מצבי צבירה

כימיה A-Level · נושא 4

הצגת שקפים אימון

שיעור וידאו לנושא זה פתח את עמוד הוידאו

4.1

מצב גזי

סיילבוס

להסביר את מקור הלחץ בגז בהתאם להתנגשויות בין מולקולות הגז לקיר המיכל
להבין שגזים אידיאליים הם בעלי נפח חלקיקים אפס ואין להם כוחות ביני-מולקולריים של משיכה
ציין ושתמש במשוואת הגז האידיאלי $pV = nRT$ בחישובים, כולל בקביעת $M_r$

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

קיטור עולה ממים רותחים — רתיחה ממירה מים נוזליים לקיטור — שינוי בין מצבי צבירה.

מקור הלחץ בגז

מולקולות הגז נעות במהירות לכל הכיוונים. הן פוגעות באופן רציף — מתנגשות — עם קירות המיכל. כל פגיעה מעניקה לקיר דחיפה זעירה. הלחץ של הגז הוא התוצאה הכוללת של כל ההתנגשויות הרבות האלו על הקירות.

חלקיקים מהירים בתוך קופסה, שכל אחד מהם מסומן בחץ מהירות, חלקם פוגעים בקירות ומסומנים בכוכב פגיעה — לחץ גז: מולקולות מהירות נעות בכל הכיוונים ומתנגשות עם הקירות; הדחיפות הזעירות הרבות נוספות זו לזו ויוצרות את הלחץ

גזים אידיאליים

גז אידיאלי הוא מודל פשוט. אנו מניחים שני דברים:

הנפח עצמי של החלקיקים הוא אפס.
אין כוחות אינטרמולקולריים של משיכה בין החלקיקים.

גז אמיתי מתנהג לפי המודל הזה בקרבה בלחץ נמוך ובטמפרטורה גבוהה. הוא מתנהג פחות כמו גז אידיאלי בלחץ גבוה ובטמפרטורה נמוכה, כאשר החלקיקים נדחסים זה לזה וכוחות ביניהם מתחילים להיות משמעותיים.

שתי קופסאות: בשמאל גז אידיאלי של חלקיקי נקודה זעירים עם חצי מהירות ואין כוחות; מימין גז אמיתי בלחץ גבוה ובטמפרטורה נמוכה עם חלקיקים גדולים ועמוסים מחוברים בקווים מקוטעים המייצגים משיכה — גז אידיאלי הוא מודל: חלקיקי נקודה ללא כוחות ביניהם. גז אמיתי מתנהג פחות כך בלחץ גבוה ובטמפרטורה נמוכה, כאשר החלקיקים עמוסים והגודל האמיתי שלהם והמשיכה ביניהם מתחילים להיות משמעותיים

משוואת הגז האידיאלי

משוואת הגז האידיאלי מקשרת בין לחץ, נפח, כמות וטמפרטורה:

$$pV = nRT$$

כאשר $p$ הוא הלחץ ביחידות Pa, $V$ הוא הנפח ב$\text{m}^3$, $n$ הוא הכמות במול, $T$ היא הטמפרטורה ב-קלווין (K), ו$R$ היא קבוע הגזים ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).

תמיד יש לבצע שינוי יחידות לפני חישוב: °C לקלווין (הוספת 273), ו$\text{cm}^3$ או $\text{dm}^3$ ליחידות $\text{m}^3$.

דוגמה מפורשת. מצאו את הנפח של $0.50\ \text{mol}$ של גז אידיאלי בטמפרטורה $27\ ^{\circ}\text{C}$ ולחץ $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

המרה: $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. לאחר מכן

$$V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.50 \times 8.31 \times 300}{1.00 \times 10^{5}} = 0.0125\ \text{m}^3\ (= 12.5\ \text{dm}^3).$$

ניתן גם להשתמש במשוואה כדי למצוא מסה מולרית. מכיוון ש$n = m/M$:

$$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$

דבר זה מאפשר לחשב את $M_r$ מהמסה (או הצפיפות) של גז.

