כימיה

1. כימיה

2. כימיה • מבוא: למה כימיה? • פרק א: חקר מדעי • פרק ב: מושגי יסוד • פרק ג: שינויים פיסיקליים וכימים • פרק ד: מצבי צבירה • פרק ה: שפת הכימאים • פרק ו: תגובות כימיות ואיזון משוואות • פרק ז: מבנה האטום • פרק ט: הטבלה המחזורית

3. מבוא: למה כימיה? טקסטיל חומרי ניקוי הנדסה ביו-רפואית הנדסת חומרים ביוטכנולוגיה ארכיאולוגיה פולימרים חקלאות כימיה מדוע? הנדסה כימית תעשיית האלקטרוניקה חקר החלל אקולוגיה תעשייה בטחונית הנדסת מזון וביוטכנולוגיה קוסמטיקה רוקחות

4. מבוא: למה כימיה? האם הכימיה עושה את כל אלה לבדה? • הכימיה משתפת פעולה עם תחומים מדעיים אחרים. • כיום אין מדען שעובד לבדו. • את הגילויים המדעיים פורצי הדרך ואת הטכנולוגיות המתקדמות משיגים באמצעות שיתוף פעולה בין ענפי המדע השונים.

5. מבוא: למה כימיה? • דוגמאות לתרומתם של תחומי מדע שונים לתגליות ולחידושים טכנולוגיים: ננו טכנולוגיה פיזיקה כימיה הנדסה רפואית תרופות מתקדמות אלקטרודות תוך-תאיות ביולוגיה

6. מבוא: למה כימיה? במה עוסקת הכימיה וכיצד? • הכימיה היא מדע העוסק בחומרים שמהם מורכב העולם: חומרים טבעיים וחומרים מלאכותיים, חומרים "טהורים" וחומרים "מעורבבים", חומרים נפוצים וחומרים נדירים, חומרים מועילים וחומרים מזיקים. • כל דבר שאתם יכולים לכנותו חומר הוא מעניינה של הכימיה ושל הכימאים.

7. מבוא: למה כימיה? מה עושים הכימאים? • לומדים את תכונותיהם ואת תגובותיהם של חומרים שונים. • מנסים להבין ממה נובעות תכונות אלה וכיצד הן משפיעות על תגובות החומרים עם חומרים אחרים. • יוצרים חומרים חדשים בהתאם לצרכים השונים של החברה. • בודקים את השפעתם של חומרים שונים על איכות הסביבה ובודקים כיצד אפשר להגן עליה.

8. מבוא: למה כימיה? מדע הכימיה בימינו הוא נרחב, והוא נחלק לכמה ענפים. להלן העיקרים שבהם: • כימיה אורגנית- ייצור חומר "אורגני" מחומר "אי-אורגני" ללא שימוש בגוף חי (בעלי חיים וצמחים). זוהי כימיה של תרכובת הפחמן, המכילה גם יסודות אחרים, כגון: מימן, חמצן, גופרית, חנקן, זרחן וכלור. כ- 95% מהתרכובות הידועות לכימאים הן תרכובות אורגניות.

9. מבוא: למה כימיה? • כימיה אי-אורגנית- הכימיה האי אורגנית לעומת הכימיה האורגנית היא ענף הכימיה העוסק בכל היסודות מלבד פחמן ובתרכובותיהם. • כימיה פיסיקלית- חוקרת את תכונות החומרים הכימיים האורגנים והאי אורגנים, הנוגעות גם לפיסיקה, כגון התנהגותן כאשר עובר בהם זרם חשמלי.

10. מבוא: למה כימיה? • כימיה אנליטית- מתחלקת לשני תחומים: הכימאים העוסקים באנליזה איכותית קובעים אילו יסודות נוכחים בתרכובות הנתונה, ואילו האנליזה הכמותית מחשבת את הכמויות היחסיות של יסודות אלה. • כימיה מבנית- מתארת את הצורה המרחבית של סידור האטומים בתרכובת ואת סוגי הקשרים ביניהם.

