נושאי לימוד א. אנרגיה ב. קינטיקה

1. T.N.T. אנרגיה בקצב הכימיה נושאי לימוד א. אנרגיה ב. קינטיקה כתיבה: ד"ר מרים כרמי אדית וייסלברג מרצה: דורית בר מרץ 2008

2. אנרגיה בקצב הכימיה חישוב H של תהליך נתון H- שינוי האנתלפיה של החומרים במהלך תגובה כימית: מתאר את ההפרש בין תכולת האנרגיה של התוצרים לבין תכולת האנרגיה של המגיבים. ניתן לחשב את שינויי האנתלפיה בעזרת: א. חישוב ניסויי- שינויי אנרגיה בסביבה במהלך תגובה. ההנחה היא כי מדובר במערכת מבודדת- ובהתאם השינוי באנרגיה במערכת שווה בעוצמתו והפוך בסימן לשינוי האנרגיה בסביבה ב. חישוב תיאורטי- שינויי אנרגיה במערכת במהלך התגובה בעזרת חוק הס. קיימות דרכים נוספות לחישוב תיאורטי של שינויי האנתלפיה- חלקן יילמדו בכיתה י"ב דורית בר

3. אנרגיה בקצב הכימיה משמעות ערכו של H השינוי באנתלפיה במהלך תגובה מתייחס לאנרגיה המשתחררת או נקלטת כאשר מגיבים כמויות בהתאם לתגובה הרשומה. למשל: עבור התגובה: 2H2O(l)  2H2(g) + O2(g) H = +572 kJ נקלטת אנרגיה בשיעור 572 קילו-ג'אוול, כאשר מגיבים 2 מול מים נוזלים / או כאשר מתקבלים 2 מול מימן / או כאשר מתקבל מול חמצן. ועבור התגובה: H2(g) + 1/2 O2(g)  H2O(l) H = -286 kJ משתחררת אנרגיה בשיעור של 286 קילו-ג'אול כאשר מול מימן מגיב / או חצי מול חמצן מגיב / או מול מים נוצרים דורית בר

4. אנרגיה בקצב הכימיה חוק הס- עמוד 50 ההפרש בין האנתלפיה של המגיבים לתוצרים הוא גודל קבוע עבור תגובה נתונה, ללא תלות כיצד התרחש התהליך. בספר יש דוגמאות פתורות בנושא, בעמודים 51-53, ובהמשך בעמודים 56-57 נסיעה ברכבת מהווה אנלוגיה לחוק הס: אנו מעוניינים להגיע מכפר-סבא לרחובות, אבל אין רכבת ישירה לשם. לכן- ניסע בשני שלבים: א. מכפר סבא לתל-אביב כ- 15 ק"מ ב. מתל-אביב לרחובות כ- 30 ק"מ. מה יהיה המרחק מכפר-סבא לרחובות? כמובן- 45 ק"מ = 30 + 15 דורית בר

5. אנרגיה בקצב הכימיה בחישובים בעזרת חוק הס: א. כאשר יש להעביר תוצר למגיבים- מכפילים את התגובה ב- (1-), התהליך מתהפך וערכו של H מתהפך: התהליך המקורי: 2H2O(l)  2H2(g) + O2(g) H = +572 kJ ונכפיל ב- (1-), יתקבל: 2H2(g) + O2(g)  2H2O(l) H = -572 kJ ב. אם ניקח את התהליך המקורי: 2H2O(l)  2H2(g) + O2(g) H = +572 kJ ונחלק ב- 2 (בתגובה של 1 מול מים), יתקבל: H2O(l)  H2(g) + 1/2O2(g) H = +572:2= +286 kJ דורית בר

6. אנרגיה בקצב הכימיה בניסוי בו מגיבים או נוצרים כמויות השונות מהנתון בתהליך המאוזן, משתחררת או נקלטת אנרגיה (Q) שונה. דוגמא: בתהליך שריפה של פנול H = 3,056 kJ כלומר- בשריפה של 1 מול פנול משתחררת אנרגיה בשיעור של kJ 3,056. בתגובה של כמויות שונות, למשל: א. בשריפה של 0.1 מול פנול משתחררת אנרגיה (Q) בשיעור של 305.6 kJ ב. בשריפה של 2 מול פנול משתחררת אנרגיה בשיעור של 3,056X2 kJ ג. בשריפה של 0.3 מול פנול משתחררת אנרגיה בשיעור של 0.3X3,056 kJ Q תלוי בכמות החומר (גורם ספציפי לניסוי) H הוא גודל קבוע האופייני לתהליך נתון (גורם קבוע בניסוי) דורית בר

