את מצב שיווי המשקל‪ .‬על מנת למזער את השפעת הלחץ המערכת תוסט‬ ‫קטן הלחץ‪.‬‬ ‫קטן‪ ,‬כך ֵ‬ ‫לעבר הכיוון שמספר המולים של הגז בו קטן יותר‪ .‬ככל שמספר המולים ֵ‬ ‫בדוגמה הזאת‪ ,‬הגדלת הלחץ תסיט את שיווי המשקל לכיוון התוצרים‪ ,‬תוך ייצור ‪ NH3‬על‬ ‫חשבון ‪ N2‬ו־‪.H2‬‬ ‫הקטנת הלחץ תיענה בהסטת התגובה לצד שמכיל יותר מולים של גז‪ ,‬משום שהלחץ‬ ‫גדל‬ ‫גדל‪ ,‬כך ֵ‬ ‫החדש נמוך יותר מלחץ שיווי המשקל המקורי‪ .‬ככל שמספר המולים של הגז ֵ‬ ‫הלחץ‪ .‬לפיכך‪ ,‬בתגובת שיווי המשקל של אמוניה‪ ,‬הקטנת הלחץ תגרום למצב שיווי המשקל‬ ‫לסטות לכיוון המגיבים‪ ,‬ואמוניה תתפרק ותהפוך לחנקן ומימן‪.‬‬ ‫לעומת זאת‪ ,‬בתגובת הפירוק של מימן יודי‪,‬‬ ‫)‪2HI(g) € H2(g) + I2(g‬‬

‫לשינוי בלחץ אין כל השפעה‪ .‬מספר המולים של התוצרים הגזיים זהה למספר המולים של‬ ‫המגיב הגזי‪ .‬הסטה של שיווי המשקל לא תביא לכל רווח‪.‬‬ ‫לסיכום‪:‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫לחץ משפיע על הרכב שיווי המשקל רק בתגובות שכוללות לפחות חומר גזי אחד‪.‬‬ ‫נוסף לכך‪ ,‬חייב להיות הבדל במספר המולים של התוצרים והמגיבים הגזיים‪.‬‬ ‫הרכב שיווי המשקל יוסט באופן שיגדיל את מספר המולים של הגז כשהלחץ קטן‪ ,‬ובאופן‬ ‫שיקטין את מספר המולים של הגז כשהלחץ גדל‪.‬‬

‫השפעה של זרז‬

‫לזרז אין כל השפעה על הרכב שיווי המשקל‪ .‬זרז מגדיל במידה שווה את קצב התגובה‬ ‫הישירה ואת קצב התגובה ההפוכה‪ .‬הרכב שיווי המשקל וריכוז שיווי המשקל אינם משתנים‬

‫איור ‪ 7.16‬ההשפעה של שינוי‬ ‫בטמפרטורה על שיווי המשקל‪ .‬עבור‬ ‫התגובה‪:‬‬ ‫€ )‪CoCl42−(aq) + 6H2O(l‬‬ ‫)‪Co(H2O)62+(aq) + 4Cl−(aq‬‬

‫ ‬ ‫ורוד‬

‫כחול‬

‫חימום התמיסה יוצר העדפה לצורון‬ ‫הכחול ‪ ;CoCl42−‬קירור יוצר העדפה‬ ‫לצורון הוורוד ‪.Co(H2O)62+‬‬ ‫התפשטות ודחיסה של גזים וחוק‬ ‫בויל נידונים בסעיף ‪.5.1‬‬ ‫התהליך התעשייתי להכנת אמוניה‪,‬‬ ‫האבּר‪ ,‬מתבצע בלחצים של‬ ‫ֵ‬ ‫תהליך‬ ‫כמה מאות אטמוספרות (‪ )atm‬על‬ ‫מנת לשפר את הניצולת‪.‬‬

‫‪  272‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫עקב השימוש בזרז‪ ,‬אבל הרכב שיווי המשקל מתקבל בזמן קצר יותר‪ .‬התפקיד של זרז בפאזת‬ ‫המוצק בתהליך הסינתזה של אמוניה מומחש באיור ‪.7.12‬‬

‫דוגמה ‪ 7.11‬חיזוי שינויים בהרכב שיווי המשקל‬ ‫בחלק קודם של סעיף זה בחנו את התגובה החשובה מבחינה גיאולוגית שמתרחשת בסלעים‬ ‫ובקרקע‪:‬‬ ‫)‪4.67 kcal + Ca2+(aq) + 2HCO3−(aq) € CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬להשתמש בעקרון לה שטלייה‬

‫כדי לחזות שינויים במצב שיווי‬ ‫המשקל‪.‬‬

‫מה תהיה השפעתם של השינויים שלהלן על הרכב שיווי המשקל‪:‬‬ ‫א ‪.‬‬ ‫ב‪ .‬‬ ‫ג‪ .‬‬ ‫ד‪ .‬‬ ‫ה‪ .‬‬

‫הגדלת הריכוז של ‪ Ca2+‬עקב הוספה של ‪.CaCl2‬‬ ‫סילוק כמות של ‪ CaCO3‬מוצק מהתערובת‪.‬‬ ‫הקטנת הריכוז של ‪.HCO3−‬‬ ‫הגדלת טמפרטורת המערכת‪.‬‬ ‫הוספת זרז‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫א‪ .‬הוספה של יוני ‪ Ca2+‬תגרום לשיווי המשקל לסטות לכיוון התוצרים‪.‬‬ ‫ב‪ .‬משום ש־‪ CaCO3‬הוא בפאזת המוצק‪ ,‬הוספה או סילוק שלו לא ישפיעו על הרכב שיווי המשקל‪.‬‬ ‫ג‪ .‬אם מסלקים מהמערכת )‪ ,HCO3−(aq‬מצב שיווי המשקל יוסט לכיוון המגיבים‪.‬‬ ‫ד‪ .‬התגובה אנדותרמית‪ .‬הוספת חום באמצעות העלאת הטמפרטורה תסיט את שיווי המשקל לכיוון התוצרים‪.‬‬ ‫ה‪ .‬להוספת הזרז אין כל השפעה על הרכב שיווי המשקל‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪7.11‬‬

‫התגובה‬

‫)‪382 cal + Pb(s) + 2H+(aq) € Pb2+(aq) + H2(g‬‬

‫מתבצעת בלחץ קבוע‪ .‬האם נפח גז המימן יגדל‪ ,‬יקטן או יישאר כשהיה בעקבות כל אחד מהשינויים שלהלן‪:‬‬ ‫א ‪.‬‬ ‫ב‪ .‬‬ ‫ג‪ .‬‬ ‫ד‪ .‬‬ ‫ה‪ .‬‬

‫הוספה של )‪.Pb(s‬‬ ‫הוספה של יוני ‪ Pb2+‬באמצעות הוספה של ‪ Pb(NO3)2‬לתמיסה‪.‬‬ ‫סילוק של יוני ‪.H+‬‬ ‫הורדת הטמפרטורה‪.‬‬ ‫הוספת זרז‪.‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 7.87‬ו־‪7.88‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪273‬‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫מולקולה יוצאת מן הכלל‬ ‫חשבו לרגע‪ .‬מהי התרכובת השכיחה היחידה שמצויה על כדור‬ ‫הארץ בכל שלושת המצבים הפיזיקליים של החומר (מוצק‪ ,‬נוזל‬ ‫וגז) בתנאים טבעיים? התרכובת הזו חיונית לחיים; למעשה‪,‬‬ ‫החיים כנראה נוצרו בחומר הזה‪ .‬זוהי התרכובת השכיחה ביותר‬ ‫בתאים של יצורים חיים (‪ )70-95%‬ומכסה ‪ 75%‬מפני כדור‬ ‫הארץ‪ .‬בלעדיה תאים מתים במהירות‪ ,‬ובלעדיה כדור הארץ‬ ‫לא יהיה סביבה המתאימה לחיים‪ .‬סביר להניח שכבר ניחשתם‬ ‫שמדובר במים‪ .‬המים מצויים בשפע כה רב עלי אדמות עד‬ ‫שאנחנו מתייחסים למולקולות הפשוטות כביכול שלהם כמובן‬ ‫מאליו‪.‬‬ ‫בסיום הדיון שלנו בתרמודינמיקה‪ ,‬קינטיקה ושיווי משקל‪,‬‬ ‫טוב נעשה אם נביט שוב במים ובתכונות הייחודיות שלהם‪.‬‬ ‫כמויות עצומות של מים מומרות בסביבה ללא הרף ממצבי‬ ‫המוצק לנוזל ולגז‪ ,‬ולהפך; שינויי אנרגיה גדולים לא פחות‬ ‫(אחסון ושחרור) חיוניים לתהליכים הללו‪ .‬הרי זו תרמודינמיקה‬ ‫בפעולה! אחת הדוגמאות הטובות ביותר לשיווי משקל פיזיקלי‬ ‫היא השינוי במצב הצבירה (אדים € נוזל € קרח)‪.‬‬ ‫תהליך שיווי המשקל הזה יכול להשפיע מהותית על מזג האוויר‪,‬‬ ‫כפי שנראה להלן‪.‬‬ ‫החיים יכולים להתקיים אך ורק בתחום צר של טמפרטורות‪.‬‬ ‫מעל ומתחת לתחום הזה התגובות הכימיות ההכרחיות לחיים‪,‬‬ ‫ומכאן החיים עצמם‪ ,‬ייפסקו‪ .‬מים יכולים למתן תנודות‬ ‫טמפרטורה ולשמר את התחום ההכרחי לחיים‪ ,‬ואחת התכונות‬ ‫שמאפשרות זאת היא קיבול החום הסגולי הגבוה במיוחד‬ ‫של המים‪ .1 cal/g ºC ,‬פירוש הדבר שמים יכולים לקלוט או‬ ‫לאבד יותר חום מהרבה חומרים אחרים ללא כל שינוי ניכר‬ ‫בטמפרטורה‪ .‬הסיבה לכך היא שבמצב הנוזלי‪ ,‬כל מולקולת‬ ‫מים קשורה בקשרי מימן למולקולות מים אחרות‪ .‬משום‬ ‫שעליה בטמפרטורה אינה אלא אמת מידה לעלייה בתנועת‬ ‫המולקולות (כלומר במהירותן)‪ ,‬עלינו לגרום למולקולות המים‬ ‫לנוע מהר יותר‪ ,‬באופן בלתי תלוי זו מזו‪ ,‬על מנת לקבל עלייה‬ ‫בטמפרטורה‪ .‬כדי להשיג את הפעילות העצמאית המוגברת‬ ‫הזו יש לשבור את קשרי המימן בין המולקולות‪ .‬חלק גדול‬ ‫מאנרגיית החום שהמים קולטים מופנה לשבירת קשרי המימן‬ ‫ואינו משמש להאצת התנועה המולקולרית‪ .‬לפיכך יש צורך‬ ‫בכמות גדולה של חום על מנת להעלות את טמפרטורת המים‬ ‫אפילו במידה קלה‪.‬‬ ‫נוסף לכך‪ ,‬חום האידוי של המים גבוה מאוד‪ .‬יש צורך ב־‪540‬‬ ‫קלוריות על מנת להפוך ‪ 1‬גרם של מים נוזליים ב־‪ 100ºC‬לגז‪,‬‬ ‫ואפילו יותר מכך‪ 603 ,‬קלוריות‪ ,‬כאשר המים בטמפרטורה של‬ ‫‪ ,37ºC‬שהיא טמפרטורת הגוף האנושי‪ .‬מדובר בכפליים חום‬ ‫האידוי של אתאנול‪ ,‬לערך‪ .‬בזמן שמולקולות מים מתאדות‪,‬‬

‫גם היופי הוא תכונה של המים‪.‬‬

‫פני השטח של הנוזל מתקררים משום שרק המולקולות בעלות‬ ‫האנרגיה הגבוהה ביותר עוזבות כגז‪ .‬רק למולקולות אלה‬ ‫יש אנרגיה מספקת לשבור את קשרי המימן שכובלים אותן‬ ‫למולקולות מים אחרות‪ .‬למעשה‪ ,‬אידוי מים מפני השטח של‬ ‫אגמים ואוקיינוסים מסייע לשמור על יציבות הטמפרטורות‬ ‫בגופי המים הללו‪ .‬בדומה‪ ,‬אידוי לחות מפני הגוף מסייע למנוע‬ ‫התחממות יתר ביום חם או בזמן פעילות גופנית מאומצת‪.‬‬ ‫גם תהליך הקיפאון מסייע לייצב ולמתן טמפרטורות‪,‬‬ ‫ובמיוחד בסתיו‪ .‬מים משחררים חום כשקשרי המימן נוצרים‪.‬‬ ‫זו דוגמה לתהליך אקסותרמי‪ .‬כשמים קופאים והופכים לקרח‬ ‫נוצרים קשרי מימן נוספים‪ ,‬ואנרגיה משתחררת לסביבה בצורת‬ ‫חום‪ .‬עקב כך‪ ,‬שינויי הטמפרטורה במעבר בין הקיץ והחורף‬ ‫הדרגתיים יותר‪ ,‬ומאפשרים לאורגניזמים להסתגל לשינוי‪.‬‬ ‫מאפיין אחרון שאנו לוקחים כמובן מאליו הוא העובדה‬ ‫שכשאנו מכניסים קרח לתה הקר שלנו ביום קיץ חם‪ ,‬הקרח‬ ‫צף‪ .‬פירוש הדבר שהמצב המוצק של המים צפוף פחות מהמצב‬ ‫הנוזלי! למעשה‪ ,‬צפיפותו נמוכה בכ־‪ ,10%‬שכן לקרח מבנה‬ ‫של סריג פתוח שבו כל מולקולה קשורה בקשרי מימן לארבע‬ ‫מולקולות מים אחרות לכל היותר‪ .‬מה היה קורה אילו הקרח היה‬ ‫שוקע? כל גופי המים‪ ,‬כולל האוקיינוסים הכבירים‪ ,‬היו קופאים‬ ‫לגמרי בסופו של דבר‪ ,‬והורגים את כל הצמחים ובעלי החיים‬ ‫הימיים‪ .‬אפילו בשיא הקיץ‪ ,‬רק סנטימטרים ספורים של קרח על‬ ‫פני השטח היו מפשירים‪ .‬במקום זאת‪ ,‬הקרח מתהווה על פני‬ ‫השטח ומספק שכבת בידוד שמונעת מהמים לקפוא מתחתיו‪.‬‬ ‫בעודנו ממשיכים בחקר עולם הכימיה נתייחס שוב ושוב‬ ‫לתרכובת המדהימה הזו‪ .‬במסגרות נוספות של "נקודת מבט‬ ‫אנושית" נבחן תכונות אחרות של מים שהופכים אותם מרכיב‬ ‫חיוני לחיים‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ מדוע חום האידוי הגבוה של המים חשוב לגופנו?‬ ‫ ‬ ‫@ מדוע קריר יותר בשפת הים מאשר במדבר במרוצת הקיץ?‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫‪  274‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫איור בעמ' ‪256‬‬

‫מפת הפרק‬ ‫עקרון‬ ‫לה שטלייה‬

‫חישובי‬ ‫שיווי משקל‬

‫קבוע‬ ‫שיווי המשקל‬

‫שינוי מצב צבירה‬

‫שיווי משקל‬ ‫כימי‬

‫שיווי משקל‬ ‫פיזיקלי‬

‫שיווי משקל‬

‫שינוי כימי‬

‫קינטיקה‬

‫תרמודינמיקה‬

‫אנרגיית השפעול‬

‫קצב‬

‫הקומפלקס‬ ‫המשופעל‬

‫גורמים המשפיעים‬ ‫על הקצב‬ ‫• חוזק הקשרים הכימיים‬ ‫• מבנה מרחבי‬ ‫• ריכוז המגיבים‬ ‫• טמפרטורה‬ ‫• מצב הצבירה של המגיבים‬ ‫• נוכחות זרז‬

‫שינוי פיזיקלי‬

‫התגובה הכימית‬ ‫ואנרגיה‬ ‫החוק השני‬ ‫אנרגיה חופשית‬ ‫ספונטניות‬ ‫של תגובה‬

‫החוק הראשון‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫מ ש ק ל   ‪275‬‬

‫סיכום‬ ‫‪ 7.1‬תרמודינמיקה‬ ‫@ תרמודינמיקה עוסקת בחקר של אנרגיה‪ ,‬עבודה וחום‪,‬‬ ‫ובכוחה לחזות ספונטניות של שינויים כימיים‪.‬‬ ‫@ אפשר ליישם את חוקי התרמודינמיקה לחקר תגובות‬ ‫כימיות משום שבכוחנו לקבוע את כמות החום העוברת‬ ‫(באמצעות מדידת שינויי טמפרטורה) בין המערכת‬ ‫והסביבה‪.‬‬ ‫@ תגובות אקסותרמיות משחררות אנרגיה ומניבות תוצרים‬ ‫שהאנרגיה שלהם נמוכה מזו של המגיבים‪.‬‬ ‫@ תגובות אנדותרמיות מצריכות הוספה של אנרגיה ומניבות‬ ‫תוצרים שהאנרגיה שלהם גבוהה מזו של המגיבים‪.‬‬ ‫@ אנרגיית חום מיוצגת בתור אנתלפיה‪.H ,‬‬ ‫@ רווח או אובדן של אנרגיה במהלך תגובה כימית מיוצגים‬ ‫על ידי השינוי באנתלפיה‪ ,ΔH ,‬שהוא גורם שימושי בחיזוי‬ ‫ספונטניות התגובה‪.‬‬ ‫@ אנטרופיה‪ ,S ,‬היא מדד לאקראיות של מערכת‪ .‬מערכת‬ ‫אקראית או חסרת סדר מאופיינת באנטרופיה גבוהה;‬ ‫מערכת בעלת סדר גבוה מאופיינת באנטרופיה נמוכה‪.‬‬ ‫השינוי באנטרופיה בתגובה כימית‪ ,ΔS ,‬משמש אף הוא‬ ‫לחיזוי הספונטניות של התגובה‪.‬‬ ‫@ אנרגיה חופשית‪ ,ΔG ,‬משלבת את שני הגורמים –‬ ‫אנתלפיה ואנטרופיה‪ ,‬והיא הגורם המנבא באופן מכריע‬ ‫את הספונטניות של תגובה כימית‪.‬‬ ‫‪ 7.2‬קביעה ניסיונית של השינוי באנרגיה במהלך תגובה‬ ‫@ קלורימטר מודד את שינוי החום (ב־‪ cal‬או ב־‪ )J‬במהלך‬ ‫תגובה כימית‪.‬‬ ‫@ החום הסגולי של חומר הוא החום הנדרש (בקלוריות) כדי‬ ‫להעלות את הטמפרטורה של ‪ 1 g‬של חומר ב־‪.1ºC‬‬ ‫@ כמות האנרגיה המצויה ב־‪ g‬של מזון מכונה הערך הקלורי‬ ‫של המזון‪ .‬ערכים קלוריים מדווחים לרוב ביחידות קלוריה‬ ‫תזונתית (קלוריה תזונתית אחת = ‪ .)1 kcal‬קלורימטר‬ ‫פצצה משמש למדידת הערך הקלורי של מזונות‪.‬‬ ‫‪ 7.3‬קינטיקה‬ ‫@ קינטיקה כימית עוסקת בחקר הקצב או המהירות של תגובה‬ ‫כימית‪ .‬האנרגיה הדרושה להתרחשות התגובה מסופקת על‬ ‫ידי התנגשויות מולקולריות‪ .‬אם האנרגיה מספקת הקשרים‬ ‫יכולים להתפרק‪ ,‬ואטומים עשויים להתרכב בסידור אחר‬ ‫ולהניב תוצר‪ .‬התנגשות המניבה מולקולה אחת או יותר‬ ‫של תוצר מכונה התנגשות פורייה‪.‬‬ ‫@ כמות האנרגיה המזערית הדרושה להתרחשות תגובה‬ ‫מכונה אנרגיית השפעול‪ .‬התגובה מתקדמת מהמגיבים‬ ‫לתוצרים דרך מצב מעבר‪ ,‬הנקרא גם הקומפלקס המשופעל‪.‬‬

‫@ התנאים הניסיוניים המשפיעים על קצב התגובה הם מבנה‬ ‫הצורונים המגיבים‪ ,‬ריכוז המגיבים‪ ,‬טמפרטורת המגיבים‪,‬‬ ‫מצב הצבירה של המגיבים ונוכחותו או היעדרו של זרז‪.‬‬ ‫@ זרז מגביר את קצב התגובה‪ .‬הזרז אינו עובר כל שינוי נטו‬ ‫במסגרת התגובה וגם אינו משפיע על תוצאת התגובה‪.‬‬ ‫@ קצב התגובה מתואר כך‪ :‬ריכוז המגיבים מועלה בחזקה‪,‬‬ ‫שהיא סדר התגובה‪ .‬גודל זה מוכפל בקבוע קצב‪ .‬התוצאה‬ ‫היא חוק קצב‪.‬‬ ‫‪ 7.4‬שיווי משקל‬ ‫@ בתגובות כימיות רבות אין המרה מלאה של המגיבים‬ ‫לתוצרים‪ .‬בסוף התגובה נותרת תערובת של תוצרים‬ ‫ומגיבים בעלת הרכב קבוע כל עוד אין שינוי בתנאי הניסוי‪.‬‬ ‫מצב זה של התערובת מכונה שיווי משקל כימי והתגובה‬ ‫היא הפיכה‪ .‬שיווי המשקל מאופיין על ידי קבוע שיווי‬ ‫המשקל‪ .‬התגובה מתרחשת ללא הפסקה (היא דינמית)‪,‬‬ ‫אבל ריכוזי התוצרים והמגיבים קבועים (שיווי משקל)‬ ‫משום שקצב התגובה הישירה זהה לקצב התגובה ההפוכה‪.‬‬ ‫זהו שיווי משקל דינמי‪.‬‬ ‫@ עקרון לה שטלייה קובע שכאשר מפעילים עקה על מערכת‬ ‫הנמצאת בשיווי משקל‪ ,‬המערכת תגיב בשינוי שיווי‬ ‫המשקל באופן שימזער את השפעת העקה‪.‬‬

‫תשובות לשאלות‬ ‫"בחנו את עצמכם"‬

‫‪ 7.1‬‬

‫ ‬

‫‪7 .2‬‬ ‫‪ 7.3‬‬ ‫‪ 7.4‬‬ ‫‪ 7.5‬‬ ‫‪ 7.6‬‬

‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.7‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.8‬‬ ‫ ‬

‫א‪ .‬אקסותרמית‬ ‫ב‪ .‬אקסותרמית‬ ‫‪ ΔG‬תלוי בטמפרטורה‬

‫‪13ºC‬‬ ‫‪−8.8ºC‬‬ ‫‪ 3.0‬קלוריות תזונתיות ב־‪ 1.0‬גרם של חטיף‪ ,‬וכן‬ ‫‪ 2.1 × 102‬קלוריות תזונתיות בחטיף כולו‪.‬‬ ‫א‪ = k[N2]n[O2]n' .‬קצב‬

‫ב ‪ = k[C4H6 .‬קצב‬ ‫ג‪ = k[CH4]n[O2]n' .‬קצב‬ ‫ד‪ = k[NO2]n .‬קצב‬ ‫‪]n‬‬

‫‪]N 2 []O2 [2‬‬ ‫א‪ .‬‬ ‫‪]NO2 [2‬‬

‫= ‪Keq‬‬

‫ב‪Keq = [H2]2[O2] .‬‬

‫א ‪.‬‬ ‫ב‪Keq = [PCl3][Cl2] .‬‬ ‫]‪[Ag+][Cl−‬‬

‫= ‪Keq‬‬

‫‪  276‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 7.9‬‬ ‫‪7 .10‬‬ ‫‪ 7.11‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫‪Keq = 8.2 × 10−2‬‬ ‫‪1 × 10−3 M‬‬ ‫א‪ .‬להוספה של )‪ Pb(s‬לא תהיה כל השפעה על נפח‬

‫גז המימן‪ .‬זאת משום שהחומר מוצק‪ ,‬והוספה של‬ ‫מוצק אינה משפיעה על הרכב שיווי המשקל‪.‬‬ ‫ב‪ .‬הוספה של )‪ Pb2+(aq‬תביא לירידה בנפח של גז‬ ‫המימן‪.‬‬ ‫ג‪ .‬סילוק של ‪ H+‬יביא לירידה בנפח של גז המימן‪.‬‬ ‫ד‪ .‬הורדת הטמפרטורה תביא לירידה בנפח של גז‬ ‫המימן‪.‬‬ ‫ה‪ .‬להוספה של זרז לא תהיה השפעה על נפח גז המימן‪.‬‬

‫שאלות ובעיות‬

‫תרמודינמיקה‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 7.19‬מהן יחידות האנרגיה השכיחות ביותר בכימיה?‬ ‫‪ 7.20‬מהי יחידת האנרגיה המצויה בשימוש שכיח במדעי‬ ‫התזונה?‬ ‫‪ 7.21‬מהי תגובה אקסותרמית?‬ ‫‪ 7.22‬מהי תגובה אנדותרמית?‬ ‫‪ 7.23‬חמצון של דלקים (פחם‪ ,‬נפט‪ ,‬גז) הוא תגובה‬ ‫אקסותרמית‪ .‬מדוע?‬ ‫‪ 7.24‬הסבירו מדוע רוב תגובות הפירוק הן אנדותרמיות‪,‬‬ ‫אבל רוב תגובות ההרכבה הן אקסותרמיות‪.‬‬ ‫‪ 7.25‬תארו כיצד משתמשים בקלורימטר כדי להבדיל בין‬ ‫תגובות אקסותרמיות ואנדותרמיות‪.‬‬ ‫‪ 7.26‬הכינו תרשים של קלורימטר "כוס קפה"‪.‬‬ ‫‪ 7.27‬מדוע לכלי הקיבול של קלורימטר יש "דופן כפולה"?‬ ‫‪ 7.28‬מדוע הערך הקלורי של מזונות הוא גורם חשוב במדעי‬ ‫התזונה?‬ ‫‪ 7.29‬מהי אנרגיה חופשית?‬ ‫‪ 7.30‬מהו קיבול חום סגולי?‬ ‫‪ 7.31‬נסחו את החוק הראשון של התרמודינמיקה‪.‬‬ ‫‪ 7.32‬נסחו את החוק השני של התרמודינמיקה‪.‬‬ ‫‪ 7.33‬מהי אנתלפיה?‬ ‫‪ 7.34‬מהי אנטרופיה?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 7.35‬דגימת אוקטן שמסתה ‪ 5 g‬נשרפת בקלורימטר פצצה‬ ‫המכיל ‪ 2.00 × 102 g‬של ‪ .H2O‬מהי כמות האנרגיה‬ ‫המשתחררת‪ ,‬ב־‪ ,cal‬אם טמפרטורת המים עלתה‬ ‫ב־‪?6.00ºC‬‬ ‫‪ 7.36‬דגימת מזון בכמות ‪ 0.0500 mol‬נשרפת בקלורימטר‬ ‫פצצה המכיל ‪ 2.00 × 102 g‬של ‪ .H2O‬אם מסת הנוסחה‬ ‫של המזון היא ‪ ,114 g/mol‬וטמפרטורת המים עלתה‬

‫‪ 7.37‬‬ ‫‪ 7.38‬‬ ‫‪ 7.39‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.40‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.41‬‬ ‫‪ 7.42‬‬ ‫‪ 7.43‬‬ ‫‪ 7.44‬‬

‫ב־‪ ,5.70ºC‬מהו הערך הקלורי של המזון (בקלוריות‬ ‫תזונתיות)?‬ ‫כמה אנרגיה משתחררת בשאלה ‪ ,7.35‬ב־‪( J‬השתמשו‬ ‫בגורמי המרה‪ ,‬פרק ‪?)1‬‬ ‫מהו הערך הקלורי‪ ,‬בקילוג'אול (‪ ,)kJ‬בשאלה ‪7.36‬‬ ‫(השתמשו בגורמי המרה‪ ,‬פרק ‪?)1‬‬ ‫האם התהליכים שלהלן מגדילים או מקטינים את‬ ‫האנטרופיה? מדוע?‬ ‫א‪ .‬התכה של מתכת מוצקה‬ ‫ב‪ .‬הרתחת מים‬ ‫האם התהליכים שלהלן מגדילים או מקטינים את‬ ‫האנטרופיה? מדוע?‬ ‫א‪ .‬שרפת בול עץ באח‬ ‫ב‪ .‬עיבוי אדי מים על משטח קר‬ ‫האם תגובה שבה ‪ ΔH‬שלילי ו־‪ ΔS‬חיובי תהיה‬ ‫ספונטנית‪ ,‬לא־ספונטנית או תלויה בטמפרטורה?‬ ‫הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫האם תגובה שבה ‪ ΔH‬שלילי ו־‪ ΔS‬שלילי תהיה‬ ‫ספונטנית‪ ,‬לא־ספונטנית או תלויה בטמפרטורה?‬ ‫הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫איזופרופאנול יוצר תחושה של קור כשמורחים אותו‬ ‫על העור‪ .‬מדוע?‬ ‫על מנת לפרק קשרים כימיים במהלך תגובה נדרשת‬ ‫אנרגיה‪ .‬מתי אנרגיה משתחררת?‬

‫קינטיקה‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 7.45‬תנו דוגמה לתגובה אטית מאוד‪ ,‬כזו שלהשלמתה‬ ‫דרושים ימים‪ ,‬שבועות או שנים‪.‬‬ ‫‪ 7.46‬תנו דוגמה לתגובה מהירה מאוד‪ ,‬אולי כזו המהירה‬ ‫מהרף עין‪.‬‬ ‫‪ 7.47‬הגדירו את המונח קומפלקס משופעל והסבירו את‬ ‫חשיבותו בתגובה כימית‪.‬‬ ‫‪ 7.48‬הגדירו והסבירו את המונח אנרגיית השפעול בכל‬ ‫האמור בתגובות כימיות‪.‬‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 7.49‬הבדילו בין המונחים קצב‪ ,‬קבוע קצב וסדר תגובה‪.‬‬ ‫‪ 7.50‬מהו חוק הקצב של התגובה‪:‬‬ ‫)‪CH4(g) + 2O2(g) → 2H2O(l) + CO2(g‬‬

‫אם הסדר של כל המגיבים הוא אחד?‬ ‫ ‬ ‫‪ 7 .51‬האם קצב התגובה בשאלה ‪ 7.50‬יגדל‪ ,‬יקטן או יישאר‬ ‫כשהיה אם קבוע הקצב יוכפל?‬ ‫‪ 7.52‬האם קצב התגובה בשאלה ‪ 7.50‬יגדל‪ ,‬יקטן או יישאר‬ ‫כשהיה אם ריכוז המתאן יגדל?‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫‪ 7-67‬א'‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫‪7 .53‬‬ ‫‪ 7.54‬‬ ‫‪ 7.55‬‬ ‫‪ 7.56‬‬ ‫‪ 7.57‬‬

‫מהם המאפיינים הכלליים של זרז?‬ ‫מהו תפקידו של ממיר קטליטי בצינור הפליטה של‬ ‫רכב?‬ ‫שרטטו תרשים של אנתלפיית התגובה אשר ממחיש‬ ‫אקסותרמית‪ .‬שם‬ ‫בורלא‬ ‫רוניתתגובה‬ ‫ביצוע‪ :‬זרז על‬ ‫את השפעת נוכחות‬ ‫שרטטו תרשים של אנתלפיית התגובה אשר ממחיש‬ ‫את השפעת נוכחות הזרז על תגובה אנדותרמית‪.‬‬ ‫עבור שיווי המשקל‬ ‫)‪2I(g) € I2(g‬‬

‫ ‬

‫חוק הקצב הוא‪:‬‬

‫‪k[I]2‬‬

‫‪P‬‬

‫‪=A‬‬ ‫‪=B‬‬

‫העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬

‫את המערכת לאחר שמושג בה שיווי משקל חדש?‬

‫= קצב‬

‫'‪P‬‬

‫'‪P‬‬

‫'‪P‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬

‫)‪2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g‬‬

‫ ‬

‫מספר העבוד‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫‪ .7-67‬ב'‬ ‫איזה מהתרשימים שלהלן מייצג‬ ‫הלחץ מועלה ל־'‪P‬‬

‫ ‬

‫כאשר הטמפרטורה היא ‪ ,23ºC‬ו־‪.k = 7.0 × 109 M−1 s−1‬‬ ‫ ‬ ‫כיצד תשפיע הכפלת [‪ ]I‬על הקצב?‬ ‫‪ 7.58‬עבור התגובהביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫מ ש ק ל   ‪277‬‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫)‪(2‬‬ ‫‪7-68‬‬

‫חוק הקצב הוא‪:‬‬

‫]‪ = k[H2O2‬קצב‬

‫)‪(3‬‬

‫כאשר הטמפרטורה היא ‪ ,25ºC‬ו־‪.k = 3.1 × 10−3 s−1‬‬ ‫ ‬ ‫כיצד תשפיע הכפלת ]‪ [H2O2‬על הקצב?‬ ‫‪ 7 .59‬כיצד עלייה בריכוז המגיבים מגבירה את קצב התגובה?‬ ‫הסבירו‪.‬‬ ‫‪ 7.60‬כיצד עלייה בטמפרטורת המגיבים מגבירה את קצב‬ ‫התגובה? הסבירו‪.‬‬ ‫‪ 7.61‬מהו חוק הקצב של התגובה שלהלן‪:‬‬

‫מספר העב‬

‫)‪(1‬‬

‫‪ 7.68‬התרשים שלהלן מייצג את התגובה האנדותרמית‬ ‫שלהלן במצב שיווי המשקל שלה‪ ,‬ובטמפרטורה של‬ ‫‪ + A(g) € 2B(g) :25ºC‬חום‬ ‫‪=A‬‬ ‫‪=B‬‬

‫)‪N2O4(g) € 2NO2(g‬‬

‫יש לייצג את סדר התגובה בתור ‪ n' ,n‬וכו'‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.62‬מהו חוק הקצב של התגובה שלהלן‪:‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫)‪H2S(aq) + Cl2(aq) € S(s) + 2HCl(aq‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪7‬‬

‫יש לייצג את סדר התגובה בתור ‪ n' ,n‬וכו'‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7 .63‬כיצד זרז מאיץ תגובה כימית?‬ ‫‪ 7.64‬כיצד זרז יכול להיות מעורב בתגובה כימית מבלי‬ ‫להתכלות בתהליך?‬ ‫שיווי משקל‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 7.65‬כאשר ערכו של קבוע שיווי המשקל גדול‪ ,‬האם יש‬ ‫בעיקר תוצרים או מגיבים?‬ ‫‪ 7.66‬כאשר ערכו של קבוע שיווי המשקל גדול‪ ,‬האם פירוש‬ ‫הדבר שהתגובה מהירה?‬ ‫‪ 7.67‬התרשים שלהלן מייצג את התגובה ההפיכה‬ ‫)‪ A(g) € 2B(g‬במצב שיווי משקל ובלחץ כולל ‪.P‬‬

‫ ‬

‫ ‬

‫מספר העבוד‬

‫א‪ .‬מעלים את הטמפרטורה ל־‪ .50ºC‬איזה מהתרשימים‬ ‫שלהלן מייצג את המערכת ברגע שמושג שיווי‬ ‫חדש? ובעיות‬ ‫שאלות‬ ‫משקל‬ ‫ב‪ .‬מורידים את הטמפרטורה ל־‪ .15ºC‬איזה מהתרשימים‬ ‫את ב'‬ ‫‪7-68‬‬ ‫המערכת ברגע שמושג שיווי משקל‬ ‫שלהלן מייצג‬ ‫חדש?‬

‫)‪(3‬‬

‫)‪(2‬‬

‫)‪(1‬‬

‫‪  278‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 7.69‬מהו עקרון לה שטלייה?‬ ‫‪ 7.70‬כיצד עקרון לה שטלייה מסייע לנו להגדיל את הניצולת‬ ‫של תגובות כימיות?‬ ‫‪ 7.71‬תארו את משמעות המונח שיווי משקל דינמי‪.‬‬ ‫‪ 7.72‬מהם היחסים בין קצב התגובה הישירה וההפוכה במצב‬ ‫שיווי המשקל?‬ ‫‪ 7.73‬כשאנו אומרים ששיווי המשקל מוסט‪ ,‬למה הכוונה?‬ ‫‪ 7.74‬האם זרז יכול להסיט את שיווי המשקל?‬ ‫‪ 7.75‬מנו שלושה גורמים שיכולים להסיט את שיווי המשקל‪.‬‬ ‫‪ 7.76‬מתי תהיה ללחץ ההשפעה הגדולה ביותר על שיווי‬ ‫המשקל‪ :‬בגז‪ ,‬בנוזל או במוצק?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 7.77‬כתבו ביטוי מתאים לקבוע שיווי המשקל עבור התגובה‬ ‫שלהלן‪:‬‬ ‫)‪N2O4(g) € 2NO2(g‬‬

‫‪ 7.78‬כתבו ביטוי מתאים לקבוע שיווי המשקל עבור התגובה‬ ‫שלהלן‪:‬‬ ‫)‪H2S(aq) + Cl2(aq) € S(s) + 2HCl(aq‬‬

‫‪ 7 .79‬מהו ההבדל בין שיווי משקל פיזיקלי לבין שיווי משקל‬ ‫כימי?‬ ‫‪ 7.80‬מהו ההבדל בין קבוע הקצב וקבוע שיווי המשקל של‬ ‫תגובה?‬ ‫‪ 7.81‬כתבו את הביטוי לקבוע שיווי המשקל של התגובה‬ ‫שלהלן‪:‬‬ ‫)‪N2(g) + 3H2(g) € 2NH3(g‬‬

‫‪ 7.82‬בעזרת הביטוי לקבוע שיווי המשקל משאלה ‪,7.81‬‬ ‫חשבו את קבוע שיווי המשקל כאשר‪:‬‬ ‫‪[N2] = 0.071 M‬‬ ‫‪[H2] = 9.2 × 10−3 M‬‬ ‫‪[NH3] = 1.8 × 10−4 M‬‬

‫‪ 7.83‬כתבו את הביטוי לקבוע שיווי המשקל של התגובה‬ ‫שלהלן‪:‬‬ ‫)‪2H2(g) + S2(g) € 2H2S(g‬‬

‫‪ 7.84‬בעזרת הביטוי לקבוע שיווי המשקל משאלה ‪,7.83‬‬ ‫חשבו את קבוע שיווי המשקל כאשר‪:‬‬ ‫‪[H2] = 2.1 × 10−1 M‬‬ ‫‪[S2] = 1.1 × 10−6 M‬‬ ‫‪[H2S] = 7.3 × 10−1 M‬‬

‫‪ 7.85‬השתמשו בביטוי לקבוע שיווי המשקל משאלה ‪7.81‬‬ ‫ובקבוע שיווי המשקל שחישבתם בשאלה ‪ ,7.82‬וחשבו‬ ‫את ריכוז שיווי המשקל של ‪ NH3‬כאשר‪:‬‬ ‫‪[N2] = 8.0 × 10−2 M‬‬ ‫‪[H2] = 5.0 × 10−3 M‬‬

‫‪ 7.86‬השתמשו בביטוי לקבוע שיווי המשקל משאלה ‪7.83‬‬ ‫ובקבוע שיווי המשקל שחישבתם בשאלה ‪ ,7.84‬וחשבו‬ ‫את ריכוז שיווי המשקל של ‪ H2S‬כאשר‪:‬‬ ‫‪[H2] = 1.0 × 10−1 M‬‬ ‫‪[S2] = 1.0 × 10−5 M‬‬

‫‪ 7.87‬עבור התגובה‬ ‫‪CH4(g) + Cl2(g) € CH3Cl(g) + HCl(g) + 26.4 kcal‬‬

‫חזו כיצד ישפיעו השינויים שלהלן על שיווי המשקל‬ ‫ ‬ ‫(האם יוסט לכיוון המגיבים או לכיוון התוצרים‪ ,‬או‬ ‫יישאר כשהיה?)‪:‬‬ ‫א‪ .‬העלאת הטמפרטורה‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪ .‬הגדלת הלחץ באמצעות הקטנת נפח כלי הקיבול‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬הוספת זרז למערכת‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.88‬עבור התגובה‬ ‫)‪47 kcal + 2SO3(g) € 2SO2(g) + O2(g‬‬

‫חזו כיצד ישפיעו השינויים שלהלן על שיווי המשקל‬ ‫ ‬ ‫(האם יוסט לכיוון המגיבים או לכיוון התוצרים‪ ,‬או‬ ‫יישאר כשהיה?)‪:‬‬ ‫א‪ .‬העלאת הטמפרטורה‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪ .‬הגדלת הלחץ באמצעות הקטנת נפח כלי הקיבול‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬הוספת זרז למערכת‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7 .89‬קבעו לגבי כל אחד מהמשפטים שלהלן אם הוא אמת‬ ‫או שקר‪ ,‬והסבירו מדוע‪:‬‬ ‫א‪ .‬תגובה אטית היא תגובה שאינה מתרחשת עד תום‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪ .‬הקצב של התגובה הישירה והקצב של התגובה‬ ‫ ‬ ‫ההפוכה לעולם יהיו שונים‪.‬‬ ‫‪ 7.90‬קבעו לגבי כל אחד מהמשפטים שלהלן אם הוא אמת‬ ‫או שקר‪ ,‬והסבירו מדוע‪:‬‬ ‫א‪ .‬תגובה נמצאת בשיווי משקל כאשר לא נותרו‬ ‫ ‬ ‫מגיבים‪.‬‬ ‫ב‪ .‬תגובה המצויה בשיווי משקל עוברת שינוי מתמיד‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.91‬כמות מסוימת של ‪ PCl3‬נמצאת בכלי קיבול שנפחו‬ ‫‪ .1.00 L‬השתמשו בעקרון לה שטלייה וחזו אם כמות זו‬ ‫תגדל‪ ,‬תקטן או תישאר כשהייתה עבור שיווי המשקל‬ ‫חום ‪PCl3(g) + Cl2(g) € PCl5(g) +‬‬

‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫כאשר חלים בתגובה השינויים האלה‪:‬‬ ‫א‪ .‬הוספה של ‪.PCl5‬‬ ‫ב‪ .‬הוספה של ‪.Cl2‬‬ ‫ג‪ .‬סילוק של ‪.PCl5‬‬ ‫ד‪ .‬הקטנת הטמפרטורה‪.‬‬ ‫ה‪ .‬הוספת זרז‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 7‬א נ ר ג י ה ‪ ,‬ק צ ב ו ש י ו ו י‬

‫‪ 7.92‬השתמשו בעקרון לה שטלייה וחזו כיצד ישפיעו‬ ‫השינויים שלהלן (אם בכלל) על מערכת שיווי המשקל‬ ‫המתוארת להלן‪ ,‬המצויה בכלי קיבול סגור‪.‬‬

‫‪ 7.104‬מהו ערכו של קבוע שיווי המשקל של התגובה בשאלה‬ ‫‪ 7.102‬כאשר‪:‬‬ ‫‪[H2O] = 0.40 M‬‬ ‫‪[CO] = 0.40 M‬‬ ‫‪[H2] = 0.20 M‬‬

‫‪C(s) + 2H2(g) € CH4(g) + 18 kcal‬‬

‫א‪ .‬הוספה של ‪.C‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪ .‬הוספה של ‪.H2‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬סילוק של ‪.CH4‬‬ ‫ ‬ ‫ד‪ .‬הגדלת הטמפרטורה‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ה‪ .‬הוספת זרז‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.93‬חזו כיצד תשפיע הגדלת הלחץ על ריכוז )‪ H2(g‬בתגובה‬ ‫שלהלן (תגדיל את הריכוז‪ ,‬תקטין אותו או לא תשפיע‬ ‫עליו)‪:‬‬ ‫)‪C(s) + H2O(g) € CO(g) + H2(g‬‬

‫‪ 7.94‬חזו כיצד תשפיע הגדלת הלחץ על ריכוז )‪ NO(g‬בתגובה‬ ‫שלהלן (תגדיל את הריכוז‪ ,‬תקטין אותו או לא תשפיע‬ ‫עליו)‪:‬‬ ‫)‪N2(g) + O2(g) € 2NO(g‬‬

‫‪ 7.95‬‬ ‫‪ 7.96‬‬ ‫‪ 7.97‬‬ ‫‪ 7.98‬‬ ‫‪7 .99‬‬ ‫‪ 7.100‬‬ ‫‪ 7.101‬‬

‫מהו הביטוי לקבוע שיווי המשקל עבור התגובה‬ ‫המתוארת בשאלה ‪?7.93‬‬ ‫מהו הביטוי לקבוע שיווי המשקל עבור התגובה‬ ‫המתוארת בשאלה ‪?7.94‬‬ ‫אמת או שקר‪ :‬שיווי המשקל יוסט לכיוון התוצרים‬ ‫כאשר מוסיפים זרז לתערובת המתוארת בשאלה ‪.7.93‬‬ ‫הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫אמת או שקר‪ :‬שיווי המשקל של תגובה אנדותרמית‬ ‫יוסט לכיוון התוצרים כאשר מחממים את תערובת‬ ‫התגובה‪ .‬הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫מדוע מסוכן לחמם בקבוק סגור של משקה מוגז?‬ ‫משקאות תוססים מאבדים את הגזים (מאבדים ‪)CO2‬‬ ‫במהירות כשמחממים אותם‪ .‬הסבירו את התופעה תוך‬ ‫הסתמכות על עקרון לה שטלייה‪.‬‬ ‫מהו הביטוי לקבוע שיווי המשקל של התגובה שלהלן‪:‬‬

‫‪ 7 .105‬הציעו שינוי בתנאי הניסוי שיגדיל את הניצולת של‬ ‫‪ SO3‬בתגובה שבשאלה ‪.7.101‬‬ ‫‪ 7.106‬הציעו שינוי בתנאי הניסוי שיגדיל את הניצולת של ‪H2‬‬ ‫בתגובה שבשאלה ‪.7.102‬‬

‫בעיות חשיבה ביקורתית‬ ‫‪ .1‬מהו הסימן של ‪ ΔG‬עבור תהליך אידוי של זיעה? איזה‬ ‫מהערכים‪ ΔH ,‬או ‪ ,ΔS‬דומיננטי יותר בקביעת הסימן של‬ ‫‪ ?ΔG‬הסבירו את תשובתכם‪.‬‬ ‫‪ .2‬האם הקביעה שלהלן יכולה להיות נכונה בנסיבות כלשהן?‬ ‫"חימום תערובת תגובה מגדיל את הקצב של תגובה‬ ‫מסוימת אך מקטין את הניצולת של תוצר התגובה"‪.‬‬ ‫הסבירו את תשובתכם‪.‬‬ ‫‪ .3‬מן ההכרח שמולקולות יתנגשו על מנת שתגובה תתרחש‪.‬‬ ‫שרטטו מודל של ההיערכות המרחבית והאינטראקציות‬ ‫הטובות ביותר לצורך התגובה של ‪ HI‬ו־‪:Cl‬‬ ‫)‪HI(g) + Cl(g) € HCl(g) + I(g‬‬

‫‪ . 4‬עיינו בשאלה ‪ 7.88‬וציינו אלו מבין הקביעות שלהלן‬ ‫נכונות‪:‬‬ ‫ א‪Keq(25ºC) > Keq(50ºC) .‬‬ ‫ ב‪Keq(25ºC) < Keq(50ºC) .‬‬ ‫ ג‪Keq(25ºC) = Keq(50ºC) .‬‬ ‫ ד‪Keq(25ºC) > Keq(15ºC) .‬‬ ‫ ה‪Keq(25ºC) < Keq(15ºC) .‬‬ ‫ ו‪Keq(25ºC) = Keq(15ºC) .‬‬ ‫‪ .5‬יוני כסף מגיבים עם יוני כלור ויוצרים את המשקע כסף‬ ‫כלורי‪:‬‬

‫)‪2SO2(g) + O2(g) € 2SO3(g‬‬

‫‪ 7.102‬מהו הביטוי לקבוע שיווי המשקל של התגובה שלהלן‪:‬‬ ‫)‪C(s) + H2O(g) € CO(g) + H2(g‬‬

‫‪ 7.103‬מהו ערכו של קבוע שיווי המשקל של התגובה בשאלה‬ ‫‪ 7.101‬כאשר‪:‬‬ ‫‪[SO2] = 0.10 M‬‬ ‫‪[O2] = 0.12 M‬‬ ‫‪[SO3] = 0.60 M‬‬

‫מ ש ק ל   ‪279‬‬

‫)‪Ag+(aq) + Cl−(aq) € AgCl(s‬‬

‫ ‬

‫לאחר שהתגובה הגיעה לשיווי משקל‪ ,‬כימאי סינן ‪99%‬‬

‫מהכסף הכלורי המוצק מהתמיסה‪ ,‬בתקווה להסיט את‬ ‫שיווי המשקל לכיוון התוצרים‪ .‬חוו דעתכם על הניסוי‪.‬‬ ‫‪ .6‬לא פעם‪ ,‬ההתנהגות האנושית עולה בקנה אחד עם עקרון‬ ‫לה שטלייה‪ .‬הביאו דוגמה אחת לכך והסבירו אותה במונחי‬ ‫עקרון לה שטלייה‪.‬‬ ‫‪ .7‬בחלק מהבתים תוכלו למצוא פסלון שצבעו כחול בימים‬ ‫יבשים ובהירים וורוד בימים לחים וגשומים‪ .‬פסלונים אלה‬

‫‪  280‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מכוסים בחומרים המכילים צורונים כימיים שעוברים את‬ ‫תגובת שיווי המשקל שלהלן‪:‬‬ ‫€ )‪Co(H2O)62+(aq) + 4Cl−(aq‬‬ ‫)‪CoCl42−(aq) + 6H2O(l‬‬

‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫א‪ .‬איזה מהחומרים כחול?‬ ‫ב‪ .‬איזה מהחומרים ורוד?‬ ‫ג‪ .‬כיצד עקרון לה שטלייה בא לידי ביטוי כאן?‬

‫‪ .8‬ביליתם את כל הבוקר בכיתת לימוד בטמפרטורה של ‪.20ºC‬‬ ‫במעלית בדרך לקפיטריה‪ ,‬שישה אנשים נכנסים למעלית‬ ‫לאחר ששהו בחוץ בטמפרטורה שמתחת לטמפרטורת‬ ‫הקיפאון‪ .‬אתם חשים צינה פתאום‪ .‬הסבירו את התופעה‬ ‫המתרחשת במעלית במונחים תרמודינמיים‪.‬‬

‫‪8‬‬

‫חומצות‪ ,‬בסיסים וחמצון—חיזור‬

‫מטרות לימוד‬ ‫‪ 1‬‬ ‫‪ 2‬‬ ‫‪ 3‬‬ ‫‪ 4‬‬ ‫‪ 5‬‬ ‫‪ 6‬‬ ‫‪ 7‬‬ ‫‪ 8‬‬ ‫‪ 9‬‬ ‫‪ 10‬‬ ‫‪ 11‬‬

‫לזהות חומצות ובסיסים ותגובות חומצה—בסיס‪.‬‬ ‫לתאר את תפקיד הממס בתגובות חומצה—בסיס‪.‬‬ ‫לכתוב משוואות המתארות דיסוציאציה של חומצה—בסיס ולסמן זוגות‬ ‫חומצה—בסיס מצומדים‪.‬‬ ‫לחשב ‪ pH‬על סמך נתוני ריכוז‪.‬‬ ‫לחשב ריכוזים של יוני הידרוניום ושל יוני הידרוקסיד על סמך נתוני ‪.pH‬‬ ‫לספק דוגמאות לחשיבות של ‪ pH‬במערכות כימיות וביוכימיות‪.‬‬ ‫לתאר את המשמעות והשימושים של תגובות סתירה‪.‬‬ ‫לתאר את היישומים של תמיסות בופר במערכות כימיות וביוכימיות‪ ,‬ובמיוחד‬ ‫בכימיה של הדם‪.‬‬ ‫להסביר את משמעות המונחים חמצון וחיזור‪ ,‬ולתאר כמה דוגמאות מעשיות‬ ‫של תהליכי חמזור‪.‬‬ ‫לשרטט תא אלקטרוכימי ולתאר את תפקודו‪.‬‬ ‫להשוות בין תאים אלקטרוכימיים לבין תאים אלקטרוליטיים‪.‬‬

‫מתווה‬ ‫מבוא ‪282‬‬ ‫‪ 8.1‬חומצות ובסיסים ‪282‬‬ ‫‪ :pH 8‬סולם מדידה של חומצות ובסיסים ‪288‬‬ ‫‪ .2‬‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬הובלת תרופות ‪293‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.3‬תגובות בין חומצות ובסיסים ‪294‬‬ ‫כימיה ירוקה‪ :‬גשם חומצי ‪296‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫כימיה ירוקה‪ :‬פרחי הידרנג'אה‪ pH ,‬וכימיה של הקרקע ‪298‬‬ ‫‪ 8.4‬תמיסות בופר חומצה—בסיס ‪299‬‬ ‫‪ 8.5‬תהליכי חמצון—חיזור ‪305‬‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬שימוש בגורמים מחמצנים לשליטה כימית‬ ‫ ‬ ‫בגורמי מחלה ‪307‬‬ ‫ ‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬תגובות אלקטרוכימיות בפסל החירות‬ ‫ ‬ ‫ובסתימות בשיניים ‪312‬‬ ‫ ‬

‫תכונות של תמיסות‪ ,‬כולל צלילּות‬ ‫וכמות החיידקים‪ ,‬תלויות לא אחת‬ ‫ברמות החומציות‪.‬‬

‫‪  282‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מבוא‬

‫איור ‪ 8.1‬בהוספת חומצה‬ ‫לתמיסה הצהובה משמאל‪ ,‬המכילה‬ ‫–‪( CrO42‬יון כרומט)‪ ,‬נוצרת התמיסה‬ ‫החומה־אדמדמה מימין‪ .‬המרכיב‬ ‫המרכזי בתמיסה החדשה הוא כעת‬ ‫–‪ .Cr2O72‬הוספת בסיס לתמיסה‬ ‫החדשה מרחיקה את יוני ‪H+‬‬ ‫ומשיבה את יוני –‪ CrO42‬הצהובים‪ .‬זו‬ ‫דוגמה לשיווי משקל כימי המבוסס‬ ‫על חומצה ובסיס‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 1‬לזהות חומצות ובסיסים ותגובות‬

‫חומצה—בסיס‪.‬‬

‫בפרק זה נלמד על שני סוגים כלליים של שינוי כימי‪ :‬תגובות חומצה—בסיס ותגובות‬ ‫חמצון—חיזור‪ .‬אף שעל פניו הן שונות בתכלית‪ ,‬הדמיון היסודי ביניהן נובע מהעובדה ששתיהן‬ ‫כוללות העברה של מטען מצורון אחד לאחר‪ .‬תגובות חומצה—בסיס כוללות העברה של יחידת‬ ‫מטען חיובית אחת או יותר — פרוטונים (יוני מימן); תגובות חמצון—חיזור כוללות העברה של‬ ‫חלקיק שלילי אחד או יותר — אלקטרונים‪.‬‬ ‫כמה מהתרכובות החשובות ביותר בטבע הן חומצות או בסיסים‪ .‬בתקופות מוקדמות‬ ‫היה ידוע שתרכובות מסוימות — חומצות — מתאפיינות בטעם חמוץ‪ ,‬ויכולות להמיס מתכות‬ ‫מסוימות ולגרום לצבעים שמקורם בצומח לשנות את צבעם‪ .‬בסיסים היו ידועים כבעלי טעם‬ ‫מר ותחושה חלקלקה וכגורמי שיתוך‪ .‬בסיסים מגיבים בתגובות אקסותרמיות עם חומצות‬ ‫ובמקרים רבים גורמים ליונים מתכתיים בתמיסה ליצור משקע מוצק‪.‬‬ ‫עיכול של חלבונים מתבצע בסיוע חומצת עיכול (חומצה כלורית)‪ ,‬ותהליכים ביוכימיים‬ ‫רבים‪ ,‬כגון זירוז אנזימטי‪ ,‬תלויים ברמה תקינה של חומציות‪ .‬למעשה‪ ,‬מגוון רחב של תגובות‬ ‫כימיות תלוי באופן קריטי בהרכב החומצה—בסיס של התמיסה (איור ‪ .)8.1‬הדבר נכון במיוחד‬ ‫לתגובות ביוכימיות המתרחשות בתאי הגוף‪ .‬מסיבה זו יש לווסת בקפידה את רמת החומציות‪,‬‬ ‫והדבר נעשה באמצעות חומרים המכונים בופרים‪.‬‬ ‫תהליכי חמצון—חיזור שכיחים אף הם במערכות חיות‪ .‬נשימה היא אוסף של תגובות‬ ‫חמצון—חיזור‪ .‬כמו כן‪ ,‬תגובות חמצון—חיזור מייצרות אנרגיית חום שממזגת את הבתים ומקומות‬ ‫העבודה שלנו‪ ,‬ומניעה את הציוויליזציה התעשייתית‪ .‬יתרה מזאת‪ ,‬חמצון—חיזור הוא הבסיס‬ ‫למבנה הסוללה‪ .‬סוללות מצויות בכלי רכב ובמכשירים אלקטרוניים כגון מצלמות ומקלטי רדיו‪,‬‬ ‫והן אפילו מושתלות בגוף האדם לשם ויסות קצב הלב‪.‬‬

‫‪8.1‬‬

‫חומצות ובסיסים‬

‫התכונות של חומצות ובסיסים קשורות למבנה הכימי שלהם‪ .‬לכל החומצות מאפיינים מבניים‬ ‫משותפים שמאפשרים להן להגדיל את ריכוז יוני המימן בהמסה במים‪ ,‬ואילו כל הבסיסים‬ ‫מקטינים את ריכוז יוני המימן בהמסתם במים‪.‬‬ ‫שתי תיאוריות‪ ,‬האחת נובעת מהאחרת‪ ,‬מסייעות לנו להבין את הכימיה הייחודית של‬ ‫חומצות ובסיסים‪.‬‬

‫תיאוריית ארניוס של חומצות ובסיסים‬ ‫אחת ההגדרות המוקדמות ביותר של חומצות ובסיסים היא תיאוריית ארניוס (‪Arrhenius‬‬ ‫‪ .)theory‬על פי התיאוריה‪ ,‬כאשר חומצה (‪ )acid‬מומסת במים היא מתפרקת ויוצרת יוני‬ ‫מימן או פרוטונים (‪ ,)H+‬וכאשר בסיס (‪ )base‬מומס במים הוא מתפרק ויוצר יוני הידרוקסיד‬ ‫(‪ .)OH−‬לדוגמה‪ ,‬חומצה כלורית מתפרקת בתמיסה בהתאם לתגובה‬ ‫)‪HCl(aq) → H+(aq) + Cl−(aq‬‬

‫הבסיס נתרן הידרוקסידי מניב יוני הידרוקסיד בתמיסה בהתאם לתגובה‬ ‫)‪NaOH(aq) → Na+(aq) + OH−(aq‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪283‬‬

‫התיאוריה של ארניוס מסבירה באופן מספק את ההתנהגות של רבים מהחומצות והבסיסים‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬חומר כגון אמוניה (‪ )NH3‬מתאפיין בתכונות בסיסיות אך אינו מתאים לתיאוריה‬ ‫משום שאינו מכיל יוני ‪ .OH−‬תיאוריה חדשה פותחה על מנת להסביר את ההתנהגות של‬ ‫‪ .NH3‬תיאוריית ברונסטד—לאורי מספקת לנו נקודת מבט רחבה על חומצות ובסיסים‬ ‫באמצעות הוספת התפקיד המרכזי של הממס בתהליך הדיסוציאציה (התפרקות של תרכובת‬ ‫למרכיבים קטנים יותר‪ ,‬כגון יונים)‪.‬‬

‫תיאוריית ברונסטד—לאורי של חומצות ובסיסים‬

‫ביצוע‪:‬‬

‫תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי (‪ )Brønstad-Lowry‬מגדירה חומצה כתורמת פרוטון (‪ )H+‬ובסיס‬ ‫פרוטון‪.‬‬ ‫רוניתכמקבל‬ ‫מספר‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬ ‫בורלא‬ ‫חומצה כלורית בתמיסה תורמת פרוטון למים‪ ,‬ובכך מתנהגת כחומצת ברונסטד‪-‬לאורי‪:‬‬

‫העבודה‪20116 :‬‬

‫איור בעמ' ‪263‬‬

‫)‪HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq‬‬

‫היון‪ H3O+‬נקרא יון הידרוניום (‪.)hydronium ion‬‬ ‫תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי מסבירה היטב את תכונות האמוניה‪ .‬האמוניה מקבלת פרוטון‬ ‫מהמים ומייצרת ‪ ,OH−‬יון הידרוקסיד (‪ .)hydroxide ion‬עקב כך נוצרת תערובת שיווי משקל‬ ‫של ‪ NH4+ ,H2O ,NH3‬ו־‪.OH−‬‬ ‫‪+‬‬

‫–‪..‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪. .:‬‬

‫‪H +H‬‬

‫‪H‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪O:  H‬‬

‫‪N‬‬ ‫‪H‬‬

‫‪H + H‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪+‬‬

‫)‪OH(l)  NH4 (aq) + OH– (aq‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪N‬‬

‫‪H‬‬

‫‪H‬‬ ‫‪NH3(aq) + H‬‬

‫תכונות חומצה—בסיס של מים‬ ‫ראוי לציין את תפקיד הממס‪ ,‬מים‪ ,‬בתגובות חומצה‪-‬בסיס‪ .‬באחת הדוגמאות לעיל‪ ,‬מולקולת‬ ‫המים קיבלה פרוטון ממולקולת ‪ .HCl‬המים מתנהגים כמקבלי פרוטון‪ ,‬או בסיס ברונסטד‪-‬‬ ‫לאורי‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬כאשר המים משמשים כממס לאמוניה (‪ ,)NH3‬שהיא בסיס‪ ,‬מולקולת המים‬ ‫תורמת פרוטון למולקולת האמוניה‪ .‬המים‪ ,‬במקרה הזה‪ ,‬משמשים כתורם פרוטון‪ ,‬או חומצת‬ ‫ברונסטד‪-‬לאורי‪.‬‬ ‫מים‪ ,‬משום שהם מתאפיינים בתכונות של חומצה ובסיס גם יחד‪ ,‬מכונים חומר‬ ‫אמפיפרוטי (‪ .)amphiprotic‬מים הם הממס השכיח ביותר של חומצות ובסיסים‪ .‬אינטראקציות‬ ‫מומס‪-‬ממס בין מים לבין חומצות או בסיסים מאפשרות את ההתמוססות וההתפרקות של‬ ‫חומצות ובסיסים‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לתאר את תפקיד הממס‬ ‫בתגובות חומצה—בסיס‪.‬‬

‫חוזק של חומצה ושל בסיס‬ ‫המונחים חוזק של חומצה (או בסיס) וריכוז חומצה (או בסיס) עלולים לבלבל‪ .‬חוזק הוא‬ ‫מדד למידת הדיסוציאציה של חומצה (או בסיס) בתמיסה‪ ,‬והוא בלתי תלוי בריכוז החומצה‬ ‫או הבסיס‪ .‬מידת הדיסוציאציה היא החלק היחסי של המולקולות או היונים של החומצה‬

‫ריכוז של תמיסות נידון בסעיף ‪.6.3‬‬

‫‪  284‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫הריכוז של חומצה או בסיס‪,‬‬ ‫כמו גם זהות הממס‪ ,‬משפיעים‬ ‫אמנם על מידת הדיסוציאציה‪,‬‬ ‫אך הגורם המרכזי בקביעת מידת‬ ‫הדיסוציאציה הוא חוזק החומצה או‬ ‫הבסיס‪.‬‬

‫או הבסיס שיוצרים יונים בתמיסה‪ .‬ריכוז‪ ,‬כפי שלמדנו‪ ,‬מתייחס לכמות המומס (במקרה זה‪,‬‬ ‫כמות החומצה או הבסיס) המצויה בכמות מסוימת של ממס‪.‬‬ ‫החוזק של חומצות ובסיסים במים תלוי במידה שבה הם מגיבים עם הממס‪ ,‬מים‪ .‬חומצות‬ ‫ובסיסים מסווגים כחזקים כשהתגובה עם המים נשלמת כמעט ב־‪ ,100%‬וכחלשים כאשר‬ ‫התגובה עם המים רחוקה מלהגיע ל־‪.100%‬‬ ‫להלן כמה דוגמאות לחומצות חזקות חשובות‪:‬‬

‫חומצה כלורית ‬

‫הפיכות של תגובות נידונה בסעיף‬ ‫‪.7.4‬‬

‫)‪HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq‬‬

‫ ‬ ‫חומצה חנקתית‬

‫)‪−(aq‬‬

‫חומצה גפרתית ‬

‫)‪H2SO4(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + HSO4−(aq‬‬

‫‪+ NO3‬‬

‫)‪O+(aq‬‬

‫‪HNO3(aq) + H2O(l) → H3‬‬

‫שימו לב לכך שמשוואת הדיסוציאציה של כל אחת מהחומצות הללו כתובה בחץ יחיד‪ .‬הדבר‬ ‫מעיד שהתגובה אינה נוטה‪ ,‬או כמעט אינה נוטה‪ ,‬להתקדם בכיוון ההפוך ולהגיע לשיווי‬ ‫משקל‪ .‬כמעט כל מולקולות החומצה מתפרקות ויוצרות יונים‪.‬‬ ‫כל הבסיסים החזקים השכיחים מורכבים מיוני מתכת ומיוני הידרוקסיד‪ .‬בסיסים חזקים‬ ‫עוברים דיסוציאציה מוחלטת בתמיסה מימית ומניבים יוני הידרוקסיד וקטיונים מתכתיים‪.‬‬ ‫מבין הבסיסים ההידרוקסידיים השכיחים‪ ,‬רק ‪ NaOH‬ו־‪ KOH‬מסיסים במים והם בסיסים‬ ‫חזקים וקלים לשימוש‪:‬‬ ‫נתרן הידרוקסידי ‬ ‫אשלגן הידרוקסידי ‬

‫)‪NaOH(aq) → Na+(aq) + OH−(aq‬‬ ‫)‪OH−(aq‬‬

‫‪+‬‬

‫)‪K+(aq‬‬

‫→ )‪KOH(aq‬‬

‫חומצות חלשות קלות תמס ובסיסים חלשים קלי תמס מתמוססים במים בעיקר בצורה‬ ‫מולקולרית‪ .‬רק אחוז קטן מהמולקולות מתפרקות ויוצרות יון הידרוניום או יון הידרוקסיד‪.‬‬ ‫שתיים מהחומצות החלשות החשובות הן‪:‬‬ ‫החץ הכפול מסמל שיש שיווי משקל‬ ‫בין הצורונים שעברו דיסוציאציה‬ ‫ובין אלה שלא עברו דיסוציאציה‪.‬‬

‫ ‬ ‫חומצה אצטית‬

‫)‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + CH3COO−(aq‬‬

‫חומצה פחמתית ‬

‫)‪H2CO3(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + HCO3−(aq‬‬

‫כבר הזכרנו את הבסיס החלש השכיח ביותר‪ ,‬אמוניה‪ .‬רבות מהתרכובות האורגניות שמכילות‬ ‫אמוניה במבנה שלהן מתפקדות כבסיסים חלשים‪ .‬להלן כמה דוגמאות לבסיסים חלשים‪:‬‬ ‫פירידין ‬

‫)‪C5H5N(aq) + H2O(l) € C5H5NH+(aq) + OH−(aq‬‬

‫אנילין ‬

‫)‪C6H5NH2(aq) + H2O(l) € C6H5NH3+(aq) + OH−(aq‬‬

‫מתילאמין ‬

‫)‪CH3NH2(aq) + H2O(l) € CH3NH3+(aq) + OH−(aq‬‬

‫ההבדל הכימי היסודי בין חומצות או בסיסים חלשים לבין חומצות או בסיסים חזקים טמון‬ ‫בריכוז היונים בשיווי המשקל‪ .‬כאשר חומצה חזקה‪ ,‬כגון ‪ ,HCl‬מצויה בתמיסה מימית‪ ,‬היא‬ ‫אינה מקיימת שיווי משקל בר מדידה עם היונים שלה‪ H3O+ ,‬ו־‪ .Cl−‬לעומת זאת‪ ,‬בסיס חלש‪,‬‬ ‫כגון חומצה אצטית‪ ,‬מגיע לשיווי משקל דינמי עם היונים שלו‪ H3O+ ,‬ו־‪.CH3COO−‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬לכתוב משוואות המתארות‬

‫דיסוציאציה של חומצה—בסיס ולסמן‬ ‫זוגות חומצה—בסיס מצומדים‪.‬‬

‫חומצות ובסיסים מצומדים‬ ‫תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי תרמה כמה רעיונות בסיסיים שהרחיבו את הבנתנו בכימיה‬ ‫של תמיסות‪ .‬ראשית‪ ,‬תגובה של חומצה‪-‬בסיס היא תהליך הכולל מעבר של מטען מצורון‬ ‫אחד לאחר‪ .‬שנית‪ ,‬תהליך המעבר כולל לרוב את הממס‪ .‬לבסוף‪ ,‬ואולי חשוב מכל‪ ,‬תגובת‬ ‫חומצה‪-‬בסיס נתפסת כתהליך הפיך‪ .‬מכאן שיש אפשרות ליצור שיווי משקל הפיך ודינמי‬ ‫(ראו סעיף ‪ )7.4‬שאפשר להשתמש בו כדי לשלוט על רמות החומציות או הבסיסיות‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪285‬‬

‫לאור כל אלה‪ ,‬אפשר לייצג כל תגובה של חומצה ובסיס באמצעות המשוואה הכללית‬ ‫ ‬

‫‪ :‬רונית‬

‫‪HA +‬‬

‫‪B € BH+ + A−‬‬

‫(בסיס) (חומצה)‬

‫בתגובה הישירה‪ ,‬החומצה (‪ )HA‬תורמת פרוטון (‪ )H+‬לבסיס (‪ )B‬תוך יצירת ‪ BH+‬ו־‪ .A−‬עם‬ ‫זאת‪ ,‬בתגובה ההפוכה ‪ BH+‬הוא שמתנהג כחומצה; הוא תורם את הפרוטון ה"עודף" שלו‬ ‫ל־‪ .A−‬לפיכך‪ A− ,‬הוא בסיס בזכות עצמו משום שהוא מקבל את הפרוטון‪.‬‬ ‫החומצות והבסיסים הנוצרים מכונים חומצות ובסיסים מצומדים‪.‬‬ ‫חומצה מצומדת (‪ )conjugate acid‬היא הצורון שנוצר כשבסיס מקבל פרוטון‪.‬‬ ‫בסיס מצומד (‪ )conjugate base‬הוא הצורון שנוצר כשחומצה תורמת פרוטון‪.‬‬ ‫החומצה והבסיס משני עברי המשוואה מכונים במשותף זוג חומצה‪-‬בסיס מצומדים‬ ‫מספר העבודה‪:‬‬ ‫לעיל‪ :‬הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬ ‫במשוואהעולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫בורלא‪ acid-base pair‬שם‬ ‫‪.)conjugate‬‬ ‫(‬ ‫‪ BH+‬היא החומצה המצומדת של הבסיס ‪.B‬‬ ‫בעמ'‪265 .‬‬ ‫‪ A−‬הוא הבסיס המצומד שלאיור‬ ‫החומצה ‪HA‬‬ ‫‪ B‬ו־‪ BH+‬הם זוג חומצה‪-‬בסיס מצומדים‪.‬‬ ‫‪ HA‬ו־‪ A−‬הם זוג חומצה‪-‬בסיס מצומדים‪.‬‬ ‫כעת נוכל לכתוב את משוואת המודל כך‪:‬‬

‫א'‬

‫–‪BH+ + A‬‬

‫בסיס‬

‫ע‪ :‬רונית בורלא‬

‫‪HA + B‬‬

‫חומצה‬

‫בסיס חומצה‬

‫הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם‬ ‫זוג חומצה‪-‬בסיס מצומדים‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫זוג חומצה‪-‬בסיס מצומדים‬

‫איור בעמ' ‪ 265‬ב'‬

‫אף שאנו מסמנים את התגובה בחץ כפול המעיד על הפיכות התגובה‪ ,‬לרוב אחת התגובות‬ ‫מועדפת – הישירה או ההפוכה‪ .‬ראו את התגובה של חומצה כלורית במים‪:‬‬

‫תגובה ישירה‪ :‬משמעותית ↓‬ ‫)‪HCl(aq) + H2O(l)  H3O+(aq) + Cl–(aq‬‬

‫חומצה‬ ‫בסיס‬ ‫תגובה הפוכה‪ :‬לא־משמעותית ↑‬

‫‪20116‬‬

‫בסיס‬

‫חומצה‬

‫‪ HCl‬הוא תורם פרוטון טוב בהרבה מ־‪ .H3O+‬משום מכך התגובה הישירה היא השלטת‪,‬‬ ‫התגובה ההפוכה מזערית‪ ,‬וחומצה כלורית היא חומצה חזקה‪ .‬כפי שלמדנו בפרק ‪ ,7‬תגובות‬ ‫שבהן התהליך הישיר עדיף מתאפיינות בקבוע שיווי משקל גדול‪ .‬הדיסוציאציה של חומצה‬ ‫כלורית עדיפה עד כדי כך שאנו מתארים אותה כנשלמת לחלוטין ומשתמשים רק בחץ ישיר‬ ‫כדי לייצג את ההתנהגות שלה במים‪:‬‬ ‫)‪HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq‬‬

‫מידת הדיסוציאציה‪ ,‬או החוזק‪ ,‬של חומצות ובסיסים משפיעה השפעה מהותית על הכימיה‬ ‫של התמיסה‪ .‬לדוגמה‪ ,‬חומץ (תמיסה מימית של חומצה אצטית בריכוז (‪ )5% (m/V‬הוא מוצר‬ ‫צריכה זמין בחנויות; לעומת זאת‪ ,‬תמיסה מימית של חומצה כלורית בריכוז (‪ 5% (m/V‬אינה‬ ‫מוצר צריכה זמין‪ .‬מדוע? חומצה אצטית היא חומצה חלשה‪ ,‬ולכן תמיסה מהולה שלה אינה‬ ‫גורמת נזק בבואה במגע עם הפה והוושט‪ .‬הסעיף הבא דן בפירוט רב יותר בחוזק של חומצות‬ ‫ובסיסים בתמיסה‪.‬‬

‫עמ' ‪ ,265‬המשוואה השנ‬

‫במשוואה עצמה יש לתר‬

‫עמ' ‪ ,266‬כיתובים לאיור‬ ‫‪ – Acid strength‬חוזק‬ ‫‪ – Base strength‬חוזק‬ ‫‪ – Negligible‬זניח‬ ‫‪ – Weak‬חלש‬ ‫‪ - Strong‬חזק‬

‫עמ' ‪ ,268‬איור ‪ ,8.3‬תרגו‬ ‫ריכוז ב‪mol/liter-‬‬ ‫דוגמאות‬ ‫)בתוך התיבה הצבעונית‬ ‫‪ 0‬חומצה כלורית )‪HCl‬‬ ‫‪ 1‬מיצי קיבה‬ ‫‪ 2‬מיץ לימון‬ ‫‪ 3‬חומץ‪ ,‬קולה‪ ,‬בירה‬ ‫‪ 4‬עגבניות‬ ‫‪ 5‬קפה שחור‬ ‫‪ 6‬שתן‪ ,‬רוק )‪(6.5‬‬ ‫‪ 7‬מים מזוקקים‪ ,‬דם )‪7.4‬‬ ‫‪ 8‬מי ים‬ ‫‪ 9‬סודה לשתייה‬ ‫‪ 10‬ימת המלח הגדולה ב‬ ‫‪ 11‬אמוניה לשימוש בית‬ ‫‪ 12‬נתרן פחמתי‬ ‫‪ 13‬מסיר שומנים‬

‫‪  286‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 8‬כתבו את משוואת התגובה של הצורונים שלהלן עם מים‪ :‬א‪( HF .‬חומצה‬ ‫שאלה ‪ .1‬‬ ‫חלשה) ב‪( NH3 .‬בסיס חלש)‬

‫ביצוע‪ :‬רונית‬

‫‪ 8‬כתבו את משוואת התגובה של הצורונים שלהלן עם מים‪ :‬א‪( H2S .‬חומצה‬ ‫שאלה ‪ .2‬‬ ‫חלש)‬ ‫(בסיס‬ ‫‪CH‬‬ ‫‪NH‬‬ ‫חלשה)‬ ‫מספר‬ ‫בורלאב‪ 3 2 .‬שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬ ‫‪ 8‬מהם זוגות חומצה‪-‬בסיס המצומדים של התגובות בשאלה ‪?8.1‬‬ ‫שאלה ‪ .3‬‬

‫‪8-2‬‬ ‫שאלה ‪ 8 .4‬מהם זוגות חומצה‪-‬בסיס איור‬ ‫התגובות בשאלה ‪?8.2‬‬ ‫המצומדים של‬ ‫החוזק היחסי של חומצה או בסיס נקבע על פי הקלות שבה הם תורמים או מקבלים פרוטון‪.‬‬ ‫חומצות שיכולתן לתרום פרוטון גדולה מאוד (חומצות חזקות) מתאפיינות בבסיסים‬ ‫מצומדים חלשים‪ .‬למקבלי פרוטון טובים (בסיסים חזקים) יש חומצות מצומדות חלשות‪.‬‬ ‫הקשר הזה מומחש באיור ‪ .8.2‬אפשר להיעזר באיור על מנת להשוות ולחזות את החוזק‬ ‫היחסי של חומצות ובסיסים‪.‬‬

