מדינת ישראל משרד החינוך המזכירות הפדגוגית אגף מדעים הפיקוח על הוראת הכימיה מינהלת מל"מ המרכז הישראלי לחינוך מדעי-טכנולוגי ע"ש עמוס דה-שליט המרכז הארצי למורי הכימיה ניתוח תוצאות של בחינת הבגרות בכימיה השלמה מ- 3 ל- 5 יחידות לימוד תשע"ה שאלונים 037203, 037202, 037201 חלק II הוכן על-ידי: בוגרי הקורסים למורים מובילים במסגרת המרכז הארצי למורי הכימיה בראשות: צוות הכתיבה: זיוה בר-דב חני אלישע רחל אשר אסתר ברקוביץ מוחמד גרה רים סאבא אלה פרוטקין-זילברמן מיכאל קויפמן רחל קלנר עדינה שינפלד נאוה תמם יעוץ מדעי ופדגוגי: מכון ויצמן למדע: משרד החינוך: ד"ר רחל ממלוק-נעמן ד"ר דבורה קצביץ פרופ' ליאור קרוניק ד"ר דורית טייטלבאום, מפמ"ר כימיה מרץ 2016
חלק II תוכן עניינים כימיה אורגנית מתקדמת כימיה של חלבונים ושל חומצות גרעין כימיה של הסביבה פרקים בתרמודינמיקה, שלב שני עמ' 94 111 136 156 93
אנו מודים לאוטיליה רוזנברג על הייעוץ בנושא "כימיה אורגנית מתקדמת". שאלה 9 כימיה אורגנית מתקדמת ציון שאלון 37201 70 שאלון 37202 75 שאלון 37203 72 ציון משוקלל 72 ציון ממוצע על פי מכון סאלד: 72 ציונים ממוצעים של סעיפי השאלה: פיזור ציונים בחרו בשאלה 6% מהתלמידים 85-100 36% 0-40 11% 41-54 12% 55-84 41% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 84 79 79 61 56 ה ד ג א ב כדי לענות על שאלה זו על התלמיד: לסרטט את המבנה המרחבי סביב אטום הפחמן האסימטרי עבור האננטיומרים של האלקיל הליד הנתון. לנסח את המנגנון S N 2 של תגובת התמרה. להסיק מהו סדר התגובה מתוך משוואת הקצב שלה. להסביר כיצד מנגנון התגובה משפיע על הפעילות האופטית של התוצר. להסביר כיצד אפשר לקבוע מנגנון תגובה בדרך ניסויית. לקבוע כיצד משפיעים שינויים שונים על קצב תגובת ההתמרה. לנסח תגובת סיפוח. לרשום נוסחאות מבנה של אלקנים. 94
רמות חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום סעיף א ב ג ד ה תת-סעיף i i i i רמת חשיבה לפי בלום הבנה יישום אנליזה אנליזה יישום יישום יישום יישום יישום פתיח לשאלה השאלה עוסקת בתגובות שבהן מגיב או נוצר 2 -ברומו בוטאן. לפניך נוסחת המבנה של 2 -ברומו בוטאן: CH 3 CH 2 CHCH 3 Br סעיף א' )הציון 84( יש שני אננטיומרים של 2 -ברומו בוטאן. עבור כל אחד מן האננטיומרים סרטט את המבנה המרחבי סביב אטום הפחמן האסימטרי. CH 3 * Br C H * CH 3 H C Br C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 H C CH 3 H לקבל גם : 5 CH 3 C C2 H Br Br H H C 2 H 5 C Br Br C C 2 H 5 CH 3 CH 3 95
: ---- : : : : : : לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא הבנה. הציון גבוה. רוב התלמידים יודעים לסרטט את המבנה המרחבי סביב אטום הפחמן האסימטרי - נוסחאות של אננטיומרים. הטעויות המעטות שאותרו הן סרטוט של אננטיומר אחד בלבד או רישום נוסחת מבנה אחת המתאימה לשני האננטיומרים. המלצות: מומלץ להציג לתלמידים את הכתבה כיראליות של מולקולות - מכון דוידסון הכוללת אנימציה וסרטון, דוידסון :Online סעיף ב' )הציון 79( 2 -ברומו בוטאן מגיב עם יוני יוד,. בתגובה זו אצטון, 3(l), CH 3 COCH הוא הממס. משוואת הקצב המתאימה לתגובה זו היא: ] v = k [CH 3 CH 2 CHBrCH 3 ] [I נסח את מנגנון התגובה. I(CH 3COCH 3) :Br: CH 3 CH 2 CCH 3 H :I: H CH 3 CH 2 CCH 3 + :Br: : ---- :Br: H CH 3 CH 2 CCH 3 :I: :I: לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום..1 הציון די גבוה. רוב התלמידים ניסחו נכון את מנגנון התגובה. יחד עם זאת, חלק מהתלמידים טעו. ניתן למיין את הטעויות האופייניות שאותרו בסעיף זה לשני סוגים עיקריים : טעויות בניסוח המנגנון: אי-רישום חצים או רישום שגוי של חצים. אי-ציון אלקטרונים לא קושרים על הנוקלאופיל ו/או על הקבוצה העוזבת. רישום שגוי של נוסחת המגיב. 96