7. אנרגיה בקצב הכימיה להלן דוגמא לשאלה: באידוי של מול C2H5OH(l) יש שינוי באנרגיה בשיעור של 43.5 KJ. א. I. האם נקלטת או נפלטת אנרגיה במהלך האידוי? הסבר. II. שרטט סכימה המתארת את מעבר האנרגיה בין המערכת לסביבה. ב. I. נסח תהליך מתאים המתאר אידוי אתאנול. II. שרטט סכימה מתאימה המתארת את שינוי האנרגיה בחומר במהלך עיבוי אתאנול גזי. ג. I. כמה אנרגיה תיקלט באידוי של 0.12 מול אתאנול? פרט חישוביך. II. כמה אנרגיה תיקלט באידוי של 1 גרם אתאנול? פרט חישוביך. II. כמה אנרגיה תיקלט בעיבוי של 13 גרם אתאנול גזי? פרט חישוביך. דורית בר

8. H2O(g) HO= -46.7 KJ H2O(l) HO= +6.0 KJ H2O(s) אנרגיה בקצב הכימיה דוגמא נוספת א. נסח תהליך מתאים המתאר: I. קיפאון של מים נוזלים II. אידוי של מים נוזלים III. אידוי של קרח ב. מהי ערכה של: I. אנתלפית ההתכה של קרח? II. קרח הופך לאדי מים? III. אנתלפית אידוי של מים נוזלים? נמק תשובתך. דורית בר

9. סביבה Q=mxcxT מערכת Q=H x n סימנים הפוכים (של האנרגיה, Q) אנרגיה בקצב הכימיה חישוב באופן ניסויי מעברי אנרגיה בין המערכת לסביבה דורית בר

10. אנרגיה בקצב הכימיה החישוב מבוסס על ההנחה כי אין איבוד אנרגיה במעבר מהאנרגיה לסביבה, ולכן: סביבהQ = מערכתQ תהליך אקזוטרמי המערכת מאבדת אנרגיה והסביבה קולטת אנרגיה תהליך אנדוטרמי הסביבה מאבדת אנרגיה והמערכת קולטת אנרגיה דורית בר

11. אנרגיה בקצב הכימיה בחישוב שינוי אנתלפיה של תהליך, מספר שלבים: א. מחשבים את השינוי באנרגיה בסביבה: Q = m x c x T ב. בהנחה שאין איבודי אנרגיה לסביבה, ניתן לקבוע את השינוי באנרגיה של המערכת ג. כאשר מגיבים כמות שונה מהכמות בהתאם לניסוח התגובה, מחשבים את השינוי באנרגיה ל- 1 מול שאלות פתורות לדוגמא: עמוד 69 למעלה שאלה 1 עמוד 70- שאלה 2 דורית בר

12. אנרגיה בקצב הכימיה להלן דוגמא לשאלה ממיסים במים 0.12 מול מוצק בכוס קלקר. נמדד כי בתמיסה שנפחה 150 מ"ל, הטמ' עולה מ- 21OC ל- 23.2OC. חשב את השינוי באנתלפיה במהלך המסה המוצק. א. מחשבים את השינוי באנרגיה של הסביבה (הסביבה היא המים שאינם משתתפים בתהליך, דהיינו- ניתן להניח שכל כמות המים הם הסביבה): m= 150 gram , T=23.2-21=2.2OC , cwater= 4.2 J/gram OC Q = m x c x T = 150 x 4.2 x 2.2 = 1,386 J ב. בהנחה שאין איבודי אנרגיה לסביבה, ניתן לקבוע את השינוי באנרגיה של המערכת סביבהQ = מערכתQ = 1,386J ג. נתון כי מגיבים 0.12 מול: בהמסה של 0.12 מול משתחררת אנרגיה בשיעור של J 1,386, ובהמסה של 1 מול תשתחרר אנרגיה בשיעור של 1,386:0.12= 11,550J ד. נתון כי הטמפרטורה של המים (הסביבה) עולה- כלומר התהליך אקזוטרמי, ולכן: H = -11,550 J = -11.55 kJ דורית בר