11. מבוא: למה כימיה? • כימיה תעשייתית- עוסקת ביישום עקרונות הכימיה הפיסיקלית ובתהליכים הכימיים השונים. לדוגמא: ייצור חומצות, סבון, חומרי ניקוי, סיבים מלאכותיים, חומרים פלסטיים, חומרי נפץ, דשנים ועוד. תפקיד הכימאי הוא לזרז את התהליך שיאפשר לייצר חומרים אלה בכמויות גדולות ובעלות נמוכה ככל האפשר.

12. פרק א: חקר מדעי

13. פרק א: חקר מדעי עבודת המדען • כימיה היא מדע ניסויי. כלומר, הדרך לענות על השאלות שמעניינות כימאים מכל תתי התחומים של הכימיה היא לערוך ניסוי, לצפות בתוצאותיו ולהסיק מהן מסקנות. • המסקנות מובילות לשאלות חדשות, להשערות חדשות וגם לתיאוריות כלליות, שמצידן מעוררות שוב שאלות חדשות. • התהליך המדעי שתואר זה עתה מתרחש כמובן, גם במדעים אחרים ולא רק בכימיה.

14. פרק א: חקר מדעי תצפית כל דבר שאנו יכולים לתפוס אותו באמצעות כל חושינו או באמצעות מכשיר מדידה.

15. פרק א: חקר מדעי האם אפשר לאשר השערה מדעית או רק לאשש אותה? • אפשר לאשש, כלומר לתמוך בהשערה מדעית, אולם לא לאשר אותה באופן מוחלט. • תמיד קיימת אפשרות שניסוי חדש, תצפית חדשה, יפריכו השערה מסוימת ונאלץ לבנות השערה חדשה שתסביר לא רק את כל התצפיות הקודמות אלא גם את התצפית החדשה. וכך מתקדם המדע.

16. פרק א: חקר מדעי • המדע הוא מעגל חוזר ונשנה שבו כל מסקנה יכולה לעורר שאלה ובעקבותיה השערה וכל השערה מעוררת ניסוי חדש או שאלה חדשה. עבודת המדען

17. פרק א: חקר מדעי מהי חקירה מדעית? • ביצוע תצפיות, ארגונן וחיפוש אחר חוקיות שתעזור לנו ביישום היעיל של ידיעותינו. • ניסוח החוקיות המתגלות לנו בהכללה. הכללה זו נקראת בשם תיאוריה. • תיאוריה משתמרת כל זמן שהיא עולה בקנה אחד עם העובדות או כל זמן שהיא לעזר בארגון השיטתי של ידיעותינו.

18. פרק א: חקר מדעי • ללא ספק, ביום מן הימים תראינה כמה השקפותינו המדעיות הנוכחיות כבלתי מתקבלות על הדעת. אך באותו יום תבואנה במקומן השקפות חדשות.

19. פרק ב: מושגי יסוד

20. פרק ב: מושגי יסוד מיון חומרים: תערובת חומרים טהורים תערובת (לא אחידות) הומוגניות (אחידות) יסודות תרכובות שמן ומים מי מלח, מיץ פטל, אויר אל מתכות מתכות מים, פחמן דו-חמצני, עמילן, נתרן כלורי הליום, ניאון, ברום, חמצן, גופרית נחושת, ברזל, כספית חומרים

21. פרק ב: מושגי יסוד מיון חומרים- מושגי יסוד: • חומר- מוגדר כ"כל דבר התופס נפח והוא בעל מסה", הכימיה עוסקת בהרכב החומר, במבנהו, בתכונותיו, במגוון צורותיו ובשנויים שחלים בו. ההבדל בין חומר טהור לתערובת: • חומר טהור- בעל הרכב כימי מוגדר וקבוע בנוי מסוג אחד של חלקיקים. למשל, מים, נחושת, וחמצן הם חומרים טהורים.

