תכונות: מצבי צבירה ומסיסות במים

למה חומרים יוניים מוצקים בטמפרטורת החדר?

כל החומרים היוניים הם מוצקים בטמפרטורת החדר.
הסיבה לכך היא אנרגיית הקשר הגבוהה של הקשרים היוניים.
על מנת שחומר יוני יעבור ממצב מוצק לנוזל יש צורך בשבירת הקשרים היונים.
קשרים אלה חזקים יחסית לקשרים הבין מולקולריים מכיוון שהם נובעים ממשיכה חשמלית בין מטענים הפוכים שלמים (ולא חלקיים כמו בחומרים מולקולריים).
בנוסף, כל יון יוצר מספר רב של קשרים יונים עם היונים השכנים בסריג היוני ולכן נדרשת אנרגיה לשבירת כל הקשרים היונים של כל יון עם שכיניו בגביש.

בסרטון נבין את ההסבר הנ”ל בעזרת אנימציות.

איך מנסחים תהליך התכה של חומר יוני?

בנוסחת תהליך התכה של חומר יוני, רושמים את הנוסחה האמפירית של החומר היוני במגיבים ואת היונים המרכיבים אותו במצב נוזלי בתוצרים.

סרטון על מצבי צבירה של חומרים יוניים
דוגמאות של ניסוח תהליך התכה של חומרים יוניים

תהליך התכה של כסף חנקתי: AgNO3(s)  → Ag+(l) + NO3(l)n                        

תהליך התכה של אמון זרחתי:  n(NH4)3PO4(s)  → 3NH4+(l) + PO43-(l)n                        

שימו לב שיש צורך לאזן את התגובה ועלולים להתבלבל.

האם חומרים יוניים מסיסים במים?

חלק מהחומרים היונים מסיסים במים כגון מלח בישול (NaCl).חומרים אלה נקראים “קלי תמס”.
 חלק אינם מסיסים במים כגון סידן פחמתי (אבנית) CaCO3. חומרים אלה נקראים “קשי תמס”.

מסיסות החומרים היונים במים הוא נתון ניסיוני ונתן למצוא אותו בטבלאות מסיסות.
יש מספר כללים שיכולים לעזור לזכור חומרים “קלי תמס” וקשי תמס” כפי שמתואר בטבלה הבאה אם כי אין דרישה לזכור אותם ובמקרה הצורך, בשאלות המבחנים, נתון מסיסות החומר היוני תינתן בפירוש או בצורה מרומזת.

איך מתארים תהליך המסה במים ברמה מיקרוסקופית?

בתהליך ההמסה של חומר יוני במים, מולקולות המים מתחברות ליונים שעל פני שטח הסריג היוני על ידי כוחות משיכה בין הקטבים של מולקולת המים למטען החשמלי של היונים כך שהקוטב השלילי של מים נמשך ליון החיובי שבסריג והקוטב החיובי של מים נמשך ליון השלילי של הסריג.

כוחות משיכה אילו  יחסית חזקים ובמקרה של חומר קל תמס, מצליחים לשבור את הקשרים היונים שבין יוני פני השטח לבין יונים השכנים.

מולקולות מים מקיפות את היון ומושכות אותו אל אזור המים וכך החומר יוני מתמוסס במים.

באיור מצד שמאל ניתן לראות מודלים המתארים את תהליך ההמסה במים של נתרן כלורי. שימו לב שהקשרים היונים נשברים והיונים יוצאים אל אזור המים מוקפים במולקולות של מים.

תצפו בסרטון על המסה של חומרים במים להסבר מעמיק מלווה באנימציה.

מהם יונים ממוימים?

​היונים המוקפים במולקולות מים נקראים “יונים ממוימים” (hydrated ions).
באיור מצד שמאל מתוארים יונים ממוימים של כלור ונתרן. שימו לב על כיוון מולקולות המים המפנות את אטומי החמצן ליון החיובי ובמקרה של היון השלילי הן מפנות את אטומי המימן אל היון.

איך מנסחים תהליך המסה במים של חומר יוני?

א. רושמים בצד המגיבים את הנוסחה האמפירית של החומר יוני ומצב הצבירה מוצק.
ב. רושמים חץ ומעליו נוסחת המים.
ג. רושמים את היונים המרכיבים את החומר היוני בתוספת האותיות  (aq) שהו קיצור המילה aquae  שהוא מים בלטינית. הוא הדרך לסמן יון ממוים בניסוח תגובה. 
ד. תאזנו את התגובה

מצד שמאל רשמנו את ניסוח תהליך המסה במים של נתרן כלורי.