‫זניח‬

‫בסיס‬ ‫– ‪Cl‬‬

‫חומצה‬ ‫‪HCl‬‬

‫–‪HSO4‬‬

‫‪H2SO4‬‬

‫‪NO–3‬‬

‫‪HNO3‬‬

‫‪H2O‬‬

‫‪H3O+‬‬

‫‪SO4‬‬

‫–‪HSO4‬‬

‫–‪HSO3‬‬

‫‪H2SO3‬‬

‫–‪2‬‬

‫–‪F‬‬

‫‪HF‬‬

‫חוזק בסיס‬

‫חוזק חומצה‬

‫‪H2PO–4‬‬

‫‪H3PO4‬‬

‫חזק‬

‫–‪CH3COOH CH3COO‬‬

‫חלש‬

‫‪HCO–3‬‬

‫‪H2CO3‬‬

‫– ‪HS‬‬

‫‪H2S‬‬

‫‪SO3‬‬

‫–‪HSO3‬‬

‫–‪2‬‬ ‫–‪2‬‬

‫‪HPO4‬‬ ‫‪NH3‬‬ ‫– ‪CN‬‬ ‫–‪2‬‬ ‫‪CO3‬‬

‫–‪H2PO4‬‬ ‫‪NH4+‬‬ ‫‪HCN‬‬ ‫‪HCO–3‬‬

‫‪PO4‬‬

‫‪HPO4‬‬

‫–‪3‬‬

‫חזק‬

‫חלש‬

‫–‪2‬‬

‫– ‪OH‬‬

‫‪H2O‬‬

‫–‪S2‬‬

‫– ‪HS‬‬

‫–‪O2‬‬

‫– ‪OH‬‬

‫זניח‬

‫איור ‪ 8.2‬זוגות חומצה—בסיס מצומדים‪ .‬לחומצות חזקות יש בסיסים מצומדים חלשים; לבסיסים‬ ‫חזקים יש חומצות מצומדות חלשות‪ .‬שימו לב לאופי המשלים של זוגות חומצה—בסיס מצומדים‪ .‬בכל‬ ‫המקרים‪ ,‬לבסיס המצומד יש ‪ H+‬אחד פחות מלחומצה המצומדת המתאימה לו‪.‬‬

‫העבודה‪:‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫דוגמה ‪ 8.1‬חיזוי חוזק יחסי של חומצה—בסיס‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪287‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬לכתוב משוואות המתארות‬

‫א ‪ .‬מהי החומצה המצומדת של הבסיס ‪?HS−‬‬ ‫ב‪ .‬על סמך איור ‪ ,8.2‬איזה בסיס חזק יותר‪ HS− ,‬או ‪?F−‬‬ ‫ג‪ .‬על סמך איור ‪ ,8.2‬איזו חומצה חזקה יותר‪ H2S ,‬או ‪?HF‬‬

‫דיסוציאציה של חומצה—בסיס ולסמן‬ ‫זוגות חומצה—בסיס מצומדים‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫א‪ .‬אפשר לקבוע מהי החומצה המצומדת באמצעות הוספת פרוטון ( ) לבסיס‪ ,‬וכך נקבל ‪.H2S‬‬ ‫ב‪ .‬הבסיס החזק יותר הוא ‪ ,HS−‬משום שמקומו נמוך יותר בטור הימני‪.‬‬ ‫ג‪ .‬החומצה החזקה יותר היא ‪ ,HF‬משום שהבסיס המצומד שלה חלש יותר‪ ,‬וכן משום שמקומה גבוה יותר בטור השמאלי‪.‬‬ ‫‪H+‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.1‬‬

‫א ‪ .‬בזוגות שלהלן‪ ,‬מהו הבסיס המצומד של כל חומצה ומהי החומצה החזקה יותר?‬ ‫‪ H2SO4‬או ‪H2SO3‬‬ ‫ ‬ ‫ ‪ H2O‬או ‪NH4+‬‬ ‫ב‪ .‬בזוגות שלהלן‪ ,‬מהי החומצה המצומדת של כל בסיס ומהו הבסיס החזק יותר?‬ ‫‪ HCO3−‬או ‪HPO42−‬‬ ‫ ‪ CO32−‬או ‪ PO43−‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.29‬ו־‪8.30‬‬

‫תמיסות של חומצות ובסיסים המשמשות במעבדה מצריכות טיפול זהיר‪ .‬חומצות גורמות‬ ‫לכוויות בשל התגובה האקסותרמית שלהן עם המים הנמצאים על העור ובתוכו‪ .‬בסיסים‬ ‫מגיבים עם חלבונים‪ ,‬שהם מרכיבים חשובים בעור ובעיניים‪.‬‬ ‫תמיסות של חומצות או בסיסים מסוכנות יותר כאשר הן חזקות או מרוכזות‪ .‬חומצה או‬ ‫בסיס חזקים מניבים כמויות גדולות יותר של ‪ H3O+‬או ‪ OH−‬מאשר חומצה או בסיס חלשים‬ ‫בריכוז דומה‪ .‬חומצות או בסיסים מרוכזים מכילים כמויות גדולות יותר של ‪ H3O+‬או ‪OH−‬‬ ‫מאשר תמיסות מרוכזות פחות של חומצות או בסיסים בחוזק דומה‪.‬‬

‫דיסוציאציה של מים‬ ‫תמיסות מימיות של חומצות ובסיסים הן אלקטרוליטיות‪ .‬הדיסוציאציה של החומצה או‬ ‫הבסיס יוצרת יונים שיכולים להוליך זרם חשמלי‪ .‬בשל ההבדלים במידת הדיסוציאציה‪,‬‬

‫חומצות ובסיסים חזקים הם אלקטרוליטים חזקים‪ ,‬ואילו חומצות ובסיסים חלשים הם‬ ‫אלקטרוליטים חלשים‪ .‬ההולכה של התמיסות הללו תלויה בעיקר במומס ולא בממס (מים)‪.‬‬ ‫אף שמים טהורים הם מולקולריים כמעט ב־‪ ,100%‬כמות קטנה של מולקולות המים‬

‫מתייננות בכל זאת‪ .‬התהליך מתרחש באמצעות העברה של פרוטון ממולקולת מים אחת‬ ‫לאחרת‪ ,‬תוך יצירת יון הידרוניום ויון הידרוקסיד‪:‬‬ ‫)‪H2O(l) + H2O(l) € H3O+(aq) + OH−(aq‬‬

‫התהליך הזה נקרא יינון עצמי (‪ )autoionization‬של מים‪ .‬משום כך מים טהורים הם‬ ‫אלקטרוליט חלש מאוד ומוליך גרוע מאוד של חשמל‪ .‬למים יש תכונות של בסיס וחומצה גם‬ ‫יחד; הדיסוציאציה מניבה הן יוני הידרוניום והן יוני הידרוקסיד‪.‬‬ ‫‪−7‬‬ ‫מדידות הראו שריכוז יוני ההידרוניום במים טהורים ב־‪ 25ºC‬הוא ‪ .1.0 × 10 M‬יון‬ ‫הידרוקסיד אחד נוצר על כל יון הידרוניום שנוצר‪ ,‬ולכן ריכוז יוני ההידרוקסיד אף הוא‬ ‫‪ .1.0 × 10−7 M‬על פי המוסכמה‪ ,‬הריכוז המולרי בשיווי משקל מסומן באמצעות סוגריים‬ ‫מרובעים סביב הצורון‪:‬‬ ‫‪[H3O+] = 1.0 × 10−7 M‬‬ ‫‪[OH−] = 1.0 × 10−7 M‬‬

‫תמיסות של אלקטרוליטים נידונו‬ ‫בסעיף ‪.6.5‬‬

‫‪  288‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מכפלת ריכוזי יוני ההידרוניום וההידרוקסיד במים טהורים מכונה קבוע היינון העצמי של‬ ‫המים (‪ ,)ion product of water‬והיא מסומלת ‪.Kw‬‬ ‫]‪ = [H3O+][OH−‬קבוע יינון = ‪Kw‬‬ ‫]‪= [1.0 × 10−7][1.0 × 10−7‬‬ ‫‪= 1.0 × 10−14‬‬

‫ערכו של קבוע היינון אינו תלוי בסוג המומס או בריכוזו‪ ,‬כל עוד הטמפרטורה אינה משתנה‪.‬‬ ‫קבוע היינון הוא גודל תלוי טמפרטורה‪.‬‬ ‫‪−‬‬ ‫‪+‬‬ ‫סוג המומס וריכוזו במים משנים את הריכוזים של ‪ H3O‬ו־ ‪ OH‬המצויים במים‪ ,‬אבל‬ ‫מכפלת הריכוזים‪ ,[H3O+][OH−] ,‬תמיד שווה ל־‪ 1.0 × 10−14‬ב־‪ .25ºC‬הקשר הזה הוא הבסיס‬ ‫לסולם שימושי למדידה של רמת חומציות או בסיסיות של תמיסות‪ .‬סולם זה‪ ,‬סולם ה־‪,pH‬‬ ‫הוא הנושא של הסעיף הבא‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב ‪ pH‬על סמך נתוני ריכוז‪.‬‬

‫ייתכנו רמות ‪ pH‬הגדולות מ־‪14‬‬ ‫וקטנות מאפס‪ ,‬אך לרוב הן חסרות‬ ‫משמעות עקב האסוציאציה היונית‬ ‫המאפיינת תמיסות מרוכזות מאוד‪.‬‬

‫‪8.2‬‬

‫‪ :pH‬סולם מדידה של חומצות ובסיסים‬

‫הגדרה של ‪pH‬‬ ‫סולם ה־‪ )pH scale( pH‬משקף את הריכוז של יוני ההידרוניום ומבטא את מידת החומציות‬ ‫או הבסיסיות של תמיסה‪ .‬סולם ה־‪ pH‬אנלוגי במידת מה לסולם הטמפרטורה המשמש‬ ‫לביטוי רמות יחסיות של חום‪ :‬סולם הטמפרטורה פותח על מנת לאפשר לנו לבטא עד כמה‬ ‫גוף כלשהו חם‪ ,‬וסולם ה־‪ pH‬מתאר עד כמה תמיסה כלשהי חומצית או בסיסית‪ .‬הערכים של‬ ‫סולם ה־‪ pH‬נעים בין ‪( 0‬חומציות גדולה) ל־‪( 14‬בסיסיות גדולה)‪ ,7 .‬אמצע הסולם‪ ,‬הוא ערך‬ ‫ניטרלי‪ ,‬לא חומצי ולא בסיסי‪ .‬איור ‪ 8.3‬מספק המחשה נוחה של ‪ pH‬של תמיסות‪.‬‬ ‫על מנת לסייע לנו לפתח הבנה של ‪ ,pH‬הבה נתבונן בקביעות שלהלן‪:‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫הוספת חומצה (תורמת פרוטון) למים מגדילה את ריכוז ]‪ [H3O+‬ומקטינה את ריכוז‬ ‫]‪.[OH−‬‬ ‫הוספת בסיס (קולט פרוטון) למים מקטינה את ריכוז ]‪ [H3O+‬ומגדילה את ריכוז ]‪.[OH−‬‬ ‫במים מזוקקים ]‪.[H3O+] = [OH−‬‬

‫בשלושת המקרים‪ ,‬מכפלת ריכוזי היונים במים ב־‪ 25ºC‬היא ‪.[H3O+][OH−] = 1.0 × 10−14‬‬

‫מדידת ‪pH‬‬ ‫בכוחנו לחשב את ה־‪ pH‬של תמיסה אם אנו יודעים את הריכוז של ‪ H3O+‬או של ‪.OH−‬‬ ‫לחלופין‪ ,‬מדידת ‪ pH‬מאפשרת לנו לחשב את הריכוז של ‪ H3O+‬או של ‪ .OH−‬אפשר לחשב‬ ‫באופן מקורב את ה־‪ pH‬של תמיסות מימיות באמצעות אינדיקטור (נייר ‪ ,pH‬נייר לקמוס)‬ ‫שצבעו משתנה בהתאם ל־‪ pH‬של התמיסה‪ .‬מד ‪ pH‬מספק לנו מדידה מדויקת יותר‪ :‬הוא‬ ‫מכיל חיישן שמודד תכונה חשמלית של התמיסה‪ ,‬אשר מתכונתית ל־‪( pH‬איור ‪.)8.4‬‬

‫חישוב ‪pH‬‬ ‫אחת המטרות שלנו בפרק זה היא לחשב את ה־‪ pH‬של תמיסה כאשר אנו יודעים את ריכוז‬ ‫יוני ההידרוניום או ההידרוקסיד שלה‪ ,‬ולחשב את ]‪ [H3O+‬או ]‪ [OH−‬על סמך רמות מדודות‬ ‫של ‪.pH‬‬

‫איור ‪8-3‬‬ ‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪289‬‬

‫ריכוז ב־‪mol/liter‬‬ ‫]–‪[OH‬‬

‫חומצה כלורית )‪(HCl‬‬

‫‪0‬‬

‫‪100‬‬

‫‪10–14‬‬

‫מיצי קיבה‬

‫‪1‬‬

‫‪10–1‬‬

‫‪10–13‬‬

‫מיץ לימון‬

‫‪2‬‬

‫‪10–2‬‬

‫‪10–12‬‬

‫חומץ‪ ,‬קולה‪ ,‬בירה‬

‫‪3‬‬

‫‪10–3‬‬

‫עגבניות‬

‫‪4‬‬

‫‪10– 4‬‬

‫קפה שחור‬

‫‪5‬‬

‫‪10–5‬‬

‫שתן‪ ,‬רוק )‪(6.5‬‬

‫‪6‬‬

‫‪10– 6‬‬

‫מים מזוקקים‪ ,‬דם )‪(7.4‬‬

‫‪7‬‬

‫‪10–7‬‬

‫מי ים‬

‫‪8‬‬

‫‪10–8‬‬

‫‪10– 6‬‬

‫סודה לשתייה‬

‫‪9‬‬

‫‪10–9‬‬

‫‪10–5‬‬

‫חומציות הולכת וגדלה‬

‫דוגמאות‬

‫‪pH‬‬

‫]‪[H+‬‬

‫‪10–11‬‬ ‫‪10–10‬‬ ‫‪10–9‬‬ ‫‪10–8‬‬

‫ניטרליות‬

‫‪10–7‬‬

‫בסיסיות הולכת וגדלה‬

‫‪10– 4‬‬

‫ימת המלח הגדולה במדינת יוטה‬

‫‪10–10 10‬‬

‫אמוניה לשימוש ביתי‬

‫‪10–11 11‬‬

‫נתרן פחמתי‬

‫‪10–12 12‬‬

‫מסיר שומנים‬

‫‪10–13 13‬‬

‫‪10–1‬‬

‫נתרן הידרוקסידי )‪(NaOH‬‬

‫‪10–14 14‬‬

‫‪100‬‬

‫‪10–3‬‬ ‫‪10–2‬‬ ‫איור ‪ 8.3‬סולם ‪ 7 .pH‬הוא ערך ניטרלי ([–‪.)]H3O+] = [OH‬‬ ‫ערכים קטנים מ־‪ 7‬הם חומציים (מרבית היונים במים הם מסוג ‪,)H3O+‬‬ ‫וערכים גדולים מ־‪ 7‬הם בסיסיים (מרבית היונים במים הם מסוג –‪.)OH‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬ ‫‪ :‬רונית בורלא‬ ‫ה־‪ pH‬של תמיסה מוגדר בתור מינוס הלוגריתם של המולריות של יוני ההידרוניום‪:‬‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪4‬‬

‫לחשב ‪ pH‬על סמך נתוני ריכוז‪.‬‬

‫]‪pH = −log [H3O+‬‬

‫איור ‪8-4‬‬

‫לעתים קרובות ה־‪ pH‬או ]‪ [H3O+‬לא יהיו מספר שלם (‪[H3O+] = 1.5 × 10−3 ,pH = 5.3 ,pH = 1.5‬‬

‫וכיוצא באלה)‪ .‬מקרים כאלה מובאים בדוגמאות ‪ 8.6‬ו־‪.8.7‬‬

‫איור ‪ 8.4‬מדידת ‪ )1( .pH‬פסים‬ ‫של נייר מדידה המכיל אינדיקטור‬ ‫(חומר שמשנה את צבעו בתגובה‬ ‫לשינוי בחומציות הסביבה) מובאים‬ ‫במגע עם התמיסה הנבדקת‪.‬‬ ‫צבע הפס מושווה לטבלת צבעים‬ ‫סטנדרטית (שבה מוצג הצבע‬ ‫כפונקציה של ‪ )pH‬לקבלת ערך ‪pH‬‬ ‫מקורב‪ )2( .‬מד ‪ pH‬משתמש בחיישן‬ ‫(אלקטרודת ‪ )pH‬שהפוטנציאל‬ ‫החשמלי שלו מתכונתי ל־‪ pH‬של‬ ‫התמיסה‪.‬‬ ‫)‪(2‬‬

‫)‪(1‬‬

‫‪  290‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫דוגמאות ‪ 8.7–8.2‬ממחישות את חישובי ה־‪ pH‬השכיחים ביותר‪ .‬חשוב לזכור שבמקרה של‬ ‫בסיס יש להמיר את ]‪ [OH−‬ל־]‪ ,[H3O+‬באמצעות הביטוי לקבוע היינון העצמי של הממס‪,‬‬ ‫מים‪ .‬כדאי לזכור שמשום ש־‪ pH‬הוא פונקציה לוגריתמית על בסיס ‪ ,10‬שינוי הריכוז פי‬ ‫עשרה משנה את ה־‪ pH‬ביחידה אחת‪ .‬שינוי הריכוז פי עשרה שקול להזזת הנקודה העשרונית‬ ‫מקום אחד‪.‬‬ ‫השימוש התקין בפונקציה הלוגריתמית נדמה לעתים כסותר את כללי ספרות הערך‪.‬‬ ‫הסיבה היא שלוגריתם הוא פונקציה הפוכה לפונקציה המעריכית‪ ,‬והמעריך מכיל שני סוגים‬ ‫של מידע‪ :‬המידע מהמדידה ומקום הנקודה העשרונית‪.‬‬ ‫הכלל היישומי הוא שמספר הספרות אחרי הנקודה העשרונית בלוגריתם שווה למספר‬ ‫ספרות הערך במספר המקורי‪ .‬בדוגמאות ‪ 8.2‬ו־‪ ,8.3‬שתי ספרות ערך בריכוז מתאימות לשתי‬ ‫נקודות עשרוניות ב־‪( pH‬הלוגריתם)‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 8.2‬חישוב ‪ pH‬על סמך ריכוז של חומצה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב ‪ pH‬על סמך נתוני ריכוז‪.‬‬

‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסת ‪ HCl‬בריכוז ‪?1.0 × 10−3 M‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ HCl .1‬היא חומצה חזקה; עקב כך‪ ,‬הדיסוציאציה שלה היא ‪.100%‬‬ ‫שלב ‪ .2‬עבור כל מולקולת ‪ HCl‬נוצר יון ‪ H3O+‬אחד‪ .‬לפיכך‪ ,‬עבור תמיסת ‪ HCl‬בריכוז ‪ 1.0 × 10−3 M‬מתקיים ‪.[H3O+] = 1.0 × 10−3 M‬‬ ‫שלב ‪ .3‬נשתמש בביטוי ל־‪:pH‬‬

‫שלב ‪ .4‬נציב נתונים‪:‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.2‬‬

‫]‪pH = −log [H3O+‬‬

‫]‪10−3‬‬

‫× ‪pH = −log [1.0‬‬ ‫‪= −[−3.0] = 3.0‬‬

‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסת ‪ HNO3‬בריכוז ‪?1.0 × 10−4 M‬‬

‫דוגמה ‪8.3‬‬

‫@‬

‫חישוב [‪ ]H3O+‬על סמך ‪pH‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לחשב ריכוזים של יוני הידרוניום‬

‫מהו ]‪ [H3O+‬של תמיסת חומצה כלורית שרמת החומציות שלה היא ‪?pH = 4.00‬‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נשתמש בביטוי ל־‪:pH‬‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.49‬ו־‪8.50‬‬

‫ושל יוני הידרוקסיד על סמך נתוני‬ ‫‪.pH‬‬

‫]‪pH = −log [H3O+‬‬

‫ניסוח חלופי של המשוואה הוא‪:‬‬

‫‪10−pH‬‬

‫=‬

‫]‪O+‬‬

‫‪[H3‬‬

‫שלב ‪ .2‬נשתמש בביטוי הזה על מנת לחלץ את ]‪[H3O+‬‬ ‫‪[H3O+] = 10−4.00‬‬

‫שלב ‪ .3‬ביצוע החישוב במחשבון מניב את התוצאה‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.3‬‬

‫‪[H3O+] = 1.00 × 10−4 M‬‬

‫מהו ]‪ [H3O+‬של תמיסת ‪ ,HNO3‬אם רמת החומציות שלה היא ‪?pH = 5.00‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.51‬ו־‪8.52‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫דוגמה ‪ 8.4‬חישוב ה־‪ pH‬של בסיס‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪291‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב ‪ pH‬על סמך נתוני ריכוז‪.‬‬

‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסת ‪ NaOH‬בריכוז ‪?1.0 × 10−5 M‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ NaOH .1‬הוא בסיס חזק; עקב כך‪ ,‬הדיסוציאציה שלו היא ‪.100%‬‬ ‫שלב ‪ .2‬לכל יחידת ‪ NaOH‬נוצר יון ]‪ [OH−‬אחד‪ .‬לפיכך‪ ,‬עבור תמיסת ‪ NaOH‬בריכוז ‪ 1.0 × 10−5 M‬מתקיים ‪.[OH−] = 1.0 × 10−5 M‬‬ ‫שלב ‪ .3‬על מנת לחשב ‪ pH‬עלינו לדעת את ]‪ .[H3O+‬כזכור‪,‬‬ ‫‪[H3O+][OH−] = 1.0 × 10−14‬‬

‫שלב ‪ .4‬נחלץ את ]‪,[H3O+‬‬

‫‪1.0 × 1 0− 14‬‬ ‫[ ‪]OH −‬‬

‫שלב ‪ .5‬נציב את נתוני הבעיה‪,‬‬

‫= [ ‪]H 3O +‬‬

‫‪1.0 × 10− 14‬‬ ‫= [ ‪]H 3O +‬‬ ‫‪1.0 × 1 0− 5‬‬

‫‪= 1.0 × 10−9 M‬‬

‫שלב ‪ .6‬כעת הפתרון דומה לזה שבדוגמה ‪:8.2‬‬

‫]‪pH = −log [H3O+‬‬ ‫]‪= −log [1.0 × 10−9‬‬ ‫‪= 9.0‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.4‬‬

‫א ‪ .‬מהו ה־‪ pH‬של תמיסת נתרן הידרוקסידי בריכוז ‪?1.0 × 10−2 M‬‬ ‫ב‪ .‬מהו ה־‪ pH‬של תמיסת נתרן הידרוקסידי בריכוז ‪?1.0 × 10−6 M‬‬

‫דוגמה ‪8.5‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.53‬ו־‪8.54‬‬

‫חישוב ריכוז של יוני הידרוניום והידרוקסיד גם יחד על סמך ‪pH‬‬

‫מהם ]‪ [H3O+‬ו־]‪ [OH−‬של תמיסת נתרן הידרוקסידי שרמת החומציות שלה היא ‪?pH = 10.00‬‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬ראשית נחשב את‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לחשב ריכוזים של יוני הידרוניום‬

‫ושל יוני הידרוקסיד על סמך נתוני‬ ‫‪.pH‬‬

‫‪ [H3‬על סמך הביטוי ל־‪:pH‬‬

‫]‪O+‬‬

‫]‪pH = −log[H3O+‬‬ ‫‪[H3O+] = 10−pH‬‬ ‫‪[H3O+] = 10−10.00 M‬‬

‫שלב ‪ .2‬על מנת לחשב את ]‪ [OH−‬עלינו לחלץ את ]‪ [OH−‬באמצעות הביטוי שלהלן‪:‬‬ ‫‪Kw = [H3O+][OH−] = 1.0 × 10−14‬‬ ‫‪1.0 × 10− 14‬‬ ‫[ ‪]H 3O +‬‬

‫שלב ‪ .3‬נציב את ]‪ [H3O+‬מהשלב הראשון ונקבל‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.5‬‬

‫= [ ‪]OH −‬‬

‫‪1.0 × 10− 14‬‬ ‫‪1.0 × 10− 10.00‬‬

‫= [ ‪]OH −‬‬

‫‪= 1.000 × 10−4 M‬‬

‫מהם ]‪ [H3O+‬ו־]‪ [OH−‬של תמיסת אשלגן הידרוקסידי שרמת החומציות שלה היא ‪?pH = 8.00‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.55‬ו־‪8.56‬‬

‫‪  292‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫דוגמה ‪ 8.6‬חישוב ‪ pH‬במספרים לא שלמים‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬לחשב ‪ pH‬על סמך נתוני ריכוז‪.‬‬

‫מהו ה־‪ pH‬של דגימת מי אגם שבה ‪?[H3O+] = 6.5 × 10−5 M‬‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬נשתמש בביטוי ל־‪:pH‬‬ ‫]‪pH = −log [H3O+‬‬

‫שלב ‪ .2‬נציב נתונים‬ ‫]‪10−5‬‬

‫× ‪pH = −log [6.5‬‬ ‫‪= 4.2‬‬

‫הערה‪ :‬ערך ה־‪ ,4.2 ,pH‬נמוך במידה שמעלה חשד לגשם חומצי (ראו "כימיה ירוקה‪ :‬גשם חומצי" בפרק זה)‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.6‬‬

‫מהו ה־‪ pH‬של דגימת דם שבה ‪M‬‬

‫דוגמה ‪8.7‬‬

‫‪10−8‬‬

‫× ‪= 3.3‬‬

‫‪?[H3‬‬

‫]‪O+‬‬

‫@‬

‫חישוב [‪ ]H3O+‬על סמך ‪pH‬‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.67‬ו־‪8.68‬‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לחשב ריכוזים של יוני הידרוניום‬

‫ערך ה־‪ pH‬המדוד של דגימת מי אגם הוא ‪ .6.40‬מהו ]‪?[H3O+‬‬ ‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬לביטוי ה־‪,pH‬‬

‫ושל יוני הידרוקסיד על סמך נתוני‬ ‫‪.pH‬‬

‫]‪pH = −log [H3O+‬‬

‫יש ניסוח מתמטי חלופי‪ ,‬שהוא‬ ‫‪[H3O+] = 10−pH‬‬

‫שלב ‪ .2‬נשתמש בביטוי על מנת לחשב את ]‪.[H3O+‬‬ ‫‪[H3O+] = 10−6.40‬‬

‫שלב ‪ .3‬אם נבצע את החישוב במחשבון נקבל ‪.[H3O+] = 3.98 × 10−7‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.7‬‬

‫א ‪ .‬מהו ]‪ ,[H3O+‬אם רמת החומציות היא ‪?pH = 8.50‬‬ ‫ב‪ .‬מהו ]‪ ,[H3O+‬אם רמת החומציות היא ‪?pH = 4.50‬‬

‫שאלה ‪ 8.5‬מהו ]‪ [OH−‬של התמיסה בדוגמה ‪?8.2‬‬ ‫שאלה ‪ 8.6‬מהו ]‪ [OH−‬של התמיסה בדוגמה ‪?8.3‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.63‬ו־‪8.64‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪293‬‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫הובלת תרופות‬

‫התרופה היא שלב מפתח‪ .‬לדוגמה‪ ,‬תרופה המשתתפת בתגובת‬ ‫לוואי בלתי רצויה בתמיסה חומצית עשויה להיות בלתי יעילה‬ ‫אם היא נלקחת דרך הפה‪ .‬מיצי העיכול החומציים בקיבה‬ ‫עשויים למנוע מהתרופה להגיע לאבר המיועד‪ ,‬או לשלול ממנה‬ ‫את כוחה‪ .‬במקרה זה אפשר להזריק את התרופה לדם דרך‬ ‫וריד; הדם אינו חומצי‪ ,‬בניגוד למיצי העיכול‪ .‬בדרך זו אפשר‬ ‫להוביל את התרופה ללא פגע לאתר המיועד בגוף‪ ,‬שם תוכל‬ ‫לבצע את התגובה העיקרית שלה‪.‬‬ ‫הובלת תרופות (‪ )drug delivery‬הפכה למדע בפני עצמה‪.‬‬ ‫אחת ממטרות הפרמקולוגיה – חקר התרופות ושימושן‬ ‫בטיפול במחלות – היא ליצור תרופות בררניות‪ ,‬כלומר תרופות‬ ‫שישתתפו רק בתגובה אחת‪ ,‬זו שאנו מייעדים להן‪ .‬אריזת‬ ‫תרופות בכמוסות‪ ,‬בידודן בתוך מולקולות גדולות יותר או‬ ‫אוסף של מולקולות‪ ,‬עשויה להגן עליהן מפני תגובות בלתי‬ ‫רצויות בעודן מובלות לאתר הפעולה המיועד שלהן‪.‬‬

‫כשרופא רושם תרופה לטיפול במחלה או בתסמיניה אפשר‬ ‫ליטול אותה במגוון דרכים‪ .‬תרופות נלקחות דרך הפה‪ ,‬מוזרקות‬ ‫לשריר או לווריד או נספגות דרך העור‪ .‬במקרים רבים מתלוות‬ ‫לתרופה הנחיות מיוחדות על מנת לפקח על שילוב שלה עם‬ ‫תרופות אחרות‪ .‬גם התזונה עשויה להיות בעלת חשיבות‪ ,‬לפני‬ ‫טיפול תרופתי ואחריו‪.‬‬ ‫על מנת להבין מדוע תרופות נלקחות בדרך מסוימת יש‬ ‫להכיר כמה עובדות בסיסיות על תרופות ועל אופן השפעתן‬ ‫על הגוף‪.‬‬ ‫תרופות פועלות תוך ביצוע תגובות כימיות בגוף‪ .‬רק‬ ‫תרכובות מעטות מגיבות בדרך אחת בלבד תוך יצירת אוסף‬ ‫מוגבל של תוצרים‪ ,‬אפילו בסביבה הפשוטה של כוס כימית‪.‬‬ ‫תארו לעצמכם את מספר התגובות האפשריות שתרופה יכולה‬ ‫להשתתף בהן במפעל כימי מורכב כמו גוף האדם‪ .‬במקרים‬ ‫רבים תרופה יכולה להגיב במגוון דרכים השונות מהתגובה‬ ‫המיועדת‪ .‬הדרכים האחרות הללו הן תגובות לוואי‪ ,‬אשר‬ ‫לעתים מחוללות תופעות לוואי כגון בחילה‪ ,‬הקאות‪ ,‬נדודי שאלות הרחבה‬ ‫שינה או ישנוניות‪ .‬תופעות הלוואי עלולות להיות בלתי נעימות @ תרופות מסוימות מאבדות מהשפעתן כשבולעים אותן עם‬ ‫מיץ ענבים‪ .‬הציעו הסבר אפשרי לדבר‪.‬‬ ‫ולעתים אף להפריע לפעילות המרכזית של התרופה‪.‬‬ ‫פיתוח תרופות בטוחות ויעילות תוך מזעור תופעות הלוואי @ האם התרופות האמורות בקטע הן בסיסיות‪ ,‬חומציות או‬ ‫ניטרליות? מדוע?‬ ‫הוא תהליך אטי ודקדקני‪ ,‬וקביעת הדרך הטובה ביותר להובלת‬

‫החשיבות של ‪ pH‬ובקרה על ‪pH‬‬ ‫ל־‪ pH‬של תמיסה ולבקרה על ‪ pH‬יש תפקיד משמעותי בתחומים רבים של חיינו‪ .‬נביא להלן‬ ‫כמה דוגמאות‪:‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫חקלאות‪ :‬גידולים צומחים באופן מיטבי בקרקע שה־‪ pH‬שלה מתאים להם‪ .‬דישון נכון‬ ‫כולל שמירה על רמות תקינות של ‪.pH‬‬ ‫פיזיולוגיה‪ :‬אם ה־‪ pH‬של הדם סוטה ביחידה אחת‪ ,‬האדם מת‪ .‬תגובות ביוכימיות רבות‬ ‫באורגניזמים חיים תלויות ב־‪ pH‬במידה רבה מאוד‪.‬‬ ‫תעשייה‪ :‬רבים מהתהליכים התעשייתיים מצריכים בקרה קפדנית על ‪ ,pH‬החל בייצור‬ ‫מזון מעובד וכלה בייצור מכוניות‪.‬‬ ‫שירותים עירוניים‪ :‬טיהור מי שתייה וטיפול בביוב חובה שיתבצעו בתנאי ‪ pH‬מיטביים‪.‬‬ ‫גשם חומצי‪ :‬חומצה חנקתית וחומצה גפרתית‪ ,‬שנוצרות בעיקר בשל תגובה של מים‬ ‫עם מרכיבים בתהליך הייצור של אנרגיה חשמלית ומרכיבים בגז הפליטה של מכוניות‬ ‫(תחמוצות חנקן וגפרית)‪ ,‬יורדות כמשקעים ונכנסות למערכות מים (אגמים ונחלים)‪,‬‬ ‫שם הן מורידות את ה־‪ pH‬של המים‪ .‬רמות ‪ pH‬שאינן מיטביות מסוכנות עד מאוד‬ ‫לאוכלוסיות הדגים המקומיות‪.‬‬

‫לסיכום‪ ,‬כל שינוי שמתרחש בתמיסה מימית תלוי לפחות במידת מה ב־‪.pH‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 6‬לספק דוגמאות לחשיבות של ‪pH‬‬

‫במערכות כימיות וביוכימיות‪.‬‬

‫ראו "כימיה ירוקה‪ :‬גשם חומצי"‬ ‫בפרק זה‪.‬‬

‫‪  294‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לתאר את המשמעות והשימושים‬

‫של תגובות סתירה‪.‬‬

‫‪8.3‬‬

‫תגובות בין חומצות ובסיסים‬

‫סתירה‬

‫תגובה של חומצה עם בסיס שמניבה מלח ומים נקראת תגובת סתירה (‪.)neutralization‬‬ ‫במובן הצר‪ ,‬סתירה מצריכה מספר מולים זהה של ‪ H3O+‬ושל ‪ OH−‬על מנת להניב תמיסה‬ ‫ניטרלית (ללא עודפים של חומצה או בסיס)‪.‬‬ ‫הבה נתבונן בתגובה של חומצה כלורית ונתרן הידרוקסידי בתמיסה‪:‬‬ ‫ ‬

‫)‪HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l‬‬

‫מים‬

‫מלח ‬

‫בסיס‬

‫חומצה‬

‫מטרתנו היא שהמשוואה המאוזנת תייצג את התהליך המתרחש הלכה למעשה‪ .‬אנו יודעים‬ ‫ש־‪ HCl, NaOH‬ו־‪ NaCl‬מתפרקים ליונים בתמיסה‪:‬‬

‫איזון משוואות נידון בפרק ‪.4‬‬

‫)‪H+(aq) + Cl−(aq) + Na+(aq) + OH−(aq) → Na+(aq) + Cl−(aq) + H2O(l‬‬

‫אנו יודעים עוד כי ‪ Na+‬ו־‪ Cl−‬אינם משתנים בתגובה; הם מכונים יונים משקיפים‪ .‬אם נכתוב‬ ‫רק את המרכיבים שעוברים שינוי‪ ,‬תוך התעלמות מהיונים המשקיפים‪ ,‬נקבל משוואה יונית‬ ‫נטו מאוזנת‪:‬‬ ‫)‪H+(aq) + OH−(aq) → H2O(l‬‬

‫בתמיסה מימית‪ H+ ,‬מופיע בצורת יון הידרוניום‪ ,H3O+ ,‬ולכן הצורה הנכונה ביותר של‬ ‫המשוואה היונית נטו המאוזנת היא‪:‬‬ ‫)‪H3O+(aq) + OH−(aq) → 2H2O(l‬‬ ‫פנול אדום מצהיב בתמיסה חומצית‬ ‫ומאדים אחרי שהחומצה כולה‬ ‫נסתרה‪ .‬פנולפתלאין הוא חסר‬ ‫צבע בתמיסה חומצית ומווריד‬ ‫אחרי שהחומצה כולה נסתרה‪.‬‬ ‫פנולפתלאין הוא אינדיקטור מועדף‬ ‫משום שקל יותר לזהות שינוי‬ ‫מהיעדר צבע לצבע כלשהו‪ ,‬מאשר‬ ‫מצבע אחד לאחר‪.‬‬

‫טבלה ‪8.1‬‬ ‫‪.1‬‬ ‫‪.2‬‬ ‫‪.3‬‬ ‫‪.4‬‬ ‫‪.5‬‬ ‫‪.6‬‬

‫משוואה זו זהה עבור כל תגובת סתירה של חומצה חזקה‪/‬בסיס חזק‪.‬‬ ‫אפשר להשתמש בתגובת סתירה על מנת לקבוע ריכוז של חומצה או בסיס בלתי מוכרים‬ ‫המצויים בתמיסה‪ .‬שיטת הטיטור (‪ )titration‬מבוססת על הוספת כמויות מדודות של תמיסה‬ ‫תקנית (‪ ,standard solution‬תמיסה שריכוזה המדויק ידוע) במטרה לסתור את התמיסה‬ ‫השנייה‪ ,‬שריכוזה אינו ידוע‪ .‬על פי הנפחים של שתי התמיסות והריכוז של התמיסה התקנית‬ ‫אפשר לקבוע את הריכוז של התמיסה הבלתי ידועה‪.‬‬ ‫אופן הפעולה לטיטור חומצה‪-‬בסיס מובא בתמצות בטבלה ‪ .8.1‬החישובים המעורבים‬ ‫בטיטור חומצה‪-‬בסיס מומחשים בדוגמה ‪.8.8‬‬ ‫טיטור חומצה—בסיס‬

‫נפח ידוע של חומצה בלתי ידועה בריכוז בלתי ידוע מועבר לכוס כימית באמצעות פיפטה‪.‬‬ ‫אינדיקטור‪ ,‬חומר שמשנה את צבעו כאשר תמיסה מגיעה ל־‪ pH‬מסוים (איור ‪ ,)8.5‬נוסף לתמיסה הבלתי‬ ‫ידועה‪ .‬עלינו לדעת מניסיון קודם את ה־‪ pH‬הצפוי בנקודה הסטויכיומטרית (ראו שלב ‪ .)4‬בטיטור מעין זה‪,‬‬ ‫פנולפתלאין או פנול אדום יהיו בחירה הגיונית‪ ,‬משום שאנו יודעים שהנקודה הסטויכיומטרית היא ב־‪.pH = 7‬‬ ‫תמיסה של נתרן הידרוקסידי נוספת בקפידה לתמיסה הבלתי ידועה באמצעות ביורטה (איור ‪ ,)8.6‬צינור‬ ‫זכוכית ארוך המכויל בשנתות של מיליליטר‪ .‬ברז בתחתית הביורטה שולט בנפח הנוזל היוצא‪ .‬התמיסה‬ ‫התקנית מוספת עד שהאינדיקטור משנה את צבעו‪.‬‬ ‫בשלב זה‪ ,‬בנקודה הסטויכיומטרית (‪ ,)equivalence point‬מספר המולים של יוני הידרוקסיד שמוספים שווה‬ ‫למספר המולים של יוני הידרוניום המצויים בחומצה הבלתי ידועה‪ .‬התמיסה ניטרלית‪ ,‬וה־‪ pH‬הוא ‪.7‬‬ ‫אנו מודדים את הנפח שהוספנו בביורטה‪.‬‬ ‫באמצעות נתוני הניסוי (נפח התמיסה הבלתי ידועה‪ ,‬נפח התמיסה המטטרת וריכוז המולרי של התמיסה‬ ‫המטטרת) אנו מחשבים את הריכוז המולרי של החומר הבלתי ידוע‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬ ‫איור ‪8-5‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪295‬‬

‫קריסטל ויולט‬ ‫תימול כחול‬ ‫‪-2,4‬דו־ניטרופנול‬ ‫ברומפנול כחול‬ ‫ברומקרזול ירוק‬ ‫מתיל אדום‬ ‫אליזרין‬ ‫ברומתימול כחול‬ ‫פנול אדום‬ ‫פנולפתלאין‬ ‫אליזרון צהוב ‪R‬‬ ‫‪14‬‬

‫רונית בורלא‬

‫‪13‬‬

‫‪12‬‬

‫‪11‬‬

‫‪10‬‬

‫‪9‬‬

‫‪8‬‬

‫‪7‬‬ ‫‪pH‬‬

‫‪6‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬

‫‪5‬‬

‫‪4‬‬

‫‪3‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫איור ‪ 8.5‬הקשר בין ‪ pH‬והצבע של מגוון תרכובות‪ ,‬אשר חלקן משמשות כאינדיקטורים של‬ ‫חומצה—בסיס‪ .‬רבים מהאינדיקטורים הם חומרים שכיחים‪.‬‬

‫איור ‪8-6‬‬

‫)‪(2‬‬

‫‪2‬‬

‫‪1‬‬

‫‪0‬‬

‫)‪(1‬‬

‫איור ‪ 8.6‬טיטור חומצה—בסיס‪ )1( .‬נפח מדויק של תמיסה תקנית (בדוגמה זו‪ ,‬בסיס) מוסף לתמיסה‬ ‫שריכוזה אינו ידוע (בדוגמה זו‪ ,‬חומצה)‪ )2( .‬על סמך הנפח (שנמדד בביורטה) והריכוז של התמיסה‬ ‫התקנית‪ ,‬בשילוב עם המסה או הנפח של התמיסה הבלתי ידועה‪ ,‬אפשר לחשב את ריכוז התמיסה‬ ‫הבלתי ידועה‪.‬‬

‫‪  296‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫דוגמה ‪ 8.8‬קביעת ריכוז של תמיסת חומצה כלורית‬ ‫דגימת חומצה כלורית בריכוז בלתי ידוע ובנפח‪ 25.00 mL‬הועברה לכוס כימית‪ ,‬שאליה נוספו‬ ‫כמה טיפות של האינדיקטור פנולפתלאין‪ ,‬והתמיסה טוטרה עם תמיסת נתרן הידרוקסידי‬ ‫בריכוז ‪ .0.1000 M‬לאחר שהוסיפו ‪ 35.00 mL‬של תמיסת נתרן הידרוקסידי שינה האינדיקטור‬ ‫את צבעו לוורוד‪ ,‬וסימן לכימאית שהתגובה הגיעה לנקודה הסטוכיומטרית‪ .‬מהו הריכוז‬ ‫המולרי של החומצה?‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לתאר את המשמעות והשימושים‬

‫של תגובות סתירה‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬המידע החשוב על הטיטור הוא‪:‬‬ ‫נפח תמיסת החומצה הכלורית‪.25.00 mL ,‬‬ ‫נפח תמיסת נתרן הידרוקסידי שנוספה‪.35.00 mL ,‬‬ ‫הריכוז של תמיסת הנתרן ההידרוקסידי‪.0.1000 M ,‬‬ ‫שלב ‪ .2‬על סמך המשוואה המאוזנת‪ ,‬אנו יודעים כי ‪ 1‬מול של ‪ HCl‬מגיב עם ‪ 1‬מול של ‪ NaOH‬באופן זה‪:‬‬ ‫)‪HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l‬‬

‫שימו לב‪ :‬המשוואה היונית המאוזנת נטו של התגובה מספקת מידע זהה; ‪ 1‬מול של ‪ H3O+‬מגיב עם ‪ 1‬מול של ‪.OH−‬‬ ‫)‪H3O+(aq) + OH−(aq) → 2H2O(l‬‬

‫שלב ‪ .3‬נשתמש בגורמי המרה‪,‬‬

‫‪1 L NaOH‬‬ ‫‪0.1000 mol NaOH‬‬ ‫‪35.00 mL NaOH × 3‬‬ ‫‪3.500 × 10− 3 mol NaOH‬‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫‪1 L NaOH‬‬ ‫‪10 mL NaOH‬‬

‫ ‬

‫שלב ‪ .4‬אנו יודעים כי ‪ HCl‬ו־‪ NaOH‬מגיבים ביחס של אחד לאחד‪ ,‬ולכן‬ ‫‪1 mol HCl‬‬ ‫‪3.500 × 10− 3 mol HCl‬‬ ‫=‬ ‫‪1 mol NaOH‬‬

‫× ‪3.500 × 10− 3 mol NaOH‬‬

‫‪ 3.500 × 10−3‬מול של ‪ HCl‬נמצאים ב־‪ 25.00 mL‬של תמיסת ‪.HCl‬‬ ‫שלב ‪ .5‬לפיכך‪,‬‬

‫) ‪3.500 × 10− 3 mol HCl 103 mL HCl( aq‬‬ ‫) ‪1.400 × 10− 1 mol HCl / L HCl( aq‬‬ ‫×‬ ‫=‬ ‫) ‪25.00 mL HCl( aq‬‬ ‫) ‪1 L HCl( aq‬‬ ‫‪= 0.1400 M‬‬

‫טיטור של חומצה עם בסיס מומחש באיור ‪.8.6‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.8‬‬

‫א ‪ .‬מהו הריכוז המולרי של תמיסת נתרן הידרוקסידי‪ ,‬אם היה צורך ב־‪ 40.00 mL‬של התמיסה על מנת לסתור‪ 20.00 mL‬של‬ ‫תמיסת חומצה כלורית בריכוז ‪?0.2000 M‬‬ ‫ב‪ .‬מהו הריכוז המולרי של תמיסת נתרן הידרוקסידי‪ ,‬אם היה צורך ב־‪ 36.00 mL‬של התמיסה על מנת לסתור‪ 25.00 mL‬של‬ ‫תמיסת חומצה כלורית בריכוז ‪?0.2000 M‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.77‬ו־‪8.78‬‬

‫כימיה ירוקה‬ ‫גשם חומצי‬ ‫גשם חומצי הוא בעיה סביבתית חובקת עולם שהעלתה את הרגילה של גשם היא כ־‪ ,5.6‬עקב התגובה הכימית בין גז פחמן‬ ‫המודעות הציבורית לזיהום אוויר בחומרים כימיים הנובע דו־חמצני לבין מים שבאטמוספרה‪ .‬התגובה מוצגת במשוואה‬ ‫מפעילות החברה התעשייתית שאנו חיים בה‪ .‬רמת החומציות שלהלן‪:‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫)‪H2CO3(aq‬‬

‫חומצה פחמתית ‬

‫€‬

‫)‪H2O(l‬‬

‫מים ‬

‫‪+‬‬

‫)‪CO2(g‬‬

‫פחמן דו־חמצני‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪297‬‬

‫)‪2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g‬‬

‫ ‬

‫חמצן תחמוצת חנקן‬

‫חנקן דו־חמצני‬

‫גשם חומצי מתייחס לתנאים חומציים יותר‪ .‬בצפון מדינת ניו חנקן דו־חמצני (אשר מעניק לערפיח את צבעו החום) מגיב‬ ‫יורק‪ ,‬חומציות הגשם גדולה פי עשרים וחמישה מזו של גשם לאחר מכן עם מים ויוצר חומצה חנקתית‪:‬‬ ‫רגיל‪ .‬סופת גשמים במערב וירג'יניה המטירה גשם ברמת ‪pH‬‬ ‫)‪3NO2(g) + H2O(l) → 2HNO3(aq) + NO(g‬‬ ‫של ‪ .1.5‬רמה זו שקולה ל־‪ pH‬של מיצי קיבה‪ ,‬והיא חומצית פי‬ ‫עשרת אלפים מ"גשם רגיל" (כזכור‪ ,‬סולם ‪ pH‬הוא לוגריתמי; בתהליכים כימיים דומים משתתפות תחמוצות גפרית‪ .‬פחם‬ ‫יחידת ‪ pH‬אחת מייצגת גידול של פי עשרה בריכוז יוני עשוי להכיל גפרית בכמות של עד ‪ .3%‬כשהפחם נשרף‪,‬‬ ‫גם הגפרית נשרפת‪ .‬הדבר יוצר גז מחניק וחריף‪ ,‬גפרית‬ ‫ההידרוניום)‪.‬‬ ‫גשם חומצי מחריב את החיים בנחלים ואגמים‪ .‬למעלה דו־חמצנית‪:‬‬ ‫)‪S(s) + O2(g) → SO2(g‬‬ ‫ממחצית האגמים ההרריים במערב הרי אדירונדק במדינת ניו‬ ‫יורק )‪ (Adirondack Mountains‬אינם מכילים דגי מאכל אנדמיים כשלעצמה‪ ,‬גפרית דו־חמצנית עלולה לגרום לבעיות נשימה‬ ‫(שאינם מצויים בשום מקום אחר)‪ .‬נוסף ל־‪ 300‬האגמים הללו‪ ,‬חמורות בקרב חולי אסתמה או מחלות ריאה אחרות‪ ,‬אבל‬ ‫‪ 140‬אגמים באונטריו (קנדה) סובלים מגורל דומה‪ .‬על פי מצב העניינים מחריף עוד יותר כאשר ‪ SO2‬מגיב עם חמצן‬ ‫הערכות‪ 48,000 ,‬אגמים אחרים באונטריו ואינספור מקווי מים באטמוספרה‪:‬‬ ‫)‪2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g‬‬ ‫אחרים בצפון מזרח ארה"ב ובמרכזה נמצאים בסכנה‪ .‬היערות‬ ‫נמצאים אף הם בסכנה‪ .‬הגשם החומצי מוריד את ה־‪ pH‬של גפרית תלת־חמצנית מגיבה עם מים באטמוספרה‪:‬‬ ‫הקרקע‪ ,‬והדבר משנה את המסיסות של מינרלים שהצמחים‬ ‫)‪SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq‬‬ ‫זקוקים להם‪ .‬מחקרים מראים שכ־‪ 40%‬מעצי האשוחית והאדר‬ ‫בניו אינגלנד מתו‪ .‬הגידול בחומציות הגשמים הוא ככל הנראה התוצר‪ ,‬חומצה גפרתית‪ ,‬מגרה עוד יותר את דרכי הנשימה‪.‬‬ ‫כשהגשם החומצי שנוצר על ידי התגובות המוצגות לעיל יורד‬ ‫גורם מרכזי בכך‪.‬‬ ‫מה גורם לגשם החומצי? שרפת דלקים מאובנים (גז טבעי‪ ,‬לקרקע‪ ,‬ההשפעה הביולוגית שלו משמעותית‪ ,‬כפי שכבר ציינו‪.‬‬ ‫קל לאזן את המשוואות הכימיות הללו‪ ,‬אך ייתכן שנזדקק‬ ‫נפט ופחם) בתחנות כוח יוצרת תחמוצות של גפרית ושל‬ ‫חנקן‪ .‬תחמוצות חנקן‪ ,‬בכמויות החורגות מהרמות הנורמליות‪ ,‬לעשרות שנים על מנת לאזן את המערכות האקולוגיות שערערנו‬ ‫מתקבלות בעיקר מהמרה של חנקן אטמוספרי לתחמוצות עקב הכמות העצומה של דלקים מאובנים שאנו צורכים‪ .‬צמצום‬ ‫חנקן במנועים של כלי רכב המשתמשים בדלק ודיזל‪ .‬תחמוצות פתאומי בשיעור של ‪ 25%‬בשימוש בדלקים אלה עלול להוביל‬ ‫גפרית מתקבלות מחמצון של גפרית בדלקים מאובנים‪ .‬אטומי לתוהו ובוהו כלכלי כלל עולמי‪ .‬פיתוח מקורות אנרגיה חלופיים‪,‬‬ ‫מספראתהעבודה‪:‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫האמיניות שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫גרעינית‪8‬בטוחה‪ ,‬יסייע לצמצם‬ ‫סולרית ואנרגיה‬ ‫אנרגיה‬ ‫והחלבונים של כגון‬ ‫מהחומצות‬ ‫ביצוע‪ :‬חלק‬ ‫הגפרית היו במקור‬ ‫צמחים ובעלי חיים אשר הפכו‪ ,‬במרוצת אלפי שנים‪ ,‬לדלק‪ .‬התלות שלנו בדלקים מאובנים ולאזן את המשוואה הגלובלית‪.‬‬ ‫הרחבה‬ ‫תחמוצות אלה של גפרית ושל חנקן מגיבות עם מים‪ ,‬בדומה ל־ שאלות‬ ‫בעמ' ‪276‬‬ ‫איור‬ ‫‪ CO2‬בגשם רגיל‪ ,‬אבל התוצרים המתקבלים הם חומצות חזקות @ חוו דעתכם על הקביעה‪" :‬העברה ואכיפה של חקיקה חזקה‬ ‫יותר מחומצה פחמתית‪ :‬חומצה גפרתית וחומצה חנקתית‪ .‬הבה‬ ‫נגד פליטה של תחמוצות גפרית וחנקן תפתור את בעיית‬ ‫נבחן את המשוואות המתארות את התהליכים הללו‪.‬‬ ‫הגשם החומצי בארצות הברית"‪.‬‬ ‫באטמוספרה‪ ,‬חנקן חד־חמצני (‪ )NO‬יכול להגיב עם חמצן @ עיינו בספרות וקבעו את אחוז החשמל שמופק מפחם‬ ‫ולהניב חנקן דו־חמצני באופן זה‪:‬‬ ‫בישראל‪.‬‬ ‫בסיסי‬ ‫‪14‬‬

‫‪13‬‬

‫‪12‬‬

‫‪11‬‬

‫אמוניה‬

‫‪9‬‬

‫סודה‬ ‫לשתייה‬ ‫מקרא‪:‬‬

‫נזק שנגרם עקב גשם חומצי‪.‬‬

‫‪10‬‬

‫ניטרלי‬ ‫‪8‬‬

‫‪7‬‬

‫מים‬ ‫מזוקקים‬

‫חומצי‬ ‫‪6‬‬

‫גשם‬ ‫"רגיל"‬

‫‪5‬‬

‫‪4‬‬

‫‪3‬‬

‫חומץ‪ ,‬מיץ מיצי‬ ‫יין לימון קיבה‬

‫טווח ערכי ה־‪ pH‬המיוחס לגשם חומצי‬

‫ערכי ‪ pH‬של מגוון חומרים בהשוואה ל־‪ pH‬של גשם חומצי‬

‫‪2‬‬

‫‪1‬‬

‫‪0‬‬

‫‪6‬‬

‫‪  298‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫כימיה ירוקה‬ ‫פרחי הידרנג'אה‪ pH ,‬וכימיה של הקרקע‬ ‫קשה לחלוף על פני שיח פרחי הידרנג'אה (הנקרא גם הורטנזיה)‬ ‫בפארק או בגינה מבלי לעצור‪ ,‬ולו לרגע‪ ,‬ולהשתאות לנוכח‬ ‫יופיים‪ .‬רובם כחולים או ורודים; מדי פעם אחד הפרחים מפגין‬ ‫תערובת של שני צבעים‪ .‬רובם משתייכים למין ‪Hydrangea‬‬ ‫‪ ,macrophylla‬שמקורו ביפן‪.‬‬ ‫בעבר סברו שהפרחים הוורודים והכחולים משתייכים‬ ‫למינים שונים אך לבסוף נקבע שהם מאותו מין‪ ,‬והצבע שלהם‬ ‫תלוי בסוג הקרקע‪ .‬זמן קצר לאחר מכן נקבע שהגורם הוא‬ ‫רמת ה־‪ pH‬בקרקע; ב־‪ pH‬נמוך צמחו פרחים כחולים‪ ,‬וב־‪pH‬‬ ‫גבוה צמחו פרחים ורודים‪ .‬המנגנון המשוער היה פרוטונציה‬ ‫ודפרוטונציה של מולקולה אחת או יותר שמקנות את תכונת‬ ‫הצבע לפרחים‪ .‬הצבע תלוי במידת הפרוטונציה‪ .‬לשם השוואה‪,‬‬ ‫ראו את התנהגותם של מחוונים של חומצה‪-‬בסיס כגון‬ ‫פנולפתלאין וברומתימול כחול בסעיף ‪.8.3‬‬ ‫למדנו בפרק ‪ 1‬שתיאוריות עומדות למבחן‪ ,‬והמבחן עשוי שאלות הרחבה‬ ‫להוביל לעדכונן‪ .‬זה בהחלט המקרה של צבעי ההידרנג'אה‪.‬‬ ‫@ כיצד יכולה הידרנג'אה לשמש כמחוון לרמת ה־‪ pH‬בקרקע?‬ ‫ ‬ ‫מחקרים מן העת האחרונה מראים ש־‪ Al3+‬חיוני להתהוות @ עלי הכותרת של חלק מפרחי ההידרנג'אה מקבלים גון‬ ‫הצבע הכחול‪ .‬תרכובת המכילה ‪ Al3+‬צריכה להיווצר בעלי‬ ‫סגול‪ .‬הציעו הסבר אפשרי לתופעה‪.‬‬

‫הכותרת; תרכובת זו אחראית לצבע הכחול‪ .‬היעדר ‪ Al3+‬מוביל‬ ‫לעלי כותרת ורודים‪.‬‬ ‫מה מקור ה־‪ ?Al3+‬בלי ספק הוא מצוי בקרקע‪ .‬אלומיניום‬ ‫מופיע בקרקע כחלק מתרכובות כגון ‪ Al2O3‬או ‪.Al(OH)3‬‬ ‫תרכובות אלומיניום ידועות לשמצה בכך שהן קשות תמס‬ ‫בקרקע ניטרלית או בסיסית מעט‪ ,‬אך מסיסותן גדלה בחדות‬ ‫בקרקע חומצית‪.‬‬ ‫אם כן‪ pH ,‬נמוך מעיד על חומצה בריכוז גבוה‪ ,‬הגורמת‬ ‫למסיסות גבוהה של תרכובות אלומיניום בקרקע שבעטייה‬ ‫ריכוזים גדולים יותר של )‪ Al3+(aq‬מובלים מהקרקע לעלי‬ ‫הכותרת‪ .‬התוצאה הסופית של רצף זה היא ההידרנג'אות‬ ‫הכחולות היפות‪.‬‬

‫חומרים רב־פרוטיים‬ ‫לא כל תגובה של חומצה ובסיס מתרחשת ביחס של ‪( 1:1‬כמו חומצה כלורית ונתרן‬ ‫הידרוקסידי בדוגמה ‪ .)8.8‬תגובות חומצה בסיס ביחסי תגובה השונים מ־‪ 1:1‬מתרחשות בין‬ ‫מה שמכונה חומרים רב־פרוטיים‪ .‬חומרים רב־פרוטיים (‪ )polyprotic substance‬תורמים‬ ‫(כחומצות) או מקבלים (כבסיסים) יותר מפרוטון אחד לכל יחידת נוסחה‪.‬‬

‫תגובות בין חומרים רב־פרוטיים‬

‫כאשר ‪ HCl‬מגיב‪ ,‬הוא מניב יון ‪ H+‬אחד לכל ‪ .HCl‬מסיבה זו הוא מכונה חומצה‬ ‫חד־פרוטית‪ .‬התגובה שלו עם נתרן הידרוקסידי היא‪:‬‬ ‫)‪HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + Na+(aq) + Cl−(aq‬‬

‫חומצה גפרתית‪ ,‬לעומת זאת‪ ,‬היא חומצה דו־פרוטית‪ .‬כל יחידה של ‪ H2SO4‬מניבה שני יוני‬ ‫‪ .H+‬התגובה שלה עם נתרן הידרוקסידי היא‪:‬‬ ‫)‪H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) → 2H2O(l) + 2Na+(aq) + SO42−(aq‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪299‬‬

‫חומצה זרחתית היא חומצה תלת־פרוטית‪ .‬כל יחידה של ‪ H3PO4‬מניבה שלושה יוני ‪.H+‬‬ ‫התגובה שלה עם נתרן הידרוקסידי היא‪:‬‬ ‫)‪H3PO4(aq) + 3NaOH(aq) → 3H2O(l) + 3Na+(aq) + PO43−(aq‬‬

‫דיסוציאציה של חומרים רב־פרוטיים‬

‫תגובה של חומצה גפרתית ושל חומצות דו־פרוטיות אחרות עם מים גורמת לפירוק החומצה‬ ‫ליונים בשני שלבים‪:‬‬ ‫שלב ‪ .1‬‬

‫)‪H2SO4(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + HSO4−(aq‬‬

‫שלב ‪ .2‬‬

‫)‪HSO4−(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + SO42−(aq‬‬

‫שימו לב לכך ש־‪ H2SO4‬מתנהגת כחומצה חזקה (שלב ‪ )1‬ו־‪ HSO4−‬מתנהגת כחומצה חלשה‪,‬‬ ‫כפי שמעיד החץ הכפול (שלב ‪.)2‬‬ ‫תגובה דומה של חומצה זרחתית מתרחשת בשלושה שלבים‪ ,‬ובכל שלב החומצה מתנהגת‬ ‫כחומצה חלשה‪.‬‬ ‫שלב ‪ .1‬‬

‫)‪H3PO4(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + H2PO4−(aq‬‬

‫שלב ‪ .2‬‬

‫)‪2−(aq‬‬

‫שלב ‪ .3‬‬

‫)‪HPO42−(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + PO43−(aq‬‬

‫‪+ HPO4‬‬

‫)‪O+(aq‬‬

‫‪+ H2O(l) € H3‬‬

‫)‪−(aq‬‬

‫‪H2PO4‬‬

‫גם בסיסים מפגינים תכונה זו‪.‬‬ ‫‪ NaOH‬מניב יון ‪ OH−‬אחד לכל יחידת נוסחה‪:‬‬ ‫)‪NaOH(aq) → Na+(aq) + OH−(aq‬‬

‫בריום הידרוקסידי‪ ,Ba(OH)2 ,‬מניב שני יוני ‪ OH−‬לכל יחידת נוסחה‪:‬‬ ‫)‪Ba(OH)2(aq) → Ba(OH)+(aq) + OH−(aq‬‬

‫וכן‬

‫‪8.4‬‬

‫)‪Ba(OH)+(aq) → Ba2+(aq) + OH−(aq‬‬

‫תמיסות בופר חומצה—בסיס‬

‫תמיסת בופר (‪ )buffer solution‬היא תמיסת מגן – היא מכילה מרכיבים שמאפשרים לה לשמור‬ ‫על רמת ‪ pH‬ולעמוד בשינויים העלולים להיגרם עקב הוספה של חומצה או של בסיס‪ .‬תמיסות‬ ‫בופר משמשות במעבדה על מנת לשמור על תנאים מיטביים לתגובה כימית‪ .‬בופרים משמשים‬ ‫דרך שגרה במוצרים מסחריים על מנת לשמור על תנאים מיטביים להתנהגות המוצר‪.‬‬ ‫תמיסות בופר מצויות גם בטבע‪ .‬לדוגמה‪ ,‬דם הוא תמיסת בופר טבעית בעלת ‪ pH‬של‬ ‫כ־‪ ,7.4‬ערך מיטבי להובלת חמצן‪ .‬הבופר בדם מורכב בעיקר מתערובת של חומצה פחמתית‬ ‫(‪ )H2CO3‬ויונים פחמתיים (‪.)HCO3−‬‬

‫פעילות הבופר‬ ‫בסיס פעולת הבופר הוא תגובת שיווי משקל בין חומצה חלשה והבסיס המצומד שלה‪ ,‬או בין‬ ‫בסיס חלש והחומצה המצומדת שלו‪ .‬הבה נבחן מקרה של חומצה חלשה והבסיס המצומד‬ ‫שלה (המלח שלה)‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לתאר את היישומים של תמיסות‬

‫בופר במערכות כימיות וביוכימיות‪,‬‬ ‫ובמיוחד בכימיה של הדם‪.‬‬

‫‪  300‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נתעלם מ־ ‪ Na+‬בתיאור הבופר‪,‬‬ ‫מאחר שזהו יון משקיף שאין לו‬ ‫תפקיד פעיל בתגובה‪.‬‬

‫יון אצטט הוא הבסיס המצומד של‬ ‫חומצה אצטית‪.‬‬

‫ראו סעיף ‪ 7.4‬לדיון בעיקרון לה‬ ‫שטליה‪.‬‬

‫תמיסת בופר נפוצה מורכבת מחומצה אצטית (‪ )CH3COOH‬ומנתרן אצטטי (‪.)CH3COONa‬‬ ‫נתרן אצטטי הוא מלח‪ ,‬והוא המקור של הבסיס המצומד ‪ CH3COO−‬לחומצה האצטית‪.‬‬ ‫בתמיסה נוצר שיווי משקל בין החומצה החלשה והבסיס המצומד‪.‬‬ ‫)‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + CH3COO−(aq‬‬

‫יון הידרוניום‬ ‫יון אצטט ‬ ‫ ‬ ‫(בסיס מצומד)‬

‫ ‬ ‫ ‬

‫מים‬

‫חומצה אצטית‬ ‫(חומצה חלשה)‬

‫תמיסת בופר מתנהגת בהתאם לעקרון לה שטלייה‪ ,‬אשר קובע כי כאשר מפעילים עקה על‬ ‫מערכת בשיווי משקל דינמי‪ ,‬שיווי המשקל נוטה להשתנות באופן הממזער את השפעת‬ ‫העקה‪ .‬עיקרון זה מומחש בדוגמאות שלהלן‪.‬‬

‫הוספת בסיס או חומצה לתמיסת בופר‬ ‫הוספה של חומר בסיסי לתמיסת הבופר שלנו מחוללת את השינויים שלהלן‪:‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ OH−‬שמקורו בבסיס מגיב עם ‪ ,H3O+‬ונוצרים מים‪.‬‬ ‫חומצה אצטית מולקולרית מתפרקת ליוני הידרוניום ויוני אצטט ובכך תורמת יוני‬ ‫שהבסיס צרך‪ ,‬תוך שמירה על רמת ‪ pH‬הקרובה לרמה ההתחלתית‪.‬‬

‫‪O+‬‬

‫‪H3‬‬

‫זו דוגמה לעקרון לה שטלייה‪ ,‬משום שהפיצוי על אובדן ‪( H3O+‬העקה) הוא דיסוציאציה של‬ ‫חומצה אצטית ויצירת ‪ H3O+‬נוסף‪.‬‬ ‫הוספת תמיסה חומצית לבופר מחוללת את השינויים שלהלן‪:‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫שם העבודה‪ +:‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬

‫מספר העבודה‪116 :‬‬

‫‪ H3O+‬מהחומצה מגדיל את ] ‪ [H3O‬הכללי‪.‬‬ ‫המערכת מגיבה לעקה‪ ,‬בהתאם לעקרון לה שטלייה‪ ,‬ביצירת חומצה אצטית מולקולרית‬ ‫בעמ'‬ ‫‪279‬ריכוז ה־‪ ,H3O+‬ומכאן ה־‪ ,pH‬נותרים‬ ‫בדרך זו‬ ‫איור‪.H3O+‬‬ ‫נוספת; יון אצטט מתרכב עם‬ ‫קרובים לרמה ההתחלתית‪.‬‬

‫תגובה זו תואמת את עקרון לה שטלייה משום שיוני ‪ H3O+‬הנוספים (העקה) מגיבים עם יוני‬ ‫האצטט ויוצרים כמות נוספת של חומצה אצטית מולקולרית‪.‬‬ ‫אפשר לסכם את התופעה כדלקמן‪:‬‬ ‫)‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + CH3COO−(aq‬‬

‫בהוספת –‪ ,OH‬שיווי המשקל מוסט לכיוון התוצרים‬ ‫בהוספת ‪ ,H3O+‬שיווי המשקל מוסט לכיוון המגיבים‬ ‫חשוב לזכור‪ :‬החומצה החלשה היא מרכיב המפתח של הבופר בפעולתו נגד עודפי ‪,OH−‬‬ ‫והמלח של החומצה החלשה הוא המפתח לפעולה של הבופר נגד עודפי ‪.H3O+‬‬

‫קיבול הבופר‬

‫קיבול הבופר (‪ )buffer capacity‬הוא מדד ליכולת של תמיסת הבופר לשמור על רמת ה־‪pH‬‬

‫כאשר מוסיפים לה חומצה חזקה או בסיס חזק‪ .‬ביתר פירוט‪ ,‬קיבול הבופר מתואר ככמות‬ ‫החומצה החזקה או הבסיס החזק שאפשר להוסיף לתמיסת בופר מבלי להשפיע משמעותית‬ ‫על ה־‪ pH‬שלה‪ .‬בהוספת בסיס חזק לתמיסת הבופר‪ ,‬קיבול הבופר תלוי בריכוז החומצה החלשה‬ ‫(במקרה זה ‪ .)CH3COOH‬בהוספת חומצה חזקה לתמיסת הבופר‪ ,‬קיבול הבופר תלוי בריכוז‬ ‫האניון של המלח‪ ,‬כלומר בריכוז הבסיס המצומד (במקרה זה ‪ .)CH3COO−‬לא אחת תמיסת‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪301‬‬

‫הבופר מתוכננת כך שקיבול הבופר כלפי החומצה וקיבול הבופר כלפי הבסיס יהיו זהים‪.‬‬ ‫בדוגמה שלנו‪ ,‬הדבר מושג כאשר יחס הריכוזים מקיים ‪ .[CH3COO−]/[CH3COOH] = 1‬כפועל‬ ‫יוצא‪ ,‬כאשר ]‪ [CH3COO−‬ו־]‪ [CH3COOH‬גבוהים‪ ,‬אנו מבטיחים קיבול בופר גבוה ביחס‬ ‫להוספה של חומצות ובסיסים כאחד‪.‬‬

‫הכנה של תמיסת בופר‬ ‫טוב נעשה אם נבין כיצד להכין תמיסת בופר וכיצד לקבוע את ה־‪ pH‬של התמיסה שאנו‬ ‫מכינים‪ .‬תגובות כימיות רבות מניבות כמות מרבית של תוצר רק כשהן מתבצעות ברמת ‪pH‬‬ ‫קבועה ומיטבית‪ .‬מחקר מעבדתי של תהליכים חשובים בביולוגיה מצריך לא אחת תנאים‬ ‫הדומים להרכב של נוזלים ביולוגיים‪ .‬לשם כך מן ההכרח לשמור על ‪ pH‬קבוע‪.‬‬ ‫התהליך המתרחש בתמיסת הבופר הוא תגובת שיווי משקל‪ ,‬והיחס בין מרכיבי הבופר‬ ‫הוא חלק מהביטוי לקבוע שיווי המשקל‪ .‬בעבור חומצות‪ ,‬קבוע שיווי המשקל מיוצג בתור ‪,Ka‬‬ ‫והכתב התחתי ‪ a‬מסמל שיווי משקל של חומצה (‪ .)acid‬לדוגמה‪ ,‬אפשר לתאר את המערכת‬ ‫חומצה אצטית‪/‬נתרן אצטטי כך‬ ‫)‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + CH3COO−(aq‬‬

‫וכן‬

‫[ ‪]H 3O + []CH 3COO −‬‬ ‫= ‪Ka‬‬ ‫[‪]CH 3COOH‬‬

‫באמצעות כמה שינויים מתמטיים אפשר להפוך את הביטוי לשיווי המשקל לביטוי שיאפשר‬ ‫לנו לחשב את ה־‪ pH‬של הבופר אם אנו יודעים כמה מולי חומצה (חומצה אצטית) ומולי מלח‬ ‫(נתרן אצטטי) מצויים בנפח ידוע של התמיסה‪.‬‬ ‫ראשית נכפיל את שני צדי המשוואה בריכוז החומצה האצטית‪.]CH3COOH[ ,‬‬ ‫[‪]H 3O + []CH 3C OO − [ ]CH 3COOH‬‬ ‫[‪]CH 3COOH‬‬

‫או‬

‫]‪COO−‬‬

‫‪3‬‬

‫= ‪]CH 3COOH[K a‬‬

‫‪O+][CH‬‬

‫‪[CH3COOH]Ka = [H3‬‬

‫כעת נחלק את שני צדי המשוואה בריכוז יון האצטט‬ ‫יון ההידרוניום ]‪,[H3O+‬‬

‫‪ ,[CH3‬וכך נקבל ביטוי לריכוז‬

‫]‪COO−‬‬

‫‪]CH 3COOH[Ka‬‬ ‫[ ‪= ]H 3O +‬‬ ‫[ ‪]CH 3COO −‬‬

‫ברגע שאנו יודעים את הערך של ]‪ ,[H3O+‬לא נתקשה לחשב את ה־‪.pH‬‬ ‫על מנת להשתמש במשוואה זו‪:‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫יש להניח ש־[‪ ]CH3COOH‬מייצג את ריכוז מרכיב החומצה החלשה בבופר‪.‬‬ ‫יש להניח ש־[‪ ]CH3COO−‬מייצג את ריכוז מרכיב הבסיס המצומד (בעיקר עקב דיסוציאציה‬ ‫של המלח‪ ,‬נתרן אצטטי) בבופר‪.‬‬ ‫‪]CH 3COOH[Ka‬‬ ‫[ ‪= ]H 3O +‬‬ ‫[ ‪]CH 3COO −‬‬

‫‪[ Ka‬חומצה חלשה]‬ ‫[ ‪= ]H 3O +‬‬ ‫[בסיס מצומד]‬ ‫הבה נבחן דוגמאות לשימושים מעשיים במשוואה זו‪.‬‬

‫חישוב ‪ pH‬על סמך [‪ ]H3O+‬נידון‬ ‫בסעיף ‪.8.2‬‬

‫‪  302‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫דוגמה ‪ 8.9‬חישוב ‪ pH‬של תמיסת בופר‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסת בופר שבה ריכוז החומצה האצטית וריכוז הנתרן האצטטי הם‬ ‫‪ ?1.0 × 10−1 M‬קבוע שיווי המשקל של החומצה האצטית הוא ‪.Ka = 1.8 × 10−5‬‬ ‫פתרון‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לתאר את היישומים של תמיסות‬

‫בופר במערכות כימיות וביוכימיות‪,‬‬ ‫ובמיוחד בכימיה של הדם‪.‬‬

‫שלב ‪ .1‬החומצה החלשה היא חומצה אצטית; ‪] = 1.0 × 10−1 M‬חומצה[‬ ‫המלח הוא נתרן אצטטי‪ ,‬והוא יוצר את הבסיס המצומד; ‪] = 1.0 × 10−1 M‬בסיס מצומד[‬

‫שלב ‪ .2‬שיווי המשקל הוא‬

‫ ‬

‫)‪COO−(aq‬‬

‫‪+ CH3‬‬

‫ ‬

‫)‪O+(aq‬‬

‫‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € H3‬‬

‫ ‬ ‫בסיס מצומד‬

‫שלב ‪ .3‬הביטוי לריכוז יוני ההידרוניום הוא‬

‫‪[ Ka‬חומצה חלשה]‬ ‫[בסיס מצומד]‬

‫שלב ‪ .4‬נציב את הערכים הנתונים בבעיה‬

‫חומצה‬

‫= [ ‪]H 3O +‬‬

‫‪]1. 0 ×1 0− 1 [1.8 × 1 0− 5‬‬ ‫= [ ‪] H3O +‬‬ ‫[ ‪]1.0 × 1 0− 1‬‬

‫‪[H3O+] = 1.8 × 10−5‬‬

‫שלב ‪ .5‬כעת נציב את הביטוי שלנו ל־‪:pH‬‬

‫]‪pH = −log [H3O+‬‬ ‫]‪pH = −log [1.8 × 10−5‬‬ ‫‪= 4.7‬‬

‫ה־‪ pH‬של תמיסת הבופר הוא ‪.4.7‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.9‬‬

‫תמיסת בופר מיוצרת באופן כזה שהריכוזים של חומצה פרופאנואית ושל נתרן פרופאנואטי הם ‪ 2.00 × 10−1 M‬כל אחד‪ .‬אם‬ ‫שיווי המשקל של הבופר מתואר על ידי המשוואה‬ ‫)‪C2H5COOH(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + C2H5COO−(aq‬‬

‫חומצה פרופאנואית‬

‫אניון פרופאנואטי‬ ‫ו־‪ ,Ka = 1.34 × 10−5‬מהו ה־‪ pH‬של התמיסה?‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.87‬ו־‪8.88‬‬

‫דוגמה ‪ 8.10‬חישוב ‪ pH‬של תמיסת בופר‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסת בופר הדומה לזו מדוגמה ‪ ,8.9‬למעט העובדה שריכוז החומצה כפול‪,‬‬ ‫בעוד ריכוז המלח נותר כשהיה?‬ ‫פתרון‬ ‫× ‪] = 2.0‬חומצה[‪ .‬יש לזכור כי ריכוז‬ ‫שלב ‪ .1‬החומצה החלשה היא חומצה אצטית; ‪M‬‬ ‫החומצה כפול מזה שבדוגמה ‪.2 × [1.0 × 10−1] = 2.0 × 10−1 M ;8.9‬‬ ‫המלח הוא נתרן אצטטי‪ ,‬והוא הבסיס המצומד; ‪] = 1.0 × 10−1 M‬בסיס מצומד[‬ ‫שלב ‪ .2‬שיווי המשקל הוא‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לתאר את היישומים של תמיסות‬