22. פרק ב: מושגי יסוד • תערובת- חומר לא טהור מכיל שניים או יותר חומרים טהורים ובנוי משניים או יותר סוגי חלקיקים. לתערובת אין הרכב קבוע. בתערובת כל חומר שומר על תכונותיו. לדוגמא, אויר מכיל כמויות גדולות של חנקן וחמצן וכן מעט אדי מים, פחמן דו חמצני וגזים אחרים כמו ארגון.תערובת עשויה להיות הומוגנית או הטרוגנית.

23. פרק ב: מושגי יסוד • תערובת הומוגנית- הינה תערובת אחידה מבחינת תכונותיה בכל חלקיה. תערובת הומוגנית קרויה גם תמיסה. לדוגמא, תמיסת מלח בישול במים או תמיסת הכוהל אתנול במים. • תערובת הטרוגנית- איננה אחידה בכל חלקיה. לדוגמא, תערובת של ברזל וסוכר או סלע המורכב מחומרים שונים.

24. פרק ב: מושגי יסוד • ניתן להפריד תערובת הומוגנית או תערובות הטרוגנית למרכיביה באמצעים פיסיקליים פשוטים, בלי לשנות את זהות מרכיבי התערובת: • ניתן להפריד מלח בישול במים למרכיביה על ידי אידוי המים. המלח המוצק נשאר בכלי. את אדי המים ניתן לקרר ולאסוף במצב נוזלי אחר. • ניתן להפריד תערובת של אבקת ברזל וסוכר על ידי שימוש במגנט. רק חלקיקי הברזל נמשכים אל המגנט. • ניתן להפריד תערובת של מוצק ונוזל כמו אבקת ברזל ומים על ידי סינון. ניתן להפריד תערובת נוזלים כמו מים והכוהל אתנול על ידי זיקוק. טמפרטורת הרתיחה של הכוהל נמוכה משל המים ולכן בחימום מתקן הזיקוק הכוהל מתאדה ראשון ואדיו יוצאים מהכלי בעוד המים נשארים בכלי. לקבלת כוהל נוזל בכלי אחר מקררים את אדי הכוהל בתוך מעבה.

25. פרק ב: מושגי יסוד • אטום- הוא היחידה הקטנה ביותר של חומר. כיום ידועים כ- 115 סוגי אטומים שונים, אשר מהם בנויים כל החומרים בטבע, טבעיים ומלאכותיים. כאמור חומר טהור הוא בעל הרכב כימי מוגדר וקבוע. חומר טהור עשוי להיות יסוד או תרכובת.

26. פרק ב: מושגי יסוד • יסוד- חומר שאי אפשר לפרקו באמצעות תגובה כימית לחומרים פשוטים יותר. כיום מכירים כ- 107 יסודות, הערוכים בטבלה מחזורית.היסודות הם אבני הבניין של כל החומרים והם יוצרים חד תרכובות.

27. פרק ב: מושגי יסוד • תרכובת- צירוף של שני יסודות או יותר הקשורים יחדיו בקשר כימי. התכונות של התרכובות שונות מאלו של היסודות היוצרים אותם. היחסים הכמותיים בין היסודות בכל תרכובות הם קבועים ומוגדרים. פירוק התרכובות ליסודות נעשית באמצעות תגובה כימית, לעיתים בהשקעת אנרגיה רבה. • לדוגמא: O2H היחס הוא תמיד 2:1, כלומר על כל שני אטומי מימן אטום חמצן אחד.

