מטרות הפרק

הקניית מושגים ראשוניים בנושא חמצון חיזור: חמצון, חיזור, מחמצן, מחזר, חצי תגובה, איזון תגובה עפ"י חצאי תגובות, שורה אלקטרוכימית, קורוזיה.
יצירת זיקה בין תגובות חמצון חיזור לבין העולם הסובב אותנו: רפואה, כלכלה, חיי יום יום.

---

לחצו לקפיצה לנושא אותו אתם מחפשים:

אסטרטגיות הוראה
ניסוי מס' 2 ניקוי כלי כסף
ניסוי מס' 3 מסמרים בכתום
קורוזיה
הצעות נוספות לפעילויות בנושא קורוזיה
צפייה מונחית בסרטים
פעילות בנושא טיטניום
הצעות לניסויים ממוזערים
רשימת מושגים מחייבים לפרק א'

---

אסטרטגיות ההוראה בפרק

סיפור מסגרת העוסק בתכונות הנדרשות ממתכת המשמשת לקיבוע שבר בגוף האדם. הפרק פותח בידיעה עיתונאית, המבוססת על מקרה אמיתי. מטרת הקטע לעורר שאילת שאלות, שבחלקן יתמקדו בקשר בין תכונות ותפקוד – תכונות הנדרשות מהמתכת שמאפשרות לה לשמש לקיבוע שבר בגוף האדם. יש לעודד שאילת שאלות בכל התחומים, ולהמליץ לתלמידים למצוא תשובות לשאלות שלא נענה עליהן בפרק. במספר נקודות בפרק חוזרים לסיפור המסגרת. בסוף הפרק יש מידע לגבי שתלים אורטופדיים ומשימת סיכום העוסקת במתכת טיטניום.

עבודה בקבוצות – בניסוי תחרות חיזור, הכתה מתחלקת לקבוצות, כך שכל קבוצה מקבלת מטלה שונה (קבוצות א-ד). מומלץ שכל קבוצה תדווח על תוצאות הניסוי למליאת הכיתה, ובעקבות הדיווח יתנהל דיון בהנחיית המורה. השאלות לדיון בעקבות הניסוי מופיעות בספר התלמיד. הדיון המונחה ע"י המורה ירכז את כל המידע, שכן כל קבוצה מבצעת ניסוי אחר, ובמהלכו יוקנו המושגים העיקריים של הפרק: חיזור חמצון, מחמצן, מחזר, חצי תגובה, איזון תגובה עפ"י חצאי תגובות, שורה אלקטרוכימית. חשוב מאוד להתייחס בדיון לעולם המקרוסקופי בו אנו צופים, ולעולם המיקרוסקופי – חלקיקי המסביר את התצפיות.
אם מסיבות כלשהן, הניסוי לא יכול להתבצע ע"י התלמידים, ניתן לבצעו כהדגמת מורה. ובהעדר מעבדה, ניתן להשיג את מטרות הניסוי בעזרת הפעילות המתוקשבת, שהיא אנימציה ממוחשבת של הניסוי. הפעילות המתוקשבת מובאת להלן.
פעילות מתוקשבת – קובץ להורדה הפעילות במתכונת המוצעת להלן מתאימה לתלמידים שלא ביצעו את ניסוי מס' 1.

ניסוי מס' 2 – ניקוי כלי כסף

מטרת הפעילות: להדגים שימוש בשורה האלקטרוכימית בחיי יום יום בהקשר מעשי – ניקוי תכשיטי כסף או כלי בית עשויים מכסף.

כיוון שגודלה של הקערה שבתוכה יתבצע הניקוי תלוי בגודלו של החפץ אותו מנקים, ההוראות לכמות ה- NaHCO₃ הנדרש לניסוי אינן מוחלטות אלא נמצאות ביחס ישר לכמות המים שתמלאו בקערה. היחס הוא כפית לכוס מים (כ- 200 מ"ל).