המלצה: עד שתתרגלו לכתוב ניסוח תהליכי התכה והמסה של חומרים יונים, תתחילו בזיהוי של היונים המרכיבים את החומר היוני ותרשמו אותם (כולל המטענים) מתחת לנוסחה האמפירית.
רק אחר כך תעתיקו את היונים שרשמתם לצד התוצרים בתגובה (מימין לחץ).
נשאר רק לאזן בעזרת האינדקסים שבנוסחה האמפירית.

תצפו בסרטון תרגיל מודרך בהמשך הדף.

כללים להיכרות חומרים יונים קלי תמס וקשי תמס

מסיסות חומרים יונים במים

הערה: מדובר בכללים לצורך היכרות התלמיד, על מנת לוודא את מסיסות חומר מסוים במים יש לחפש בטלת מסיסות בספרות המדעית.
התלמידים לא נדרשים לדעת אם חומר יוני הוא קל תמס או קשה תמס.

תהליך המסה שלנתרן כלורי ברמה מיקרוסקופית
המסה של חומרים יונים במים ברמה המיקרוסקופית
סרטון על תהליך המסיסות של חומרים יוניים
תהליך המסה של נתרן כלורי ברמת הסמל
ניסוח המסה של נתרן כלורי ברמת הסמל

תרגול

1. התרגיל עוסק בזיהוי חומרים יונים (מרשימה של חומרים יוניים ומולקולריים) ורישום ניסוח תהליך ההתכה.
בטבלה הבאה רשימת נוסחאות של חומרים.

א. זיהו את החומרים היוניים וסמנו זאת בעמודה השלישית בטבלה.
ב. זיהו את היונים המרכיבים את התרכובות שזיהיתם שבחרתם בסעיף א’ ורשמו אותם בעמודות המתאימות בטבלה על פי סמן המטען שלהם.
ג. ציינו מה מצב הצבירה של החומרים שבחרת בסעיף א’ בטמפרטורת החדר ונמקו ברמה המיקרוסקופית
ד. האם כל התרכובות שבחרתם בסעיף א’ מקיימות את הכלל “מתכת ואל מתכת” של החומרים היוניים? נמקו
ה. רשמו את תהליך המעבר ממצב מוצק למצב נוזל של כל התרכובות שבחרתם בסעיף א’.

זיהוי חומרים יוניים

2. מהם הקשרים שנשברים במעבר ממצב מוצק למצב נוזל של התרכובת Na3PO4(s)n:

א. הקשר בין האטומי Na לאטומי P
ב. הקשר בין האטומי P לאטומי O
ג. הקשר בין יוני Na+n ליוני O2-n
ד. הקשר בין יוני Na+n ליוני PO43-n

3. להלן מספר סיבות המסבירות ברמה המיקרוסקופית את העובדה שבטמפרטורת החדר כל החומרים היונים מוצקים. תבחרו את הסיבות הנכונות:

א. בין חלקיקי החומרים היוניים כוחות הכובד בין החלקיקים מתווסף לכוחות החשמליים
ב. חלקיקי החומרים בעלי מטענים חשמליים שלמים
ג. חלקיקי החומרים משתפים מספר רב של זוגות אלקטרונים
ד. כוחות המשיכה בין חלקיקי החומר סימטריים ולכן יכולים ליצור סריג בו כל חלקיק מוקף בחלקיקים בעלי מטען הפוך

i.    א’ ו-ב’
ii.   ב’ ו-ג’
iii.  ג’ ו-ד’
iv.  ב’ ו-ד’

4. מה ההבדל במבנה של חלקיקי חומר יוני לחלקיקי חומר מולקולרי שיכול להסביר את ההבדל בין טמפרטורות ההתכה של n (808oC) NaCl וגפרית n (120oC) S8

א. בנתרן כלורי הקשרים היונים חזקים יותר מהקשרים הקוולנטיים שבחלקיקי הגפרית
ב. בנתרן כלורי יש משיכה בין מטענים שלמים בעוד שבין חלקיקי הגפרית יש משיכה בין מטענים חלקיים
ג. בנתרן כלורי החלקיקים יוצרים גביש בעוד שגפרית החלקיקים לא יוצרים גביש
ד. בשני החומרים נוצרים גבישים אבל בנתרן כלורי כוחות המשיכה חזקים יותר בגל משיכה בין מטענים שלמים בעוד שבגפרית המטענים חלקיים

i.    א’ ו-ב’
ii.   א’ ו-ג’
iii.  א’ ו-ד’
iv.  ב’ ו-ד’

5. מה הסיבה שחומר יוני מוליך חשמל במצה נוזל אבל לא מוליך חשמל במצב מוצק?