28. פרק ב: מושגי יסוד אטומים שאינם זהים אטומים זהים תרכובת יסוד חומר מורכב מאטומים

29. פרק ב: מושגי יסוד • מולקולות: קבוצה של אטומים המחוברים ביניהם בקשר כימי.1. מולקולות המורכבות מאטומים זהים. 2. מולקולות המורכבות מאטומים שונים. • יסוד = מולקולה פשוטה • תרכובת

30. פרק ב: מושגי יסוד תערובות הומוגניות והטרוגניות: • הומוגני- אחיד, דומה לו בתכונותיו, ובצורתו וכו'. מערכת שבה הרכבו הכימי של כל חלק ומצבו הפיסיקלי שווים לאלה של כל חלק אחר. • הטרוגני- חסר אחידות, מורכב מיסודות או ממאפיינים שונים.כל אובייקט מורכב מחומרים או מחלקים שונים.

31. פרק ב: מושגי יסוד מה מייחד תערובות הומוגניות? • גודל החלקיקים ופיזורם. • את החלקיקים הקטנים ביותר של החומר, כמו אטומים או מולקולות, למשל, אי אפשר לראות.ניתן להבחין בהם באמצעות מיקרוסקופ מינהור סורק או באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי. ננומטר (nm)= יחידה למדידת חלקים קטנים מאוד. הננומטר הוא אחד חלקי מיליארד של מטר.

32. פרק ג: שינויים פיסיקליים וכימים

33. פרק ג: שינויים פיסיקליים וכימים תכונות פיסיקליות ותכונות כימיות: • תכונה פיסיקלית היא תכונה של חומר שניתן למדוד אותה ללא שינוי ההרכב והזהות של החומר. לדוגמא: צבע, צפיפות, טמפרטורת היתוך, טמפרטורת רתיחה, מסיסות במים ובמסיסים אחרים והולכה חשמלית הן תכונות פיסיקליות.

34. פרק ג: שינויים פיסיקליים וכימים • כאשר מים נוזלים קופאים מתקבלים מים מוצקים- קרח. חלק מהתכונות הפיסיקליות משתנות אולם בתהליך אין שינוי בהרכב המים.זהו שינוי פיסיקלי. ניתן להתיך את הקרח ולקבל חזרה מים במצב צבירה נוזלי. • תכונה כימית היא היכולת של חומר לעבור שינוי בהרכבו בתנאים מסוימים. בשינוי כימי- תגובה כימית, הרכב החומר משתנה.

35. פרק ד: מצבי צבירה

36. פרק ד: מצבי צבירה • רוב החומרים בטבע מופיעים בשלושה מצבים עיקריים: מוצק, נוזל וגז. שלושת המצבים הללו נקראים מצבי צבירה. • המונח "מצב צבירה" נגזר מהשם מצב הצבר- מצב אוסף החלקיקים שממנו בנוי החומר.

37. פרק ד: מצבי צבירה

38. פרק ד: מצבי צבירה • כל חומר במעבר ממצב צבירה אחד למשנהו הוא בעל טמפרטורות אופייניות, המשמשות גם כנקודות זיהוי שלו (בדומה לטביעת אצבעות): 1.זוהי הטמפרטורה שבה ניתך החומר במעבר ממוצק לנוזל, והיא שווה לטמפרטורה ההתמצקות, שהיא הטמפרטורה בה מתמצק החומר במעבר מנוזל למוצק. טמפרטורת התכה = טמפרטורת התמצקות:

39. פרק ד: מצבי צבירה טמפרטורת רתיחה = טמפרטורת עיבוי: 2. זוהי הטמפרטורה שבה הנוזל רותח במעבר מנוזל לגז, והיא שווה לטמפרטורת העיבוי שהיא הטמפרטורה בה מתנזל החומר במעבר מגז לנוזל.

40. פרק ד: מצבי צבירה • כאשר חומר נמצא בטמפרטורה הנמוכה מטמפרטורת ההתכה שלו, הוא במצב צבירה מוצק- (s) solid. • כאשר הטמפרטורה שבה נמצא החומר היא בין טמפרטורת ההתכה שלו לטמפרטורת הרתיחה שלו, הוא במצב צבירה נוזל- (l) liquid. • כאשר החומר נמצא בטמפרטורה הגבוהה מטמפרטורת הרתיחה שלו הוא במצב צבירה גז- (g) gas.

