מיומנויות מעשיות בכימיה II

WCH16 לוקח את העבודה המעבדת של היחידות 4 ו5 ושואל אותך להגן עליה: איזה קטיון זה כששני משקעים נראים זהות, מדוע נפח של תגובה אחת אינו חייב להיות מדויק, אילו תוצאות טיטרציה נכנסות לממוצע, ומה ערך השיפוע של קו ישר הוא ב-kJ mol⁻¹. המסמך מעריך את הכימאי שמבין למה כל צעד התרחש — והוא יבחן בבטחה את התוכנית מילה במילה.

WCH16/01 כישורים מעשיים בכימיה II הוא 1 שעות ו20 דקות, 50 נקודות, כולן חובה, רובן על יחידות 4–5 אך ניתן להסתמך גם על יחידות 1–2. היכולות הנמדדות תואמות ליחידה 3 — פתרון בעיות מעשיות, שיטות, ערעוריות מספרית, ציוד — ועכשיו מיושמות לאיזון, קינטיקה, מתכות מעבר סינתזה אורגנית.

עם נתרן הידרוקסיד מימי: Cu²⁺ נותן משקע כחול בהיר (פתרון כחול עמוק באמוניה בשפע); Fe²⁺ משקע ירוק שמחמיא באוויר; Fe³⁺ משקע חלודה-חום; Mn²⁺ משקע חום בהיר שנשחך עם השקעה — זהו cation של מסד ה-2025; NH₄⁺ אין משקע, אך חימום משחרר אמוניה שהופכת נייר פחמיצה אדום לחים לכחול. משוואות יוניות עשויות להשתמש בכל צורה:

Dissolving iron(III) hydroxide in sulfuric acid gives the yellow-brown $[\mathrm{Fe(H_2O)_6}]^{3+}$ complex. An unknown with $M_r$ 197.9 and a Mn²⁺/Cl⁻ analysis is MnCl₂·4H₂O: $197.9 - (54.9 + 71.0) = 72.0 = 4 \times 18.0$. A salt holding two cations (green ppt + ammonia on warming + white ppt with acidified barium chloride) is Mohr's salt, (NH₄)₂Fe(SO₄)₂.

תיוסולפט מוסף בכמות ידועה קטנה לערבוב הפרוקודיסולפט-יודיד: הוא מגיב עם היודין כשהוא נוצר ($2\mathrm{S_2O_3^{2-}} + \mathrm{I_2} \rightarrow \mathrm{S_4O_6^{2-}} + 2\mathrm{I^-}$), כך ששינוי הצבע נדחה עד שמתגמר התיוסולפט (תגובת שעון) — אז היודין הבא הופך את העמקן ל-כחול-שחור (מבלי צבע). מכיוון אותו כמות קטנה של יודין מחכה בכל נקודת סיום, $1/t$ פרופורציונלי לקצב ההתחלתי. שתי סימני טכניקה נסתרים במסד ה-2025: ביורטה (לא בוכת מדידה) מוסיפה גם את העמקן, מכיוון ששמירה על נפח כולל זהה שומר על ריכוזי המגיבים קבועים בין הרצות — ולא מכיוון שביורטות מדויקות יותר; ושתי הצינורות מאוזנים ב-אמבט מים לפני הערבוב, עם הטמפרטורה שנמדדת בתערובת התגובה.

השלמת הטבלה דורשת משמעת אריתמטית: $T(\mathrm{K}) = T(^\circ\mathrm{C}) + 273$, $1/t$ ל3 ספרות משמעותיות, $\ln(1/t)$ ל2 מקומות עשרוניים. הקו הישר של $\ln(1/t)$ מול $1/T$ יש לו שיפוע $m = -E_a/R$ כאשר $E_a$ הוא אנרגיית השפעול:

ערך חיובי, kJ mol⁻¹, ללא סימן שלילי — הסימן מופיע כבר במדרגה.

ניסוי הקלציום הידרוקסיד מראה את השרשרת המלאה. מדוע לעמוד למשך יום? כדי להגיע ל-איזון — פתרון רווי. אינדיקטור: מתיל כתום (צהוב → כתום) או פנופלאתאין (ורוד → חסר צבע). כמותי טיטרציה 9.95, 9.55 ו-9.45 cm³: הראשונה אינה תואמת ונשללת — ממוצע $= (9.55 + 9.45)/2 = 9.50$ cm³. כמות הטיפטרציה המתוונת של 0.100 mol dm⁻³ HCl מהספרת נתונים המסיסות (1.56 g dm⁻³):

ערך טיטרציה ממוצע נמוך יותר מהצפוי, בהינתן שהמסיסות יורדת ככל שהטמפרטורה עולה, מעיד על כך שהניסוי בוצע בטמפרטורה גבוהה יותר מ20 °C. לבסוף $K_c = [\mathrm{Ca^{2+}}][\mathrm{OH^-}]^2 = 0.0190 \times (0.0380)^2 = 2.74 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol^3\,dm^{-9}}$ — יחידות שנגזרות, לא נשמרות.

הכנת פיניל בנזואט (בנזואיל כלור + פנול בתמיסת נתרן הידרוקסיד) היא התבנית.