רישום שגוי של נוסחת התוצר. רישום שגוי של מצב המעבר. טעויות בקביעה של סוג התגובה: חלק מהתלמידים חשבו שמדובר באלימינציה ולכן רשמו מנגנון של. E2.2 המלצות: מומלץ לתרגל רישום מנגנונים. יש טעויות ברישום מנגנונים שחוזרות על עצמן. מומלץ לתרגל את קביעת סוג התגובה - מהם הגורמים המשפיעים על התרחשות התמרה או אלימינציה. סעיף ג' )הציון 61( תת-סעיף i )הציון 59( הסבר כיצד אפשר לקבוע את מנגנון התגובה על פי הפעילות האופטית של המגיב ושל התוצר. התגובה מתרחשת במנגנון. S N 2 נבצע את התגובה עם אננטיומר אחד, (+) או (). 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 59 63 i במנגנון S N 2 )שהוא מנגנון חד-שלבי( מתרחש היפוך וולדן )או: היפוך מטריה; או: היפוך במבנה המרחבי של מולקולות המגיב(. התוצר שמתקבל הוא פעיל אופטית. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא אנליזה. הציון נמוך. הטעויות האופייניות שאותרו: 1. תשובות חלקיות המתייחסות לתוצר בלבד: "במנגנון S N 2 מתקבל תוצר פעיל אופטית." ללא כל התייחסות לאופי המגיב ולהיפוך וולדן. 97
"במנגנון S N 2 מתרחש היפוך וולדן ומתקבל תוצר פעיל אופטית." ללא התייחסות למגיב. התייחסות לאיזומריה גיאומטרית במקום לאיזומריה אופטית: "לתוצר אין קשרים כפולים,ולכן אין לו איזומרים ציס וטרנס, לכן זה חייב להיות.2 ". מנגנון S N 2 תלמידים שטעו בסעיף ב' וקבעו שהמנגנון הוא, E2 ניסו להסביר את קביעת המנגנון:.3 "במנגנון E2 המגיב הוא פעיל אופטית והתוצר לא." המלצות: אחד הדברים שמומלץ לעבוד עליהם בכל הנושאים הוא כתיבה של תשובות מלאות והבחנה בין חזרה על נתונים או ציטוט עובדות לבין הסבר או נימוק. תת-סעיף )הציון 63( הצע דרך נוספת לקביעת מנגנון התגובה. הסבר. נבצע סדרת ניסויים שבהם ריכוז האלקיל הליד קבוע וריכוז הנוקלאופיל משתנה, ונבדוק את קצב התגובה. זאת תגובה מסדר שני )או: קצב התגובה מושפע גם מריכוז האלקיל הליד וגם מריכוז החומר הנוקלאופיל(. ולכן אם משנים את ריכוז הנוקלאופיל, ישתנה גם קצב התגובה. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא אנליזה. הציון די נמוך. תלמידים רבים לא הבינו שקביעת מנגנון תגובה מתבצעת באופן ניסויי, וניסו להסביר כיצד קובעים שמנגנון התגובה הוא S N 2 ללא ניסוי: "החומר המותקף הוא אלקיל הליד שניוני והתוקף הוא נוקלאופיל חזק עם קיטוב עצמי גבוה, לכן המנגנון הוא היו תלמידים שהציעו להחליף את הממס: ". S N 2 "נחליף את הממס לממס פרוטי שימסך את הנוקלאופיל ובכך הוא מאט את התגובה, זה יהיה סימן שהתגובה מתבצעת במנגנון ". S N 2 בעיה נוספת היא תשובות חלקיות כמו: "נעשה ניסוי שבו נשנה את הריכוזים ונבדוק את המהירות." 98
סעיף ד' )הציון 79( התייחס לתגובה שניסחת בסעיף ב, וקבע אם קצב התגובה יעלה, ירד או לא ישתנה בעקבות כל אחד מן השינויים. i-i נמק בתת-סעיף i בלבד. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 92 86 69 i i תת-סעיף i )הציון 86( העלאת הטמפרטורה שבה מבצעים את התגובה. קצב התגובה יעלה. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון גבוה. רוב התלמידים יודעים שהעלאת טמפרטורה מעלה את קצב התגובה. תלמידים מעטים טעו וקבעו: "קצב התגובה ירד." "לא יהיה שינוי בקצב התגובה." המלצות: מומלץ לנתח יחד עם התלמידים את גרף התפלגות האנרגיה הקינטית של מולקולות בטמפרטורות שונות ובתגובות בעלות אנרגית שפעול שונה. הגרף נמצא בעמוד 112 בספר הלימוד "מולקולות במסע התחנות שבדרך" מאת אריאלה וינר, חיה פרומר, ד"ר רחל צימרוט, האוניברסיטה העברית בירושלים. 99