‫בופר במערכות כימיות וביוכימיות‪,‬‬ ‫ובמיוחד בכימיה של הדם‪.‬‬

‫‪10−1‬‬

‫ ‬

‫ ‬

‫)‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + CH3COO−(aq‬‬

‫בסיס מצומד ‬

‫חומצה‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫שלב ‪ .3‬הביטוי לריכוז יוני ההידרוניום הוא‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪303‬‬

‫‪K‬‬ ‫‪[ a‬חומצה חלשה] = [ ‪]H 3O +‬‬

‫[בסיס מצומד]‬

‫שלב ‪ .4‬נציב את הערכים הנתונים בבעיה‪:‬‬ ‫‪] 2 .0 × 1 0− 1 [1.8 × 10− 5‬‬ ‫[ ‪]1.0 × 10− 1‬‬

‫= [ ‪]H3O +‬‬

‫‪[H3O+] = 3.6 × 10−5‬‬

‫שלב ‪ .5‬כעת נציב את הביטוי שלנו ל־‪:pH‬‬

‫]‪O+‬‬

‫‪pH = −log [H3‬‬ ‫‪pH = −log 3.6 × 10−5‬‬ ‫‪= 4.4‬‬

‫ה־‪ pH‬של תמיסת הבופר הוא ‪.4.4‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪8.10‬‬

‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסת הבופר משאלת "בחנו את עצמכם" ‪ 8.9‬כאשר מכפילים את הריכוז של נתרן פרופאנואטי אך ריכוז החומצה‬ ‫נותר כשהיה?‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 8.91‬ו־‪8.92‬‬

‫השוואה של שתי התמיסות המתוארות בדוגמאות ‪ 8.9‬ו־‪ 8.10‬מדגימה את התכונה החשובה‬ ‫ביותר של תמיסת בופר‪ :‬היכולת לייצב את ה־‪ .pH‬אף שריכוז החומצה בתמיסות הללו‬ ‫משתנה פי שניים‪ ,‬ההבדל ב־‪ pH‬הוא בסך הכול ‪ 0.30‬יחידות‪.‬‬

‫משוואת הנדרסון—האסלבך‬ ‫הביטויים של קבוע שיווי המשקל ושל ה־‪ pH‬מחוברים לעתים לכדי משוואה אחת הנקראת‬ ‫משוואת הנדרסון‪-‬האסלבך (‪.)Henderson-Hasselbalch equation‬‬ ‫בעבור מערכת הבופר חומצה אצטית‪/‬נתרן אצטטי‪ ,‬מתקיים‬ ‫)‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + CH3COO−(aq‬‬ ‫[ ‪]H3O + []CH3COO −‬‬ ‫[‪]CH3COOH‬‬

‫= ‪Ka‬‬

‫נבצע ‪ −log‬לשני צדי המשוואה‪:‬‬ ‫[ ‪]CH 3COO −‬‬ ‫[‪]CH 3COOH‬‬

‫= ‪− log K a‬‬ ‫‪− log]H 3O + [ − log‬‬

‫[ ‪]CH 3COO −‬‬ ‫[‪]CH 3COOH‬‬

‫=‬ ‫‪pK‬‬ ‫‪pH − log‬‬ ‫‪a‬‬

‫הביטוי של הנדרסון‪-‬האסלבך הוא‪:‬‬ ‫[ ‪]CH 3COO −‬‬ ‫[‪]CH 3COOH‬‬

‫=‬ ‫‪pH p Ka + log‬‬

‫באותו האופן ש־]‪,pH = –log[H3O+‬‬ ‫גם ‪.pKa = –logKa‬‬

‫‪  304‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נוסח זה של המשוואה מועיל במיוחד בחישובי בופר‪ .‬בביטוי זה‪ [CH3COOH] ,‬מייצג את‬ ‫הריכוז המולרי של החומצה החלשה ו־]‪ [CH3COO−‬הוא הריכוז המולרי של הבסיס המצומד‬ ‫של החומצה החלשה‪ .‬הביטוי הכללי הוא‪:‬‬ ‫[בסיס מצומד]‬ ‫[חומצה חלשה]‬

‫=‬ ‫‪pH p K a + log‬‬

‫הצבת נתוני הריכוזים וערך ה־‪ pKa‬של החומצה מאפשרת לחשב את ה־‪ pH‬של תמיסת‬ ‫הבופר בבעיות כגון אלה המובאות בדוגמאות ‪ 8.9‬ו־‪.8.10‬‬ ‫שאלה ‪ 8.7‬פתרו את הבעיה המובאת בדוגמה ‪ 8.9‬באמצעות משוואת הנדרסון‪-‬האסלבך‪.‬‬ ‫‪ 8‬פתרו את הבעיה המובאת בדוגמה ‪ 8.10‬באמצעות משוואת הנדרסון‪-‬האסלבך‪.‬‬ ‫שאלה ‪ .8‬‬ ‫‪ 8‬פתרו את "בחנו את עצמכם" ‪ 8.9‬באמצעות משוואת הנדרסון‪-‬האסלבך‪.‬‬ ‫שאלה ‪ .9‬‬ ‫‪ 8‬פתרו את "בחנו את עצמכם" ‪ 8.10‬באמצעות משוואת הנדרסון‪-‬האסלבך‪.‬‬ ‫שאלה ‪ .10‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לתאר את היישומים של תמיסות‬

‫בופר במערכות כימיות וביוכימיות‪,‬‬ ‫ובמיוחד בכימיה של הדם‪.‬‬

‫ויסות ה־‪ pH‬בדם‬ ‫שמירה על ‪ pH‬של ‪ 7.4‬בדם נעשית בחלקה על ידי מערכת בופר של חומצה פחמתית ויוני‬ ‫מימן פחמתי‪ ,‬המבוססת על שיווי המשקל שלהלן‪:‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫)‪H2CO3(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + HCO3−(aq‬‬

‫ ‬ ‫יון מימן פחמתי‬ ‫ ‬ ‫(מלח)‬

‫חומצה פחמתית‬ ‫(חומצה חלשה)‬

‫תהליך הוויסות מבוסס על עקרון לה שטלייה‪ ,‬והוא דומה לבופר של חומצה אצטית‪-‬נתרן‬ ‫אצטטי‪ ,‬אשר נידון כבר‪.‬‬ ‫תאי דם אדומים מובילים ‪ ,O2‬הקשור להמוגלובין‪ ,‬אל התאים של רקמות הגוף‪ .‬תוצר‬ ‫הלוואי המטבולי‪ ,CO2 ,‬נאסף על ידי הדם ומובל לריאות‪.‬‬ ‫ה־‪ CO2‬בדם משתתף בשיווי המשקל של הבופר חומצה פחמתית‪-‬יון מימן פחמתי‪ .‬פחמן‬ ‫דו־חמצני מגיב עם מים בדם ויוצר חומצה פחמתית‪:‬‬ ‫)‪CO2(aq) + H2O(l) € H2CO3(aq‬‬

‫בשל כך‪ ,‬שיווי המשקל של הבופר הופך מורכב יותר‪:‬‬ ‫)‪CO2(aq) + 2H2O(l) € H2CO3(aq) + H2O(l) € H3O+(aq) + HCO3−(aq‬‬

‫באמצעות רצף הקשרים הללו ריכוז ה־‪ CO2‬בדם משפיע על ה־‪ pH‬של הדם‪.‬‬ ‫ריכוזי ‪ CO2‬גבוהים מהרגיל מסיטים את שיווי המשקל האמור לימין (בהתאם לעקרון‬ ‫לה שטלייה)‪ ,‬מגדילים את ]‪ [H3O+‬ומורידים את ה־‪ .pH‬הדם הופך חומצי מדי‪ ,‬מה שמוביל‬ ‫לשלל בעיות רפואיות‪ .‬מצב של רמות ‪ CO2‬גבוהות ו־‪ pH‬נמוך בדם מכונה ַח ֶמ ֶצת (‪.)acidosis‬‬ ‫חמצת נשימתית יכולה להיגרם על ידי מחלות שונות (נפחת‪ ,‬דלקת ריאות) שפוגעות בתהליך‬ ‫הנשימה‪ ,‬וגורמות להצטברות ‪ CO2‬בדם‪.‬‬ ‫רמות ‪ CO2‬נמוכות מהרגיל‪ ,‬לעומת זאת‪ ,‬מסיטות את שיווי המשקל לשמאל‪ ,‬מקטינות‬ ‫את ]‪ [H3O+‬והופכות את ה־‪ pH‬בסיסי יותר‪ .‬מצב זה מכונה ַּב ֶּס ֶסת (‪ .)alkalosis‬נשימת יתר‪,‬‬ ‫או היפרוונטילציה‪ ,‬היא גורם שכיח לבססת נשימתית‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫שאלה‬

‫‪ 8‬כיצד משתנה הריכוז המולרי של ‪ H2CO3‬בדם כאשר הלחץ החלקי של ‪CO2‬‬ ‫‪ .11‬‬

‫שאלה‬

‫‪ 8‬כיצד משתנה הריכוז המולרי של ‪ H2CO3‬בדם כאשר הלחץ החלקי של ‪CO2‬‬ ‫‪ .12‬‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪305‬‬

‫בריאות גדל?‬

‫בריאות קטן?‬

‫‪ 8‬כיצד משתנה הריכוז המולרי של יוני הידרוניום בדם בתנאים המתוארים‬ ‫שאלה ‪ .13‬‬ ‫בשאלה ‪ 8.11‬ובשאלה ‪?8.12‬‬ ‫שאלה ‪ 8.14‬כיצד משתנה ה־‪ pH‬בדם בתנאים המתוארים בשאלה ‪ 8.11‬ובשאלה ‪?8.12‬‬ ‫‪ 8‬מהו ביטוי הנדרסון‪-‬האסלבך של שיווי המשקל בין חומצה פחמתית ויון‬ ‫שאלה ‪ .15‬‬ ‫מימן פחמתי?‬ ‫שאלה ‪ 8.16‬מהו ]‪ [HCO3−]/[H2CO3‬המתאים ל־‪ pH‬של ‪ ?7.4‬בעבור חומצה פחמתית‪Ka ,‬‬ ‫הוא ‪.4.2 × 10−7‬‬

‫‪8.5‬‬

‫תהליכי חמצון—חיזור‬

‫תהליכי חמצון‪-‬חיזור אחראים לסוגים רבים של שינויים כימיים‪ .‬שיתוך‪ ,‬פעולת הסוללה‬ ‫ותגובות ביוכימיות להספקת אנרגיה הם רק כמה דוגמאות‪ .‬בחלק זה נחקור את המושגים‬ ‫היסודיים שבבסיס מחלקה זו של תגובות כימיות‪.‬‬

‫חמצון וחיזור‬ ‫חמצון (‪ )oxidation‬מוגדר כאובדן של אלקטרונים‪ ,‬אובדן של יוני מימן או קבלה של אטומי‬ ‫חמצן‪.‬‬ ‫המתכת מגנזיום‪ ,‬לדוגמה‪ ,‬מתחמצנת והופכת ליון מגנזיום‪ ,‬תוך אובדן שני אלקטרונים‪,‬‬ ‫כאשר היא מגיבה עם אל־מתכת כגון כלור‪:‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬להסביר את משמעות המונחים‬

‫חמצון וחיזור‪ ,‬ולתאר כמה דוגמאות‬ ‫מעשיות של תהליכי חמזור‪.‬‬

‫‪Mg → Mg2+ + 2e−‬‬

‫חיזור (‪ )reduction‬מוגדר בתור הוספה של אלקטרונים‪ ,‬הוספה של אטומי מימן או אובדן‬ ‫של אטומי חמצן‪.‬‬ ‫גז כלור מתחזר והופך ליוני כלור תוך קבלה של אלקטרונים כשהוא מגיב עם מתכת כגון‬ ‫מגנזיום‪:‬‬ ‫‪Cl2 + 2e− → 2Cl−‬‬

‫חמצון וחיזור הם תהליכים משלימים‪ .‬מחצית תגובת החמצון מניבה אלקטרונים שהם‬ ‫המגיבים של מחצית תגובת החיזור‪ .‬השילוב של שני חצאי התגובה‪ ,‬חמצון וחיזור‪ ,‬מניב את‬ ‫התגובה השלמה‪:‬‬ ‫מחצית תגובת חמצון ‪Mg → Mg2+ + 2e− :‬‬ ‫מחצית תגובת חיזור ‪Cl2 + 2e− → 2Cl− :‬‬

‫התגובה השלמה‪:‬‬

‫ ‬

‫‪Mg + Cl2 → Mg2+ + 2Cl−‬‬

‫תגובות חמצון—חיזור מכונות לא‬ ‫פעם תגובות ִח ְמזּור (‪.)redox‬‬

‫‪  306‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫חמצון אינו יכול להתרחש בלא‬ ‫חיזור‪ ,‬ולהפך‪ .‬הגורם המחזר‬ ‫מתחמצן (עובר חמצון)‪ ,‬והגורם‬ ‫המחמצן מתחזר (עובר חיזור)‪.‬‬

‫מחציות התגובה‪ ,‬חמצון וחיזור‪ ,‬כשמן כן הן‪ :‬מחצית של תגובה שלמה‪ .‬שתי מחציות התגובה‬ ‫משתלבות ומניבות את התגובה השלמה‪ .‬בחיבור של שתי מחציות התגובה לא נותרים‬ ‫אלקטרונים חופשיים‪.‬‬ ‫בתגובה לעיל‪ ,‬מתכת המגנזיום היא הגורם המחזר (‪ .)reducing agent‬היא משחררת‬ ‫אלקטרונים לצורך חיזור הכלור‪ .‬כלור הוא הגורם המחמצן (‪ .)oxidizing agent‬הוא מקבל‬ ‫אלקטרונים מהמגנזיום‪ ,‬שמתחמצן‪.‬‬ ‫אפשר לסכם את תכונות המחמצן והמחזר כדלקמן‪:‬‬ ‫גורם מחמצן‬ ‫‪ ‬עובר חיזור‬ ‫‪ ‬מקבל אלקטרונים‬ ‫‪ ‬גורם לחמצון‬

‫גורם מחזר‬ ‫‪ ‬עובר חמצון‬ ‫‪ ‬מאבד אלקטרונים‬ ‫‪ ‬גורם לחיזור‬

‫‪ 8‬מהן מחצית תגובת החמצון‪ ,‬מחצית תגובת החיזור והתגובה השלמה של‬ ‫שאלה ‪ .17‬‬ ‫יצירת סידן גפרתי מהיסודות ‪ Ca‬ו־‪?S‬‬ ‫‪ 8‬מהן מחצית תגובת החמצון‪ ,‬מחצית תגובת החיזור והתגובה השלמה של‬ ‫שאלה ‪ .18‬‬ ‫יצירת סידן יודי מהמתכת סידן ומ־‪ ?I2‬יש לזכור שמספר האלקטרונים הנקלטים שווה‬ ‫בהכרח למספר האלקטרונים האובדים‬ ‫‪ 8‬מהם הגורם המחמצן‪ ,‬הגורם המחזר‪ ,‬החומר המתחמצן והחומר המתחזר‬ ‫שאלה ‪ .19‬‬ ‫בתגובה המתוארת בשאלה ‪?8.17‬‬ ‫שאלה ‪ 8.20‬מהם הגורם המחמצן‪ ,‬הגורם המחזר‪ ,‬החומר המתחמצן והחומר המתחזר‬ ‫בתגובה המתוארת בשאלה ‪?8.18‬‬ ‫תהליכי חמצון‪-‬חיזור קשים יותר לזיהוי באמצעות מחציות תגובה כשהם כוללים תרכובות‬ ‫מולקולריות‪ .‬הבה נתבונן לדוגמה בתגובה של מתאן וחמצן‪ ,‬שנידונה בפרק ‪:4‬‬ ‫)‪CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g‬‬

‫החוזק הרב והצפיפות הנמוכה‬ ‫של אלומיניום הופכים אותו‬ ‫חומר אידיאלי לכנפיים ולחלקים‬ ‫החיצוניים של מטוסים‪ .‬אלומיניום‬ ‫חמצני נוצר על פני המתכת‪ ,‬וכיסוי‬ ‫התחמוצת הזה מגן על המתכת‬ ‫מפני תגובה נוספת‪.‬‬

‫לאור ההגדרה שלנו לחמצון וחיזור‪ ,‬אין ספק שמדובר בתגובת חמצון‪-‬חיזור‪ .‬אטומי החמצן‬ ‫במולקולות גז החמצן בעלי דרגת חמצון ‪ 0‬ואטומי החמצן שבמולקולות התוצרים בעלי דרגת‬ ‫חמצון ‪ ,−2‬משמע החמצן עבר חיזור‪ .‬אטום הפחמן במתאן בעל דרגת חמצון ‪ −4‬ובפחמן‬ ‫דו־חמצני בעל דרגת חמצון ‪ ,+4‬כלומר עבר חמצון‪.‬‬ ‫נתבונן בתגובה של אלומיניום עם חמצן אטמוספרי‪:‬‬ ‫)‪4Al(s) + 3O2(g) → 2Al2O3(s‬‬

‫ניכר כי האלומיניום התחמצן‪ ,‬משום שדרגת החמצון שלו השתנתה מ־‪ 0‬במגיב ל־‪ +3‬בתוצר‪.‬‬

‫יישומים של חמצון וחיזור‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬להסביר את משמעות המונחים‬

‫חמצון וחיזור‪ ,‬ולתאר כמה דוגמאות‬ ‫מעשיות של תהליכי חמזור‪.‬‬

‫לתהליכי חמצון‪-‬חיזור נודעה חשיבות בתחומים רבים ומגוונים‪ ,‬החל בייצור תעשייתי וכלה‬ ‫בתהליכים ביוכימיים‪.‬‬

‫שיתוך‬

‫הנזקים הנגרמים למתכות עקב תהליך של חמצון‪-‬חיזור מכונים שיתוך (‪ ,corrosion‬קורוזיה)‪.‬‬ ‫אטומי מתכת נהפכים ליוני מתכת; מבנה החומר‪ ,‬ומכאן התכונות שלו‪ ,‬משתנה באופן חד‪,‬‬ ‫ולרוב לרעה‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪307‬‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫שימוש בגורמים מחמצנים לשליטה כימית בגורמי מחלה‬ ‫לפני המאה העשרים‪ ,‬בתי חולים לא היו‬ ‫מוסדות היגייניים במיוחד‪ .‬פסולת‪ ,‬כולל‬ ‫צואת אדם‪ ,‬סולקה בתוך שטחי בתי החולים‪.‬‬ ‫משום שברבים מבתי החולים לא היו מים‬ ‫זורמים‪ ,‬רופאים ניקו את ידיהם ואת כליהם‬ ‫בניגוב על חלוקי מעבדה בטרם עברו לחולה‬ ‫הבא! כפי שאפשר לנחש‪ ,‬רבים מהחולים‬ ‫המאושפזים מתו מזיהומים‪.‬‬ ‫בשלהי המאה התשע עשרה החלו כמה‬ ‫רופאים ומיקרוביולוגים להבין שמחלות מידבקות מועברות על‬ ‫ידי מיקרואורגניזמים‪ ,‬כולל חיידקים ונגיפים‪ .‬על מנת לצמצם‬ ‫את מקרי הזיהום בבתי חולים ערכו רופאים כגון ג'וזף ליסטר‬ ‫ואיגנץ זמלווייס ניסויים בחומרים כימיים ובהליכים שנועדו‬ ‫לחסל פתוגנים (מיקרואורגניזמים גורמי מחלה) במשטחים‬ ‫סביבתיים ובפצעים‪.‬‬ ‫רבים מחומרי החיטוי ומהחומרים האנטיספטיים השכיחים‬ ‫הם גורמים מחמצנים‪ .‬חומר חיטוי משמש להרג או לעיכוב‬ ‫גדילה של פתוגנים על משטחים סביבתיים‪ .‬חומר אנטיספטי‬ ‫הוא חומר כימי עדין יותר שמשמש להשמדת פתוגנים ברקמות‬ ‫חיות‪.‬‬ ‫מימן על־חמצני (מי חמצן) הוא חומר אנטיספטי יעיל‬ ‫ושכיח שמשמש לניקוי חתכים ושריטות‪ .‬כולנו מכירים את‬ ‫הבעבוע המהיר שמתרחש כשהאנזים קטלז הפעיל בתאי הגוף‬ ‫מזרז את הפירוק של ‪:H2O2‬‬ ‫)‪2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g‬‬

‫כלור הוא חומר חיטוי וחומר אנטיספטי‬ ‫המצוי בשימוש רחב מאוד‪ .‬הרופא ההונגרי‬ ‫פורץ הדרך איגנץ זמלווייס היה הראשון‬ ‫שהשתמש בסידן תת־כלוריטי ]‪[Ca(OCl)2‬‬ ‫במחלקת היולדות בבית חולים ב־‪.1847‬‬ ‫זמלווייס התעקש שעובדי בית החולים ינקו‬ ‫את ידיהם בתמיסת ‪ ,Ca(OCl)2‬וצמצם באופן‬ ‫חד את מקרי הזיהום‪ .‬כיום סידן תת־כלוריטי‬ ‫נפוץ יותר בחיטוי מצעים‪ ,‬בגדים‪ ,‬כלי מטבח‬ ‫במסעדות‪ ,‬בתי מטבחיים‪ ,‬אסמים ומחלבות‪.‬‬ ‫נתרן תת־כלוריטי (‪ ,)NaOCl‬שנמכר לעתים תחת השם‬ ‫כלורוקס‪ ,‬משמש כחומר חיטוי ביתי וכדאודורנט‪ ,‬ומשמש‬ ‫גם לחיטוי ברכות שחיה‪ ,‬מחלבות‪ ,‬ציוד לעיבוד מזון ויחידות‬ ‫דיאליזה‪ .‬אפשר להשתמש בו לטיהור מי שתייה שאיכותם‬ ‫מוטלת בספק‪ .‬אם מוסיפים חצי כפית של חומר הלבנה ביתי‬ ‫(‪ )5.25% NaOCl‬ל־‪ 9‬ליטר של מים צלולים‪ ,‬המים הופכים‬ ‫ראויים לשתייה לאחר מחצית השעה‪ .‬המרכז לבקרת מחלות‬ ‫ומניעתן בארה"ב אף ממליץ על מהילת מלבין ביחס מיהול של‬ ‫‪ 1:10‬כחומר חיטוי יעיל לכלים ולמשטחים שבאו במגע עם דם‬ ‫של חולים בתסמונת הכשל החיסוני (איידס)‪.‬‬ ‫גז כלור (‪ )Cl2‬משמש לחיטוי המים בבריכות‪ ,‬בביוב‬ ‫ובאספקת המים העירונית‪ .‬הטיפול בכלור הצליח לבלום מגפות‬ ‫של מחלות המועברות במים‪ .‬עם זאת‪ ,‬כלור מאבד מפעילותו‬ ‫בנוכחות כמה חומרים אורגניים‪ ,‬ובכמה מקרים עלול ליצור‬ ‫תרכובות כלורואורגניות רעילות‪ .‬מסיבות אלה ערים רבות‬ ‫שוקלות להשתמש באוזון (‪ )O3‬במקום בכלור‪.‬‬ ‫אוזון מיוצר מ־‪ O2‬באמצעות זרמי פריקה חשמליים במתח‬ ‫גבוה (הריח הצח באוויר לאחר סופת ברקים הוא אוזון)‪ .‬כמה‬ ‫ערים באירופה משתמשות באוזון לחיטוי מי השתייה‪ .‬הוא‬ ‫יעיל יותר כגורם חיטוי מכלור‪ ,‬במיוחד בעבור נגיפים מסוימים‪:‬‬ ‫יש צורך בכמות קטנה יותר של אוזון לחיטוי; הוא אינו משאיר‬ ‫אחריו ריחות או טעמים בלתי נעימים; ונראה שיש לו פחות‬ ‫תוצרי לוואי רעילים‪ .‬עם זאת‪ ,‬אוזון יקר יותר מכלור‪ ,‬והשמירה‬ ‫על הריכוז התקין שלו במים קשה יותר‪ .‬אף על פי כן נראה‬ ‫שהיתרונות עולים על החסרונות‪ ,‬וערים רבות בארה"ב ימשיכו‬ ‫לפעול לפי הדוגמה של ערים אירופיות ויעברו לשימוש באוזון‬ ‫לטיהור המים‪.‬‬

‫בתגובה זו מיוצר חומר ביניים – היון העל־חמצני‪ ,O2− ,‬צורון‬ ‫פעיל וקטלני של חמצן‪ .‬יון זה משבש את פעילותם של חלבונים‪,‬‬ ‫במיוחד במערכות אנזימים חיוניות‪.‬‬ ‫בריכוזים גבוהים יותר (‪( H2O2 ,)3-6%‬מי חמצן‪ ,‬מימן‬ ‫על־חמצני) משמש כחומר חיטוי‪ .‬הוא מועיל במיוחד בחיטוי‬ ‫עדשות מגע רכות‪ ,‬כלי ניתוח ושתלים כירורגיים משום שהוא‬ ‫אינו מותיר אחריו חומרים רעילים‪ .‬ריכוזים של ‪6-25%‬‬ ‫משמשים לעיקור מלא של משטחים בסביבת העבודה הרפואית‪.‬‬ ‫בנזואיל על־חמצני הוא גורם מחמצן רב עוצמה נוסף‪.‬‬ ‫משחות המכילות בנזואיל על־חמצני בריכוז ‪ 5-10%‬שימשו‬ ‫כחומרים אנטיבקטריאליים לטיפול באקנה‪ .‬אפשר למצוא כיום‬ ‫את התרכובת במסכות פילינג הנמכרות ללא מרשם משום‬ ‫שהחומר מסייע בקילוף עור‪ ,‬בסילוק של עור ישן ובהחלפתו שאלות הרחבה‬ ‫@ מהו ההבדל בין המונחים חומר חיטוי וחומר אנטיספטי?‬ ‫ ‬ ‫בעור חלק למראה‪ .‬אך כאן המקום להזהיר‪ :‬אצל אנשים בעלי‬ ‫עור רגיש‪ ,‬בנזואיל על־חמצני עלול לגרום לנפיחות ולשלפוחיות @ מדוע מימן על־חמצני בריכוז גבוה משמש כחומר חיטוי‪,‬‬ ‫בעוד בריכוז נמוך הוא משמש כחומר אנטיספטי?‬ ‫בעור הפנים‪.‬‬

‫איור בעמ' ‪286‬‬ ‫‪  308‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫)‪(3‬‬

‫)‪(1‬‬

‫)‪(2‬‬

‫איור ‪ 8.7‬החלודה (תחמוצת של ברזל) שמחלישה את חוזקם של מבנים ופוגמת במראם של מכוניות (‪ ,)1‬גשרים (‪ )2‬וחפצים אחרים מבוססי‬ ‫ברזל (‪ ,)3‬היא תוצר של תגובת חמצון—חיזור שכיחה‪ .‬האם תוכלו לספק דוגמאות אחרות לתהליכי העברת אלקטרונים שמחוללים שינוי בתכונות?‬

‫בשעה שהברזל מתחמצן‪ ,‬אטומי‬ ‫החמצן שב־‪ O2‬עוברים חיזור‬ ‫והופכים ליוני חמצן‪ ,O2− ,‬אשר‬ ‫נטמעים במולקולות של ברזל (‪)III‬‬ ‫חמצני‪ .‬אפשר לומר שאטומי הברזל‬ ‫מחזרים את אטומי החמצן בתגובה‪.‬‬ ‫זו דוגמה נוספת לכך שתהליכי‬ ‫חמצון וחיזור מתרחשים זה לצד זה‪.‬‬

‫מיליוני דולרים מושקעים מדי שנה בניסיון לתקן את נזקי השיתוך (איור ‪ .)8.7‬אחד מתחומי‬ ‫המחקר העכשוויים בכימיה עוסק בפיתוח תהליכים מעכבי שיתוך‪ .‬באחד מסוגי השיתוך‪,‬‬ ‫ברזל מתחמצן והופך לברזל (‪ )III‬חמצני (חלודה)‪:‬‬ ‫)‪4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s‬‬

‫שרפת דלקים מאובנים‬

‫שרפת דלקים מאובנים היא תהליך אקסותרמי‪ .‬האנרגיה המשתחררת משמשת לחימום‬ ‫בתים‪ ,‬משרדים וכיתות‪ .‬הדלק המאובן הפשוט ביותר הוא גז מתאן‪ ,CH4 ,‬ותגובת החמצון‬ ‫שלו היא‪:‬‬ ‫)‪CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g‬‬

‫ראו "כימיה ירוקה‪ :‬אפקט החממה‬ ‫ושינויי האקלים הגלובליים" בפרק ‪.5‬‬

‫מתאן הוא פחמימן (תרכובת המורכבת מאטומי פחמן ואטומי מימן בלבד)‪ .‬שרפה מלאה של‬ ‫פחמימן מכל סוג (כולל אלה המצויים בדלק‪ ,‬פרופאן נוזלי וכן הלאה) מניבה פחמן דו־חמצני‬ ‫ומים‪ .‬האנרגיה המשתחררת בתגובות אלה רבת חשיבות‪ .‬המים והפחמן הדו־חמצני נחשבים‬ ‫לתוצרי פסולת‪ ,‬והפחמן הדו־חמצני תורם לאפקט החממה‪.‬‬

‫הלבנה‬

‫רוב רובם של חומרי ההלבנה הם גורמים מחמצנים‪ .‬נתרן תת־כלוריטי (‪ )NaOCl‬הוא גורם‬ ‫מחמצן יעיל‪ ,‬ומוצרים המכילים ‪ ,NaOCl‬כגון אקונומיקה‪ ,‬כוחם יפה בהסרת כתמים‪.‬‬ ‫כתמים הם תוצאה של תרכובות צבעוניות הנדבקות למשטחים‪ .‬חמצון התרכובות מניב‬ ‫תוצרים חסרי צבע או תרכובות שקל להסיר מהמשטח‪ ,‬וכך הכתם מסולק‪.‬‬

‫תהליכים ביולוגיים‬ ‫נשימה‬

‫יש דוגמאות רבות לתגובות חמצון‪-‬חיזור ביולוגיות‪ .‬לדוגמה‪ ,‬שרשרת מעבר האלקטרונים‬ ‫של נשימה אווירנית כוללת תהליכי חמצון וחיזור הפיכים של אטומי ברזל בציטוכרום ‪,c‬‬ ‫)‪cytochrome c (Fe3+) + e− → cytochrome c (Fe2+‬‬

‫יון הברזל המחוזר מעביר אלקטרון ליון ברזל בחלבון אחר‪ ,‬המכונה ציטוכרום ‪ c‬אוקסידז‪,‬‬ ‫בהתאם לתגובה שלהלן‪:‬‬ ‫)‪cytochrome c (Fe2+) + cytochrome c oxidase (Fe3+) → cytochrome c (Fe3+) + cytochrome c oxidase (Fe2+‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪309‬‬

‫ציטוכרום ‪ c‬אוקסידז מעביר בסופו של דבר ארבעה אלקטרונים ל־‪ ,O2‬מקבל האלקטרונים‬ ‫האחרון בשרשרת‪:‬‬

‫‪ :‬רונית בורלא‬

‫הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם‬ ‫‪O2 + 4e− + 4H+ → 2H2O‬‬

‫חילוף חומרים‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫איור בעמ' ‪287‬‬

‫כאשר אתאנול מתפרק בכבד‪ ,‬הוא מתחמצן והופך לאצטאלדהיד (תרכובת שאחראית באופן‬ ‫חלקי לחמרמורת‪ ,‬או הנגאובר)‪ .‬המשך חמצון האצטאלדהיד מניב חומצה אצטית‪ ,‬שבסופו‬ ‫של דבר מתחמצנת והופכת ל־‪ CO2‬ול־‪ .H2O‬תגובות אלה‪ ,‬המובאות להלן‪ ,‬מזורזות על ידי‬ ‫אנזימי הכבד‪.‬‬ ‫‪OH → CO2 + H2O‬‬

‫‪O‬‬

‫‪O‬‬

‫‪H → CH3C‬‬

‫‪OH → CH3C‬‬

‫חומצה אצטית‬

‫אצטאלדהיד‬

‫‪CH3CH2‬‬

‫אתאנול‬

‫קשה יותר לזהות תגובות אלה כתגובות חמצון משום שאיננו רואים מטען בתוצר או במגיב‪.‬‬ ‫בדוגמאות קודמות חיפשנו גידול במטען החיובי כסימן לתהליך חמצון‪ .‬ירידה במטען החיובי‬ ‫(או עלייה במטען השלילי) תסמל חיזור‪.‬‬ ‫ניעזר שוב בהגדרה של חמצון וחיזור לשם זיהוי תגובות אלה‪ .‬כזכור‪:‬‬ ‫חמצון הוא מסירה של אלקטרונים או עלייה בדרגת החמצון או קבלה של חמצן או אובדן‬ ‫של מימן‪.‬‬ ‫חיזור הוא קבלה של אלקטרונים או ירידה בדרגת החמצון או אובדן של חמצן או קבלה‬ ‫של מימן‪.‬‬ ‫אופן פעולה המתבסס על זיהוי של קבלה או אובדן של מימן או חמצן שימושי במיוחד‬ ‫לזיהוי חמצון וחיזור של תרכובות אורגניות ושל תרכובות ביוכימיות‪ ,‬שהן תרכובות‬ ‫אורגניות בעלות חשיבות ביולוגית‪.‬‬ ‫בדוגמה של הפיכת אתאנול לאצטאלדהיד‪ ,‬בכל מולקולת אתאנול שישה אטומי מימן;‬ ‫כל מולקולה של התוצר אצטאלדהיד מכילה ארבעה אטומי מימן‪ .‬התהליך מייצג אובדן של‬ ‫שני אטומי מימן למולקולה‪ .‬לפיכך‪ ,‬האתאנול התחמצן והפך לאצטאלדהיד‪ .‬בצעד הבא‪,‬‬ ‫אצטאלדהיד עשוי להתחמצן ולהפוך לחומצה אצטית‪.‬‬ ‫בכל מולקולת אצטאלדהיד אטום חמצן אחד; בחומצה אצטית שני אטומי חמצן‪ .‬הגדלת‬ ‫מספר אטומי החמצן מעידה על חמצון‪ .‬בתהליך תסיסת הענבים לייצור יין‪ ,‬האלכוהול שנוצר‬ ‫עלול להפוך לחומצה אצטית במרוצת הזמן‪ ,‬וכך נוצר חומץ במקום יין‪.‬‬

‫‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬

‫תאים אלקטרוכימיים‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫גפרתית‪ ,‬אטומי האבץ עוברים תהליך‬ ‫בעמ' (‪)II‬‬ ‫של נחושת‬ ‫כאשר המתכת אבץ מצויה בתמיסה‬ ‫‪288‬‬ ‫איור‬ ‫חמצון שבו מתקבלים יוני אבץ‪ ,‬ויוני הנחושת (‪ )II‬עוברים תהליך חיזור שבו מתקבלת מתכת‬ ‫נחושת‪ ,‬אשר מצטברת כמוצק על פני האבץ המתכתי (איור ‪ .)8.8‬אפשר לתאר את התגובה‬ ‫כך‪:‬‬ ‫–‬ ‫חמצון‪/‬אובדן ‪e‬‬

‫)‪Cu2+(aq)→ Zn2+(aq) + Cu(s‬‬

‫‪+‬‬

‫)‪Zn(s‬‬

‫חיזור‪/‬קבלת – ‪e‬‬

‫בחיזור של יוני נחושת (‪ )II‬בתמיסה מימית על ידי מתכת האבץ‪ ,‬אלקטרונים זורמים ממוט‬ ‫האבץ ישירות ליוני הנחושת (‪ )II‬בתמיסה‪ .‬אילו העברת אלקטרונים ממוט האבץ ליוני‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬לשרטט תא אלקטרוכימי‬

‫ולתאר את תפקודו‪.‬‬

‫איור ‪8-7‬‬ ‫‪  310‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪Zn2+‬‬

‫‪Zn‬‬

‫–‬

‫‪Cu‬‬ ‫‪Zn‬‬

‫איור ‪ 8.8‬תגובה ספונטנית של‬ ‫המתכת אבץ ויוני ‪ Cu2+‬היא הבסיס‬ ‫לתא המתואר באיור ‪.8.8‬‬

‫כזכור‪ ,‬תמיסות של מלחים יוניים‬ ‫מוליכות חשמל היטב (פרק ‪.)6‬‬

‫‪2e‬‬ ‫‪2+‬‬

‫‪Cu‬‬

‫‪Cu‬‬

‫)‪+ Cu(s‬‬

‫‪2+‬‬

‫)‪Zn (aq‬‬

‫‪2+‬‬

‫)‪Cu (aq‬‬

‫‪+‬‬

‫)‪Zn(s‬‬

‫הנחושת בתמיסה הייתה מתבצעת באמצעות מעגל חשמלי חיצוני‪ ,‬תגובת החמצון‪-‬חיזור‬ ‫הספונטנית הייתה יכולה לשמש לייצור זרם חשמלי שבכוחו למלא תפקיד מועיל‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬כאשר מוט אבץ בכלי קיבול אחד מחובר באמצעות תיל נחושת לתמיסת‬ ‫נחושת (‪ )II‬גפרתית המצויה בכלי קיבול אחר‪ ,‬לא נצפה זרם בתיל‪ .‬לשם כך יש צורך במעגל‬ ‫סגור‪ .‬על מנת לסגור את המעגל נחבר את שני כלי הקיבול באמצעות צינור המלא בתמיסת‬ ‫אלקטרוליט כגון תמיסת אשלגן כלורי‪ .‬הצינור מכונה גשר מלח (‪.)salt bridge‬‬ ‫כעת עובר זרם במעגל החיצוני (איור ‪ .)8.9‬המתקן המוצג באיור ‪ 8.9‬הוא דוגמה לתא‬ ‫אלקטרוכימי‪ .‬תא אלקטרוכימי (‪ )electrochemical cell‬הוא התקן שממיר אנרגיה כימית‬ ‫האצורה בו לאנרגיה חשמלית‪.‬‬ ‫התא הזה מורכב משני חצאי־תא‪ .‬מחצית תגובת החמצון מתרחשת בחצי תא אחד‪,‬‬ ‫ומחצית תגובת החיזור מתרחשת בחצי התא השני‪ .‬סך שתי מחציות התגובה הוא תגובת‬ ‫חמצון‪-‬חיזור מלאה‪ ,‬שמתארת את המתרחש בתא‪ .‬האלקטרודה שעל גביה מתרחש החמצון‬ ‫מכונה אנודה (‪ ,)anode‬והאלקטרודה שעל גביה מתרחש החיזור מכונה קתודה (‪.)cathode‬‬ ‫בהתקן המוצג באיור ‪ ,8.9‬מתכת האבץ היא האנודה‪ .‬באלקטרודה זו אטומי האבץ עוברים‬ ‫חמצון ליוני אבץ‪:‬‬ ‫‪2+‬‬ ‫‪−‬‬ ‫מחצית התגובה באנודה‪Zn(s) → Zn (aq) + 2e :‬‬ ‫האלקטרונים המשתחררים באנודה עוברים במעגל החיצוני לקתודה (מוט הנחושת)‪ ,‬שם‬ ‫הם מגיעים ליוני הנחושת (‪ )II‬בתמיסה‪ .‬יוני הנחושת (‪ )II‬עוברים חיזור ומתקבלים אטומי‬ ‫נחושת ששוקעים על פני הנחושת המוצקה‪ ,‬הקתודה‪:‬‬ ‫מחצית התגובה בקתודה‪Cu2+(aq) + 2e− → Cu(s) :‬‬

‫סכום מחציות התגובה בחצאי התא הוא תגובת התא‪:‬‬ ‫)‪Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s‬‬

‫לתאים אלקטרוכימיים יש שימושים רבים בחיינו‪ ,‬בהיותם מקור נוח ואמין לאנרגיה‬ ‫חשמלית – סוללה‪ .‬סוללות ממירות את האנרגיה הכימית האצורה בהן לזרם חשמלי שמפעיל‬

‫איור ‪8-8‬‬ ‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪311‬‬

‫כיוון זרימת האלקטרונים‬ ‫מד מתח‬ ‫–‪e‬‬

‫–‪e‬‬

‫קתודת‬ ‫נחושת‬

‫‪K+‬‬

‫–‪Cl‬‬

‫גשר מלח‬

‫צמר גפן‬

‫‪Cu2+‬‬ ‫–‬

‫‪SO42‬‬

‫–‪2‬‬

‫‪SO4‬‬

‫‪Zn2+‬‬

‫תמיסת ‪ZnSO4‬‬

‫תמיסת ‪CuSO4‬‬

‫–‪2e‬‬

‫אנודת‬ ‫אבץ‬

‫–‪2e‬‬

‫‪2+‬‬

‫‪Cu‬‬

‫‪2+‬‬

‫‪Zn‬‬

‫‪Zn‬‬

‫‪Cu‬‬

‫‪ Cu2+‬בתמיסה עובר חיזור‬ ‫והופך ל־‪ Cu‬שמצטבר על הקתודה‪.‬‬ ‫)‪Cu(s‬‬

‫)‪2e– + Cu2+(aq‬‬

‫‪ Zn‬מהאנודה עובר חמצון‬ ‫והופך ל־‪ Zn2+‬שמשתחרר לתמיסה‪.‬‬ ‫תגובה נטו‬ ‫)‪Zn2+(aq) + Cu(s‬‬

‫איור ‪8.9‬‬

‫–‪Zn2+(aq) + 2e‬‬

‫)‪Zn(s‬‬

‫)‪Zn(s) + Cu2+(aq‬‬

‫תא אלקטרוכימי מייצר זרם חשמלי באמצעות התגובה )‪Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s‬‬

‫כל אלקטרודה בנויה ממוט מתכת טהורה‪ ,‬אבץ או נחושת‪ .‬האבץ עובר חמצון ומשחרר אלקטרונים שזורמים לכיוון תמיסת הנחושת‪ ,‬ומחזרים את‬ ‫‪ Cu2+‬ל־‪ .Cu‬גשר המלח סוגר את המעגל ומד המתח מודד את המתח החשמלי המתקבל כתוצאה מהתגובה‪.‬‬

‫מגוון רחב של יישומים מסחריים‪ :‬מכשירי רדיו‪ ,‬טלפונים ניידים‪ ,‬מחשבים‪ ,‬פנסים ושלל‬ ‫התקנים מועילים אחרים‪.‬‬ ‫בזכות הטכנולוגיה‪ ,‬הסוללות המודרניות קטנות‪ ,‬בטוחות ואמינות יותר מהתא‬ ‫האלקטרוכימי שתיארנו‪ .‬למעשה‪ ,‬תא הכסף (איור ‪ )8.10‬הוא בטוח ובלתי רעיל במידה כזו‬ ‫שאפשר להשתיל אותו בגוף האדם כחלק מקוצב לב‪ ,‬שמשמש לוויסות קצב הלב‪.‬‬

‫אלקטרוליזה‬ ‫תגובות אלקטרוליזה (‪ )electrolysis‬משתמשות באנרגיה חשמלית על מנת לגרום לתגובות‬ ‫חמצון‪-‬חיזור לא־ספונטניות להתרחש‪ .‬אחד היישומים השכיחים של אלקטרוליזה הוא‬ ‫בסוללה הנטענת‪ .‬כשהיא משמשת מקור כוח להתקן כגון מחשב נייד‪ ,‬היא מתנהגת כתא‬ ‫אלקטרוכימי‪ .‬לאחר זמן מה התגובה הכימית מתקרבת לכדי השלמה והתהליך האלקטרוכימי‬ ‫נפסק‪.‬‬ ‫תגובת התא היא הפיכה‪ ,‬והסוללה מחוברת למטען‪ .‬המטען אינו אלא מקור חיצוני של‬ ‫אנרגיה חשמלית שהופך את התגובה הכימית בסוללה ומחזיר אותה למצבה המקורי‪ .‬כעת‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 11‬להשוות בין תאים‬

‫אלקטרוכימיים לבין תאים‬ ‫אלקטרוליטיים‪.‬‬

‫‪  312‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫תגובות אלקטרוכימיות בפסל החירות ובסתימות שיניים‬ ‫לכל אורך ההיסטוריה ידענו סבל בגלל בורותנו בכל הקשור‬ ‫לעקרונות אלקטרוכימיים בסיסיים‪ .‬לדוגמה‪ ,‬אבות הכימיה‬ ‫(אלכימאים) הכניסו עוד בימי הביניים מוטות ברזל לתמיסה‬ ‫כחולה של נחושת גפרתית‪ .‬הם שמו לב שנחושת נוצצת ובהירה‬ ‫מכסה את מוט הברזל‪ ,‬וחשבו ששינו מתכת פשוטה‪ ,‬ברזל‪,‬‬ ‫לנחושת‪ .‬לאמיתו של דבר‪ ,‬מה שאירע הוא תגובת החמזור‬ ‫המובאת במשוואה (‪.)1‬‬

‫ביצוע‬

‫)‪(1) 2Fe(s) + 3Cu2+(aq) → 2Fe3+(aq) + 3Cu(s‬‬ ‫חוסר ההבנה הזה דרבן אותם לצאת למסע עקר בן ‪ 1,000‬שנה‬ ‫לשינוי מתכות פשוטות לזהב‪.‬‬ ‫לפני למעלה מ־‪ 100‬שנה העניקה צרפת לארה"ב את פסל‬ ‫החירות‪ .‬לרוע המזל‪ ,‬הצרפתים לא צפו את תגובת החמזור‬ ‫המוצגת במשוואה (‪ )1‬כשהרכיבו את כיסוי הנחושת של‬ ‫הפסל על מוטות תמיכה מברזל‪ .‬חמצן באטמוספרה ִחמצן‬ ‫את הנחושת לכדי יוני נחושת‪ .‬ואז‪ ,‬משום שברזל פעיל יותר‬ ‫מנחושת‪ ,‬גרמה התגובה המובאת במשוואה (‪ )1‬לשיתוך של‬ ‫קורות התמיכה‪ .‬עקב כך‪ ,‬וכן עקב תגובות נוספות‪ ,‬הפסל נזקק‬ ‫לשיפוץ לפני שחגג את יובל המאה שלו ב־‪.1986‬‬ ‫לעתים גם רופאי שיניים פוסחים על תגובות חמזור שאלות הרחבה‬ ‫אפשריות כשהם מרכיבים כתרי זהב על שן סמוך לשיניים עם @ ציינו את החומר המחמצן‪ ,‬החומר המחזר‪ ,‬החומר שעובר‬ ‫סתימות אמלגם‪ .‬האמלגם בסתימות הוא סגסוגת של כספית‪,‬‬ ‫חמצון והחומר שעובר חיזור בכל משוואה המופיעה בקטע‬ ‫כסף‪ ,‬בדיל ונחושת‪ .‬משום שהמתכות באמלגם פעילות יותר‬ ‫זה‪.‬‬ ‫מזהב‪ ,‬המגע בין האמלגם וכמות זעומה של יוני זהב גורם @ בעבור כל משוואה‪ ,‬מהו החומר שמקבל אלקטרונים ומהו‬ ‫לתגובות חמזור כגון זו להלן‪*.‬‬ ‫החומר שמאבד אלקטרונים?‬ ‫)‪(2) 3Sn(s) + 2Au3+(aq) → 3Sn2+(aq) + 2Au(s‬‬

‫מקור‪Ronald DeLorenzo, Journal of Chemical Education, May :‬‬

‫עקב כך‪ ,‬סתימות השיניים מתמוססות והמטופלים נותרים עם‬ ‫טעם מתכתי מתמשך בפיהם‪.‬‬ ‫* משוואה (‪ )2‬היא פישוט של המציאות שנועד להציג באופן ברור‬ ‫ממשיכים‬ ‫אנו‬ ‫גם‬ ‫קדם‪,‬‬ ‫אנשי‬ ‫שכמו‬ ‫דוגמאות אלה מראות‬ ‫יותר את התגובה של יוני זהב עם אטומי בדיל‪ .‬לאמיתו של דבר‪,‬‬ ‫לסבול מהשלכות מצערות עקב חוסר הבנה של עקרונות‬ ‫בתמיסות מימיות יכולים להימצא רק יונים מורכבים של זהב ובדיל‪,‬‬ ‫אלקטרוכימיים בסיסיים‪.‬‬ ‫ולא הקטיונים הפשוטים המוצגים במשוואה‪.‬‬ ‫‪.1985, pp. 424-425‬‬

‫התא פועל כתא אלקטרוליטי (תא שבו מתבצעת אלקטרוליזה)‪ .‬סילוק המטען משיב את‬ ‫התא למצב של התקן אלקטרוכימי‪ ,‬המוכן להגיב ספונטנית ולהניב שוב זרם חשמלי‪.‬‬ ‫דוגמה שכיחה נוספת לאלקטרוליזה היא ציפוי אלקטרוליטי‪ .‬התהליך משמש לציפוי‬ ‫חפצים מתכתיים זולים במשטח דק‪ ,‬יציב כימית ונוצץ (על פי רוב)‪ .‬הדוגמאות השכיחות‬ ‫ביותר הן כרום (ציפוי כרום) וכסף (סכו"ם)‪.‬‬ ‫החפץ המיועד לציפוי (לדוגמה‪ ,‬כפית או מזלג) הוא הקתודה (הקוטב השלילי) בתא‬ ‫אלקטרוליטי‪ .‬התמיסה שסביב האלקטרודות מכילה יוני כסף (‪ ,)Ag+‬שנודדים לאלקטרודה‬ ‫השלילית ועוברים חיזור‪:‬‬

‫איור ‪8-9‬‬ ‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫)‪Ag+(aq) + e− → Ag(s‬‬

‫שכבת הכסף מצפה את החפץ ששימש כקתודה‪ .‬הכפית או המזלג נראים‬ ‫כעשויים מכסף‪ ,‬אך עלות הייצור שלהם קטנה הרבה יותר‪.‬‬

‫ביצוע‪:‬‬

‫פלדה )קתודה( )‪(+‬‬ ‫מכל אבץ )אנודה( )–(‬

‫על ‪8‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫עולם‬ ‫בורלא‪ 8.21‬ציפוי שם‬ ‫פני‬ ‫חיזור של )‪Cr3+(aq‬‬ ‫העבודה‪:‬מערב‬ ‫אלקטרוליטי בכרום‬ ‫רוניתשאלה‬ ‫השטח של האלקטרודה המצופה‪.‬‬ ‫א‪ .‬האם המטען של האלקטרודה המצופה צריך להיות חיובי או שלילי?‬ ‫איור ‪8-10‬‬ ‫מדוע?‬ ‫ב‪ .‬האם אלקטרודה זו היא הקתודה או האנודה?‬ ‫ג‪ .‬מהי משוואת תגובת החיזור של )‪?Cr3+(aq‬‬ ‫‪ 8‬חיזור של )‪ Cu2+(aq‬בתא אלקטרוליטי מאפשר להכין‬ ‫שאלה ‪ .22‬‬ ‫נחושת מוצקה טהורה כמעט לגמרי‪.‬‬ ‫א‪ .‬האם החיזור מתרחש באלקטרודה החיובית או השלילית של התא‬ ‫האלקטרוליטי? מדוע?‬ ‫ב‪ .‬האם אלקטרודה זו היא הקתודה או האנודה?‬ ‫ג‪ .‬מהי משוואת תגובת החיזור של )‪?Cu2+(aq‬‬

‫משחה לחה המכילה‬ ‫מחיצה נקבובית‬ ‫‪KOH ,Ag2O‬‬ ‫ו־‪) Zn(OH)2‬אלקטרוליט(‬ ‫איור ‪ 8.10‬סוללת כסף המשמשת במצלמות‪,‬‬ ‫בקוצבי לב ובמכשירי שמיעה‪ .‬הסוללה קטנה‪ ,‬יציבה‬ ‫ובלתי רעילה (ומכאן שאפשר להשתיל אותה בגוף‬ ‫האדם)‪.‬‬ ‫תאים אלקטרוליטיים הם הפכים של‬ ‫תאים אלקטרוכימיים‪.‬‬

‫–‪e‬‬

‫‪Cu‬‬

‫כיוון זרימת‬ ‫האלקטרונים‬ ‫מד מתח‬ ‫–‪e‬‬

‫גדול מ־‪0.48 V‬‬

‫אנודה‬ ‫)‪)+‬‬

‫קתודה‬ ‫)–)‬

‫גשר מלח‬

‫‪1 M Cu2+‬‬

‫‪Sn‬‬

‫‪1 M Sn2+‬‬

‫מחצית תגובת חמצון‬ ‫–‪Cu2+(aq) + 2e‬‬

‫)‪Cu(s‬‬

‫)‪Sn(s‬‬

‫מחצית תגובת חיזור‬

‫–‪Sn2+(aq) + 2e‬‬

‫תגובה כוללת )תגובת התא(‬ ‫)‪Cu2+(aq) + Sn(s‬‬ ‫)‪Cu(s) + Sn2+(aq‬‬ ‫)‪ (2‬תא אלקטרוליטי‬

‫–‪e‬‬

‫–‪e‬‬

‫‪0.48 V‬‬

‫קתודה‬ ‫)‪)+‬‬ ‫‪Cu‬‬

‫גשר מלח‬

‫‪1 M Cu2+‬‬

‫אנודה‬ ‫)–)‬

‫‪Sn‬‬

‫‪1 M Sn2+‬‬

‫מחצית תגובת חמצון‬ ‫–‪Sn2+(aq) + 2e‬‬ ‫)‪Cu(s‬‬

‫בידוד‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫הקשר בין תא אלקטרוכימי ותא אלקטרוליטי מומחש באיור ‪.8.11‬‬ ‫כיוון זרימת‬ ‫האלקטרונים‬ ‫סוללה חיצונית‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪313‬‬

‫)‪Sn(s‬‬

‫מחצית תגובת חיזור‬

‫–‪Cu2+(aq) + 2e‬‬

‫תגובה כוללת )תגובת התא(‬ ‫)‪Sn(s) + Cu2+(aq‬‬ ‫)‪Sn2+(aq) + Cu(s‬‬ ‫)‪ (1‬תא אלקטרוכימי‬

‫איור ‪ 8.11‬תא אלקטרוכימי (‪ )1‬מומר לתא אלקטרוליטי (‪ )2‬כאשר מחברים לו סוללה בעלת מתח‬ ‫גדול מספיק להפוך את התגובה‪ .‬זהו התהליך שבבסיס סוללות נטענות מסחריות‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬

‫‪  314‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫איור בעמ' ‪292‬‬

‫מפת הפרק‬ ‫חוזק‬ ‫חומצה‪-‬בסיס‬ ‫חומצות ובסיסים‬ ‫מצומדים‬

‫תאים‬ ‫אלקטרוכימיים‬

‫אלקטרוליזה‬

‫בסיס‬ ‫מקבל‬ ‫פרוטון‬

‫תהליכים‬ ‫ביולוגיים‬

‫בסיס‬ ‫מתפרק‬ ‫ויוצר יוני‬ ‫–‪OH‬‬

‫חומצה‬ ‫תורמת‬ ‫פרוטון‬

‫ברונסטד־לאורי‬

‫יישומים‬

‫חומצה‬ ‫מתפרקת‬ ‫ויוצרת‬ ‫יוני ‪H+‬‬

‫ארניוס‬

‫סוגים עיקריים‬ ‫של שינוי כימי‬

‫תיאוריות‬

‫תגובות‬ ‫חומצה‪-‬בסיס‬

‫תגובות חמצון‪-‬חיזור‬

‫‪pH‬‬

‫חומר מחזר‬

‫תכונות‪:‬‬ ‫• עובר חמצון‬ ‫• מאבד אלקטרונים‬ ‫• גורם לחיזור‬

‫חומר מחמצן‬

‫תכונות‪:‬‬ ‫• עובר חיזור‬ ‫• מקבל אלקטרונים‬ ‫• גורם לחמצון‬

‫חומרים מחמצנים‬ ‫מגיבים עם‬ ‫חומרים מחזרים;‬ ‫תגובות חמזור‬

‫חישוב ‪pH‬‬

‫מדידת ‪pH‬‬

‫אינדיקטורים‬

‫תמיסות בופר‬

‫טיטור‬

‫חישוב ‪pH‬‬

‫של בופר‬

‫הכנת‬ ‫תמיסת‬ ‫בופר‬

‫תהליך‬ ‫הבופר‬

‫‪2‬‬ ‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪315‬‬

‫סיכום‬ ‫‪ 8.1‬חומצות ובסיסים‬ ‫@ אחת ההגדרות המוקדמות של חומצות ובסיסים היא‬ ‫התיאוריה של ארניוס‪ .‬על פי התיאוריה‪ ,‬חומצה מתפרקת‬ ‫ויוצרת יוני מימן‪ ,H+ ,‬ובסיס מתפרק ויוצר יוני הידרוקסיד‪,‬‬ ‫‪.OH−‬‬ ‫@ תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי מגדירה חומצה כצורון התורם‬ ‫פרוטון (‪ )H+‬ובסיס כצורון המקבל פרוטון‪.‬‬ ‫@ חומצה מצומדת היא הצורון שנוצר כשבסיס מקבל פרוטון‪.‬‬ ‫בסיס מצומד הוא הצורון שנוצר כשחומצה תורמת פרוטון‪.‬‬ ‫החומצה והבסיס משני עברי המשוואה מכונים יחדיו זוג‬ ‫חומצה‪-‬בסיס מצומדים‪.‬‬ ‫@ מים‪ ,‬הממס ברוב התגובות של חומצה ובסיס‪ ,‬הם‬ ‫אמפיפרוטיים‪ .‬יש להם תכונות של חומצה ובסיס גם יחד‪.‬‬ ‫@ החוזק של חומצות ובסיסים במים תלוי במידת‬ ‫הדיסוציאציה שלהם‪ ,‬כלומר עד כמה הם מתפרקים ליונים‬ ‫בנוכחות מים‪ ,‬הממס‪ .‬חומצות ובסיסים נחשבים חזקים‬ ‫כשהפירוק שלהם מגיע לכמעט ‪ 100%‬וחלשים כשהפירוק‬ ‫רחוק בהרבה מ־‪.100%‬‬ ‫@ חומצות חלשות ובסיסים חלשים מתמוססים במים בעיקר‬ ‫בצורה מולקולרית‪ .‬אחוז קטן בלבד מהמולקולות מתפרקות‬ ‫ויוצרות יוני הידרוניום או יוני הידרוקסיד‪.‬‬ ‫@ תמיסות מימיות של חומצות ובסיסים הן אלקטרוליטיות‪.‬‬ ‫הדיסוציאציה של החומצה או הבסיס מניבה יונים‪,‬‬ ‫שמוליכים זרם חשמלי‪ .‬חומצות ובסיסים חזקים הם‬ ‫אלקטרוליטים חזקים‪ .‬חומצות ובסיסים חלשים הם‬ ‫אלקטרוליטים חלשים‪.‬‬ ‫@ אף שמים טהורים הם מולקולריים כמעט ב־‪ ,100%‬מקצת‬ ‫ממולקולות המים מתייננות‪ .‬התהליך מתרחש באמצעות‬ ‫העברת פרוטון ממולקולת מים אחת לאחרת‪ ,‬תוך יצירת‬ ‫יון הידרוניום ויון הידרוקסיד‪ .‬התהליך מכונה יינון עצמי‬ ‫של מים‪.‬‬ ‫@ במים טהורים בטמפרטורת החדר ריכוז יוני ההידרוניום‬ ‫הוא ‪ .1.0 × 10−7 M‬יון הידרוקסיד אחד נוצר עבור כל‬ ‫יון הידרוניום‪ ,‬לפיכך ריכוז יוני ההידרוקסיד אף הוא‬ ‫‪ .1.0 × 10−7 M‬מכפלת הריכוזים של יוני ההידרוניום ושל‬ ‫יוני ההידרוקסיד (‪ )1.0 × 10−14‬קרויה קבוע היינון העצמי‪.‬‬ ‫‪ :pH 8.2‬סולם מדידה של חומצות ובסיסים‬ ‫@ סולם ‪ pH‬משקף את הריכוז של יוני הידרוניום בתמיסה‬ ‫ומבטא את מידת החומציות או הבסיסיות שלה‪ .‬ה־‪ pH‬של‬ ‫תמיסה מוגדר בתור הלוגריתם השלילי של המולריות של‬ ‫יוני ההידרוניום (]‪.)pH = −log [H3O+‬‬

‫‪ 8.3‬תגובות בין חומצות ובסיסים‬ ‫@ תגובה של חומצה עם בסיס שמניבה מלח ומים מכונה‬ ‫תגובת סתירה‪.‬‬ ‫‪+‬‬ ‫@ סתירה מלאה מצריכה כמויות מולים שוות של ‪H3O‬‬ ‫ו־‪ ,OH−‬על מנת להניב תמיסה ניטרלית (ללא עודפי חומצה‬ ‫או בסיס)‪.‬‬ ‫@ אפשר להשתמש בתגובת סתירה על מנת לקבוע את‬ ‫הריכוז של תמיסת חומצה או בסיס בלתי ידועה‪ .‬שיטת‬ ‫הטיטור מצריכה הוספת כמויות מדודות של תמיסה‬ ‫שריכוזה ידוע באמצעות ביורטה‪ ,‬עד לסתירה של התמיסה‬ ‫השנייה‪ ,‬שריכוזה אינו ידוע‪ .‬אפשר לזהות את הנקודה‬ ‫הסטויכיומטרית באמצעות אינדיקטור‪ .‬זוהי נקודת הסיום‬ ‫של הטיטור‪.‬‬ ‫@ חומרים רב־פרוטיים תורמים (כחומצה) או קולטים‬ ‫(כבסיסים) יותר מפרוטון אחד לכל יחידת נוסחה‪.‬‬ ‫‪ 8.4‬בופרים חומצה—בסיס‬ ‫@ תמיסת בופר מכילה מרכיבים שמאפשרים לה לשמור על‬ ‫רמת ה־‪ pH‬שלה כאשר מוסיפים לה חומצות או בסיסים‪.‬‬ ‫@ פעולת הבופר מסתמכת על שיווי המשקל שבין חומצה‬ ‫חלשה והבסיס המצומד שלה‪ ,‬או בין בסיס חלש והחומצה‬ ‫המצומדת שלו‪.‬‬ ‫@ תמיסת בופר מצייתת לעקרון לה שטלייה‪ ,‬אשר קובע‬ ‫כי כאשר מפעילים עקה על מערכת בשיווי משקל‪ ,‬שיווי‬ ‫המשקל מוסט באופן שמקל על העקה‪.‬‬ ‫@ פעולת הבופר החומצי לסתירת בסיס תלויה בריכוז‬ ‫החומצה החלשה‪ ,‬ופעולתו לסתירת חומצה תלויה בריכוז‬ ‫האניון של המלח‪.‬‬ ‫@ פעולת הבופר הבסיסי לסתירת חומצה תלויה בריכוז‬ ‫הבסיס החלש‪ ,‬ופעולתו לסתירת בסיס תלויה בריכוז‬ ‫הקטיון של המלח‪.‬‬ ‫@ אפשר לתאר תמיסת בופר באמצעות ביטוי לקבוע שיווי‬ ‫המשקל‪ .‬את הביטוי לקבוע שיווי המשקל של מערכת‬ ‫חומצית אפשר לפתור בעבור ]‪ .[H3O+‬בדרך זו אפשר לקבל‬ ‫את ה־‪ pH‬של תמיסת הבופר אם אנו יודעים את הרכב‬ ‫התמיסה‪ .‬לחלופין אפשר להשתמש במשוואת הנדרסון‪-‬‬ ‫האסלבך‪ ,‬שהיא פיתוח של ביטוי שיווי המשקל‪ ,‬על מנת‬ ‫לחשב את ה־‪ pH‬של תמיסת בופר‪.‬‬ ‫@ קיבול הבופר הוא אמת מידה ליכולת של תמיסה לשמור‬ ‫על רמת ה־‪ pH‬שלה כאשר מוסיפים לה חומצה חזקה או‬ ‫בסיס חזק‪.‬‬

‫‪  316‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 8.5‬תהליכי חמצון‪-‬חיזור‬ ‫@ חמצון מוגדר בתור אובדן של אלקטרונים‪ ,‬אובדן של‬ ‫אטומי מימן או קבלה של אטומי חמצן‪.‬‬ ‫@ חיזור מוגדר בתור קבלה של אלקטרונים‪ ,‬קבלה של אטומי‬ ‫מימן או אובדן של אטומי חמצן‪.‬‬ ‫@ חמצון וחיזור הם תהליכים משלימים‪ .‬מחצית תגובת‬ ‫החמצון מניבה אלקטרון שמשמש כמגיב למחצית תגובת‬ ‫החיזור‪ .‬השילוב של שתי מחציות התגובה‪ ,‬חמצון וחיזור‪,‬‬ ‫מניב את התגובה השלמה‪.‬‬ ‫@ החומר המחזר משחרר אלקטרונים וגורם לחיזורו של‬ ‫החומר השני‪ .‬החומר המחמצן מקבל אלקטרונים וגורם‬ ‫לחמצון של החומר השני‪.‬‬ ‫@ הנזק הנגרם למתכות על ידי תהליך חמצון‪-‬חיזור מכונה‬ ‫שיתוך‪.‬‬ ‫@ תא אלקטרוכימי הוא תא שממיר אנרגיה כימית לאנרגיה‬ ‫חשמלית‪ .‬הדוגמה המוכרת ביותר לתא אלקטרוכימי היא‬ ‫הסוללה‪ .‬אלקטרוליזה היא תהליך הפוך לזה שמתרחש‬ ‫בסוללה‪ :‬תא אלקטרוליטי ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה‬ ‫כימית‪ .‬האלקטרודה שבה מתרחש חמצון מכונה אנודה‪,‬‬ ‫והאלקטרודה שבה מתרחש חיזור מכונה קתודה‪.‬‬

‫תשובות לשאלות‬ ‫"בחנו את עצמכם"‬ ‫‪ 8.1‬‬ ‫ ‬

‫א‪ .‬בסיס מצומד‪ OH− :‬ו־‪ HSO4− ;NH3‬ו־‪;HSO3−‬‬ ‫החומצה החזקה יותר בכל זוג‪ NH4+ :‬ו־‪H2SO4‬‬ ‫ב‪ .‬חומצה מצומדת‪ HCO3− :‬ו־‪H2CO3 ;HPO42−‬‬ ‫ו־‪ ;H2PO4−‬הבסיס החזק יותר בכל זוג‪PO43− :‬‬ ‫ו־‪HPO42−‬‬

‫‪pH = 4.0 8.2‬‬ ‫‪[H3‬‬ ‫‪= 1.00 × 10−5 M 8.3‬‬ ‫‪ 8.4‬א‪pH = 12 .‬‬ ‫ב‪pH = 8.0 .‬‬ ‫ ‬ ‫‪[H3O+] = 1.00 × 10−8 M 8.5‬‬ ‫‪[OH−] = 1.00 × 10−6 M‬‬ ‫ ‬ ‫‪pH = 7.5‬‬ ‫‪ 8.6‬‬ ‫א‪[H3O+] = 3.16 × 10−9 M .‬‬ ‫‪ 8.7‬‬ ‫ב‪[H3O+] = 3.16 × 10−5 M .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.8‬א‪0.1000 M NaOH .‬‬ ‫ב‪0.1389 M .‬‬ ‫ ‬ ‫‪pH = 4.87 8.9‬‬ ‫‪pH = 5.2 8.10‬‬ ‫]‪O+‬‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫חומצות ובסיסים‬ ‫עקרונות‬ ‫‪ 8.23‬א‪ .‬הגדירו חומצה על פי תיאוריית ארניוס‪.‬‬ ‫ב‪ .‬הגדירו חומצה על פי תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.24‬א‪ .‬הגדירו בסיס על פי תיאוריית ארניוס‪.‬‬ ‫ב‪ .‬הגדירו בסיס על פי תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.25‬מהם ההבדלים המהותיים בין התיאוריות של ארניוס‬ ‫וברונסטד‪-‬לאורי?‬ ‫‪ 8.26‬מדוע אמוניה מתוארת כבסיס ברונסטד‪-‬לאורי ולא‬ ‫כבסיס ארניוס?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 8.27‬כתבו את משוואות התגובה של התרכובות שלהלן עם‬ ‫מים‪:‬‬ ‫א‪HNO2 .‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪HCN .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.28‬כתבו את משוואות התגובה של התרכובות שלהלן עם‬ ‫מים‪:‬‬ ‫א‪HNO3 .‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪HCOOH .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.29‬א‪ .‬מהי החומצה המצומדת של ‪?NO3−‬‬ ‫ב‪ .‬איזה בסיס חזק יותר‪ NO3− ,‬או ‪?CN−‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬איזו חומצה חזקה יותר‪ HNO3 ,‬או ‪?HCN‬‬ ‫ ‬ ‫‪−‬‬ ‫‪ 8.30‬א‪ .‬מהי החומצה המצומדת של ‪?F‬‬ ‫ב‪ .‬איזה בסיס חזק יותר‪ F− ,‬או ‪?CH3COO−‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬איזו חומצה חזקה יותר‪ HF ,‬או ‪?CH3COOH‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.31‬ציינו מי מהתרכובות שלהלן היא חומצה חזקה ומי‬ ‫חומצה חלשה (היעזרו באיור ‪ ,8.2‬במקרה הצורך)‪:‬‬ ‫א‪H2SO3 .‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪H2CO3 .‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪H3PO4 .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.32‬ציינו מי מהצורונים שלהלן הוא בסיס חזק ומי בסיס‬ ‫חלש (היעזרו באיור ‪ ,8.2‬במקרה הצורך)‪:‬‬ ‫א‪KOH .‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪CN− .‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪SO42− .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.33‬זהו את זוגות חומצה‪-‬בסיס המצומדים במשוואות‬ ‫הכימיות שלהלן‪:‬‬ ‫א‪NH4(aq) + CN−(aq) € NH3(aq) + HCN(aq) .‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫‪+ HCl(aq) € HCO3‬‬ ‫‪+‬‬ ‫ב‪ .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.34‬זהו את זוגות חומצה‪-‬בסיס המצומדים במשוואות‬ ‫הכימיות שלהלן‪:‬‬ ‫€ )‪HCOOH(aq) + NH3(aq‬‬ ‫ ‬ ‫א‪.‬‬ ‫ ‬ ‫)‪Cl−(aq‬‬

‫)‪−(aq‬‬

‫)‪2−(aq‬‬

‫)‪HCOO−(aq) + NH4+(aq‬‬

‫ ‬

‫ב‪HCl(aq) + OH−(aq) € H2O(l) + Cl−(aq) .‬‬

‫‪CO3‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪8‬‬

‫‪ 8 .35‬מהו ההבדל בין חוזק של חומצה או של בסיס לבין‬ ‫ריכוז של חומצה או של בסיס?‬ ‫‪8.36‬שלהלן‪:‬‬ ‫ובעיותהמושגים‬ ‫התרשימים לבין‬ ‫‪ 8.36‬התאימו בין‬ ‫שאלות‬ ‫א‪ .‬חומצה חזקה מרוכזת‬ ‫ב‪ .‬חומצה חזקה מהולה‬ ‫ג‪ .‬חומצה חלשה מרוכזת‬ ‫ד‪ .‬חומצה חלשה מהולה‬ ‫‪H+ X−‬‬ ‫‪X− H+‬‬ ‫‪H+ X−‬‬ ‫‪X− H+‬‬ ‫‪X− X− H+‬‬

‫‪H+ X−‬‬ ‫‪X− H+‬‬ ‫‪H+ X−‬‬ ‫‪X− H+‬‬ ‫‪H+ X− H+‬‬

‫‪X−‬‬ ‫‪H−X‬‬ ‫‪H−X‬‬ ‫‪H−X‬‬

‫)‪(2‬‬

‫‪H−X‬‬ ‫‪H+‬‬

‫‪ 8.37‬‬

‫‪ 8.38‬‬

‫‪ 8.39‬‬

‫‪ 8.40‬‬

‫‪8 .41‬‬ ‫‪ 8.42‬‬ ‫‪ 8.43‬‬ ‫‪ 8.44‬‬

‫‪H−X‬‬ ‫‪H−X‬‬ ‫‪H+‬‬ ‫‪H−X‬‬ ‫‪HX‬‬

‫‪H−X‬‬ ‫‪X−‬‬

‫)‪(1‬‬ ‫‪X−‬‬

‫‪X−‬‬

‫‪H−X‬‬

‫‪H+‬‬

‫‪H−X‬‬ ‫)‪(4‬‬

‫‪H+‬‬

‫‪H+‬‬ ‫‪X−‬‬ ‫‪X−‬‬

‫‪H+‬‬

‫)‪(3‬‬

‫קבעו אם הצורונים שלהלן הם חומצת ברונסטד‪ ,‬בסיס‬ ‫ברונסטד או שניהם‪:‬‬ ‫א‪H3O+ .‬‬ ‫ב‪OH− .‬‬ ‫ג‪H2O .‬‬ ‫קבעו אם הצורונים שלהלן הם חומצת ברונסטד‪ ,‬בסיס‬ ‫ברונסטד או שניהם‪:‬‬ ‫א‪NH4+ .‬‬ ‫ב‪NH3 .‬‬ ‫קבעו אם הצורונים שלהלן הם חומצת ברונסטד‪ ,‬בסיס‬ ‫ברונסטד או שניהם‪:‬‬ ‫א‪H2CO3 .‬‬ ‫ב‪HCO3− .‬‬ ‫ג‪CO32− .‬‬ ‫קבעו אם הצורונים שלהלן הם חומצת ברונסטד‪ ,‬בסיס‬ ‫ברונסטד או שניהם‪:‬‬ ‫א‪H2SO4 .‬‬ ‫ב‪HSO4− .‬‬ ‫ג‪SO42− .‬‬ ‫מהי נוסחת החומצה המצומדת של ‪?CN−‬‬ ‫מהי נוסחת החומצה המצומדת של ‪?Br−‬‬ ‫מהי נוסחת הבסיס המצומד של ‪?HI‬‬ ‫מהי נוסחת הבסיס המצומד של ‪?HCOOH‬‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪317‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫‪ :pH‬סולם מדידה של חומצות ובסיסים‬ ‫עקרונות‬ ‫‪+‬‬ ‫‪ 8.45‬חשבו את ] ‪ [H3O‬של תמיסה מימית‪ ,‬אם מתקיים‪:‬‬ ‫א‪[OH−] = 1.0 × 10−7 M .‬‬ ‫ ‬ ‫‪−‬‬ ‫‪−3‬‬ ‫ב‪[OH ] = 1.0 × 10 M .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.46‬חשבו את ]‪ [H3O+‬של תמיסה מימית‪ ,‬אם מתקיים‪:‬‬ ‫א‪[OH−] = 1.0 × 10−9 M .‬‬ ‫ב‪[OH−] = 1.0 × 10−5 M .‬‬ ‫‪ 8.47‬נתונים שני כלי קיבול‪ .‬האחד מכיל תמיסת ‪ HCl‬בריכוז‬ ‫‪ ,0.10 M‬והאחר תמיסת ‪ CH3COOH‬בריכוז ‪.0.10 M‬‬ ‫לאיזו תמיסה ‪ pH‬גבוה יותר? מדוע?‬ ‫‪ 8.48‬נתונים שני כלי קיבול‪ .‬האחד מכיל תמיסת ‪NaOH‬‬ ‫בריכוז ‪ ,0.10 M‬והאחר תמיסת ‪ NH3‬בריכוז ‪.0.10 M‬‬ ‫לאיזו תמיסה ‪ pH‬גבוה יותר? מדוע?‬ ‫‪ 8.49‬חשבו את ה־‪ pH‬של תמיסה‪ ,‬אם מתקיים‪:‬‬ ‫א‪[HCl] = 1.0 × 10−2 M .‬‬ ‫ב‪[HNO3] = 1.0 × 10−4 M .‬‬ ‫‪ 8.50‬חשבו את ה־‪ pH‬של תמיסה‪ ,‬אם מתקיים‪:‬‬ ‫א‪[HCl] = 1.0 × 10−1 M .‬‬ ‫ב‪[HNO3] = 1.0 × 10−5 M .‬‬ ‫‪ 8.51‬חשבו את ]‪ [H3O+‬של תמיסת חומצה חנקתית‪ ,‬אם‬ ‫מתקיים‪:‬‬ ‫א‪pH = 1.00 .‬‬ ‫ב‪pH = 5.00 .‬‬ ‫‪ 8.52‬חשבו את ]‪ [H3O+‬של תמיסת חומצה כלורית‪ ,‬אם‬ ‫מתקיים‪:‬‬ ‫א‪pH = 2.00 .‬‬ ‫ב‪pH = 3.00 .‬‬ ‫‪−3‬‬ ‫‪ 8.53‬מהו ה־‪ pH‬של תמיסת ‪ KOH‬בריכוז ‪?1.0 × 10 M‬‬ ‫‪ 8.54‬מהו ה־‪ pH‬של תמיסת ‪ NaOH‬בריכוז ‪?1.0 × 10−5 M‬‬ ‫‪ 8.55‬חשבו את ]‪ [H3O+‬ו־]‪ [OH−‬של תמיסה‪ ,‬אם מתקיים‪:‬‬ ‫א‪pH = 1.30 .‬‬ ‫ב‪pH = 9.70 .‬‬ ‫‪ 8.56‬חשבו את ]‪ [H3O+‬ו־]‪ [OH−‬של תמיסה‪ ,‬אם מתקיים‪:‬‬ ‫א‪pH = 5.50 .‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪pH = 7.00 .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.57‬מהי תגובת סתירה?‬ ‫‪ 8.58‬מהי מטרת הטיטור?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 8.59‬ה־‪ pH‬של שתן נמצא בטווח שבין ‪ 4.5‬ו־‪ .8.2‬קבעו את‬ ‫הריכוזים של ‪ H3O+‬ושל ‪ ,OH−‬אם ה־‪ pH‬שנמדד הוא‪:‬‬ ‫א‪6.00 .‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪5.20 .‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪7.80 .‬‬ ‫ ‬

