תכונות חומרים ותערובות

מטרת למידה 3.1.A: הסבר את הקשר בין המבנים הכימיים של מולקולות לבין החוזק היחסי של הכוחות הבין-מולקולריים שלהן כאשר: i. המולקולות הן מאותו מין כימי. ii. המולקולות הן משני מינים כימיים שונים.

• 3.1.A.1 כוחות פיזור לונדון הם תוצאה של אינטראקציות קולומביות בין דיפולים זמניים ותנודתיים. כוחות פיזור לונדון לעיתים קרובות הם הכוח הבין-מולקולרי הרשמי החזק ביותר בין מולקולות גדולות.
  • i. כוחות פיזור עולים עם הגדלת שטח המגע בין מולקולות ועם הגדלת הניתנות לפולარიזציה של המולקולות.
  • ii. הניתנות לפולारीזציה של מולקולה עולה עם הגדלת מספר האלקטרונים במולקולה וגודל הענן האלקטרוני. היא מחוזקת בנוכחות של קשרי פי.
  • iii. את הביטוי "כוחות פיזור לונדון" אין להשתמש כמילה מקבילה לביטוי "כוחות ואן דר ואלס".
• 3.1.A.2 המומנט הדו-קוטבי של מולקולה קוטבית גורם לאינטראקציות נוספות עם מינים כימיים אחרים.
  • i. אינטראקציות דו-קוטבי-מופעל-דו-קוטבי קיימות בין מולקולה קוטבית למולקולה לא קוטבית. כוחות אלו הם תמיד מושכים. חוזק הכוחות עולה עם הגודל של המומנט הדו-קוטבי במולקולה הקוטבית ועם הקיטביות של המולקולה הלא קוטבית.
  • ii. אינטראקציות דו-קוטבי-דו-קוטבי קיימות בין מולקולות קוטביות. חוזק האינטראקציה תלוי בגדלים של המומנטים הדו-קוביים ובאוריינטציה היחסית שלהם. אינטראקציות בין מולקולות קוטביות הן בדרך כלל חזקות יותר מאשר בין מולקולות לא קוטביות בגודל דומה, משום שהאינטראקציות הללו פועלות בנוסף לכוחות פיזור לונדון.
  • iii. כוחות משיכה יון-דו-קוטבי קיימים בין יונים ומולקולות קוטביות. כוחות אלו נוטים להיות חזקים יותר מכוחות דו-קוטבי-דו-קוטבי.
• 3.1.A.3 החוזק היחסי ותלות האוריינטציה של כוחות דו-קוטבי-דו-קוטבי ויון-דו-קוטבי ניתן להבנה באופן איכותי על ידי שיקול הסימן של המטענים החלקיים האחראים למומנט הדו-קוטבי המולקולרי, וכיצד מטענים חלקיים אלו אינטראקטים עם יון או עם דו-קוטב סמוך.
• 3.1.A.4 קישור מימן הוא סוג חזק של אינטראקציה בין-מולקולרית הקיימת כאשר אטומי מימן הקשורים בקשר קוולנטי לאטומים בעלי אלקטרonegativity גבוהה (N, O, ו-F) נמשכים לקצה השלילי של דו-קוטב שנוצר על ידי האטום הנגלטי (N, O, ו-F) במולקולה אחרת, או בחלק אחר של אותה מולקולה.
• 3.1.A.5 בביומולקולות גדולות, אינטראקציות לא קוולנטיות עשויות להתרחש בין מולקולות שונות או בין אזורים שונים של אותו ביומולקולה גדולה.

מטרת הלמידה 3.2.A: הסבר על הקשר בין התכונות המאקרוסקופיות של חומר, המבנה ברמת החלקיקים של החומר, והאינטראקציות בין חלקיקים אלו.