ההשחרה על פני הכסף מקורה בזיהומים הנמצאים באוויר, במיוחד הגז מימן גופרי שמקורו בתהליכי ריקבון טבעיים. תהליך ההשחרה גם הוא תהליך חמצון חיזור וניסוחו הוא:
4Ag_(s) + 2H₂S_(g) + O_2(g) → 2Ag₂S_(s) + 2H₂O_(l)

פעולת הניקוי – יוני הכסף הם חומר מחמצן חזק יותר מיוני האלומיניום ומתרחשת התגובה הבאה:
3Ag₂S_(s) + 2Al_(s) + 3H₂O_(l) → 6Ag_(s) + Al₂O_3(s) + 3H₂S_(g)

H₂S_(g) + Na⁺_(aq) + HCO₃^–_(aq) → Na⁺_(aq) + HS^–_(aq) + 3H₂O + CO_2(g)

נוסף לתגובת חמצון חיזור מתרחשות כאן גם תגובות חומצה בסיס. תפקיד הנתרן בי קרבונט כפול: להוות אלקטרוליט במערכת וכמו כן, לנטרל את המימן הגופרי שנפלט.

ניסוי מס' 3 – מסמרים בכתום

בסיס מדעי לניסוי:
שיתוך (קורוזיה) הוא תוצאה של פעילות אלקטרוכימית – בעיקר של מתכות וסגסוגות – כתוצאה מתגובה עם חומרים מהסביבה.
בעקבות תהליכים אלו מאבדים המתכות והסגסוגות, עם הזמן את התכונות הייחודיות שאפשרו לייעד אותם לשימושים ספציפיים. קירות פלדה מאבדים מחוזקם, משטחים שקופים הופכים לאטומים ומגעים חשמליים הופכים למבודדים.
השיתוך הוא תהליך חמצון של מתכות המתרחש בשטח הפנים שלהן, ושבעקבותיו הן הופכות לתרכובת כדוגמת: MO (תחמוצות), MCO₃ (פחמות- קרבונטים), MS (סולפידים).
קורוזיה מתרחשת בטמפרטורת החדר בהשתתפות חמצן ומים, זיהומים באוויר (SO_x, NO_x, CO₂, NH₃, H₂S ואבק), סביבה חומצית ומגע עם מתכות שונות. קורוזיה תלויה במספר גורמים: סוג המתכת או הסגסוגת, טיפול בפני השטח של המתכת, אופי התמיסה וריכוזה, טמפרטורה, תנאי איוורור ותנאי הזרימה של הנוזלים.
התעשייה מושפעת בצורה משמעותית מתופעת הקורוזיה. כיום מועסקים הרבה מאוד מומחים בארץ ובעולם בתחומים הקשורים לקורוזיה, כגון: מניעת קורוזיה, בקרה וגילוי "מוקדם" של הקורוזיה, טיפול בקורוזיה וכו'. למרות שבשנים האחרונות חלה התקדמות גדולה בכל הקשור לקורוזיה, עדיין מתרחשים כשלים ותקלות בכל ענפי התעשייה כמו גם בתחומי חיים רבים.
בניסוי "מסמרים בכתום" ישנן שתי מבחנות בהן מסמר ברזל נמצא בתמיסה חומצית. במבחנות אלו, לא ניתן לצפות בהצטברות חלודה על המסמר בתוך התמיסה מכיוון שהברזל החמצני מגיב עם יוני ההידרונים, בתגובת חומצה בסיס. נוסף על כך המתכת ברזל מגיבה עם יוני ההידרוניום תוך שחרור גז מימן. החלודה הנוצרת נצפית רק על חלק המסמר שמחוץ לתמיסה.
ניתן להבחין בין קורוזיה יבשה – חמצון ישיר של מתכות בתגובה עם חמצן, ובין קורוזיה אלקטרוליטית- תהליך חמצון שמתרחש בסביבה רטובה.
הברזל נמצא בטבע בדרך כלל בצורת תחמוצת. כדי לקבל את המתכת הטהורה או להכין ממנה סגסוגות, יש להשקיע אנרגיה. (עם קבוצות מתאימות של תלמידים ניתן לחשב את שינוי האנרגיה החופשית בתהליך קבלת הברזל מ- Fe₂O_3(s)). קורוזיה של ברזל גורמת להיווצרות מחודשת של התחמוצת Fe₂O_3(s).
ניתן למיין את המתכות העוברות קורוזיה לשתי קבוצות:
א. מתכות אשר עקב קורוזיה נוצרת עליהן שכבת תרכובת, שהמבנה הגבישי שלה מתאים למבנה הגבישי של המתכת. שכבה זו נקשרת היטב אל שטח הפנים של המתכת ומהווה לה הגנה מפני קורוזיה נוספת. על קבוצה זו נמנים כרום, ניקל,אלומיניום וטיטניום.
ב. מתכות אשר עקב קורוזיה נוצרות עליהן תרכובות בעלות מבנה גבישי שונה לחלוטין מזו של המתכת. מבנה גבישי שונה זה גורם לתרכובת להתפורר מעל המתכת, כך ששטח הפנים של המתכת נגלה שוב וחשוף לקורוזיה נוספת. הנציג הבולט של קבוצה זו הוא הברזל.
מתכונים להכנת מי ים תיכון ומי ים המלח – קובץ להורדה