‫‪  318‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 8.60‬ריכוז יוני ההידרוניום בדם נמדד אצל שלושה‬ ‫מטופלים‪:‬‬ ‫מטופל‬ ‫א‬ ‫ב‬ ‫ג‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.61‬‬ ‫‪ 8.62‬‬ ‫‪ 8.63‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫‪ 8.64‬‬

‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.65‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.66‬‬ ‫‪ 8.67‬‬ ‫‪ 8.68‬‬ ‫‪ 8.69‬‬ ‫‪ 8.70‬‬

‫]‪[H3O+‬‬ ‫‪5.0 × 10−8‬‬ ‫‪3.1 × 10−8‬‬ ‫‪3.2 × 10−8‬‬

‫מהו ה־‪ pH‬בדם של כל מטופל? אם הטווח התקני‬ ‫הוא בין ‪ 7.30‬ו־‪ ,7.50‬מי מהמטופלים‪ ,‬אם בכלל‪ ,‬סובל‬ ‫מרמת ‪ pH‬בלתי תקינה בדם?‬ ‫חוו דעתכם על הקביעה שלהלן‪ :‬דגימת מי אגם שבה‬ ‫‪ pH = 3.0‬חומצית פי שניים מדגימת מי אגם שבה‬ ‫‪.pH = 6.0‬‬ ‫האם תמיסה מהולה של חומצה חזקה יכולה‪ ,‬בנסיבות‬ ‫כלשהן‪ ,‬להתאפיין ב־‪ pH‬גבוה מזה של תמיסה מרוכזת‬ ‫יותר של חומצה חלשה? הסבירו את תשובתכם‪.‬‬ ‫חשבו את ריכוז ה־‪ H3O+‬של תמיסה‪ ,‬אם ה־‪ pH‬שלה‬ ‫הוא‪:‬‬ ‫א‪5.00 .‬‬ ‫ב‪12.00 .‬‬ ‫ג‪5.50 .‬‬ ‫‪+‬‬ ‫חשבו את ריכוז ה־ ‪ H3O‬של תמיסה‪ ,‬אם ה־‪ pH‬שלה‬ ‫הוא‪:‬‬ ‫א‪6.80 .‬‬ ‫ב‪4.60 .‬‬ ‫ג‪2.70 .‬‬ ‫חשבו את ה־‪ pH‬של תמיסה‪ ,‬אם ריכוז ‪ H3O+‬שלה הוא‪:‬‬ ‫א‪1.0 × 10−6 M .‬‬ ‫ב‪1.0 × 10−8 M .‬‬ ‫ג‪5.6 × 10−4 M .‬‬ ‫מהו ריכוז ה־‪ OH−‬של כל התמיסות בשאלה ‪?8.65‬‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסה שבה ‪?[H3O+] = 7.5 × 10−4 M‬‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסה שבה ‪?[H3O+] = 6.6 × 10−5 M‬‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסה שבה ‪?[OH−] = 5.5 × 10−4 M‬‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של תמיסה שבה ‪?[OH−] = 6.7 × 10−9 M‬‬

‫תגובות בין חומצות ובסיסים‬ ‫עקרונות‬ ‫‪ 8.71‬כתבו משוואה המייצגת תגובת סתירה של תמיסה‬ ‫מימית של ‪ HNO3‬עם תמיסה מימית של ‪.NaOH‬‬ ‫‪ 8.72‬כתבו משוואה המייצגת תגובה סתירה של תמיסה‬ ‫מימית של ‪ HCl‬עם תמיסה מימית של ‪.KOH‬‬ ‫‪ 8.73‬כתבו את המשוואה משאלה ‪ 8.71‬כמשוואה יונית נטו‬ ‫מאוזנת‪.‬‬ ‫‪ 8.74‬כתבו את המשוואה משאלה ‪ 8.72‬כמשוואה יונית נטו‬ ‫מאוזנת‪.‬‬

‫‪ 8.75‬מהו תפקידו של אינדיקטור?‬ ‫‪ 8.76‬מצאו באיור ‪ 8.5‬אינדיקטור שצבעו צהוב בתמיסה‬ ‫חומצית וכחול בתמיסה בסיסית‪.‬‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 8.77‬טיטור של תמיסת ‪ HCl‬בנפח ‪ 15.00 mL‬מצריך‬ ‫‪ 22.50 mL‬של תמיסת ‪ NaOH‬בריכוז ‪ .0.1200 M‬מהי‬ ‫המולריות של תמיסת ה־‪?HCl‬‬ ‫‪ 8.78‬טיטור של תמיסת ‪ HNO3‬בנפח ‪ 17.85 mL‬מצריך‬ ‫‪ 16.00 mL‬של תמיסת ‪ KOH‬בריכוז ‪ .0.1600 M‬מהי‬ ‫המולריות של תמיסת ה־‪?HNO3‬‬ ‫‪ 8.79‬נתונה תמיסת ‪ NaOH‬בריכוז ‪ .0.1500 M‬מהו הנפח‬ ‫הדרוש ממנה כדי לטטר ‪ 20.00 mL‬של ‪ HCl‬בריכוז‬ ‫‪?0.1000 M‬‬ ‫‪ 8.80‬נתונה תמיסת ‪ KOH‬בריכוז ‪ .0.2000 M‬מהו הנפח‬ ‫הדרוש ממנה כדי לטטר ‪ 25.00 mL‬של ‪ HNO3‬בריכוז‬ ‫‪?0.1500 M‬‬ ‫תמיסות בופר חומצה‪-‬בסיס‬ ‫עקרונות‬ ‫‪ 8.81‬מי מהצמדים שלהלן מתאים להכנת תמיסת בופר?‬ ‫א‪ NH3 .‬ו־‪NH4Cl‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪ HNO3 .‬ו־‪KNO3‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.82‬מי מהצמדים שלהלן מתאים להכנת תמיסת בופר?‬ ‫א‪ HBr .‬ו־‪MgCl2‬‬ ‫ ‬ ‫ב‪ H2CO3 .‬ו־‪NaHCO3‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.83‬נתונות שתי כוסות כימיות‪ .‬האחת מכילה תערובת‬ ‫של ‪ HCl‬ו־‪( NaCl‬כל מומס בריכוז ‪ ,)0.10 M‬והאחרת‬ ‫מכילה תערובת של ‪ CH3COOH‬ו־‪CH3COONa‬‬ ‫(גם כאן‪ ,‬שני המומסים בריכוז ‪ .)0.10 M‬אם נוסיף‬ ‫‪ 10.0 mL‬של ‪ NaOH‬בריכוז ‪ 0.10 M‬לכל כוס כימית‪,‬‬ ‫באיזו תמיסה יתרחש שינוי גדול יותר ב־‪ ?pH‬מדוע?‬ ‫‪ 8.84‬נתונות שתי כוסות כימיות‪ ,‬האחת מכילה תערובת של‬ ‫‪ NaOH‬ו־‪( NaCl‬כל מומס בריכוז ‪ ,)0.10 M‬והאחרת‬ ‫מכילה תערובת של ‪ NH3‬ו־‪( NH4Cl‬גם כאן‪ ,‬שני‬ ‫המומסים בריכוז ‪ .)0.10 M‬אם נוסיף ‪ 10.0 mL‬של‬ ‫‪ HNO3‬בריכוז ‪ 0.10 M‬לכל כוס כימית‪ ,‬באיזו תמיסה‬ ‫יתרחש שינוי גדול יותר ב־‪ ?pH‬מדוע?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 8.85‬התגובה שלהלן של חומצה אצטית מצויה בשיווי‬ ‫משקל‪:‬‬ ‫)‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € CH3COO−(aq) + H3O+(aq‬‬

‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫הסבירו את הסטייה שתחול בשיווי המשקל עקב‬ ‫השינויים האלה‪:‬‬ ‫א‪ .‬הוספת חומצה חזקה לתמיסה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬מיהול התמיסה במים‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪ 8‬ח ו מ צ ו ת ‪ ,‬ב ס י ס י ם‬

‫‪ 8.86‬התגובה שלהלן של חומצה אצטית מצויה בשיווי‬ ‫משקל‪:‬‬ ‫)‪CH3COOH(aq) + H2O(l) € CH3COO−(aq) + H3O+(aq‬‬

‫ ‬

‫‪ 8.87‬‬ ‫‪8 .88‬‬ ‫‪ 8.89‬‬ ‫‪ 8.90‬‬ ‫‪ 8.91‬‬ ‫‪ 8.92‬‬ ‫‪ 8.93‬‬

‫‪ 8.94‬‬

‫הסבירו את הסטייה שתחול בשיווי המשקל עקב‬ ‫השינויים האלה‪:‬‬ ‫א‪ .‬הוספת בסיס חזק לתמיסה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬הוספת חומצה אצטית לתמיסה‪.‬‬ ‫מהו ]‪ [H3O+‬של תמיסת בופר בריכוז חומצה של‬ ‫‪ 0.200 M‬ובריכוז מלח תואם של ‪ ,0.500 M‬אם עבור‬ ‫החומצה החלשה מתקיים ‪?Ka = 5.80 × 10−7‬‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של התמיסה המתוארת בשאלה ‪?8.87‬‬ ‫עבור מערכת הבופר המתוארת בשאלה ‪ ,8.85‬איזה‬ ‫חומר אחראי לקיבול הבופר בעת הוספת חומצה‬ ‫כלורית? הסבירו את תשובתכם‪.‬‬ ‫עבור מערכת הבופר המתוארת בשאלה ‪ ,8.85‬איזה‬ ‫חומר אחראי לקיבול הבופר בעת הוספת נתרן‬ ‫הידרוקסידי? הסבירו את תשובתכם‪.‬‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של מערכת בופר המכילה ‪CH3COOH‬‬ ‫בריכוז ‪ 1.0 M‬ו־‪ CH3COONa‬בריכוז ‪( 1.0 M‬עבור‬ ‫חומצה אצטית‪?)Ka = 1.8 × 10−5 ,CH3COOH ,‬‬ ‫מהו ה־‪ pH‬של מערכת בופר המכילה ‪ NH3‬בריכוז‬ ‫‪ 1.0 M‬ו־‪ NH4Cl‬בריכוז ‪( 1.0 M‬עבור ‪ ,NH4+‬החומצה‬ ‫במערכת‪?)Ka = 5.6 × 10−10 ,‬‬ ‫ה־‪ pH‬של פלזמת הדם הוא ‪ .7.40‬מערכת הבופר העיקרית‬ ‫היא ‪ .HCO3−/H2CO3‬מהו היחס ]‪[HCO3−]/[H2CO3‬‬ ‫של פלזמת הדם (עבור חומצה פחמתית‪,H2CO3 ,‬‬ ‫‪?)Ka = 4.5 × 10−7‬‬ ‫ה־‪ pH‬של פלזמת הדם אצל חולה היה ‪ ,7.6‬שהיא רמה‬ ‫מסכנת חיים‪ .‬מהו היחס ]‪ [HCO3−]/[H2CO3‬בדגימה‬ ‫זו של פלזמת הדם (עבור חומצה פחמתית‪,H2CO3 ,‬‬ ‫‪?)Ka = 4.5 × 10−7‬‬

‫תהליכי חמצון‪-‬חיזור‬ ‫עקרונות‬ ‫‪ 8.95‬בתגובת חמצון‪-‬חיזור‪ ,‬האם‬ ‫מקבל או מאבד אלקטרונים?‬ ‫‪ 8.96‬בתגובת חמצון‪-‬חיזור‪ ,‬האם‬ ‫חמצון או חיזור?‬ ‫‪ 8.97‬בתגובת חמצון‪-‬חיזור‪ ,‬האם‬ ‫חמצון או חיזור?‬ ‫‪ 8.98‬האם ברוב המקרים מתכות‬ ‫טובים או מחזרים טובים?‬

‫יישומים‬ ‫‪ 8.99‬זהו בתגובה שלהלן את הצורון העובר חמצון‪ ,‬הצורון‬ ‫העובר חיזור‪ ,‬החומר המחמצן והחומר המחזר‪:‬‬ ‫)‪Cl2(aq) + 2KI(aq) → 2KCl(aq) + I2(aq‬‬

‫‪ 8.100‬זהו בתגובה שלהלן את הצורון שעובר חמצון‪ ,‬הצורון‬ ‫העובר חיזור‪ ,‬החומר המחמצן והחומר המחזר‪:‬‬ ‫)‪Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s‬‬

‫‪ 8.101‬‬ ‫‪ 8.102‬‬ ‫‪ 8.103‬‬ ‫‪ 8.104‬‬ ‫‪8 .105‬‬ ‫‪ 8.106‬‬

‫החומר המחזר עובר‬ ‫הן חומרים מחמצנים‬

‫כתבו את מחצית תגובת החמצון ומחצית תגובת‬ ‫החיזור של המשוואה בשאלה ‪.8.99‬‬ ‫כתבו את מחצית תגובת החמצון ומחצית תגובת‬ ‫החיזור של המשוואה בשאלה ‪.8.100‬‬ ‫מהו הקשר בין חמצון‪-‬חיזור ותאים אלקטרוכימיים?‬ ‫הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫תארו את קווי הדמיון והשוני בין תא אלקטרוכימי ותא‬ ‫אלקטרוליטי‪.‬‬ ‫תארו יישום אחד של תאים אלקטרוכימיים‪.‬‬ ‫תארו יישום אחד של תאים אלקטרוליטיים‪.‬‬

‫בעיות חשיבה ביקורתית‬ ‫‪ .1‬‬

‫‪ .2‬‬ ‫‪ .3‬‬

‫הצורון שעובר חמצון‬ ‫החומר המחמצן עובר‬

‫ו ח מ צ ו ן — ח י ז ו ר   ‪319‬‬

‫‪ .4‬‬ ‫‪ .5‬‬

‫גשם חומצי מסוכן לסביבה משום שהוא עלול להגדיל‬ ‫את הריכוז של יונים מתכתיים רעילים‪ ,‬כגון ‪ Cd2+‬ו־‪,Cr3+‬‬ ‫בנהרות ובנחלים‪ .‬בהנחה שקדמיום וכרום מצויים במשקעי‬ ‫קרקע בתור ‪ Cd(OH)2‬ו־‪ ,Cr(OH)3‬כתבו תגובות שמדגימות‬ ‫את ההשפעה של גשם חומצי‪ .‬השתמשו בספרייה או‬ ‫באינטרנט כדי למצוא את התכונות של קדמיום וכרום‬ ‫שאחראיות להשפעה הסביבתית שלהם‪.‬‬ ‫אלומיניום פחמתי הוא חומר מסיס בתמיסות חומציות‪,‬‬ ‫היוצר קטיונים של אלומיניום‪ .‬כתבו תגובה (או סדרה של‬ ‫תגובות) שמסבירה את התצפית הזו‪.‬‬ ‫פחמן דו־חמצני מגיב עם יוני הידרוקסיד ומניב אניון מימן‬ ‫פחמתי‪ .‬שרטטו מבנה לואיס של כל מגיב ותוצר וסמנו‬ ‫אותם כחומצת ברונסטד או כבסיס ברונסטד‪ .‬הסבירו את‬ ‫התגובה באמצעות תיאוריית ברונסטד‪ .‬מדוע תיאוריית‬ ‫ארניוס אינה מתאימה לתיאור התגובה?‬ ‫מאלוקס הוא נוגד חומצה המורכב מ־‪ Mg(OH)2‬ו־‪.Al(OH)3‬‬ ‫כתבו תגובה כימית שמראה את פעולת הסתירה של‬ ‫מאלוקס‪.‬‬ ‫גשם חומצי מתואר כבעיה אזורית‪ ,‬בעוד אפקט החממה‬ ‫הוא בעיה גלובלית‪ .‬האם אתם מסכימים עם הקביעה?‬ ‫מדוע או מדוע לא?‬

‫‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות‬ ‫ורפואה גרעינית‬

‫מטרות לימוד‬ ‫‪ 1‬לפרט את המאפיינים של סוגי קרינה שונים‪ :‬אלפא‪ ,‬ביתא‪ ,‬פוזיטרונים וגמא‪.‬‬ ‫‪ 2‬לכתוב משוואות מאוזנות של תהליכים גרעיניים‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 3‬לחשב את כמות החומר הרדיואקטיבי הנותרת לאחר פרק זמן מסוים‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4‬להסביר את תהליך התארוך הרדיואקטיבי‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 5‬לתאר כיצד אנרגיה גרעינית יכולה לייצר חשמל‪ :‬ביקוע‪ ,‬היתוך וכור תרבית‪.‬‬ ‫‪ 6‬להדגים את השימוש באיזוטופים רדיואקטיביים ברפואה‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7‬לתאר את השימוש בקרינה מייננת בטיפול בסרטן‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8‬לדון בהכנה של רדיואיזוטופים ובשימוש בהם בשיטות דימות אבחוניות‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9‬להסביר את ההבדל בין רדיואקטיביות טבעית ומלאכותית‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 1‬לתאר את המאפיינים של חומרים רדיואקטיביים הקשורים לבטיחות‬ ‫‪ 0‬‬ ‫ולחשיפה לקרינה‪.‬‬ ‫‪ 11‬להכיר שיטות מקובלות לזיהוי רדיואקטיביות‪.‬‬ ‫ורם‪.‬‬ ‫‪ 1‬להכיר את היחידות המקובלות של עוצמת קרינה‪ :‬קירי‪ ,‬רנטגן‪ ,‬ראד ֶ‬ ‫‪ 2‬‬

‫מתווה‬ ‫מבוא ‪322‬‬ ‫‪ 9.1‬רדיואקטיביות טבעית ‪322‬‬ ‫מוצא היסודות ‪325‬‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ַ :‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9.2‬כתיבת משוואה גרעינית מאוזנת ‪326‬‬ ‫‪ 9.3‬תכונות של רדיואיזוטופים ‪330‬‬ ‫נקודת מבט אנושית‪ :‬מדענית יוצאת דופן ‪334‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9.4‬ייצור אנרגיה גרעינית ‪334‬‬ ‫כימיה ירוקה‪ :‬סילוק פסולת גרעינית ‪337‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9.5‬יישומים רפואיים של רדיואקטיביות ‪338‬‬ ‫נקודת מבט רפואית‪ :‬דימות תהודה מגנטית ‪341‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9.6‬השפעות ביולוגיות של קרינה ‪342‬‬ ‫‪ 9.7‬מדידה של קרינה ‪344‬‬ ‫כימיה ירוקה‪ :‬רדון וזיהום אוויר בחללים בנויים ‪346‬‬ ‫ ‬

‫הטכנולוגיה הגרעינית חוללה‬ ‫מהפכה בתחום הרפואה‪.‬‬

‫‪  322‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מבוא‬ ‫בדיון שלנו באטום ובמבנה האטומי בפרק ‪ 2‬תיארנו את האטום כמורכב מגרעין‪ ,‬שבו פרוטונים‬ ‫ונויטרונים‪ ,‬המוקף באלקטרונים‪ .‬עד כה התייחסנו לגרעין כאל לא יותר מאזור של מטען חיובי‬ ‫במרכז האטום‪ ,‬והתמקדנו באלקטרונים ובהיערכות שלהם סביב הגרעין‪ .‬היערכות האלקטרונים‬ ‫היא חלק מהותי בדיון בקשרים כימיים ובשינוי כימי‪.‬‬ ‫בפרק זה נדון בגרעין ובתכונות הנגזרות ממבנהו‪ .‬ההשפעה של מבנה הגרעין על חיינו‬ ‫גדולה לא פחות מזו של כל אחת מאלפי התרכובות הסינתטיות שפותחו בעשורים האחרונים‪.‬‬ ‫לטכנולוגיה גרעינית טווח רחב של שימושים‪ ,‬החל בחפצים יומיומיים (גלאי עשן)‪ ,‬עבור‬ ‫במכשירים מתוחכמים לאבחון ולטיפול רפואי‪ ,‬וכלה בייצור כוח חשמלי (תחנות כוח גרעיניות)‪.‬‬ ‫מאז גילוי הקרינה הנפלטת מעפרת אורניום על ידי בקרל ב־‪ ,1896‬הטכנולוגיה שצמחה‬ ‫מהתגלית הזאת‪ ,‬ומתגליות נוספות‪ ,‬הולידה סכנות ויתרונות כאחד‪ .‬אף שתגליות מוקדמות של‬ ‫רדיואקטיביות ותכונותיה הרחיבו את הידע שלנו והקנו תהילה לחוקרים‪ ,‬היה להן מחיר‪ .‬כמה‬ ‫מהחוקרים הראשונים מתו בטרם עת מסרטן וממחלות אחרות שנגרמו על ידי הקרינה שחקרו‪.‬‬ ‫גם כיום‪ ,‬האנרגיה הגרעינית והטכנולוגיה הקשורה בגרעין הן בגדר אליה וקוץ בה‪ .‬מחד‬ ‫גיסא‪ ,‬הזוועות של נגסקי והירושימה‪ ,‬הפחד מפני מלחמה גרעינית והאפשרות לזיהום של‬ ‫אזורים מאוכלסים בשל שימוש ביישומים לא מלחמתיים של אנרגיה גרעינית הם בעיות‬ ‫מהותיות הניצבות בפני החברה‪ .‬מאידך גיסא‪ ,‬חייהם של מאות אלפים ניצלו בזכות גילוי מוקדם‬ ‫של מחלות כגון סרטן באמצעות כלי אבחון המבוססים על האינטראקציה של הגוף עם קרינה‪.‬‬ ‫השימוש בשיטות כגון טיפול בקובלט—‪ 60‬נחשב חלק שגרתי בריפוי של מגוון סוגי גידולים‪.‬‬ ‫יתרה מזאת‪ ,‬אנרגיה גרעינית היא מקור אנרגיה חלופי שמסוגל לפצות על ההידלדלות במאגרי‬ ‫הנפט המתכלים‪.‬‬

‫‪9.1‬‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫איזוטופים מוצגים בסעיף ‪.2.1‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬

‫מספר העבודה‪:‬‬

‫רדיואקטיביות (‪ )radioactivity‬היא תהליך של פליטת אנרגיה וחלקיקים מגרעיני אטומים‬ ‫מסוימים‪ .‬האנרגיה והחלקיקים מכונים בשם קרינה גרעינית‪ .‬קרינה גרעינית מתרחשת בשל‬ ‫מתרחש‪298‬‬ ‫התהליךבעמ'‬ ‫שינוי בהרכב או במבנה של הגרעין‪.‬איור‬ ‫בגרעין לא יציב‪ ,‬כלומר רדיואקטיבי‪.‬‬ ‫נסמל את הגרעין באמצעות סימול גרעיני‪ ,‬המקביל לסימול האטומי שנידון בפרק ‪.2‬‬ ‫הסימול הגרעיני מורכב מסימול היסוד‪ ,‬מהמספר האטומי (מספר הפרוטונים בגרעין)‪,‬‬ ‫וממספר המסה‪ ,‬שמוגדר כסכום הנויטרונים והפרוטונים בגרעין‪.‬‬ ‫לדוגמה‪ ,‬גרעין הפלואור מיוצג בתור‪,‬‬ ‫סימול היסוד‬

‫→‬

‫אל לנו לבלבל בין מספר המסה‬ ‫(מניה פשוטה של הנויטרונים‬ ‫והפרוטונים) לבין המסה האטומית‪,‬‬ ‫שכוללת את תרומתם של‬ ‫האלקטרונים ומציינת את המסה‬ ‫האמתית של האטום‪.‬‬

‫רדיואקטיביות טבעית‬

‫‪ → 19 F‬מספר מסה‬ ‫‪ → 9‬מספר אטומי‬ ‫)או מטען הגרעין(‬

‫הסימול לעיל שקול לכתיב פלואור‪ .19-‬ייצוג חלופי זה משמש תכופות לציון איזוטופים של‬ ‫יסודות‪.‬‬ ‫לא כל היסודות רדיואקטיביים‪ .‬רק גרעינים לא יציבים עוברים שינוי ופולטים קרינה‬ ‫גרעינית‪ ,‬בתהליך המכונה דעיכה רדיואקטיבית‪ .‬כזכור‪ ,‬אטומים שונים של אותו היסוד‪ ,‬שלהם‬ ‫מסה שונה‪ ,‬מתקיימים כאיזוטופים‪ .‬אחד האיזוטופים של יסוד עשוי להיות רדיואקטיבי‪,‬‬ ‫בעוד איזוטופים אחרים של אותו היסוד עשויים להיות יציבים‪ .‬חשוב להבדיל בין המונחים‬ ‫איזוטופ ונוקליד‪ .‬המונח איזוטופ מתייחס לכל האטומים בעלי מספר אטומי זהה ובעלי‬

‫‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬ ‫איור ‪9-1‬‬

‫לפחמן‪14-‬‬ ‫שישה פרוטונים‬ ‫ושמונה נויטרונים‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫לפחמן‪13-‬‬ ‫שישה פרוטונים‬ ‫ושבעה נויטרונים‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫לפחמן‪12-‬‬ ‫שישה פרוטונים‬ ‫ושישה נויטרונים‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪323‬‬

‫איור ‪ 9.1‬שלושה איזוטופים‬ ‫של פחמן‪ .‬מספר הפרוטונים זהה‬ ‫בכל גרעין‪ .‬רק מספר הנויטרונים‬ ‫משתנה; מכאן נובע שלכל איזוטופ‬ ‫מסה שונה‪.‬‬

‫מספר מסה שונה‪ .‬המונח נוקליד (‪ )nuclide‬מתייחס לכל אטום שמאופיין במספר אטומי‬ ‫ובמספר מסה‪.‬‬ ‫רבים מהיסודות בטבלה המחזורית מצויים בטבע כתערובות של איזוטופים‪ .‬שתיים‬ ‫מהדוגמאות השכיחות הן פחמן (איור ‪,)9.1‬‬ ‫‪14 C‬‬ ‫‪6‬‬

‫ ‬ ‫ומימן‪,‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫פחמן‪ 14-‬‬ ‫‪3H‬‬ ‫‪1‬‬

‫מימן‪3 -‬‬ ‫טריטיום ‬ ‫(סימול‪ )T :‬‬

‫‪12 C‬‬ ‫‪6‬‬

‫‪13 C‬‬ ‫‪6‬‬

‫פחמן‪12-‬‬

‫פחמן‪ 13-‬‬ ‫‪2H‬‬ ‫‪1‬‬

‫לפחמן שלושה איזוטופים‪ ,‬שלושה‬ ‫נוקלידים נבדלים‪ C-13 ,C-12 ,‬ו־‪.C-14‬‬

‫ ‬

‫‪1H‬‬ ‫‪1‬‬

‫מימן‪1-‬‬

‫מימן‪2 -‬‬

‫פרוטיום‬

‫דויטריום ‬ ‫(סימול‪)D :‬‬

‫פרוטיום הוא איזוטופ יציב של מימן ומהווה למעלה מ־‪ 99.9%‬מהמימן הטבעי‪ .‬את הדויטריום‬ ‫(‪ )D‬אפשר לבודד מהמימן הטבעי; הוא יכול ליצור תרכובות כגון "מים כבדים"‪ .D2O ,‬מים‬ ‫כבדים הם מקור אפשרי של דויטריום עבור תהליכי היתוך גרעיני‪ .‬הטריטיום (‪ )T‬נדיר ובלתי‬ ‫יציב‪ ,‬ומכאן רדיואקטיבי‪.‬‬ ‫כאשר כותבים את הסימולים של תהליך גרעיני חשוב להתייחס לאיזוטופ הנכון שמשמש‬ ‫בתהליך‪ .‬זאת הסיבה לשימוש במספר המסה ובמספר האטומי‪ .‬על סמך ערכים אלה אנו‬ ‫יודעים את מספר הנויטרונים בצורון‪ ,‬ומכאן את זהות האיזוטופ‪.‬‬ ‫קרינה טבעית שנפלטת על ידי גרעינים בלתי יציבים כוללת חלקיקי אלפא‪ ,‬חלקיקי‬ ‫ביתא‪ ,‬פוזיטרונים וקרני גמא‪.‬‬

‫למימן שלושה איזוטופים‪ ,‬שלושה‬ ‫נוקלידים נבדלים‪ H-2 ,H-1 ,‬ו־‪.H-3‬‬

‫חלקיקי קרינה אחרים‪ ,‬כגון נויטרינו‬ ‫ודויטרון‪ ,‬לא יידונו כאן‪.‬‬

‫חלקיקי אלפא‬ ‫חלקיק אלפא (‪ )α‬מכיל שני פרוטונים ושני נויטרונים‪ .‬חלקיק אלפא זהה לגרעין של אטום‬ ‫הליום (‪ )He‬או לזה של יון הליום (‪ ,)He2+‬שגם הם מכילים שני פרוטונים (מספר אטומי = ‪)2‬‬ ‫ושני נויטרונים (‪ = 2‬מספר אטומי – מספר מסה)‪ .‬מכיוון שאין לו אלקטרונים לאזן את‬ ‫המטען הגרעיני‪ ,‬אפשר לסמל את חלקיק האלפא בתור‬ ‫‪4 He 2 +‬‬ ‫‪2‬‬

‫או‬

‫‪4 He‬‬ ‫‪2‬‬

‫או‬

‫‪α‬‬

‫לחלקיקי אלפא מסה גדולה יחסית בהשוואה לחלקיקים גרעיניים אחרים‪ .‬עקב כך‪ ,‬חלקיקי‬ ‫אלפא שנפלטים מרדיואיזוטופים נעים לאט יחסית (כ־‪ 10%‬ממהירות האור)‪ ,‬ומחסומים‬ ‫דקים כגון כמה עמודים בספר זה יכולים לעצור אותם‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 1‬לפרט את המאפיינים של‬

‫סוגי קרינה שונים‪ :‬אלפא‪ ,‬ביתא‪,‬‬ ‫פוזיטרונים וגמא‪.‬‬

‫‪  324‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫חלקיקי ביתא ופוזיטרונים‬ ‫לעומת זאת‪ ,‬חלקיק ביתא (‪ )β‬הוא אלקטרון מהיר הנע בכ־‪ 90%‬ממהירות האור‪ ,‬בקירוב‪,‬‬ ‫כשהוא עוזב את הגרעין‪ .‬הוא נוצר בגרעין בתהליך ההמרה של נויטרון לפרוטון‪ .‬חלקיק ביתא‬ ‫מיוצג בתור‬ ‫‪0‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪ − 1 e‬או ‪ − 1β‬או ‪β‬‬ ‫המספר ‪ −1‬מופיע בכתב תחתי באותו המקום של המספר האטומי‪ ,‬ובדומה למספר האטומי‬ ‫(מספר הפרוטונים) הוא מעיד על מטען החלקיק‪.‬‬ ‫חלקיקי ביתא קטנים ומהירים יותר מחלקיקי אלפא‪ .‬כושר החדירה שלהם גדול יותר‪ ,‬והם‬ ‫נעצרים רק על ידי חומרים צפופים יותר כגון עץ‪ ,‬מתכת או כמה שכבות של ביגוד‪.‬‬ ‫‪0‬‬ ‫לפוזיטרון מסה זהה לזו של חלקיק ביתא אך הוא נושא מטען חיובי‪ ,‬וסימולו ‪ + 1 e‬או‬ ‫‪ . +01β‬פוזיטרונים נוצרים בתהליך ההמרה של פרוטון לנויטרון בגרעין האיזוטופ‪.‬‬

‫קרני גמא‬ ‫קרני גמא (‪ )γ‬הן החלק האנרגטי ביותר של הספקטרום האלקטרומגנטי (ראו סעיף ‪ ,)2.3‬והן‬ ‫תוצר של תהליכים גרעיניים; לעומתן‪ ,‬קרינת אלפא וקרינת ביתא מורכבות מחלקיקי חומר‪.‬‬ ‫משום שקרינה אלקטרומגנטית אינה מכילה פרוטונים‪ ,‬נויטרונים או אלקטרונים‪ ,‬הסימול של‬ ‫קרן גמא הוא בפשטות‬ ‫‪γ‬‬

‫קרינת גמא מתאפיינת באנרגיה גבוהה וכושר החדירה שלה הוא הגבוה ביותר מבין כל סוגי‬ ‫הקרינה הגרעינית‪ .‬על מנת להגן מפני סוג זה של קרינה נדרשים מחסומים של עופרת או‬ ‫בטון‪ ,‬או לרוב שילוב של השניים‪.‬‬

‫תכונות של סוגי הקרינה‪:‬‬ ‫אלפא‪ ,‬ביתא‪ ,‬פוזיטרונים וגמא‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 1‬לפרט את המאפיינים של‬

‫סוגי קרינה שונים‪ :‬אלפא‪ ,‬ביתא‪,‬‬ ‫פוזיטרונים וגמא‪.‬‬

‫טבלה‬

‫תכונות חשובות של סוגי הקרינה שתיארנו – אלפא‪ ,‬ביתא‪ ,‬פוזיטרונים וגמא – מסוכמות‬ ‫בטבלה ‪.9.1‬‬ ‫סוגי הקרינה האלה מכונים במשותף קרינה מייננת (‪ .)ionizing radiation‬קרינה מייננת‬ ‫מותירה שובל של יונים בחומר שאליו היא חודרת‪ .‬תהליך היינון משנה את ההרכב הכימי של‬ ‫החומר‪ .‬כשהחומר האמור הוא רקמה חיה‪ ,‬התהליך עלול לגרום למחלה (סעיף ‪.)9.6‬‬

‫‪ 9.1‬סיכום התכונות העיקריות של קרינת אלפא‪ ,‬ביתא‪ ,‬פוזיטרונים וגמא‬

‫שם וסימול‬

‫זהות‬

‫אלפא (‪)α‬‬

‫גרעין הליום‬

‫‪+2‬‬

‫אלקטרון‬

‫‪−1‬‬

‫‪0.000549‬‬

‫אלקטרון‬

‫‪+1‬‬

‫‪0.000549‬‬

‫קרינה אלקטרומגנטית‬

‫‪0‬‬

‫ביתא‬

‫‪0β‬‬ ‫‪−1‬‬

‫פוזיטרון‬ ‫גמא (‪)γ‬‬

‫‪0β‬‬ ‫‪1‬‬

‫מטען‬

‫מהירות‬

‫כושר חדירה‬

‫מסה (‪)amu‬‬ ‫‪4.0026‬‬

‫‪ 5%-10%‬ממהירות האור‬

‫נמוך‬

‫עד ‪ 90%‬ממהירות האור‬

‫בינוני‬

‫עד ‪ 90%‬ממהירות האור‬

‫בינוני‬

‫מהירות האור‬

‫גבוה‬

‫‪0‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪325‬‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫מוצא היסודות‬ ‫ַ‬ ‫התיאוריה המקובלת בדבר היווצרות היקום היא תיאוריית‬ ‫"המפץ הגדול"‪ :‬התפוצצות של חומר דחוס מאוד לוותה‬ ‫בהתפשטות במרחב של שברי ההתפוצצות‪ .‬זהו אחד התרחישים‬ ‫שהעלו מדענים החוקרים את מוצא החומרים‪ ,‬הכוכבים‪ ,‬כוכבי‬ ‫הלכת והחיים כפי שאנו מכירים אותם‪.‬‬ ‫השברים הראשונים‪ ,‬או החלקיקים הראשונים‪ ,‬היו פרוטונים‬ ‫ונויטרונים שנעו במהירות עצומה והתאפיינו באנרגיה גדולה‬ ‫מאוד‪ .‬התנגשויות המערבות את הפרוטונים והנויטרונים עתירי‬ ‫האנרגיה הללו יצרו אטומי דויטריום (‪ ,)2H‬שהם איזוטופים‬ ‫של מימן‪ .‬כשהיקום התפשט והתקרר נוצר טריטיום (‪,)3H‬‬ ‫איזוטופ נוסף של מימן‪ ,‬בשל התנגשויות בין נויטרונים ואטומי‬ ‫דויטריום‪ .‬לכידה של פרוטון נוסף הניבה הליום (‪ .)He‬מדענים‬ ‫משערים שבמשך כ־‪ 100,000‬שנה התקיים יקום המורכב בעיקר‬ ‫מאטומי מימן והליום‪ ,‬עד שהטמפרטורה ירדה במידה מספקת‬ ‫לאפשר היווצרות של מולקולה פשוטה – מולקולת המימן‪,‬‬ ‫המורכבת משני אטומי מימן הקשורים זה לזה (‪.)H2‬‬ ‫מיליונים רבים של שנים לאחר מכן גרמה השפעת הכבידה‬ ‫ליחידות הקטנות הללו להתגבש‪ ,‬תחילה לעננים ובסופו של‬ ‫דבר לכוכבים‪ ,‬שבהם הטמפרטורה הגיעה למיליוני מעלות‪.‬‬ ‫בתוך הכוכבים התרכבו הקבוצות הקטנות של פרוטונים‬ ‫ונויטרונים ויצרו אטומים גדולים יותר כגון פחמן (‪ )C‬וחמצן‬ ‫(‪ ,)O‬ולאחר מכן נתרן (‪ ,)Na‬נאון (‪ ,)Ne‬מגנזיום (‪ ,)Mg‬צורן שאלות הרחבה‬ ‫(סיליקון‪ )Si ,‬וכיוצא בזה‪ .‬התפוצצויות של כוכבים סיפקו את‬ ‫@ במה שונה טריטיום ממימן "רגיל"?‬ ‫ ‬ ‫התנאים הדרושים להיווצרות רבים מהאטומים הגדולים יותר‪ @ .‬האם תצפו למצוא אטומים דומים על כוכבי לכת שונים?‬

‫שברים אלה‪ ,‬שקובצו בכוח הכבידה‪ ,‬הם המקור הסביר ביותר‬ ‫של כוכבי הלכת במערכת השמש שלנו‪.‬‬ ‫התגובות שיצרו את היסודות כפי שאנו מכירים אותם‬ ‫כיום היו תוצאה של שורה של תגובות היתוך‪ ,‬מיזוג של‬ ‫גרעינים שמניב אטומים גדולים יותר בטמפרטורות גבוהות‬ ‫מאוד (מיליוני מעלות צלסיוס)‪ .‬תגובות ההיתוך הללו דומות‬ ‫לתהליכים שנחקרים כיום כמקור כוח חלופי של אנרגיית ביקוע‬ ‫גרעיני‪.‬‬ ‫תגובות גרעיניות מסוג זה אינן מתרחשות באופן טבעי‬ ‫בכדור הארץ בימינו‪ ,‬משום שהטמפרטורה הקיימת פשוט‬ ‫נמוכה מדי‪ .‬משום כך החומר מצוי כאוסף של יסודות יציבים‬ ‫המתקיימים כתרכובות כימיות‪ ,‬כלומר אטומים המחוברים‬ ‫באמצעות קשרים כימיים תוך שמירה על זהותם‪ .‬הצורן מצוי‬ ‫סביבנו ְּכחול וכאדמה בצורת צורן דו־חמצני; רוב המתכות‬ ‫קיימות כחלק מתרכובות כימיות‪ ,‬כגון עפרת ברזל‪.‬‬ ‫הנפלאות והמורכבות של היקום הן מורשת של אירועים‬ ‫שהתרחשו לפני זמן רב מאוד‪ .‬ככל שהתפתחה ההבנה שלנו‬ ‫בדבר קשרים‪ ,‬מבנה מולקולרי והיחסים בין מבנה ותכונות‪ ,‬כך‬ ‫גדלה גם יכולתנו לתכנן ולסנתז תרכובות מועילות וחדשות‪.‬‬

‫כושר החדירה של קרינת אלפא נמוך מאוד‪ .‬הנזק לאברים פנימיים עקב סוג זה של קרינה הוא‬ ‫זניח‪ ,‬אלא אם כן בולעים מקור של חלקיקי אלפא‪ .‬מהירותם של חלקיקי ביתא ופוזיטרונים‬ ‫גבוהה בהרבה מזו של חלקיקי אלפא; למרות זאת‪ ,‬כושר החדירה שלהם מוגבל‪ .‬הם גורמים‬ ‫נזק לעור ולעיניים‪ ,‬ובמידה פחותה לאברים פנימיים‪ .‬יש צורך בהגנה כשעובדים עם מקור‬ ‫קרני ביתא‪ ,‬ונשים בהיריון צריכות לנקוט אמצעי זהירות מוגברים מפניה‪ .‬בשל כושר החדירה‬ ‫הגדול והאנרגיה הגבוהה של קרינת גמא‪ ,‬ההגנה מפניה קשה במיוחד‪ .‬היא עלולה לגרום נזק‬ ‫לאברים פנימיים ומשום כך כל מי שעובד עם קרינת גמא נדרש לנקוט אמצעי זהירות‪.‬‬ ‫‪ 9‬קרינת גמא היא סוג של קרינה אלקטרומגנטית‪ .‬הביאו דוגמאות לסוגים‬ ‫שאלה ‪ .1‬‬ ‫אחרים של קרינה אלקטרומגנטית‪.‬‬ ‫‪ 9‬השוו בין האנרגיה של קרינת גמא וזו של תחומים אחרים בספקטרום‬ ‫שאלה ‪ .2‬‬ ‫האלקטרומגנטי‪.‬‬

‫‪  326‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לכתוב משוואות מאוזנות של‬

‫תהליכים גרעיניים‪.‬‬

‫‪9.2‬‬

‫כתיבת משוואה גרעינית מאוזנת‬

‫משוואות גרעיניות מייצגות שינוי גרעיני באופן דומה כך שמשוואות כימיות מייצגות שינוי‬ ‫כימי‪.‬‬ ‫משוואה גרעינית (‪ )nuclear equation‬היא כלי לייצוג של דעיכה רדיואקטיבית‪ .‬בתהליך זה‬ ‫נוקליד מתפרק תוך יצירת נוקליד חדש‪ ,‬חלקיקים קטנים יותר (אלפא‪ ,‬ביתא‪ ,‬פוזיטרון) ו‪/‬או‬ ‫אנרגיה‪ .‬המושג של מאזן המסה‪ ,‬שהכרחי בכתיבת משוואות כימיות‪ ,‬חיוני גם במשוואות‬ ‫גרעיניות‪ .‬בכתיבת משוואה מאוזנת יש לזכור כי‪:‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫המסה הכוללת משני עברי חץ התגובה חייבת להיות זהה‪ ,‬וכן‬ ‫סכום המספרים האטומיים משני עברי חץ התגובה חייב להיות זהה‪.‬‬

‫דעיכת אלפא‬ ‫‪ , 238‬לתוריום ולחלקיק‬ ‫הבה נבחן את תגובת הדעיכה של איזוטופ אחד של אורניום‪92 U ,‬‬ ‫אלפא‪ .‬משום שחלקיק אלפא נפלט בתהליך‪ ,‬הדעיכה נקראת דעיכת אלפא‪.‬‬ ‫נבחן את המשוואה המאוזנת של התגובה הגרעינית הזאת‪:‬‬ ‫‪4 He‬‬ ‫‪2‬‬

‫הליום‪ 4-‬‬

‫‪234 Th‬‬ ‫‪90‬‬

‫‪+‬‬

‫→‬ ‫‪‬‬ ‫→‬

‫תוריום‪ 234-‬‬

‫‪238 U‬‬ ‫‪92‬‬

‫אורניום‪238-‬‬

‫סכום מספרי המסה מימין (‪ )234 + 4 = 238‬שווה למספר המסה משמאל‪ .‬סכום המספרים‬ ‫האטומיים מימין (‪ )90 + 2 = 92‬שווה למספר האטומי משמאל‪.‬‬

‫דעיכת ביתא‬ ‫נמחיש דעיכת ביתא באמצעות תגובת דעיכה של אחד האיזוטופים השכיחים פחות של‬ ‫חנקן‪ . 167 N ,‬כאשר חנקן‪( 16-‬נוקליד אב) מתפרק‪ ,‬הוא מניב חמצן‪( 16-‬נוקליד בת) וחלקיק‬ ‫ביתא‪ .‬ביסודו של דבר מתקיים נויטרון = פרוטון ‪ +‬אלקטרון‪ .‬בדעיכת ביתא‪ ,‬נויטרון אחד‬ ‫בחנקן‪ 16-‬מומר לפרוטון תוך פליטת אלקטרון מהגרעין‪ ,‬חלקיק ביתא‪ .‬התגובה מיוצגת כך‪:‬‬ ‫או כך‪:‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫→‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ 168 O +‬‬

‫‪16 N‬‬ ‫‪7‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1β‬‬

‫‪‬‬ ‫‪→ 168 O‬‬ ‫→‬

‫‪16 N‬‬ ‫‪7‬‬

‫‪+‬‬

‫שימו לב לכך שמספר המסה של חלקיק הביתא הוא אפס‪ ,‬משום שהאלקטרון בעל מסה‬ ‫זניחה ביחס למסתם של פרוטון או נויטרון‪ .‬שימו לב גם לכך שלנוקליד הבת יש מספר מסה‬ ‫זהה לזה של נוקליד האב‪ ,‬אבל המספר האטומי גדל ביחידה אחת‪.‬‬ ‫המספר האטומי משמאל (‪ )+7‬מאוזן על־ידי [‪ ]8 + (−1) = +7‬מימין‪ ,‬לפיכך המשוואה‬ ‫מאוזנת כהלכה‪.‬‬

‫פליטת פוזיטרון‬ ‫הדעיכה של פחמן‪ 11-‬לאיזוטופ היציב בורון‪ 11-‬היא דוגמה לפליטת פוזיטרון‪.‬‬ ‫‪+ 01 e‬‬

‫‪11 C ‬‬ ‫→‬ ‫‪→ 115 B‬‬ ‫‪6‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫או‬ ‫‪0‬‬ ‫‪+1β‬‬

‫‪+‬‬

‫‪11 C ‬‬ ‫→‬ ‫‪→ 115 B‬‬ ‫‪6‬‬

‫מסת הפוזיטרון (‪ )positron‬זהה למסת האלקטרון‪ ,‬אך מטענו הפוך (‪ .)+‬בנוקליד הבת מספר‬ ‫המסה זהה לזה של נוקליד האב‪ ,‬אך לעומת פליטת ביתא‪ ,‬המספר האטומי קטן ביחידה אחת‪.‬‬ ‫המספר האטומי משמאל (‪ )+6‬מאוזן על־ידי [‪ ]5 + (+1) = +6‬מימין‪ ,‬לפיכך המשוואה מאוזנת‬ ‫כהלכה‪.‬‬

‫קרינת גמא‬ ‫אילו קרינת גמא הייתה התוצר היחיד של דעיכה גרעינית‪ ,‬לא היה חל כל שינוי מדיד במסה‬ ‫או בזהות של הגרעין הרדיואקטיבי‪ ,‬וזאת משום שהמקור לקרני הגמא (נוקליד אב) פשוט‬ ‫ירד למצב אנרגטי נמוך יותר‪ .‬דוגמה לאיזוטופ שדועך בדרך זו היא טכנציום‪ .99m-‬הוא‬ ‫מתואר כאיזוטופ מטא־סטבילי‪ ,‬כלומר הוא לא יציב‪ ,‬והיציבות שלו תגדל באמצעות דעיכת‬ ‫גמא מבלי שיחול כל שינוי במסה או במטען שלו‪ .‬האות ‪ m‬משמשת לציין איזוטופ מטא־‬ ‫סטבילי‪ .‬משוואת הדעיכה של ‪ 99m43Tc‬היא‬ ‫‪+γ‬‬

‫‪99m Tc ‬‬ ‫‪→ 4993 Tc‬‬ ‫→‬ ‫‪43‬‬

‫לעתים קרובות יותר‪ ,‬קרינת גמא נפלטת בלוויית תוצרים אחרים‪ .‬לדוגמה‪ ,‬יוד‪ 131-‬דועך‬ ‫באופן זה‪:‬‬ ‫‪γ‬‬

‫ ‬

‫קרן גמא ‬

‫‪+‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫‪+‬‬

‫חלקיק ביתא‬

‫‪131 Xe‬‬ ‫‪54‬‬

‫‪‬‬ ‫→‬ ‫→‬

‫קסנון‪ 131-‬‬

‫‪131 I‬‬ ‫‪53‬‬

‫יוד‪131-‬‬

‫את התגובה אפשר לייצג גם כך‪:‬‬ ‫‪+γ‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1β‬‬

‫‪+‬‬

‫‪131 I ‬‬ ‫‪→ 131‬‬ ‫→ ‪53‬‬ ‫‪54 Xe‬‬

‫התוצרים הם איזוטופ של קסנון‪ ,‬חלקיק ביתא וקרינת גמא‪.‬‬

‫חיזוי התוצרים של דעיכה גרעינית‬ ‫אפשר להשתמש במשוואה גרעינית על מנת לחזות את אחד התוצרים של תגובה גרעינית‪,‬‬ ‫אם השאר ידועים‪ .‬ראו את הדוגמה שלהלן‪ ,‬שבה התוצר הנעלם מיוצג בתור סימן שאלה‪:‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫‪‬‬ ‫‪→?+‬‬ ‫→‬

‫‪40 K‬‬ ‫‪19‬‬

‫שלב ‪ .1‬מספר המסה של האיזוטופ הזה של אשלגן הוא ‪ .40‬לפיכך‪ ,‬סכום מספרי המסה של‬ ‫התוצרים מוכרח להיות אף הוא ‪ ,40‬והנעלם מוכרח להיות בעל מספר מסה של ‪.40‬‬ ‫שלב ‪ .2‬באופן דומה‪ ,‬המספר האטומי משמאל הוא ‪ ,19‬וסכום המספר האטומי של הנעלם‬ ‫והמטען של חלקיק ביתא (‪ )−1‬מוכרח להיות ‪.19‬‬ ‫שלב ‪ .3‬המספר האטומי של הנעלם מוכרח להיות ‪ ,20‬משום ש־[‪ .]20 + (−1) = 19‬הנעלם הוא‬ ‫? ‪40‬‬ ‫‪20‬‬

‫שלב ‪ .4‬מהתבוננות בטבלה המחזורית אנו רואים שהיסוד שמספרו האטומי ‪ 20‬הוא סידן;‬ ‫‪. ? = 40‬‬ ‫לפיכך‪20 Ca ,‬‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪327‬‬

‫‪  328‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫דוגמה ‪ 9.1‬חיזוי התוצר של דעיכת אלפא‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לכתוב משוואות מאוזנות של‬

‫מהו התוצר הנעלם (נוקליד בת) של דעיכת אלפא של קיריום‪:245-‬‬ ‫?‬

‫‪245 Cm ‬‬ ‫‪→ 24 He +‬‬ ‫→‬ ‫‪96‬‬

‫תהליכים גרעיניים‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬מספר המסה של איזוטופ הקיריום הוא ‪ .245‬לפיכך סכום מספרי המסה של התוצרים מוכרח להיות ‪ 245‬אף הוא‪ ,‬ומספר‬ ‫המסה של הנעלם מוכרח להיות ‪.241‬‬ ‫שלב ‪ .2‬באופן דומה‪ ,‬המספר האטומי משמאל הוא ‪ ,96‬וסכום המספר האטומי הנעלם והמספר האטומי של חלקיק אלפא (‪)2‬‬ ‫מוכרח להיות ‪.96‬‬ ‫שלב ‪ .3‬המספר האטומי של הנעלם מוכרח להיות ‪ ,94‬משום ש־[‪ .]94 + 2 = 96‬הנעלם הוא‬ ‫? ‪241‬‬ ‫‪94‬‬

‫שלב ‪ .4‬עיון בטבלה המחזורית מעלה שהיסוד שמספרו האטומי ‪ 94‬הוא פלוטוניום; לפיכך‬ ‫שלב ‪ .5‬נוודא את נכונות התוצאות‪ .‬המשוואה המלאה היא‪:‬‬ ‫‪241 Pu‬‬ ‫‪94‬‬

‫‪+‬‬

‫‪241 Pu‬‬ ‫‪94‬‬

‫= ?‪.‬‬

‫‪245 Cm ‬‬ ‫‪→ 42 He‬‬ ‫→‬ ‫‪96‬‬

‫מספר המסה של המגיבים = ‪245‬‬ ‫מספר המסה של התוצרים = ‪245 = 241 + 4‬‬

‫וכן‪,‬‬ ‫המספר האטומי של המגיב = ‪96‬‬ ‫המספר האטומי של התוצרים = ‪96 = 94 + 2‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪9.1‬‬

‫השלימו את המשוואות הגרעיניות שלהלן‪ :‬א‪.‬‬

‫‪222 Rn‬‬ ‫‪86‬‬

‫‪+‬‬

‫‪4 He‬‬ ‫‪2‬‬

‫→‬ ‫‪? ‬‬ ‫→‬

‫ב‪+ ? .‬‬

‫‪11 B ‬‬ ‫‪→ 73 Li‬‬ ‫→‬ ‫‪5‬‬

‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 9.44‬ו־‪9.50‬‬

‫שאלה ‪ 9.3‬נאודימיום‪ 144-‬הוא איזוטופ מתכת נדירה שעובר דעיכת אלפא‪ .‬כתבו‬ ‫משוואה גרעינית מאוזנת של התהליך‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 9.4‬סמריום‪ 147-‬נמנה עם קבוצה גדולה של איזוטופים של מתכות נדירות‬ ‫שעוברים דעיכת אלפא‪ .‬כתבו משוואה גרעינית מאוזנת של התהליך‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 9.2‬חיזוי התוצר של דעיכת ביתא‬ ‫מהו התוצר הבלתי ידוע בתהליך דעיכת ביתא של כרום‪?55-‬‬ ‫‪‬‬ ‫? ‪→ −01 e +‬‬ ‫→‬

‫‪55‬‬ ‫‪24 Cr‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לכתוב משוואות מאוזנות של‬

‫תהליכים גרעיניים‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬מספר המסה של איזוטופ הכרום הוא ‪ .55‬לפיכך‪ ,‬סכום מספרי המסה של התוצרים מוכרח להיות ‪ 55‬אף הוא‪ ,‬ומספר‬ ‫המסה של הנעלם מוכרח להיות ‪.55‬‬ ‫שלב ‪ .2‬באופן דומה‪ ,‬המספר האטומי משמאל הוא ‪ ,24‬והסכום של מספר המסה של הנעלם ועוד (‪ ,)−1‬המייצג את חלקיק ביתא‪,‬‬ ‫שווה למספר האטומי של איזוטופ הכרום‪.‬‬ ‫שלב ‪.3‬‬ ‫מספר אטומי נעלם ‪24 = (−1) +‬‬ ‫מספר אטומי נעלם = ‪25 = 1 + 24‬‬ ‫והנעלם הוא‪:‬‬ ‫‪55‬‬ ‫? ‪25‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫שלב ‪ .4‬מעיון בטבלה המחזורית אנו מוצאים שהיסוד שמספרו האטומי ‪ 25‬הוא מנגן; לפיכך‬ ‫שלב ‪ .5‬נוודא את נכונות התוצאות‪ .‬המשוואה המלאה היא‪:‬‬ ‫‪55 Mn‬‬ ‫‪25‬‬

‫מספר המסה של המגיבים = ‪55‬‬ ‫מספר המסה של התוצרים = ‪55 = 55 + 0‬‬

‫‪‬‬ ‫‪→ −01 e +‬‬ ‫→‬

‫‪55 Mn‬‬ ‫‪25‬‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪329‬‬

‫= ?‪.‬‬

‫‪55‬‬ ‫‪24 Cr‬‬

‫וכן‪,‬‬ ‫המספר האטומי של המגיבים = ‪24‬‬ ‫המספר האטומי של התוצרים = )‪24 = 25 + (−1‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪9.2‬‬

‫השלימו את המשוואות הגרעיניות שלהלן‪ :‬א‪.‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫‪‬‬ ‫‪→?+‬‬ ‫→‬

‫‪85‬‬ ‫‪36 Kr‬‬

‫ב‪.‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫→‬ ‫‪‬‬ ‫‪→?+‬‬ ‫@‬

‫‪239 U‬‬ ‫‪92‬‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 9.43‬ו־‪9.45‬‬

‫שאלה ‪ 9.5‬יוד‪ ,131-‬שכוחו יפה בטיפול בסוגים מסוימים של מחלות בבלוטת התריס‪,‬‬ ‫דועך דעיכת ביתא‪ .‬כתבו משוואה גרעינית מאוזנת של התהליך‪.‬‬ ‫שאלה ‪ 9.6‬זרחן‪ ,31-‬שעלול להצטבר בכבד‪ ,‬דועך דעיכת ביתא‪ .‬כתבו משוואה גרעינית‬ ‫מאוזנת של התהליך‪.‬‬

‫דוגמה ‪ 9.3‬חיזוי התוצר של פליטת פוזיטרון‬ ‫מהו התוצר הנעלם בפליטת פוזיטרון מקסנון‪?118-‬‬

‫?‪+‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 2‬לכתוב משוואות מאוזנות של‬

‫‪118 Xe ‬‬ ‫→‬ ‫‪→ 01 e‬‬ ‫‪54‬‬

‫תהליכים גרעיניים‪.‬‬

‫פתרון‬ ‫שלב ‪ .1‬מספר המסה של איזוטופ הקסנון הוא ‪ .118‬לפיכך‪ ,‬סכום מספרי המסה של התוצרים מוכרח להיות ‪ 118‬אף הוא‪ ,‬ומספר‬ ‫המסה של הנעלם מוכרח להיות ‪.118‬‬ ‫שלב ‪ .2‬באופן דומה‪ ,‬המספר האטומי משמאל הוא ‪ ,54‬והסכום של המספר האטומי של הנעלם ועוד (‪ ,)+1‬המייצג את הפוזיטרון‪,‬‬ ‫שווה בהכרח למספר האטומי של איזוטופ הקסנון‪.‬‬ ‫שלב ‪.3‬‬ ‫מספר אטומי נעלם ‪54 = (+1) +‬‬ ‫מספר אטומי נעלם = ‪53 = 54 − 1‬‬ ‫‪. 118‬‬ ‫והנעלם הוא‪53 ? :‬‬ ‫‪118‬‬ ‫שלב ‪ .4‬מעיון בטבלה המחזורית אנו מוצאים שהיסוד שמספרו האטומי ‪ 53‬הוא יוד; לפיכך‪. ? = 53 I ,‬‬ ‫שלב ‪ .5‬נוודא את נכונות התוצאה‪ .‬המשוואה המלאה היא‪:‬‬ ‫‪118 I‬‬ ‫‪53‬‬

‫‪+‬‬

‫‪118 Xe ‬‬ ‫‪→ 01 e‬‬ ‫→‬ ‫‪54‬‬

‫מספר המסה של המגיבים = ‪118‬‬ ‫מספר המסה של התוצרים = ‪118 = 118 + 0‬‬

‫וכן‪,‬‬ ‫המספר האטומי של המגיבים = ‪54‬‬ ‫המספר האטומי של התוצרים = )‪54 = 53 + (+1‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪9.3‬‬

‫השלימו את המשוואות הגרעיניות שלהלן‪ :‬א‪.‬‬

‫‪0e‬‬ ‫‪1‬‬

‫‪+‬‬

‫‪79‬‬ ‫?→‬ ‫→‬ ‫‪37 Rb ‬‬

‫ב‪.‬‬

‫‪0e‬‬ ‫‪1‬‬

‫‪‬‬ ‫‪→? +‬‬ ‫→‬ ‫@‬

‫‪38‬‬ ‫‪20 Ca‬‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 9.51‬ו־‪9.52‬‬

‫‪  330‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שאלה ‪ 9.7‬במה שונים חלקיקי ביתא ופוזיטרונים?‬ ‫שאלה ‪ 9.8‬במה דומים חלקיקי ביתא ופוזיטרונים?‬

‫‪9.3‬‬

‫תכונות של רדיואיזוטופים‬

‫מדוע חלק מהאיזוטופים רדיואקטיביים אך לא כולם? האם כל האיזוטופים הרדיואקטיביים‬ ‫דועכים בקצב דומה? האם כל החומרים הרדיואקטיביים מסוכנים במידה שווה? בסעיף זה‬ ‫נענה על שאלות אלה ואחרות‪.‬‬

‫מבנה גרעיני ויציבות‬ ‫אנרגיית הקשר הגרעינית (‪ )binding energy‬היא אמת מידה ליציבות של הגרעין‪ .‬אנרגיית‬ ‫הקשר הגרעינית היא האנרגיה הדרושה לפירוק הגרעין למרכיביו‪ ,‬והיא מוצגת בדרך כלל‬ ‫כאנרגיה לנוקלאון (פרוטון או נויטרון)‪ .‬אפשר להגדירה גם כאנרגיה הממוצעת שיש לספק‬ ‫כדי להפריד נוקלאון מגרעין‪ .‬כשנוקליד דועך‪ ,‬מקצת מהאנרגיה משתחררת משום שהתוצרים‬ ‫יציבים יותר מנוקליד האב‪ .‬האנרגיה המשתחררת הזו היא המקור של הקרינה עתירת האנרגיה‬ ‫שנפלטת‪ ,‬והבסיס של הטכנולוגיה הגרעינית כולה‪.‬‬ ‫מדוע חלק מהאיזוטופים יציבים יותר מאחרים? התשובה לשאלה זו אינה ברורה לגמרי‪.‬‬ ‫הראיות שנאספו עד כה מצביעות על כמה גורמים חשובים שמתארים גרעינים יציבים‪:‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 3‬לחשב את כמות החומר‬

‫הרדיואקטיבי הנותרת לאחר פרק‬ ‫זמן מסוים‪.‬‬

‫עיינו בדיון על בטיחות וחשיפה‬ ‫לקרינה בסעיפים ‪ 9.6‬ו־‪.9.7‬‬

‫יציבות הגרעין קשורה ליחס בין נויטרונים לפרוטונים באיזוטופ‪ .‬לדוגמה‪ ,‬בעבור אטומים‬ ‫קלים‪ ,‬יחס נויטרון‪/‬פרוטון של ‪ 1‬מאפיין אטום יציב‪.‬‬ ‫גרעינים שמספר הפרוטונים שלהם גדול (‪ 84‬או יותר) נוטים להיות לא יציבים‪.‬‬ ‫איזוטופים טבעיים המכילים ‪ 82 ,50 ,20 ,8 ,2‬או ‪ 126‬פרוטונים או נויטרונים הם‬ ‫יציבים‪ .‬מספרי הקסם הללו מעידים כפי הנראה על הימצאותן של רמות אנרגיה בגרעין‪,‬‬ ‫המקבילות לרמות האנרגיה האלקטרוניות באטום‪.‬‬ ‫איזוטופים המכילים מספרים זוגיים של פרוטונים או נויטרונים יהיו לרוב יציבים יותר‬ ‫מאיזוטופים בעלי מספר אי־זוגי של פרוטונים או נויטרונים‪.‬‬ ‫כל האיזוטופים (למעט מימן‪ )1-‬שמספר הפרוטונים בהם גדול ממספר הנויטרונים אינם‬ ‫יציבים‪ .‬עם זאת‪ ,‬ההפך אינו נכון‪.‬‬

‫מחצית חיים‬ ‫זמן מחצית החיים (‪ )t1/2 ,half life‬הוא הזמן הדרוש לפירוק מחצית מהכמות ההתחלתית של‬ ‫החומר‪ .‬לא כל האיזוטופים הרדיואקטיביים דועכים באותו הקצב‪ .‬קצב הדעיכה הגרעינית‬ ‫מיוצג לרוב במונחי מחצית החיים של האיזוטופ‪ .‬לכל איזוטופ יש זמן מחצית חיים אופייני‪,‬‬ ‫שעשוי להיות כמה מיליוניות השנייה אך גם כמה מיליארדי שנים‪ .‬זמני מחצית החיים של‬ ‫כמה איזוטופים טבעיים וסינתטיים מובאים בטבלה ‪.9.2‬‬ ‫זמן מחצית החיים של איזוטופ מעיד על היציבות שלו‪ .‬איזוטופים שזמן מחצית החיים‬ ‫שלהם קצר דועכים במהירות; הם בלתי יציבים‪ .‬אין פירוש הדבר שאם זמן מחצית החיים‬ ‫ארוך‪ ,‬החומר מסוכן פחות; לא אחת ההפך הוא הנכון‪.‬‬ ‫תארו לעצמכם שאנו מתחילים עם ‪ 100‬מיליגרם (‪ )mg‬של איזוטופ רדיואקטיבי שזמן‬ ‫מחצית החיים שלו הוא ‪ 24‬שעות (‪ .)h‬לאחר זמן מחצית חיים אחד‪ ,‬או ‪ ,24 h‬מחצית‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫טבלה‬

‫‪ 9.2‬זמני מחצית חיים של רדיואיזוטופים נבחרים‬

‫שם‬

‫סימול‬

‫פחמן‪14-‬‬

‫זמן מחצית חיים‬ ‫‪ 5,730‬שנים‬

‫‪14‬‬ ‫‪6C‬‬

‫קובלט‪60-‬‬

‫‪ 5.3‬שנים‬

‫‪60‬‬ ‫‪27 Co‬‬

‫מימן‪3-‬‬

‫‪3‬‬ ‫‪1H‬‬

‫‪ 12.3‬שנים‬

‫יוד‪131-‬‬

‫‪131‬‬ ‫‪53 I‬‬

‫‪ 8.1‬ימים‬

‫ברזל‪59-‬‬

‫‪59‬‬ ‫‪26 Fe‬‬

‫‪ 45‬ימים‬

‫מוליבדן‪99-‬‬

‫‪99‬‬ ‫‪42 Mo‬‬

‫‪ 67‬שעות‬

‫נתרן‪24-‬‬

‫‪24‬‬ ‫‪11 Na‬‬

‫‪ 15‬שעות‬

‫צוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪Sr :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬ ‫‪ 28‬שנים‬

‫סטרונציום‪90-‬‬

‫‪90‬‬ ‫‪38‬‬

‫טכנציום‪99m-‬‬

‫‪99m‬‬ ‫‪43‬‬

‫‪Tc‬‬ ‫איור בעמ' ‪307‬‬

‫אורניום‪235-‬‬

‫‪ :‬רונית‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪331‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫‪ 6‬שעות‬ ‫‪ 710‬מיליון שנים‬

‫‪235‬‬ ‫‪92 U‬‬

‫מ־‪ 100 mg‬דעכו לתוצרים אחרים‪ ,‬ונותרו ‪ .50 mg‬לאחר שני זמני מחצית חיים (‪,)48 h‬‬ ‫מחצית מהחומר הנותר דעך‪ ,‬ונותרו ‪ ,25 mg‬וכן הלאה‪:‬‬ ‫זמן‬ ‫זמן‬ ‫עולםחיים‬ ‫שם העבודה‪ :‬מחצית‬ ‫מחצית‪9‬חיים ‪100 mg‬מספר העבודה‪:‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח'‬ ‫בורלא‬ ‫וכן הלאה‬ ‫‪50 mg‬‬ ‫‪25 mg‬‬ ‫ראשון )‪(24 h‬‬ ‫שני )‪(48 h‬‬ ‫דעיכה של רדיואיזוטופ ש־‪ t1/2‬שלו קצר יחסית נקבעת בניסוי באמצעות מעקב אחרי הפעילות‬ ‫איור ‪9-2‬‬ ‫שלו כפונקציה של הזמן‪ .‬שרטוט התוצאות על גרף מניב עקומת דעיכה רדיואקטיבית‪ ,‬כפי‬ ‫שמוצג באיור ‪.9.2‬‬ ‫‪6‬‬

‫‪5‬‬

‫‪4‬‬

‫‪10,000‬‬

‫דגימה‬ ‫התחלתית‬

‫‪10‬‬

‫‪9‬‬

‫‪8‬‬

‫‪7‬‬

‫מספר זמני מחצית החיים‬

‫‪3‬‬

‫‪2‬‬

‫‪1‬‬

‫‪0‬‬

‫זמן מחצית חיים של‬

‫‪60‬‬

‫‪54‬‬

‫זמן מחצית חיים ‪1‬‬

‫‪5,000‬‬

‫זמן מחצית חיים ‪2‬‬

‫‪2,500‬‬ ‫‪1,875‬‬ ‫‪1,250‬‬ ‫‪625‬‬

‫זמן מחצית חיים ‪3‬‬

‫‪48‬‬

‫‪42‬‬

‫‪30 36‬‬ ‫זמן )‪(h‬‬

‫‪24‬‬

‫‪18‬‬

‫‪12‬‬

‫‪6‬‬

‫‪0‬‬

‫‪0‬‬

‫מספר האטומים‬ ‫הרדיואקטיביים שנותרו‬

‫‪=6h‬‬

‫‪99mTc‬‬

‫איור ‪ 9.2‬עקומת הדעיכה של הרדיואיזוטופ טכנציום—‪ ,99m‬המשמש בבדיקות רפואיות‪ .‬שימו לב‬ ‫לכך שמספר האטומים הרדיואקטיביים הנותרים — ומכאן הרדיואקטיביות — הולך ומתקרב לאפס‪.‬‬

‫‪20116‬‬

‫‪  332‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫אפשר לחשב את המסה הנותרת מחומר רדיואקטיבי לאחר פרק זמן כלשהו מתוך ידיעת‬ ‫המסה ההתחלתית וזמן מחצית החיים של האיזוטופ‪ ,‬באמצעות שימוש במתווה שהצגנו‪.‬‬ ‫המשוואה הכללית של התהליך היא‪:‬‬ ‫‪mf = mi(0.5)n‬‬

‫במשוואה זו‪:‬‬ ‫‪ = mf‬המסה הסופית‪ ,‬או הנותרת‬ ‫‪ = mi‬המסה ההתחלתית‬ ‫‪ = n‬מספר זמני מחצית החיים‬

‫דוגמה ‪ 9.4‬חיזוי מידת הדעיכה של חומר רדיואקטיבי‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫מנת יוד‪ 131-‬במסה של ‪ ,50.0 mg‬המשמש בבתי חולים לטיפול בפעילות יתר של בלוטת‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪ 39‬לחשב את כמות‬ ‫החומרהעבודה‪:‬‬ ‫מספר‬ ‫בורלא‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית‬ ‫ימים (‪ .)d‬אם זמן מחצית החיים של יוד‪ 131-‬הוא ‪ ,8.10 d‬מהי‬ ‫התריס‪ ,‬אוחסנה במשך ‪32.4‬‬

‫מסת היוד שנותרה‪ ,‬ב־‪?mg‬‬

‫הרדיואקטיבי הנותרת לאחר פרק‬ ‫זמן מסוים‪.‬‬

‫איור בעמ' ‪307b‬‬

‫פתרון‬ ‫ראשית נחשב את ‪ ,n‬מספר זמני מחצית החיים שעברו‪ ,‬תוך שימוש בזמן מחצית החיים כגורם המרה‪:‬‬ ‫זמן מחצית חיים ‪1‬‬ ‫=‪n‬‬ ‫× ‪32.4 d‬‬ ‫=‬ ‫זמני מחצית חיים ‪4.0‬‬ ‫‪8.10 d‬‬

‫כעת נחשב את המסה הנותרת‪:‬‬ ‫‪3.13 mg‬‬

‫‪t1/2‬‬

‫רביעי‬

‫‪6.25 mg‬‬

‫‪t1/2‬‬

‫שלישי‬

‫‪12.5 mg‬‬

‫‪t1/2‬‬

‫שני‬

‫‪25.0 mg‬‬

‫‪t1/2‬‬

‫ראשון‬

‫‪50.0 mg‬‬

‫כלומר‪ ,‬לאחר ‪ 32.4 d‬נותרו ‪ 3.13 mg‬של יוד‪.131-‬‬ ‫אופן פעולה חלופי‬ ‫נשתמש במשוואה‪:‬‬

‫שבה‬ ‫‪ mi‬היא המסה ההתחלתית‬ ‫‪ mf‬היא המסה הסופית‬ ‫ו־‪ n‬הוא מספר זמני מחצית החיים‬ ‫נציב נתונים‪:‬‬

‫‪mf = mi(0.5)n‬‬

‫‪mf = 50.0 mg(0.5)4‬‬ ‫‪mf = 3.13 mg‬‬

‫שימו לב לכך ששני אופני הפעולה מניבים תשובה זהה‪.‬‬

‫בחנו את עצמכם ‪9.4‬‬

‫א ‪ .‬דגימת נתרן‪ 24-‬שמסתה ‪ 100.0‬ננוגרם (‪ )ng‬אוחסנה בארון מדופן עופרת במשך ‪ 2.5‬ימים‪ .‬מהי כמות הנתרן‪ 24-‬שנותרה?‬ ‫עיינו בטבלה ‪ 9.2‬לקבלת זמן מחצית החיים של נתרן‪.24-‬‬ ‫ב‪ .‬אם מטופל מקבל ‪ 10 ng‬של טכנציום‪ ,99m-‬מהי הכמות שתיוותר לאחר יום אחד‪ ,‬בהנחה שלא התרחש כל תהליך אחר‬ ‫שסילק את הטכנציום? עיינו בטבלה ‪ 9.2‬לקבלת זמן מחצית החיים של טכנציום‪.99m-‬‬ ‫@‬

‫לתרגול נוסף‪ :‬שאלות ‪ 9.63‬ו־‪9.64‬‬

‫‪20116‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫‪ 9‬זמן מחצית החיים של מוליבדן‪ 99-‬הוא ‪ 67‬שעות‪ 200 .‬מיקרוגרם (‪ )µg‬ממנו‬ ‫שאלה ‪ .9‬‬ ‫דועכים‪ ,‬לאחר זמן מה‪ ,‬ל־‪ .25 µg‬כמה זמן חלף?‬ ‫‪ 9‬זמן מחצית החיים של סטרונציום‪ 87-‬הוא ‪ 2.8‬שעות‪ .‬מהי כמות האיזוטופ‬ ‫שאלה ‪ .10‬‬ ‫שתיוותר‪ ,‬באחוזים‪ ,‬לאחר שמונה שעות ועשרים וארבע דקות (‪?)min‬‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪333‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 4‬להסביר את תהליך התארוך‬

‫הרדיואקטיבי‪.‬‬

‫תארוך פחמן‪14-‬‬ ‫רדיואקטיביות טבעית מועילה לנו בהערכת הגיל של חפצים בעלי חשיבות ארכיאולוגית‪,‬‬ ‫אנתרופולוגית או היסטורית‪ .‬תארוך פחמן‪ )radiocarbon dating( 14-‬הוא שיטה להערכת‬ ‫הגיל של חפצים באמצעות מדידת יחסי הכמויות של איזוטופים של פחמן‪.‬‬ ‫תארוך פחמן‪ 14-‬מבוסס על מדידה של הכמויות היחסיות (או היחס) של ‪ 14 C‬ו־ ‪12 C‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪6‬‬ ‫שמצויים בחפץ‪ 146 C .‬נוצר בחלקים העליונים של האטמוספרה מהפצצה של ‪ 147 N‬בנויטרונים‬ ‫מהירים (קרינה קוסמית)‪:‬‬ ‫‪+ 01 n ‬‬ ‫‪→ 146 C + 11 H‬‬ ‫→‬

‫‪14 N‬‬ ‫‪7‬‬

‫פחמן‪ ,14-‬לצד פחמן‪ 12-‬הנפוץ יותר‪ ,‬מוטמע בחומר צמחי חי בתהליך הפוטוסינתזה‪ .‬הפחמן‬ ‫עולה בשרשרת המזון כאשר בעלי חיים‪ ,‬כולל בני אדם‪ ,‬אוכלים את הצמחים‪ .‬כשצמח או בעל‬ ‫חיים מת‪ ,‬צריכת פחמן‪ 14-‬ופחמן‪ 12-‬נפסקת‪ .‬עם זאת‪ ,‬הכמות של פחמן‪ 14-‬פוחתת לאטה‬ ‫משום שפחמן‪ 14-‬הוא רדיואקטיבי (‪ .)t1/2 = 5,730 years‬דעיכה של פחמן‪ 14-‬מניבה חנקן‪:‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫‪+‬‬

‫‪14 C ‬‬ ‫→‬ ‫‪→ 147 N‬‬ ‫‪6‬‬

‫כשחוקרים מוצאים חפץ מעניין‪ ,‬הם מודדים את הכמויות היחסיות של פחמן‪ 14-‬ופחמן‪.12-‬‬ ‫בעזרת משוואות מתאימות הכוללות את ‪ t1/2‬של פחמן‪ 14-‬אפשר להעריך את גיל החפץ‪.‬‬ ‫שיטה רווחת זו סייעה להרחיב את הבנתנו בדבר ההיסטוריה של כדור הארץ‪ ,‬לבסס את‬ ‫גילם של חפצים (איור ‪ )9.3‬ואפילו לגלות זיופי אמנות‪ ,‬מאחר שציורים מוקדמים צוירו בדיו‬ ‫שהוכן מצמחים (חומר צמחי‪ ,‬אשר בעודו בחיים קולט פחמן)‪.‬‬ ‫שיטת התארוך הרדיואקטיבי באמצעות פחמן‪ 14-‬מוגבלת לחפצים שגילם קטן מחמישים‬ ‫אלף שנה‪ ,‬או בקירוב תשעה זמני מחצית חיים של פחמן‪ ,14-‬שמהווים גבול מעשי עליון‪.‬‬ ‫חפצים עתיקים יותר בעלי חשיבות גיאולוגית או ארכיאולוגית אפשר לתארך באמצעות‬ ‫איזוטופים טבעיים שזמן מחצית החיים שלהם ארוך יותר‪.‬‬ ‫דוגמאות לאיזוטופים מועילים בתארוך רדיואקטיבי מובאות בטבלה ‪.9.3‬‬