• 3.2.A.1 תכונות רבות של נוזלים ומוצקים נקבעות על ידי עוצמת וסוג הכוחות בין-מולקולריים הקיימים. מכיוון שאינטראקציות בין-מולקולריות מתגברות לחלוטין כאשר חומר מתאדים, הלחץ הבדוד והנקודה ההתכה קשורים ישירות לעוצמת האינטראקציות אלו. נקודות ההתכה גם הן נוטות לקשור עם עוצמת האינטראקציה, אך מכיוון שהאינטראקציות רק נערכות מחדש בהתכה, הקשרים יכולים להיות עדינים יותר.
• 3.2.A.2 ייצוגים ברמת החלקיקים המציגים מספר מין כימי אינטראקטיביים הם אמצעי שימושי לתקשורת או להבנה כיצד אינטראקציות בין-מולקולריות עוזרות לקבוע תכונות מאקרוסקופיות.
• 3.2.A.3 בשל אינטראקציות חזקות בין יונים, מוצקים יוניים נוטים להיות בעלי לחצים בדודים נמוכים, נקודות התכה גבוהות ונקודות רתיחה גבוהות. הם נוטים להיות שבירים בשל הדחייה בין מטענים זהים הנגרמת כאשר שכבה אחת מחליקה מעל לשכבה אחרת. הם מוליכי חשמל רק כאשר היונים ניידים, כמו כאשר המוצק היוני מותך (כלומר, במצב נוזלי) או מומס במים או בממס אחר.
• 3.2.A.4 במוצקי רשת קוולנטית, האטומים קשורים קוולנטית זה לזה ליצירת רשת תלת-ממדית (למשל, יהלום) או שכבות של רשתות דו-ממדיות (למשל, גרפיט). אלו נוצרים רק ממעטפות ומטאלואידים: אלמנטים (למשל, יהלום, גרפיט) או תרכובות בינאריות (למשל, סיליקון דו-חמצני וקרביד סיליקון). בשל האינטראקציות הקוולנטיות החזקות, מוצקים קוולנטיים יש להם נקודות התכה גבוהות. מוצקי רשת תלת-ממדיים הם גם קשיחים וקשים, מכיוון שזוויות הקשר הקוולנטי קבועות. עם זאת, גרפיט הוא רך מכיוון ששכבות סמוכות יכולות להחליק זו על זו בקלות יחסית.
• 3.2.A.5 מוצקים מולקולריים מורכבים מיחידות נפרדות, יחידתיות של מולקולות הקשורות קוולנטית שנמשכות זו לזו באמצעות כוחות בין-מולקולריים חלשים יחסית. מוצקים מולקולריים בדרך כלל יש להם נקודת התכה נמוכה בשל הכוחות בין-מולקולריים החלשים יחסית הקיימים בין המולקולות. הם אינם מוליכי חשמל מכיוון שהאלקטרונים הערכתיים שלהם נשמרים בחוזקה בתוך הקשרים הקוולנטיים ובזוגות האלקטרונים הבלתי-קושרים של כל מולקולה רכיבה. מוצקים מולקולריים מורכבים לעיתים מולקולות גדולות מאוד או פולימרים.
• 3.2.A.6 מוצקים מתכתיים הם מוליכי חשמל וחום טובים, בשל נוכחות אלקטרונים ערכתיים חופשיים. הם גם נוטים להיות מתכתים ודוטים, בשל הקלות שבה ליבת המתכת יכולה לעבד מחדש את מבנהה. בסגסוגת אינטרסטיציאלית, אטומים אינטרסטיציאליים נוטים להפוך את הרשת לקשיחה יותר, מה שמפחית מתכתיות ודוטיליות. סגסוגות בדרך כלל שומרות על ים של אלקטרונים ניידים ולכן נשארות מוליכות.
• 3.2.A.7 בביומולקולות גדולות או בפולימרים, אינטראקציות לא-קוולנטיות עשויות להתרחש בין מולקולות שונות או בין אזורים שונים של אותה ביומולקולה גדולה. הפונקציונליות והתכונות של מולקולות אלו תלויות בחוזקה בצורת המולקולה, שנקבעת ברובה על ידי אינטראקציות לא-קוולנטיות.

מטרת הלמידה 3.3.A: ייצוג ההבדלים בין שלבי מוצק, נוזל וגז באמצעות מודל ברמת החלקיקים.

• 3.3.A.1 מוצקים יכולים להיות גבישיים, שבהם החלקיקים מסודרים במבנה תלת-ממדי קבוע, או הם יכולים להיות אמורפים, שבהם החלקיקים אינם מסודרים בצורה קבועה ומסודרת. בשני המקרים, תנועת החלקיקים הבודדים מוגבלת, והחלקיקים אינם עוברים תנועת הזזה כללית ביחס זה לזה. מבנה המוצק מושפע מאינטראקציות בין-חלקיקיות ויכולת החלקיקים להסתדר יחד.
• 3.3.A.2 החלקיקים הרכיבים בנוזלים נמצאים במגע צמוד זה עם זה, והם זזים ומתנגשים באופן מתמיד. הסידור והתנועה של החלקיקים מושפעים מאופי ועוצמת הכוחות (למשל, קוטביות, קשרי מימן וטמפרטורה) בין החלקיקים.
• 3.3.A.3 הפאזות המוצקה והנוזלית של חומר מסוים בדרך כלל בעלות נפח מולרי דומה, שכן בשתי הפאזות החלקיקים המרכיבים נמצאים במגע צמוד בכל עת.
• 3.3.A.4 בפאזת הגז, החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת. תדירות ההתנגשויות שלהם והמרחק הממוצע ביניהם תלו בטמפרטורה, בלחץ ובנפח. בשל התנועה המתמדת הזו, ובשל השפעות מינימליות של כוחות בין-חלקיקיים, לגז אין נפח קבוע ואין צורה קבועה.
  • הצהרת פסילה: הבנה/פרשנות של דיאגרמות פאזה לא תימדד במבחן AP.