. CH 3 CH 2 CHCH 3 Cl תת-סעיף )הציון 92( החלפת 2 -ברומו בוטאן ל- 2 -כלורו בוטאן, קצב התגובה ירד. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון גבוה מאוד. התלמידים קבעו נכון שקצב התגובה ירד. כמעט ולא אותרו טעויות. תת-סעיף i )הציון 69( החלפת 2 -ברומו בוטאן ל- 1 -ברומו בוטאן,. CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Br נמק. קצב התגובה יעלה. האלקיל הליד הוא ראשוני - אין הפרעה מרחבית המקשה על הנוקלאופיל להתקרב אל אטום הפחמן החיובי. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון בינוני. רוב התלמידים קבעו נכון שקצב התגובה יעלה, אך חלק מהתלמידים טעו בנימוק או כתבו נימוק חלקי - הסתפקו בקביעה שהאלקיל הליד הוא ראשוני מבלי להסביר כיצד זה קשור לקצב התגובה. היו תלמידים שלא כתבו נימוק כלל. סעיף ה' )הציון 56( אפשר לקבל 2 -ברומו בוטאן בתגובה בין פחמימן A לבין מימן ברומי,. HBr (g) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 53 i 59 100
תת-סעיף i )הציון 53( CH 2 =CHCH 2 CH 3 רשום נוסחת מבנה אפשרית לפחמימן. A CH 3 CH=CHCH 3 או: לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון נמוך. כמעט מחצית התלמידים לא הבינו שמדובר בתגובת סיפוח, ולכן הציעו כוהל או אלקיל הלידים שונים. היו תלמידים שכתבו C 4 H 8 ללא נוסחת מבנה, והיו שכתבו נוסחאות מבנה שגויות כגון: CH 3 CH 2 CCH 3 תת-סעיף )הציון 59( נסח את התגובה של פחמימן A עם. HBr (g) CH 3 CH=CHCH 3 + HBr CH 3 CHBrCH 2 CH 3 CH 2 =CHCH 2 CH 3 + HBr CH 3 CHBrCH 2 CH 3 או : לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון נמוך. תלמידים רבים התקשו לנסח את התגובה של פחמימן A עם. HBr (g) תלמידים שטעו בתת-סעיף i והציעו אלקיל הליד או כוהל, ניסחו תגובה עם (g) HBr ורשמו את התוצר המבוקש. היו תלמידים שניסחו מנגנונים משונים ובלבד שיתקבל התוצר 2 -ברומו בוטאן. המלצות: מומלץ לתרגל עם התלמידים את ניסוח תגובות הסיפוח, כי תגובת סיפוח נותרה בתכנית הלימודים, אמנם בלי מנגנון ובלי כלל מרקובניקוב, אבל את התגובה עצמה תלמידים צריכים להכיר. 101
שאלה 10 כימיה אורגנית מתקדמת ציון שאלון 37201 67 שאלון 37202 71 שאלון 37203 61 ציון משוקלל 64 ציון ממוצע על פי מכון סאלד: 64 ציונים ממוצעים של סעיפי השאלה: פיזור ציונים בחרו בשאלה 3.6% מהתלמידים 85-100 27% 0-40 19% 41-54 14% 55-84 40% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 70 68 62 63 56 ה ד ג ב א כדי לענות על שאלה זו על התלמיד: להסביר מדוע כאשר 3 -ברומו 3 -מתיל פנטאן מגיב עם יוני יוד באתאנול, התגובה העיקרית שמתרחשת היא תגובת התמרה במנגנון S. N 1 לציין את השיקולים בבחירת מנגנון תגובה ולנמק את הבחירה. לרשום נוסחאות מבנה של אלקיל הליד ושל אתר. לנסח מנגנון S N 1 של תגובת התמרה. להסביר מדוע במנגנון S N 1 מתקבלים שני התוצרים - להסביר שהממס משמש במקרה זה גם כנוקלאופיל. להסביר מדוע שינוי ריכוז הנוקלאופיל משפיע על אחוז התוצר. לקבוע אם שינוי ריכוז הנוקלאופיל משפיע על קצב תגובת ההתמרה במנגנון S. N 1 לרשום נוסחאות מבנה של אלקנים שונים, תוצרי תגובת אלימינציה. להסביר כיצד אופי הנוקלאופיל מכוון את התגובה להתמרה או לאלימינציה. 102
רמות חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום סעיף תת-סעיף רמת חשיבה לפי בלום א i יישום יישום ב i יישום אנליזה ג i יישום יישום ד יישום ה אנליזה פתיח לשאלה השאלה עוסקת בתגובות של 3 -ברומו- 3 -מתיל פנטאן. בתגובות אלה אתאנול, (l), CH 3 CH 2 OH הוא הממס. לפניך נוסחת המבנה של 3 -ברומו- 3 -מתיל פנטאן: CH 3 CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 Br כאשר 3 -ברומו 3 -מתיל פנטאן מגיב עם יוני יוד תגובת התמרה במנגנון. S N 1 מתקבלים שני תוצרים עיקריים: אלקיל יודיד ואתר., התגובה העיקרית שמתרחשת היא I(CH 3CH 2OH ) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 80 i 64 סעיף א' )הציון 70( תת-סעיף i )הציון 80( הבא נימוק אחד לכך שהתגובה מתרחשת במנגנון S. N 1 103