‫טבלה‬

‫‪ 9.3‬איזוטופים המשמשים בתארוך רדיואקטיבי‬

‫איזוטופ‬

‫מחצית חיים‬ ‫(שנים)‬

‫פחמן‪14-‬‬

‫יישומים בתארוך‬

‫גבול עליון‬ ‫(שנים)‬

‫‪5,730‬‬

‫‪5 × 104‬‬

‫פחם‪ ,‬חומר אורגני‪ ,‬יצירות אמנות‬

‫‪12.3‬‬

‫‪1 × 102‬‬

‫יין‪ ,‬אמנות‬

‫אשלגן‪40-‬‬

‫‪109‬‬

‫גיל כדור הארץ‬

‫רניום‪187-‬‬

‫‪1010‬‬

‫אורניום‪238-‬‬

‫‪109‬‬

‫טריטיום‬

‫‪3‬‬ ‫‪1H‬‬

‫× ‪1.3‬‬ ‫× ‪4.3‬‬

‫× ‪4.5‬‬

‫גיל כדור הארץ‬ ‫גיל כדור הארץ‬

‫(‪109‬‬

‫× ‪)4‬‬

‫(‪109‬‬

‫× ‪)4‬‬

‫(‪109‬‬

‫× ‪)4‬‬

‫סלעים‪ ,‬חומר המרכיב גרמי שמיים‬ ‫מטאוריטים‬ ‫סלעים‪ ,‬קרום כדור הארץ‬

‫איור ‪ 9.3‬תארוך רדיואקטיבי‬ ‫שימש לאימות גילו של תכריך‬ ‫טורינו‪ .‬זוהי שיטה הגורמת נזק‬ ‫מזערי למוצג‪ ,‬וכוחה רב בהערכת‬ ‫הגיל של חפצים היסטוריים‪ .‬נמצא‬ ‫שגילו של התכריך כ־‪ 700‬שנה‪ ,‬ובכך‬ ‫נשללה הטענה ששימש לעטוף את‬ ‫גופתו של ישו‪.‬‬

‫‪  334‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫נקודת מבט אנושית‬ ‫מדענית יוצאת דופן‬ ‫הדרך להצלחה בקריירה מדעית‪ ,‬או בכל תחום אחר לצורך‬ ‫העניין‪ ,‬כמעט לעולם אינה קלה‪ .‬סיפורה של מדאם מארי‬ ‫סקלודובסקה קירי ממחיש זאת‪ .‬שאיפתה ארוכת השנים הייתה‬ ‫להקים משפחה ולפתח קריירה מעניינת‪ .‬מטרה זו נחשבה נעלה‬ ‫באמת ובתמים לאישה במאה ה־‪.19‬‬ ‫האווירה הפוליטית בפולין‪ ,‬בשילוב עם היחס הרווח לנשים‬ ‫ולקריירה‪ ,‬במיוחד קריירה במדע‪ ,‬בהחלט לא הקלו על מדאם‬ ‫קירי‪ .‬על מנת לקיים את עצמה ואת אחותה היא מצאה עבודות‬ ‫כפיים עד שעברה לפריז להמשיך בלימודיה‪.‬‬ ‫בפריז פגשה את בעלה לעתיד ושותפה למחקר‪ ,‬פייר קירי‪.‬‬ ‫בעודם עובדים עם ציוד גס במעבדה פרימיטיבית‪ ,‬אפילו‬ ‫בסטנדרטים של אותה תקופה‪ ,‬גילו מארי ופייר תגלית מהפכנית‬ ‫שנתיים בלבד לאחר שהנרי בקרל גילה את הרדיואקטיביות‪.‬‬ ‫רדיואקטיביות‪ ,‬פליטת אנרגיה מחומרים מסוימים‪ ,‬משתחררת‬ ‫מתוך האטום‪ ,‬והיא בלתי תלויה במבנה המולקולרי של החומר‪.‬‬ ‫בני הזוג קירי הצליחו להוכיח במלואה טענה זו רק לאחר‬ ‫שעיבדו יותר מטון אחד של חומר (עפרת רדיום) ובודדו ממנו‬ ‫פחות מגרם אחד של רדיום טהור‪ .‬התנאים הקשים שבהם הגיעו‬ ‫להישג הזה מתוארים בספרה של שרון ברץ' מקגריין ‪Nobel‬‬ ‫)‪:Prize Women in Science (Birch Lane Press, New York, 2001‬‬

‫‪9.4‬‬

‫המקום היחיד שגודלו אפשר זאת היה צריף נטוש לביצוע‬ ‫נתיחות‪ .‬הצריף היה חם ומחניק בקיץ וקר כקרח בחורף‪.‬‬ ‫לא הייתה בו מערכת אוורור לסילוק האדים הרעילים‪ ,‬והגג‬ ‫דלף‪ .‬כימאי המורגל במעבדות המודרניות של גרמניה כינה‬ ‫אותו "הכלאה בין אורווה ומרתף תפוחי אדמה‪ ,‬ואילולא‬ ‫הייתי רואה את שולחן המעבדה עם המכשירים הכימיים‪,‬‬ ‫הייתי חושב שמדובר בהלצה"‪ .‬הצריף הרעוע הזה הפך‬ ‫לסמל של אגדת מארי קירי‪.‬‬ ‫הזוהר הירוק החיוור שנפלט מהרדיום היה יפה לעין‪ .‬מדאם‬ ‫קירי נהגה לבוא לסככה באישון לילה ולרחוץ באור הצלחתה‪.‬‬ ‫היא לא ידעה שההצלחה הנפלאה הזו תביא‪ ,‬בסופו של דבר‪,‬‬ ‫למותה‪.‬‬ ‫מדאם קירי קיבלה שני פרסי נובל — בפיזיקה ובכימיה‪ .‬היא‬ ‫הייתה האישה הראשונה בצרפת שקיבלה פרופסורה‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ קרינה יכולה לגרום סרטן ולרפא סרטן‪ .‬היעזרו באינטרנט‬ ‫והסבירו את הפרדוקס לכאורה‪.‬‬ ‫@ איזה מסר אתם למדים מהקטע‪ ,‬באופן אישי?‬ ‫ ‬

‫ייצור אנרגיה גרעינית‬

‫איינשטיין חזה כי כמות קטנה של מסה גרעינית שקולה לכמות גדולה מאוד של אנרגיה‪ ,‬אשר‬ ‫משתחררת כשהגרעין מתפרק‪ .‬המשוואה של איינשטיין היא‬ ‫‪E = mc2‬‬

‫ובה‬

‫‪ = E‬אנרגיה‬ ‫‪ = m‬מסה‬ ‫‪ = c‬מהירות האור‬

‫האנרגיה הקינטית הזאת‪ ,‬כשהיא משתחררת במהירות‪ ,‬היא הבסיס לכלי ההשמדה הכבירים‬ ‫ביותר שהמין האנושי פיתח – פצצות הגרעין‪ .‬עם זאת‪ ,‬כשאנרגיית חום משתחררת באופן‬ ‫מבוקר‪ ,‬כפי שקורה בתחנת כוח גרעינית‪ ,‬אנרגיית החום ממירה מים נוזלים לקיטור‪ .‬הקיטור‬ ‫מניע מחולל חשמלי שמייצר חשמל‪ .‬התהליך כולו מתרחש בתוך כור גרעיני (‪.)nuclear reactor‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ביקוע גרעיני‬ ‫ביקוע (‪ )fission‬מתרחש כאשר גרעין של יסוד כבד מתפרק לגרעינים קטנים יותר עקב‬ ‫הפצצה בחלקיק גרעיני קטן יותר (כגון נויטרון)‪ .‬תהליך ההתפרקות מלווה בשחרור כמויות‬ ‫גדולות של אנרגיה‪.‬‬ ‫תחנת כוח גרעינית משתמשת בחומר בקיע (כלומר חומר המסוגל לעבור ביקוע)‪ ,‬כדוגמת‬ ‫אורניום‪ ,235-‬בתור דלק‪ .‬האנרגיה המשתחררת בתהליך הביקוע בליבה הגרעינית מחממת‬ ‫מים בתא סמוך‪ ,‬עד ליצירת קיטור‪ .‬לחץ הקיטור הגבוה מניע טורבינה‪ ,‬אשר ממירה את‬ ‫אנרגיית החום לחשמל באמצעות מחולל כוח חשמלי‪ .‬את התמרת האנרגיה אפשר לסכם‬ ‫באופן זה‪:‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫אנרגיה חשמלית → אנרגיה מכנית → אנרגיית חום → אנרגיה גרעינית‬ ‫כור גרעיני‬ ‫קיטור ‬ ‫טורבינה ‬ ‫חשמל ‬

‫תגובת הביקוע‪ ,‬מרגע שהתחילה‪ ,‬מקיימת את עצמה‪ .‬לדוגמה‪ ,‬נויטרונים משמשים להתחלת‬ ‫התגובה שלהלן‪:‬‬ ‫אנרגיה ‪+ 3 01 n +‬‬

‫ ‬

‫‪141 Ba‬‬ ‫‪56‬‬

‫תוצרי התגובה ‬

‫‪+‬‬

‫‪92‬‬ ‫‪36 Kr‬‬

‫→‬

‫‪236 U‬‬ ‫‪92‬‬

‫→‬

‫לא יציב ‬

‫‪235 U‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪+‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0n‬‬

‫דלק‬

‫שימו לב ששלושה נויטרונים משתחררים כתוצרים בכל תהליך ביקוע המתקבל מהפצצה על‬ ‫ידי נויטרון אחד‪ .‬כל אחד משלושת הנויטרונים מסוגל להתחיל תהליך ביקוע נוסף‪ ,‬ובסך‬ ‫הכול ישתחררו תשעה נויטרונים‪ .‬אלה‪ ,‬בתורם‪ ,‬יגיבו עם גרעינים אחרים‪ .‬תהליך הביקוע‬ ‫יימשך ויתעצם‪ ,‬ויניב כמויות גדולות מאוד של אנרגיה (איור ‪ .)9.4‬תהליך ההתעצמות הזה‬ ‫נקרא תגובת שרשרת (‪.)chain reaction‬‬ ‫על מנת לווסת את התהליך ולמנוע התחממות יתר מסוכנת‪ ,‬ליבת הכור מכילה מוטות‬ ‫המיוצרים מקדמיום או מבור‪ .‬מוטות אלה נשלטים על ידי מערכת ההפעלה המרכזית של‬ ‫הכור‪ ,‬והם סופגים את הנויטרונים החופשיים על פי הצורך ובדרך זו ממתנים את התגובה‪.‬‬ ‫אפשר לייצג כור ביקוע גרעיני בצורת שורה של אזורי העברת אנרגיה‪ ,‬כפי שמומחש באיור‬ ‫‪ .9.5‬באיור ‪ 9.6‬מוצגת ליבה של כור ביקוע‪.‬‬

‫היתוך גרעיני‬ ‫היתוך (‪ )fusion‬הוא התוצאה של מיזוג שני גרעינים קטנים ליצירת גרעין גדול יותר‪ ,‬תוך‬ ‫שחרור כמויות גדולות של אנרגיה‪ .‬הדוגמה הטובה ביותר לכור היתוך היא השמש‪ ,‬שבה‬ ‫מתרחשים תהליכי היתוך בלתי פוסקים אשר מעניקים למערכת השמש שלנו אור וחום‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫דוגמה של תגובת היתוך היא המיזוג של שני איזוטופים של מימן‪ ,‬דויטריום ( ‪) 1 H‬‬ ‫וטריטיום ( ‪ ,) 31 H‬ליצירת הליום‪ ,‬נויטרון ואנרגיה‪:‬‬ ‫אנרגיה ‪+ 31 H → 24 He + 01 n +‬‬

‫‪2H‬‬ ‫‪1‬‬

‫אף שהיתוך מסוגל להניב כמויות עצומות של אנרגיה‪ ,‬אין בנמצא כורי היתוך מסחריים‬ ‫בעולם‪ .‬הפיתוח של כורי היתוך מעוכב בשל סוגיות בטיחותיות הנוגעות להכלת התגובה‪,‬‬ ‫הנובעות ישירות מהבעיות הטכנולוגיות הקשורות בהכלה של טמפרטורות גבוהות (מיליוני‬ ‫מעלות) ולחצים גדולים‪ ,‬שיש בהם הכרח לשמירה על תהליך היתוך ממושך‪.‬‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪335‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 5‬לתאר כיצד אנרגיה חשמלית‬

‫יכולה לייצר חשמל‪ :‬ביקוע‪ ,‬היתוך‬ ‫וכור תרבית‪.‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬ ‫איור ‪9-4‬‬

‫‪  336‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪n‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪U‬‬

‫‪Ba‬‬

‫‪U‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪Kr‬‬

‫‪141‬‬ ‫‪56‬‬

‫‪n‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪n‬‬

‫‪Ba‬‬

‫איור ‪9.4‬‬

‫ביקוע של אורניום‪235-‬‬

‫יוצר תגובת שרשרת‪ .‬שימו לב לכך‬ ‫שמספר הנויטרונים הזמינים‪ ,‬שהם‬ ‫"טריגר" לפירוק הגרעינים הבקיעים‬ ‫ולשחרור אנרגיה‪ ,‬גדל בכל שלב‬ ‫ב"שרשרת"‪ .‬בדרך זו עוצמת התגובה‬ ‫הולכת וגוברת‪ .‬מוטות בקרה‬ ‫מייצבים (או מגבילים) את תגובת‬ ‫השרשרת ושומרים עליה ברמה‬ ‫בטוחה‪.‬‬

‫רונית בורלא‬

‫מספר העבודה‪:‬‬

‫‪U‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪n‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪141‬‬ ‫‪56‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪U‬‬ ‫‪U‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪Kr‬‬

‫‪92‬‬ ‫‪36‬‬

‫‪n‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪Kr‬‬ ‫‪n‬‬ ‫‪U‬‬

‫‪n‬‬

‫‪92‬‬ ‫‪36‬‬

‫‪92‬‬ ‫‪36‬‬

‫‪Ba‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪n‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬ ‫‪U‬‬

‫‪Kr‬‬

‫‪141‬‬ ‫‪56‬‬

‫‪92‬‬ ‫‪36‬‬

‫‪141‬‬ ‫‪56‬‬

‫‪n‬‬ ‫‪n‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪n‬‬

‫‪U‬‬

‫‪n‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬ ‫‪n‬‬

‫איור ‪9-5‬‬

‫‪Ba‬‬

‫‪U‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪U‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪U‬‬

‫‪U‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫קליפת בידוד‬ ‫חשמל‬ ‫מחולל חשמלי‬

‫טורבינת‬ ‫קיטור‬

‫מעבה‬ ‫)קיטור מהטורבינה‬ ‫מתעבה בעזרת מי נהר(‬

‫קיטור‬

‫משאבה‬ ‫משאבה‬ ‫נהר‬

‫מחולל‬ ‫קיטור‬

‫ליבת הכור‬ ‫מים‬

‫משאבה‬

‫איור ‪ 9.5‬ייצוג של "אזורי האנרגיה" של כור גרעיני‪ .‬חום המיוצר בליבת הכור נישא באמצעות מים‬ ‫לדוד באזור שני‪ .‬מים בדוד (אזור שלישי) מומרים לקיטור‪ ,‬שמניע טורבינה שממירה אנרגיית חום‬ ‫לאנרגיה חשמלית‪ .‬הבידוד של האזורים אלה מאלה מאפשר העברת אנרגיית חום ללא כל ערבוב פיזיקלי‬ ‫בין החומרים‪ .‬בכך ממוזערת ההעברה של חומרים רדיואקטיביים לסביבה‪.‬‬

‫איור ‪ 9.6‬ליבת כור גרעיני‬ ‫הממוקמת במעבדות הלאומיות‬ ‫אוק רידג' בטנסי‪ ,‬ארה"ב‪.‬‬

‫‪235‬‬ ‫‪92‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪337‬‬

‫כימיה ירוקה‬ ‫סילוק פסולת גרעינית‬ ‫פסולת גרעינית מתקבלת ממגוון מקורות‪ .‬מקור מרכזי שלה‬ ‫הוא פסולת דלק מתחנות כוח גרעיניות‪ .‬מעבדות רפואיות‬ ‫מייצרות כמויות משמעותיות של פסולת ברמה נמוכה מסמנים‬ ‫רדיוקאטיביים וממכשירי ריפוי‪ .‬אפילו פריטים ביתיים בעלי‬ ‫אורך חיים מוגבל‪ ,‬כגון כמה סוגים של גלאי עשן‪ ,‬משתמשים‬ ‫בכמויות זעירות של חומר רדיואקטיבי‪.‬‬ ‫בזכות הטלוויזיה והעיתונים עלתה מאוד המודעות לבעיות‬ ‫הכרוכות בסילוק פסולת מוצקה (בלתי גרעינית)‪ .‬רוב חומרי‬ ‫הפסולת מתפרקים תוך פרק זמן סביר כלשהו‪ ,‬אך אנחנו‬ ‫מייצרים זבל ופסולת בקצב גבוה בהרבה מיכולתו של הטבע‬ ‫למחזר אותו‪.‬‬ ‫כעת תארו לעצמכם את הבעיה הטמונה בפסולת גרעינית‪.‬‬ ‫איננו יכולים לשנות את קצב הדעיכה שלה‪ ,‬שהרי הוא מוגדר‬ ‫על ידי זמן מחצית החיים‪ .‬איננו יכולים לחמם אותה‪ ,‬לערבב‬ ‫אותה או להוסיף זרז שיאיץ את התהליך‪ ,‬כפי שאנו עושים‬ ‫בתגובות כימיות‪ .‬יתרה מזאת‪ ,‬זמני מחצית החיים של רבים‬ ‫מתוצרי הפסולת הגרעינית ארוכים מאוד‪ :‬לפלוטוניום‪ ,‬לדוגמה‪,‬‬ ‫זמן מחצית חיים העולה על ‪ 24,000‬שנה‪ .‬מעריכים כי דרושים‬ ‫עשרה זמני מחצית חיים עד שהרדיואקטיביות של חומר יורדת‬ ‫לרמת קרינת הרקע‪ .‬במקרה זה מדובר אפוא על זמן אחסון‬ ‫ארוך מאוד‪ ,‬מסדר גודל של ‪ 250,000‬שנה!‬ ‫היכן עלי אדמות אפשר לאחסן ולהחזיק חומר מסוכן‬ ‫כל כך בביטחון סביר שלא יאונה לו דבר במשך רבע מיליון‬ ‫שנה? אולי השאלה רטורית‪ .‬מדענים‪ ,‬מהנדסים ופוליטיקאים‬ ‫דנים בסוגיה כבר כמעט ‪ 50‬שנה‪ .‬נכון לרגע זה‪ ,‬לא הוסכם על‬ ‫אתר סילוק קבוע‪ .‬הרוב מסכימים שהפתרון הטוב ביותר הוא‬ ‫קבורה בתצורות סלע יציבות‪ ,‬אך אין כל הסכמה על האתרים‬ ‫המתאימים‪ .‬חשש מפני רעידות אדמה‪ ,‬שעשויות לשחרר‬ ‫כמויות גדולות של חומרים רדיואקטיביים למערכת המים‬

‫תמונה של כדור הארץ‪ ,‬שצולמה מהירח‪ ,‬ממחישה היטב את מגבלות‬ ‫המשאבים ואת מגבלות סילוק הפסולת‪.‬‬

‫התת־קרקעית‪ ,‬הוא השיקול החמור ביותר‪ .‬אסון שכזה עלול‬ ‫להפוך חלקים גדולים מהאדמה לבלתי ראויים להתיישבות‬ ‫אנושית‪.‬‬ ‫רבים תומכים בהמשך האחסון באתרים זמניים‪ ,‬מתוך‬ ‫תקווה שהתקדמות המדע והטכנולוגיה יספקו לעתיד לבוא‬ ‫פתרון בטוח‪ ,‬ארוך טווח ומספק יותר‪.‬‬ ‫בעיית הפסולת הגרעינית‪ ,‬שלה חשיבות כשלעצמה‪,‬‬ ‫משפיעה גם על פיתוח שימושים עתידיים בכימיה גרעינית‬ ‫לטובת החברה‪ .‬לפני שנוכל ליהנות באמת מפירותיה‪ ,‬שומה‬ ‫עלינו ללמוד להשתמש בחומרים אלה ולסלק את הפסולת‬ ‫שלהם באופן בטוח‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ סכמו את הטיעונים המרכזיים התומכים בהרחבת השימוש‬ ‫בכוח גרעיני למטרות ייצור של אנרגיה חשמלית‪.‬‬ ‫@ מהם המאפיינים של פתרון "אידיאלי" לבעיית הפסולת‬ ‫הגרעינית?‬

‫כור תרבית‬ ‫כור תרבית (‪ ,)breeder reactor‬המכונה גם כור דגירה או כור דוגר‪ ,‬הוא סוג של כור ביקוע‬ ‫שמייצר את הדלק שלו בעצמו‪ .‬מחסור לכאורה באיזוטופים בקיעים הופך את כור התרבית‬ ‫לחלופה אטרקטיבית לכורי ביקוע רגילים‪ .‬כור תרבית משתמש ב־ ‪U‬‬ ‫‪ 238‬שמצוי בשפע אך‬ ‫‪' 92‬‬ ‫אינו בקיע‪ .‬בשורה של שלבים‪ ,‬אורניום‪ 238-‬מומר לפלוטוניום‪ ,239-‬שהוא חומר בקיע‪,‬‬ ‫העובר תגובת שרשרת גרעינית ומניב אנרגיה‪ .‬אף שהרעיון של כור שמייצר את הדלק שלו‬ ‫בעצמו מחומר התחלתי המצוי בשפע נשמע חיובי מאוד‪ ,‬החיסרון נעוץ במחיר הגבוה של‬ ‫המערכת‪ ,‬בנזק הפוטנציאלי לסביבה ובחשש להפצה של פלוטוניום‪ .‬פלוטוניום יכול לשמש‬ ‫על נקלה לייצור פצצות גרעיניות‪ .‬כיום רק צרפת ויפן מפעילות כורי תרבית לצורך ייצור‬ ‫חשמל‪.‬‬

‫‪  338‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 6‬להדגים את השימוש באיזוטופים‬

‫רדיואקטיביים ברפואה‪.‬‬

‫‪9.5‬‬

‫יישומים רפואיים של רדיואקטיביות‬

‫השימוש בקרינה לטיפול במגוון סוגים של סרטן‪ ,‬כמו גם התחום החדש יותר של רפואה‬ ‫גרעינית (‪ ,)nuclear medicine‬קרי השימוש ברדיואיזוטופים באבחון‪ ,‬הפכו נפוצים מאוד‬ ‫ברבע המאה האחרונה‪ .‬הבה נבחן את תכונות הקרינה שהופכות אותה לכלי רב ערך בטיפול‬ ‫הרפואי המודרני‪.‬‬

‫טיפול בסרטן באמצעות קרינה‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 7‬לתאר את השימוש בקרינה‬

‫כאשר קרינה עתירת אנרגיה‪ ,‬כגון קרינת גמא‪ ,‬חולפת דרך תא‪ ,‬היא עשויה להתנגש באחת‬ ‫המולקולות בתא ולגרום לה לאבד אלקטרון אחד או יותר‪ ,‬וכך להתחיל שרשרת של אירועים‬ ‫שיביאו ליצירת צמדי יונים‪ .‬משום כך‪ ,‬קרינה זו מכונה קרינה מייננת (סעיף ‪.)9.1‬‬ ‫היונים שנוצרים בדרך זו אנרגטיים ביותר‪ ,‬ולכן הם עשויים להזיק למולקולות ביולוגיות‬ ‫ולחולל שינויים בתהליכים הביוכימיים בתא‪ .‬האינטראקציה של קרינה מייננת עם הנוזלים‬ ‫התוך־תאיים גורמת ליצירת אלקטרונים חופשיים וחלקיקים אחרים‪ ,‬שיכולים להזיק ל־‪.DNA‬‬ ‫הדבר עלול להביא לפגיעה או לשינוי בתפקוד התאי‪ ,‬ובמקרים קיצוניים למות התא‪.‬‬ ‫אבר נגוע בסרטן מכיל תאים בריאים ותאים ממאירים גם יחד‪ .‬תאי הגידול רגישים‬ ‫יותר להשפעה של קרינת גמא מאשר תאים רגילים‪ ,‬משום שתאים אלה מתחלקים בתכיפות‬ ‫גדולה יותר‪ .‬לפיכך‪ ,‬חשיפת אזור הגידול למינונים מבוקרים ומדויקים של קרינת גמא עתירת‬ ‫אנרגיה מקובלט‪( 60-‬מקור של קרני גמא עתירות אנרגיה) תמית אחוז גבוה יותר של תאים‬ ‫אבנורמליים (שאינם תקינים) מאשר תאים נורמליים‪ .‬אם המינון ניתן כהלכה‪ ,‬כמות מספקת‬ ‫מהתאים הממאירים תמות‪ ,‬תוך השמדת הגידול‪ ,‬וכמות מספקת של תאים רגילים תשרוד על‬ ‫מנת לשמור על תפקוד האבר החולה‪.‬‬ ‫קרינת גמא יכולה לרפא סרטן‪ .‬עם זאת‪ ,‬חשיפה של תאים בריאים לקרינת גמא עלולה‬ ‫דווקא לגרום לסרטן‪ .‬מסיבה זו‪ ,‬תרפיית קרינה לטיפול בסרטן היא הליך שיש לבצע בתשומת‬ ‫לב ובתחכום יוצאי דופן‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לדון בהכנה של רדיואיזוטופים‬

‫רפואה גרעינית‬

‫מייננת בטיפול בסרטן‪.‬‬

‫ובשימוש בהם בשיטות דימות‬ ‫אבחוניות‪.‬‬

‫סריקת מעיים של אדם‪.‬‬

‫האבחון של שלל מחלות ואי־סדירויות ביוכימיות בגוף האדם הפך עניין שבשגרה בזכות‬ ‫השימוש בסמנים רדיואקטיביים‪ .‬סמנים (‪ )tracer‬רפואיים הם חומרים רדיואקטיביים‬ ‫בכמויות קטנות‪ ,‬המשמשים כגשושי מחקר (‪ )probes‬של האיברים הפנימיים‪ .‬שיטות רפואיות‬ ‫המערבות סמנים נקראות שיטות של דימות גרעיני (‪.)nuclear imaging‬‬ ‫כמות קטנה של הסמן‪ ,‬איזוטופ של יסוד שידוע כי הוא נמשך לאבר שאנו מעוניינים לבדוק‪,‬‬ ‫ניתנת למטופל‪ .‬בשל מגוון סיבות‪ ,‬כגון קלות מתן האיזוטופ למטופל והיכולת להתמקד באבר‬ ‫הנחקר‪ ,‬ברוב המקרים האיזוטופ הוא חלק ממולקולה או מיון גדולים יותר‪ .‬משום שהאיזוטופ‬ ‫רדיואקטיבי‪ ,‬אפשר להתחקות אחרי המסלול שלו באמצעות מכשירי איתור מתאימים‪ .‬בדרך‬ ‫זו מתקבלת "תמונה" של האיבר‪ ,‬לרוב ברמת פירוט גבוהה בהרבה מזו שמאפשרים מכשירי‬ ‫רנטגן רגילים‪ .‬שיטות אלה הן בלתי פולשניות‪ ,‬כלומר אין צורך בניתוח על מנת לחקור את‬ ‫מצב האבר הפנימי‪ ,‬ובכך נמנעים הסיכונים הקשורים בניתוח‪.‬‬ ‫האיזוטופ הרדיואקטיבי של יסוד המשמש כסמן מתנהג מבחינה כימית ככל איזוטופ‬ ‫אחר של אותו היסוד‪ .‬לדוגמה‪ ,‬יוד‪ ,127-‬האיזוטופ השכיח ביותר של יוד שאינו רדיואקטיבי‪,‬‬ ‫משמש בגוף בסינתזה של הורמוני בלוטת התריס ונוטה להתרכז בבלוטת התריס‪ .‬יוד‪127-‬‬ ‫ויוד‪ 131-‬הרדיואקטיבי מתנהגים באותו האופן‪ ,‬ומשום כך אפשר להשתמש ביוד‪ 131-‬על‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪339‬‬

‫מנת לחקור את בלוטת התריס‪ .‬שיעור ההצטברות של האיזוטופ הרדיואקטיבי מספק מידע‬ ‫יקר ערך בדבר פעילות חסר או יתר של הבלוטה‪.‬‬ ‫הסמנים המועדפים הם איזוטופים שזמני מחצית החיים שלהם קצרים‪ .‬איזוטופים אלה‬ ‫פולטים קרינה בפרצים מרוכזים יותר (כאשר זמן מחצית החיים קצר‪ ,‬פעילות החומר גדולה‬ ‫יותר)‪ ,‬וכך קל יותר לזהות אותם‪ .‬אם קל לאתר את הדעיכה הרדיואקטיבית הרי השיטה‬ ‫רגישה יותר‪ ,‬ולפיכך המידע שהיא מספקת רב יותר‪ .‬יתרה מזאת‪ ,‬איזוטופ שזמן מחצית‬ ‫החיים שלו קצר דועך לרמה של קרינת הרקע במהירות רבה יותר‪ ,‬כלומר הרדיואקטיביות‬ ‫מסולקת מהגוף מהר יותר‪ .‬נוסף לכך‪ ,‬אם היסוד הרדיואקטיבי מעוכל ומופרש במהירות‪ ,‬יש‬ ‫בכך משום יתרון בולט‪.‬‬ ‫להלן כמה דוגמאות לשימוש בהליכי דימות לאבחון מחלות‪.‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬

‫מחלות ופציעות בעצמות‪ .‬האיזוטופ השכיח ביותר לחקר עצמות הוא טכנציום‪,99m-‬‬ ‫שמשולב במגוון יונים ומולקולות שמכוונות את האיזוטופ לרקמה הנחקרת‪ .‬תרכובות של‬ ‫טכנציום וזרחן נספגות בעיקר על פני העצם‪ .‬רקמות עצם חדשות (המופיעות כמעט בכל‬ ‫פציעות העצם) מתאפיינות בריכוז גבוה יותר של תרכובות טכנציום‪ ,‬ולכן מופיע דימות‬ ‫מוגבר באתר הפציעה‪ .‬גידולים בעצמות מתנהגים באופן דומה‪.‬‬ ‫מחלות לב וכלי דם‪ .‬תליום‪ 201-‬משמש לאבחון מחלות בעורקים הכליליים (עורקי הלב)‪.‬‬ ‫האיזוטופ ניתן דרך הווריד ומועבר לשריר הלב באופן יחסי לזרימת הדם‪ .‬אזורים שזרימת‬ ‫הדם בהם מוגבלת מתאפיינים ברמות נמוכות יותר של רדיואקטיביות‪ ,‬שמעידות על‬ ‫חסימה‪.‬‬ ‫מחלות ריאה‪ .‬קסנון הוא גז אציל‪ .‬קסנון‪ 133-‬הוא איזוטופ רדיואקטיבי הניתן למטופל‬ ‫בנשימה‪ .‬האיזוטופ הרדיואקטיבי מועבר מהריאות ומתפזר במחזור הדם‪ .‬בדיקת תהליך‬ ‫הפיזור‪ ,‬כמו גם התהליך ההפוך של סילוק האיזוטופ מהגוף (נשיפה)‪ ,‬מספקת עדות‬ ‫למחלות ריאה מסוימות‪ ,‬כגון סרטן או נפחת (אמפיזמה)‪.‬‬

‫דוגמאות לאיזוטופים מועילים ולאברים שבהם הם נוטים להתרכז מובאות בטבלה ‪.9.4‬‬ ‫במשך שנים רבות היה הדימות בסמנים רדיואקטיביים כלי אבחוני בלבד‪ .‬יישומים מן‬ ‫העת האחרונה הרחיבו את השימוש בו לתחומים רפואיים אחרים‪ .‬דימות משמש כיום גם‬ ‫ככלי עזר ניתוחי‪ ,‬כאמצעי לתכנון טיפולי קרינה ובאנגיופלסטיקה (כירורגיה של כלי דם)‪.‬‬

‫טבלה‬

‫‪ 9.4‬איזוטופים נפוצים ברפואה גרעינית‬

‫אזור בגוף‬

‫איזוטופ‬

‫שימוש‬

‫דם‬ ‫תאי דם אדומים מסומנים בכרום‪ 511-‬קביעת נפח הדם בגוף‬ ‫עצמות‬ ‫מאפשרים אבחון מוקדם של גידולים בעצמות ושל אתרים פעילים של דלקת‬ ‫*טכנציום‪ ,99m-‬בריום‪,131-‬‬ ‫סטרונציום‪87-‬‬ ‫פרקים ראומטית‬ ‫*טכנציום‪99m-‬‬ ‫מוח‬ ‫איתור וזיהוי שבץ וגידולים במוח‬ ‫עורקים כליליים תליום‪201-‬‬ ‫קביעת קיומן ומיקומן של חסימות בעורקים הכליליים‬ ‫*טכנציום‪99m-‬‬ ‫לב‬ ‫קביעת התפוקה הלבבית‪ ,‬גודל הלב וצורתו‬ ‫*טכנציום‪99m-‬‬ ‫כליות‬ ‫קביעת תפקוד הכליה ומיקומן של ציסטות; הליך מעקב שכיח למושתלי כליה‬ ‫*טכנציום‪99m-‬‬ ‫כבד וטחול‬ ‫קביעת הגודל והצורה של הכבד והטחול; איתור גידולים‬ ‫קסנון‪133-‬‬ ‫ריאות‬ ‫מאפשר לבדוק אם הריאות מתמלאות כהלכה; מאפשר איתור של גידולים‬ ‫ואזורים של נשימה מופחתת‬ ‫יוד‪131-‬‬ ‫בלוטת התריס‬ ‫קביעת קצב השימוש ביוד על ידי בלוטת התריס‬ ‫* ‬

‫יעדו של האיזוטופ הזה נקבע על ידי זהות התרכובת שבה הוא משולב‪.‬‬

‫‪  340‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫שאלה ‪ 9.11‬טכנציום‪ 99m-‬משמש בבדיקות דימות אבחוני של המוח‪ .‬מהו החלק היחסי‬ ‫שנותר מהרדיואיזוטופ לאחר ‪ 12‬שעות? עיינו בטבלה ‪ 9.2‬לקבלת זמן מחצית החיים של‬ ‫טכנציום ‪.99m‬‬ ‫שאלה ‪ 9.12‬בריום‪ 131-‬הוא רדיואיזוטופ המשמש בבדיקת עצמות‪ .‬החומר ניתן בבליעה‪.‬‬ ‫כמה זמן יחלוף עד שתיוותר רבע מהכמות המקורית של בריום‪ ,131-‬בהנחה שהאיזוטופ אינו‬ ‫מסולק מהגוף בתהליכים רגילים? זמן מחצית החיים של בריום‪ 131-‬הוא ‪ 11.6‬דקות‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 8‬לדון בהכנה של רדיואיזוטופים‬

‫ובשימוש בהם בשיטות דימות‬ ‫אבחוניות‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 9‬להסביר את ההבדל בין‬

‫רדיואקטיביות טבעית ומלאכותית‪.‬‬

‫הכנת איזוטופים ליישומים רפואיים‬ ‫בניסויים מוקדמים ברדיואקטיביות‪ ,‬האיזוטופים הרדיואקטיביים היו טבעיים‪ .‬משום כך‪,‬‬ ‫הרדיואקטיביות שפולטים האיזוטופים הבלתי יציבים הללו מתוארת כרדיואקטיביות טבעית‬ ‫(‪ .)natural radioactivity‬לעומת זאת‪ ,‬כאשר גרעין יציב שאינו רדיואקטיבי הופך לרדיואקטיבי‪,‬‬ ‫הרדיואקטיביות מכונה רדיואקטיביות מלאכותית (‪ .)artificial radioactivity‬הגרעין היציב‬ ‫הופך בלתי יציב באמצעות "הוספה" של פרוטונים‪ ,‬נויטרונים או שניהם‪.‬‬ ‫תהליך היצירה של חומרים רדיואקטיביים מתבצע לרוב בליבה של כור גרעיני‪ ,‬שבה יש‬ ‫שפע זמין של חלקיקים גרעיניים קטנים‪ ,‬במיוחד נויטרונים‪ .‬לחלופין‪ ,‬אפשר ליצור חלקיקים‬ ‫טעונים במהירות גבוהה (כגון חלקיקי אלפא וביתא) במאיצי חלקיקים‪ ,‬כגון ציקלוטרון‪.‬‬ ‫המאיצים של ימינו הם מבני ענק‪ ,‬והם משתמשים בשדות מגנטיים וחשמליים על מנת‬ ‫"למשוך ולדחוף" חלקיקים טעונים אל מטרתם במהירויות גבוהות מאוד‪ .‬חלק מהמאיץ‬ ‫במעבדה הלאומית ברוקהייבן מוצג באיור ‪.9.7‬‬

‫איור ‪ 9.7‬חלק ממאיץ קווי הממוקם במעבדה הלאומית ברוקהייבן בניו יורק‪ .‬בכוחנו להאיץ‬ ‫חלקיקים למהירויות הקרובות למהירות האור כדי שיפגעו באופן מדויק בגרעיני "מטרה" קטנים‪.‬‬ ‫בדרך זו אפשר לסנתז איזוטופים נדירים ולחקור את תכונותיהם‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪341‬‬

‫נקודת מבט רפואית‬ ‫דימות תהודה מגנטית‬ ‫פרס נובל בפיזיקה הוענק לאוטו שטרן ב־‪ 1943‬ולאיזידור רבי‬ ‫ב־‪ .1944‬הם גילו שלגרעינים אטומיים מסוימים יש תכונה‬ ‫המכונה ספין‪ ,‬המקבילה לספין המיוחס לאלקטרונים‪ ,‬שבו דנו‬ ‫בפרק ‪ .2‬הספין של האלקטרונים אחראי לתכונות המגנטיות‬ ‫של אטומים‪ .‬גרעינים בעלי ספין מתנהגים כמגנטים זעירים‪,‬‬ ‫וגם הם יוצרים שדות מגנטיים‪.‬‬ ‫פן חשוב אחד של התופעה הזאת הוא העובדה שהאטומים‬ ‫המצויים בקרבה לגרעין המסתובב (הסביבה הכימית שלו)‬ ‫משפיעים על הספין של הגרעין‪ .‬למעשה‪ ,‬שינויים ברי־מדידה‬ ‫בספין מעידים על הסביבה הכימית של הגרעין‪ .‬הקשר הזה‬ ‫נחקר באופן ממצה בעבור אטום אחד במיוחד‪ ,‬הוא המימן‪,‬‬ ‫ושיטות תהודה מגנטית הפכו לכלים מועילים בחקר מולקולות ד"ר פול ברנט מהמרכז הרפואי של בולטימור בוחן תמונות ‪.MRI‬‬ ‫המכילות מימן‪.‬‬ ‫האברים והרקמות בגוף האדם מורכבים מתרכובות של תרכובות טהורות‪ ,‬עד הדגימה המורכבת ביותר שאפשר‬ ‫המכילות אטומי מימן‪ .‬בשנות ה־‪ 70‬וה־‪ 80‬של המאה ה־‪ 20‬להעלות על הדעת – גוף האדם‪ .‬תוצאת הניסויים הללו מכונה‬ ‫הורחבה הטכניקה הניסויית מעבר לדגימות מעבדה זעירות דימות תהודה מגנטית (‪.)Magnetic Resonance Imaging, MRI‬‬ ‫‪ MRI‬היא שיטת דימות בלתי פולשנית‪ ,‬אינה מצריכה‬ ‫שימוש בחומרים רדיואקטיביים והיא אף מהירה‪ ,‬בטוחה‬ ‫ונטולת כאב‪ .‬המטופל מוכנס לחלל המוקף בשדה מגנטי‪,‬‬ ‫ותמונה שלו (המבוססת על מידת הבליעה של אנרגיה בתדרי‬ ‫רדיו) מיוצרת‪ ,‬מאוחסנת ומקוטלגת במחשב‪ .‬בתמונה הסופית‬ ‫אפשר לזהות בבירור הבדלים בין רקמות רגילות וממאירות‪,‬‬ ‫טרשת באבי העורקים ומגוון בעיות אחרות‪.‬‬ ‫פיתוחים בטכנולוגיית ‪ MRI‬סיפקו לעוסקים ברפואה כלי‬ ‫אבחוני רב־עוצמה‪ .‬זוהי דוגמה נוספת למדע בסיסי המוביל‬ ‫להתקדמות טכנולוגית‪.‬‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫@ מדוע המימן הוא אטום מועיל בחקר מערכות ביולוגיות?‬ ‫ ‬ ‫@ מדוע ‪ MRI‬מספק מידע מועט על רקמות עצם?‬ ‫ ‬

‫מטופל מוכנס לסורק ‪.MRI‬‬

‫רבים מהאיזוטופים המועילים ברפואה מיוצרים באמצעות הפצצת חלקיקים‪ .‬להלן נביא כמה‬ ‫דוגמאות‪:‬‬ ‫‪ ‬‬

‫זהב‪ ,198-‬המשמש סמן בכבד‪ ,‬מיוצר באמצעות הפצצת נויטרון‪.‬‬ ‫‪+ 01 n ‬‬ ‫‪→ 198‬‬ ‫→‬ ‫‪79 Au‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪197 Au‬‬ ‫‪79‬‬

‫גליום‪ ,67-‬המשמש לאבחון מחלת הודג'קינס‪ ,‬מיוצר באמצעות הפצצת פרוטון‪.‬‬ ‫‪+ 11 p ‬‬ ‫‪→ 67‬‬ ‫→‬ ‫‪31 Ga‬‬

‫‪66 Zn‬‬ ‫‪30‬‬

‫‪  342‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫איזוטופים ליישומים רפואיים בעלי זמן מחצית חיים קצר יש להכין בסמוך לאתר שבו‬ ‫מתבצעת הבדיקה הרפואית‪ .‬ההכנה והמשלוח מאתר הכור יבזבזו זמן יקר‪ ,‬ובית החולים‬ ‫יקבל תמיסה איזוטופית שכבר עברה דעיכה משמעותית והפעילות שלה קטנה יותר‪.‬‬ ‫דוגמה שכיחה היא טכנציום‪ .99m-‬זמן מחצית החיים שלו הוא ‪ 6‬שעות בלבד‪ .‬הוא מיוצר‬ ‫במחולל קטן‪ ,‬המאוחסן לרוב במעבדת הרדיולוגיה של בית החולים (איור ‪ .)9.8‬המחולל מכיל‬ ‫יוני מוליבדט (‪ .)MoO42−‬מוליבדן‪ 99-‬יציב יותר מטכנציום‪ ;99m-‬זמן מחצית החיים שלו‬ ‫הוא ‪ 67‬שעות‪.‬‬ ‫המוליבדן ביוני מוליבדט דועך בהתאם למשוואה הגרעינית שלהלן‪:‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫‪+‬‬

‫‪99 Mo ‬‬ ‫→‬ ‫‪→ 99m‬‬ ‫‪42‬‬ ‫‪43Tc‬‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫‪ )MoO42−9-8‬מומר ליון על־טכנציום רדיואקטיבי‬ ‫רדיואקטיבי (‬ ‫בתהליך דעיכה זה יון מוליבדטאיור‬ ‫(‪ TcO4− .)TcO4−‬הרדיואקטיבי נלקח מהמחולל בעת הצורך‪ .‬הוא ניתן למטופל בצורת תמיסת‬ ‫מלח מימית שהלחץ האוסמוטי שלה זהה לזה של הדם‪.‬‬ ‫– ‪99mTcO‬‬ ‫‪4‬‬

‫במי מלח‬

‫איור ‪ 9.8‬הכנה של‬ ‫טכנציום‪ )1( .99m-‬תרשים המתאר‬ ‫המרה של ‪ 99MoO 2−‬ל־‪99mTcO −‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪4‬‬ ‫באמצעות דעיכה רדיואקטיבית‪ .‬יון‬ ‫על־טכנציום רדיואקטיבי נלקח מעת‬ ‫לעת מהמחולל בצורת תמיסת מלח‬ ‫ומשמש כסמן בבדיקות‪ )2( .‬מחולל‬ ‫טכנציום‪ 99m-‬מסחרי המתאים‬ ‫לשימוש במעבדת בית חולים‪.‬‬

‫–‪MoO42‬‬

‫במי מלח‬

‫מסנן‬

‫דסקית מזכוכית נקבובית‬ ‫חומר סופג‬ ‫דסקית מזכוכית נקבובית‬ ‫מיסוך עופרת‬

‫)‪(2‬‬

‫‪9.6‬‬

‫)‪(1‬‬

‫השפעות ביולוגיות של קרינה‬

‫מן ההכרח לנקוט אמצעי זהירות מתאימים כשעובדים עם חומרים רדיואקטיביים‪ .‬הפרוטוקול‬ ‫הנבחר מבוסס על הבנה של השפעות הקרינה‪ ,‬המינונים ו"רמת הקרינה הסבירה"‪ ,‬על האופן‬ ‫שבו הקרינה מזוהה ונמדדת ועל העקרונות הבסיסיים של בטיחות בחשיפה לקרינה‪.‬‬

‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 10‬לתאר את המאפיינים של‬

‫חומרים רדיואקטיביים הקשורים‬ ‫לבטיחות ולחשיפה לקרינה‪.‬‬

‫בטיחות בחשיפה לקרינה‬ ‫כאשר עובדים עם חומרים רדיואקטיביים יש להביא בחשבון את הגורמים שלהלן‪.‬‬

‫זמן מחצית החיים‬

‫הקרינה הרדיואקטיבית ליחידת זמן שיוצרים רדיואיזוטופים בעלי זמן מחצית חיים קצר‬ ‫גדולה מזו שיוצרים חומרים בעלי זמן מחצית חיים ארוך‪ .‬לדוגמה‪ ,‬נבחן כמויות שוות של‬ ‫שני איזוטופים היפותטיים שפולטים חלקיקי אלפא‪ .‬לראשון יש זמן מחצית חיים של ‪10‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪343‬‬

‫ימים ולשני יש זמן מחצית חיים של ‪ 100‬ימים‪ .‬לאחר זמן מחצית חיים אחד‪ ,‬כל חומר מניב‬ ‫כמות זהה של חלקיקי אלפא‪ .‬עם זאת‪ ,‬החומר הראשון מייצר את חלקיקי האלפא בעשירית‬ ‫מהזמן‪ ,‬ומכאן שהוא פולט כמות קרינה גדולה פי עשרה ליחידת זמן‪ .‬זמני חשיפה שווים‬ ‫יתבטאו ברמה גבוהה יותר של חשיפה לקרינה בעבור חומרים בעלי זמן מחצית חיים קצר‪,‬‬ ‫וברמה נמוכה יותר של חשיפה בעבור חומרים בעלי זמן מחצית חיים ארוך‪.‬‬ ‫ואולם‪ ,‬לפעמים בטוח יותר לעבוד עם חומרים בעלי זמן מחצית חיים קצר (שבועות‪,‬‬ ‫ימים או פחות)‪ ,‬במיוחד במקרה של תאונה‪ .‬לאחר זמן מה (התלוי בגודל זמן מחצית החיים)‬ ‫איזוטופים רדיואקטיביים דועכים לרמה של קרינת הרקע (‪ .)background radiation‬זוהי רמת‬ ‫הקרינה של הסביבה היומיומית שלנו‪.‬‬ ‫כמעט כל חומר מורכב מאיזוטופים רדיואקטיביים ולא־רדיואקטיביים‪ .‬כמויות קטנות‬ ‫של חומרים רדיואקטיביים באוויר‪ ,‬במים‪ ,‬באדמה וכן הלאה הם חלק מקרינת הרקע‪ .‬קרינה‬ ‫קוסמית מהחלל החיצון מפציצה אותנו ללא הרף ותורמת לקרינת הרקע הכללית‪ .‬משום‬ ‫שקרינת הרקע בלתי נמנעת‪ ,‬אין כל נסיבות עלי אדמות שבהן לא נצפה בקרינה כלשהי‪.‬‬ ‫איזוטופ בעל זמן מחצית חיים קצר‪ ,‬לדוגמה ‪ 5.0‬דקות‪ ,‬עשוי לדעוך לרמת הרקע בתוך פחות‬ ‫מ־‪ 1‬שעה‪:‬‬ ‫‪5.0 min‬‬ ‫=‬ ‫‪50 min‬‬ ‫זמן מחצית חיים ‪1‬‬

‫× זמן מחצית חיים ‪10‬‬

‫אם החומר נשפך‪ ,‬אפשר פשוט להמתין עשרה זמני מחצית חיים‪ ,‬נאמר ללכת לאכול צהריים‪.‬‬ ‫כאשר תשובו למעבדה‪ ,‬הרדיואקטיביות של החומר שנשפך לא תהיה גדולה מזו של הרצפה‬ ‫עצמה‪ .‬תאונה שבה מעורב פלוטוניום‪ ,239-‬שלו זמן מחצית חיים של ‪ 24,000‬שנה‪ ,‬תהיה‬ ‫עניין שונה בתכלית! לאחר ‪ 50‬דקות‪ ,‬כמעט כל הפלוטוניום‪ 239-‬ייוותר‪ .‬הבעיות הקשות‬ ‫ביותר בנוגע לסילוק בטוח הם איזוטופים בעלי זמן מחצית חיים ארוך שמתקבלים כתוצרי‬ ‫לוואי של טכנולוגיה גרעינית‪ .‬מציאת אתר שיישאר בטוח "לנצח נצחים" היא משימה כבדת‬ ‫משקל‪.‬‬ ‫‪ 9‬תארו את היתרון בשימוש באיזוטופים בעלי זמן מחצית חיים קצר כסמנים‬ ‫שאלה ‪ .13‬‬ ‫במעבדה רפואית‪.‬‬ ‫‪ 9‬האם תוכלו לחשוב על חיסרון כלשהו הקשור לשימוש באיזוטופים‬ ‫שאלה ‪ .14‬‬ ‫המתוארים בשאלה ‪ ?9.13‬הסבירו את התשובה‪.‬‬

‫מיסוך‬

‫לחלקיקי אלפא וביתא יש כושר חדירה נמוך יחסית‪ ,‬ועל כן הם מצריכים מיסוך ברמה נמוכה‪.‬‬ ‫מיסוך (‪ )shielding‬הוא הגנה מפני קרינה מזיקה‪ .‬חלוק מעבדה וכפפות מספיקים לרוב כדי‬ ‫להגן מפני קרינה זו‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬במקרה של קרני גמא (ורנטגן‪ ,‬שגם הן קרניים בעלות‬ ‫אנרגיה גבוהה) דרוש מיסוך עשוי עופרת‪ ,‬בטון או שניהם‪ .‬שימוש ממושך במקורות קרני‬ ‫גמא נעשה לרוב במעבדה ובתעשייה תוך שימוש ברובוטים‪ :‬מתקנים מכניים הנשלטים בידי‬ ‫מחשב‪ ,‬שאפשר לתכנת על מנת שיבצעו כמעט את כל הפעולות שבני אדם עושים במקרים‬ ‫רגילים‪.‬‬

‫מרחק מהמקור הרדיואקטיבי‬

‫עוצמת הקרינה משתנה ביחס הפוך לריבוע המרחק מהמקור‪ .‬הכפלת המרחק מהמקור‬ ‫מקטינה את העוצמה פי ארבעה (‪ .)22‬גם כאן יש יתרון לשימוש ברובוטים‪ ,‬שמאפשרים‬ ‫להרחיק את המפעיל מהמקור הרדיואקטיבי‪.‬‬

‫ראו "כימיה ירוקה‪ :‬סילוק פסולת‬ ‫גרעינית" בעמוד ‪.337‬‬

‫‪  344‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫משך החשיפה‬

‫השפעות הקרינה מצטברות עם הזמן‪ .‬באופן כללי‪ ,‬הנזק הפוטנציאלי מצוי ביחס ישר למשך‬ ‫החשיפה‪ .‬עובדים שנחשפים לכמויות מוגברות של קרינה במסגרת עבודתם יכולים לבצע את‬ ‫המשימה במשך פרק זמן קצוב בלבד‪ .‬לדוגמה‪ ,‬לאחר הכשל בתחנת הכוח פוקושימה ב־‪,2011‬‬ ‫משך הזמן שבו הותר לעובדים המעורבים בטיפול באסון להשתתף בפעילויות הניקוי נקצב‬ ‫בקפדנות‪.‬‬

‫סוג הקרינה הנפלטת‬

‫ברוב המקרים מקורות אלפא וביתא מסוכנים פחות ממקורות גמא‪ ,‬עקב ההבדלים באנרגיה‬ ‫ובכושר החדירה שמצריכים מיסוך קל יותר‪ .‬עם זאת‪ ,‬בליעה או שאיפה של מקור אלפא או‬ ‫מקור ביתא עלולות לגרום נזק חמור לרקמות במרוצת הזמן‪ ,‬שכן החומר הרדיואקטיבי בא‬ ‫במגע ישיר עם רקמות רגישות‪" .‬כימיה ירוקה‪ :‬רדון וזיהום אוויר בחללים בנויים" (עמוד‬ ‫‪ )346‬דן בהרחבה בבעיה זו‪.‬‬ ‫איור ‪ 9.9‬תמונה של מכלי אחסון‬ ‫בקיבולת של כארבעה מיליון ליטרים‬ ‫המיועדים לפסולת רדיואקטיבית‪,‬‬ ‫במהלך בנייתם‪ .‬האתר ממוקם‬ ‫בהנפורד‪ ,‬וושינגטון‪ ,‬והמכלים‬ ‫מכוסים באדמה בגובה ‪ 1.8‬עד ‪2.4‬‬ ‫מטרים‪.‬‬

‫סילוק פסולת‬

‫כמעט כל היישומים של הכימיה הגרעינית יוצרים פסולת רדיואקטיבית‪ ,‬ויחד איתה בעיות‬ ‫של טיפול בטוח וסילוק‪ .‬רוב אתרי הפסולת נחשבים כיום זמניים‪ ,‬עד למציאת פתרון בטוח‬ ‫וארוך טווח‪ .‬איור ‪ 9.9‬מספק מושג בדבר גודל הבעיה‪ ,‬והמסגרת "כימיה ירוקה‪ :‬סילוק פסולת‬ ‫גרעינית" בעמוד ‪ 337‬בוחנת את הבעיה ביתר פירוט‪.‬‬

‫‪9.7‬‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 11‬להכיר שיטות מקובלות לזיהוי‬

‫רדיואקטיביות‪.‬‬

‫מדידה של קרינה‬

‫השינויים המתחוללים בשל האינטראקציה של קרינה עם חומר (כגון סרט צילום) מסבירים‬ ‫את עקרון הפעולה של מגוון התקנים לזיהוי קרינה‪.‬‬ ‫בשיטות הזיהוי העיקריות משתמשים בסרט צילום על מנת ליצור תמונה של מקום‬ ‫החומר הרדיואקטיבי‪ ,‬או במונה שמאפשר למדוד את עוצמת הקרינה הנפלטת ממקור כלשהו‬ ‫באמצעות המרת אנרגיית הקרינה לאות חשמלי‪.‬‬

‫דימות באמצעות צילום‬ ‫גישה זו נהוגה ברפואה גרעינית‪ .‬איזוטופ‪ ,‬כגון יוד‪ ,131-‬ניתן למטופל על מנת לחקור את‬ ‫בלוטת התריס‪ ,‬ומתחיל להתרכז באבר הנחקר‪ .‬האזור מצולם בפרקי זמן קבועים באמצעות‬ ‫סרט צילום מיוחד‪ .‬הקרינה הנפלטת מהחומר הרדיואקטיבי יוצרת את התמונה‪ ,‬כפי שאור‬ ‫יוצר תמונה על סרט צילום במצלמה רגילה‪ .‬עם פיתוח סדרת התמונות מתקבל תיעוד של‬ ‫צריכת האיזוטופ באבר הנחקר לאורך זמן‪ ,‬המאפשר לרדיולוג להעריך את מצב האיבר‪.‬‬

‫דימות ממוחשב‬

‫איור ‪ 9.10‬מעבדת דימות במרכז‬ ‫הרפואי של בולטימור‪ ,‬ארה"ב‪.‬‬

‫ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית הטלוויזיה והמחשבים‪ ,‬ששיאה בשידוך שני ההתקנים‬ ‫הללו‪ ,‬הביאה עמה חלופה רב־שימושית לדימות בצילום‪.‬‬ ‫מצלמת טלוויזיה מיוחדת‪ ,‬הרגישה לקרינה הנפלטת מחומרים רדיואקטיביים הניתנים‬ ‫למטופל‪ ,‬מפתחת תיעוד רצוף ומיידי של דרכו של האיזוטופ בגוף‪ .‬האות משודר למחשב‪,‬‬ ‫מאוחסן בו‪ ,‬מפוענח ומוצג על מסך‪ .‬יתרונות השיטה הם רגישות מוגברת‪ ,‬שמאפשרת‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫שימוש במינון נמוך יותר של האיזוטופ; מהירות הנובעת מדילוג על שלב פיתוח התמונות;‬ ‫ורב־השימושיות של היישום‪ ,‬שמוגבל אולי רק על ידי היצירתיות של המפעילים‪.‬‬ ‫סוג מסוים של אמצעי דימות ממוחשב‪ ,‬שמביא תועלת בתחום הרפואה האבחונית‪ ,‬הוא‬ ‫סורק ה־‪ .)Computerized Tomography( CT‬סורק ה־‪ CT‬מודד את האינטראקציה של קרני‬ ‫רנטגן עם רקמות ביולוגיות‪ .‬המכשיר אוסף כמויות עצומות של מידע‪ ,‬מעבד את המידע ומציג‬ ‫אותו בפירוט רב‪ ,‬וכל זאת בפרק זמן קצר יחסית‪ .‬הסכנות במתקן כזה פחותות בהשוואה‬ ‫לטכניקות רגילות של צילום רנטגן משום שהמכשיר מייצר כמות גדולה יותר של מידע מועיל‬ ‫לכל יחידת קרינה‪ .‬לעתים קרובות הדימות שלו טוב יותר‪ .‬תמונה של סורק ‪ CT‬מובאת באיור‬ ‫‪ ,9.10‬ותמונה של חוליה פגועה בעמוד השדרה‪ ,‬שצולמה בידי סורק ‪ ,CT‬מובאת באיור ‪.9.11‬‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪345‬‬

‫‪ CT‬פירושו טומוגרפיה ממחושבת‪:‬‬ ‫המחשב מרכיב סדרה של תמונות‬ ‫של מדידות צפיפות רקמות‬ ‫(טומוגרפיה)‪ .‬הבדלים קטנים‬ ‫בצפיפות הרקמות עשויים להעיד‬ ‫על הימצאותו של גידול‪.‬‬

‫מונה גייגר‬ ‫מונה גייגר הוא מכשיר שמזהה קרינה מייננת‪ .‬יונים שנוצרים כאשר קרינה חולפת בשפופרת‬

‫העבודה‪20116 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫רונית בורלאהמלאה בגז שם‬ ‫מספראפשר‬ ‫אלקטרודות‪ .‬את הזרם הזה‬ ‫עולםחשמלי בין שתי‬ ‫להעביר זרם‬ ‫מתאים יכולים‬ ‫למדוד‪ ,‬והוא מתכונתי לרמת הקרינה (איור ‪ .)9.12‬מתקנים כאלה‪ ,‬אשר שימשו דרך שגרה‬ ‫לניטור במעבדות ובתעשייה‪ ,‬הוחלפו ברובם על ידי מתקנים מתוחכמים יותר אשר לרוב‬ ‫איור ‪9-12‬‬ ‫מחוברים למחשב‪.‬‬ ‫חלון דק‬ ‫שהקרינה‬ ‫חודרת דרכו‬

‫איור ‪ 9.11‬נזק שנגרם לחוליה‬ ‫בעמוד השדרה ניכר לעין בסריקת‬ ‫‪.CT‬‬

‫גז ארגון‬

‫אנודה )‪(+‬‬ ‫קתודה )–(‬

‫איור ‪9.12‬‬

‫מתח גבוה‬

‫מגבר ומונה‬

‫עיצוב של מונה גייגר המשמש למדידת קרינה רדיואקטיבית‪.‬‬

‫תגי קרינה‬ ‫מראה שכיח בכל בית חולים‪ ,‬מעבדה רפואית או מעבדה שבה נעשה שימוש שגרתי‬ ‫ברדיואיזוטופים הוא תגי הקרינה שעונדים כל אנשי הצוות הנחשפים לרדיואקטיביות ברמה‬ ‫נמוכה‪.‬‬ ‫תג קרינה אינו אלא פיסה של סרט צילום הרגיש לאנרגיות של קרינה רדיואקטיבית‪ .‬הוא‬ ‫ממוסך מפני אור‪ ,‬אשר עלול להפריע לפעולתו‪ ,‬ומורכב על מחזיק פלסטיק שאפשר לענוד‬ ‫במהלך יום העבודה‪ .‬התגים נאספים ומפותחים באופן תקופתי‪ .‬מידת ההחשכה של הסרט‬ ‫מתכונתית לכמות הקרינה שהעובד נחשף אליה‪ ,‬בדיוק כפי שמצלמה רגילה מטביעה תמונות‬ ‫על סרט באופן מתכונתי לכמות האור שהיא "רואה"‪.‬‬ ‫תיעוד קפדני מאפשר בדרך זו למעבדה שמשתמשת בחומרים הרדיואקטיביים לפקח על‬ ‫היסטוריית החשיפה של כל עובד‪ ,‬ובה בעת לזהות במהירות סיכונים שאלמלא כן היו עלולים‬ ‫להישאר חבויים‪.‬‬

‫‪  346‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫כימיה ירוקה‬ ‫רדון וזיהום אוויר בחללים בנויים‬ ‫מארי ופייר קירי היו הראשונים לגלות שכשאוויר בא במגע עם‬ ‫תרכובות רדיום‪ ,‬הוא הופך רדיואקטיבי‪ .‬ניסויים מאוחרים יותר‬ ‫של ארנסט רתרפורד ואחרים בודדו את החומר הרדיואקטיבי פולוניום הוא מתכת כבדה ובלתי נדיפה שיכולה להיצמד‬ ‫מהאוויר‪ .‬החומר הזה הוא איזוטופ של הגז האציל רדון (‪ .)Rn‬לרקמות הריאה או הסימפונות‪ .‬האיזוטופ הזה של פולוניום‬ ‫כיום אנו יודעים שרדיום (‪ )Ra‬יוצר רדון בדעיכה ספונטנית‪ :‬הוא רדיואקטיבי‪ ,‬וכשהוא נצמד לרקמות הריאה הוא פולט‬ ‫קרינה מסוכנת ומייצר איזוטופים רדיואקטיביים אחרים‪.‬‬ ‫‪226 Ra ‬‬ ‫→‬ ‫‪→ 42 He + 222‬‬ ‫‪88‬‬ ‫‪86 Rn‬‬ ‫התקן הקיים כיום בארצות הברית מחייב לבצע ניטור של‬ ‫רדיום מצוי בכמויות זעירות באדמה ובסלעים‪ ,‬והפיזור שלו רמות הרדון בבתים‪ .‬במדינות רבות‪ ,‬המצאת הוכחה לרמות‬ ‫באדמה אינו אחיד‪ .‬תוצר הדעיכה‪ ,‬רדון‪ ,‬נפלט מהאדמה תקינות של רדון היא תנאי למכירת הנכס‪ .‬חוקרים ממשיכים‬ ‫לאטמוספרה סביבה‪ .‬ריכוז הרדון גבוה יותר באזורים שאדמתם לנסות למצוא פתרונות סבירים לבעיית הרדון‪ .‬ההמלצות‬ ‫הנוכחיות כוללות אטימת סדקים ופתחים במרתפים‪ ,‬שיפור‬ ‫מכילה אורניום‪ ,‬משום שרדיום נוצר כחלק מדעיכת אורניום‪.‬‬ ‫אם קבלן בונה בניין מעל אדמה או סלע שתכולת הרדיום האוורור‪ ,‬והערכת אתרים לפני תחילת הבניה‪ .‬בקהילה המדעית‬ ‫שלהם גבוהה (או משתמש בבניית היסודות באבן שתכולת נמשך הדיון באשר לתקן בר־יישום של רדון‪ ,‬שיוודא כי האוויר‬ ‫הרדיום שלה גבוהה!)‪ ,‬גז רדון יכול לחלחל דרך המרתף בבתים בטוח‪.‬‬ ‫ולהצטבר בבניין‪ .‬לנוכח הצורך לבנות מבנים מבודדים היטב‬ ‫ויעילים יותר מבחינה אנרגטית‪ ,‬רמות הרדון בחלק מהחללים‬ ‫שאלות הרחבה‬ ‫הבנויים יכולות להיות גבוהות למדי‪.‬‬ ‫הרדון כשלעצמו הוא רדיואקטיבי; עם זאת‪ ,‬הקרינה שלו @ מדוע רדון מסוכן יותר בחללים בנויים מאשר באוויר‬ ‫הפתוח?‬ ‫איננה הבעיה העיקרית‪ .‬משום שהוא גז ואינו פעיל מבחינה‬ ‫@ מחצית החיים של פולוניום‪ 218-‬ארוכה מאוד‪ .‬מדוע יש‬ ‫ ‬ ‫כימית‪ ,‬אנו נושפים אותו במהירות במהלך הנשימה הרגיל‪ .‬עם‬ ‫בכך משום בעיה בריאותית אפשרית?‬ ‫זאת‪ ,‬רדון דועך לפולוניום‪:‬‬ ‫‪218 Po‬‬ ‫‪84‬‬

‫‪‬‬ ‫‪→ 42 He +‬‬ ‫→‬

‫‪222 Rn‬‬ ‫‪86‬‬

‫יחידות המדידה של קרינה‬ ‫מטרת לימוד‬ ‫‪ 12‬להכיר את היחידות המקובלות‬

‫של עוצמת קרינה‪ :‬קירי‪ ,‬רנטגן‪ ,‬ראד‬ ‫ורם‪.‬‬

‫כמות הקרינה הנפלטת ממקור או נספגת על ידי אדם מדווחת במגוון דרכים‪ ,‬תוך שימוש‬ ‫ביחידות שמתארות פנים שונים של הקרינה‪ .‬קירי ורנטגן מתארים את עוצמת הקרינה‬ ‫הנפלטת‪ ,‬ואילו ראד ו ֶרם מתארים את ההשפעות הביולוגיות של הקרינה‪.‬‬

‫קירי‬

‫קירי (‪ )curie‬הוא מדד לכמות הרדיואקטיביות של מקור רדיואקטיבי‪ .‬קירי אינו תלוי באופי‬ ‫הקרינה (אלפא‪ ,‬ביתא או גמא) ובהשפעתה על רקמות ביולוגיות‪ .‬קירי מוגדר ככמות החומר‬ ‫הרדיואקטיבי שיוצרת ‪ 3.7 × 1010‬התפרקויות אטומיות בשנייה (‪.)s‬‬

‫רנטגן‬

‫רנטגן (‪ )roentgen‬הוא מדד של קרינה מייננת באנרגיה גבוהה מאוד (קרני רנטגן וגמא בלבד)‪.‬‬ ‫רנטגן מוגדר ככמות הקרינה הדרושה כדי ליצור ‪ 2 × 109‬צמדי יונים כשהיא חולפת דרך‬ ‫סנטימטר מעוקב אחד (‪ )cm3‬של אוויר ב־‪ .0ºC‬רנטגן הוא מדד לאינטראקציה של הקרינה‬ ‫עם האוויר‪ ,‬ואינו מספק מידע על ההשפעה הביולוגית שלה‪.‬‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ראד‬

‫ראד (‪ ,)rad‬או מנת הקרינה הנבלעת (‪ ,)radiation absorbed dosage‬מספק מידע מועיל יותר‬ ‫משתי היחידות הקודמות‪ ,‬שכן הוא מביא בחשבון את אופי החומר הבולע‪ .‬הוא מוגדר כמנת‬ ‫הקרינה שיכולה להעביר ‪ 2.4 × 10−3‬קלוריות (‪ )cal‬של אנרגיה לקילוגרם אחד (‪ )kg‬של חומר‪.‬‬

‫ֶרם‬

‫ֶרם (‪ ,)rem‬או שקולת מנה (‪ ,)roentgen equivalent for man‬מתאר את הנזק הביולוגי שנגרם‬ ‫עקב בליעת סוגים שונים של קרינה בגוף האדם‪ֶ .‬רם מחושב באמצעות הכפלת ראד במקדם‬ ‫המכונה האפקטיביות הביולוגית היחסית (‪ RBE .)RBE‬תלוי בסוג הקרינה (אלפא‪ ,‬ביתא או‬ ‫גמא)‪ .‬אף שלחלקיקי ביתא כושר חדירה גדול מזה של חלקיקי אלפא‪ ,‬חלקיקי אלפא גורמים‬ ‫נזק גדול פי עשרה בערך לרקמה ביולוגית‪ .‬משום כך‪ RBE ,‬של חלקיקי אלפא הוא עשר ושל‬ ‫חלקיקי ביתא הוא אחת‪.‬‬ ‫מנה קטלנית (‪ )LD50‬של קרינה מוגדרת כמנת קרינה חמורה שתביא למות ‪50%‬‬ ‫מהאוכלוסייה שנחשפה לה בתוך ‪ 30‬יום‪ .‬על פי הערכות‪ ,‬המנה הקטלנית היא ‪ֶ 500‬רם‪ .‬עם‬ ‫זאת‪ ,‬מקצת מההשפעות הביולוגיות ניכרות כבר ברמה של ‪ֶ 25‬רם‪ .‬מנת הקרינה השנתית‬ ‫היחסית שאזרחי ארה"ב בולעים מוצגת באיור ‪.9.13‬‬ ‫ברם לעומת השימוש‬ ‫שאלה ‪ 9.15‬מנקודת מבט קלינית‪ ,‬אילו יתרונות יש לביטוי קרינה ֶ‬ ‫ביחידות קרינה אחרות?‬ ‫שאלה ‪ 9.16‬האם יחידת רנטגן משמשת במדידה של קרינת חלקיקי אלפא? מדוע‪ ,‬או‬ ‫מדוע לא?‬

‫איור ‪ 9.13‬מנת הקרינה השנתית היחסית שאדם בולע בארה"ב‪ .‬אדום‪ ,‬צהוב וירוק מעידים על רמות‬ ‫גבוהות יותר של קרינת רקע‪ .‬הגוונים הכחולים מעידים על אזורים שקרינת הרקע בהם נמוכה יותר‪.‬‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪347‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫‪  348‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫איור בעמ' ‪322‬‬

‫מפת הפרק‬ ‫יחידות למדידת קרינה‪:‬‬ ‫• קירי‬ ‫• רנטגן‬ ‫• ראד‬ ‫• ֶרם‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫תלויה ב‪:‬‬ ‫• מיסוך‬ ‫• מרחק מהמקור‬ ‫• משך החשיפה‬ ‫• סוג הקרינה‬ ‫• אסטרטגיית הסילוק‬

‫מדידה‪:‬‬ ‫• דימות בעזרת צילום‬ ‫• דימות ממוחשב‬ ‫• מונה גייגר‬ ‫• תג קרינה‬

‫היתוך‬

‫תרבית‪ ,‬דגירה‬

‫בטיחות בטיפול בקרינה‬ ‫זמן מחצית החיים )‪ (t1/2‬חוזה את‬ ‫היציבות של חומרים רדיואקטיביים‬

‫ביקוע‬

‫רפואה‬ ‫גרעינית‬

‫תארוך רדיואקטיבי‬ ‫ייצור אנרגיה גרעינית‬

‫יישומים‬ ‫הגרעין‬

‫לגרעינים של אותו יסוד עשוי להיות‬ ‫מספר שונה של נויטרונים‬

‫איזוטופים‬ ‫גרעינים רדיואקטיביים‬ ‫רדיואקטיביות מלאכותית‬

‫גרעינים יציבים‬

‫רדיואקטיביות טבעית‬ ‫משוואות גרעיניות מייצגות דעיכה רדיואקטיבית‬ ‫וחוזות את תוצריה‬

‫חלקיקי הקרינה‪:‬‬

‫קרינת גמא )‪(γ‬‬

‫טיפול‬ ‫בסרטן‬

‫פוזיטרונים )‪(β+‬‬

‫חלקיקי ביתא )‪(β‬‬

‫חלקיקי אלפא )‪(α‬‬

‫רפואה‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪349‬‬

‫סיכום‬ ‫‪ 9.1‬רדיואקטיביות טבעית‬ ‫@ רדיואקטיביות היא התהליך שבו גרעיני אטומים פולטים‬ ‫קרינה בצורת חלקיקים ו‪/‬או אנרגיה‪.‬‬ ‫@ קרינה גרעינית נפלטת משום שהגרעין אינו יציב‪ ,‬ומכאן‬ ‫רדיואקטיבי‪.‬‬ ‫@ הסימול הגרעיני מורכב מסימול היסוד‪ ,‬מהמספר האטומי‬ ‫וממספר המסה‪.‬‬ ‫@ לא כל הנוקלידים אינם יציבים‪ .‬רק נוקלידים לא יציבים‬ ‫עוברים שינוי ופולטים קרינה בתהליך של דעיכה‬ ‫רדיואקטיבית‪.‬‬ ‫@ קרינה טבעית שנפלטת מגרעינים לא יציבים כוללת‬ ‫חלקיקי אלפא‪ ,‬חלקיקי ביתא‪ ,‬פוזיטרונים וקרני גמא‪.‬‬ ‫@ סוגי הקרינה הללו מכונים במשותף קרינה מייננת‪.‬‬ ‫‪ 9.2‬כתיבת משוואה גרעינית מאוזנת‬ ‫@ משוואה גרעינית מייצגת תהליך גרעיני כגון דעיכה‬ ‫רדיואקטיבית‪.‬‬ ‫@ במשוואה גרעינית הסכום הכולל של מספרי המסה משני‬ ‫עברי חץ המשוואה מוכרח להיות זהה‪ ,‬וסכום המספרים‬ ‫האטומיים של המגיבים מוכרח להיות זהה לסכום‬ ‫המספרים האטומיים של התוצרים‪.‬‬ ‫@ אפשר להשתמש במשוואות גרעיניות על מנת לחזות את‬ ‫התוצרים של תגובות גרעיניות‪.‬‬ ‫‪ 9.3‬תכונות של רדיואיזוטופים‬ ‫@ אנרגיית הקשר הגרעינית היא מדד ליציבות של הגרעין‪.‬‬ ‫כשאיזוטופ דועך‪ ,‬אנרגיה משתחררת‪.‬‬ ‫@ יש קשר בין היציבות של גרעין והיחס בין הנויטרונים‬ ‫והפרוטונים באיזוטופ‪ .‬גרעינים שמספר הפרוטונים שלהם‬ ‫גדול נוטים להיות לא יציבים‪ ,‬ואיזוטופים המכילים ‪,2‬‬ ‫‪ 82 ,50 ,20 ,8‬או ‪ 126‬פרוטונים או נויטרונים (מספרי‬ ‫קסם) הם יציבים‪ .‬כמו כן‪ ,‬איזוטופים שמספר הפרוטונים‬ ‫או הנויטרונים שלהם זוגי יהיו לרוב יציבים יותר מאלה‬ ‫שמספר הפרוטונים או הנויטרונים שלהם אי־זוגי‪.‬‬ ‫@ זמן מחצית החיים‪ ,t1/2 ,‬הוא הזמן הדרוש למחצית מכמות‬ ‫נתונה של חומר לעבור שינוי‪ .‬לכל איזוטופ זמן מחצית‬ ‫חיים אופייני‪ .‬מידת היציבות של איזוטופ מתבטאת בזמן‬ ‫מחצית החיים שלו‪ :‬איזוטופים שזמן מחצית החיים שלהם‬ ‫קצרה יותר דועכים במהירות; היציבות שלהם קטנה יותר‪.‬‬ ‫@ תארוך רדיואקטיבי בפחמן מבוסס על מדידת הכמויות‬ ‫היחסיות של פחמן‪ 12-‬ופחמן‪ 14-‬המצויות בחפץ‪ .‬יחס‬ ‫המסות בין האיזוטופים משתנה לאטו לאורך זמן‪ ,‬ובכך‬ ‫מאפשר לקבוע את הגיל של חפצים‪.‬‬