13. אנרגיה בקצב הכימיה קיבול אנרגיה סגולי- C כמות אנרגיה שיש להשקיע כדי לחמם גרם חומר (מוצק, נוזל או גז) ב- 1OC למשל, משמעות קיבול האנרגיה הסגולית של המים, 4.2 J/gram OC: יש להשקיע אנרגיה בשיעור של 4.2J כדי לחמם 1 גרם מים ב- 1OC ככל שערכו של קיבול האנרגיה הסגולי גבוה יותר, נדרשת יותר אנרגיה במהלך החימום בהשוואה בין שני חומרים, CA = 5.8 J/gram OC וערכו של השני CB = 3.2 J/gram OC המשמעות היא כי, כאשר נתונות מסות זהות של חומר A ושל חומר B: א. יש להשקיע יותר אנרגיה בנוזל הראשון כדי שהשינוי בטמ' יהיה זהה ב. בהשקעה שווה של אנרגיה, הנוזל השני יגיע לטמפ' גבוהה יותר דורית בר

14. טמפ' I II זמן אנרגיה בקצב הכימיה שאלה לדוגמא בשריפה של 12 גרם אצטון CH3COCH3(l) מתחממים 300 גרם מים מ- 24OC ל- 27.6OC. א. I. נסח תהליך שריפה של אצטון. II. חשב את אנתלפיית השריפה של אצטון. פרט חישוביך. ידוע כי קיבול האנרגיה הסגולי של המים שווה ל- 4.2 J/gramOc. ב. האם תהייה עליה או ירידה באנרגיה הקינטית הממוצעת של האוויר בסביבה? נמק. ג. בניסוי אחר שרפו 12 גרם אצטון וחיממו 300 גרם נוזל אחר, עבורו קיבול החום הסגולי שווה ל- 2.8 J/gramOc. לפניך גרף המתאר חימום של שני הנוזלים. מי מהעקומות, I או II, מתארת חימום מים? הסבר. חשוב להבין את ההשפעה של קיבול האנרגיה הסגולית על קצב החימום של חומרים שונים. דורית בר

15. אנרגיה בקצב הכימיה פרק ג- מקצב תגובות ועד לש"מ כימי- מה ואיך? קינטיקה וקיימיות תגובות המתרחשות לאט- קורוזיה קיימות תגובות המתרחשות מהר- שריפת ברזל (זיקוקים, שריפת צמר פלדה) קצב תגובה- שינוי החל בגודל מסויים ביחידת זמן, למשל: ריקוד בקצב איטי/ בקצב מהיר, צמיחת עשבים בקצב מהיר ועצים בקצב איטי, קצב דפיקות לב אצל ספורטאי (איטי) ואצל אדם רגיל (יותר מהיר). X קצב = t X – גודל נמדד t - זמן דורית בר

16. אנרגיה בקצב הכימיה קצב תגובה- היחס בין השינוי בריכוז החומר לבין זמן השינוי עבור התגובה: A B קצב התגובה= השינוי שחל במהלך הירידה בריכוז המגיב, או [A] [B] -= קצב =+ t t השינוי שחל במהלך העלייה בריכוז התוצר שימו לב: קצב תגובה הוא נתון אמפירי דורית בר

17. אנרגיה בקצב הכימיה מדידת קצב התגובה ניסוי למדידת קיבול אנרגיה סגולי של בדיל בניסוי זה נמדדה טמפרטורה הבדיל כפונקציה של הזמן. להלן טבלה ובה ממצאים מהניסוי: קצב התגובה: במהלך כל הניסוי: 55-25/9-0=30/9=3.33OC/minute בדקה הראשונה: 31-25/1-0=6/1=6OC/minute בדקה האחרונה: 55-54/9-8=1/1=1OC/minute דורית בר