דוגמה פותרת. צנחן מכיל $0.96\ \text{g}$ של גז ב$600\ \text{cm}^3$ בטמפרטורה של $100\ \text{kPa}$ ובלחץ של $27\ ^{\circ}\text{C}$. מצאו את המסה המולרית של הגז. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

המרה: $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. אז

$$M = \frac{mRT}{pV} = \frac{0.96 \times 8.31 \times 300}{(1.00 \times 10^{5})(6.00 \times 10^{-4})} \approx 40\ \text{g mol}^{-1}.$$

חקור

המצב הגזי

p = k / V

חוק בוייל: בטמפרטורה קבועה הלחץ ∝ 1/נפח.

מילון מונחים אימון

English	עברית
collide/kəˈlaɪd/	התנגשות
pressure/ˈpreʃə/	לחץ
ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/	גז אידיאלי
intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/	כוחות בין-מולקולריים
real gas/rɪəl ɡæs/	גז אמיתי
ideal gas equation/aɪˈdɪəl ɡæs ɪˈkweɪʒn/	משוואת הגז האידיאלי
kelvin/ˈkelvɪn/	קלווין
gas constant/ɡæs ˈkɒnstənt/	קבוע הגזים
molar mass/ˈməʊlə mæs/	מסת מולרית
crystalline solid/ˈkrɪstəlaɪn ˈsɒlɪd/	מוצק גבישי
giant ionic/ˈdʒaɪənt aɪˈɒnɪk/	גרמי יוני
lattice/ˈlætɪs/	רשת גבישית
ion/ˈaɪɒn/	יון
simple molecular/ˈsɪmpl məˈlekjʊlə/	מולקולרי פשוט
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/	מולקולה
fullerene/ˈfʊləren/	פולרן
giant molecular/ˈdʒaɪənt məˈlekjʊlə/	מולקולרי ענק
covalent bonds/ˈkəʊvələnt bɒndz/	קשרים קוולנטיים
silicon(IV) oxide/ˈsɪlɪkən ˈɒksaɪd/	תחמוצת סיליקון(IV)

4.2

קישור וכימיה מבנית

סיילבוס

תאר בפשטות את המבנה הרשתתי של מוצק גבישי שהוא: (א) רשת יונית ענקית, הכוללת נתרן כלור ומגנזיום אוקסיד; (ב) מולקולרי פשוט, הכולל יוד, באקמינסטרפולרן $\text{C}_{60}$ ומים קפואים; (ג) מולקולרי ענק, הכולל סיליקון(IV) אוקסיד, גרפיט ויהלום; (ד) מתכת ענקית, הכולל נחושת
תאר, פרש והעלה את השפעתם של סוגים שונים של מבנה וקישור על התכונות הפיזיקליות של חומרים, כולל נקודת ההיתוך, נקודת הרתיחה, הולכות חשמל ומסיסות
מסקן את סוג המבנה והקישור הקיימים בחומר ממידע נתון

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

אשכול גבישי קוורץ — קוורץ הוא מבנה קוולנטי ענק של סיליקון וחמצן.

התנהגות החומר תלויה באופן הקשר בין חלקיקיו. קיימים ארבע מבנים עיקריים של מוצק גבישי.

ארבע לוחיות: רשת יונית ענקית עם יונים חיוביים ושליליים לסירוגין, מולקולות נפרדות קטנות, רשת קוולנטית מקושרת, ויוני מתכת בים אלקטרונים — ארבעת המבנים של מוצק גבישי — המבן קובע את נקודת ההיתוך, המוליכות והמסיסות

יוני ענק

מבנה יוני ענק הוא רשת גדולה ומסודרת של יונים חיוביים ושליליים, המחזיקים יחד בעזרת כוח משיכה חזק בכל הכיוונים. דוגמאות הן נתרן כלור ומגנזיום אוקסיד.

מולקולרית פשוטה

מבנה מולקולרית פשוטה מורכב ממולקולות קטנות. הקשרים בתוך כל מולקולה הם חזקים, אך הכוחות בין-מולקולאריים בין המולקולות הם חלשים. דוגמאות הן יוד ($\text{I}_2$), פולרן ($\text{C}_{60}$) והקרח.

מולקולרית ענק

מבנה מולקולרית ענק (הנקרא גם קוולנטי ענק) הוא רשת עצומה של אטומים הקשורים על ידי קשרים קוולנטיים חזקים. דוגמאות הן סיליקון(IV) אוקסיד, גרפיט ויהלום.