א. היונים מצב נוזלי ניידים כי יש להם תנועת מעתק מוגבלת בעוד שבמצב מוצק אין תנועה כזו
ב. האלקטרונים במצב נוזל חופשיים לנועה בעוד שבמצב מוצק קשורים חזק ליונים
ג. במצב נוזלי נוצרים צמדים של יון חיובי ושלילי המסוגלים לנוע בעוד שבמצב מוצק
התנועה היחידה היא תנודה שלא מועילה להולכה חשמלית.
ד. כל התשובות נכונות

6.בציור מצד שמאל מתואר מודל דו ממדי של גביש של נתרן חנקתי (NaNO3 ).

א. תסבירו את תהליך ההמסה של הגביש במים ברמה מיקרוסקופית
ב. תיעזרו בציור וציירו מולקולות מים לתיאור שני מצבים: מצב התחלתי (הגביש בתוך המים) ומצב סופי היונים בתמיסה מימית (מספיק לצייר יון אחד מכל סוג עבור המצב השני)

ג. רשמו ברמת הסמל את תהליך ההמסה של נתרן חנקתי.

7. תיארו ברמת הסמל (ניסוח כולל מצבי צבירה ואיזון) את תהליכי ההמסה במים של החומרים היוניים הרשומים בהמשך השאלה.

ZnCl2, AlPO4, (NH4)3N, (CH3COO)2Ca , In2(SO4)3, Au(NO3)3, Fe2(CO3)3, Ga(OH)3, KCN, RbMnO4
היעזרו בטבלה המחזורית (טבלת יונים מועדפים בצד שמאל של השאלה) ובנוסחאות היונים הבאות:

CO32- ,SO42- ,NO3n 

הערה: חלק מהחומרים קשי תמס אולם ניתן לרשום את תגובת ההמסה במים שלהם כי בכל זאת מתרחשת המסה בכמות קטנה מאוד.

8. הסבירו מהו חומר קשה תמס?

9. הסבירו ברמה המיקרוסקופית למה חומרים יונים מסוימים קשי תמס?

10. שערו למה תרכובות של יונים כגון Al3+, Ba2+, PO43-n יוצרים לרוב תרכובות יוניות קשי תמס? (רמז, קשור לחוק קולון)

השאלות הבאות דנות במים ממקורות שונים:

11. מי ברז.

א. מה הסיבה שחומרים יונים מוליכים חשמל בתמיסה מימית בעוד שחומרים מולקולריים לא מוליכים חשמל בתמיסה מימית?
ב. לאור תשובתכם לסעיף הקודם, איך אתם מסבירים את העובדה שמי ברז מוליכים חשמל וקיימת הזהרה חמורה של חברת החשמל לא לגעת במכשירים חשמליים בידיים רטובות?

12. מים מינרליים
מצד שמאל, תמונה של התווית הישנה של בקבוק מים מינרליים באדיבות עין גדי. תתבוננו בהרכב המינרלי של המים ותענו על השאלות הבאות:

א. מה היחידות של המספרים ליד סמל היון בתווית ואיזה גודל הן מייצגות (נפח, ריכוז וכד’)?
ב. מצאו שתי טעויות בניסוח היונים בתווית של עין גדי (תוקנו החל מ-2018)

ג. איך תסבירו את העובדה שבתווית של בקבוק המים המינרלים כתובים יונים ולא נוסחאות אמפיריות של תרכובות יוניות ניטרליות?
ד. האם ייתכן שיש במים רק יונים מסוג אחד (חיובי או שלילי) או חייבים להיות תמיד שני סוגי היונים (חיובים ושליליים) באיזון מטענים? נמקו
ה. האם לדעתכם יש תרכובות קשי תמס במים המינרליים? נמקו
ו. אילו שפכתם לתוך מים מינרלים תמיסה של כסף חנקתי (AgNO3), האם אתם מצפים לשינוי כלשהו הנראה לעין? (נמקו את תשובתכם)
ז. שאלת העשרה: חישבו את המסה של היונים החיוביים והשליליים עבור ליטר מים מינרלים על פי נתוני התווית. איך תסבירו שתוצאות המסה של היונים החיוביים והשליליים במיליגרמים שונות?
ח. האם אתם צופים שמים מינרליים יוליכו חשמל? נמקו

13. מים מזוקקים

יוצרים מים מזוקקים במעבדה על ידי הזרמת מי ברז דרך התקן בשם קולונה המכיל חומר מפורר לגרגרים קטנים (בקשו מהלבורנטית להראות לכם אותה!)