אחד מהנימוקים: - השלד הפחמימני של מולקולות החומר המותקף הוא שלישוני. בשלב הראשון של התגובה נוצר יון קרבוניום )קרבוקטיון( שלישוני, שהוא יציב יחסית ליוני קרבוניום שניוניים או ראשוניים )או: השלד הפחמימני מקשה מבחינה מרחבית על התקפת הנוקלאופיל על פחמן.) הממס אתאנול הוא ממס פרוטי המייצב יוני קרבוניום ומכוון את התגובה למנגנון. S N 1 )מולקולות הממס יוצרות מעטפת מסביב ליוני הקרבוניום ומייצבות אותם.( I גם יוני וגם מולקולות הממס הם בסיסים חלשים, ולכן תגובת האלימינציה לא יכולה להיות התגובה העיקרית. רק בתגובות המתרחשות במנגנון S N 1 יכול ממס כמו אתאנול להגיב כנוקלאופיל. - - - לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון די גבוה. רוב התלמידים הסבירו נכון מדוע התגובה מתרחשת במנגנון S. N 1 הבעיה העיקרית בתת-סעיף זה היא נימוקים חלקיים - כתיבת קביעות בלבד: "האלקיל הליד שלישוני." - "הממס פרוטי." היו תלמידים שכתבו בטעות: "נוצר יון הידרוניום יציב." במקום יון קרבוניום. תת-סעיף )הציון 64( רשום נוסחת מבנה של כל אחד משני התוצרים העיקריים. CH 3 CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 I CH 3 CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 OCH 2 CH 3 לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. 104
הציון די נמוך. חלק ניכר מהתלמידים התקשו ברישום הנוסחאות, במיוחד ברישום של נוסחת האתר ורשמו נוסחאות של: CH 3 CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 OH CH 2 = CH C CH 2 CH 3 CH 3 כוהל: אלקן: CH 3 CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 OBr אלקאן: תוצר נוסף: המלצות: מומלץ לתרגל עם התלמידים רישום נוסחאות מבנה של מולקולות חומרים שונים. מומלץ לבצע באמצעות מודלים סימולציה של תגובות שונות כדי להמחיש היווצרות של תוצריים עיקריים. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 74 i 62 סעיף ב' )הציון 62( תת-סעיף i )הציון 74( נסח את מנגנון התגובה לקבלת האלקיל יודיד. 105
: : CH 3 CH 3 CH CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 + Br 3 CH 2 C CH 2 CH 3 שלב ראשון : + Br CH 3 CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 + :I: + CH 3 CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 I שלב שני: לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון בינוני. רוב התלמידים ניסחו נכון את מנגנון התגובה לקבלת האלקיל יודיד, אך חלק ניכר מהתלמידים טעו. הטעויות האופייניות שאותרו: אי-רישום חצים. אי-ציון אלקטרונים לא קושרים. רישום שגוי של נוסחת המגיב. רישום שגוי של נוסחת התוצר. רישום מנגנון.S N 2 הוספת שלב שלישי למנגנון, שבו הממס תוקף את האלקיל יודיד שנוצר ומצטרף אליו. מתקבל המלצות:. CH 3 CH 2 C(CH 3 )ICH(OCH 2 CH 3 )CH 3 הטעויות שאותרו בתת-סעיף זה הן נפוצות בשאלות מסוג זה. מומלץ לתרגל עם התלמידים את רישום המנגנונים ולבקש לתאר מה מתרחש בכל שלב ולהסביר זאת. תת-סעיף )הציון 62( הסבר מדוע בתגובה זו מתקבל גם אלקיל יודיד וגם אתר. בתגובות המתרחשות במנגנון S N 1 גם הממס יכול לשמש נוקלאופיל. בתגובה זו, התמיסה מכילה שני נוקלאופילים: יוני ומולקולות הממס, (l). CH 3 CH 2 OH בשלב השני של התגובה כל אחד משני הנוקלאופילים יכול לתקוף את יוני הקרבוניום וליצור את התוצר המתאים. I(CH 3CH 3OH ) 106
לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון נמוך. תלמידים רבים התקשו להסביר מדוע בתגובה זו מתקבל גם אלקיל יודיד וגם אתר. הטעויות האופייניות הן: התייחסות לממס כאל תוצר שני: "הקבוצה היוצאת מגיבה עם הממס ליצירת קבוצה אתרית." הסברים חלקיים המתייחסים רק לקבלת האלקיל יודיד. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 71 i 62 סעיף ג' )הציון 68( תת-סעיף i )הציון 71( מעלים את ריכוז יוני גדל. הסבר מדוע. I(CH בתמיסה. בעקבות כך אחוז האלקיל יודיד בתערובת התוצרים 3CH 2OH ) כאשר מעלים את ריכוז יוני בתמיסה, יש סיכויים רבים יותר שהם יתקפו את יוני הקרבוניום )או: יש סיכויים רבים יותר להתנגשויות(, ולכן האלקיל יודיד ייווצר בכמות גדולה יותר. I(CH 3CH 2OH ) לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. ציון בינוני. רוב התלמידים הסבירו נכון מדוע שינוי ריכוז הנוקלאופיל משפיע על אחוז התוצר, אך חלק ניכר מהתלמידים התבלבלו בין אחוז התוצר לבין קצב תגובה: "כאשר מעלים את ריכוז יוני יוד יגדל קצב ההתנגשויות, תגדל המהירות שבה הם יתקפו, ולכן יתקבל יותר אלקיל יודיד. 107
I(CH 3CH 2OH ) תת-סעיף )הציון 62( קבע אם בעקבות העלאת ריכוז יוני קצב התגובה יעלה, ירד או לא ישתנה. קצב התגובה לא ישתנה. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון נמוך יחסית. תלמידים רבים קבעו שהקצב יעלה. הם שכחו או לא שמו לב שמדובר במנגנון. S N 1 המלצות: יתכן גם שהסיבה לטעות זו היא חוסר הבנה של משמעות המנגנון מסדר ראשון ושני. למרות שבשאלה לא נדרש להסביר מדוע ריכוז היוד לא משפיע על קצב התגובה, מומלץ להסביר לתלמידים שהסיבה לכך היא שיוני יוד מגיבים בשלב השני של המנגנון. שלב זה לא קובע את קצב התגובה. סעיף ד' כאשר )הציון 63( 3 -ברומו- 3 -מתיל פנטאן מגיב עם יוני אתאוקסיד,, CH 3 CH 2 O התגובה העיקרית שמתרחשת היא תגובת אלימינציה במנגנון. E 2 מתקבלים שלושה אלקנים. רשום נוסחת מבנה של כל אחד מן האלקנים. (CH 3CH 2OH ) CH 3 CH 2 CH 3 CH 2 C = C H H CH 3 H CH 3 CH 3 C = C C = C CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 H )ציס( )טרנס( לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. 108
הציון די נמוך. חלק ניכר מהתלמידים טעו ברישום נוסחאות של אלקנים שהם איזומרים גיאומטריים ציס וטרנס. הטעויות האופייניות הן: המלצות: רישום של שתי נוסחאות בלבד, כשאחת מהן היא נוסחה של 3 -מתילפנטן, ללא איזומרים ציס טרנס. רישום נוסחה של אותו איזומר בצורות שונות. רישום נוסחאות של שלושה אתרים במקום שלושה אלקנים. איזומריה גיאומטרית נלמדת בנושא חומצות שומן ב- 3 יחידות לימוד. מומלץ לחזור ולתרגל את רישום האיזומרים ציס טרנס גם במהלך לימוד הנושא "כימיה אורגנית מתקדמת". מומלץ לתרגל עם התלמידים את רישום נוסחאות המבנה של איזומרים שונים - עם שרשרות ישרות ועם שרשרות מסועפות, ולהבהיר לתלמידים כיצד להבחין בין נוסחאות של אותו איזומר )הרשומות בצורות שונות( לבין נוסחאות של איזומרים שונים. התלמידים צריכים להבין, שכיפוף השרשרת זה לא יצירת איזומר חדש, ומה שקובע זה אופן קישור בין אטומי פחמן בשרשרות. מומלץ להדגים זאת בעזרת מודלים. סעיף ה' )הציון 56( הסבר מדוע התגובה העיקרית של 3 -ברומו-מתיל פנטאן עם יוני ואילו עם יוני היא תגובת אלימינציה. I(CH היא תגובת התמרה, 3CH 2OH ) CH 3 CH 2 O (CH 3CH 2OH ) יוני ) 2OH (CH 3CH הם נוקלאופיל חזק ובסיס חלש. בנוכחות יונים אלה תועדף תגובת ההתמרה. יוני CH 3 CH 2 O הם בסיס חזק יותר מיוני (CH 3CH 2OH ) בנוכחות יונים אלו תועדף תגובת האלימינציה במנגנון E. 2. בנוכחות ריכוז גבוה של בסיס חזק מהירות תגובת האלימינציה במנגנון תגובת ההתמרה במנגנון S. N 1 E 2 I(CH 3CH 2OH ) I גדולה יותר ממהירות לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא אנליזה. הציון נמוך. תלמידים רבים כתבו שיוני היוד הם: "נוקלאופיל קטן" "נוקלאופיל חלש" "נוקלאופיל לא מסועף" 109