קורוזיה של ברזל

שיתוך הברזל נחקר בתנאים שונים ונמצא שברוב המקרים הוא צירוף של מספר תהליכים. אחד המנגנונים המוצעים הוא הבא:
2Fe_(s) → 2Fe⁺²_(aq) + 4e^–
2Fe⁺²_(aq) → 2Fe⁺³_(aq) + 2e^–
3/2 O_2(g) + 3H₂O_(l) + 6e^– → 6OH^–_(aq)
2Fe⁺³_(aq) + 6OH^–_(aq) → 2Fe(OH)_3(s)
2Fe(OH)_3(s) → Fe₂O3^.3H₂O_(s)
———————————————————————————
2Fe_(s) + 3/2 O_2(g) + 3H₂O_(l) → Fe₂O₃^.3H₂O_(s)

בשלבים מאוחרים בניסוי ניתן לצפות בהווצרות מוצק שחור. מוצק זה הוא Fe₃O₄ המתקבל רק במצב של חוסר חמצן במרווח שבין הברזל וה-Fe(OH)₃ .

קיימות שלוש דרכים עיקריות להגנה מפני קורוזיה:

• בידוד המתכת מהסביבה.
• טיפול בסביבה.
• השפעה על כיוון התגובות האלקטרוכימיות.

בידוד המתכת מהסביבה: על ידי ציפוי המתכת בשכבה דקה של חומר מבודד – כמו זפת, צבע, קרמיקה או חומרים פלסטיים שונים – שאינו מאפשר חדירה של מים ומונע את המגע בין המים והחמצן לבין מתכת.

טיפול בסביבה: מתכות הנמצאות בסביבת אוויר יבש עוברות קורוזיה בקצב איטי יותר מאשר מתכות הנמצאות בסביבת אוויר לח. אחת מקבוצות התלמידים שביצעה את הניסוי מצאה שכאשר מסמר ברזל טבול בחומר הידרופובי כמו שמן, לא מופיעה קורוזיה על המסמר. ההסבר לכך הוא שתנועה קפילרית של השמן על פני המסמר מקטינה את המגע בין מולקולות המים מהסביבה והברזל ומונעת היווצרות של קורוזיה.
מתכות הנמצאות מתחת לפני המים עוברות קורוזיה בקצב איטי יותר, ככל שמידת הערבול של המים וכמות החמצן המומס בהם קטנות יותר. לדוגמה: כמות החמצן המומסת במי ים המלח קטנה בהרבה מזו המומסת במי גשם או במי הים התיכון (תופעה הנקראת "salting out"), ולכן צינורות הנמצאים בעומק הים עוברים קורוזיה בקצב איטי בהרבה מאלה הנמצאים מעל פני המים, וזאת למרות הריכוז הגבוה של היונים המומסים במי ים המלח. יש לציין שנוכחות מלחים בריכוז נמוך מאיצה את קצב הקורוזיה, בשל המוליכות החשמלית של התמיסה. נוסף על כך, ניתן להוסיף מעכבי קורוזיה לתמיסה למניעת התופעה, לדוגמא: Na₃PO₄, ZnSO₄ , אמינים ואחרים.