18. אנרגיה בקצב הכימיה מהגרף ניתן לראות כי קצב שינוי הטמ' (קצב ה"חימום") יורד במהלך הזמן. ואכן, בחישובים נמצא כי בדקה הראשונה הקצב שווה ל- 6 OC/minute בדקה האחרונה הקצב שווה ל- 1 OC/minute ואילו הקצב הממוצע שווה ל- 3.33 OC/minute דורית בר

19. אנרגיה בקצב הכימיה להלן א. גרף המתאר את שינוי כמות החומר ביחס ישר למקדמים הסטוכיומטריים ב. תהליך פירוק מי חמצן: H2O2(l) H2O(l) + 1/2O2(g) האם הגרף מתאר קבלת מים ומי חמצן? לא- היות ובגרף מוצג תהליך בו כמות החומר יורדת- כלומר מים וחמצן במגיבים, ואילו בתהליך חומרים אילו נוצרים- הכמות צריכה לעלות דורית בר

20. אנרגיה בקצב הכימיה גורמים המשפיעים על קצב התגובה יש להבין כי: בתגובות רבות ריכוז החומר משפיע על קצב התגובה, מידת ההשפעה של הריכוז משתנה. קיימות תגובות שאינן מושפעות מריכוז המגיב, למשל: בעירת זיקוק. דורית בר

21. אנרגיה בקצב הכימיה אנרגיית שיפעול – Eaעמוד 99 מהי החשיבות של אנרגיית השיפעול? א. כאשר ידועה Ea בטמפרטורה מסוימת, חישוב מתמטי מאפשר חיזוי קצב התחלתי של התגובה בטמפרטורות אחרות ב. ניתן לחזות כיצד משפיעה הטמפרטורה על קצב התגובה- תגובות להם אנרגיית שיפעול גבוהה מושפעות במידה רבה משינויי טמפ'. תיאור Ea- גודל קבוע (האופייני לתהליך מסוים) שאינו תלוי בטמפרטורה. המשמעות: באותה טמפרטורה, תגובה לה Ea גבוהה איטית מתגובה לה Ea נמוכה. דורית בר

22. אנרגיה בקצב הכימיה מודל ההתנגשויות מודל חלקיקי של גזים הנמצאים בתנועה, המאפשר לתהליכים שונים להתרחש. במהלך ההתנגשויות נוצר מגע בין החלקיקים. כאשר ההתנגשויות הן א. בין חלקיקים להם אנרגיה מספיק גבוהה ב. בזווית מתאימה בין החלקיקים, נוצר תצמיד משופעל ממנו יכול להיווצר התוצר הרצוי – התנגשות פורייה. התנגשות: תצמיד משופעל =  התנגשות פורייה = X דורית בר

23. אנרגיה בקצב הכימיה כיצד ניתן להסביר בעזרת תיאורית ההתנגשויות את ההשפעה של משתנים שונים על קצב התרחשות התגובה? ככל שיהיו יותר התנגשויות בין החלקיקים ביחידת זמן, המאפשרות קבלת יותר תצמידים משופעלים ביחידת זמן- יתקבלו יותר תוצרים (התנגשויות פוריות)- מהירות התגובה תגדל. דורית בר

24. אחוז החלקיקים אנרגיה קינטית Ek ממוצעת אנרגיה בקצב הכימיה עקומת בולצמן עקומת בולצמן מתארת את פיזור האנרגיה בגזים אידיאליים בטמפרטורה קבועה השטח מתחת לעקומה מתאר את 100% החלקיקים במערכת הניסוי. Ek ממוצעת- ממוצע האנרגיה הקינטית של צבר החלקיקים בכלי יהיו חלקיקים להם Ek נמוכה וחלקיקים להם Ek גבוהה מ- Ek הממוצעת דורית בר

25. Ea אחוז החלקיקים אנרגיה קינטית אנרגיה בקצב הכימיה Ea- (אנרגיית שיפעול) האנרגיה המינימאלית הדרושה ליצירת תצמיד משופעל השטח המקווקו מתחת לעקומה, כ- 15% משטח העקומה. האיזור הנ"ל מתאר כי בטמפרטורה נתונה, ל- 15% מכלל החלקיקים אנרגיה מספיקה כדי ליצור במהלך ההתנגשות תצמיד משופעל דורית בר