א. מה לדעתכם התהליך שמתרחש כאשר המי-ברז זורמים דרך החומר המפורר?
ב. למה לדעתכם החומר צריך להיות מפורר לגרגרים קטנים?
ג. האם המים שמתקבלים אינם מוליכים חשמל כלל או שיש הולכה חשמלית ברמה נמוכה מאוד? נמקו את תשובותיכם.
ד. האם לדעתכם המים המזוקקים טעימים?
שימו לב!! אסור לטעום מים מזוקקים ובכלל אין לטעום שום דבר במעבדה.

14. מי השקיה

ידוע שהצמחים צריכים מינרלים כדי לגדול ומקבלים אותם מהאדמה על ידי שאיבת המים המכילים יונים של אותם חומרי מזון (nutrients). שלושת היסודות הדרושים לצמח הם אשלגן (K), זרחן (P)  וחנקן (N). הצמחים מסוגלים לקלוט אותם בתור יונים כגון: NH4+, NO3, PO43-n ו-K+n.

קיימים מספר מקורות ליסודות הנ”ל: מינרלים שהם חומרים אי אורגניים לרוב לא מסיסים במים (באדמה), החנקן שבאוויר או חומרים אורגניים העוברים תהליך פירוק והופכים לחומרי מזון לצמח. לדוגמה הקומפוסט הוא חומר אורגני אשר מתפרק לפחמן דו חמצני ואמוניה (NH3).

 ידוע שהקרקע ללא דישון (הספקת חומרים להעשרת הקרקע במינרלים), אינו מסוגל לספק כמות המינרלים הדרושה להפקת גידולים חקלאיים שיספיקו לאוכלוסיית העולם ועל כן החקלאים נאלצים לספק אותם על ידי דישון הקרקע לרוב דרך מי השקיה בהם הדשנים מומסים.
 
ידוע שמי ההשקיה בשדות החקלאים אסורים לשתייה בגלל שמומסים בהם הדשנים. להלן רשימת חומרים המכילים את היסודות המזינים את הצמח (K ,N ו-P):

NH3(g), N2(g) , NaNO3(s), Ca5(PO4)3F(s) , Ca5(PO4)3OH(s), K2SO4(s), KNO3(s), KCl(s)n

הערה: אנו רגילים לתרכובות בעלות סוג יון חיובי אחד וסוג יון שלילי אחד אך בטבע יש לא מאט תרכובות עם מספר יונים חיובים ושליליים שונים. היונים עצמם עדין שומרים על ההרכב שלמדנו.
 במקרה זה: PO43- , OHn ו- Fn

א. אילו מהם מסיסים במים?
ב. אילו מהם צרכים תהליך נוסף על מנת שחומר המזון יוכל להיקלט בצמח?
ג. להלן שני תהליכים כימיים בשימוש בתעשיית הדשנים, הסבירו מה הסיבה לכך.

    1. תהליך הבר ליצירת אמוניה ממימן וחנקן (שבאוויר)

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)n

2. תגובת אמוניה עם חומצה זרחתית

NH3(g) + H3PO4(l) → (NH4)H2PO4(s)n

 2NH3(g) + H3PO4(l) → (NH4)2HPO4(s)n

הערה: בתוצרים יש שני יונים שלא ראינו עד כה:   HPO42-n, ו- H2PO4n

 

ד. האם מי השקיה מוליכים חשמל יותר, פחות או באותה מידה ביחס למי ברז ? נמקו

15. תסבירו במילים שלכם למה חומרים יונים מוצקים בטמפרטורת החדר ונק’ ההתכה שלהם בתחום מאות עד אלפי מעלות צלזיוס.

16. תסבירו ברמה המיקרוסקופית את תהליך ההמסה של חומר יוני במים ולאחר מכן צירו מודלים המסבירים את התהליך.

17. תסבירו למה חומר יוני מוליך חשמל במצב נוזל או בתמיסה מימית אך לא במצב מוצק.

סרטון פתרון מודרך על מסיסות של חומרים יוניים
נתרן חנקתי
יוני יסודות בטבע
תווית עין גדי