41. פרק ד: מצבי צבירה • ניתן לראות את השינוי במצבי הצבירה בעזרת ציר טמפרטורה: מוצק נוזל גז התכה רתיחה עיבוי התמצקות המראה

42. פרק ד: מצבי צבירה המראה- מעבר החומר ממצב צבירה מוצק ישירות למצב צבירה גזי.

43. פרק ד: מצבי צבירה • מדוע יורד גשם רק בחורף ולא בקיץ?טמפרטורת האדים של המים הנמצאים באוויר גבוהה, ולכן אינם יכולים להתעבות ולרדת כגשם. לעומת זאת, בחורף טמפרטורת האדים נמוכה וקרובה לטמפרטורת העיבוי. • מהו טל?טל הוא אדי מים הנמצאים באוויר בגלל הלחות הגדולה, וכשהם באים במגע עם משהו קר כמו רכב, חלון או כיסא בגינה, הם מתעבים והופכים לנוזל.

44. פרק ה: שפת הכימאים

45. פרק ה: שפת הכימאים • שפת הכימאי, ככל שפה אחרת, מורכבת מ"אותיות", "מילים", ו"משפטים". • האותיות בשפת הכימאי נקראות סימנים כימיים. הסימן הכימי מורכב מאות אחת גדולה או משתי אותיות שהראשונה גדולה והשנייה קטנה, והוא מסמל אטום אחד של היסוד. לדוגמא: אטום אחד של מימן נסמן ע"י האות H . אטום אחד של היסוד הליום נסמן ע"י האותיות He.

46. פרק ה: שפת הכימאים • להזכירנו, הסימנים הכימיים של עשרים היסודות הראשונים הם:מימן-H הליום- He ליתיום- Li בריליום- Be בור- B פחמן- C חנקן- N חמצן- O פלואור- F ניאון- Ne נתרן- Na צורן- Slזרחן- P גופרית- S כלור- Clארגון- Arאשלגן- K סידן- Ca מגנזיום- Mg אלומיניום (חמרן)- Al

47. פרק ה: שפת הכימאים • ה"מילים" נקראות בשפת הכימאי נוסחאות הן מסמלות מולקולה/ות של חומר כלשהו.ישנן נוסחאות של מולקולות פשוטות (של יסודות). לדוגמא: היסוד מימן מסומן ע"י הנוסחה 2H ומשמעות הנוסחה מולקולה דו אטומית של מימן.היסוד זרחן מסומן ע"י הנוסחה 4P ומשמעות הנוסחה מולקולה המורכבת מ- 4 אטומים של זרחן.

48. פרק ה: שפת הכימאים יסודות מולקולרים נוספים: חמצן- 2O חנקן- 2N פלואור- 2F כלור- 2l C ברום- 2r B יוד- 2I גופרית- 8S

49. פרק ה: שפת הכימאים • ישנן נוסחאות של מולקולות מורכבות (של תרכובות). • לדוגמא: מים- O2H - מולקולה המורכבת מ-2 אטומי מימן ואטום חמצן אחד. • פחמן דו חמצני- 2CO - מולקולה המורכבת מאטום פחמן ושני אטומי חמצן. • גלוקוז- 6O12H6C - מולקולה המורכבת מ- 6 אטומי פחמן, 12 אטומי מימן, ו-6 אטומי חמצן.

50. פרק ה: שפת הכימאים • הנוסחה מורכבת מסימנים כימיים וממספרים הנקראים אינדקס. האינדקס מציין כמה אטומים מאותו סוג קיימים במולקולה אחת של חומר. את המספר 1 לא מציינים. • במידה ויש חלקיק מסוים- אטום או מולקולה- יותר מפעם אחת מציינים זאת ע"י מקדם. לדוגמא: 3 מולקולות של מימן נרשום- 2H 3. 2 מולקולות מים נרשום- O2H 2. 4 אטומי נתרן נרשום- 4 Na .