26. Ea אחוז החלקיקים אנרגיה קינטית ממוצעת אנרגיה בקצב הכימיה העקומה האדומה מתארת טמ' גבוהה יותר מתחת לעקומה האדומה לאחוז גבוה יותר של חלקיקים אנרגיה קינטית הגבוהה מאנרגיית השיפעול, יהיו יותר התנגשויות פוריות... דורית בר

27. אנרגיה בקצב הכימיה הסבר בעזרת תיאורית ההתנגשויות את ההשפעה של משתנים שונים על קצב התרחשות התגובה. הגורמים המשפיעים על מהירות תגובה: א. טמפרטורה ב. ריכוז המגיבים ג. זרז ד. שטח פנים א. טמפרטורה-טמפ' היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים. ככל שהטמ' גבוהה יותר: 1. ליותר חלקיקים יש אנרגיה מספיק גבוהה ליצור תצמידים משופעלים ביחידת זמן 2. יהיו יותר התנגשויות ביחידת זמן. שני גורמים אלו ישפיעו על עליה במספר ההתנגשויות הפוריות ביחידת זמן, ובהתאם יתקבל יותר תוצר ביחידת זמן וקצב התגובה עולה דורית בר

28. T.N.T. אנרגיה בקצב הכימיה ב. ריכוז המגיבים-ככל שריכוז המגיבים גדול יותר, קיימים סיכויים גבוהים יותר להתנגשויות ולכן יהיו יותר התנגשויות ביחידת זמן, ייווצרו יותר תצמידים משופעלים ובהמשך יותר התנגשויות פוריות ביחידת זמן וקצב התגובה יגדל. ג. זרז-זרז משנה את מנגנון התגובה, ובמנגנון בו משולב הזרז האנרגיה המינימאלית הנדרשת לקבלת תצמידים משופעלים נמוכה יותר. בהתאם- ליותר חלקיקים (באותה טמפ') תהייה אנרגיה מספיקה ליצור תצמידים משופעלים, וקצב התגובה יגדל. ראה איורים מתאימים בעמודים 107, 108 ד. שטח פנים-ככל ששטח הפנים גדול יותר, יהיה מגע טוב יותר בין המגיבים, קיימים סיכויים גבוהים יותר להתנגשויות ולכן יהיו יותר התנגשויות ביחידת זמן, ייווצרו יותר תצמידים משופעלים ביחידת זמן וקצב התגובה יגדל. דורית בר

29. אנרגיה בקצב הכימיה בספר- מודל בעמוד 101 למעלה שימו לב: בשורה העליונה לחלקיקים המתנגשים אין מספיק אנרגיה ולכן לא נוצר תצמיד משופעל בשורה השנייה לחלקיקים מספיק אנרגיה וזווית התנגשות מתאימה ואז נוצר תצמיד משופעל (צבע כתום) העשוי להתפרק לתוצרים ולכן תהיה התנגשות פורייה (שמאלה) אך גם למגיבים (ימינה) כלומר – כדי לקבל תוצר (התנגשות פורייה), חייב להתקיים: א. מגע/התנגשות בין שני חלקיקים, אבל גם ב. התנגשות בעלת אנרגיה מספיקה לקבלת תצמיד משופעל, אבל גם ג. התנגשות בזווית המתאימה לקבלת תצמיד משופעל, אבל גם ד. פירוק התצמיד המשופעל לתוצר הרצוי (ולא למגיבים) דורית בר

30. אנרגיה בקצב הכימיה תרגילים בספר פרק ב עמ' 53-54 שאלות 1-3 עמ' 77-78 שאלות 1, 2 א- ה, 3, 4 א-ד פרק ג עמ' 83 שאלה בתחתית העמוד עמ' 84-85 רצוי להבין את המסקנות הנובעות מהתבוננות בגרפים עמ' 105-106 שאלות 2 א, 4, 8, 9 עמ' 114 שאלה 2 דורית בר

31. T.N.T. אנרגיה בקצב הכימיה סילבוס לתשס"ח ירד במיקוד תשס"ח דורית בר

32. T.N.T. אנרגיה בקצב הכימיה סילבוס לתשס"ח ירד במיקוד תשס"ח דורית בר

33. יחסים וקשרים בעולם החומרים תודה על תשומת הלב דורית בר