מטרה לימודית 3.4.A: להסביר את הקשר בין המאפיין המקרוסקופיים של דוגמה של גז או תערובת גזים באמצעות חוק הגז האידיאלי.

• 3.4.A.1 המאפיין המקרוסקופיים של גזים אידיאליים מקושרים זה לזה באמצעות חוק הגז האידיאלי:
  • EQN: $PV = nRT$.
• 3.4.A.2 בדוגמה המכילה תערובת של גזים אידיאליים, הלחץ שהופעל על ידי כל רכיב (הלחץ החלקי) הוא עצמאי משאר הרכיבים. לכן, הלחץ החלקי של גז בתוך התערובת פרופורציונלי למשתנה המולר שלו ($X$), ולחץ הכולל של הדוגמה הוא סכום הלחצים החלקיים.
  • EQN: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, כאשר $X_{A} =$ מולי A/סה"כ מולים;
  • EQN: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
• 3.4.A.3 ייצוגים גרפיים של הקשרים בין $P$, $V$, $T$, ו$n$ הם שימושיים לתיאור התנהגות הגזים.

מטרה לימודית 3.5.A: להסביר את הקשר בין תנועת החלקיקים לבין המאפיין המקרוסקופיים של גזים עם: i. תורת המולקולות הקינטית (KMT). ii. מודל חלקיקי. iii. ייצוג גרפי.

• 3.5.A.1 תורת המולקולות הקינטית (KMT) מקשרת את המאפיין המקרוסקופיים של גזים לתנועת החלקיקים בגז. חלוקת מקסוול-בולצמן מתארת את חלוקת האנרגיות הקינטיות של החלקיקים בטמפרטורה נתונה.
• 3.5.A.2 כל החלקיקים בדוגמת חומר נמצאים בתנועה רציפה ואקראית. האנרגיה הקינטית הממוצעת של חלקיק קשורה למהירותו הממוצעת באמצעות המשוואה:
  • EQN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
• 3.5.A.3 הטמפרטורה בקלווין של דוגמת חומר פרופורציונלית לאנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים בדוגמה.
• 3.5.A.4 חלוקת מקסוול-בולצמן מספקת ייצוג גרפי של האנרגיות/המהירויות של חלקיקים בטמפרטורה נתונה.

מטרת למידה 3.6.A: הסבר הקשר בין התנהגויות לא אידיאליות של גזים, כוחות בין חלקיקיים ו/או נפחים.

• 3.6.A.1 חוק הגז האידיאלי אינו מסביר את ההתנהגות בפועל של גזים אמיתיים. סטייה מחוק הגז האידיאלי עשויה לנבוע ממשיכות בין חלקיקים בקרב מולקולות הגז, במיוחד בתנאים הקרובים לתנאים המובילים לעיבוי. סטייה עשויה גם לנבוע מנפחי החלקיקים, במיוחד בלחץ גבוה מאוד.

מטרת למידה 3.7.A: חשבון מספר חלקיקי המומס, נפח או מולריות של תמיסות.

• 3.7.A.1 תמיסות, הנקראות לעיתים גם תערובות הומוגניות, יכולות להיות מוצקים, נוזלים או גזים. בתמיסה, התכונות המקרוסקופיות אינן משתנות לאורך הדוגמה. בתערובה לא הומוגנית, התכונות המקרוסקופיות תלו במיקום בתערובה.
• 3.7.A.2 רכיבי התמיסה יכולים להתבטא במגוון דרכים; מולריות היא השיטה הנפוצה ביותר המשמשת במעבדה.
  • EQN: $M = n_{solute}/L_{solution}$

מטרת למידה 3.8.A: שימוש בדגמים חלקיקיים לתערובות: i. ייצוג אינטראקציות בין רכיבים. ii. ייצוג ריכוזי רכיבים.