השפעה על כיוון התגובות האלקטרוכימיות: בשיטה זו מחברים למתכת שעליה רוצים להגן, מתכת מחזרת טובה יותר כדוגמת אבץ, מגנזיום או אלומיניום. מתכת זו עוברת חמצון ומגנה על המתכת האחרת.
שיטה אחרת היא לחבר את המתכת שעליה רוצים להגן, להדק השלילי של סוללה, ואת ההדק החיובי לאלקטרודה אדישה. זרם האלקטרונים המגיע מהסוללה למתכת המוגנת מונע את תהליך החמצון שהיה אמור להתרחש בשטח הפנים של המתכת ומגן עליה מפני קורוזיה.
פלדת אל חלד היא דוגמה להתמודדות עם קורוזיה בדרך משולבת של יצירת סגסוגת המשנה את הפעילות הקורוזיבית של המתכת ויוצרת שכבת הגנה מפני הסביבה.

בתעשייה מתמודדים עם קורוזיה במספר דרכים נוספות: בחירת חומרים עמידים לשיתוך: פלדת אל-חלד, טיטניום. שינוי התנאים הטכנולוגיים: סחרור נוזלים במקום סטגנציה, עבודה בתחום טמפ' מתאים.

ביבליוגרפיה:

כימיה של תאים חשמליים, מיכל צלטנר, הוצאת המחלקה להוראת המדעים, מכון ויצמן למדע.
"חשיבות לימוד נושא הקורוזיה בכימיה, בהנדסה כימית, בהנדסת מכונות ובחיי היום יום", ד"ר אליק גרויסמן, "כימיה הנדסה כימית", גיליון מס' 37, תשרי תשנ"ט, ספטמבר ,1999 עמ' 15-8.

מסמרים בכתום – ניסוי ברמה II – קובץ להורדה
מסמרים בכתום – ניסוי ברמה II (גרסה נוספת) – קובץ להורדה
מסמרים בכתום – ניסוי ברמה III – קובץ להורדה

הצעות נוספות לפעילויות בנושא קורוזיה

ניסוי 44 – מסמרים וחלודה – מתוך מאגר הניסויים "כימיה בגישה חוקרת":
בניסוי עוקבים התלמידים אחר תהליך השיתוך של מסמרי ברזל. הניסוי מוצג כניסוי חקר פתוח, וניתן לעבד אותו לרמות חקר שונות ולבצע אותו בווריאציות שונות. איסוף התצפיות בניסוי נמשך כשלושה ימים ויש להיערך לכך מראש.
במדריך למורה "כימיה בגישה חוקרת" תמצאו פירוט על : מטרות בהוראת החקר, המלצה לחלוקת זמן, כללי בטיחות ספציפיים לניסוי, אפשרויות גיוון לניסוי וכיווני חקר שנבדקו על ידי תלמידים בכיתות שביצעו את הניסוי.

צפייה מונחית בסרט

הסרטים שייכים לסדרה "עולם הכימיה", בהוצאת האוניברסיטה הפתוחה.