ולכן הם יכולים לתקוף את פחמן, α ואילו יוני האתוקסיד הם: "נוקלאופיל נפחי" "נוקלאופיל מסועף" ולכן הם לא יוכלו להתקרב לפחמן α ויתקפו אטום מימן על פחמן. β המלצות: מומלץ לחדד את המושגים )שליטה בשפה( קטן/גדול,נפחי. מושגים אלה מתייחסים לגודל ענן האלקטרונים, ואת זה ניתן למנות. המושגים מסועף/לא מסועף מתייחסים לצורת השלד הפחמימני )זו טעות שמופיעה גם ב- 3 יח"ל וגם בפרק פולימרים(. המלצות להוראת הנושא "כימיה אורגנית מתקדמת": בהוראת הנושא מומלץ להיעזר בחומרי למידה לספר "מולקולות במסע התחנות שבדרך" מאת אריאלה וינר, חיה פרומר, ד"ר רחל צימרוט, האוניברסיטה העברית בירושלים: http://chemteachers.huji.ac.il/?categoryid=263 מומלץ להיעזר באנימציות של מודלים מולקולריים עם צפיפות אלקטרונים, להמחשת ההבדל בין תגובה המתרחשת במנגנון S N 1 לתגובה המתרחשת במנגנון. S N 2 האנימציה נמצאת באתר המרכז הארצי למורי הכימיה, בדף: http://stwww.weizmann.ac.il/chemcenter/page.asp?id=285 הערה: אם הקישור לא נפתח, העתיקו אותו לשורת הכתובות בדף האינטרנט. מומלץ להשתמש בתרגיל המסכם, שהופיע בניתוח בגרות תשע"ב, לתרגול המנגנונים השונים והתנאים להתרחשות התגובות, ולהדגיש את ההבדלים בין המנגנונים והתנאים בהם מתרחשות התגובות. 110
שאלה 11 כימיה של חלבונים ושל חומצות גרעין ציון שאלון 37201 76 שאלון 37202 79 שאלון 37203 77 ציון משוקלל 78 ציון ממוצע על פי מכון סאלד: 78 ציונים ממוצעים של סעיפי השאלה: פיזור ציונים בחרו בשאלה 7.7% מהתלמידים כדי לענות על שאלה זו על התלמיד: ה ד ג ב א לתאר כיצד נוצר קשר אמידי. להשוות בין התגובה הנתונה בשאלה לבין התגובה שבה נוצרות שרשרות פוליפפטידיות מחומצות אמיניות. להסביר מה היא דנטורציה של חלבון וכיצד חימום גורם להתרחשותה. לקשר בין חוזק הקשרים הקוולנטיים במולקולה של חלבון לבין העובדה שמבנה ראשוני של חלבון לא משתנה במהלך הדנטורציה. לתאר את המבנה השלישוני של חלבון ולהסביר כיצד הוא מיוצב על ידי אינטראקציות הידרופוביות, קשרי דו-גופרית וקשרי מימן. לרשום ייצוג מלא לנוסחת מבנה של פפטיד כשנתון רצף חומצות אמיניות בפפטיד זה. לקבוע את המטען הכולל של החלבון ב- ph של תמיסה נתונה. לקבוע את המטען החשמלי על קבוצה צדדית של שייר חומצה אמינית בחלבון ב- ph התמיסה הנתון. לקבוע את רצף הנוקלאוטידים בקטע ה-, mrna שבתהליך התרגום נוצר ממנו הפפטיד הנתון. לרשום נכון את נוסחת הקטע של החלבון המתקבל בתרגום, כולל הקצה האמיני והקצה הקרבוקסילי. 85-100 35% 0-40 12% 41-54 9% 55-84 44% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 82 68 81 74 86 111
רמות חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום סעיף תת-סעיף רמת חשיבה לפי בלום א i הבנה יישום ב i הבנה אנליזה ג יישום ד יישום ה i יישום יישום פתיח לשאלה בישול מולקולרי הוא תחום חדשני העוסק בפיתוח של שיטות בישול ומוצרי מזון לא שגרתיים. אחת מן השיטות מבוססת על שימוש ב"דבק בשר", שבעזרתו אפשר לחבר חתיכות בשר או דגים ולקבל שילובים חדשים. "דבק בשר" הוא למעשה אנזים ט ר נ ס ג ל וט מ ינ אז. בנוכחות אנזים זה נוצרים קשרים בין שרשרות פוליפפטידיות. קשרים אלה נוצרים בין הקבוצות הצדדיות של החומצות האמיניות ליזין,, Lys וגלוטמין,, Gln על פי התגובה: שרשרת חלבון I Gln H C CH N O (CH 2 ) 2 C O H C CH N O (CH 2 ) 2 NH 2 טרנסגלוטמינאז HN C O + NH 3(g) שרשרת חלבון II NH 2 O (CH 2 ) 4 C CH N H Lys O (CH 2 ) 4 C CH N H 112
סעיף א' )הציון 82( השווה בין התגובה הנתונה ובין התגובה שבה נוצרות שרשרות פוליפפטידיות מחומצות אמיניות. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 82 83 i תת-סעיף i )הציון 82( ציין דמיון אחד בין שתי התגובות. אחת מהתשובות: בשתי התגובות נוצרים קשרים אמידיים )או: קשרים פפטידיים; או: קשרים קוולנטיים(. - שתי התגובות הן תגובות מסוג דחיסה. - לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. תת-סעיף )הציון 83( ציין הבדל אחד בין שתי התגובות. אחת מהתשובות: 1. בתגובה הנתונה קשרים אמידיים נוצרים בין קבוצות צדדיות של חומצות אמיניות, ובתגובה, שבה נוצרות שרשרות פוליפפטידיות, נוצרים קשרים אמידיים בין הקבוצות הקשורות לאטום פחמן במולקולות של חומצות אמיניות )או: בין קבוצה אמינית לבין קבוצה קרבוקסילית(. 