• 3.8.A.1 ייצוגים חלקיקיים של תמיסות מעבירים את המבנה והתכונות שלהן, על ידי הדמיית ריכוזי הרכיבים היחסיים בתמיסה ו/או שרטוט המראה אינטראקציות בין הרכיבים.
  • הצהרת פרישה: תכונות קוליגטיביות לא יימדדו במבחן AP.
  • הצהרת פרישה: חישובים של מולליות, אחוזים לפי מסה ואחוזים לפי נפח עבור תמיסות לא יימדדו במבחן AP.

מטרת למידה 3.9.A: הסבר תוצאות ניסוי הפרדה בהתבסס על אינטראקציות בין-מולקולריות.

• 3.9.A.1 רכיבי תמיסה נוזלית לא ניתן להפריד באמצעות סינון. עם זאת, ניתן להפרידם באמצעות תהליכים המנצלים הבדלים באינטראקציות הבין-מולקולריות של הרכיבים.
  • i. כרומטוגרפיה (נייר, שכבה דקה ועמוד) מפרידה בין מינים כימיים על ידי ניצול ההבדל בעוצמת האינטראקציות הבין-מולקולריות בין ובין הרכיבים של התמיסה (השלב הנעים) ועם רכיבי השטח של השלב העומד. הכרומטוגרם המתקבל יכול לשמש להסקת ריכוזי הקוטביות היחסיים של רכיבים בתערובה.
  • ii. אידוי מפריד בין מינים כימיים על ידי ניצול ההבדל בעוצמת האינטראקציות הבין-מולקולריות בין ובין הרכיבים והאפקטים שהאינטראקציות הללו יש להם על לחצי האדים של הרכיבים בתערובה.

מטרות למידה 3.10.A: הסבר על הקשר בין המסיסיות של תרכובות יוניות ומולקולריות בממסים מימיים ולא-מימיים, לבין האינטראקציות הבין-מולקולריות בין חלקיקים.

• 3.10.A.1 חומרים בעלי אינטראקציות בין-מולקולריות דומות נוטים להיות מעורבים זה בזה או מסיסים זה בזה.

מטרות למידה 3.11.A: הסבר על הקשר בין אזור בספקטרום האלקטרומגנטי לבין סוגי ההמעברים המולקולריים או האלקטרוניים הקשורים לאזור זה.

• 3.11.A.1 הבדלים בספיגה או בפליטה של פוטונים באזורים ספקטרליים שונים קשורים לסוגים שונים של תנועה מולקולרית או המעברים אלקטרוניים:
  • i. קרינת מיקרו-גל קשורה להמעברים ברמות סיבוב מולקולריות.
  • ii. קרינת אינפרה-אדום קשורה להמעברים ברמות רטט מולקולריות.
  • iii. קרינת אולטרה-סגול/נראה קשורה להמעברים ברמות אנרגיה אלקטרוניות.

מטרות למידה 3.12.A: הסבר על מאפייני פוטון שנבלע או נפלט בהקשר להמעבר אלקטרוני באטום או במולקולה.

• 3.12.A.1 כאשר פוטון נבלע (או נפלט) על ידי אטום או מולקולה, האנרגיה של המינים עולה (או יורדת) בכמות השווה לאנרגיה של הפוטון.

• 3.12.A.2 אורך הגל של הגל האלקטרומגנטי קשור לתדרו ולמהירות האור על ידי המשוואה:

  • EQN: $c = \lambda\nu$.

  אנרגיה של פוטון קשורה לתדירות הגל האלקטרומגנטי באמצעות משוואת פלאנק:

  • EQN: $E = h\nu$.

מטרת הלמידה 3.13.A: הסבר על כמות האור הנספג על ידי תמיסה המכילה מולקולות או יונים בהתייחס לריכוז, אורך מסלול והספקטרוסקופיות המולרית.

• 3.13.A.1 חוק ביר-למברט מקשר בין נפיגת אור בתמיסה לבין שלושה משתנים לפי המשוואה:

  • EQN: $A = \varepsilon bc$.

  הספקטרוסקופיות המולרית, $\varepsilon$, מתארת עד כמה מין כימי סופג אור באורך גל מסוים. אורך המסלול, $b$, והריכוז, $c$, פרופורציונליים למספר חלקיקים הסופגי אור במסלול האור.

• 3.13.A.2 ברוב הניסויים אורך המסלול ואורך הגל נשמרים קבועים. במקרים אלו, הנפיגה פרופורציונלית רק לריכוז המולקולות או היונים הסופגים. הספקטרופוטומטר מוגדר לרוב לאורך הגל של הנפיגה המקסימלית (אורך גל מיטבי) עבור המין הננתח כדי להבטיח את הרגישות המקסימלית של המדידה.