מיפוי הסרטים

מיפוי הסרט "מתכות"

זמן בדקות	תוכן	הערות
0:49-1:23	הקדמה – שאלות לגבי עולם המתכות
1:50-4:00	דוגמאות לשימושים
4:00-10:35	תכונות מתכות: הולכה חשמלית, רקוע וחמצון מתכות, מודל למבנה המתכת חמצון מתכות עם חמצן באוויר.	תגובה בין אלומיניום חמצני וברזל
10:35-17:00	הפקת מתכות הפקת ברזל הפקת אלומיניום	ניסוי חיזור תחמוצות עם מימן. חיזור ע"י פחם. אלקטרוליזה
17:00-23:50	מסגים – סגסוגות: פלדה, מסגים של אלומיניום
23:55-25:16	סיכום
27:06	…. סוף הסרט

 

מיפוי הסרט "האלקטרון הפעיל"

זמן בדקות	תוכן	הערות
0-6:20	קורוזיה של ברזל, נחושת ואלומיניום	גורמים המסייעים לקורוזיה דרכים למניעה
6:20-8:30	דוגמאות לתגובות חמצון חיזור
8:30-18:00	כיצד פועל תא אלקטרוכימי	סוללות, סוללת ליתיום במיוחד, מצברים
18:00-26:00	אלקטרוליזה	ניצול אלקטרוליזה לציפוי, אלקטרוליזה של מים
26:00	…. סוף הסרט תגובת חימצון חיזור היא זו שגורמת לאלקטרונים לנוע ולהניע.

הסרט " האלקטרון הפעיל"

מתוך הסדרה עולם הכימיה, בהוצאת האוניברסיטה הפתוחה.
בספר התלמיד מופיעה הפעלה, המשלבת צפייה בסרט שבמהלכה התלמיד נדרש להשלים דוגמאות בתוך מפת מושגים. כמו כן מוצעת פעילות לאחר צפייה שמטרתה העיקרית לחשוף את התלמידים לעולם הסוללות והמצברים.

מטרות הפעילות:

1. מיקוד הצפייה בסרט – דרך מילוי מפת מושגים
2. חיפוש מידע
3. טפול בעולם הסוללות, המצברים והציפוי האלקטרוליטי
4. יישום החומר הנלמד – דרך הסבר של תהליך

מקורות למטלה "פעילות בעקבות צפייה"

סוללות ומצברים:

1. כיצד מייצרים תא חשמלי?
   www.snunit.k12.il/heb_journals/kimat2000/009034.html
2. כיצד דברים פועלים – סוללות
   science.howstuffworks.com/battery.htm
3. הכימיה אתגר, פרק שביעי, עמודים 191-197
4. מיכל צלטנר, כימיה של תאים חשמליים, עמודים 11-33

ציפוי ע"י מתכות:
מיכל צלטנר, כימיה של תאים חשמליים, עמודים 74-76

צפייה בסרט יכולה להיות שיעור חוויתי, אבל אם ברצוננו להשתמש בסרט כדרך הוראה עלינו ליצור תנאים שיביאו את התלמיד לראות בסרט את מה שהתכוונו שיראה.
מתן דף צפייה, שיוערך אח"כ וישמש חלק מהציון הכללי, הוא אחת הדרכים למקד את הצפייה בסרט ולהפיק את מלוא התועלת מהשיעור.

מחוון לפעילות – קובץ להורדה
צפייה מונחית בסרט "האלקטרון הפעיל" – קובץ להורדה

זו הצעה לדרך הפעלה שונה, המשיגה יעדים אחרים, במיוחד בתחום הקניית המושגים הקשורים לקורוזיה.

פעילות ברשת – פעילות בנושא טיטניום

מטרות הפעילות

1. שכלול המיומנות של חיפוש מידע.
2. שכלול היכולת להבין שאלה ולענות עליה.
3. הרחבת נושא המתכות לשימושים בחיי יום יום.
4. העמקה בהבנת הקשר בין תכונה כימית לשימוש בה.
5. שכלול היכולת לתמצת, להבחין בין עיקר לטפל.