2. בתגובה הנתונה נוצרים קשרים קוולנטיים בין קבוצות צדדיות של חומצות אמיניות הנמצאות בשרשרות פוליפפטידיות שונות, ובתגובה, שבה נוצרות שרשרות פוליפפטידיות, נוצרים קשרים קוולנטיים )אמידיים( בין חומצות אמיניות )ונוצרת שרשרת פוליפפטידית(. 3. בתגובת, שבה נוצרות שרשרות פוליפפטידיות, נוצרות מולקולות מים, (l), H 2 O ובתגובה הנתונה נוצרות מולקולות אמוניה,. NH 3(g) 4. בתגובה הנתונה הדחיסה היא בין אמיד לאמין, ובתגובה, שבה נוצרות שרשרות פוליפפטידיות, הדחיסה היא בין אמין לקרבוקסיל. 113
לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא הבנה. בסעיף א' הציונים בשני התת-סעיפים גבוהים. רוב התלמידים ציינו את הדמיון ואת ההבדל בין התגובה הנתונה לבין התגובה שבה נוצרות שרשרות פוליפפטידיות מחומצות אמיניות. אותרו טעויות מעטות הנובעות כנראה מכך שתלמידים אינם רגילים להיווצרות הקשר האמידי בין קבוצות פונקציונליות הנמצאות בקבוצות צד. סעיף ב' )הציון 68( צולים אומצה )"סט יק"( שהוכנה מחתיכות בשר קטנות שהודבקו בעזרת האנזים טרנסגלוטמינאז. תת-סעיף i )הציון 87( כיצד משפיע החימום על המבנה השלישוני של חלבוני האומצה? 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 87 i 49 עליית הטמפרטורה בעת הצלייה גורמת לדנטורציה של החלבון - הרס המבנה השלישוני על ידי פירוק קשרים בין קבוצות צד - אינטראקציות ון-דר-ואלס וקשרי מימן. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא הבנה. הציון גבוה. רוב התלמידים הסבירו נכון את השפעת החימום על המבנה השלישוני של החלבון - התרחשות דנטורציה. הופיעו טעויות מעטות - התייחסות לתהליך הדנטורציה רק כאל פירוק הקשרים הבין מולקולריים בין מולקולות החלבון: "עליית הטמפרטורה גורמת לפירוק חלק מהקשרים בין השרשראות, ולכן חלק מקבוצות ה- R מתרחקות אחת מהשנייה והמבנה מאבד מיציבותו." 114
תת-סעיף )הציון 49( במהלך הצלייה האומצה אינה מתפרקת לחתיכות שמהן היא עשויה. הסבר עובדה זו. האומצה אינה מתפרקת לחתיכות, מכיוון שהשרשרות הפוליפפטידיות, שמקורן בחתיכות שונות, קשורות על ידי קשרים קוולנטיים חזקים. גם המבנה הראשוני לא משתנה, כי הקשרים בין שיירי חומצות אמיניות בשרשרות פוליפפטידיות הם קשרים קוולנטיים. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא אנליזה. הציון נמוך. תלמידים רבים לא הצליחו להסביר מדוע האומצה אינה מתפרקת לחתיכות. הטעויות האופייניות שאותרו נובעות מאי ידיעת הקשרים ש"אחראים" על ייצוב של כל אחת מצורות ההתארגנות של חלבונים, ומחוסר הבנה מהם הגורמים הקובעים את חוזק הקשרים: "קשרי מימן, שאחראים אל ייצוב המבנה השלישוני, מאופיינים בטמפרטורות היתוך גבוהות בשל הקשר בין אטום מאוד אלקטרושלילי (N) לאטום מימן." "האומצה לא מתפרקת לחתיכות מכיוון שלא הושקעה מספיק אנרגיה כדי לפרק קשרי המימן." "יש לו אל איתור, לכן הקשרים חזקים מאוד." "מפני שחוץ מקשרי המימן בין השרשרות קיימים קשרים נוספים המייצבים את המבנה - אינטראקציות הידרופוביות שדוחסות את המולקולות אחת לשנייה למבנה צפוף וקשיח שקשה לפירוק." "הקשר יהיה שלם גם בטמפרטורות גבוהות. היו תלמידים שהתייחסו לאנרגיית השפעול של תהליך הפירוק: הם יתפרקו רק בהוספת ". NH 3 "פירוק האומצה לחתיכות הצלייה." דורש אנרגית שפעול גבוהה שלא מספיקה בתהליך המלצות: כדי למנוע טעויות ואי-דיוקים שקשורים לתהליך הדנטורציה מומלץ להגדיר את הקשרים ש"אחראים" על ייצוב של כל אחת מצורות ההתארגנות של חלבונים ולהדגיש באילו מקרים מדובר על הקשרים התוך מולקולריים ובאילו על הקשרים הבין מולקולריים: 115