‫‪ 9.4‬כוח גרעיני‬ ‫@ איינשטיין חזה כי כאשר גרעין מתפרק‪ ,‬כמות קטנה של‬ ‫מסה גרעינית הופכת לכמות גדולה מאוד של אנרגיה‪.‬‬ ‫התחזית שלו היא הבסיס לכור הגרעיני המודרני‪.‬‬ ‫@ כורי ביקוע‪ ,‬המסתמכים על תגובת שרשרת‪ ,‬משמשים‬ ‫לייצור כוח חשמלי‪ .‬בעיות טכנולוגיות בכורי היתוך ובכורי‬ ‫תרבית מונעות את המסחור שלהם בארה"ב‪.‬‬ ‫‪ 9.5‬יישומים רפואיים של רדיואקטיביות‬ ‫@ השימוש בקרינה לטיפול בסוגים שונים של סרטן‪ ,‬ובתחום‬ ‫החדש יותר של רפואה גרעינית‪ ,‬הפך נפוץ מאוד ברבע‬ ‫המאה האחרונה‪.‬‬ ‫@ קרינה מייננת מחוללת שינויים בתהליכים ביוכימיים‬ ‫תאיים‪ ,‬שעשויים להזיק לתא או להרוג אותו‪.‬‬ ‫@ באבר נגוע בסרטן יש תאים בריאים לצד תאים ממאירים‪.‬‬ ‫חשיפת אזור הגידול למנה מבוקרת של קרינת גמא‬ ‫באנרגיה גבוהה באמצעות קובלט‪ 60-‬תהרוג תאים‬ ‫ממאירים בשיעור גבוה יותר מתאים רגילים‪ .‬זוהי שיטה‬ ‫חשובה לטיפול בסרטן‪.‬‬ ‫@ אבחון של מגוון אי־סדירויות או מחלות ביוכימיות‬ ‫בגוף האדם הפך דבר שבשגרה בזכות השימוש בסמנים‬ ‫רדיואקטיביים‪.‬‬ ‫@ סמנים הם כמויות קטנות של חומרים רדיואקטיביים‬ ‫שמשמשות כלי עזר לחקר אברים פנימיים‪ .‬משום‬ ‫שהאיזוטופ רדיואקטיבי אפשר להתחקות אחר מסלולו‬ ‫באמצעות מתקני זיהוי מתאימים‪ .‬בדרך זו משיגים תמונה‬ ‫של האבר‪ ,‬ברמת פירוט גבוהה הרבה יותר מזו שמציעות‬ ‫בדיקות רנטגן רגילות‪ .‬שיטות רפואיות הכוללות סמנים‬ ‫מכונות דימות גרעיני‪.‬‬ ‫@ הרדיואקטיביות של איזוטופים לא יציבים מוגדרת‬ ‫כרדיואקטיביות טבעית‪ .‬אפשר להפוך גרעין יציב ולא‬ ‫רדיואקטיבי לרדיואקטיבי‪ ,‬ודבר זה מכונה רדיואקטיביות‬ ‫מלאכותית (התהליך מניב איזוטופים סינתטיים)‪.‬‬ ‫@ איזוטופים סינתטיים משמשים לא אחת למטרות קליניות‪.‬‬ ‫סינתזה של איזוטופים מבוצעת בליבה של כור גרעיני או‬ ‫במאיץ חלקיקים‪ .‬איזוטופים קצרי חיים‪ ,‬כגון טכנציום‪-‬‬ ‫‪ ,99m‬מיוצרים לרוב באתר הבדיקה הקלינית עצמו‪.‬‬ ‫‪ 9.6‬השפעות ביולוגיות של קרינה‬ ‫@ שיקולי הבטיחות מבוססים על משך זמן מחצית החיים‪ ,‬על‬ ‫מידת המיסוך‪ ,‬על המרחק מהמקור הרדיואקטיבי‪ ,‬על זמן‬ ‫החשיפה ועל סוג הקרינה הנפלטת‪.‬‬ ‫@ לעולם אין אנו חופשיים לגמרי מהשפעות הרדיואקטיביות‪.‬‬ ‫קרינת הרקע היא קרינה נורמלית שנובעת מהסביבה שלנו‪.‬‬

‫‪  350‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫@ כמעט כל היישומים של הכימיה הגרעינית יוצרים פסולת‬ ‫רדיואקטיבית‪ ,‬ויחד איתה נוצרות בעיות של טיפול בטוח‬ ‫וסילוק נאות‪ .‬רוב אתרי הפסולת נחשבים זמניים‪ ,‬עד‬ ‫למציאתו של פתרון בטוח וארוך טווח‪.‬‬ ‫‪ 9.7‬מדידת קרינה‬ ‫@ השינוי שמתחולל בעקבות האינטראקציה של קרינה עם‬ ‫חומר הוא הבסיס למגוון התקנים לזיהוי קרינה‪ .‬דימות‬ ‫בצילום‪ ,‬דימות ממוחשב‪ ,‬מונה גייגר ותגי קרינה הם‬ ‫ההתקנים השכיחים ביותר לזיהוי ולמדידה של קרינה‪.‬‬ ‫@ היחידות השכיחות למדידת קרינה הן הקירי‪ ,‬שמודד‬ ‫את כמות הרדיואקטיביות במקור רדיואקטיבי; הרנטגן‪,‬‬ ‫שמודד קרינה עתירת אנרגיה (קרני רנטגן וגמא); הראד‬ ‫(מנת הקרינה הנבלעת)‪ ,‬שמביא בחשבון את אופי החומר‬ ‫והרם (שקולת מנה)‪ ,‬שמתאר את הנזק הביולוגי‬ ‫הבולע; ֶ‬ ‫שבליעת סוגים שונים של קרינה מסבה לגוף האדם‪.‬‬ ‫@ מנה קטלנית של קרינה‪ ,LD50 ,‬מוגדרת כמנה שתהרוג ‪50%‬‬ ‫מהאוכלוסייה הנחשפת אליה בתוך ‪ 30‬יום‪.‬‬

‫תשובות לשאלות‬ ‫"בחנו את עצמכם"‬ ‫‪ 9.1‬‬ ‫‪9 .2‬‬ ‫ ‬ ‫‪9 .3‬‬

‫ ‬

‫א‪.‬‬ ‫ב‪.‬‬

‫‪226 Ra ‬‬ ‫‪→ 42 He + 222‬‬ ‫→‬ ‫‪88‬‬ ‫‪86 Rn‬‬ ‫‪11 B ‬‬ ‫‪7‬‬ ‫→‬ ‫‪→ 3 Li + 42 He‬‬ ‫‪5‬‬

‫א‪.‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫‪85 Rb +‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ 37‬‬ ‫→‬

‫ב‪.‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫→‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ 239‬‬ ‫‪93 Np +‬‬

‫א‪+ 01 e .‬‬

‫‪239 U‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪79‬‬ ‫‪79 Kr‬‬ ‫‪→ 36‬‬ ‫→‬ ‫‪37 Rb ‬‬

‫‪38 K + 0 e‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ 19‬‬ ‫→‬ ‫ב‪1 .‬‬

‫‪ 9.4‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫‪85‬‬ ‫‪36 Kr‬‬

‫‪38‬‬ ‫‪20 Ca‬‬

‫א‪ 6.3 .‬ננוגרם של נתרן‪ 24-‬ייוותרו לאחר ‪ 2.5‬ימים‪.‬‬ ‫ב‪ 0.6 .‬ננוגרם של טכנציום ייוותרו לאחר יום אחד‪.‬‬

‫שאלות ובעיות‬ ‫רדיואקטיביות טבעית‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 9.17‬מהי משמעות המונח רדיואקטיביות טבעית?‬ ‫‪ 9.18‬מהי קרינת רקע?‬ ‫‪ 9.19‬מהו ההרכב של חלקיק אלפא?‬ ‫‪ 9.20‬מהי דעיכת אלפא?‬ ‫‪ 9.21‬מהו ההרכב של חלקיק ביתא?‬ ‫‪ 9.22‬מהו ההרכב של פוזיטרון?‬ ‫‪ 9.23‬מהם ההבדלים המהותיים בין חלקיקי אלפא וביתא?‬ ‫‪ 9.24‬מהם ההבדלים המהותיים בין חלקיקי אלפא וקרינת‬ ‫גמא?‬ ‫‪ 9.25‬מהו ההבדל בין תגובות גרעיניות ותגובות כימיות?‬

‫‪ 9.26‬בכוחנו לשלוט בקצב של תגובות כימיות‪ .‬האם בכוחנו‬ ‫לשלוט גם בקצב של קרינה טבעית?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 9.27‬מהו הסימול הגרעיני של חלקיק אלפא?‬ ‫‪ 9.28‬מהו הסימול הגרעיני של חלקיק ביתא?‬ ‫‪ 9.29‬מהו הסימול הגרעיני של אורניום‪?235-‬‬ ‫‪ 9.30‬כמה פרוטונים ונויטרונים יש בגרעין של אורניום‪?235-‬‬ ‫‪ 9.31‬כמה פרוטונים ונויטרונים יש בכל אחד משלושת‬ ‫האיזוטופים של מימן?‬ ‫‪ 9.32‬כמה פרוטונים ונויטרונים יש בכל אחד משלושת‬ ‫האיזוטופים של פחמן?‬ ‫‪ 9.33‬מהו הסימול הגרעיני של חנקן‪?15-‬‬ ‫‪ 9.34‬מהו הסימול הגרעיני של פחמן‪?14-‬‬ ‫‪ 9.35‬מהם קווי הדמיון והשוני בין שלושת סוגי הקרינה‬ ‫המרכזיים שנפלטים בדעיכה גרעינית?‬ ‫‪ 9.36‬דרגו את שלושת סוגי הקרינה המרכזיים לפי גודל‪,‬‬ ‫מהירות וכושר חדירה‪.‬‬ ‫‪ 9.37‬מהו ההבדל בין חלקיק אלפא ואטום הליום?‬ ‫‪ 9.38‬מהו ההבדל המרכזי בין קרינת ביתא וקרינת גמא?‬ ‫כתיבת משוואה גרעינית מאוזנת‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 9.39‬כתבו משוואה גרעינית המייצגת דעיכה של קובלט‪60-‬‬ ‫לניקל‪ ,60-‬לחלקיק ביתא ולקרינת גמא‪.‬‬ ‫‪ 9.40‬כתבו משוואה גרעינית המייצגת דעיכה של רדיום‪226-‬‬ ‫לרדון‪ 222-‬ולחלקיק אלפא‪.‬‬ ‫‪ 9.41‬השלימו את המשוואה הגרעינית שלהלן‪:‬‬ ‫→ ‪+ 21 H‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ ? + 11 H‬‬

‫‪23 Na‬‬ ‫‪11‬‬

‫‪ 9.42‬השלימו את המשוואה הגרעינית שלהלן‪:‬‬ ‫‪+ 6 01 n‬‬

‫→ ‪14 N‬‬ ‫‪‬‬ ‫?→‬ ‫‪7‬‬

‫‪+‬‬

‫‪238 U‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪ 9.43‬השלימו את המשוואה הגרעינית שלהלן‪:‬‬ ‫?‪+‬‬

‫‪24 Ne ‬‬ ‫‪→β‬‬ ‫→‬ ‫‪10‬‬

‫‪ 9.44‬השלימו את המשוואה הגרעינית שלהלן‪:‬‬ ‫?‪+‬‬

‫→ ‪190 Pt‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪→α‬‬ ‫‪78‬‬

‫‪ 9.45‬השלימו את המשוואה הגרעינית שלהלן‪:‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫→?‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ 140‬‬ ‫‪56 Ba +‬‬

‫‪ 9.46‬השלימו את המשוואה הגרעינית שלהלן‪:‬‬ ‫‪4‬‬ ‫→?‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ 214‬‬ ‫‪90Th + 2 He‬‬

‫יישומים‬ ‫‪ 9.47‬‬

‫יסוד ‪ 107‬סונתז באמצעות הפצצת ביסמות‪209-‬‬ ‫בכרום‪ .54-‬מהי משוואת התהליך אם אחד התוצרים‬

‫הוא נויטרון?‬

‫  פ ר ק ‪9‬‬

‫‪ 9.48‬‬ ‫‪ 9.49‬‬ ‫‪ 9.50‬‬ ‫‪ 9.51‬‬ ‫‪ 9.52‬‬ ‫‪ 9.53‬‬

‫‪ 9.54‬‬

‫יסוד ‪ 109‬סונתז באמצעות הפצצת ביסמות‪209-‬‬ ‫בברזל‪ .58-‬מהי משוואת התהליך אם אחד התוצרים‬

‫הוא נויטרון?‬ ‫כתבו משוואה גרעינית מאוזנת של פליטת ביתא‬ ‫ממגנזיום‪.27-‬‬ ‫כתבו משוואה גרעינית מאוזנת של דעיכת אלפא‬ ‫מביסמות‪.212-‬‬ ‫כתבו משוואה גרעינית מאוזנת של פליטת פוזיטרון‬ ‫מחנקן‪.12-‬‬ ‫כתבו משוואה גרעינית מאוזנת של פליטת פוזיטרון‬ ‫ממנגן‪.52-‬‬ ‫אמריציום‪ ,241-‬המצוי בגלאי עשן ביתיים‪ ,‬דועך‬ ‫באמצעות פליטת אלפא‪ .‬חלקיק אלפא מיינן את‬ ‫מולקולות האוויר סביבו‪ ,‬והיונים הנוצרים מוליכים‬ ‫זרם חשמלי‪ .‬חלקיקי עשן מפריעים לתהליך והשינוי‬ ‫בזרם מפעיל אזעקה‪ .‬כתבו משוואה גרעינית מאוזנת‬ ‫של הדעיכה של אמריציום‪.241-‬‬ ‫יסוד ‪ 106‬קיבל לא מכבר את השם סיבורגיום (‪)Sg‬‬ ‫לכבודו של גלן ט' סיבורג‪ ,‬חלוץ בגילוי היסודות‬ ‫הלנתנידים והאקטינידים‪ .‬סיבורגיום‪ 263-‬דועך‬ ‫באמצעות פליטת אלפא‪ .‬כתבו משוואה גרעינית‬ ‫מאוזנת של התהליך‪.‬‬

‫תכונות של רדיואיזוטופים‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 9.55‬מהו ההבדל בין רדיואקטיביות טבעית ורדיואקטיביות‬ ‫מלאכותית?‬ ‫‪ 9.56‬האם הביקוע של אורניום‪ 235-‬הוא דוגמה‬ ‫לרדיואקטיביות טבעית או לרדיואקטיביות מלאכותית?‬ ‫‪ 9.57‬סכמו את המאפיינים המרכזיים של גרעינים שאמורים‬ ‫להיות יציבים מאוד‪.‬‬ ‫‪ 9.58‬מדוע אנרגיית הקשר הגרעינית אמורה להיות גדולה?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 9.59‬האם תחזו שחמצן‪ 20-‬יהיה יציב? הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫‪ 9.60‬האם תחזו שקובלט‪ 59-‬יהיה יציב? הסבירו את‬ ‫התשובה‪.‬‬ ‫‪ 9.61‬האם תחזו שכרום‪ 48-‬יהיה יציב? הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫‪ 9.62‬האם תחזו שליתיום‪ 9-‬יהיה יציב? הסבירו את התשובה‪.‬‬ ‫‪ 9.63‬אם מטופל מקבל ‪ 3.2 mg‬של הרדיואיזוטופ יוד‪,131-‬‬ ‫מהי הכמות שתיוותר בגופו לאחר ‪ 24‬ימים‪ ,‬בהנחה‬ ‫שהיוד לא סולק מהגוף באף תהליך אחר? (זמן מחצית‬ ‫החיים של יוד‪ 131-‬מופיע בטבלה ‪)9.2‬‬ ‫‪ 9.64‬מטופל מקבל ‪ 9.0 ng‬של רדיואיזוטופ שזמן מחצית‬ ‫החיים שלו הוא ‪ 12‬שעות‪ .‬מהי הכמות שתיוותר בגופו‬ ‫לאחר ‪ 2.0‬ימים‪ ,‬בהנחה שהדעיכה הרדיואקטיבית היא‬ ‫דרך הסילוק היחידה של האיזוטופ מהגוף?‬

‫‪ 9.65‬‬

‫‪ 9.66‬‬

‫‪ 9.67‬‬ ‫‪ 9.68‬‬

‫הגרעין‪ ,‬רדיואקטיביות ורפואה‬

‫ג ר ע י נ י ת   ‪351‬‬

‫דגימה המכילה ‪ 1.00 × 102 mg‬של ברזל‪ 59-‬מאוחסנת‬ ‫במשך ‪ 135‬ימים‪ .‬מהי המסה של ברזל‪ 59-‬שתיוותר‬ ‫בתום תקופת האחסון? (זמן מחצית החיים של‬ ‫ברזל‪ 59-‬מופיע בטבלה ‪)9.2‬‬ ‫מכשיר לטיפול בסרטן המכיל מקור של קובלט‪ 60-‬יוצר‬ ‫ב־‪ .1988‬הוא הוצא משירות ב־‪ ,1995‬ונקבר בטעות‬ ‫במטמנה כשהמקור עדיין בתוכו‪ .‬כמה מהרדיואקטיביות‬ ‫ההתחלתית‪ ,‬באחוזים‪ ,‬תיוותר במכשיר בשנת ‪?2020‬‬ ‫(זמן מחצית החיים של קובלט‪ 60-‬מופיע בטבלה ‪)9.2‬‬ ‫תארו את התהליך ששימש לקביעת גיל ארון הקבורה‬ ‫של המלך תות ענח' אמון (הארון עשוי עץ)‪.‬‬ ‫איזו תכונה של פחמן מאפשרת לנו להעריך גיל של‬ ‫ציור?‬

‫כוח גרעיני‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 9.69‬איזה סוג של תהליך גרעיני מפצל גרעין ומשחרר‬ ‫אנרגיה?‬ ‫‪ 9.70‬איזה סוג של תהליך גרעיני מרכיב גרעינים קטנים‬ ‫ומשחרר אנרגיה?‬ ‫‪ 9.71‬א‪ .‬תארו את תהליך הביקוע‪.‬‬ ‫ב‪ .‬מדוע תגובה זו היא הבסיס לייצור אנרגיה חשמלית?‬ ‫ ‬ ‫‪ 9.72‬א‪ .‬תארו את תהליך ההיתוך‪.‬‬ ‫ב‪ .‬כיצד אפשר להשתמש בתהליך זה לייצור אנרגיה‬ ‫ ‬ ‫חשמלית?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 9.73‬כתבו משוואה גרעינית מאוזנת של תגובת היתוך‪.‬‬ ‫‪ 9.74‬מהם החסרונות העיקריים של תחנת כוח גרעינית‬ ‫המשתמשת בכור ביקוע?‬ ‫‪ 9.75‬מהי משמעות המונח כור תרבית?‬ ‫‪ 9.76‬מהם היתרונות והחסרונות הפוטנציאליים של כורי‬ ‫תרבית?‬ ‫‪ 9.77‬מהי משמעות המונח תגובת שרשרת?‬ ‫‪ 9.78‬מדוע משתמשים במוטות קדמיום בכורי ביקוע?‬ ‫‪ 9.79‬מהו המחסום הגדול ביותר המונע את הפיתוח של כורי‬ ‫ביקוע?‬ ‫‪ 9.80‬איזה סוג של תגובה גרעינית נמצא בבסיס מערכת‬ ‫השמש שלנו?‬ ‫יישומים רפואיים של רדיואקטיביות‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 9.81‬מדוע תרפיית קרינה היא טיפול יעיל בסוגים מסוימים‬ ‫של סרטן?‬ ‫‪ 9.82‬תארו את ההכנה של איזוטופים המשמשים למטרות‬ ‫רפואית‪.‬‬ ‫‪ 9.83‬מהו המקור של קרינת רקע?‬

‫‪  352‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 9.84‬מדוע החשיפה לקרינת רקע גדלה במטוסים המשייטים‬ ‫בגובה רב?‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 9.85‬האיזוטופ אינדיום‪ 111-‬משמש במעבדות רפואיות‬ ‫כסמן של טסיות דם‪ .‬על מנת להכין אינדיום‪111-‬‬ ‫מפציצים כסף‪ 108-‬בחלקיק אלפא‪ ,‬וכשלב ביניים‬ ‫נוצר איזוטופ של אינדיום‪ .‬כתבו משוואה גרעינית של‬ ‫התהליך וזהו את איזוטופ הביניים‪ ,‬האינדיום‪.‬‬ ‫‪ 9.86‬מוליבדן‪ 99-‬רדיואקטיבי משמש בהכנת הסמן‬ ‫טכנציום‪ .99m-‬כתבו משוואה גרעינית של התהוות‬ ‫מוליבדן‪ 99-‬ממוליבדן‪ 98-‬יציב‪ ,‬המופצץ בנויטרונים‪.‬‬ ‫‪ 9.87‬תארו יישום של כל אחד מהאיזוטופים שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ .‬טכנציום‪99m-‬‬ ‫ב‪ .‬קסנון‪133-‬‬ ‫‪ 9.88‬תארו יישום של כל אחד מהאיזוטופים שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ .‬יוד‪131-‬‬ ‫ב‪ .‬תליום‪201-‬‬ ‫השפעות ביולוגיות של קרינה‬ ‫ענו על שאלות ‪ 9.89‬עד ‪ 9.96‬על בסיס ההנחה שאתם מועסקים‬ ‫במעבדה קלינית שמכינה איזוטופים רדיואקטיביים לבדיקות‬ ‫אבחוניות‪ .‬התייחסו לפליטות אלפא‪ ,‬ביתא‪ ,‬פוזיטרון וגמא‪.‬‬ ‫‪ 9.89‬מה תהיה ההשפעה על רמת החשיפה שלכם לקרינה‬ ‫אם תגדילו את המרחק הממוצע שלכם מהמקור‬ ‫הרדיואקטיבי?‬ ‫‪ 9.90‬האם עטיית כפפות תשפיע השפעה מהותית כלשהי?‬ ‫מדוע?‬ ‫‪ 9.91‬האם הגבלת משך החשיפה שלכם תשפיע השפעה‬ ‫חיובית? מדוע?‬ ‫‪ 9.92‬האם לבישת סינר מעבדה העשוי שכבות דקות של‬ ‫עופרת תשפיע השפעה חיובית? מדוע?‬ ‫‪ 9.93‬האם שימוש באמצעים רובוטיים לטיפול בדגימות‬ ‫רונית בורלא‬ ‫ביצוע‪:‬מדוע?‬ ‫ישפיע על רמת החשיפה?‬ ‫‪ 9.94‬האם שימוש בחיפויי בטון במקום עץ יועיל בהגנה על‬ ‫העובדים בחלקים אחרים של המעבדה? מדוע?‬ ‫‪ 9.95‬האם עובי הבטון בשאלה ‪ 9.94‬הוא שיקול חשוב?‬ ‫מדוע?‬ ‫‪ 9.96‬הציעו נוהל עבודה לסילוק פסולת רדיואקטיבית‪.‬‬ ‫מדידת קרינה‬ ‫יסודות‬ ‫‪ 9.97‬מהי משמעות המונח האפקטיביות הביולוגית היחסית‬ ‫(‪?)RBE‬‬ ‫‪ 9.98‬מהי משמעות המונח מנה קטלנית של קרינה?‬ ‫‪ 9.99‬הגדירו את היחידות שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ .‬קירי‬ ‫ב‪ .‬רנטגן‬

‫‪ 9.100‬הגדירו את יחידות הקרינה שלהלן‪:‬‬ ‫א‪ .‬ראד‬ ‫ב‪ֶ .‬רם‬ ‫יישומים‬ ‫‪ 9.101‬טכנאי רנטגן לובשים על פי רוב תגים המכילים סרט‬ ‫צילום‪ .‬כיצד מעיד סרט הצילום על חשיפה לקרני‬ ‫רנטגן?‬ ‫‪ 9.102‬מדוע עדיף מונה גייגר על פני סרט צילום‪ ,‬אם מטרתנו‬ ‫היא להעריך את הסכנה המיידית שנגרמה משפיכת‬ ‫תמיסה כלשהי המכילה רדיואיזוטופ?‬

‫בעיות מחשבה ביקורתית‬ ‫‪ .1‬איזוטופים המשמשים כסמנים רדיואקטיביים מתאפיינים‬ ‫בתכונות כימיות דומות לאלה של איזוטופים לא־‬ ‫רדיואקטיביים של אותו היסוד‪ .‬הסבירו מדוע זהו שיקול‬ ‫חשוב בשימוש בהם‪.‬‬ ‫‪ .2‬כימאי מציע פרויקט מחקר לגילוי זרז שיאיץ את קצב‬ ‫הדעיכה של איזוטופים רדיואקטיביים המתקבלים כתוצרי‬ ‫פסולת של מעבדות רפואיות‪ .‬תגלית מעין זו יכולה לפתור‬ ‫את הבעיה של סילוק פסולת גרעינית‪ .‬חוו דעתכם על‬ ‫ההצעה‪.‬‬ ‫‪ .3‬פתרון שנוי במחלוקת לסילוק פסולת גרעינית הוא קבורה‬ ‫בחללים אטומים בבטן האדמה‪ .‬תארו את היתרונות‬ ‫והחסרונות האפשריים של הגישה‪.‬‬ ‫‪ .4‬איזה סוג של דעיכה רדיואקטיבית נוטה גרעין לעבור אם‬ ‫מספר הפרוטונים בו גדול בהרבה ממספר הנויטרונים?‬ ‫הסבירו את תשובתכם‪.‬‬ ‫‪ .5‬אילו היחס בין הפרוטונים לנויטרונים בבעיה ‪( 4‬לעיל) היה‬ ‫הפוך‪ ,‬איזה סוג של דעיכה רדיואקטיבית היה הגרעין נוטה‬ ‫לעבור? הסבירו את תשובתכם‪.‬‬ ‫‪ .6‬איזוטופים רדיואקטיביים משמשים לעתים קרובות‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪9‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫אטום במהלך‬ ‫עולםלהתחקות אחרי‬ ‫שמאפשרים‬ ‫כ"סמנים"‬ ‫תגובה כימית‪ ,‬ולהלן דוגמה‪ .‬חומצה אצטית מגיבה עם‬ ‫אצטט‪ .‬הסבירו כיצד‬ ‫יצירת מים‬ ‫ומתילמס' ‪6‬‬ ‫חשיבה‬ ‫מתאנול תוךבעית‬ ‫הייתם משתמשים באיזוטופ הרדיואקטיבי חמצן‪ 18-‬על‬ ‫מנת לבדוק אם אטום החמצן במולקולות המים של התוצר‬ ‫הגיע מ־‪ OH‬של החומצה או מ־‪ OH‬של המתאנול‪.‬‬ ‫‪O‬‬

‫‪CH3 + H2O‬‬

‫‪O‬‬

‫‪C‬‬

‫‪O‬‬

‫‪H3C‬‬

‫‪OH + HOCH3‬‬

‫‪C‬‬

‫‪H3C‬‬

‫מתאנול חומצה אצטית‬ ‫מתיל אצטט‬ ‫‪ .7‬כרום‪ ,51-‬המשמש כסמן בחקר תאי דם אדומים‪ ,‬דועך‬ ‫באמצעות לכידת אלקטרון‪ .‬בתהליך זה מומר פרוטון‬ ‫בגרעין הכרום לנויטרון באמצעות התרכבות עם האלקטרון‬ ‫שנלכד‪ .‬כתבו משוואה מאוזנת של התהליך‪ .‬מהי זהות‬ ‫התוצר?‬

‫מספר הע‬

‫  ת ש ו ב ו ת ל ש א ל ו ת‬

‫א י ־ ז ו ג י ו ת   ‪353‬‬

‫תשובות לשאלות אי־זוגיות‬ ‫פרק ‪1‬‬ ‫‪ 1.1‬א‪ .‬תכונה פיזיקלית‬ ‫ב‪ .‬תכונה כימית‬ ‫ג‪ .‬תכונה פיזיקלית‬ ‫‪ 1.3‬א‪ .‬תכונה אקסטנסיבית‬ ‫ב‪ .‬תכונה אינטנסיבית‬ ‫ ‬ ‫‪ 1.5‬יש דוגמאות רבות‪ ,‬ביניהן אלכוהול רפואי ומי שתייה‪.‬‬ ‫א‪ 3 .‬ב‪ 3 .‬ג‪ 4 .‬ד‪ 2 .‬ה‪3 .‬‬ ‫‪ 1.7‬‬ ‫א‪ 2.4 × 10−3 .‬ב‪ 1.80 × 10−2 .‬ג‪2.24 × 102 .‬‬ ‫‪ 1.9‬‬ ‫‪5‬‬ ‫ד‪6.73 × 10 .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 1.11‬א‪ 8.09 .‬ב‪ 5.9 .‬ג‪20.19 .‬‬ ‫‪ 1.13‬א‪ 51 .‬ב‪ 8.0 × 101 .‬ג‪2.0 × 10−3 .‬‬ ‫‪ 1.15‬א‪ 61.4 .‬ב‪ 6.17 .‬ג‪6.65 × 10−2 .‬‬ ‫‪2.49 × 103 J 1.17‬‬ ‫‪ 1.19‬הכימיה עוסקת בחקר החומר‪ ,‬התכונות הכימיות‬ ‫והפיזיקליות שלו‪ ,‬השינויים הכימיים והפיזיקליים שהוא‬ ‫שמתלווים‬ ‫האנרגיה‬ ‫עובר ושינויי‬ ‫לתהליכים הללו‪.‬שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫הענפים המרכזיים בכימיה הם ביוכימיה‪ ,‬כימיה‬ ‫ ‬ ‫אורגנית‪ ,‬כימיה אי־אורגנית‪ ,‬כימיה אנליטית וכימיה‬ ‫פיזיקלית‪.‬‬ ‫‪ 1.21‬אנשים העוסקים ברפואה‪ ,‬כגון רופאי משפחה‪ ,‬אחיות‬ ‫ואנשי צוות רפואי‪ ,‬משתמשים בטיפולים המבוססים‬ ‫על מדע הכימיה‪ .‬יש קשר בין השינויים שחומרים‬ ‫כימיים עוברים בגוף האורגניזם ובין ההרכב הכימי שלו‪.‬‬ ‫‪ 1.23‬עליכם לדעת את מחירו של ליטר דלק‪ ,‬את צריכת‬ ‫הדלק הממוצעת בקילומטר לליטר ואת המרחק בין‬ ‫תל אביב לירושלים‪.‬‬ ‫‪ 1.25‬על פי המודל‪ ,‬בכל מולקולת מתאן יש אטום פחמן‬ ‫אחד וארבעה אטומי מימן‪ .‬המודל מתאר גם את‬ ‫היחסים המרחביים בין האטומים ואת מקום הקשרים‬ ‫הכימיים ומספרם בכל מולקולה‪.‬‬ ‫‪ 1.27‬השערה היא ביסודו של דבר "ניחוש מושכל"‪ .‬תיאוריה‬ ‫היא השערה שנתמכת בניסויים נרחבים; בכוחה‬ ‫להסביר ולחזות עובדות חדשות‪.‬‬ ‫‪ 1.29‬יש דוגמאות רבות; אחת מהן היא הזמן הדרוש להגיע‬ ‫לעבודה‪ :‬השערה – נסיעה ב"דרכים צדדיות" מהירה‬ ‫יותר מנסיעה בכביש המהיר הפקוק‪ .‬הניסוי יכלול‬ ‫נסיעה בכל מסלול כמה פעמים באותן השעות‪ ,‬תזמון‬ ‫כל נסיעה וחישוב זמן נסיעה ממוצע בכל מסלול‪.‬‬ ‫‪ 1.31‬השיטה המדעית היא שיטה מאורגנת לבצע מחקר‬ ‫מדעי‪.‬‬ ‫‪ 1.33‬תיאוריה‪.‬‬

‫‪ 1.35‬הקפיאו את תכולתן של שתי כוסות כימיות‪ ,‬האחת‬ ‫מכילה מים מזוקקים והאחרת מכילה מלח מומס במים‪.‬‬ ‫חממו כל כלי קיבול באטיות ומדדו את הטמפרטורה‬ ‫של המים בזמן שהם עוברים ממצב מוצק לנוזלי‪ .‬בשתי‬ ‫הכוסות טמפרטורה זו היא נקודת ההתכה‪ ,‬שהיא גם‬ ‫נקודת הקיפאון‪.‬‬ ‫‪ 1.37‬שלושת מצבי הצבירה העיקריים של החומר הם המצב‬ ‫הגזי‪ ,‬המצב הנוזלי והמצב המוצק‪.‬‬ ‫‪ 1.39‬תכונה פיזיקלית היא מאפיין של חומר שאפשר לצפות‬ ‫בו מבלי לשנות את ההרכב הכימי של החומר‪.‬‬ ‫‪ 1.41‬רעילות ודליקות הן דוגמאות לתכונות כימיות של‬ ‫חומר‪.‬‬ ‫‪ 1.43‬חומר טהור מכיל הרכב קבוע של חומר יחיד‪ ,‬בעוד‬ ‫תערובת היא שילוב של שני חומרים טהורים או יותר‪,‬‬ ‫שבו כל חומר שומר על זהותו‪.‬‬ ‫שאינה‬ ‫חומר‬ ‫של‬ ‫תכונה‬ ‫אינטנסיבית היא‬ ‫תכונה‬ ‫‪ 1.45‬‬ ‫מספר‬ ‫הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫תלויה בכמות החומר‪ .‬נקודת הרתיחה של חומר היא‬ ‫דוגמה לתכונה אינטנסיבית‪.‬‬ ‫‪1-49‬של שני חומרים טהורים או יותר‪,‬‬ ‫איור היא שילוב‬ ‫‪ 1.47‬תערובת‬ ‫שבו כל חומר שומר על זהותו‪ .‬לתערובת הומוגנית‬ ‫יש הרכב אחיד‪ ,‬בעוד לתערובת הטרוגנית הרכב בלתי‬ ‫אחיד‪.‬‬ ‫‪ 1.49‬‬

‫‪1 .51‬‬ ‫‪ 1.53‬‬ ‫‪ 1.55‬‬ ‫‪ 1.57‬‬ ‫‪ 1.59‬‬

‫א‪ .‬תגובה כימית ב‪ .‬שינוי פיזיקלי ג‪ .‬שינוי פיזיקלי‬ ‫א‪ .‬תכונה פיזיקלית ב‪ .‬תכונה כימית‬ ‫א‪ .‬חומר טהור ב‪ .‬חומר טהור ג‪ .‬תערובת‬ ‫א‪ .‬הומוגנית ב‪ .‬הומוגנית ג‪ .‬הומוגנית‬ ‫מצב החומר המיוצג באיור הוא המצב הגזי‪ .‬האיור‬ ‫מייצג תערובת הומוגנית‪.‬‬ ‫א‪ .‬שטח הפנים והמסה ב‪ .‬צבע וצורה‬ ‫מסה מתארת את כמות החומר‪.‬‬ ‫אורך הוא המרחק בין שתי נקודות‪.‬‬

‫‪1 .61‬‬ ‫‪ 1.63‬‬ ‫‪ 1.65‬‬ ‫‪mm < m < km 1.67‬‬

‫העבודה‪:‬‬

‫‪  354‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪1 .69‬‬ ‫‪ 1.71‬‬ ‫ ‬ ‫‪1 .73‬‬ ‫‪ 1.75‬‬ ‫‪ 1.77‬‬ ‫‪ 1.79‬‬ ‫‪ 1.81‬‬ ‫‪ 1.83‬‬ ‫‪ 1.85‬‬

‫‪23.95‬‬

‫א‪ .‬דיוק הוא מידת ההלימה בין הערך האמיתי והערך‬ ‫הנמדד‪.‬‬ ‫ב‪ .‬מהימנות היא מידת הקרבה בין המדידות החוזרות‬ ‫של אותו גודל‪.‬‬ ‫א‪ 3 .‬ב‪ 3 .‬ג‪ 3 .‬ד‪ 4 .‬ה‪ 4 .‬ו‪3 .‬‬ ‫ג‪2.62 × 10−3 .‬‬ ‫ב‪5.20 × 10−2 .‬‬ ‫א‪3.87 × 10−3 .‬‬ ‫ד‪ 24.3 .‬ה‪ 2.40 × 102 .‬ו‪2.41 .‬‬ ‫א‪ 1.5 × 104 .‬ב‪ 2.41 × 10−1 .‬ג‪ 5.99 .‬ד‪1,139.42 .‬‬ ‫ה‪7.21 × 103 .‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪−2‬‬ ‫ג‪–1.527 × 10 .‬‬ ‫ב‪5.69 × 10 .‬‬ ‫א‪1.23 × 101 .‬‬ ‫ו‪5.280 × 10−3 .‬‬ ‫ה‪9.2 × 107 .‬‬ ‫ד‪7.89 × 10−7 .‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ז‪ 1.279 × 100 .‬ח‪–5.3177 × 10 .‬‬ ‫רמת הדיוק ורמת המהימנות של המדידות הללו‬ ‫גבוהות‪.‬‬ ‫מדידה‪ ‬היא מציאת גודלו של מאפיין ניתן לצפייה ויש‬ ‫צורך ללוות גודל זה ביחידות המידה‪ ‬המתאימות‪.‬‬ ‫א‪ k, 103 .‬ב‪ c, 10−2 .‬ג‪µ, 10−6 .‬‬

‫‪1 cm‬‬ ‫‪nm‬‬ ‫‪1.87‬‬ ‫‪ −7‬ו־‬ ‫ ‬ ‫‪10 nm‬‬ ‫‪1 cm‬‬ ‫ב‪5.0 × 10−3 m3 .‬‬ ‫‪ 1.89‬א‪5.0 dc3 .‬‬ ‫ד‪5.0 × 106 µL .‬‬ ‫‪15.0 mg 1.91‬‬ ‫‪9.5 × 106 mm2 1.93‬‬ ‫‪5.6 × 10−3 m3 1.95‬‬ ‫‪101ºF 1.97‬‬ ‫‪ 5 mm 1.99‬קצרים יותר מ־‪.5 cm‬‬ ‫‪ 5.0 µg 1 .101‬קטנים יותר מ־‪.5.0 mg‬‬

‫‪ 1.103‬‬

‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫‪1 .105‬‬ ‫‪ 1.107‬‬

‫‪ 1.109‬‬ ‫‪1 .111‬‬ ‫‪ 1.113‬‬

‫‪10− 7‬‬

‫ג‪5.0 × 103 mL .‬‬

‫א‪ .‬ראשית‪ ,‬את מדידות המרחק שנקובות בדצימטרים‬ ‫יש להמיר למטרים באמצעות הקשר בין היחידות‬ ‫המופיע בספר‪ .‬גם את מדידות המרחק שנקובות‬ ‫במטרים יש להמיר לקילומטרים‪ .‬לבסוף‪ ,‬לאחר‬ ‫שכל האורכים נקובים באותן יחידות (‪ ,)km‬אפשר‬ ‫לסכם אותם ולקבוע את היקף הנכס‪.‬‬ ‫ב‪0.465 km .‬‬ ‫צלסיוס‪ ,‬פרנהייט‪ ,‬קלווין‪.‬‬ ‫א‪ .‬שקר‪ .‬אי־אפשר ליצור או להעלים אנרגיה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬אמת‪.‬‬ ‫ג‪ .‬שקר‪ .‬היעילות של המרת אנרגיה מצורה אחת‬ ‫לאחרת תהיה תמיד נמוכה מ־‪.100%‬‬ ‫ד‪ .‬אמת‪.‬‬ ‫צפיפות סגולית היא היחס בין צפיפות הגוף הנמדד‬ ‫לבין צפיפותם של מים טהורים ב־‪.4ºC‬‬ ‫א‪ –12.2ºC .‬ב‪260.8 K .‬‬ ‫א‪ 27.0 K .‬ב‪80.6ºF .‬‬

‫‪1 .115‬‬ ‫‪ 1.117‬‬ ‫‪ 1.119‬‬ ‫‪ 1.121‬‬ ‫‪ 1.123‬‬ ‫‪ 1.125‬‬ ‫‪ 1.127‬בהנחה שמסת כל המוטות זהה‪ ,‬למוט בעל הנפח‬ ‫הקטן ביותר הצפיפות הגבוהה ביותר ולמוט בעל‬ ‫הנפח הגדול ביותר הצפיפות הנמוכה ביותר‪.‬‬ ‫‪39.6 mL 1.129‬‬ ‫‪4.78 × 1018 kcal‬‬ ‫‪0.78 g/mL‬‬ ‫‪533.33 L‬‬ ‫‪212.4 g‬‬ ‫‪1.008 g/mL‬‬ ‫‪20.0 mL‬‬

‫פרק ‪2‬‬ ‫‪ 2.1‬א‪ .‬מספרו האטומי של ברום הוא ‪ ,35‬ומכאן שבאטום‬ ‫ברום יש ‪ 35‬פרוטונים‪ .‬באטום ברום ניטרלי מספר‬ ‫הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים‪ ,‬ולכן אם יש‬ ‫‪ 35‬פרוטונים יש ‪ 35‬אלקטרונים‪ .‬מספר המסה הוא‬ ‫סכום של מספר הפרוטונים ושל מספר הנויטרונים‪,‬‬ ‫ומכאן שמספר הנויטרונים מתקבל מחיסור מספר‬ ‫הפרוטונים ממספר המסה‪ ,79 – 35 :‬כלומר ‪44‬‬ ‫נויטרונים‪.‬‬ ‫ב‪ .‬כפי שראינו בסעיף הקודם‪ ,‬באטום ברום ניטרלי‬ ‫ ‬ ‫יש ‪ 35‬פרוטונים ו־‪ 35‬אלקטרונים‪ .‬אם מספר‬ ‫המסה הוא ‪ ,81‬מספר הנויטרונים מתקבל מפעולת‬ ‫החיסור ‪ ,81 – 35‬כלומר ‪ 46‬נויטרונים‪.‬‬ ‫ג‪ .‬מספרו האטומי של ברזל הוא ‪ 26‬ומכאן שבאטום‬ ‫ ‬ ‫ברזל ניטרלי יש ‪ 26‬פרוטונים ו־‪ 26‬אלקטרונים‪.‬‬ ‫מספר הנויטרונים מתקבל מחיסור מספר‬ ‫הפרוטונים ממספר המסה – במקרה זה ‪,56 – 26‬‬ ‫כלומר ‪ 30‬נויטרונים‪.‬‬ ‫‪ 2.3‬צפיפות אלקטרונים היא ההסתברות למציאת‬ ‫אלקטרון באזור מסוים של אורביטל אטומי‪.‬‬ ‫ג‪ ,Mn .‬מתכת‬ ‫ב‪ ,Ra .‬מתכת‬ ‫‪ 2.5‬א‪ ,Na .‬מתכת‬ ‫ד‪ ,Mg .‬מתכת‬ ‫‪ 2.7‬א‪( Zr .‬זירקוניום)‬ ‫ב‪22.99 amu .‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪( Cr .‬כרום)‬ ‫ ‬ ‫ד‪ .‬היסוד המוכר שאמור להיות דומה ביותר ליסוד‬ ‫ ‬ ‫בעל המספר האטומי ‪ ,117‬שטרם נתגלה‪ ,‬הוא יסוד‬ ‫מאותו טור בשורה סמוכה‪( At :‬אסטטין)‪.‬‬ ‫א‪ .‬הליום‪ ,‬מספר אטומי = ‪ ,2‬מסה = ‪4.009 amu‬‬ ‫‪ 2.9‬‬ ‫ב‪ .‬פלואור‪ ,‬מספר אטומי = ‪ ,9‬מסה = ‪19.00 amu‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬מנגן‪ ,‬מספר אטומי = ‪ ,25‬מסה = ‪54.94 amu‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.11‬א‪ 8 .‬פרוטונים‪ 10 ,‬אלקטרונים‪ .‬המטען השלילי מעיד‬ ‫כי מספר האלקטרונים גדול ממספר הפרוטונים‬ ‫(במקרה זה‪ ,‬גדול ב־‪.)2‬‬

‫  ת ש ו ב ו ת ל ש א ל ו ת‬

‫ב‪ 12 .‬פרוטונים‪ 10 ,‬אלקטרונים‪ .‬המטען החיובי מעיד‬ ‫ ‬ ‫כי מספר הפרוטונים גדול ממספר האלקטרונים‬ ‫(במקרה זה‪ ,‬גדול ב־‪.)2‬‬ ‫ג‪ 26 .‬פרוטונים‪ 23 ,‬אלקטרונים‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2 .13‬א‪ .‬לסידן ‪ 20‬פרוטונים ו־‪ 20‬אלקטרונים‪ .‬היון היציב‬ ‫ביותר של סידן יהיה ‪ Ca2+‬כיוון שליון זה ‪18‬‬ ‫אלקטרונים‪ ,‬כלומר סידור אלקטרונים שבו כל‬ ‫הרמות מלאות (לאחר יציאה של שני האלקטרונים‬ ‫מרמה ‪ .)4s‬זהו סידור אלקטרונים זהה לזה של הגז‬ ‫האציל ארגון‪ ,Ar ,‬ולכן היון ‪ Ca2+‬הוא איזואלקטרוני‬ ‫לאטום ‪.)1s2 2s2 2p6 3s2 3p6( Ar‬‬ ‫ב‪ .‬לסטרונציום ‪ 38‬פרוטונים ו־‪ 38‬אלקטרונים‪ .‬היון‬ ‫ ‬ ‫‪2+‬‬ ‫היציב ביותר של סטרונציום יהיה ‪ Sr‬כיוון שליון‬ ‫זה ‪ 36‬אלקטרונים‪ ,‬כלומר סידור אלקטרונים שבו כל‬ ‫הרמות מלאות (לאחר יציאה של שני האלקטרונים‬ ‫מרמה ‪ .)5s‬סידור האלקטרונים שמתקבל זהה לזה‬ ‫של הגז האציל קריפטון‪ ,Kr ,‬ולכן היון ‪ Sr2+‬הוא‬ ‫איזואלקטרוני לאטום ‪1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2( Kr‬‬ ‫‪.)3d10 4p6 5s2‬‬ ‫ג‪ .‬לגפרית ‪ 16‬פרוטונים ו־‪ 16‬אלקטרונים‪ .‬היון‬ ‫ ‬ ‫‪2−‬‬ ‫היציב ביותר של גפרית יהיה ‪ S‬כיוון שליון זה‬ ‫‪ 18‬אלקטרונים‪ ,‬כלומר סידור אלקטרונים שבו כל‬ ‫הרמות מלאות (נוספו ‪ 2‬אלקטרונים ברמה ‪.)3p‬‬ ‫סידור האלקטרונים שמתקבל זהה לזה של הגז‬ ‫האציל ארגון‪ ,Ar ,‬ולכן היון ‪ S2−‬הוא איזואלקטרוני‬ ‫לאטום ‪.)1s2 2s2 2p6 3s2 3p6( Ar‬‬ ‫ד‪ .‬למגנזיום ‪ 12‬פרוטונים ו־‪ 12‬אלקטרונים‪ .‬היון היציב‬ ‫ ‬ ‫ביותר של מגנזיום יהיה ‪ Mg2+‬כיוון שליון זה ‪10‬‬ ‫אלקטרונים‪ ,‬כלומר סידור אלקטרונים שבו כל‬ ‫הרמות מלאות (‪ 2‬האלקטרונים מרמה ‪ 3s‬יצאו)‪.‬‬ ‫סידור האלקטרונים שמתקבל זהה לזה של הגז‬ ‫האציל נאון‪ ,Ne ,‬ולכן היון ‪ Mg2+‬איזואלקטרוני‬ ‫לאטום ‪.)1s2 2s2 2p6( Ne‬‬ ‫ה‪ .‬לזרחן ‪ 15‬פרוטונים ו־‪ 15‬אלקטרונים‪ .‬היון היציב‬ ‫ ‬ ‫‪3−‬‬ ‫ביותר של זרחן יהיה ‪ P‬כיוון שליון זה ‪18‬‬ ‫אלקטרונים‪ ,‬כלומר סידור אלקטרונים שבו כל‬ ‫הרמות מלאות (נוספו ‪ 3‬אלקטרונים ברמה ‪.)3p‬‬ ‫סידור האלקטרונים שמתקבל זהה לזה של הגז‬ ‫האציל ארגון‪ ,Ar ,‬ולכן היון ‪ P3−‬הוא איזואלקטרוני‬ ‫לאטום ‪.)1s2 2s2 2p6 3s2 3p6( Ar‬‬ ‫‪ 2.15‬א‪ .‬לפי גודל אטומי‪ Be( Be ,N ,F :‬הוא הגדול ביותר)‪.‬‬ ‫שלושת היסודות נמצאים באותה שורה (מחזור)‬ ‫בטבלה המחזורית‪ .‬במעבר משמאל לימין לאורך‬ ‫השורה גדל מספר הפרוטונים ועמו גדלה עוצמת‬ ‫המטען החיובי בגרעין‪ ,‬וכך גדלה גם המשיכה‬

‫ ‬

‫ ‬

‫‪ 2.17‬‬ ‫‪2 .19‬‬ ‫‪ 2.21‬‬ ‫‪ 2.23‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.25‬‬

‫‪ 2.27‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.29‬‬

‫‪2 .31‬‬ ‫‪ 2.33‬‬

‫א י ־ ז ו ג י ו ת   ‪355‬‬

‫שהוא מפעיל על אלקטרוני הערכיות‪ .‬התוצאה היא‬ ‫ירידה בגודל הרדיוס האטומי‪.‬‬ ‫ב‪ .‬לפי אנרגיית יינון‪( F ,N ,Be :‬הגבוהה ביותר)‪.‬‬ ‫שלושת היסודות נמצאים באותה שורה בטבלה‬ ‫המחזורית‪ .‬במעבר משמאל לימין לאורך השורה‬ ‫גדל מספר הפרוטונים ועמו גדלה עוצמת המטען‬ ‫החיובי בגרעין; כאשר המטען החיובי גדל אלקטרוני‬ ‫הערכיות "מוחזקים" בעוצמה רבה יותר וקשה יותר‬ ‫לעקרם‪ ,‬ולפיכך אנרגיית היינון לרוב גדלה‪.‬‬ ‫ג‪ .‬לפי זיקה אלקטרונית‪( F ,N ,Be :‬הגדולה ביותר)‪.‬‬ ‫שלושת היסודות נמצאים באותה שורה בטבלה‬ ‫המחזורית‪ ,‬והזיקה האלקטרונית לרוב גדלה במעבר‬ ‫משמאל לימין לאורך השורה‪.‬‬ ‫המספר האטומי (‪ )Z‬של אטום שווה למספר הפרוטונים‬ ‫באטום‪.‬‬ ‫שלוש הגדרות האיזוטופים נכונות‪.‬‬ ‫איזוטופים שונים של אותו יסוד נבדלים זה מזה‬ ‫במספר הנויטרונים שלהם‪ ,‬ומכאן שגם מספר המסה‬ ‫שלהם שונה‪.‬‬ ‫א‪ .‬איזוטופים של יסוד נבדלים במסתם משום‬ ‫שלאטומים יש מספר שונה של נויטרונים‪.‬‬ ‫ב‪ .‬המספר האטומי מציין את מספר הפרוטונים‬ ‫בגרעין‪.‬‬ ‫ג‪ .‬מספר המסה של אטום נובע ממספר הפרוטונים‬ ‫והנויטרונים בגרעין‪.‬‬ ‫ד‪ .‬אלקטרונים מקיפים את הגרעין ויש להם מטען‬ ‫שלילי‪.‬‬ ‫מספר המסה שווה לסכום מספר הפרוטונים ומספר‬ ‫הנויטרונים באטום‪ .‬המסה האטומית היא הממוצע‬ ‫המשוקלל של מסות כל האיזוטופים של יסוד‪ ,‬תוך‬ ‫התייחסות לשכיחות של כל איזוטופ‪ .‬המסה האטומית‬ ‫מבוטאת ביחידות ‪.amu‬‬ ‫‪ 56 : 136‬פרוטונים‪ 80 = )136 – 56( ,‬נויטרונים‪,‬‬ ‫א‪56 Ba .‬‬ ‫‪ 56‬אלקטרונים‪.‬‬ ‫‪ 84 : 209‬פרוטונים‪ 125 = )209 – 84( ,‬נויטרונים‪,‬‬ ‫ב‪84 Po .‬‬ ‫‪ 84‬אלקטרונים‪.‬‬ ‫סימול האטום מורכב מסמל היסוד‪ ,‬המספר האטומי‬ ‫ומספר המסה‪ .‬מספר הפרוטונים קובע את המספר‬ ‫האטומי‪ .‬במקרה שלפנינו‪ ,‬היסוד בעל מספר אטומי‬ ‫‪ 9‬הוא פלואור‪ .‬מספר המסה הוא סכום של מספר‬ ‫הנויטרונים ומספר הפרוטונים‪ ,‬במקרה זה ‪ .19‬מכאן‬ ‫שהסימול הוא ‪. 199 F‬‬ ‫בכל האיזוטופים של ‪ Rn‬יש ‪ 86‬פרוטונים‪.‬‬ ‫א‪ .‬המספר האטומי של סלניום הוא ‪ 34‬ומכאן שיש לו‬ ‫‪ 34‬פרוטונים‪.‬‬

‫‪  356‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫ב‪ .‬לאיזוטופ של סלניום בעל מספר מסה ‪ 80‬יש‬ ‫ ‬ ‫(‪ 46 = )80 – 34‬נויטרונים‪.‬‬ ‫‪ 2.35‬א‪ 11 H .‬מספר אטומי = מספר פרוטונים = ‪,1‬‬ ‫ מספר מסה = ‪.1 + 0‬‬ ‫ב‪ 146 C .‬מספר אטומי = מספר פרוטונים = ‪,6‬‬ ‫ ‬ ‫ מספר מסה = ‪.6 + 8‬‬ ‫‪ 2.37‬שלב ‪ .1‬נמיר כל ערך אחוזי לשבר עשרוני‬

‫‪ 2.47‬‬ ‫‪ 2.49‬‬

‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪0.6909‬‬ ‫‪100%‬‬ ‫‪1‬‬ ‫× ‪30.91% Cu-65‬‬ ‫=‬ ‫‪0.3091‬‬ ‫‪100%‬‬

‫‪ 2.51‬‬

‫× ‪69.09% Cu-63‬‬

‫ ‬

‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.39‬‬ ‫ ‬

‫‪2 .53‬‬ ‫‪ 2.55‬‬ ‫‪ 2.57‬‬

‫שלב ‪ .2‬נקבע את התרומה של כל איזוטופ למסה‬ ‫האטומית הכוללת באמצעות הכפלת השבר העשרוני‬ ‫במסת האיזוטופ‪.‬‬ ‫בעבור ‪0.6909 × 62.93 amu = 43.4783 amu :Cu-63‬‬ ‫בעבור ‪0.3091 × 64.9278 amu = 20.0692 amu :Cu-65‬‬ ‫שלב ‪ .3‬נחבר את תרומת המסות של כל איזוטופ‪.‬‬

‫= ‪Atomic mass‬‬ ‫‪43.4783 amu + 20.0692 amu = 63.55 amu‬‬ ‫@ החומר מורכב מחלקיקים זעירים בשם אטומים‪.‬‬ ‫@ אטומים אינם נוצרים‪ ,‬מתחלקים‪ ,‬נשמדים או‬

‫מומרים לאף סוג אחר של אטום‪.‬‬ ‫@ כל האטומים של יסוד מסוים זהים בתכונותיהם‪.‬‬ ‫ ‬ ‫@ אטומים של יסודות שונים נבדלים בתכונותיהם‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫@ אטומים מתרכבים ביחסים פשוטים של מספרים‬ ‫ ‬ ‫שלמים‪.‬‬ ‫@ שינוי כימי מצריך הוספה‪ ,‬הפרדה או סידור מחדש‬ ‫ ‬ ‫של אטומים‪.‬‬ ‫‪ 2 .41‬א‪ .‬צ'דוויק הוכיח את קיומו של הנויטרון‪.‬‬ ‫ב‪ .‬גולדסטין זיהה את המטען החיובי באטום‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.43‬א‪ .‬דלטון פיתח את חוק הכפלת הפרופורציות‪ ,‬קבע‬ ‫את המשקלים האטומיים היחסיים של היסודות‬ ‫שהיו מוכרים בתקופתו ופיתח את התיאוריה‬ ‫האטומית המדעית הראשונה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬קרוקס פיתח את השפופרת הקתודית וגילה את‬ ‫ ‬ ‫ה"קרניים הקתודיות"‪ ,‬וכן אפיין את תכונות‬ ‫האלקטרונים‪.‬‬ ‫‪ 2.45‬הבנתנו את מבנה האטום מבוססת על ניסוי רדיד‬ ‫הזהב של גייגר‪ ,‬שפורש על ידי רתרפורד‪ .‬בניסוי זה‬ ‫הפציץ גייגר רדיד של זהב בחלקיקי אלפא‪ ,‬ושם לב‬ ‫שחלק מהחלקיקים עברו הישר דרך הרדיד‪ ,‬אחרים‬ ‫הוסטו ממסלולם וחלקם פשוט הוחזרו לאחור‪ .‬הדבר‬ ‫הוביל את רתרפורד להציע שהאטום מורכב מגרעין‬ ‫קטן ודחוס (כי חלקיקי האלפא הוחזרו ממנו)‪ ,‬המוקף‬ ‫בענן של אלקטרונים (כי חלק מהחלקיקים הוסטו‬

‫‪ 2.59‬‬ ‫‪ 2.61‬‬ ‫‪ 2.63‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.65‬‬ ‫‪2 .67‬‬ ‫‪ 2.69‬‬ ‫‪ 2.71‬‬

‫ממסלולם)‪ .‬גודל הגרעין קטן בהשוואה לנפח האטום‬ ‫(כי חלקיקי אלפא חדרו דרך הרדיד)‪.‬‬ ‫אלקטרונים מקיפים את הגרעין במעין ענן‪.‬‬ ‫לאלקטרונים מטען שלילי‪ ,‬ומסתם קטנה מאוד‬ ‫בהשוואה לפרוטונים ולנויטרונים‪.‬‬ ‫מדענים סברו כי הפרוטונים והאלקטרונים מפוזרים‬ ‫באופן אחיד ברחבי האטום‪.‬‬ ‫קרינה אלקטרומגנטית‪ ,‬כלומר אור‪ ,‬נעה בגלים‬ ‫היוצאים ממקור כלשהו‪ .‬לכל אורך גל של אור יש‬ ‫אנרגיה אופיינית‪.‬‬ ‫שקר‪.‬‬ ‫לאור תת־אדום אנרגיה גבוהה מזו של גלי מיקרו‪.‬‬ ‫כאשר מחברים דגימה של גז מימן למקור של אנרגיה‬ ‫חשמלית‪ ,‬האלקטרונים במסלולים הנמוכים יותר‬ ‫מעוררים ועוברים למסלולים גבוהים יותר‪ .‬כשהם‬ ‫חוזרים למסלולים הנמוכים הם משחררים אנרגיה‬ ‫בכמות השווה לזו שקלטו כשקפצו למסלולים הגבוהים‪.‬‬ ‫אנרגיה זו יכולה להשתחרר בדמות אור בעל אורך גל‬ ‫פרופורציוני לפערי האנרגיה בין הרמות‪ ,‬אשר יוצר קו‬ ‫ספקטרלי האופייני למימן‪.‬‬ ‫ספקטרוסקופיה היא מדידת העוצמה והאנרגיה של‬ ‫קרינה אלקטרומגנטית‪.‬‬ ‫על פי בוהר‪ ,‬פלנק ואחרים‪ ,‬אלקטרונים מצויים אך‬ ‫ורק באזורים מותרים מסוימים מחוץ לגרעין‪ ,‬המכונים‬ ‫רמות קוונטיות‪.‬‬ ‫@ אלקטרונים מצויים במסלולים במרחקים מסוימים‬ ‫מהגרעין (ללא ערכי ביניים)‪.‬‬ ‫@ המסלולים קוונטיים – רמות האנרגיה שלהם‬ ‫מסוימות (ללא ערכי ביניים)‪.‬‬ ‫@ האלקטרונים מצויים אך ורק במסלולים הללו‪,‬‬ ‫ולעולם לא מחוץ להם (הם מסוגלים לקפוץ מיידית‬ ‫ממסלול למסלול)‪.‬‬ ‫@ אלקטרונים מבצעים מעברים – אם אלקטרון קולט‬ ‫אנרגיה‪ ,‬הוא יזנק למסלול גבוה יותר; כשהאלקטרון‬ ‫חוזר למסלול נמוך יותר‪ ,‬הוא משחרר אנרגיה‪.‬‬ ‫המודל האטומי של בוהר היה הראשון שהסביר בהצלחה‬ ‫את התכונות האלקטרוניות של אטומים‪ ,‬במיוחד את‬ ‫האינטראקציה בין אטומים ואור (ספקטרוסקופיה)‪.‬‬ ‫א‪ .‬נתרן ב‪ .‬אשלגן ג‪ .‬מגנזיום ד‪ .‬בור‬ ‫קבוצת היסודות הידועה בשם מתכות אלקליות היא‬ ‫קבוצה ‪( IA‬או ‪ ,)1‬והיא כוללת את היסודות ליתיום‪,‬‬ ‫נתרן‪ ,‬אשלגן‪ ,‬רובידיום‪ ,‬צזיום ופרנציום‪.‬‬ ‫קבוצת היסודות הידועה בשם הלוגנים היא קבוצה‬ ‫‪( VIIA‬או ‪ ,)17‬והיא כוללת את היסודות פלואור‪,‬‬ ‫כלור‪ ,‬ברום‪ ,‬יוד ואסטטין‪.‬‬

‫בורלא‬

‫מספר העבודה‪20116 :‬‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫איור ‪2-75‬‬

‫  ת ש ו ב ו ת ל ש א ל ו ת‬

‫א י ־ ז ו ג י ו ת   ‪357‬‬

‫‪Rb‬‬

‫‪Cs‬‬

‫‪60‬‬

‫‪40‬‬

‫‪50‬‬

‫‪30‬‬

‫מספר אטומי‬

‫‪10‬‬

‫‪20‬‬

‫‪0‬‬

‫‪40‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪0‬‬

‫נקודת התכה )‪(°C‬‬

‫‪ 2.89‬א‪ .‬בלתי אפשרית; ברמה ‪ n = 1‬יש אך ורק אורביטלים‬ ‫‪ 2 .73‬א‪ Al ,Ni ,Na .‬ב‪ Al ,Na .‬ג‪Ar .‬‬ ‫‪.‬‬ ‫‪s‬‬ ‫מסוג‬ ‫מספר‬ ‫‪ 2.75‬ביצוע‪ :‬רונית בורלא שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫ב‪ .‬אפשרית; היערכות האלקטרונים מייצגת את אטום‬ ‫ ‬ ‫‪200‬‬ ‫הפחמן‪.‬‬ ‫‪Li‬‬ ‫‪180‬‬ ‫‪ 2-91‬א'‬ ‫אפשרית; לא ייתכנו שני אורביטלים זהים‬ ‫ג‪ .‬בלתי‬ ‫ ‬ ‫‪160‬‬ ‫(‪.)2s2‬‬ ‫‪140‬‬ ‫‪120‬‬ ‫אלקטרונים‬ ‫שלושה‬ ‫ייתכנו‬ ‫לא‬ ‫אפשרית;‬ ‫בלתי‬ ‫‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ד‬ ‫ ‬ ‫מספר‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫בורלא‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית‬ ‫‪Na‬‬ ‫שם ‪100‬‬ ‫באורביטל ‪.)2s3( s‬‬ ‫‪80‬‬ ‫‪K‬‬ ‫‪ 2.91‬דיאגרמה ‪ A‬אינה נכונה‪.‬‬ ‫‪60‬‬

‫‪ 2-91‬ב'‬ ‫‪2p‬‬

‫ ‬ ‫ ‬

‫‪2s‬‬

‫‪1s‬‬

‫דיאגרמה ‪ B‬נכונה‪.‬‬ ‫דיאגרמה ‪ C‬אינה נכונה‪.‬‬

‫על פי החוק המחזורי‪ ,‬התכונות הפיזיקליות והכימיות‬ ‫ ‬ ‫של היסודות הן פונקציות מחזוריות של המספרים‬ ‫‪1s‬‬ ‫‪2s‬‬ ‫‪2p‬‬ ‫האטומיים שלהם‪ .‬ככל שהמספר האטומי גדל נקודת‬ ‫ההתכה יורדת‪.‬‬ ‫‪ 2.93‬א‪ [Kr]5s24d 2 .‬ב‪ [Ar]4s23d 104p5 .‬ג‪[Ar]4s1 .‬‬ ‫‪ 2.77‬רמת אנרגיה ראשית דומה במהותה למסלולים של‬ ‫‪ 2.95‬מספר האלקטרונים הכולל באטום מבטא את כל‬ ‫בוהר ומסומנת במספרים‪ n = 1, 2, 3 :‬וכן הלאה‪ .‬תת־‬ ‫האלקטרונים שבאטום‪ .‬באטום ניטרלי‪ ,‬מספר‬ ‫האלקטרונים הכולל זהה למספר הפרוטונים‪ .‬אלקטרוני‬ ‫רמה היא חלק מרמת אנרגיה ראשית והיא מסומנת‬ ‫ערכיות הם האלקטרונים החיצוניים באטום‪ .‬בעבור‬ ‫באותיות‪.s, p, d, f :‬‬ ‫יסוד מייצג‪ ,‬המספר המרבי של אלקטרוני ערכיות הוא‬ ‫‪ 2.79‬ראו איור ‪ 2.11‬לשם שרטוט של האורביטל האטומי ‪.s‬‬ ‫שמונה‪.‬‬ ‫‪ 2.81‬א‪ 2 .‬אלקטרונים‬ ‫‪ 2.97‬כלל האוקטט קובע שאטומים מגיבים לרוב באופן‬ ‫ב‪ 8 .‬אלקטרונים‬ ‫ ‬ ‫שיניב להם היערכות אלקטרונים של גז אציל‪.‬‬ ‫ג‪ 18 .‬אלקטרונים‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.99‬מתכות נוטות לאבד אלקטרונים ולהפוך לקטיונים‬ ‫‪ 2.83‬על פי עקרון האיסור של פאולי‪ ,‬כל אורביטל יכול‬ ‫חיובי‪.‬‬ ‫מטען‬ ‫בעלי‬ ‫לבעיותאלקטרונים‬ ‫וכאשר יש שני‬ ‫להכיל עד שני אלקטרונים‪,‬‬ ‫העבודה‪20116:‬‬ ‫מספרהעבודה‪:‬‬ ‫מספר‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫העבודה‪:‬עולם‬ ‫שםהעבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫‪20116‬‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עולם‬ ‫‪2.101‬‬ ‫באורביטל הספינים שלהם הפוכים (הם מזווגים)‪.‬‬ ‫לפיכך‪ ,‬מכיוון שלתת־רמה ‪ d‬יש חמישה אורביטלים‪,‬‬ ‫מספר רמת‬ ‫אלקטרוני‬ ‫מספר‬ ‫אטום‬ ‫אלקטרונים כולל ערכיות האנרגיה הראשית‬ ‫‪2-87‬‬ ‫לכל היותר עשרה אלקטרונים‪.‬‬ ‫להכיל‬ ‫היא יכולה‬ ‫א'ב'‬ ‫‪2-87‬‬ ‫א‪H .‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪ 2.85‬א‪1s22s22p63s23p1 .‬‬ ‫‪20116‬‬ ‫מספר ‪Na‬העבודה‪:‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫העבודה‪ :‬עולם‬ ‫שם‬ ‫ב‪.‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪11‬‬ ‫ב‪1s22s22p63s1 .‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪B .‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪5‬‬ ‫ג‪1s22s22p63s23p64s23d1 .‬‬ ‫ ‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫ד‪F .‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪7‬‬ ‫‪9‬‬ ‫‪ 2.87‬א‪1s 2s 2p .‬‬ ‫‪ 2-87‬ג'‬ ‫‪2p‬‬

‫‪2s‬‬

‫ ‬

‫ב‪ .‬‬

‫ ‬

‫ג‪1s22s22p63s23p6 .‬‬

‫‪1s‬‬

‫‪1s22s22p63s23p4‬‬ ‫‪3p‬‬

‫‪3p‬‬

‫‪3s‬‬

‫‪3s‬‬

‫‪2p‬‬

‫‪2p‬‬

‫‪2s‬‬

‫‪2s‬‬

‫ה‪Ne .‬‬

‫‪10‬‬

‫‪8‬‬

‫‪2‬‬

‫ו‪He .‬‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬‬

‫‪1‬‬

‫‪1s‬‬

‫‪ 2.103‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 2.105‬‬ ‫‪ 2.107‬‬

‫‪1s‬‬

‫‪ 2.109‬‬

‫א‪ 17 .‬פרוטונים‪ 18 ,‬אלקטרונים‬ ‫ב‪ 20 .‬פרוטונים‪ 18 ,‬אלקטרונים‬ ‫ג‪ 26 .‬פרוטונים‪ 24 ,‬אלקטרונים‬ ‫א‪ 2 .‬ב‪ 1 .‬ג‪ 1 .‬ד‪2 .‬‬ ‫‪−‬‬ ‫‪2+‬‬ ‫ד‪Br .‬‬ ‫ג‪Ca .‬‬ ‫ב‪O2− .‬‬ ‫א‪Li+ .‬‬ ‫ו‪Al3+ .‬‬ ‫א‪ .‬איזואלקטרוני ב‪ .‬איזואלקטרוני‬

‫ה‪S2− .‬‬

‫העבודה‬

‫העבודה‬

‫‪  358‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪.. ..‬‬ ‫‪.. ..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪.. ..‬‬ ‫‪.. ..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪ 3.13‬קשר קוולנטי מצריך שיתוף אלקטרונים בין האטומים‬ ‫‪ 2.111‬א‪ 1s22s22p63s23p6 .‬ב‪1s22s22p6 .‬‬ ‫על מנת להשלים אוקטט של אלקטרונים בכל אטום‬ ‫‪ 2.113‬הגודל האטומי קטן במעבר משמאל לימין לאורך‬ ‫מספר העבודה‪:‬‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫המחזורית‪.‬בורלא שם‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית‬ ‫המשתתף בקשר‪ .‬קשר יוני מצריך העברה של אלקטרון‬ ‫מחזור‬ ‫מספר העבודה‪6 :‬‬ ‫העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫בטבלה רונית בורלא שם‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫אחד או יותר מאטום לאטום‪ .‬הקשר היוני הוא הכוח‬ ‫‪ 2.115‬אנרגיית היינון היא האנרגיה הדרושה כדי לסלק‬ ‫לבעיותשנוצרו‪ .‬מספר העבודה‪6 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫מבודד‪.‬בורלא שם העבודה‪:‬‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫האניון והקטיון‬ ‫א'שבין‬ ‫האלקטרוסטטי‬ ‫מאטום‬ ‫אלקטרון‬ ‫עולם ‪3-17‬‬ ‫מספר העבודה‪6 :‬‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫האלקטרושליליות גדלים כשאנו עוברים‬ ‫ערכי‬ ‫‪3‬‬ ‫ ‬ ‫‪.15‬‬ ‫שמתחולל‬ ‫באנרגיה‬ ‫השינוי‬ ‫היא‬ ‫אלקטרונית‬ ‫‪ 2.117‬זיקה‬ ‫‪ 3-17‬ב'‬ ‫ג' ומהתחתית לראש הטבלה‪ .‬היסודות‬ ‫לימין‬ ‫משמאל‬ ‫כאשר אלקטרון יחיד נוסף לאטום ניטרלי מבודד‪.‬‬ ‫‪3-17‬‬ ‫האלקטרושליליים ביותר ממוקמים בפינה הימנית‬ ‫‪ 2.119‬א‪ N ,O ,F .‬ב‪ Cs ,K ,Li .‬ג‪I ,Br ,Cl .‬‬ ‫ד'‬ ‫‪3-17‬‬ ‫העליונה של הטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫‪ 2.121‬א‪ F ,O ,N .‬ב‪ Li ,K ,Cs .‬ג‪Cl ,Br ,I .‬‬ ‫מספר העבודה‪16 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫בורלאיותר שם‬ ‫ביצוע‪:‬חיובירונית‬ ‫‪.‬‬ ‫שלו‪,‬‬ ‫האב‬ ‫מאטום‬ ‫תמיד קטן‬ ‫‪ 2.123‬א‪ .‬יון‬ ‫‪ 3.17‬א‪H .‬‬ ‫מספר העבודה‪16 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫בורלאבגרעיןשם‬ ‫מתחלק בין פחות‬ ‫רונית החיובי‬ ‫ביצוע‪ :‬שהמטען‬ ‫משום‬ ‫ב‪He .‬‬ ‫ ‬ ‫‪.‬‬ ‫כל‬ ‫בין‬ ‫המשיכה‬ ‫כך‪,‬‬ ‫משום‬ ‫ביון‪.‬‬ ‫אלקטרונים‬ ‫ג‪. C. . .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 3-17‬ג'‬ ‫‪.. .‬‬ ‫אלקטרון לגרעין חזקה יותר ונפח היון קטן‪.‬‬ ‫‪.N‬‬ ‫ד‪ .‬‬ ‫ ‬ ‫העבודה‪. :‬‬ ‫‪3-17‬‬ ‫מספר הע‬ ‫עולםד'הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫שם‬ ‫בורלא‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫שלו‬ ‫האב‬ ‫רונית מאטום‬ ‫גדול יותר‬ ‫ב‪ .‬יון שלילי תמיד‬ ‫ ‬ ‫‪ 3.19‬א‪ i+ .‬‬ ‫‪L‬‬ ‫משום שהמטען החיובי בגרעין מתחלק בין יותר‬ ‫ב‪2+ .‬‬ ‫ ‬ ‫מספר העבוד‬ ‫‪Mg‬הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫עולם ‪..‬‬ ‫שםמעט‬ ‫בורלא מתרחק‬ ‫רוניתאלקטרון‬ ‫ביון‪ .‬כל‬ ‫אלקטרונים‬ ‫ג‪ 3-23 ] Cl.. [– .‬ב'‬ ‫ ‬ ‫מהגרעין ונפח היון גדל‪.‬‬ ‫–‪.. 3‬‬ ‫מספר העבודה‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫הגרעין שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫‪] ..‬‬ ‫ד‪ .‬‬ ‫ ‬ ‫עולם [ ‪P‬‬ ‫שלו‬ ‫(החיובי)‬ ‫שמטען‬ ‫‪ Cl− 2.125‬גדול יותר משום‬ ‫קוטבי א'‬ ‫‪3-23‬‬ ‫‪ 3.21‬א‪ .‬קוולנטי‬ ‫קטן יותר‪.‬‬ ‫מספר העבו‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫קוטבי‬ ‫קוולנטי‬ ‫‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ב‬ ‫ ‬ ‫‪ 3-25‬א'‬ ‫ג‪ .‬קוולנטי לא־קוטבי‬ ‫ ‬ ‫פרק ‪3‬‬ ‫ד‪ .‬קוולנטי קוטבי‬ ‫ ‬ ‫ציאני‬ ‫אשלגן‬ ‫‪.‬‬ ‫ ‬ ‫א‬ ‫‪ 3.1‬‬ ‫– ‪ 3-25 ..‬ב'‪..‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪.‬‬ ‫‪.‬‬ ‫]‬ ‫[‬ ‫‪Li + Br‬‬ ‫‪Li + Br‬‬ ‫ב‪ .‬מגנזיום גפריתי‬ ‫ ‬ ‫‪ 3.23‬א‪.. .‬‬ ‫‪.. . ..‬‬ ‫– ‪..‬‬ ‫‪. Mg. + 2 Cl‬‬ ‫‪2+‬‬ ‫אצטי‬ ‫מגנזיום‬ ‫‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ג‬ ‫ ‬ ‫ב‪[ .‬‬ ‫‪Mg + 2 ] Cl‬‬ ‫מספר ‬ ‫‪..‬‬ ‫העבודה‪..:‬‬ ‫‪20116‬‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫ם‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪ 3.3‬א‪ .‬המרחק בין גרעינים הקשורים בקשר כפול קטן ‪ 3.25‬א‪ S. . + 2H. S H .‬ביצוע‪ :‬רונית בורלא שם הע‬ ‫ביצוע‪ :‬בקשר‬ ‫מהמרחק בין גרעינים הקשורים‬ ‫מס‬ ‫העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫יחיד‪.‬בורלא שם‬ ‫רונית‬ ‫מספר העבודה‪H :‬‬ ‫‪20116‬‬ ‫לבעיות‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫ם‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות הקשר גדל‪ .‬לפיכך‪ ,‬קשר‬ ‫גדל ככל שסדר‬ ‫הקשר‬ ‫עולם חוזק‬ ‫ב‪ .‬‬ ‫ ‬ ‫‪..‬‬ ‫א'‬ ‫‪3-5‬‬ ‫‪...P. + 3H .‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪P‬‬ ‫‪H‬‬ ‫ב‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪.‬‬ ‫כפול חזק יותר מקשר יחיד‪ .‬יש קשר הפוך בין חוזק‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא שם‬ ‫‪3-27‬‬ ‫‪H‬‬ ‫הקשר והמרחק הבין־גרעיני‪.‬‬ ‫‪ 3-5..‬ב' ‪..‬‬ ‫‪ 3.27‬ל־‪ He‬שני אלקטרוני ערכיות (היערכות אלקטרונים‬ ‫‪ 3.5‬‬ ‫‪H P H‬‬ ‫א‪P .‬‬ ‫‪ )1s2‬ורמה מלאה ‪ .n = 1‬היערכות האלקטרונים שלו‬ ‫‪H H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪ 20116‬לו נטייה לקלוט או לאבד אלקטרונים‪,‬‬ ‫מספר העבודה‪ :‬יציבה ואין‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עבודה‪ :‬עולם‬ ‫הע‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫שםהעב‬ ‫בורלא שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫ב‪ .‬‬ ‫ ‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫והוא מקיים את כלל האוקטט (‪ 2e−‬בעבור מחזור ‪.)1‬‬ ‫‪H Si H‬‬ ‫‪Si‬‬ ‫מכאן שהוא אינו פעיל‪He .‬‬ ‫‪20116‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫מספר‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עבודה‪ :‬עולם‬ ‫א'‬ ‫‪H H3-7‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪ 3.29‬א‪ .‬יון נתרן ב‪ .‬יון נחושת (‪ )I‬ג‪ .‬יון מגנזיום‬ ‫‪H‬‬ ‫‪ 3.31‬א‪ .‬יון גפריתי ב‪ .‬יון כלור ג‪ .‬יון פחמתי‬ ‫‪ 3.7‬א‪ .‬הקשר קוטבי‪.‬‬ ‫‪ 3.33‬א‪ K+ .‬ב‪Br− .‬‬ ‫‪S 3-7‬ג'‬ ‫‪O‬‬ ‫‪20116‬ב‪NO3− .‬‬ ‫העבודה‪:‬א‪SO42− .‬‬ ‫‪ 3.35‬‬ ‫מספר‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫עבודה‪ :‬עולם‬ ‫ב‪ .‬הקשר קוטבי‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 3.37‬א‪ .‬מגנזיום כלורי ב‪ .‬אלומיניום כלורי‬ ‫‪ 3.39‬א‪ .‬חנקן דו־חמצני ב‪ .‬סלניום תלת־חמצני‬ ‫‪C N‬‬ ‫ד'‬ ‫‪3-7‬‬ ‫‪ 3.41‬א‪ .‬גפרית דו־חמצנית ב‪ .‬גפרית תלת־חמצנית‬ ‫ג‪ .‬הקשר אינו קוטבי‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 3.43‬א‪ NaCl .‬ב‪MgBr2 .‬‬ ‫ד‪ .‬הקשר קוטבי‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 3.45‬א‪ AgCN .‬ב‪NH4Cl .‬‬ ‫‪I Cl‬‬ ‫‪ 3.47‬א‪ CuO .‬ב‪Fe2O3 .‬‬ ‫‪ 3.9‬א‪ .‬לא־קוטבי ב‪ .‬קוטבי ג‪ .‬קוטבי ד‪ .‬לא־קוטבי‬ ‫‪ 3.49‬א‪ Al2O3 .‬ב‪Li2S .‬‬ ‫‪ 3.11‬א‪ H2O .‬ב‪ CO .‬ג‪ NH3 .‬ד‪ICl .‬‬ ‫‪ 3.51‬א‪ SiO .‬ב‪SO .‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬‬

‫‪ 3-81‬ב'‬ ‫  ת ש ו ב ו ת ל ש א ל ו ת‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫ ‬

‫מספר העבודה‪:‬‬

‫ב‪.‬‬ ‫‪..‬‬ ‫ג' ‪H‬‬ ‫‪C 3-81‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪.. H‬‬

‫‪3 .53‬‬ ‫‪ 3.55‬‬ ‫‪ 3.57‬תרכובות יוניות במצב המוצק מופיעות במבנים סדורים‪,‬‬ ‫‪H‬‬ ‫מחזוריים ותלת־ממדיים‪ ,‬בסידור המכונה סריג גבישי‬ ‫טטראהדרית סביב ‪C‬‬ ‫תרכובות‬ ‫ושליליים‪.‬‬ ‫ומורכב מיונים חיוביים‬ ‫מספ‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫עולם‬ ‫קוולנטיות שם העבודה‪:‬‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫סביב ‪O‬‬ ‫זוויתית‬ ‫ערוכות‬ ‫שלעתים‬ ‫ממולקולות‬ ‫מורכבות‬ ‫במצב המוצק‬ ‫קוטבית‬ ‫מספר העבודה‪6 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫סדור (אמורפי)‪.‬‬ ‫בורלא בלתי‬ ‫ולעתים במבנה‬ ‫גבישי‬ ‫במבנה‬ ‫מסיסה‬ ‫מספר העבודה‪6 :‬‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫ג‪3-87 ..S C ..S .‬‬ ‫לרוב‬ ‫יותר‬ ‫גבוהה‬ ‫יוניים‬ ‫מוצקים‬ ‫של‬ ‫הרתיחה‬ ‫‪ 3.59‬נקודת‬ ‫ ‬ ‫מזו של מוצקים קוולנטיים‪.‬‬ ‫קווית‬ ‫‪3-83‬‬ ‫לא־קוטבית‬ ‫החדר;‬ ‫בטמפרטורת‬ ‫כמוצק‬ ‫‪ 3.61‬נצפה ש־‪ KCl‬יתקיים‬ ‫‪3-85‬‬ ‫קשת תמס‬ ‫מדובר בתרכובת יונית‪ ,‬ותרכובות יוניות מתאפיינות‬ ‫‪+‬‬ ‫[‪]N O‬‬ ‫‪3‬‬ ‫ ‬ ‫‪.83‬‬ ‫גבוהה‪.‬‬ ‫התכה‬ ‫בנקודת‬ ‫מספר העבודה‪6 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫‪..‬‬ ‫–‬ ‫‪] ..‬‬ ‫‪O H[ 3.85‬‬ ‫‪ 3.63‬למים תהיה נקודת רתיחה גבוהה יותר‪ .‬מים הם‬ ‫–‬ ‫–‬ ‫‪..‬‬ ‫מולקולה קוטבית המתאפיינת בכוחות משיכה בין־‬ ‫‪ 3.87‬‬ ‫‪H O‬‬ ‫‪H O‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫מולקולריים חזקים‪ ,‬בעוד פחמן ארבע־כלורי הוא‬ ‫‪H C C O‬‬ ‫‪H C3-89‬‬ ‫‪C O‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫מספ‪6‬‬ ‫לבעיות העבודה‪:‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות מספר‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עולם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫בורלא‬ ‫ביצוע‪ :‬רונית‬ ‫בכוחות‬ ‫המתאפיינת‬ ‫לא־קוטבית‬ ‫העבודה‪ 20116 :‬מולקולה‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫עולם‬ ‫משיכהשם העבודה‪:‬‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫בין־מולקולריים חלשים‪ .‬לפיכך‪ ,‬יש צורך באנרגיה רבה‬ ‫עבודה‪20116 :‬‬ ‫‪ 3.89‬‬ ‫‪H H‬‬ ‫יותר‪ ,‬קרי בטמפרטורה גבוהה יותר‪ ,‬על מנת להתגבר‬ ‫‪..‬‬ ‫‪3-91‬‬ ‫מספר העב‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫רוניתביןבורלא‬ ‫‪O‬‬ ‫שם העבודה‪.. H :‬‬ ‫מולקולות המים‪.‬‬ ‫ביצוע‪:‬הפועלים‬ ‫על כוחות המשיכה‬ ‫עולם ‪ 3-93H C C‬ב'‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫‪H H‬‬ ‫‪20116‬האטום בעל האלקטרושליליות החלשה יותר יהיה‬ ‫‪ 3.65‬‬ ‫בדרך כלל האטום המרכזי‪ .‬האטום המרכזי הוא ברוב‬ ‫‪ 3.91‬‬ ‫‪H O H‬‬ ‫‪ 3-93‬א'‬ ‫המקרים היסוד בתרכובת שממנו יש רק אטום אחד‪.‬‬ ‫‪H C C C H‬‬ ‫‪ 3.67‬במקרה של קטיונים רב־אטומיים‪ ,‬יש להפחית‬ ‫‪H‬‬ ‫‪.. .. H‬‬ ‫אלקטרון אחד מכל יחידת מטען חיובי‪.‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪ 3.93‬א‪ .‬זוויתית ‪S O‬‬ ‫‪.. 20116‬‬ ‫קשר משולש‬ ‫עולםקשר יחיד > קשר כפול >‬ ‫שם העבודה‪ 3.69 :‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫‪O‬‬ ‫משולשת מישורית‬ ‫ב‪.‬‬ ‫מספר ‬ ‫(אנרגיה גבוהה)‬ ‫(אנרגיה נמוכה)‬ ‫ ‬ ‫‪S‬‬ ‫‪C5H12 3.71‬‬ ‫מספר העבודה‪:‬‬ ‫לבעיות‬ ‫רונית בורלא שם העבודה‪ :‬עולם‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫‪O‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות ‪O‬‬ ‫‪ 3-79‬א'‬ ‫מספר העבודה‪:‬‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫העבודה‪ :‬עולם‬ ‫כשלמולקולהשם‬ ‫להתרחשבורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫מסוימת אפשר‬ ‫יכול‬ ‫‪ 3.73‬רזוננס‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫לבעיותכל מבנהמספר העבודה‪ 20116 :‬או‬ ‫לכתוב יותר ממבנה לואיס תקף אחד‪.‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫לואיס כזה הוא צורה רזונטיבית‪ .‬האופי האמיתי של‬ ‫‪O‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪S3-97‬‬ ‫‪O‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‪.. S‬‬ ‫‪..‬‬ ‫ב'‪.‬‬ ‫‪. 3-97‬‬ ‫‪..‬‬ ‫לבעיות‪O.. S O..‬מספר העבודה‪:‬‬ ‫העבודה‪ :‬עולם‬ ‫רונית בורלא שם‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫א'‬ ‫הוא היבריד רזונטיבי‪ ,‬אשר מורכב‬ ‫מבנה המולקולה‬ ‫ב'‬ ‫‪3-79‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪O‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫הצורות‬ ‫מ"ממוצע"‬ ‫מספר העבודה‪16 :‬‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫הרזונטיביות‪.‬שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫‪20116‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫מספר‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫עולם‬ ‫‪20116‬‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫מספר‬ ‫לבעיות‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫העבודה‪:‬עולם‬ ‫שםהעבודה‪:‬‬ ‫ם‬ ‫לא־קוטבית‬ ‫ב‪.‬‬ ‫קוטבית‬ ‫עולם‪ 3‬א‪.‬‬ ‫עולם ‪.95‬‬ ‫מספר העבודה‪6 :‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות לבעיות‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫שם‬ ‫בורלא‬ ‫רונית‬ ‫ביצוע‪:‬‬ ‫‪120º‬‬ ‫‪3‬‬ ‫ ‬ ‫‪.75‬‬ ‫‪ 3-97‬ג'‬ ‫‪ 3.97‬א‪C O .‬‬ ‫‪ 3.77‬אמת‪.. .. ...‬‬ ‫ב‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪O3-103‬‬ ‫ג'‪Cl‬א'‬ ‫‪3-79‬‬ ‫‪N Cl‬‬ ‫‪.. 3-81‬‬ ‫‪ 3.79‬א‪.. .‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪3-101‬‬ ‫‪Cl‬‬ ‫ג‪..O C O .‬‬ ‫ ‬ ‫‪..‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪ 3.99‬א‪ CO2 .‬ג‪CF4 .‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪H C O‬‬ ‫ ‬ ‫‪Cl‬‬ ‫ב‪.. H .‬‬ ‫‪.. Be Cl‬‬ ‫‪.. 3.101‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪.. F .. 3.103‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪F..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..F‬‬ ‫ ‬ ‫‪S‬‬ ‫ג‪C S .‬‬ ‫‪Se‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..F ..F ..F‬‬ ‫‪Cl‬‬ ‫‪.. N Cl‬‬ ‫‪ 3.81‬א‪.. .‬‬ ‫‪ 3.105‬מולקולה שאינה מכילה קשרים קוטביים היא לא־‬ ‫‪Cl‬‬ ‫‪..‬‬ ‫קוטבית בהכרח‪ .‬מולקולה שמכילה קשרים קוטביים‬ ‫פירמידה משולשת‬ ‫יכולה להיות קוטבית או לא־קוטבית‪ .‬הדבר תלוי‬ ‫קוטבית‬ ‫במספר הקשרים ובהיערכות שלהם‪.‬‬ ‫מסיסה במים‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪.. .. ..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪H‬‬

‫‪..‬‬

‫א‪ NaNO3 .‬ב‪Mg(NO3)2 .‬‬ ‫א‪ NH4I .‬ב‪(NH4)2SO4 .‬‬

‫א י ־ ז ו ג י ו ת   ‪359‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪..‬‬ ‫‪..‬‬

‫‪..‬‬

‫‪  360‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 3 .107‬תרכובות קוטביות מתאפיינות בכוחות משיכה בין־‬ ‫מולקולריים חזקים‪ .‬יש צורך בטמפרטורות גבוהות‬ ‫יותר על מנת להתגבר על הכוחות הללו ולהמיר את‬ ‫המוצק לנוזל; מכאן שאנו חוזים כי נקודת ההתכה‬ ‫של תרכובות קוטביות תהיה גבוהה יותר בהשוואה‬ ‫לתרכובות לא־קוטביות‪.‬‬ ‫‪ 3.109‬כן‬ ‫‪ 3.111‬א‪ NH3 .‬ב‪ CF4 .‬ג‪NaCl .‬‬ ‫פרק ‪4‬‬ ‫× ‪3.33‬‬ ‫‪g Hg‬‬ ‫‪ 4.1‬‬ ‫מסת הנוסחה = ‪194.20 amu‬‬ ‫‪ 4.3‬‬ ‫המסה המולרית = ‪194.20 g/mol‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4.5‬א‪ .‬הכ ב‪ .‬הב ג‪ .‬הכ ד‪ .‬פ‬ ‫)‪Cu2+(aq) + S2−(aq) → CuS(s‬‬ ‫‪ 4.7‬‬ ‫א‪ 47.9 g NO2 .‬ב‪52.2% .‬‬ ‫‪ 4.9‬‬ ‫‪ 4.11‬דוגמאות ליחידות אריזה אחרות‪ :‬שישיית בקבוקי‬ ‫משקה ורביעייה של קופסאות שימורים‪.‬‬ ‫‪ 4.13‬א‪ 28.09 g .‬ב‪107.9 g .‬‬ ‫‪39.95 g 4.15‬‬ ‫‪ 6.0 × 1019 4.17‬אטומי פחמן‬ ‫‪1.7 × 10−22 mol As 4.19‬‬ ‫‪40.4 g Ne 4.21‬‬ ‫‪4.00 g/mol 4.23‬‬ ‫‪ 4.25‬א‪5.00 mol He .‬‬ ‫ב‪1.7 mol Na .‬‬ ‫ ‬ ‫‪−2‬‬ ‫ג‪4.2 × 10 mol Cl2 .‬‬ ‫ ‬ ‫‪1.62 × 103 g Ag 4.27‬‬ ‫‪8.37 × 1022 Ag atoms 4.29‬‬ ‫‪ 4.31‬מולקולה היא יחידה בדידה המורכבת מאטומים‬ ‫המחוברים בקשרים קוולנטיים‪ .‬גביש יוני מורכב‬ ‫מיונים חיוביים ושליליים הנמשכים זה לזה בכוח‬ ‫משיכה חשמלי‪ .‬משיכה זו מהווה את הקשר היוני‪.‬‬ ‫‪ 4.33‬א‪58.44 g/mol .‬‬ ‫ב‪142.04 g/mol .‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪357.49 g/mol .‬‬ ‫ ‬ ‫‪32.00 g/mol O2 4.35‬‬ ‫‪249.70 g/mol 4.37‬‬ ‫‪ 4.39‬א‪ 0.257 mol NaCl .‬ב‪0.106 mol Na2SO4 .‬‬ ‫‪ 4.41‬א‪ 18.02 g H2O .‬ב‪116.9 g NaCl .‬‬ ‫‪ 4.43‬א‪ 40.0 g He .‬ב‪2.02 × 102 g H2 .‬‬ ‫‪ 4.45‬א‪ 2.43 g Mg .‬ב‪10.0 g CaCO3 .‬‬ ‫‪ 4.47‬א‪ 4.00 g NaOH .‬ב‪9.81 g H2SO4 .‬‬ ‫‪ 4.49‬א‪ 0.420 mol KBr .‬ב‪0.415 mol MgSO4 .‬‬ ‫‪ 4.51‬א‪6.57 × 10−1 mol CS2 .‬‬ ‫‪10−10‬‬

‫‪07/12/2017 15:35:25‬‬

‫ ‬

‫‪ 4.53‬‬ ‫‪ 4.55‬‬

‫‪4 .57‬‬ ‫‪ 4.59‬‬ ‫‪ 4.61‬‬ ‫‪ 4.63‬‬ ‫‪ 4.65‬‬ ‫‪ 4.67‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫ב‪2.14 × 10−1 mol Al2(CO3)3 .‬‬

‫הבסיס העקרוני למשוואה כימית נכונה הוא חוק‬ ‫שימור המסה‪ .‬בתגובה כימית מסה אינה נוספת או‬ ‫אובדת‪ ,‬וחובה על המשוואה הכימית לייצג עובדה זו‪.‬‬ ‫הכתב התחתי מורה לנו את מספר האטומים או‬ ‫היונים המצויים ביחידה אחת של התרכובת‪.‬‬ ‫שדרוש חום על מנת שהתגובה תתרחש‪.‬‬ ‫כן‪.‬‬ ‫אם נשנה את הכתב התחתי נשנה את זהות התרכובות‪.‬‬ ‫מגיב הוא החומר ההתחלתי בתגובה כימית‪.‬‬ ‫תוצר הוא הצורון הכימי שמתקבל בתגובה כימית‪.‬‬ ‫א‪2C2H6(g) + 7O2(g) → 4CO2(g) + 6H2O(g) .‬‬ ‫ב‪6K2O(s) + P4O10(s) → 4K3PO4(s) .‬‬ ‫→ )‪MgBr2(aq) + H2SO4(aq‬‬ ‫ג‪ .‬‬

‫ )‪2HBr(g) + MgSO4(aq‬‬ ‫‪ 4.69‬א‪Ca(s) + F2(g) → CaF2(s) .‬‬ ‫ב‪2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s) .‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ 3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g) .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4.71‬א‪2C4H10(g) + 13O2(g) → 10H2O(g) + 8CO2(g) .‬‬ ‫ב‪Au2S3(s) + 3H2(g) → 2Au(s) + 3H2S(g) .‬‬ ‫ ‬ ‫→ )‪Al(OH)3(s) + 3HCl(aq‬‬ ‫ג‪ .‬‬ ‫ ‬ ‫ )‪AlCl3(aq) + 3H2O(l‬‬ ‫ד‪(NH4)2Cr2O7(s) → Cr2O3(s) + N2(g) + 4H2O(g) .‬‬ ‫ ‬ ‫ה‪C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(g) .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4.73‬א‪N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) .‬‬ ‫ב‪HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4.75‬א‪C6H12O3(s) + 6O2(g) → 6H2O(l) + 6CO2(g) .‬‬ ‫∆‬ ‫‪Na 2 C O3 ( s ) ‬‬ ‫ב‪→ Na 2 O( s ) + CO 2 ( g ) .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4.77‬כן‪CaCO3 .‬‬ ‫‪Ag+(aq) + Br−(aq) → AgBr(s) 4.79‬‬

‫‪ 4 .81‬חוק שימור המסה‬ ‫‪ 4.83‬שינוי הכתב התחתי משנה את זהות התרכובת‪ .‬שינוי‬ ‫המקדמים משנה את המספר היחסי של המולים של‬ ‫התרכובת‪.‬‬ ‫‪27.7 g B2H6 4.85‬‬ ‫‪104 g CrCl3 4.87‬‬ ‫‪ 4.89‬א‪N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) .‬‬ ‫ב‪ .‬שלושה מולים של ‪ H2‬יגיבו עם מול אחד של ‪N2‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬מול אחד של ‪ N2‬יניב שני מולים של התוצר ‪NH3‬‬ ‫ ‬ ‫ד‪1.50 mol H2 .‬‬ ‫ ‬ ‫ה‪17.0 g NH3 .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 4.91‬א‪149.21 amu .‬‬ ‫ב‪1.20 × 1024 O atoms .‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪32.0 g O .‬‬ ‫ ‬ ‫ד‪10.7 g O .‬‬ ‫ ‬

‫‪answer 1-9.indd 360‬‬

‫  ת ש ו ב ו ת ל ש א ל ו ת‬

‫‪7.39 g O2 4.93‬‬ ‫‪6.77 × 104 g CO2 4.95‬‬ ‫‪70.6 g C10H22 4.97‬‬ ‫‪9.13 × 102 g N2 4.99‬‬ ‫‪92.6% 4 .101‬‬ ‫‪6.85 × 102 g N2 4.103‬‬

‫פרק ‪5‬‬ ‫א‪ 0.954 atm .‬ב‪ 0.382 atm .‬ג‪0.730 atm .‬‬ ‫‪ 5.1‬‬ ‫‪2.91 atm‬‬ ‫‪ 5.3‬‬ ‫‪ 5.5‬צמיגות גבוהה מאפיינת מולקולות בעלות מבנה‬ ‫מורכב‪ ,‬שאינן "מחליקות" על נקלה זו על פני זו‪ ,‬וכן‬ ‫מולקולות קוטביות‪.‬‬ ‫‪ 5.7‬אידוי הוא המרה של נוזל לגז בטמפרטורה הנמוכה‬ ‫מנקודת הרתיחה של הנוזל‪ .‬עיבוי הוא המרה של גז‬ ‫לנוזל בטמפרטורה נמוכה מנקודת הרתיחה של הנוזל‪.‬‬ ‫‪ ;CO2 < CH3Cl < CH3OH 5.9‬רק ‪ CH3OH‬מתאפיינת‬ ‫בכוחות לונדון‪ ,‬באינטראקציות דיפול‪-‬דיפול ובקשרי‬ ‫מימן‪ .‬מכאן ש־‪ CH3OH‬מתאפיינת בכוחות הבין־‬ ‫מולקולריים החזקים ביותר‪ ,‬ולפיכך גם בנקודת‬ ‫הרתיחה הגבוהה ביותר‪.‬‬ ‫‪ 5.11‬א‪ .‬מוצקים יוניים מתאפיינים בדרך כלל בנקודת התכה‬ ‫גבוהה ונוטים להיות קשים ופריכים‪.‬‬ ‫ב‪ .‬מלח שולחן (‪ )NaCl‬וסידן כלורי (‪)CaCl2‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 5.13‬חלקיקי הגז רחוקים בהרבה אלה מאלה לעומת‬ ‫חלקיקים דומים בנוזל או במוצק‪ .‬המרחק הממוצע בין‬ ‫חלקיקי הנוזל בדרך כלל גדול מהמרחק הממוצע בין‬ ‫החלקיקים במוצק‪ .‬מים הם היוצא מן הכלל; מולקולות‬ ‫המים הנוזליים קרובות יותר אלה לאלה מאשר‬ ‫מולקולות המים במוצק‪.‬‬ ‫‪ 5.15‬לחץ הוא כוח ליחידת שטח‪ .‬חלקיקי גז מצויים בתנועה‬ ‫אקראית ומתמדת‪ .‬התנגשויות עם דופנות כלי הקיבול‬ ‫מביאות להפעלת כוח (מסה כפול תאוצה) על דופנות‬ ‫הכלי‪ .‬הסכום של כוחות ההתנגשות הללו הוא הלחץ‬ ‫שהגז מפעיל‪.‬‬ ‫‪ 5.17‬גזים הם דחיסים משום שיש חלל גדול בין החלקיקים;‬ ‫משום כך אפשר לקרב אותם אלה לאלה (דחיסה)‪.‬‬ ‫‪ 5.19‬חלקיקי גז מצויים בתנועה אקראית ומתמדת‪ .‬הם‬ ‫חופשיים לשוטט (מפאת מיעוט כוחות המשיכה בין‬ ‫החלקיקים) עד לגבולות כלי הקיבול שלהם‪.‬‬ ‫‪ 5.21‬גזים מפגינים התנהגות אידיאלית יותר בלחצים‬ ‫נמוכים‪ .‬בלחצים נמוכים חלקיקי הגז רחוקים יותר‬ ‫אלה מאלה‪ ,‬ולפיכך כוחות המשיכה בין החלקיקים‬ ‫פחותים‪ .‬מודל הגז האידיאלי מניח שכוחות המשיכה‬ ‫בין חלקיקי הגז זניחים‪.‬‬

‫‪ 5.23‬‬

‫‪ 5.25‬‬

‫‪ 5.27‬‬ ‫‪ 5.29‬‬

‫א י ־ ז ו ג י ו ת   ‪361‬‬

‫התיאוריה הקינטית של הגזים קובעת כי האנרגיה‬ ‫הקינטית הממוצעת של חלקיקי הגז גדלה ככל‬ ‫שהטמפרטורה גדלה‪ .‬האנרגיה הקינטית מתכונתית‬ ‫לריבוע המהירות; לפיכך‪ ,‬ככל שהטמפרטורה גדלה כך‬ ‫מהירות חלקיקי הגז גדלה‪ ,‬וקצב הערבוב גדל אף הוא‪.‬‬ ‫נפח הבלון מתכונתי ללחץ שהגז מפעיל על השטח‬ ‫של פנים הבלון‪ .‬ככל שהבלון מתקרר הלחץ בתוכו‬ ‫יורד‪ ,‬והבלון מתכווץ (כזכור‪ ,‬המהירות של המולקולות‬ ‫קטנה ככל שהטמפרטורה קטנה‪ ,‬ומכאן שגם הכוח‬ ‫שהמולקולות מפעילות קטן בהתאמה)‪.‬‬ ‫חוק בויל קובע שנפח הגז משתנה ביחס הפוך ללחץ‬ ‫הגז כאשר הטמפרטורה ומספר המולים של הגז קבועים‪.‬‬ ‫הנפח קטן על פי חוק בויל‪ .‬הנפח משתנה ביחס הפוך‬ ‫ללחץ המופעל על הגז‪.‬‬

‫‪5 .31‬‬ ‫‪ 5.33‬‬ ‫‪ 5.35‬‬ ‫‪ 5.37‬חוק שארל קובע שנפח הגז משתנה כתלות ישירה‬ ‫בטמפרטורה המוחלטת כאשר הלחץ ומספר המולים‬ ‫של הגז קבועים‪.‬‬ ‫‪ 5.39‬סולם קלווין הוא הסולם היחיד שפרופורציוני באופן‬ ‫ישיר לתנועת המולקולות‪ ,‬ותנועה זו היא שקובעת את‬ ‫התכונות הפיזיקליות של הגז‪.‬‬ ‫‪ 5.41‬לא‪ .‬הנפח מתכונתי לטמפרטורה בקלווין‪ ,‬לא בצלסיוס‪.‬‬ ‫‪1 L 5.43‬‬ ‫‪1.5 L 5.45‬‬ ‫‪49ºC 5.47‬‬ ‫@ בין הנפח והטמפרטורה יש יחס ישר; הגדלה של ‪T‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 5.49‬‬ ‫מגדילה את ‪.V‬‬ ‫@ בין הנפח והלחץ יש יחס הפוך; הקטנת ‪ P‬מגדילה‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫את ‪.V‬‬ ‫@ לפיכך‪ ,‬שני המשתנים פועלים יחדיו להגדלת הנפח‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪1 atm‬‬ ‫‪5 L·atm‬‬ ‫‪5.23 atm‬‬

‫‪5.51‬‬

‫‪PV‬‬ ‫‪i iT f‬‬ ‫‪Pf Ti‬‬

‫= ‪Vf‬‬

‫‪5 .53‬‬ ‫‪ 5.55‬‬ ‫‪ 5.57‬חוק אבוגדרו קובע שנפחים שווים של גזים אידיאליים‬ ‫מכילים מספר זהה של מולים כאשר הם נמדדים‬ ‫בטמפרטורה ובלחץ קבועים‪.‬‬ ‫‪6.00 L 5.59‬‬ ‫‪ 5.61‬לא‪ .‬מול אחד של גז אידיאלי יאכלס בדיוק ‪ ;22.4 L‬עם‬ ‫זאת‪ ,‬אין בטבע גז אידיאלי אמיתי‪ ,‬ומדידות קפדניות‬ ‫תמיד יראו סטייה מנתוני הגז האידיאלי‪.‬‬ ‫‪ 5.63‬הטמפרטורה התקנית היא ‪.273 K‬‬ ‫‪0.80 mol 5.65‬‬ ‫‪1.8 × 10−2 L‬‬ ‫‪1.5 atm‬‬

‫‪  362‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪5 .67‬‬ ‫‪ 5.69‬‬ ‫‪ 5.71‬‬ ‫‪ 5.73‬‬ ‫‪ 5.75‬‬ ‫‪ 5.77‬‬ ‫‪ 5.79‬‬ ‫‪ 5.81‬חוק דלטון קובע כי הלחץ הכולל של תערובת גזים‬ ‫הוא סכום הלחצים החלקיים של הגזים המרכיבים‬ ‫אותה‪.‬‬ ‫‪0.74 atm 5.83‬‬ ‫‪0.29 atm 5.85‬‬ ‫‪ 5.87‬המרחק הממוצע בין חלקיקי הנוזל קטן הרבה יותר‬ ‫מאשר המרחק הממוצע בין חלקיקי הגז‪ ,‬ועוצמת‬ ‫המשיכה בין החלקיקים גדלה ככל שהמרחק ביניהם‬ ‫קטן‪.‬‬ ‫‪ 5.89‬לחץ האדים של נוזל גדל ככל שטמפרטורת הנוזל‬ ‫גדלה‪.‬‬ ‫‪ 5.91‬צמיגות היא התנגדות לזרימה שנגרמת על ידי כוחות‬ ‫משיכה בין־מולקולריים‪ .‬מולקולות מורכבות עשויות‬ ‫"להסתבך" זו בזו ולא להחליק זו על פני זו בקלות‪.‬‬ ‫‪ 5.93‬בכל המולקולות יכולים להיווצר כוחות לונדון‪,‬‬ ‫משום שהאלקטרונים מצויים בתנועה מתמדת בכל‬ ‫המולקולות‪.‬‬ ‫‪ 5.95‬רק במתאנול יכולים להיווצר קשרי מימן‪ .‬למתאנול‬ ‫אטום חמצן שקשור לאטום מימן‪ ,‬וזהו תנאי הכרחי‬ ‫להיווצרות קשרי מימן‪.‬‬ ‫‪ 5.97‬פרופילן גליקול‬ ‫‪ 5.99‬מוצקים אינם דחיסים הלכה למעשה משום שהמרחק‬ ‫הממוצע בין החלקיקים במוצק קטן‪ ,‬ולחלקיקים אין‬ ‫מקום להצטופף עוד יותר‪.‬‬ ‫‪ 5.101‬א‪ .‬טמפרטורה התכה גבוהה‪ ,‬פריכים‬ ‫ב‪ .‬טמפרטורת התכה גבוהה‪ ,‬קשים‬ ‫ ‬ ‫‪ 5.103‬בריליום‪ .‬מוצקים מתכתיים הם מוליכים טובים של‬ ‫חשמל‪ .‬פחמן יוצר מוצקים קוולנטיים‪ ,‬שאינם מוליכים‬ ‫חשמל היטב‪.‬‬ ‫‪ 5.105‬כספית‪ .‬כספית היא נוזל בטמפרטורה החדר‪ ,‬בעוד‬ ‫כרום הוא מוצק‪ .‬לחץ האדים של נוזלים גבוה מזה של‬ ‫מוצקים‪.‬‬ ‫‪22.4 L‬‬ ‫‪1.25 g/L‬‬ ‫‪0.28 mol‬‬ ‫‪5.9 × 10−2 L‬‬ ‫‪22.4 L‬‬ ‫‪9.1 × 103‬‬ ‫‪173ºC‬‬

‫פרק ‪6‬‬ ‫‪ 6.1‬יש לבצע בדיקה כימית – ניתוח איכותי – לקביעת‬ ‫זהותם של כל המרכיבים‪ .‬אם הבדיקה מוצאת רק‬ ‫מרכיב אחד‪ ,‬הרי זהו חומר טהור; שני מרכיבים או‬ ‫יותר מעידים שמדובר בתמיסה‪.‬‬

‫‪ 6.3‬‬

‫לאחר פתיחת הפחית ‪ CO2‬מבצע דיפוזיה אל‬ ‫האטמוספרה סביבו; עקב כך הלחץ החלקי של ‪CO2‬‬ ‫קטן ושיווי המשקל‬ ‫מעל המשקה הקל ֵ‬ ‫‪‬‬ ‫) ‪→ C O ( aq‬‬ ‫‪CO 2 ( g ) ←‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪2‬‬

‫ ‬

‫‪6 .5‬‬ ‫‪ 6.7‬‬ ‫‪ 6.9‬‬ ‫‪ 6.11‬‬ ‫‪ 6.13‬‬ ‫‪ 6.15‬‬ ‫‪ 6.17‬‬

‫‪ 6.19‬‬

‫‪ 6.21‬‬

‫‪6 .23‬‬ ‫‪ 6.25‬‬ ‫‪ 6.27‬‬ ‫‪ 6.29‬‬ ‫‪ 6.31‬‬ ‫‪ 6.33‬‬ ‫‪ 6.35‬‬ ‫‪ 6.37‬‬ ‫‪ 6.39‬‬

‫זז שמאלה‪ ,‬תוך הקטנת ריכוז ה־‪ CO2‬במשקה עצמו‪.‬‬

‫‪0.19 M‬‬ ‫‪0.125 mol HCl‬‬

‫מים טהורים‬

‫‪3 × 10−1 osmol glucose ,4.0 × 10−2 osmol KCl‬‬ ‫‪0.110 mol/L‬‬

‫א‪ .‬אלקטרוליט ב‪ .‬לא־אלקטרוליט ג‪ .‬אלקטרוליט‬ ‫תמיסה מכילה יותר מחומר אחד‪ ,‬וקוטר החלקיקים בה‬ ‫קטן מ־‪ .1 × 10−9 m‬קולואידים הם חלקיקים שקוטרם‬ ‫בין ‪ 1 × 10−9 m‬ל־‪ .2 × 10−7 m‬תרחיף מכיל חלקיקים‬ ‫שקוטרם גדול בהרבה מ־‪.2 × 10−7 m‬‬ ‫טמפרטורת מי הנחל נמוכה בהרבה בתחילת האביב‬ ‫מאשר באמצע אוגוסט‪ .‬על פי חוק הנרי‪ ,‬ריכוז החמצן‬ ‫המומס במי הנחל גדול יותר ככל שטמפרטורת המים‬ ‫נמוכה יותר‪ .‬הדגים זקוקים לחמצן ומשגשגים בתחילת‬ ‫האביב‪.‬‬ ‫תמיסה מתוארת כצלולה אם היא מעבירה אור‬ ‫ביעילות‪ ,‬ללא כל סימן לחלקיקי תרחיף‪ .‬התמיסה‬ ‫אינה מוכרחה להיות נטולת צבע על מנת לעמוד‬ ‫בתנאים הללו‪.‬‬ ‫א‪ 2.00% NaCl .‬ב‪6.60% C6H12O6 .‬‬ ‫א‪ 5.00% .‬אתנול ב‪ 10.0% .‬אתנול‬ ‫א‪ 21.0% NaCl .‬ב‪3.75% NaCl .‬‬ ‫א‪ 2.25 g NaCl .‬ב‪3.13 g NaC2H3O2 .‬‬ ‫‪19.5% KNO3‬‬ ‫‪ 1.00 g‬סוכר‬

‫תמיסה בריכוז )‪ 0.04% (m/m‬מרוכזת יותר‪.‬‬

‫‪2.0 × 10−3 ppt‬‬

‫מנהלי מעבדות קונים לא אחת תמיסות מרוכזות‬ ‫מסיבות מעשיות‪ ,‬כגון חיסכון בכסף ובחלל אחסון‪.‬‬

‫‪6 .41‬‬ ‫‪ 6.43‬‬ ‫‪ 6.45‬‬ ‫‪ 6.47‬‬ ‫‪ 6.49‬‬ ‫‪ 6.51‬‬ ‫‪ 6.53‬‬ ‫‪ 6.55‬‬ ‫‪ 6.57‬תכונה קוליגטיבית היא תכונה של תמיסה שתלויה‬ ‫בריכוז חלקיקי המומס ולא בזהות החלקיקים‪.‬‬ ‫‪0.50 M‬‬ ‫א‪1.46 g NaCl .‬‬ ‫‪0.266 L‬‬ ‫‪50.0 mL‬‬ ‫‪20.0 M‬‬ ‫‪0.900 M‬‬ ‫‪ 158 g‬סוכר‬ ‫‪5.00 × 10−2 M‬‬

‫ב‪9.00 g C6H12O6 .‬‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬ ‫‪ 6.59‬‬

‫‪ 6.61‬‬ ‫‪ 6.63‬‬

‫ ‬

‫‪6 .69‬‬ ‫‪ 6.71‬‬ ‫‪ 6.73‬‬ ‫‪ 6.75‬‬ ‫‪ 6.77‬‬ ‫‪ 6.79‬‬ ‫‪ 6.81‬‬ ‫‪ 6.83‬‬

‫מלח הוא חומר יוני שעובר דיסוציאציה במים ומניב‬ ‫יונים חיוביים ושליליים‪ .‬יונים (או חלקיקים) אלה‬ ‫מורידים את נקודת הקיפאון של המים‪ .‬אם ריכוז‬ ‫חלקיקי המלח גדול‪ ,‬נקודת הקיפאון עשויה לרדת‬ ‫מתחת לטמפרטורת הסביבה‪ ,‬ואז הקרח יימס‪.‬‬ ‫חוק ראול קובע שכשמוסיפים מומס לממס‪ ,‬לחץ האדים‬ ‫של הממס יורד באופן פרופורציוני לריכוז המומס‪.‬‬ ‫מול אחד של ‪ CaCl2‬מניב שלושה מולים של חלקיקים‬ ‫בתמיסה‪ ,‬בעוד מול אחד של ‪ NaCl‬מניב שני מולים‬ ‫של חלקיקים בתמיסה‪ .‬לפיכך‪ ,‬הוספת מול אחד של‬ ‫‪ CaCl2‬למים תוריד את נקודת הקיפאון במידה גדולה‬ ‫יותר מאשר הוספת מול אחד של ‪.NaCl‬‬ ‫א‪ –2.79ºC .‬ב‪–5.58ºC .‬‬ ‫טמפרטורת הקיפאון של תמיסת ‪–1.9ºC = NaCl‬‬ ‫טמפרטורת הקיפאון של תמיסת סוכרוז = ‪– 0.93ºC‬‬ ‫סוכרוז‬

‫‪ 6.93‬‬

‫‪6-93‬‬ ‫קשרי מימן‪ ,‬הן חזקות ותורמות ליציבות‬ ‫ובמיוחד‬ ‫ארוכת הטווח של התמיסה‪.‬‬ ‫‪O δ– Na+‬‬

‫‪δ+‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪δ+‬‬

‫‪ 6 .95‬קוטבי; דומה ממס דומה (‪ H2O‬היא קוטבית)‪.‬‬ ‫‪ 6.97‬ריכוז גבוה של יוני נתרן בדם עלול לגרום לבלבול‪,‬‬ ‫לקהות חושים או לתרדמת‪.‬‬ ‫‪ 6.99‬ריכוז גבוה של יוני נתרן בדם עלול להיגרם כאשר אנו‬ ‫מאבדים כמויות גדולות של מים‪ ,‬למשל בשל שלשול‪,‬‬ ‫סוכרת ודיאטות עשירות בחלבונים‪.‬‬ ‫‪0.10 eq/L 6.101‬‬ ‫‪ 6.103‬א‪ 0.154 mol/L .‬ב‪0.154 mol/L .‬‬ ‫‪4.0 × 10−2 mol/L 6.105‬‬

‫‪24 atm‬‬ ‫פרק ‪7‬‬ ‫‪ 7.1‬א‪ .‬אקסותרמי ב‪ .‬אקסותרמי‬ ‫‪A→B‬‬ ‫‪ .He(g) 7.3‬אי־הסדר בגזים גדול מזה שבמוצקים‪.‬‬ ‫לא תהיה זרימה נטו של מים‪.‬‬ ‫היפרטונית‬ ‫)–(‪ΔG = (+) – T‬‬ ‫‪ 7.5‬‬ ‫היפוטונית‬ ‫‪ ΔG‬תמיד חיובי‪ .‬ערך חיובי של ‪ ΔG‬מעיד על תהליך‬ ‫ ‬ ‫לא־ספונטני‪.‬‬ ‫‪1.0 × 10−3 osmol‬‬ ‫מים מכונים לא פעם "ממס אוניברסלי" משום‬ ‫‪2.7 × 103 J‬‬ ‫‪ 7.7‬‬ ‫שמולקולות המים הן קוטביות וממיסות‪ ,‬לפחות‬ ‫‪ 7.9‬אנרגיית חום נוצרת מהחיכוך של שפשוף הגפרור‪,‬‬ ‫במידת מה‪ ,‬את רוב התרכובות היוניות והקוולנטיות‬ ‫ומספקת את אנרגיית ההפעלה הדרושה לתהליך‬ ‫הקוטביות‪ .‬רוב מסת הגוף שלנו היא מים‪ ,‬ומים‬ ‫הבערה הזה‪.‬‬ ‫לבעיותחומרי המזון‬ ‫ממערכת הובלת‬ ‫אלה הם חלק חשוב‬ ‫‪ 20116‬תהליך חיוני לקיום חיים‪ ,‬החומר‬ ‫האנזים מזרז‬ ‫מספר ‪ 7.11‬אם‬ ‫העבודה‪:‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובות‬ ‫העבודה‪ :‬עולם‬ ‫בזכות יכולות ההמסה שלהם‪ .‬הדבר נכון גם בצמחים‬ ‫המפריע לפעולתו מסווג כרעל‪.‬‬ ‫ובבעלי חיים אחרים‪ .‬יכולתן של מולקולות המים‬ ‫‪ 7.13‬בשעת השיא‪ ,‬מספר זהה בקירוב של נוסעים נכנס‬ ‫‪6-85‬‬ ‫מימן מקנה למים נקודת רתיחה גבוהה‬ ‫ליצור קשרי‬ ‫ויוצא מהרכבת בכל תחנה‪ .‬במרוצת הנסיעה מספר‬ ‫ולחץ אדים נמוך‪ .‬כמו כן‪ ,‬מים מצויים בשפע וקל‬ ‫הנוסעים ברכבת כמעט אינו משתנה‪ ,‬אבל זהות‬ ‫לטהר אותם‪.‬‬ ‫הנוסעים משתנה ללא הרף‪.‬‬ ‫‪ 6.85‬‬ ‫במסעדה הומה בשעת הצהריים‪ ,‬מספר זהה בקירוב‬ ‫ ‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H N δ– δ+ H‬‬ ‫של אנשים נכנס ויוצא מהמסעדה בכל רגע‪ .‬במרוצת‬ ‫‪H‬‬ ‫–‪O δ‬‬ ‫שעת הארוחה מספר האנשים במסעדה כמעט אינו‬ ‫‪H‬‬ ‫משתנה‪ ,‬אבל זהות הסועדים משתנה ללא הרף‪.‬‬ ‫‪ 7.15‬באמצעות מדידת ריכוזי התוצרים והמגיבים בנקודות‬ ‫‪ 6.87‬מספר החלקיקים בתמיסה תלוי במידת הדיסוציאציה‪.‬‬ ‫זמן מוגדרות עד שלא מזהים יותר שינויים בריכוז‪.‬‬ ‫‪ 6.89‬בדיאליזה‪ ,‬יוני נתרן עוברים מאזור בעל ריכוז גבוה‬ ‫‪3‬‬ ‫לאזור בעל ריכוז נמוך‪ .‬אם ברצוננו לסלק יוני נתרן‬ ‫‪ 7.17‬תוצרים‪ Keq .‬גדול מ־ ‪ .1 × 10‬ערך מספרי גדול של ‪Keq‬‬ ‫מהדם אפשר להעביר אותם לאזור בעל ריכוז נמוך‪,‬‬ ‫מעיד כי המונה (אבר התוצרים) גדול בהרבה מהמכנה‬ ‫הוא תמיסת הדיאליזה‪.‬‬ ‫(אבר המגיבים)‪ ,‬וכי במצב שיווי המשקל יש בעיקר‬ ‫‪ 6.91‬חיי המדף תלויים ביציבות של תמיסת המים‬ ‫תוצרים‪.‬‬ ‫והאמוניה‪ .‬האמוניה יכולה להגיב עם המים ולהפוך‬ ‫‪ 7.19‬ג'אול‬ ‫ליון אמוניום יציב ומסיס עד מאוד‪ .‬כמו כן‪ ,‬אמוניה‬ ‫‪ 7.21‬תגובה אקסותרמית היא תגובה שבה אנרגיה‬ ‫ומים הם מולקולות קוטביות‪ .‬אינטראקציות קוטביות‪,‬‬ ‫משתחררת במהלך שינוי כימי‪.‬‬

‫‪.. ..‬‬

‫‪..‬‬

‫שם‬

‫‪6 .65‬‬ ‫‪ 6.67‬‬

‫מספר העבודה‬ ‫שם העבודה‪ :‬עולם‬ ‫לבעיות ו ת   ‪363‬‬ ‫הכימיה‪-‬תשובותל ו ת א י ־ ז ו ג י‬ ‫  ת ש ו ב ו ת ל ש א‬

‫ביצוע‪ :‬רונית בורלא‬

‫שם העבודה‪ :‬עולם הכימיה‪-‬יח' ‪1‬‬ ‫איור ‪7-55‬‬

‫‪  364‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪7 .23‬‬ ‫‪ 7.25‬‬

‫‪ 7.29‬‬

‫‪7 .33‬‬ ‫× ‪1.2‬‬ ‫‪cal 7.35‬‬ ‫‪5.0 × 103 J 7.37‬‬ ‫‪ 7.39‬א‪ .‬האנטרופיה גדלה‪ .‬המרה של מוצק לנוזל מגדילה‬ ‫את מידת אי־הסדר של החומר‪ .‬מוצקים שומרים‬ ‫על צורתם‪ ,‬ואילו נוזלים זורמים וצורתם נקבעת על‬ ‫ידי כלי הקיבול‪.‬‬ ‫ב‪ .‬האנטרופיה גדלה‪ .‬המרה של נוזל לגז מגדילה את‬ ‫ ‬ ‫מידת אי־הסדר של החומר‪ .‬חלקיקי הגז נעים‬ ‫באקראי והאינטראקציות ביניהם חלשות מאוד –‬ ‫חלשות בהרבה מאלה שבנוזל‪.‬‬ ‫‪ΔG = (–) – T(+) 7.41‬‬ ‫‪ ΔG‬תמיד שלילי והתהליך תמיד ספונטני‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.43‬איזופרופאנול מתאדה במהירות (מנוזל לגז) לאחר‬ ‫שהוא נמרח על העור‪ .‬המרה של נוזל לגז מצריכה‬ ‫אנרגיית חום‪ .‬אנרגיית החום מסופקת על ידי העור‪.‬‬ ‫כאשר החום הזה אובד‪ ,‬טמפרטורת העור יורדת‪.‬‬ ‫‪ 7.45‬פירוק של עלים וזרדים לאדמה‪.‬‬ ‫‪ 7.47‬קומפלקס משופעל הוא היערכות המגיבים במצב‬ ‫מעבר בלתי יציב תוך כדי התגובה הכימית‪ .‬הקומפלקס‬ ‫המשופעל מוכרח להיווצר על מנת שהמגיבים יומרו‬ ‫לתוצרים‪.‬‬ ‫‪ 7.49‬קצב התגובה הוא השינוי בריכוז של מגיב או תוצר‬ ‫ביחידת זמן‪ .‬קבוע הקצב הוא קבוע הפרופורציונליות‬ ‫שקושר בין הקצב והריכוז‪ .‬סדר התגובה הוא החזקה‬ ‫של כל ביטוי של ריכוז במשוואת הקצב‪.‬‬ ‫‪ 7.51‬יגדל‬ ‫‪ 7.53‬זרז מגדיל את קצב התגובה מבלי לעבור שינוי נטו‬ ‫בעצמו ואף אינו משנה את תוצאת התגובה‪.‬‬ ‫‪103‬‬

‫אנרגיית‬ ‫שפעול‬

‫ ‬

‫אנרגיה‬ ‫משתחררת‬ ‫תוצרים‬

‫מגיבים‬

‫תגובה‬ ‫לא מזורזת‪,‬‬ ‫אנרגיית הפעלה‬ ‫גבוהה יותר‬

‫התקדמות התגובה‬ ‫קומפלקס‬ ‫משופעל‬ ‫אנרגיית‬ ‫שפעול‬

‫ ‬

‫‪7 .57‬‬ ‫‪ 7.59‬‬

‫‪7 .61‬‬ ‫‪ 7.63‬‬

‫‪7 .65‬‬ ‫‪ 7.67‬‬ ‫‪ 7.69‬‬ ‫‪ 7.71‬‬

‫‪ 7.73‬‬

‫אנרגיה‬ ‫משתחררת‬ ‫תוצרים‬

‫מגיבים‬

‫התקדמות התגובה‬

‫אנרגיה‬

‫‪ 7.31‬‬

‫‪ 7.55‬‬

‫קומפלקס‬ ‫משופעל‬ ‫אנרגיה‬

‫‪ 7.27‬‬

‫דלק מוכרח לשחרר חום בתהליך הבערה (חמצון)‪.‬‬ ‫טמפרטורת המים (או התמיסה) נמדדת בקלורימטר‪.‬‬ ‫אם התגובה הנחקרת אקסותרמית‪ ,‬אזי האנרגיה‬ ‫המשתחררת מחממת את המים והטמפרטורה עולה‪.‬‬ ‫בתגובה אנדותרמית חום זורם מהמים למגיבים‬ ‫וטמפרטורת המים יורדת‪.‬‬ ‫כלי קיבול כפולי דפנות‪ ,‬המשמשים בקלורימטר‪,‬‬ ‫יוצרים חלל המלא באוויר בין חלק הקלורימטר‬ ‫(הפנימי) המכיל את תמיסת הדגימה לבין הדופן‬ ‫החיצונית‪ ,‬שבאה במגע עם הסביבה‪ .‬החלל הזה מקשה‬ ‫על העברה של חום‪.‬‬ ‫אנרגיה חופשית היא התרומה המשולבת של אנטרופיה‬ ‫ואנתלפיה בתגובה כימית‪.‬‬ ‫החוק הראשון של התרמודינמיקה‪ ,‬חוק שימור‬ ‫האנרגיה‪ ,‬קובע שכמות האנרגיה ביקום קבועה‪.‬‬ ‫אנתלפיה היא מדד לאנרגיית חום‪.‬‬

‫מספר העבודה‪:‬‬

‫תגובה מזורזת‪,‬‬ ‫אנרגיית הפעלה‬ ‫נמוכה יותר‬

‫קצב התגובה גדל פי ארבעה‪.‬‬ ‫גידול בריכוז המגיבים פירושו שיש יותר מולקולות‬ ‫בנפח נתון‪ .‬ההסתברות להתנגשות גדלה משום שהן‬ ‫עוברות מרחק קטן יותר לפני שהן פוגשות במולקולה‬ ‫אחרת‪ .‬הקצב פרופורציוני למספר ההתנגשויות‬ ‫ביחידת זמן‪.‬‬ ‫קצב = ]‪k[N2O4‬‬ ‫זרז מאיץ תגובה כימית באמצעות סיוע להתהוות‬ ‫הקומפלקס המשופעל‪ ,‬תוך יצירת נתיב חלופי‬ ‫להיווצרות התוצרים אשר מתאפיין באנרגיית שפעול‬ ‫נמוכה יותר‪ .‬משום כך "קל" יותר לתגובה להתרחש‬ ‫והקצב שלה גדל‪.‬‬ ‫תוצרים‬ ‫(‪)1‬‬ ‫עקרון לה שטליה קובע שכשמפריעים למערכת‬ ‫הנמצאת בשיווי משקל‪ ,‬שיווי המשקל מוסט בכיוון‬ ‫שממזער את ההפרעה‪.‬‬ ‫בשיווי משקל דינמי הריכוזים של כל המגיבים‬ ‫והתוצרים קבועים – הם אינם משתנים עם הזמן‪.‬‬ ‫עם זאת‪ ,‬התהליך דינמי משום שתוצרים ומגיבים‬ ‫מתהווים ונצרכים ללא הרף‪ .‬הריכוזים אינם משתנים‬ ‫משום שקצב הייצור שווה לקצב הצריכה‪.‬‬ ‫הסטה של שיווי המשקל פירושה יצירה של תוצרים‬ ‫רבים יותר או של מגיבים רבים יותר‪ .‬בשיווי משקל‬

‫  ת ש ו ב ו ת ל ש א ל ו ת‬

‫היפותטי‪ ,‬אם שיווי המשקל מוסט שמאלה פירוש‬ ‫הדבר שנוצרים יותר מגיבים‪ ,‬ואם שיווי המשקל מוסט‬ ‫ימינה פירוש הדבר שנוצרים יותר תוצרים‪.‬‬ ‫‪ .1 7.75‬ריכוז ‪ .2‬חום ‪ .3‬לחץ‬ ‫‪ 7.77‬‬

‫‪]NO2 [2‬‬ ‫[ ‪]N 2 O4‬‬

‫‪ 7.81‬‬

‫‪]NH 3 [2‬‬ ‫‪]N 2 []H 2 [3‬‬

‫‪ 7.83‬‬

‫‪]H 2 S[2‬‬ ‫[ ‪]H 2 [2 ]S2‬‬

‫= ‪Keq‬‬

‫‪ 7.79‬שיווי משקל פיזיקלי מתאר שינוי פיזיקלי; לדוגמה‬ ‫שיווי משקל בין מים וקרח‪ ,‬או לחץ שיווי המשקל של‬ ‫אדים של נוזל‪ .‬שיווי משקל כימי מתאר שינוי כימי;‬ ‫לדוגמה התגובות המובאות בשאלות ‪ 7.81‬ו־‪.7.83‬‬ ‫= ‪Keq‬‬ ‫= ‪K eq‬‬

‫‪7 .85‬‬ ‫‪ 7.87‬א‪ .‬שיווי המשקל מוסט לשמאל‬ ‫ב‪ .‬אין שינוי‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬אין שינוי‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.89‬א‪ .‬שקר‪ .‬התנאים המשפיעים על קצב התגובה כוללים‬ ‫את מבנה הצורונים המגיבים‪ ,‬ריכוז המגיבים‪,‬‬ ‫טמפרטורת המגיבים‪ ,‬מצב הצבירה של המגיבים‬ ‫ונוכחותו או היעדרו של זרז‪ .‬תגובה שאינה‬ ‫מתרחשת עד תום תהיה תגובה שמגיעה למצב‬ ‫שיווי משקל‪ ,‬ללא קשר לקצב שלה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬שקר‪ .‬בשיווי משקל קצב התגובה לימין יהיה תמיד‬ ‫ ‬ ‫שווה לקצב התגובה לשמאל‪.‬‬ ‫‪ 7.91‬א‪ .‬הכמות תגדל‪.‬‬ ‫ב‪ .‬הכמות תקטן‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ג‪ .‬הכמות תקטן‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ד‪ .‬הכמות תקטן‪.‬‬ ‫ ‬ ‫ה‪ .‬הכמות תישאר כשהייתה‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 7.93‬הריכוז יקטן‪.‬‬ ‫‪7.7 × 10−5 M‬‬

‫‪ 7.95‬‬

‫[ ‪]CO[]H 2‬‬ ‫[‪]H 2 O‬‬

‫= ‪Keq‬‬

‫‪ 7 .97‬שקר‪ .‬שיווי המשקל אינו מוסט בשל הוספת זרז; הזרז‬ ‫משפיע רק על הקצב שבו שיווי המשקל מושג‪.‬‬ ‫‪ 7.99‬במשקאות תוססים מומס פחמן דו־חמצני‪ .‬חימום‬ ‫מסיט את שיווי המשקל לימין‪:‬‬ ‫ ‬

‫ ‬

‫‪‬‬ ‫) ‪→ CO ( g‬‬ ‫‪CO 2 (l ) ←‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪2‬‬

‫מכיוון שגזים מסיסים פחות בטמפרטורות גבוהות‪,‬‬ ‫הצטברות הלחץ של גז הפחמן הדו־חמצני בבקבוק‬ ‫הסגור עלולה להביא לפיצוץ‪.‬‬

‫‪]SO3 [2‬‬ ‫‪ 7.101‬‬ ‫[ ‪]SO2 [2 ]O2‬‬

‫= ‪K eq‬‬

‫א י ־ ז ו ג י ו ת   ‪365‬‬

‫‪3.0 × 102 7.103‬‬

‫‪ 7.105‬הוספה של )‪ SO2(g‬או )‪ O2(g‬תגדיל את הלחץ‪.‬‬ ‫פרק ‪8‬‬ ‫‪HF(aq) + H2O(l) € H3‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪ 8.1‬א‪ .‬‬ ‫‪−‬‬ ‫‪+‬‬ ‫ב‪NH3(aq) + H2O(l) € NH4 (aq) + OH (aq) .‬‬ ‫ ‬ ‫א‪ HF .‬חומצה ו־–‪ F‬בסיס מצומד; ‪ H2O‬בסיס ו־‪H3O+‬‬ ‫‪ 8.3‬‬ ‫חומצה מצומדת‬ ‫ב‪ NH3 .‬בסיס ו־‪ NH4+‬חומצה מצומדת; ‪ H2O‬חומצה‬ ‫ ‬ ‫‪−‬‬ ‫ו־ ‪ OH‬בסיס מצומד‬ ‫‪1.0 × 10−11 M‬‬ ‫‪ 8.5‬‬ ‫‪4.7‬‬ ‫‪ 8.7‬‬ ‫‪4.87‬‬ ‫‪ 8.9‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪−‬‬ ‫‪‬‬ ‫→‬ ‫‪‬‬ ‫→‬ ‫‪CO 2 + H 2 O ←‬‬ ‫‪ H 2 CO3 ←‬‬ ‫‪ H3O + HCO3 8.11‬‬ ‫עלייה בלחץ החלקי של ‪ CO2‬משמעותה הפעלת עקה‬ ‫ ‬ ‫על המערכת‪ .‬שיווי המשקל יוסט לימין בניסיון להקטין‬ ‫את הלחץ החלקי של ‪ ,CO2‬והדבר יביא לעלייה בריכוז‬ ‫המולרי של ‪.H2CO3‬‬ ‫‪ 8.13‬בשאלה ‪ 8.11‬שיווי המשקל מוסט לימין; לפיכך‪ ,‬הריכוז‬ ‫המולרי של ‪ H3O+‬אמור לגדול‪.‬‬ ‫בשאלה ‪ 8.12‬שיווי המשקל מוסט לשמאל; לפיכך‪,‬‬ ‫ ‬ ‫‪+‬‬ ‫הריכוז המולרי של ‪ H3O‬אמור לקטון‪.‬‬ ‫)‪F−(aq‬‬

‫‪ 8.15‬‬ ‫‪ 8.17‬‬

‫ ‬ ‫ ‬

‫‪ 8.19‬‬

‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬

‫‪ 8.21‬‬

‫)‪O+(aq‬‬

‫‪ HCO3− ‬‬ ‫‪pH p K a + log ‬‬ ‫=‬ ‫‪ H 2 CO3 ‬‬ ‫‪( Ca → Ca2+ + 2e−‬מחצית תגובת החמצון)‬ ‫‪( S + 2e− → S2−‬מחצית תגובת החיזור)‬ ‫‪( Ca + S → CaS‬התגובה השלמה)‬ ‫הגורם המחמצן‪S :‬‬ ‫הגורם המחזר‪Ca :‬‬ ‫החומר המתחמצן‪Ca :‬‬ ‫החומר המתחזר‪S :‬‬ ‫א‪ .‬על מנת ש־)‪ Cr3+(aq‬יהפוך ל־)‪ Cr(s‬עליו לקלוט‬ ‫‪ 3‬אלקטרונים ולעבור חיזור‪ .‬לפיכך‪ ,‬האלקטרודה‬

‫צריכה להיות בעלת מטען שלילי‪.‬‬ ‫ב ‪ .‬קתודה‬ ‫ ‬ ‫ג‪Cr3+(aq) + 3e− → Cr(s) .‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.23‬א‪ .‬חומצת ארניוס היא חומר שעובר דיסוציאציה תוך‬ ‫יצירת יוני מימן‪.‬‬ ‫ב‪ .‬חומצת ברונסטד‪-‬לאורי היא חומר שמתנהג כתורם‬ ‫ ‬ ‫פרוטון‪.‬‬ ‫‪ 8.25‬תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי מציעה נקודת מבט‬ ‫רחבה יותר על התיאוריה של בסיס‪-‬חומצה מאשר‬ ‫תיאוריית ארניוס‪ .‬תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי מדגישה‬ ‫את תפקיד הממס בתהליך הדיסוציאציה‪.‬‬

‫‪  366‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪ 8.27‬א‪ .‬‬

‫‪‬‬ ‫→‬ ‫‪HNO 2 ( aq ) + H 2 O( l ) ←‬‬ ‫‪‬‬ ‫) ‪H3O + ( aq ) + NO 2− ( aq‬‬

‫ ‬ ‫‪ 8.29‬‬ ‫‪ 8.31‬‬ ‫‪ 8.33‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.35‬‬

‫ב‪.‬‬

‫‪‬‬ ‫→‬ ‫‪HCN( aq ) + H 2 O( l ) ←‬‬ ‫‪‬‬

‫) ‪H3O + ( aq ) + CN − ( aq‬‬ ‫א‪ HNO3 .‬ב‪ CN– .‬ג‪HNO3 .‬‬

‫א‪ .‬חלשה ב‪ .‬חלשה ג‪ .‬חלשה‬ ‫א‪ CN– .‬בסיס ו־‪ HCN‬חומצה מצומדת; ‪ NH3‬בסיס‬ ‫מצומד ו־‪ NH4+‬חומצה‬ ‫ב‪ CO32– .‬בסיס ו־–‪ HCO3‬חומצה מצומדת; –‪ Cl‬בסיס‬ ‫מצומד ו־‪ HCl‬חומצה‬ ‫ריכוז הוא הכמות של החומצה או של הבסיס בנפח‬ ‫מוגדר של ממס‪ .‬חוזק הוא מידת הדיסוציאציה של‬ ‫החומצה או של הבסיס‪.‬‬ ‫א‪ .‬חומצת ברונסטד ב‪ .‬בסיס ברונסטד ג‪ .‬שניהם‬ ‫א‪ .‬חומצת ברונסטד ב‪ .‬שניהם ג‪ .‬בסיס ברונסטד‬

‫‪8 .37‬‬ ‫‪ 8.39‬‬ ‫‪HCN 8.41‬‬ ‫‪I– 8.43‬‬ ‫‪–11‬‬ ‫‪–7‬‬ ‫‪ 8.45‬א‪ 1.0 × 10 M .‬ב‪1.0 × 10 M .‬‬ ‫‪ 8 .47‬לכלי הקיבול המכיל ‪CH3COOH .0.10 M CH3COOH‬‬ ‫היא חומצה חלשה יותר מ־‪ ,HCl‬ולפיכך ה־‪ pH‬שלה‬ ‫גבוה מזה של ‪.HCl‬‬ ‫‪ 8.49‬א‪ 2.0 .‬ב‪4.0 .‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪ 8.51‬א‪[H3O ] = 1.00 × 10–1 M .‬‬ ‫ב‪[H3O+] = 1.00 × 10–5 M .‬‬ ‫ ‬ ‫‪11.0 8.53‬‬ ‫‪ 8.55‬א‪[H3O+] = 5.00 × 10–2 M .‬‬ ‫ ‪[OH–] = 2.00 × 10–13 M‬‬ ‫ב ‪[H3O+] = 2.00 × 10–10 M .‬‬ ‫ ‬ ‫ ‪[OH–] = 5.00 × 10–5 M‬‬

‫‪ 8.57‬תגובת סתירה היא תגובה שבה חומצה ובסיס מגיבים‬ ‫ומניבים מים ומלח (תמיסה "ניטרלית")‪.‬‬ ‫‪ 8.59‬א‪[H3O+] = 1.00 × 10−6 M .‬‬

‫ ‪[OH–] = 1.00 × 10−8 M‬‬ ‫ב ‪[H3O+] = 6.31 × 10−6 M .‬‬ ‫ ‬ ‫–‬ ‫‪−9‬‬ ‫ ‪[OH ] = 1.59 × 10 M‬‬ ‫ג‪[H3O+] = 1.59 × 10−8 M .‬‬ ‫ ‬ ‫–‬ ‫‪−7‬‬ ‫ ‪[OH ] = 6.29 × 10 M‬‬

‫ ‬ ‫ ‬

‫‪ 8.61‬הקביעה אינה נכונה‪ .‬תמיסה שבה ‪ pH = 3‬חומצית‬ ‫פי ‪ 1,000‬מתמיסה שבה ‪ ,pH = 6‬משום ש־‪ pH‬הוא‬ ‫פונקציה לוגריתמית‪.‬‬ ‫‪ 8.63‬א‪[H3O+] = 1.00 × 10−5 M .‬‬ ‫ב‪[H3O+] = 1.000 × 10−12 M .‬‬ ‫ ‬ ‫‪+‬‬ ‫‪−6‬‬ ‫ג‪[H3O ] = 3.16 × 10 M .‬‬ ‫ ‬

‫‪07/12/2017 15:35:57‬‬

‫א‪ pH = 6.0 .‬ב‪ pH = 8.0 .‬ג‪pH = 3.3 .‬‬ ‫‪pH = 3.1‬‬ ‫‪pH = 11‬‬ ‫)‪HNO3(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaNO3(aq‬‬ ‫)‪ H+(aq) + OH–(aq) → H2O(l‬או‬ ‫)‪H3O+(aq) + OH–(aq) → 2H2O(l‬‬

‫‪ 8.65‬‬ ‫‪ 8.67‬‬ ‫‪ 8.69‬‬ ‫‪ 8.71‬‬ ‫‪ 8.73‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.75‬צבעו של האינדיקטור משתנה במהלך הטיטור‪ ,‬ושינוי‬ ‫הצבע מעיד שהוספנו נפח נכון של חומר מטטר (שינוי‬ ‫הצבע מעיד על סיום תגובת הסתירה)‪.‬‬ ‫‪0.180 M 8.77‬‬ ‫‪13.33 mL 8.79‬‬ ‫‪ 8.81‬א‪ NH3 .‬ו־‪ NH4Cl‬יכולים ליצור תמיסת בופר משום‬ ‫שמדובר בחומצה חלשה ובמלח שלה‪.‬‬ ‫ב‪ HNO3 .‬ו־‪ KNO3‬אינם יכולים ליצור תמיסת בופר‬ ‫ ‬ ‫כי מדובר בחומצה חזקה ובמלח שלה‪.‬‬ ‫‪ HCl/NaCl 8.83‬אינה תמיסת בופר‪ ,‬כי אם חומצה חזקה‬ ‫ומלח‪ .‬הוספת ‪ NaOH‬תחולל שינוי משמעותי ב־‪.pH‬‬ ‫לעומת זאת‪ CH3COOH/CH3COONa ,‬היא תמיסת‬ ‫בופר משום שמדובר בחומצה חלשה ובמלח שלה‪.‬‬ ‫לפיכך‪ ,‬היא תתנגד לשינוי משמעותי ב־‪ pH‬אם נוסיף‬ ‫לה בסיס חזק‪.‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪ 8.85‬א‪ .‬הוספה של חומצה חזקה משולה להוספת ‪,H3O‬‬ ‫ושיווי המשקל יוסט שמאלה‪ .‬עקב כך‪]CH3COOH[ ,‬‬ ‫גדל‪.‬‬ ‫ב‪ .‬במקרה זה‪ ,‬מים הם ממס ואינם מופיעים בביטוי‬ ‫ ‬ ‫שיווי המשקל‪ .‬מכאן שהם אינם מסיטים את שיווי‬ ‫המשקל‪.‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪[H3O ] = 2.32 × 10−7 M 8.87‬‬ ‫‪ ,CH3COO– 8.89‬בסיס מצומד‪ ,‬מגיב עם ‪ H3O+‬שנוסף‬ ‫ושומר על רמת ‪ pH‬קבועה‪.‬‬ ‫‪pH = 4.8 8.91‬‬ ‫‪ 8.93‬‬

‫‪ HCO3− ‬‬ ‫‪11 = ‬‬ ‫‪ H 2 CO3 ‬‬

‫‪ 8 .95‬הצורון המתחמצן מאבד אלקטרונים‪.‬‬ ‫‪ .8.97‬החומר המחזר עובר חמצון‪.‬‬ ‫‪ Cl2‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪2KI‬‬ ‫‪→ 2KCl‬‬ ‫‪+‬‬ ‫‪I2 8.99‬‬ ‫חומר מתחמצן חומר מתחזר‬ ‫ ‬ ‫גורם מחמצן‬ ‫גורם מחזר ‬ ‫ ‬ ‫–‬ ‫–‬ ‫‪( 2I → I2 + 2e 8.101‬מחצית תגובת החמצון)‬ ‫–‪( Cl2 + 2e– → 2Cl‬מחצית תגובת החיזור)‬ ‫ ‬ ‫‪ 8.103‬תגובת חמצון‪-‬חיזור מוכרחה להתרחש על מנת‬ ‫להביא לזרימת אלקטרונים בתא אלקטרוכימי‪.‬‬ ‫‪ 8.105‬סוללה‪.‬‬

‫‪answer 1-9.indd 366‬‬

‫  ת ש ו ב ו ת ל ש א ל ו ת‬

‫פרק ‪9‬‬ ‫‪ 9.1‬קרינת רנטגן‪ ,‬קרינה על־סגולה‪ ,‬האור הנראה‪ ,‬קרינה‬ ‫תת־אדומה‪ ,‬גלי מיקרו וגלי רדיו‪.‬‬ ‫‪144 Nd ‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪→ 140‬‬ ‫‪ 9.3‬‬ ‫‪60‬‬ ‫‪58 Ce + 2 He‬‬ ‫‪ 9.5‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫‪9 .7‬‬ ‫‪ 9.9‬‬ ‫‪ 9.11‬‬

‫לפוזיטרון מטען חיובי ולחלקיק בטא מטען שלילי‪.‬‬ ‫‪ 201‬שעות‬ ‫לאחר ‪ 12‬שעות (שתי מחציות חיים) נותרים רבע‬ ‫מהרדיואיזוטופים‪.‬‬ ‫איזוטופים בעלי מחצית חיים קצרה פולטים קרינה‬ ‫בקצב מהיר‪ .‬הקרינה ליחידת זמן גדולה בהרבה‬ ‫בחומרים בעלי מחצית חיים קצרה; מכאן שהאות חזק‬ ‫יותר ורגישות ההליך גבוהה יותר‪.‬‬ ‫יחידת ֶרם מביאה בחשבון את ההשפעה הביולוגית‬ ‫היחסית של הקרינה‪ ,‬נוסף לכמות הקרינה‪ .‬כך מתקבל‬ ‫אומדן טוב יותר של הנזק האפשרי של הקרינה לרקמה‬ ‫אנושית‪.‬‬ ‫רדיואקטיביות טבעית היא הדעיכה הספונטנית של‬ ‫גרעין‪ ,‬שמניבה קרניים או חלקיקים עתירי אנרגיה‪.‬‬ ‫שני פרוטונים ושני נויטרונים‪.‬‬ ‫אלקטרון בעל מטען של ‪.–1‬‬ ‫@ מטען‪β = –1 ,α = +2 :‬‬ ‫@ מסה‪β = 0.000549 amu ,α = 4 amu :‬‬ ‫= ‪ 10%‬ממהירות האור‪,‬‬ ‫@ מהירות‪ :‬אלפא‬ ‫ביתא = ‪ 90%‬ממהירות האור‬ ‫בתגובות כימיות מתרחשים צירוף‪ ,‬הפרדה וסידור‬ ‫מחדש של אטומים; לאלקטרוני ערכיות תפקיד חיוני‪.‬‬ ‫תגובות גרעיניות כוללות רק שינויים בהרכב הגרעין‪.‬‬

‫‪ 9.13‬‬

‫‪ 9.15‬‬

‫‪ 9.17‬‬ ‫‪9 .19‬‬ ‫‪ 9.21‬‬ ‫‪ 9.23‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 9.25‬‬

‫‪+‬‬

‫‪131 I ‬‬ ‫‪→ 131‬‬ ‫‪53‬‬ ‫‪54 Xe‬‬

‫‪9 .27‬‬ ‫‪ 9.29‬‬

‫‪4 He 2 +‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪235 U‬‬ ‫‪92‬‬

‫‪ 9.31‬‬

‫‪ 0 = 11 H‬נויטרונים ופרוטון אחד‬ ‫‪ = 21 H‬נויטרון אחד ופרוטון אחד‬ ‫‪ 2 = 31 H‬נויטרונים ופרוטון אחד‬

‫ ‬

‫ ‬ ‫‪ 9.33‬‬ ‫‪ 9.35‬חלקיקי אלפא וביתא הם חומר; קרינת גמא היא‬ ‫אנרגיה טהורה‪ .‬חלקיקי אלפא גדולים ואטיים יחסית‪.‬‬ ‫האנרגיה שלהם נמוכה וכושר החדירה שלהם נמוך‪.‬‬ ‫קרינת גמא נעה במהירות האור‪ ,‬האנרגיה שלה גבוהה‬ ‫וכושר החדירה שלה גבוה מאוד‪.‬‬ ‫‪ 9.37‬לאטום הליום שני אלקטרונים; לחלקיק אלפא אין‬ ‫אלקטרונים‪.‬‬ ‫‪60 Co ‬‬ ‫‪60‬‬ ‫‪→ 28 Ni + −01β + γ 9.39‬‬ ‫‪27‬‬

‫‪ 9.43‬‬

‫‪24 Na‬‬ ‫‪11‬‬

‫‪ 9.45‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪−1 e‬‬

‫‪ 9.47‬‬

‫‪262 Bh + 1 n‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ 107‬‬ ‫‪0‬‬

‫‪ 9.49‬‬ ‫‪ 9.51‬‬

‫‪0e‬‬ ‫‪1‬‬

‫‪ 9.53‬‬

‫‪237 Np‬‬ ‫‪93‬‬

‫‪ 9.57‬‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫ ‬ ‫‪ 9.59‬‬

‫‪ 9.61‬‬ ‫‪9 .63‬‬ ‫‪ 9.65‬‬ ‫‪ 9.67‬‬

‫‪15 N‬‬ ‫‪7‬‬

‫‪ 9.41‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪+ 21 H ‬‬ ‫‪→ 24‬‬ ‫‪11 Na + 1 H‬‬

‫‪23 Na‬‬ ‫‪11‬‬

‫‪+‬‬

‫‪9 .69‬‬ ‫‪ 9.71‬‬

‫‪+‬‬

‫‪24 Ne ‬‬ ‫‪→β‬‬ ‫‪10‬‬

‫‪140 Cs ‬‬ ‫‪→ 140‬‬ ‫‪55‬‬ ‫‪56 Ba‬‬

‫‪27 Al‬‬ ‫‪13‬‬

‫‪9.55‬‬

‫ ‬

‫‪+‬‬

‫א י ־ ז ו ג י ו ת   ‪367‬‬

‫‪‬‬ ‫‪→ −01 e +‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪→ 126 C‬‬ ‫‪+‬‬

‫‪54 Cr‬‬ ‫‪24‬‬

‫‪+‬‬

‫‪209 Bi‬‬ ‫‪83‬‬

‫‪27 Mg‬‬ ‫‪12‬‬

‫‪12 N‬‬ ‫‪7‬‬

‫‪241 Am ‬‬ ‫‪→ 42 α‬‬ ‫‪95‬‬

‫רדיואקטיביות טבעית היא תהליך ספונטני;‬ ‫רדיואקטיביות מלאכותית אינה ספונטנית ונובעת‬ ‫מתגובה גרעינית שיוצרת גרעין בלתי יציב‪.‬‬ ‫@ גרעינים של אטומים קלים נוטים להיות יציבים‬ ‫ביותר אם יחס הנויטרונים‪/‬פרוטונים שלהם קרוב‬ ‫ל־‪.1‬‬ ‫@ גרעינים שלהם יותר מ־‪ 84‬פרוטונים נוטים להיות‬ ‫בלתי יציבים‪.‬‬ ‫@ איזוטופים בעלי "מספר קסם" של פרוטונים או‬ ‫נויטרונים (‪ 82 ,50 ,20 ,8 ,2‬או ‪ 126‬פרוטונים או‬ ‫נויטרונים) נוטים להיות יציבים‪.‬‬ ‫@ איזוטופים בעלי מספר זוגי של פרוטונים או‬ ‫נויטרונים נוטים להיות יציבים יותר‪.‬‬ ‫‪ ; 208 O‬לחמצן‪ 20-‬יש ‪ 20 – 8 = 12‬נויטרונים‪ ,‬ויחס‬ ‫‪ n/p‬של ‪ ,12/8‬או ‪ .1.5‬יחס ה־‪ n/p‬ככל הנראה גבוה‬ ‫מדי ומעיד על חוסר יציבות‪ ,‬אף שהאיזוטופ מתאפיין‬ ‫ב"מספר קסם" של פרוטונים ובמספר זוגי של‬ ‫פרוטונים ונויטרונים‪.‬‬ ‫‪48 Cr‬‬ ‫‪ ; 24‬לכרום‪ 48-‬יש ‪ 48 – 24 = 24‬נויטרונים‪ ,‬ויחס‬ ‫‪ n/p‬של ‪ ,24/24‬או ‪ .1.0‬יש לו גם מספר זוגי של‬ ‫פרוטונים ונויטרונים‪ .‬סביר להניח שיהיה יציב‪.‬‬ ‫נותרו ‪ 0.40 mg‬של יוד‪.131-‬‬ ‫נותרו ‪ 12.5 mg‬של ברזל‪.59-‬‬ ‫השיטה שתשמש במקרה זה היא תארוך פחמן‪,14-‬‬ ‫המשמשת לקביעת גיל של חפצים‪ .‬בשיטה זו מודדים‬ ‫את יחס המסות בין האיזוטופ היציב פחמן‪12-‬‬ ‫והאיזוטופ הבלתי יציב פחמן‪ .14-‬באמצעות ערך זה‬ ‫ומחצית החיים של פחמן‪ 14-‬אפשר לחשב את גיל‬ ‫ארון הקבורה‪.‬‬ ‫ביקוע‬ ‫א‪ .‬תהליך הביקוע כולל פירוק של גרעינים גדולים‬ ‫ובלתי יציבים לגרעינים קטנים ויציבים יותר‪.‬‬ ‫בתהליך משתחררת מקצת מאנרגיית הקשירה‬ ‫בדמות חום ו‪/‬או אור‪.‬‬ ‫ב‪ .‬החום שנוצר בתהליך הביקוע יכול לשמש ליצירת‬ ‫קיטור‪ ,‬אשר משמש לסיבוב טורבינה שמייצרת‬ ‫חשמל‪.‬‬