משמאל: נקודת יהלום עם כל פחמן מקושר לארבעה אחרים; מימין: גרפיט כשכבות משושה מערומות השמורות על ידי כוחות חלשים — שתי צורות גבישיות ענקיות של פחמן: יהלום הוא רשת תלת-ממדית קשיחה (3D) (קשה מאוד); גרפיט בעל שכבות מחליקות ואלקטרונים עודפים המאפשרים הולכה

גביש יהלום אוקטאדרלי גס — יהלום אמיתי בתוך הסלע שבו נוצר. כל גביש כזה הוא מולקולה ענקית אחת — רשת קוהנטית ובלתי פסוקה של אטומי פחמן, כאשר כל אטום מחובר לארבעה אחרים. כדי לשבור אותו יש לשבור אינספור קשרים קוולנטיים חזקים, ולכן היהלום הוא החומר הטבעי הקשה ביותר

מתכתי ענק

מבנה מתכתי ענק הוא רשת של יוני מתכת חיוביים ב"ים" של אלקטרונים ממוקמים. דוגמה לכך היא נחושת.

גרגיר נחושת מעוגל עם ברק מתכתי אדום-בהיר וכתמי סידוד ירוקים קטנים — חתיכת מתכת נחושת טהורה. הברק, והיכולת של המתכות להוליך חשמל ולהתכופף, נובעים כולם מהרשת הענקית של יוני נחושת השוכנת בים משותף של אלקטרונים ממוקמים

תכונות פיזיקליות

המבנה קובע את התכונות הפיזיקליות:

מבנה	נקודת התכה/רתיחה	מוליך חשמל?	מסיס במים
יוני ענק	גבוה	רק במצב נוזלי או מומס	בדרך כלל מסיס
מולקולרי פשוט	נמוך	לא	בדרך כלל נמוך
מולקולרי ענק	גבוה מאוד	לא (מעט גרפיט)	לא מסיס
מתכתי ענק	גבוה	כן (נוזלי ונוזלי)	לא מסיס

נקודת ההתכה ונקודת הרתיחה גבוהות כאשר יש לשבור כוחות חזקים (יוניים, קוולנטיים או מתכתיים), ונמוכות כאשר נשברים רק כוחות בין-מולקולריים חלשים.
הולכת חשמל דורשת חלקיקים מטענים שיכולים לנוע — יונים חופשיים (כאשר הם נוזליים או מומסים) או אלקטרונים ממוקמים. גרפיט מוליך כי חלק מאלקטרוניו ממוקמים.
המיסות במים בדרך כלל גבוהה למצבים יוניים ונמוכה למצבים מולקולריים ומצבים קוולנטיים ענקיים.

ניתן גם לעבוד בהפך: מהנקודות הגוף, ההולכה החשמלית והמיסות של חומר לא ידוע, להסיק את סוג המבנה והקישור שלו.

חקור

מעבדת מבנים ענקיים

השוו בין מבנים ענקיים לפי חלקיקים וקשרים.

מילון מונחים אימון

English	עברית
graphite/ˈɡræfaɪt/	גרפיט
diamond/ˈdaɪəmənd/	יהלום
giant metallic/ˈdʒaɪənt məˈtælɪk/	גרמי מתכתי
delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/	אלקטרונים דלוקליים
melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/	נקודת התכה
boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/	נקודת רתיחה
electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/	הולכה חשמלית
solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/	מסיסות

צפה בשיעור

4.2

טיפים לבחינות

השתמש ביחידות SI ב$pV = nRT$: לחץ ב-Pa, נפח ב-$\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), טמפרטורה ב-K ($^\circ\text{C} + 273$).
ציין את הנחות הגז האידיאלי (נפח מולקולרי זניח, אין כוחות בין-מולקולריים) וכאשר גזים אמיתיים סוגים מהן (לחץ גבוה, טמפרטורה נמוכה).
קשר כל תכונה למבנה: יוני ענק (מ.ת. גבוה, מוליך בנוזל), קוולנטי ענק (מ.ת. גבוה מאוד), מולקולרי פשוט (מ.ת. נמוך), מתכתי ענק (מוליך, רך).
גרפיט מוליך כי לכל פחמן יש אלקטרון ממוקם; יהלום לא מוליך — השוואה נפוצה.

שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה

לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.

מבחני עבר

נושאים נוספים בכימיה A-Level