מקורות

לפניכם מספר מקורות, אינטרנטיים ואחרים, העוסקים בתכונות ושימושים של המתכת טיטניום. המקורות יכולים לשמש אתכם במילוי המשימה המופיעה בספר הלימוד, המשימה פתוחה כך שאפשר להוסיף או לגרוע מקורות לפי הנדרש.

טבלת מקורות

שם	כתובת המקור	שפה
טיטניום מויקיפדיה	טיטניום – יסודות כימיים http://he.wikipedia.org/wiki	עברית
טיטניום מאמר ממדע	מדע כרך כ"ט חוברת 4-5, ספט' 1985 www1.snunit.k12.il/heb_journals/mada/294208.html	עברית
טיטניום מידע כללי	טיטניום מהספריה של מט"ח lib.cet.ac.il/Pages/item.asp?item=7304	עברית
טיטניום בבניה	טיטניום במוזאון גוגנהיים www.lametayel.com/archive/article.asp?id=5163&postid=&dest_id=&dest_type	עברית
עובדות על טיטניום	עובדות על טיטניום http://titaniumera.com/facts.html	אנגלית
שימוש בטיטניום	שימוש בטיטניום https://www.webelements.com/titanium/	אנגלית
מתכת זוכרת	Nickel-titanium alloy helps broken bones heal faster	אנגלית

מידע נוסף לשאלה 3 בפעילות – טיטניום

לציפוי הטיטניום של מוזיאון בבילבאו בצפון ספרד, המשמש כיום כחיפוי השגרתי לכל הבניינים החדשים שהוא מתכנן, הגיע הארכיטקט פרנק גרי במקרה. מלכתחילה הוא תכנן לצפות את המוזיאון בנחושת, עד שהתברר לו שהחוק הספרדי אוסר להשתמש בחומר רעיל זה. טיטניום נחשב ליקר מדי, אפילו לתקציב של 100 מיליון דולר. אלא שאז הניף כנראה מישהו מטה קסם. לפתע החלו הרוסים להציף את השוק העולמי בטיטניום ומחירו צנח עד לרמת הכדאיות לשימוש בו כחומר בנייה.
מוזיאון גוגנהיים בבילבאו, בניין עשוי אבן גיר וזכוכית, נודע במיוחד בזכות ציפוי הטיטניום הבוהק שלו. הטיטניום, מתכת יקרה ביותר, שסייעה בגיבוש מיתוס על אודות העושר הקורן מהבניין. גרי אינו מתבייש לספר איך הוא השכיל "לשחק אותה" ספקולנט ולנצל התמוטטות רגעית בבורסת המתכות, על מנת לשים יד על כמות מספקת של טיטניום. ואגב כך: לאחרונה פורסם כי אריחי הטיטניום היוקרתיים הללו החלו להתרופף.

הערכת הפעילות

בעבודה מסוג זה יכולות להיות תשובות רבות ומגוונות, ולכן כדאי לדעת מראש באילו נושאים תתמקד הבדיקה ועל מה יוערך התלמיד.
אנחנו מציעים לבדוק ולהעריך לפי המטרות הלימודיות שהצבנו בפני התלמיד.
להלן: דוגמא למחוון לפעילות – קובץ להורדה

הצעות לניסויים ממוזערים

הצעה לניסויים ממוזערים מתוכנית המעבדות הממוזערות של אוניברסיטת בר-אילן:
ניסוי מס' 43 – ברזל וחלודה

רשימת מושגים מחייבים לפרק א'

• תגובת חימצון חיזור
• חומרים מחמצנים
• חומרים מחזרים
• חצי תגובת חיזור, חצי תגובת חמצון
• חוק שימור המטען
• שורה אלקטרוכימית
• שיתוך – קורוזיה
• הגנה בפני קורוזיה