‫‪  368‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫‪9 .73‬‬ ‫‪ 9.75‬‬ ‫‪ 9.77‬‬ ‫‪9 .79‬‬ ‫‪ 9.81‬‬ ‫‪ 9.83‬‬ ‫‪9 .85‬‬ ‫‪ 9.87‬‬

‫‪+ 11 H ‬‬ ‫‪→ 24 He + energy‬‬

‫‪3H‬‬ ‫‪1‬‬

‫כור דגירה מייצר את הדלק שיכול לשמש כור ביקוע‬ ‫רגיל בתהליך הביקוע‪.‬‬ ‫זוהי התגובה המתרחשת בכור ביקוע‪ ,‬אשר כוללת‬ ‫יצירת נויטרונים וגורמת לתגובות נוספות המלוות‬ ‫ביצירת נויטרונים נוספים באופן מתמשך‪.‬‬ ‫טמפרטורת פעילות גבוהה‪.‬‬ ‫טיפול בקרינה מספק די אנרגיה כדי להשמיד מולקולות‬ ‫חיוניות להתרבות תאים סרטניים‪.‬‬ ‫קרינת רקע‪ ,‬שהיא קרינה ממקורות טבעיים‪ ,‬נפלטת‬ ‫מהשמש כקרינה קוסמית ומאיזוטופים רדיואקטיביים‬ ‫טבעיים המצויים בסביבה‪.‬‬ ‫‪108 Ag‬‬ ‫‪47‬‬

‫‪+ 42 He ‬‬ ‫‪→ 112‬‬ ‫‪49 In‬‬ ‫א‪ .‬טכנציום‪ 99-‬משמש לחקר הלב (תפוקת הלב‪ ,‬גודלו‬

‫וצורתו)‪ ,‬הכליות (כהליך מעקב לאחר השתלת‬ ‫כליה)‪ ,‬הכבד והטחול (גודל‪ ,‬צורה והימצאות‬ ‫גידולים)‪.‬‬ ‫ב‪ .‬קסנון‪ 133-‬משמש לאיתור אזורים דלים בחמצן‬ ‫ ‬ ‫ולזיהוי גידולים בריאות‪.‬‬ ‫‪ 9.89‬רמת החשיפה תקטן‪.‬‬

‫‪ 9.91‬‬ ‫‪ 9.93‬‬

‫‪ 9.95‬‬ ‫‪ 9.97‬‬ ‫‪ 9.99‬‬ ‫ ‬ ‫‪ 9.101‬‬

‫כן‪ ,‬תהיה לה השפעה חיובית‪ .‬פוטנציאל הנזק קשור‬ ‫לא פעם ישירות למשך החשיפה‪.‬‬ ‫כן‪ ,‬תהיה לו השפעה חיובית‪ .‬מפעיל הכלים הרובוטיים‬ ‫ממוקם הרחק ממקור הקרינה‪ ,‬אין צורך במגע פיזי עם‬ ‫המקור ומחסומים של עופרת או מיגון אחר יכולים‬ ‫לבודד את המפעיל והרובוט‪.‬‬ ‫כן‪ .‬ככל שהבטון עבה יותר כך קטנה חדירות הקרינה‬ ‫דרכו‪.‬‬ ‫אפקטיביות ביולוגית יחסית היא מדד לנזק שנגרם‬ ‫לרקמה ביולוגית מסוגים שונים של קרינה‪.‬‬ ‫א‪ .‬קירי הוא כמות החומר הרדיואקטיבי הדרושה כדי‬ ‫לחולל ‪ 3.7 × 1010‬התפרקויות אטומיות בשנייה‪.‬‬ ‫ב‪ .‬רנטגן הוא כמות החומר הרדיואקטיבי הדרושה כדי‬ ‫להניב ‪ 2 × 109‬צמדי יונים במעבר דרך ‪ 1 cc‬של‬ ‫אוויר ב־‪.0ºC‬‬ ‫התג מגלה קרינת גמא משום שסרט הצילום מחשיך‬ ‫באופן פרופורציוני לכמות הקרינה שהוא נחשף אליה‬ ‫לאורך זמן‪ .‬התגים נאספים באופן תקופתי ורמת‬ ‫החשיפה שלהם לקרינה נבדקת‪ .‬רמה זו משקפת את‬ ‫רמת החשיפה של העובדים שענדו אותם‪.‬‬

‫  מ ו נ ח ו ן   ‪369‬‬

‫מונחון‬ ‫המספר המודגש שלצד כל מונח מציין את הסעיף שבו הוא‬ ‫מופיע; המספר הנוסף מציין את העמוד‪.‬‬ ‫אוסמוזה (‪ )225 ,6.4( )osmosis‬זרימה של ממס דרך ממברנה‬ ‫חדירה למחצה בתגובה למפל ריכוזים‪.‬‬ ‫אורביטל אטומי (‪ )56 ,2.5 ,2.3( )atomic orbital‬אזור מסוים‬ ‫בתת־רמה שבו יש הסתברות גבוהה למציאת אלקטרון‬ ‫והמאוכלס לכל היותר בשני אלקטרונים‪.‬‬ ‫אחוז הניצולת (‪ )163 ,4.5( )percent yield‬היחס בין הניצולת‬ ‫הממשית לניצולת התיאורטית של תגובה כימית‪ ,‬כפול ‪.100%‬‬ ‫אטום (‪ )44 ,2.1( )atom‬היחידה הקטנה ביותר של יסוד‬ ‫ששומרת על התכונות של אותו יסוד‪.‬‬ ‫אידוי (‪ )192 ,5.2( )evaporation‬המרה של נוזל לגז בטמפרטורה‬ ‫הנמוכה מנקודת הרתיחה של הנוזל‪.‬‬ ‫אי־ודאות (‪ )16 ,1.4( )uncertainty‬מידת הספק במדידה‬ ‫מסוימת‪.‬‬ ‫איזואלקטרוני (‪ )72 ,2.6( )isoelectronic‬אטומים‪ ,‬יונים או‬ ‫מולקולות שמכילים את אותו מספר אלקטרונים‪.‬‬ ‫איזוטופים (‪ )46 ,2.1( )isotopes‬אטומים של אותו יסוד‬ ‫הנבדלים במסתם משום שהם מכילים מספר שונה של‬ ‫נויטרונים‪.‬‬ ‫איזומרים (‪ )111 ,3.4( )isomers‬מולקולות שיש להן נוסחה‬ ‫מולקולרית זהה אך נוסחאות מבנה שונות‪.‬‬ ‫אינדיקטור (‪ )294 ,8.3( )indicator‬חומר המשנה את צבעו‬ ‫כתלות בסביבה הכימית שבה הוא מצוי (למשל על פי רמת‬ ‫החומציות או הבסיסיות של התמיסה)‪.‬‬ ‫אינטראקציות דיפול‪-‬דיפול (‪)dipole-dipole interactions‬‬ ‫(‪ )193 ,5.2‬כוחות משיכה בין מולקולות קוטביות‪.‬‬ ‫אל־מתכת (‪ )59 ,2.4( )non-metal‬יסוד הממוקם בצדה הימני‬ ‫של הטבלה המחזורית (מימין לקו המזוגזג)‪.‬‬ ‫אלקטרוליזה (‪ )311 ,8.5( )electrolysis‬תהליך שבו אנרגיה‬ ‫חשמלית גורמת להתרחשות תגובות חמצון‪-‬חיזור לא־‬ ‫ספונטניות‪.‬‬ ‫אלקטרוליט (‪ )104 ,6.1 ,3.3( )electrolyte‬חומר אשר מתמוסס‬ ‫במים ויוצר תמיסה המוליכה זרם חשמלי‪.‬‬ ‫אלקטרון (‪ )44 ,2.1( )electron‬חלקיק תת־אטומי הטעון‬ ‫במטען שלילי‪.‬‬ ‫אלקטרוני ערכיות (‪ )70 ,2.6( )valence electrons‬אלקטרונים‬ ‫המצויים ברמת האנרגיה החיצונית באטום‪.‬‬ ‫אלקטרושליליות (‪ )94 ,3.1( )electronegativity‬מדד לנטייה‬ ‫של אטום במולקולה למשוך אלקטרוני קשר‪.‬‬

‫אמפיפרוטי (‪ )283 ,8.1( )amphiprotic‬חומר שיכול להתנהג‬ ‫כחומצת ברונסטד או כבסיס ברונסטד‪.‬‬ ‫אנודה (‪ )310 ,8.5( )anode‬האלקטרודה הטעונה חיובית בתא‬ ‫חשמלי‪.‬‬ ‫אנטרופיה (‪ )249 ,7.1( )entropy‬מדד לאקראיות או לאי־סדר‪.‬‬ ‫אניון (‪ )71 ,2.6( )anion‬אטום או קבוצה של אטומים בעלי‬ ‫מטען שלילי‪.‬‬ ‫אנרגיה (‪ )2 ,1.6( )energy‬היכולת לבצע עבודה‪.‬‬ ‫אנרגיה חופשית (‪ )250 ,7.1( )free energy‬התרומה המשולבת‬ ‫של אנטרופיה ואנתלפיה לתגובה כימית‪.‬‬ ‫אנרגיה פוטנציאלית (‪ )27 ,1.6( )potential energy‬אנרגיה‬ ‫מאוחסנת או אנרגיה שנגרמת ממיקום או מהרכב‪.‬‬ ‫אנרגיה קינטית (‪ )27 ,1.6( )kinetic energy‬האנרגיה הנובעת‬ ‫‪1‬‬ ‫מתנועה של עצם [אנרגיה קינטית = ‪(2‬מהירות)(מסה) ]‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫אנרגיית יינון (‪ )76 ,2.7( )ionization energy‬האנרגיה שנדרשת‬ ‫להרחקת אלקטרון מאטום בפאזה הגזית‪.‬‬ ‫אנרגיית קשר (‪ )111 ,3.4( )bond energy‬כמות האנרגיה‬ ‫הנחוצה לפירוק קשר כימי‪.‬‬ ‫אנרגיית קשר גרעינית (‪ )330 ,9.3( )binding energy‬האנרגיה‬ ‫הנדרשת לפירוק של גרעין למרכיביו‪.‬‬ ‫אנרגיית שפעול (‪ )257 ,7.3( )activation energy‬סף האנרגיה‬ ‫שיש לעבור כדי שתתרחש תגובה כימית‪.‬‬ ‫אנתלפיה (‪ )247 ,7.1( )enthalpy‬מדד המייצג את אנרגיית‬ ‫המערכת‪.‬‬ ‫ביורטה (‪ )294 ,8.3( )burette‬כלי מכויל המאפשר מדידת‬ ‫נפחים של נוזל‪ ,‬כמו בטיטרציה למשל‪.‬‬ ‫ביקוע (‪ )335 ,9.4( )fission‬פיצול גרעינים כבדים לגרעינים‬ ‫קלים יותר המלווה בשחרור כמויות גדולות של אנרגיה‪.‬‬ ‫בסיס (‪ )282 ,8.1( )base‬חומר שמתנהג כמקבל פרוטונים‪.‬‬ ‫בסיס מצומד (‪ )285 ,8.1( )conjugate base‬צורון הנוצר מקבלת‬ ‫פרוטון מחומצה‪.‬‬ ‫ברומטר (‪ )175 ,5.1( )barometer‬מכשיר למדידת לחץ‪.‬‬ ‫גורם מחזר (‪ )306 ,8.5( )reducing agent‬חומר שתורם‬ ‫אלקטרונים לחומר אחר‪ .‬החומר המחזר עובר תהליך חמצון‪.‬‬ ‫גורם מחמצן (‪ )306 ,8.5( )oxidizing agent‬חומר שמקבל‬ ‫אלקטרונים מחומר אחר‪ .‬החומר המחמצן עובר תהליך חיזור‪.‬‬ ‫גז אידיאלי (‪ )175 ,5.1( )ideal gas‬גז שבו החלקיקים אינם‬ ‫יוצרים אינטראקציה ביניהם (מניחים שנפח חלקיקי הגז‬ ‫זניח)‪.‬‬

‫‪  370‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫גז אציל (‪ )59 ,2.4( )noble gas‬יסודות בקבוצה ‪ )18( VIIIA‬של‬ ‫הטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫גרעין (‪ )44 ,2.1( )nucleus‬אזור קטן‪ ,‬דחוס ובעל מטען חיובי‬ ‫במרכז האטום‪.‬‬ ‫דיאליזה (‪ )235 ,6.5( )dialysis‬סילוק חומרי פסולת במעבר‬ ‫דרך ממברנה‪.‬‬ ‫הקרבה של ערך שהתקבל‬ ‫דיוק (‪ )16 ,1.4( )accuracy‬מידת ִ‬ ‫בניסוי לערך האמיתי‪.‬‬ ‫דימות גרעיני (‪ )338 ,9.5( )nuclear imaging‬הפקת תמונות של‬ ‫חלקי הגוף (איברים‪ ,‬רקמות) באמצעות שיטות המבוססות‬ ‫על מדידת קרינה‪.‬‬ ‫דיסוציאציה (‪ )104 ,3.3( )dissociation‬היווצרות של יונים‬ ‫חיוביים ושליליים בעת התמוססות של תרכובת יונית במים‪.‬‬ ‫דיפוזיה (‪ )225 ,6.4( )diffusion‬תנועה של מולקולות חומר‬ ‫מאזור שבו ריכוזן גבוה לאזור שבו ריכוזן נמוך‪.‬‬ ‫דיפול רגעי (‪ )193 ,5.2( )instantaneous dipole‬קוטביות קצרת‬ ‫מועד של מולקולה לא־קוטבית‪.‬‬ ‫הידרט (‪ )140 ,4.2( )hydrate‬חומר שבמבנה שלו משולבות‬ ‫מולקולות מים‪.‬‬ ‫היערכות אלקטרונים (‪)61 ,2.5( )electron configuration‬‬ ‫סידור האלקטרונים באטומים‪ ,‬ביונים או במולקולות‪.‬‬ ‫היתוך גרעיני (‪ )335 ,9.4( )fusion‬תוצאה של מיזוג של שני‬ ‫גרעינים קטנים ליצירת גרעין גדול יותר‪ ,‬המלווה בשחרור‬ ‫כמויות גדולות של אנרגיה‪.‬‬ ‫הלוגן (‪ )59 ,2.4( )halogen‬יסוד שנמצא בקבוצה ‪)17( VIIA‬‬ ‫של הטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫המראה (‪ )199 ,5.3( )sublimation‬תהליך שבו מולקולות במצב‬ ‫מוצק עוברות ישירות למצב הגזי‪.‬‬ ‫הקטנת לחץ אדים (‪)221 ,6.4( )vapor pressure lowering‬‬ ‫הפחתת הנטייה של נוזל להפוך לגז כאשר מוסיפים לו מומס‪.‬‬ ‫השערה (‪ )3 ,1.1( )hypothesis‬ניסיון להסביר תצפיות על פי‬ ‫היגיון‪.‬‬ ‫זוג אלקטרונים לא־קושרים (‪ )92 ,3.4( )lone pairs‬זוג‬ ‫אלקטרונים שאינו משתתף בקשר קוולנטי‪.‬‬ ‫זיקה אלקטרונית (‪ )77 ,2.7( )electronic affinity‬השינוי‬ ‫באנרגיה המתרחש כאשר אלקטרון נוסף לאטום מבודד‪.‬‬ ‫זמן מחצית חיים (‪ )330 ,9.6 ,9.3( )t1/2 ,half life‬משך הזמן‬ ‫הנדרש לפירוק מחצית המסה ההתחלתית של החומר‪.‬‬ ‫זרז (‪ )259 ,7.3( )catalyst‬חומר המגביר את הקצב של תגובה‬ ‫כימית (באמצעות יצירת מסלול תגובה חלופי בעל אנרגיית‬ ‫שפעול נמוכה יותר)‪.‬‬

‫חום (‪ )245 ,7.1( )heat‬מעבר אנרגיה מגוף אחד למשנהו עקב‬ ‫הפרשי טמפרטורה ביניהם‪.‬‬ ‫חום סגולי (‪ )253 ,7.2( )specific heat‬כמות החום (בקלוריות)‬ ‫שנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של גרם אחד של‬ ‫חומר במעלת צלזיוס אחת‪.‬‬ ‫חומצה (‪ )282 ,8.1( )acid‬חומר שמתנהג כתורם פרוטונים‪.‬‬ ‫חומצה‪-‬בסיס מצומדים (‪,8.1( )conjugate acid-base pair‬‬ ‫‪ )285‬שני צורונים המתקבלים זה מזה באמצעות העברה של‬ ‫פרוטון‪.‬‬ ‫חומצה מצומדת (‪ )285 ,8.1( )conjugate acid‬חומר שיש לו‬ ‫פרוטון אחד יותר מאשר לבסיס שממנו הוא נגזר‪.‬‬ ‫חומר (‪ )2 ,1.1( )matter‬כל דבר שיש לו מסה ותופס נפח‪.‬‬ ‫חומר טהור (‪ )9 ,1.2( )pure substance‬חומר בעל הרכב קבוע‪.‬‬ ‫חומר פעיל שטח (‪ )191 ,5.2( )surfactant‬חומר שמוריד את‬ ‫מתח הפנים של נוזל‪.‬‬ ‫חומר רב־פרוטי (‪ )298 ,8.3( )polyprotic substance‬חומר‬ ‫שיכול לקבל או לתרום יותר מפרוטון אחד‪.‬‬ ‫חוק (‪ )4 ,1.1( )law‬סיכום כמות גדולה של מידע‪.‬‬ ‫חוק אבוגדרו (‪ )183 ,5.1( )Avogadro's law‬חוק הקובע שנפח‬ ‫הגז מתכונתי למספר המולים שלו‪ ,‬אם הלחץ והטמפרטורה‬ ‫נשארים קבועים‪.‬‬ ‫חוק בויל (‪ )177 ,5.1( )Boyle's law‬חוק הקובע שנפח הגז‬ ‫משתנה ביחס הפוך ללחץ שהגז מפעיל‪ ,‬אם מספר המולים‬ ‫והטמפרטורה של הגז נשארים קבועים‪.‬‬ ‫חוק (ה)גזים האידיאליים (‪ )185 ,5.1( )ideal gas law‬חוק‬ ‫הקובע כי עבור גז אידיאלי‪ ,‬המכפלה של לחץ הגז בנפח הגז‬ ‫מתכונתית למכפלת מספר המולים של הגז בטמפרטורה שלו‪.‬‬ ‫קבוע הפרופורציה (קבוע הגזים) של גז אידיאלי מסומן ב־‪.R‬‬ ‫חוק (ה)גזים המשולב (‪)182 ,5.1( )combined gas law‬‬ ‫משוואה שמתארת את ההתנהגות של גז בעת שינוי בו־זמני‬ ‫של הנפח‪ ,‬הלחץ או הטמפרטורה שלו‪.‬‬ ‫חוק דלטון (‪ )188 ,5.1( )Dalton's law‬חוק הקובע שהלחץ‬ ‫הכולל של תערובת גזים שווה לסכום הלחצים החלקיים‬ ‫של הגזים שמרכיבים את התערובת (נקרא גם חוק הלחצים‬ ‫החלקיים)‪.‬‬ ‫חוק הנרי (‪ )211 ,6.1( )Henry's Law‬חוק הקובע שמספר‬ ‫המולים של גז המומס בנוזל בטמפרטורה נתונה מתכונתי‬ ‫ללחץ החלקי של הגז‪.‬‬ ‫(ה)חוק (ה)מחזורי (‪ )57 ,2.4( )periodic law‬חוק הקובע כי‬ ‫התכונות של יסודות הן פונקציות מחזוריות של המספרים‬ ‫האטומיים שלהם (שימו לב שהאמירה המקורית של מנדלייב‬ ‫התבססה על מסות אטומיות)‪.‬‬ ‫חוק קצב (‪ )262 ,7.3( )rate law‬ביטוי קצב של תגובה‬ ‫באמצעות ריכוז מגיבים וקבוע קצב‪.‬‬

‫  מ ו נ ח ו ן   ‪371‬‬ ‫חוק ראול (‪ )221 ,6.4( )Raoult's law‬חוק הקובע שלחץ אדים‬ ‫של רכיב בתמיסה שווה לשבר המולי שלו כפול לחץ האדים‬ ‫של הרכיב הטהור‪.‬‬ ‫חוק שארל (‪ )179 ,5.1( )Charles law‬חוק הקובע כי נפח הגז‬ ‫מתכונתי לטמפרטורת הגז‪ ,‬אם מספר המולים והלחץ של הגז‬ ‫נשארים קבועים‪.‬‬ ‫חוק שימור המסה (‪)143 ,4.3( )law of conservation of mass‬‬ ‫חוק הקובע כי חומר אינו יכול להיווצר או להיהרס במהלך‬ ‫שינוי כימי‪ .‬חיזור (‪ )305 ,12.4 ,8.5( )reduction‬קבלת‬ ‫אלקטרונים‪ .‬בתרכובות אורגניות חיזור יכול להתבטא בקבלת‬ ‫אטומי מימן או באיבוד אטומי חמצן‪.‬‬ ‫חלקים לאלף (‪ )216 ,6.2( )parts per thousand‬מספר החלקים‬ ‫של מומס לכל אלף חלקים של תמיסה‪.‬‬ ‫חלקים למיליון (‪ )216 ,6.2( )parts per million‬מספר החלקים‬ ‫של מומס לכל מיליון חלקים של תמיסה‪.‬‬ ‫חלקיק אלפא (‪ )323 ,9.1( )alpha particle‬חלקיק המורכב‬ ‫משני פרוטונים ושני נויטרונים‪ .‬חלקיק אלפא זהה לגרעין‬ ‫הליום‪.‬‬ ‫חלקיק ביתא (‪ )324 ,9.1( )beta particle‬אלקטרון שנוצר‬ ‫בגרעין מפירוק של נויטרון לפרוטון‪.‬‬ ‫חמצון (‪ )305 ,14.1 ,13.4 ,12.4 ,8.5( )oxidation‬איבוד‬ ‫אלקטרונים‪ .‬בתרכובות אורגניות חמצון יכול להתבטא‬ ‫באיבוד של אטומי מימן או בקבלת אטומי חמצן‪.‬‬ ‫טיטור (‪ )294 ,8.3( )titration‬תהליך של הוספת כמויות‬ ‫מדודות של תמיסה תקנית לדגימה במטרה לסתור תמיסה‬ ‫שריכוזה אינו ידוע‪.‬‬ ‫טמפרטורה (‪ )26 ,1.6( )temperature‬מדד ל"חום" או ל"קור"‬ ‫היחסיים של עצם כלשהו‪.‬‬ ‫טמפרטורה ולחץ תקניים (‪standard temperature and pressure,‬‬ ‫‪ )184 ,5.1( )STP‬מוגדרים כ־‪ 273K‬ואטמוספרה אחת‪.‬‬ ‫יון (‪ )71 ,2.6( )ion‬חלקיק בעל מטען חשמלי שנוצר מקבלה‬ ‫או מאיבוד של אלקטרון‪.‬‬ ‫יון הידרוניום (‪ )283 ,8.1( )hydronium ion‬מולקולת מים‬ ‫נושאת פרוטון‪.H3O+ ,‬‬ ‫יון הידרוקסיד (‪ )283 ,8.1( )hydroxide ion‬אניון המורכב‬ ‫מאטום חמצן אחד ומאטום מימן אחד‪.OH– ,‬‬ ‫יון חד־אטומי (‪ )98 ,3.2( )monatomic ion‬יון שנוצר מאטום‬ ‫יחיד באמצעות קבלה או איבוד של אלקטרון‪.‬‬ ‫יון רב־אטומי (‪ )98 ,3.2( )polyatomic ion‬יון המורכב משני‬ ‫אטומים או יותר הקשורים זה לזה‪.‬‬ ‫יחידה (‪ )11 ,1.3( )unit‬כמות מוגדרת (של אורך‪ ,‬זמן וכו')‬ ‫שאומצה כתקן למדידה‪.‬‬

‫יחידת מסה אטומית (‪)134 ,4.1( )atomic mass unit‬‬ ‫‪1‬‬ ‫מהמסה של פחמן‪ ,12-‬שווה ל־‪.1.661×10–24 g‬‬ ‫‪12‬‬ ‫יחידת נוסחה (‪ )139 ,4.2( )formula unit‬אוסף האטומים‬ ‫הקטן ביותר שממנו אפשר לגזור נוסחה של תרכובת‪.‬‬ ‫יינון עצמי (‪ )287 ,8.1( )autoionization‬תגובה של חומר (כגון‬ ‫מים) עם עצמו שיוצרת יון חיובי ויון שלילי‪.‬‬ ‫יסוד (‪ )9 ,1.2( )element‬חומר שאי־אפשר לפרק לחומרים‬ ‫פשוטים יותר באמצעות תגובות כימיות או אמצעים‬ ‫פיזיקליים‪.‬‬ ‫יסוד מייצג (‪ )59 ,2.4( )representative element‬יסוד המשתייך‬ ‫לאחת מקבוצות הטבלה המחזורית המסומנות ב־‪.A‬‬ ‫יסוד מעבר (‪ )59 ,2.4( )transition element‬יסוד המשתייך‬ ‫לאחת מקבוצות הטבלה המחזורית המסומנות ב־‪.B‬‬ ‫כוחות בין־מולקולריים (‪)123 ,3.5( )intermolecular forces‬‬ ‫כוחות משיכה בין מולקולות‪.‬‬ ‫כוחות ון דר ואלס (‪ )193 ,5.2( )van der Waals forces‬מונח‬ ‫כללי לכוחות בין־מולקולריים שכוללים אינטראקציות‬ ‫דיפול‪-‬דיפול וכוחות לונדון‪.‬‬ ‫כוחות לונדון (‪ )193 ,5.2( )London forces‬כוחות משיכה‬ ‫חלשים בין מולקולות שנובעים מדיפולים רגעיים‪.‬‬ ‫כוחות תוך־מולקולריים (‪)123 ,3.5( )intramolecular forces‬‬ ‫כוחות משיכה בתוך מולקולות (בין האטומים)‪.‬‬ ‫כור גרעיני (‪ )334 ,9.4( )nuclear reactor‬מתקן להמרה של‬ ‫אנרגיה גרעינית לאנרגיית חשמל‪.‬‬ ‫כור תרבית (‪ )337 ,9.4( )breeder reactor‬כור גרעיני שמפיק‬ ‫את הדלק של עצמו בתהליך הפקת אנרגיה חשמלית‪.‬‬ ‫כימיה (‪ )2 ,1.1( )chemistry‬תחום המחקר של החומר‬ ‫והשינויים שהחומר עובר‪.‬‬ ‫כלל האוקטט (‪ )71 ,2.6( )octet rule‬כלל הקובע כי יסודות‬ ‫מגיבים לרוב באופן שיקנה להם את היערכות האלקטרונים‬ ‫של הגז האציל הקרוב אליהם ביותר בטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫לא־אלקטרוליט (‪ )104 ,6.1 ,3.3( )nonelectrolyte‬חומר‬ ‫שכאשר הוא מומס במים יוצר תמיסה שאינה מוליכה זרם‬ ‫חשמלי‪.‬‬ ‫לחץ (‪ )175 ,5.1( )pressure‬כוח ליחידת שטח‪.‬‬ ‫לחץ אדים של נוזל (‪ )192 ,5.2( )vapor pressure‬הלחץ‬ ‫שהאדים מפעילים על פני השטח של נוזל בשיווי משקל‪.‬‬ ‫לחץ אוסמוטי (‪ )226 ,6.4( )osmotic pressure‬הכוח נטו‬ ‫שדוחף מים לעבור דרך ממברנה חדירה למחצה; לחלופין‪,‬‬ ‫הלחץ הנדרש כדי לעצור מעבר נטו של ממס דרך ממברנה‬ ‫חדירה למחצה‪.‬‬ ‫לחץ חלקי (‪ )189 , 5.1( )partial pressure‬הלחץ שמפעיל רכיב‬ ‫אחד בתערובת גזים‪.‬‬

‫‪  372‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫מבנה זוויתי (‪ )118 ,3.4( )bent structure‬מבנה מישורי של‬ ‫מולקולה שבו זוויות קשר קטנות מ־‪.180°‬‬ ‫מבנה טטראהדרי (‪ )117 ,3.4( )tetrahedral structure‬מבנה שבו‬ ‫האטום המרכזי במולקולה קשור לארבעה מתמירים‪ .‬הקבוצות‬ ‫מאכלסות את ארבע הפינות של הטטראהדר‪.‬‬ ‫מבנה לואיס (‪ )92 ,3.1( )Lewis structure‬ייצוג של מולקולה‬ ‫(או של יון רב־אטומי) המתאר את סידור אלקטרוני הערכיות‬ ‫באטומים שבמולקולה (או ביון הרב־אטומי)‪.‬‬ ‫מבנה קווי (‪ )117 ,3.4( )linear structure‬מבנה של צורון שבו‬ ‫זוויות הקשר סביב האטומים המרכזיים שוות ל־‪.180°‬‬ ‫מגיב (‪ )142 ,4.3( )reactant‬חומר התחלתי לתגובה כימית‪,‬‬ ‫מופיע בצד שמאל של משוואה כימית‪.‬‬ ‫הקרבה בין מדידות‬ ‫מהימנות (‪ )17 ,1.4( )precision‬מידת ִ‬ ‫חוזרות של אותו גודל‪.‬‬ ‫‪8‬‬ ‫מהירות האור (‪ 2.99×10 )52 ,2.3( )speed of light‬מטר‬ ‫לשנייה בוואקום‪.‬‬ ‫מול (‪ )134 ,4.1( )mol‬כמות החומר שמכילה מספר אבוגדרו‬ ‫של חלקיקים‪.‬‬ ‫מולליות (‪ )222 ,6.4( )molality‬מספר המולים של מומס‬ ‫לקילוגרם של ממס‪.‬‬ ‫מולקולה (‪ )92 ,3.1( )molecule‬יחידה המורכבת משני אטומים‬ ‫או יותר המוחזקים יחד בקשרים קוולנטיים‪.‬‬ ‫מולריות (‪ )217 ,6.3( )molarity‬מספר המולים של מומס‬ ‫לליטר של תמיסה‪.‬‬ ‫מומס (‪ )208 ,6.1( )solute‬רכיב בתמיסה שכמותו קטנה יותר‬ ‫מזו של הממס‪.‬‬ ‫מוצק אטומרי (‪ )197 ,5.3( )network solid‬אוסף של אטומים‬ ‫שמוחזקים יחד ברשת של קשרים קוולנטיים‪.‬‬ ‫מוצק אמורפי (‪ )196 ,5.3( )amorphous solid‬מוצק ללא מבנה‬ ‫מאורגן או מסודר‪.‬‬ ‫מוצק גבישי (‪ )196 ,5.3( )crystalline solid‬מוצק בעל מבנה‬ ‫מאורגן ומסודר החוזר על עצמו‪.‬‬ ‫מוצק יוני (‪ )197 ,5.3( )ionic solid‬מוצק המורכב מיונים‬ ‫חיוביים ושליליים שמאורגנים בגביש תלת־ממדי סדור‪.‬‬ ‫מוצק מולקולרי (‪ )197 ,5.3( )molecular solid‬מוצק שבו‬ ‫המולקולות מוחזקות יחד על ידי כוחות בין־מולקולריים‪.‬‬ ‫מוצק מתכתי (‪ )197 ,5.3( )metallic solid‬מוצק שמורכב‬ ‫מאטומי מתכת המוחזקים יחד בקשרים מתכתיים‪.‬‬ ‫מחזור (‪ )59 ,2.4( )period‬כל אחת משבע שורות אופקיות של‬ ‫יסודות בטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫מטלואיד (‪ )59 ,2.4( )metalloid‬יסוד שנמצא לאורך הקו‬ ‫המודגש המזוגזג בטבלה המחזורית‪ ,‬בין המתכות לאל־מתכות‪.‬‬ ‫מטלואידים מבטאים הן תכונות של מתכות והן תכונות של‬ ‫אל־מתכות‪.‬‬ ‫מינוח כימי (‪ )95 ,3.2( )nomenclature‬מערכת למתן שמות‬ ‫לתרכובות כימיות‪.‬‬

‫מיסוך (‪ )343 ,9.6( )shielding‬שימוש בחומר להגנה מפני‬ ‫קרינה‪.‬‬ ‫ממברנה חדירה למחצה (‪,6.4( )semipermeable membrane‬‬ ‫‪ )225‬ממברנה חדירה לממס אך לא למומס‪ .‬חומר שמאפשר‬ ‫מעבר של חומרים מצדו האחד לצדו השני‪.‬‬ ‫ממברנה חדירה בררנית (‪)selectively permeable membrane‬‬ ‫(‪ )225 ,6.4‬ממברנה שמגבילה דיפוזיה של יונים ומולקולות‬ ‫מסוימים דרכה (לפי גודלם ומטענם)‪.‬‬ ‫ממס (‪ )208 ,6.1( )solvent‬רכיב בתמיסה שכמותו היא הגדולה‬ ‫ביותר בהשוואה לרכיבים האחרים‪.‬‬ ‫מנה קטלנית (‪ )347 ,9.7( )LD50 ,lethal dose‬כמות החומר‬ ‫הרעיל שגורמת למוות של ‪ 50%‬מהאוכלוסייה‪.‬‬ ‫מסה (‪ )12 ,1.3( )mass‬כמות חומר‪.‬‬ ‫מסה אטומית (‪ )46 ,4.1 ,2.1( )atomic mass‬המסה של אטום‪,‬‬ ‫מבוטאת ביחידות מסה אטומית‪.‬‬ ‫מסה מולרית (‪ )135 ,4.2 ,4.1( )molar mass‬המסה בגרמים של‬ ‫מול אחד של חומר‪.‬‬ ‫מסה‪/‬מסה באחוזים (‪,6.2( )%(m/m) ,mass/mass percent‬‬ ‫‪ )215‬ריכוז של תמיסה המבוטא כיחס בין מסת המומס למסת‬ ‫התמיסה‪ ,‬כפול ‪.100%‬‬ ‫מסה‪/‬נפח באחוזים (‪,6.2( )%(m/V) ,mass/volume percent‬‬ ‫‪ )213‬ריכוז של תמיסה המבוטא כיחס בין מסת המומס‬ ‫בגרמים לנפח התמיסה במיליליטרים‪ ,‬כפול ‪.100%‬‬ ‫מסיסות (‪ )210 ,6.1 ,3.5( )solubility‬כמות החומר שתתמוסס‬ ‫בנפח נתון של ממס בטמפרטורה מסוימת‪.‬‬ ‫מספר אבוגדרו (‪,6.022×1023 )135 ,4.1( )Avogadro's number‬‬ ‫מספר החלקיקים המצויים במול אחד של חומר‪.‬‬ ‫מספר אטומי (‪ )45 ,2.1( )atomic number‬מספר הפרוטונים‬ ‫בגרעין של אטום‪ .‬מאפיין מזהה של אטום‪.‬‬ ‫מספר מסה (‪ )45 ,2.1( )mass number‬סכום מספר הפרוטונים‬ ‫והנויטרונים באטום‪.‬‬ ‫מסת נוסחה (‪ )140 ,4.2( )formula mass‬סכום המסות‬ ‫האטומיות של כל האטומים בתרכובת‪ ,‬כפי שהם מיוצגים‬ ‫בנוסחה‪.‬‬ ‫מערכת (‪ )245 ,7.1( )system‬התהליך שנחקר‪.‬‬ ‫מפל ריכוזים (‪ )225 ,6.4( )concentration gradient‬אזור שבו‬ ‫קטן לאורך המרחק‪.‬‬ ‫הריכוז ֵ‬ ‫מצב גזי (‪ )7 ,1.2( )gaseous state‬מצב פיזיקלי של חומר‬ ‫המתאפיין בהיעדר צורה או נפח קבועים וכן בקלות דחיסה‬ ‫של החומר‪.‬‬ ‫מצב יסוד (‪ )55 ,2.3( )ground state‬המצב האלקטרוני של‬ ‫אטום שבו כל האלקטרונים נמצאים ברמות האנרגיה הנמוכות‬ ‫ביותר האפשריות‪.‬‬ ‫מצב מוצק (‪ )7 ,1.2( )solid state‬מצב פיזיקלי של חומר‬ ‫המתאפיין בקשיחות ובנפח ובצורה קבועים‪.‬‬

‫  מ ו נ ח ו ן   ‪373‬‬ ‫מעֹורר (‪ )55 ,2.3( )excited state‬מצב אלקטרוני של‬ ‫ָ‬ ‫מצב‬ ‫אטום שבו אלקטרון אחד או יותר מועברים לרמת אנרגיה‬ ‫גבוהה יותר עקב קליטת אנרגיה במצב היסוד‪.‬‬ ‫מצב נוזלי (‪ )7 ,1.2( )liquid state‬מצב פיזיקלי של חומר‬ ‫שמתאפיין בנפח קבוע והיעדר צורה קבועה‪.‬‬ ‫משוואה גרעינית (‪ )326 ,9.2( )nuclear equation‬משוואה‬ ‫מאוזנת המציגה את המגיבים והתוצרים בתגובה גרעינית‪.‬‬ ‫משוואה כימית (‪ )142 ,4.3( )chemical equation‬תיעוד של‬ ‫שינוי כימי שמציג את ההמרה של מגיבים לתוצרים‪.‬‬ ‫(‪Henderson-Hasselbalch‬‬ ‫הנדרסון‪-‬האסלבך‬ ‫משוואת‬ ‫‪ )303 ,8.4( )equation‬משוואה לחישוב ה־‪ pH‬של מערכת‬ ‫בופר‪:‬‬ ‫בסיס מצומד‬ ‫‪pH = p K a + log‬‬

‫חומצה חלשה‬ ‫משולש מישורי (‪ )117 ,3.4( )trigonal planar‬מבנה שבו‬ ‫האטום המרכזי במולקולה קשור לשלושה אטומים שנמצאים‬ ‫בקודקודים של משולש שווה־צלעות‪ .‬כל האטומים מצויים על‬ ‫מישור אחד וכל זוויות הקשר שוות ל־‪.120°‬‬ ‫משקל (‪ )12 ,1.3( )weight‬הכוח שמפעילה הכבידה על גוף‪.‬‬ ‫משקע (‪ )151 ,6.1 ,4.4( )precipitate‬חומר קשה תמס שנוצר‬ ‫בתמיסה ונפרד ממנה‪.‬‬ ‫מתח פנים (‪ )191 ,5.2( )surface tension‬מדד לחוזקם של‬ ‫כוחות משיכה בשטח הפנים של נוזל‪.‬‬ ‫מתכת (‪ )59 ,2.4( )metal‬יסוד שממוקם בצד השמאלי של‬ ‫הטבלה המחזורית (משמאל לקו המודגש המזוגזג)‪ .‬חומר‬ ‫שהאטומים שלו נוטים לאבד אלקטרונים במהלך שינויים‬ ‫כימיים‪.‬‬ ‫מתכת אלקלית (‪ )59 ,2.4( )alkali metal‬יסוד בקבוצה ‪)1( IA‬‬ ‫של הטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫מתכת אלקלית עפרורית (‪)59 ,2.4( )alkaline earth metal‬‬ ‫יסוד בקבוצה ‪ )2( IIA‬של הטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫נויטרון (‪ )44 ,2.1( )neutron‬חלקיק לא טעון בגרעין האטום‪,‬‬ ‫בעל מסה דומה לזו של פרוטון‪.‬‬ ‫נוסחה כימית (‪ )139 ,4.2( )chemical formula‬ייצוג של‬ ‫תרכובת או יון שבו סמלים של יסודות המייצגים סוגים של‬ ‫אטומים ומספרים בכתב תחתי המסמנים את המספר היחסי‬ ‫של האטומים‪.‬‬ ‫נוקליד (‪ )323 ,9.1( )nuclide‬כל אטום שמתאפיין במספר‬ ‫אטומי ובמספר מסה‪.‬‬ ‫ניצולת תיאורטית (‪ )163 ,4.5( )theoretical yield‬הכמות‬ ‫המקסימלית של תוצר שיכולה להיווצר מכמות נתונה של‬ ‫מגיב‪.‬‬ ‫נפח מולרי (‪ )184 ,5.1( )molar volume‬הנפח שתופס מול‬ ‫אחד של חומר‪.‬‬ ‫נקודה סטויכיומטרית (‪)294 ,8.3( )equivalence point‬‬ ‫המצב שבו מספר המולים של יוני ההידרוקסיד‪/‬ההידרוניום‬

‫שמוספים לתמיסה שווה למספר המולים של יוני ההידרוניום‪/‬‬ ‫ההידרוקסיד המצויים בתמיסה המטוטרת‪.‬‬ ‫נקודת התכה (‪ )103 ,5.2 ,3.3( )melting point‬הטמפרטורה‬ ‫שבה מוצק הופך לנוזל‪.‬‬ ‫נקודת רתיחה (‪ )103 ,3.3( )boiling point‬הטמפרטורה שבה‬ ‫נוזל הופך לגז‪ .‬בטמפרטורה זו לחץ האדים של נוזל שווה‬ ‫ללחץ האטמוספרי‪.‬‬ ‫נקודת רתיחה נורמלית (‪)192 ,5.2( )normal boiling point‬‬ ‫הטמפרטורה שבה חומר רותח בלחץ של אטמוספרה אחת‪.‬‬ ‫נתונים (‪ )4 ,1.1( )data‬תוצאות של מדידות או של תצפיות‪.‬‬ ‫סביבה (‪ )245 ,7.1( )environment‬היקום שמחוץ למערכת‪.‬‬ ‫סדר התגובה (‪ )262 ,7.3( )reaction order‬סכום החזקות של‬ ‫כל ריכוז במשוואת הקצב‪.‬‬ ‫סולם ‪ )288 ,8.2( )pH scale( pH‬ייצוג מספרי של חומציות או‬ ‫בסיסיות של תמיסה‪pH = –log[H3O+] .‬‬ ‫סימול לואיס (‪ )88 ,3.1( )Lewis symbol‬ייצוג של אטום (או‬ ‫של יון) באמצעות הסמל האטומי (עבור הגרעין ואלקטרוני‬ ‫הליבה) ונקודות שמייצגות את אלקטרוני הערכיות‪.‬‬ ‫סימול מדעי (‪ )15 ,1.4( )scientific notation‬ייצוג מספרים‬ ‫כחזקות של עשר‪.‬‬ ‫סמן (‪ )338 ,9.5( )tracer‬איזוטופ רדיואקטיבי שמועבר באופן‬ ‫מהיר ובררני לחלק בגוף שאותו רוצים לאבחן‪.‬‬ ‫ספקטרוסקופיה (‪ )51 ,2.3( )spectroscopy‬תחום מחקר העוסק‬ ‫בפעולת הגומלין בין חומר לבין קרינה אלקטרומגנטית‪.‬‬ ‫ספרות ערך (‪ )14 ,1.4( )significant figures‬כל הספרות הידועות‬ ‫בוודאות במספר ולצדן הספרה הראשונה שאינה ודאית‪.‬‬ ‫סריג גבישי (‪ )91 ,3.1( )crystal lattice‬יחידה של מוצק‬ ‫המאופיינת במערך סדור של רכיבים‪.‬‬ ‫סתירה (‪ )294 ,8.3( )neutralization‬התגובה בין חומצה ובסיס‪.‬‬ ‫עיבוי (‪ )192 ,5.2( )condensation‬המרה של גז לנוזל‪.‬‬ ‫עקרון לה־שטלייה (‪ )270 ,7.4( )LeChatelier's principle‬חוק‬ ‫שקובע כי כאשר מפעילים עקה על מערכת שנמצאת בשיווי‬ ‫משקל דינמי‪ ,‬שיווי המשקל נוטה להשתנות בדרך המפחיתה‬ ‫את השפעת העקה‪.‬‬ ‫ערך קלורי (‪ )254 ,7.2( )fuel value‬כמות האנרגיה הנגזרת‬ ‫ממסה נתונה של חומר‪.‬‬ ‫פוזיטרון (‪ )327 ,9.1( )positron‬חלקיק בעל מסה זהה לזו של‬ ‫אלקטרון ומטען הפוך (‪.)+‬‬ ‫פירמידה משולשת (‪ )118 ,3.4( )trigonal pyramidal‬מבנה‬ ‫מרחבי של מולקולה שבו לאטום המרכזי קשורות שלוש‬ ‫קבוצות‪ ,‬הנמצאות במרחק שווה ממנו‪.‬‬ ‫פרוטון (‪ )44 ,2.1( )proton‬חלקיק בעל מטען חיובי בגרעין‬ ‫האטום‪.‬‬

‫‪  374‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫צמיגות (‪ )190 ,5.2( )viscosity‬מדד להתנגדות לזרימת חומר‬ ‫בטמפרטורה קבועה‪.‬‬ ‫צפיפות (‪ )28 ,1.6( )density‬מסה ליחידת נפח של חומר‪.‬‬ ‫צפיפות אלקטרונית (‪ )56 ,2.3( )electron density‬הסבירות‬ ‫למציאת אלקטרון במיקום מסוים‪.‬‬ ‫צפיפות סגולית (‪ )33 ,1.6( )specific gravity‬היחס בין צפיפות‬ ‫של חומר לצפיפות המים ב־‪ 4°C‬או בכל טמפרטורת ייחוס‬ ‫אחרת‪.‬‬ ‫קבוע הגזים (‪ )185 ,5.1( )gas constant‬קבוע השווה ליחס‬ ‫בין מכפלת הנפח והלחץ של גז אידיאלי לבין מכפלת מספר‬ ‫המולים שלו והטמפרטורה (בקלווין)‪ .‬מסומן ב־‪ R‬וערכו‬ ‫‪.0.0821 L ∙ atm ∙ K–1 ∙ mol–1‬‬ ‫קבוע היינון העצמי של המים (‪)ion product of water‬‬ ‫(‪ )288 ,8.1‬מכפלת הריכוזים של יוני ההידרוניום ושל יוני‬ ‫ההידרוקסיד במים טהורים בטמפרטורה נתונה‪ .‬ב־‪ ,25°C‬ערך‬ ‫הקבוע שווה ל־‪.1.0×10–14‬‬ ‫קבוע קצב (‪ )262 ,7.3( )rate constant‬קבוע הפרופורציה‬ ‫שמקשר בין קצב של תגובה לריכוז המגיבים‪.‬‬ ‫קבוע שיווי משקל (‪ )265 ,7.4( )equilibrium constant‬היחס‬ ‫בין מכפלת ריכוזי המגיבים בשיווי משקל למכפלת ריכוזי‬ ‫התוצרים בשיווי משקל‪ ,‬כאשר כל ריכוז מועלה בחזקה‬ ‫המתאימה למקדם שלו במשוואה המאוזנת‪.‬‬ ‫קבוצה (‪ )58 ,2.4( )group‬עמודה אנכית בטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫לעתים קרובות נקראת משפחה‪.‬‬ ‫קומפלקס משופעל (‪ )257 ,7.3( )activated complex‬מצב‬ ‫מעבר לא יציב הנוצר במהלך תגובה כימית (בעל האנרגיה‬ ‫הפוטנציאלית הגבוהה ביותר)‪.‬‬ ‫קטיון (‪ )71 ,2.6( )cation‬אטום או קבוצה של אטומים בעלי‬ ‫מטען חיובי‪.‬‬ ‫קיבול בופר (‪ )300 ,8.4( )buffer capacity‬מדד ליכולת של‬ ‫תמיסת הבופר לשמור על רמת ה־‪ pH‬כאשר מוסיפים לה‬ ‫חומצה או בסיס חזקים‪.‬‬ ‫קינטיקה (‪ )256 ,7.3( )kinetics‬תחום המחקר העוסק בקצב‬ ‫של תגובות כימיות‪.‬‬ ‫קירי (‪ )346 ,9.7( )curie‬כמות החומר הרדיואקטיבי שיוצרת‬ ‫‪ 3.7×1010‬התפרקויות אטומיות בשנייה‪.‬‬ ‫קלוריה תזונתית (‪ )254 ,7.2( )nutritional calorie‬יחידה‬ ‫המשמשת לדיווח על הערך הקלורי של מזון‪ .‬שוות ערך‬ ‫לקילוקלוריה אחת (‪ 1,000‬קלוריות)‪ .‬ידועה גם כקלוריה גדולה‪.‬‬ ‫קלורימטריה (‪ )252 ,7.2( )calorimetry‬מדידת השינויים‬ ‫באנרגיית החום במהלך תגובות כימיות‪.‬‬ ‫קצב של תגובה כימית (‪)256 ,7.3( )rate of chemical reaction‬‬ ‫השינוי בריכוז מגיב או תוצר ליחידת זמן‪.‬‬ ‫קרינה אלקטרומגנטית (‪)52 ,2.3( )electromagnetic radiation‬‬ ‫אנרגיה שמועברת בגלים במהירות האור‪.‬‬

‫קרינה מייננת (‪ )324 ,9.5 ,9.1( )ionizing radiation‬קרינה‬ ‫בעלת אנרגיה גבוהה מספיק כדי לגרום ליצירת יון כאשר היא‬ ‫פוגעת באטום‪.‬‬ ‫קרינת רקע (‪ )343 ,9.6( )background radiation‬קרינה שנובעת‬ ‫ממקורות טבעיים‪.‬‬ ‫קרן גמא (‪ )324 ,9.1( )gamma ray‬פליטה של אנרגיה גבוהה‬ ‫מתהליכים גרעיניים‪ ,‬שנעה במהירות האור‪ .‬נמצאת בתחום‬ ‫האנרגיה הגבוהה של הספקטרום האלקטרומגנטי‪.‬‬ ‫קשר יוני (‪ )89 ,3.1( )ionic bonding‬משיכה חשמלית בין יונים‬ ‫מנוגדי מטען‪.‬‬ ‫קשר יחיד (‪ )105 ,3.4( )single bond‬קשר שבו שני אטומים‬ ‫חולקים זוג אחד של אלקטרונים‪.‬‬ ‫קשר כימי (‪ )88 ,3.1( )chemical bond‬כוח המשיכה המחזיק‬ ‫יחד גרעינים של שני אטומים בתרכובת כימית‪.‬‬ ‫קשר כפול (‪ )105 ,3.4( )double bond‬קשר שבו שני אטומים‬ ‫חולקים שני זוגות אלקטרונים‪.‬‬ ‫קשר משולש (‪ )111 ,3.4( )triple bond‬קשר שבו שני אטומים‬ ‫חולקים שלושה זוגות אלקטרונים‪.‬‬ ‫קשר מתכתי (‪ )197 ,5.3( )metallic bond‬המשיכה החשמלית‬ ‫הפועלת בין "ים האלקטרונים" לבין קטיוני המתכת‪.‬‬ ‫קשר קוולנטי (‪ )89 ,3.1( )covalent bonding‬שיתוף של‬ ‫אלקטרונים בין שני אטומים‪.‬‬ ‫קשר קוולנטי קוטבי (‪ )94 ,3.1( )polar covalent bond‬קשר‬ ‫קוולנטי שבו אלקטרוני הקשר אינם נמשכים לשני הגרעינים‬ ‫באופן שווה‪.‬‬ ‫קשרי מימן (‪ )193 ,5.2( )hydrogen bonding‬משיכה חשמלית‬ ‫בין אטום מימן‪ ,‬הטעון במטען חלקי חיובי גדול יחסית‪ ,‬לבין זוג‬ ‫אלקטרונים לא קושרים על אטום קטן בעל אלקטרושליליות‬ ‫גבוהה במולקולה סמוכה‪.‬‬ ‫קתודה (‪ )310 ,8.5( )cathode‬האלקטרודה הטעונה שלילית‬ ‫בתא חשמלי‪.‬‬

‫ר‬

‫אד (‪ )347 ,9.7( )rad‬קיצור של ‪radiation absorbed dosage‬‬

‫(מנת הקרינה הנבלעת)‪ ,‬מנת הקרינה שיכולה להעביר‬ ‫‪ 2.4×10–3‬קלוריות של אנרגיה לקילוגרם אחד של חומר‪.‬‬ ‫רדיואקטיביות (‪ )322 ,9.1( )radioactivity‬תהליך של פליטת‬ ‫אנרגיה וחלקיקים מגרעיני אטומים מסוימים; הדעיכה‬ ‫הספונטנית של גרעין שבה נוצר גרעין שונה‪.‬‬ ‫רדיואקטיביות טבעית (‪)340 ,9.5( )natural radioactivity‬‬ ‫דעיכה ספונטנית של איזוטופים בלתי יציבים היוצרת קרינה‬ ‫או חלקיקים עתירי אנרגיה‪.‬‬ ‫רדיואקטיביות מלאכותית (‪)340 ,9.5( )artificial radioactivity‬‬ ‫קרינה שנובעת מהמרה של גרעין יציב לגרעין אחר שאינו‬ ‫יציב‪.‬‬ ‫רזוננס (‪ )112 ,3.4( )resonance‬מצב שמתרחש כאשר אפשר‬ ‫לשרטט יותר ממבנה לואיס אחד עבור מולקולה מסוימת‪.‬‬

‫  מ ו נ ח ו ן   ‪375‬‬ ‫ריכוז (‪ )28 ,6.2 ,1.6( )concentration‬מדד של כמות חומר‬ ‫שנמצאת בנפח מסוים‪.‬‬ ‫ֶרם (‪ )347 ,9.7( )rem‬קיצור של ‪roentgen equivalent for man‬‬ ‫(שקולת מנה)‪ ,‬יחידה המתארת את הנזק הביולוגי שנגרם‬ ‫עקב בליעת סוגים שונים של קרינה בגוף האדם‪ .‬מכפלה של‬ ‫ראד ו־‪( RBE‬אפקטיביות ביולוגית יחסית)‪.‬‬ ‫רמות אנרגיה (‪ )55 ,2.3( )energy levels‬אזורים באטום‬ ‫שהסבירות להימצאות אלקטרונים בהם היא גבוהה‪.‬‬ ‫רמות אנרגיה ראשיות (‪)62 ,2.5( )principal energy level‬‬ ‫אזורים שבהם הסיכוי למציאת אלקטרונים גבוה‪ .‬מסומנות‬ ‫בערכים שלמים‪ n = 2 ,n = 1 :‬וכן הלאה‪.‬‬ ‫רנטגן (‪ )346 ,9.7( )roentgen‬מנת הקרינה שמייצרת‬ ‫‪ 2.0×109‬יונים ב־‪ 1 cm3‬של אוויר ב־‪ 0°C‬ובלחץ של‬ ‫אטמוספרה אחת‪.‬‬ ‫רפואה גרעינית (‪ )338 ,9.5( )nuclear medicine‬תחום ברפואה‬ ‫שעושה שימוש באיזוטופים רדיואקטיביים למטרות אבחון‬ ‫וריפוי‪.‬‬ ‫שגיאה (‪ )16 ,1.4( )error‬ההפרש בין ערך אמיתי של נתונים‬ ‫או תוצאות לבין הערך שהתקבל בניסוי‪.‬‬ ‫שיווי משקל דינמי (‪ )264 ,7.4( )dynamic equilibrium‬מצב‬ ‫שבו קצב השינוי בריכוז התוצרים שווה לקצב השינוי בריכוז‬ ‫המגיבים‪ ,‬ולכן אין שינוי נטו בריכוז‪.‬‬ ‫שיווי משקל כימי (‪ )265 ,7.4( )chemical equilibrium‬מצב‬ ‫שבו הקצב של התגובה בכיוון אחד שווה לקצב התגובה בכיוון‬ ‫ההפוך‪.‬‬ ‫שיטה מדעית (‪ )3 ,1.1( )scientific method‬תהליך של חקר‬ ‫הסביבה המבוסס על ניסויים‪.‬‬ ‫שינוי כימי (‪ )8 ,1.2( )chemical change‬תהליך שבו אטום‬ ‫מסר‪ ,‬מוחלף או נוסף‪,‬‬ ‫אחד או יותר של חומר מסודר מחדש‪ָ ,‬‬ ‫ונוצר חומר חדש‪.‬‬ ‫שינוי פיזיקלי (‪ )7 ,1.2( )physical change‬שינוי בצורה של‬ ‫חומר אך לא בהרכבו הכימי‪ .‬בשינוי פיזיקלי לא נשברים‬ ‫קשרים כימיים‪.‬‬ ‫שיתוך (‪ )306 ,8.5( )corrosion‬חמצון לא רצוי של מתכת‪.‬‬ ‫שקולה (‪ )232 ,6.5( )equivalent‬כמות החומר (בגרמים)‬ ‫הקולטת או פולטת מספר אבוגדרו של מטענים חשמליים‪.‬‬ ‫תא אלקטרוכימי (‪ )310 ,8.5( )electrochemical cell‬התקן‬ ‫שממיר אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית‪.‬‬ ‫תארוך פחמן‪ )333 ,9.3( )radiocarbon dating( 14-‬הערכת גיל‬ ‫של עצמים באמצעות מדידת יחסי הכמויות של איזוטופים‬ ‫של פחמן‪.‬‬ ‫תגובה אנדותרמית (‪ )246 ,7.1( )endothermic reaction‬שינוי‬ ‫כימי או פיזיקלי שבמהלכו נקלטת אנרגיה‪.‬‬

‫תגובה אקסותרמית (‪ )245 ,7.1( )exothermic reaction‬שינוי‬ ‫כימי או פיזיקלי שבמהלכו משתחררת אנרגיה‪.‬‬ ‫תגובה הפיכה (‪ )263 ,7.4( )reversible reaction‬תגובה שיכולה‬ ‫להתקדם קדימה או אחורה – ממגיבים לתוצרים או מתוצרים‬ ‫למגיבים‪.‬‬ ‫תגובה כימית (‪ )8 ,1.2( )chemical reaction‬תהליך שבו‬ ‫אטומים מסודרים מחדש ונוצרים שילובים חדשים‪ .‬מונח‬ ‫נרדף לשינוי כימי‪.‬‬ ‫תגובת הרכבה (‪ )144 ,4.3( )combination reaction‬תגובה שבה‬ ‫שני חומרים מצטרפים זה לזה ויוצרים חומר אחר‪.‬‬ ‫תגובת התמרה יחידה (‪,4.3( )single replacement reaction‬‬ ‫‪ )145‬תגובה שבה אטום אחד במולקולה מוחלף באחר‪.‬‬ ‫תגובת התמרה כפולה (‪,4.3( )double replacement reaction‬‬ ‫‪ )145‬תגובה שבה שתי תרכובות מחליפות ביניהן אטומים‬ ‫ומניבות שתי תרכובות חדשות‪.‬‬ ‫תגובת חומצה‪-‬בסיס (‪ )153 ,4.4( )acid-base reaction‬תגובה‬ ‫שמתרחש בה מעבר של יון מימן (‪ )H+‬ממגיב אחד לשני‪.‬‬ ‫תגובת חמצון‪-‬חיזור (‪,4.4( )oxidation-reduction reaction‬‬ ‫‪ )153‬נקראת גם תגובת ‪ .redox‬תגובה שמתרחש בה מעבר‬ ‫של אלקטרון אחד או יותר ממגיב אחד לאחר‪.‬‬ ‫תגובת פירוק (‪ )145 ,4.3( )decomposition reaction‬פירוק של‬ ‫חומר לשני חומרים או יותר‪.‬‬ ‫תגובת שרשרת (‪ )335 ,9.4( )chain reaction‬התהליך בכור‬ ‫ביקוע גרעיני שבו מופק נויטרון ומתרחשות תגובות עוקבות‬ ‫המלוות בייצור של נויטרונים נוספים בתהליך מתמשך‪.‬‬ ‫תוצאה (‪ )4 ,1.1( )result‬מענה על שאלה שהוצגה בתהליך‬ ‫המדעי המבוסס על הנתונים שהתקבלו בניסוי או בתצפית‪.‬‬ ‫תוצר (‪ )142 ,19.1 ,4.3( )product‬הצורון הכימי שנובע מתגובה‬ ‫כימית ומופיע בצד ימין של משוואה כימית‪.‬‬ ‫תיאוריה (‪ )3 ,1.1( )theory‬השערה שנתמכת בבדיקה מקיפה‪,‬‬ ‫אשר מסבירה וחוזה עובדות‪.‬‬ ‫(ה)תיאוריה הקינטית של הגזים (‪)176 ,5.1( )kinetic theory‬‬ ‫המודל הבסיסי של התנהגות חלקיקים בפאזה הגזית‪.‬‬ ‫תיאוריית ארניוס (‪ )282 ,8.1( )Arrhenius theory‬תיאוריה‬ ‫המתארת חומצה כחומר שמתפרק ומניב ‪ ,H+‬ובסיס כחומר‬ ‫שמתפרק ומניב –‪.OH‬‬ ‫תיאוריית ברונסטד‪-‬לאורי (‪,8.1( )Brønstad-Lowry theory‬‬ ‫‪ )283‬תיאוריה המתארת חומצה כתורמת פרוטון ובסיס‬ ‫כמקבל פרוטון‪.‬‬ ‫תיאוריית הדחייה בין זוגות האלקטרונים ברמת הערכיות‬ ‫(‪)117 ,3.4( )VSEPR ,valence-shell electron-pair repulsion‬‬ ‫מודל שחוזה גאומטריה מבנית באמצעות הנחת היסוד שלפיה‬ ‫זוגות אלקטרונים יסתדרו רחוק ככל האפשר זה מזה כדי‬ ‫למזער את הדחייה ביניהם‪.‬‬ ‫תכונה אינטנסיבית (‪ )9 ,1.2( )intensive property‬תכונה של‬ ‫חומר שאינה תלויה בכמות החומר‪.‬‬

‫‪  376‬ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬

‫תכונה אקסטנסיבית (‪ )9 ,1.2( )extensive property‬תכונה של‬ ‫חומר שתלויה בכמות החומר‪.‬‬ ‫תכונה קוליגטיבית (‪ )221 ,6.4( )colligative property‬תכונה‬ ‫של תמיסה שתלויה אך ורק בריכוז חלקיקי המומס‪.‬‬ ‫תכונות כימיות (‪ )8 ,1.2( )chemical properties‬מאפיינים של‬ ‫חומר שקשורים לפעילותו בתגובה כימית‪.‬‬ ‫תכונות פיזיקליות (‪ )7 ,1.2( )physical properties‬מאפיינים‬ ‫של חומר שאפשר לצפות בהם מבלי שהחומר יעבור שינוי‬ ‫(לדוגמה צבע‪ ,‬צפיפות‪ ,‬נקודות התכה ורתיחה)‪.‬‬ ‫תמיסה (‪ )208 ,6.1( )solution‬תערובת הומוגנית של שני‬ ‫חומרים או יותר‪.‬‬ ‫תמיסה איזוטונית (‪ )228 ,6.4( )isotonic solution‬תמיסה‬ ‫בעלת ריכוז מומסים זהה לזה של תמיסה אחרת שמושווית‬ ‫אליה; תמיסה בעלת לחץ אוסמוטי זהה לזה של תמיסה בתוך‬ ‫תא‪.‬‬ ‫תמיסה היפוטונית (‪ )228 ,6.4( )hypotonic solution‬תמיסה‬ ‫בעלת ריכוז מומסים נמוך מזה של תמיסה אחרת שמושווית‬ ‫אליה; תמיסה בעלת לחץ אוסמוטי נמוך מזה של תמיסה‬ ‫בתוך התא‪.‬‬ ‫תמיסה היפרטונית (‪ )228 ,6.4( )hypertonic solution‬תמיסה‬ ‫בעלת ריכוז מומסים גבוה מזה של תמיסה אחרת שמושווית‬ ‫אליה; תמיסה בעלת לחץ אוסמוטי גבוה מזה של תמיסה‬ ‫בתוך התא‪.‬‬ ‫תמיסה מימית (‪ )208 ,6.1( )aqueous solution‬תמיסה שבה‬ ‫הממס הוא מים‪.‬‬ ‫תמיסה רוויה (‪ )210 ,6.1( )saturated solution‬תמיסה המכילה‬ ‫את כל המומס שאפשר להמיס בה בטמפרטורה נתונה‪.‬‬

‫תמיסה רוויה ביתר (‪)211 ,6.1( )supersaturated solution‬‬ ‫תמיסה מרוכזת יותר מתמיסה רוויה (שימו לב שתמיסה כזו‬ ‫אינה נמצאת בשיווי משקל)‪.‬‬ ‫תמיסה תקנית (‪ )294 ,8.3( )standard solution‬תמיסה‬ ‫שריכוזה המדויק ידוע‪.‬‬ ‫תמיסת בופר (‪ )299 ,8.4( )buffer solution‬תמיסה המכילה‬ ‫חומצה או בסיס חלשים ואת המלח שלהם (הבסיס או‬ ‫החומצה המצומדים) ועמידה לשינויים גדולים ב־‪ pH‬הנובעים‬ ‫מהוספה של חומצה או בסיס חזקים‪.‬‬ ‫תערובת (‪ )9 ,1.2( )mixture‬חומר שמורכב משני חומרים או‬ ‫יותר‪.‬‬ ‫תערובת הומוגנית (‪ )10 ,1.2( )homogeneous mixture‬תערובת‬ ‫של שני חומרים או יותר שמתאפיינת בהרכב אחיד‪.‬‬ ‫תערובת הטרוגנית (‪)10 ,1.2( )heterogeneous mixture‬‬ ‫תערובת של שני חומרים או יותר שמתאפיינת בהרכב לא‬ ‫אחיד‪.‬‬ ‫תרחיף (‪ )210 ,6.1( )suspension‬תערובת הטרוגנית של‬ ‫חלקיקים‪ .‬החלקיקים המורחפים גדולים מאלה שמצויים‬ ‫בתרחיף קולואידי‪.‬‬ ‫תרחיף קולואידי (‪ )209 ,6.1( )colloidal suspension‬תערובת‬ ‫הטרוגנית של חלקיקי מומס בממס‪ .‬פיזור חלקיקי המומס‬ ‫אינו אחיד עקב גודל החלקיקים‪.‬‬ ‫תרכובת (‪ )9 ,1.2( )compound‬חומר בעל הרכב קבוע שאפשר‬ ‫לפרקו ליסודות באופן כימי‪.‬‬ ‫תרמודינמיקה (‪ )244 ,7.1( )thermodynamics‬ענף במדע‬ ‫שעוסק בחקר הקשר בין אנרגיות של מערכות‪ ,‬עבודה וחום‪.‬‬ ‫תת־רמה (‪ )62 ,2.5( )sublevel‬קבוצה של אורביטלים שווי‬ ‫אנרגיה ברמת אנרגיה ראשית‪.‬‬

377   ‫ה י ו צ ר י ם‬

‫רשימת בעלי זכויות‬

  

‫רשימת בעלי זכויות היוצרים‬ .‫אנו מודים לבעלי זכויות היוצרים על הרשות להשתמש בפריטים המופיעים בספר זה‬

We are grateful to the copyright holders who granted their permission to use the items that appear in this book.

1 ‫פרק‬ 1 ‫איור בעמוד‬

© PureStock www.fotosearch.com

3 ‫איור בעמוד‬

© Fotosearch Platinum www.fotosearch.com

5 ‫איור בעמוד‬

© Corbis www.fotosearch.com

1.2 ‫איור‬ ;By permission of © Gettyimages/‫) אימג'בנק‬1( ;Shutterstock/ Vaclav Volrab )2( ;By permission of © David Parker / Seagate S12 Ltd. / Science Source )3( Courtesy APHIS, PPG, Otis Methods Development Center, USDA )4( 1.3 ‫איור‬ ;By permission of © Gettyimages/‫) אימג'בנק‬1( ;© The McGraw-Hill Companies, Inc./Jeff Topping, photographer )2( © The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Resenstock, photographer )3( 1.4 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Ken Karp, photographer

1.5 ‫איור‬ ;Shutterstock/ Africa Studio ,‫משמאל לימין‬

;By permission of © ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY/SPL/Visualphotos By permission of © Gettyimages/‫אימג'בנק‬ 11 ‫איור בעמוד‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./John Thoeming, photographer

1.9 ,1.7 ‫איורים‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

21 ‫איור בעמוד‬

Shutterstock/ Maxim Blinkov

25 ‫איור בעמוד‬

Courtesy of © Dan Stober / Stanford News Service

‫  ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬378

1.12 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

29 ‫איור בעמוד‬

By permission of © Gettyimages/‫אימג'בנק‬

34 ‫איור בעמוד‬

© Fotosearch Silver www.fotosearch.com

2 ‫פרק‬ 43 ‫איור בעמוד‬

Courtesy of "NASA Gateway to Astronaut Photography of Earth."

2.1 ‫איור‬ ‫באדיבות מעבדות המחקר של יבמ‬ 2.6 ‫איור‬

Shutterstock/ Andrea Danti

54 ‫איורים בעמוד‬ ;By permission of © Earth Satellite Corporation / Science Source ,‫למעלה‬ By permission of © Scott Camazine / Science Source ,‫למטה‬ 56 ‫איור בעמוד‬

Shutterstock/ Botond Horvath

59 ‫איור בעמוד‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Stephen Frisch, photographer

2.14 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Jacques Cornell, photographer

3 ‫פרק‬ 87 ‫איור בעמוד‬

By permission of © Javier Trueba / MSF / Science Source

3.2 ‫איור‬ © The McGraw-Hill Companies, Inc./Dennis strete, photographer )3( 93 ‫איור בעמוד‬

By permission of © Gettyimages/‫אימג'בנק‬

103 ‫איור בעמוד‬

Shutterstock/ ArtFamily

4 ‫פרק‬ 133 ‫איור בעמוד‬

© Fotosearch Platinum www.fotosearch.com

379   ‫ה י ו צ ר י ם‬

‫רשימת בעלי זכויות‬

   4.3 ,4.1 ‫איורים‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

152 ‫איור בעמוד‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Charles D. Winters, photographer

153 ‫איורים בעמוד‬ ;© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer ,‫למעלה‬ © The McGraw-Hill Companies, Inc./Stephen Frisch, photographer ,‫למטה‬ 5 ‫פרק‬ 173 ‫איור בעמוד‬

© Corbis www.fotosearch.com

5.2 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

177 ‫איור בעמוד‬

By permission of © Gettyimages/‫אימג'בנק‬

5.5 ‫איור‬

ALAMY / ‫ קריאייטיב‬.‫פ‬.‫א‬.‫ס‬.‫ברשות א‬

198 ,191 ‫איורים בעמודים‬ By permission of © Gettyimages/‫אימג'בנק‬ 6 ‫פרק‬ 207 ‫איור בעמוד‬

Shutterstock/ Ash Pollard

6.1 ‫איור‬

By permission of © (1985 Kip Peticolas) Fundamental Photographs, NYC

212 ‫איור בעמוד‬

© Image Source www.fotosearch.com

6.4 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

6.6 ‫איור‬

By permission of © David M. Phillips / Science Source

229 ‫איור בעמוד‬

Courtesy of Rita Colwell courtesy, National Science Foundation

6.7 ‫איור‬ CORBIS-RM / ‫פ קריאייטיב‬.‫א‬.‫ס‬.‫ברשות א‬ 6.8 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

‫  ע ו ל ם ה כ י מ י ה‬380

235 ‫איור בעמוד‬

By permission of © AJPhoto / Science Source

7 ‫פרק‬ 243 ‫איור בעמוד‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Connie Mueller, photographer

252 ‫איורים בעמוד‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

7.9 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Ken Karp, photographer

259 ‫איור בעמוד‬

© Design Pics www.fotosearch.com

7.16 ,7.15 ‫איורים‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Ken Karp, photographer

273 ‫איור בעמוד‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

8 ‫פרק‬ 281 ‫איור בעמוד‬

Shutterstock/ Solis Images

8.1 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Mark Dierker, photographer

8.4 ‫איור‬ ;© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer )1( © The McGraw-Hill Companies, Inc./Stephen Frisch, photographer )2( 8.6 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Stephen Frisch, photographer

298 ,297 ‫איורים בעמודים‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

307 ‫איור בעמוד‬

By permission of © Gettyimages/‫אימג'בנק‬

8.7 ‫איור‬ ;© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer )1( ;© The McGraw-Hill Companies, Inc./Connie Mueller, photographer )2( By permission of © Gettyimages/‫) אימג'בנק‬3( 8.8 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Stephen Frisch, photographer

381   ‫ה י ו צ ר י ם‬

‫רשימת בעלי זכויות‬

   312 ‫איור בעמוד‬

Shutterstock/ Michele Perbellini

9 ‫פרק‬ 321 ‫איור בעמוד‬

By permission of © PUBLIC HEALTH ENGLAND/SPL/Visualphotos

9.3 ‫איור‬

By permission of © Gianni Tortoli / Science Source

9.6 ‫איור‬

By permission of © U.S. DEPT. OF ENERGY/SPL/Visualphotos

337 ‫תמונה בעמוד‬

Courtesy of "NASA"

338 ‫תמונה בעמוד‬

© Fotosearch Silver www.fotosearch.com

9.7 ‫איור‬

By permission of © DAVID PARKER/SPL/Visualphotos

341 ‫תמונות בעמוד‬ ;© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer ,‫למעלה‬ © Pixtal www.fotosearch.com ,‫למטה‬ 9.8 ‫איור‬ Courtesy of Lantheus Medical Imaging, Inc. )2( 9.9 ‫איור‬

By permission of © U.S. DEPT. OF ENERGY/SPL/Visualphotos

9.10 ‫איור‬

© The McGraw-Hill Companies, Inc./Louis Rosenstock, photographer

9.11 ‫איור‬

By permission of © Scott Camazine / Science Source

.‫עשינו ככל יכולתנו לאיתור בעלי זכויות היוצרים של כל הפריטים שנלקחו ממקורות חיצוניים‬ .‫ ואם יובאו לידיעתנו נפעל לתקנן במהדורות הבאות‬,‫אנו מתנצלים על כל השמטה או טעות‬ We have endeavored to trace the copyright owners of all the external material. We sincerely apologize for any omission or error and upon notification will be pleased to rectify it in future editions.

‫ ‬

‫‪2 0116‬‬

‫הספר עולם הכימיה פותח בפני הקורא חלון להבנת מגוון רחב של תופעות‬ ‫טבע ופיתוחים טכנולוגיים שלהם אנו חשופים בחיי היום־יום‪ ,‬שההסבר‬ ‫להם מושתת על חוקי הכימיה; זאת לצד הצגת נושאים בסיסיים בכימיה‬ ‫כגון מבנה האטום‪ ,‬הטבלה המחזורית‪ ,‬תרכובות וסוגי תגובות כימיות‪ .‬הספר‬ ‫נועד לתת רקע בסיסי בכימיה לסטודנטים במקצועות מדעי הטבע והחיים‬ ‫ולקוראים המעוניינים להרחיב את ידיעותיהם בתחום‪.‬‬

‫‪0 020820 116576‬‬ ‫דאנאקוד ‪208-2011657‬‬

‫מק"ט ‪20116-5073‬‬ ‫מסת"ב ‪978-965-06-1532-1‬‬

‫‪23/11/2017 14:08:32‬‬

‫‪ISBN‬‬

‫עולם הכימיה‬ ‫מהדורה שמינית‬

‫קתרין דניסטון‬ ‫ג'וזף טופינג‬ ‫קים וודראם‬ ‫רוברט קארט‬

‫האוניברסיטה הפתוחה‬

‫‪Untitled‬‬

‫ ‬ ‫עולם הכימיה‬

‫הכימיה היא מדע החומר‪ .‬חוקי הכימיה מלמדים אותנו על הדרך שבה נוצרות‬ ‫תרכובות מהיסודות שבטבע‪ ,‬על המבנה המולקולרי של חומרים ותכונותיהם‬ ‫ועל האופן שבו הם מגיבים ויוצרים חומרים חדשים‪ .‬הכימיה היא הבסיס‬ ‫המדעי לתחומים רבים בחיינו‪ ,‬ביניהם רפואה‪ ,‬חקלאות‪ ,‬ננוטכנולוגיה וכן‬ ‫תחומי תעשייה רבים‪.‬‬

‫‪‬‬

‫‪20116-COVER 5new.indd 1‬‬