• בטיחות: כפפות למשקל פנול (רעיל בספיגה דרך עור); ארון שאבה מכיוון בנזואיל כלור רעיל בנשימה.
• מדוע נפח עשוי להיות לא מדויק: הראה בחישוב איזה מגיב מגביל. $9\ \mathrm{cm^3} \times 1.21 = 10.89$ גרם $= 0.0775$ מול בנזואיל כלוריד, מול $5.00/94.0 = 0.0532$ מול פנול — בנזואיל כלוריד הוא בעודף, ולכן הנפח המדויק שלו אינו משפיע על התפוקה.
• שטיפה עם מים מסירה את הזיהומים המסיסים: בנזואיל כלור עודף (הידרוליזה), HCl, NaOH, NaCl. לעולם אל תאמרו "זיהומים לא מסיסים" — המסד דוחה זאת.
• גביש חוזר: להמיס בכמות מינימלית של ממיס חם — בטמפרטורת 60 °C, מתחת לנקודת הרתיחה של אתנול ובחשיבות, מתחת לטמפרטורת ההתמוסה של המוצר (71 °C), כדי שהגבישים לא יתמוסחו; לקרר במים וקרח; לסנן; לשטוף עם קר ממיס, שמסיר זיהומים מסיסים בזמן שהגבישים מתמוסחים מעט מאוד. טמפרטורת התמוסה חדשה בערך ספרת הנתונים מאשרת ניקיון.

בדיקה פתורה (תפוקה). $n$(פנול) $= 5.00/94.0 = 0.0532$ mol; 1:1 סטיוכיאומטריה; מסה תיאורטית $= 0.0532 \times 198.0 = 10.5$ g; ב-65.0 % תפוקה, מסה $= 6.85$ g.

כמו בכל הסמכה זו, המסד הכתוב דוגם את ההבנה שלך מעבודה מעבדתית: התצפיות, הסיבות, החישובים והמשפט. מלאכת היד — נקודת סיום טיטרציה נקייה, צינור תייל פעיל, העברה כמותית — נבנית בכיתה דרך המעבדות הליבה עצמן.

1. משקע חום בהיר שנשחרך עמידה באוויר: איזה קתיון, ומה משחרך אותו?
2. כתוב שתי משוואות יוניות מקובלות למשקע הירוק כאשר NaOH(aq) נפגש עם תמיסת Fe²⁺.
3. מלח B נותן משקע ירוק עם NaOH, אמוניה בחימום, ומשקע לבן עם כלוריד בריום מחומץ. גזור את המלח.
4. מדוע מוסיפים תיוסולפט לתגובת שעון, ומה מפסיק את הספירה?
5. Titres 9.95, 9.55, 9.45 cm³ — which enter the mean, and what is it?
6. From a ln(1/t)–1/T gradient of −6045 K, calculate $E_a$ with unit.
7. מדוע מומס את המוצק הגס ב-60 °C ולא בטמפרטורת הרתיחה של האתנול?
8. ציין שני דברים שהשטיפה במים מסירה מפניל בנזואט גס, וביטוי אחד שמסגרת העבודה דוחה.
9. סרטט או תאר את מכשיר מדידת טמפרטורת ההיתוך, והצג שלושה חלקים עם תוויות.
10. כמות של 5.00 גרם פנול (Mr 94.0) בתפוקה של 65.0 % נותנת מהי המסה של פניל בנזואט (Mr 198.0)?

תשובות: 1 Mn²⁺; אוויר מחמצן את Mn(OH)₂ החום בהיר לתחמוס/הידרוקסיד מנגן(III/IV) כהה יותר; 2 $\mathrm{Fe^{2+}} + 2\mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{Fe(OH)_2}$, או $[\mathrm{Fe(H_2O)_6}]^{2+} + 2\mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{Fe(OH)_2(H_2O)_4} + 2\mathrm{H_2O}$; 3 (NH₄)₂Fe(SO₄)₂ — NH₄⁺, Fe²⁺ ו-SO₄²⁻; 4 הוא מגיב עם יודין כשהוא נוצר, ומדחי את צבע העמקן עד שנוצר כמות קטנה קבועה של יודין; הצבע הכחול-שחור; 5 9.55 ו-9.45 (תואמים בתוך 0.2 cm³); ממוצע 9.50 cm³; 6 $E_a = 6045 \times 8.31 = 50.2$ kJ mol⁻¹; 7 נקודת הרתיחה של אתנול (78 °C) היא מעל טמפרטורת ההתמוסה של המוצר (71 °C) — ברתיחה הגבישים היו מתמוסחים; 60 °C ממס ללא התמוסחות; 8 מסיר בנזואיל כלור עודף, HCl, NaOH או NaCl (מסיסים) — "זיהומים לא מסיסים" נדחה; 9 צינור תייל (או צינור רתיחה/כוס) מלא בשמן, מדחום מסומן בנוזל, צינור קפילרי של גבישים מחובר, מחומם עם להבה (לא חשמלי); 10 $n = 5.00/94.0 = 0.0532$ mol; $0.0532 \times 198.0 \times 0.650 = 6.85$ g.