מבנה החלבון סוג פירוט הקשר קוולנטי פפטידי בין α -אמינים לבין α -חומצות קרבוקסיליות ראשוני : שרשרת פוליפפטידית שניוני: התארגנות קטעי השרשרת בלי התייחסות לקבוצות צד. קשרי מימן בין קבוצות פפטידיות של אותה שרשרת פוליפפטידית או בין קבוצות פפטידיות של שרשרות פוליפפטידיות סמוכות קשרי בין קבוצות צדדיות בתוך אותה השרשרת מימן יוני בין קבוצות צדדיות טעונות במטענים מנוגדים סליל α ומשטח כפלים β שלישוני: התארגנות במרחב של כל הקבוצות של שרשרת פוליפפטידית רביעוני: חיבור של מספר שרשרות פוליפפטידיות ון-דר-ואלס קוולנטי יוני מימן קוולנטי בתוך אותה השרשרת בין קבוצות צדדיות לא קוטביות בתוך אותה השרשרת קשרי דו-גופרית SS אותה השרשרת בין קטעים שונים של בין קבוצות צדדיות טעונות במטענים מנוגדים הנמצאות בשרשרות פוליפפטידיות המתחברות זו לזו בין קבוצות צדדיות הנמצאות בשרשרות פוליפפטידיות המתחברות זו לזו - S דו-גופרית- S בין קטעים שונים הנמצאות בשרשרות פוליפפטידיות המתחברות זו לזו כדי להחליט אילו קשרים יתפרקו ראשונים בהשקעת אנרגיה אפשר להיעזר בטבלה הבאה: קשר קוולנטי קשר מימן אינטראקציות ון-דר-ואלס 152-890 10-40 8-16 טווח אנרגיות קשר (kj/mol) 100 10 1 ערך יחסי ממוצע כדי להמחיש את התהליך רצוי להשתמש באנימציות ובניסויים. אנימציות: http://highered.mheducation.com/sites/0072943696/student_view0/chapter2/animatio n protein_denaturation.html http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/proteinstructure.html 116
ניסוי שעוזר להבין שבמהלך הדנטורציה קשרים פפטידיים לא מתפרקים. רקע: אחת מהשיטות לזיהוי חלבונים היא תגובת ביורט שמבוססת על זיהו הקשרים הפפטידיים. בתגובה עם חלבונים מתקבל צבע סגול בעוד שבתגובה עם פפטידים, המורכבים משרשרות קצרות, צבע הוא וורדרד. 3 2 1 - תמיסה בתום תגובת ביורט עם חלבון מבחנה - 2 תמיסת ביורט מבחנה - 3 תמיסה בתום תגובת ביורט עם פפטיד המורכב משרשרות קצרות )לאחר הפירוק על ידי פפסין(. מבחנה 1 117
חומרים וציוד: 3 מבחנות.1 6 פיפטות פלסטיק 2. חלבון ביצה 3. תרחיף חלבון ביצה מבושל 4. תמיסת פפסין 0.5% 5. תמיסת 3% HCl.6 תמיסת ביורט 7. פלטה חשמלית 8. מד טמפרטורה 9. מהלך העבודה:.1.2 לכל אחת מ- 3 מבחנות מוסיפים: מבחנה מס' 1: מבחנה מס' 2: מבחנה מס' 3: מ 1 "ל חלבון ביצה + מ 4 מ 1 "ל תרחיף מחלבון ביצה + מ 4 מ 1 "ל תרחיף מחלבון ביצה + מ 4 "ל מים מזוקקים "ל מים מזוקקים "ל תמיסת פפסין + מ 1 "ל תמיסת HCl מנערים קלות את המבחנות ומניחים אותן בכוס מים על פלטה חשמלית בטמפרטורה קבועה. טמפרטורת מים בכוס.37 o 38 o C.3.4.1.2.3.4 לאחר 10 דקות מוציאים את המבחנות מהכוס. מה הם השינויים שהתרחשו במבחנות? לכל אחת מהמבחנות מוסיפים 15 טיפות של תמיסת ביורט. מסתכלים על המבחנות מלמעלה על רקע לבן. מה הם השינויים שהתרחשו במבחנות? הכנת תרחיף של חלבון ביצה )מכינים לפני הניסוי(: מפרידים חלבון מחלמון ומשתמשים בחלבון בלבד. לכל 10 מ"ל חלבון מוסיפים 40 מ"ל מים מזוקקים ומערבבים עם מזלג עד שמתקבלת תמיסה אחידה. מסננים את התמיסה דרך 4 שכבות גזה. מחממים את התסנין בפלטה תוך כדי ערבוב מתמיד עד שתמיסה תהפוך לעכורה ותוך מדידת הטמפרטורה 55. o 65 o C אסור לחמם מעבר ל- C 65. o התרחיף יהיה דומה לחלב מדולל. מתקבל תרחיב של חלבון ביצה שבו משתמשים בניסוי. פתיח לסעיפים ג - ה תגובה נוספת, שבה מעורב האנזים טרנסגלוטמינאז, מתרחשת במעיים, לדוגמה בפירוק של חלבון חיטה. בתגובה זו קבוצת הצד של גלוטמין,, Gln הופכת לקבוצת הצד של חומצה גלוטמית,. Glu. אחד מתוצרי הפירוק של חלבון חיטה במעיים הוא ארבע-פפטיד ProGlnProGln ה- ph השורר במעיים הוא. 7.5 118
סעיף ג' )הציון 81( רשום ייצוג מלא לנוסחת המבנה של הארבע-פפטיד הנתון אחרי הפעילות של האנזים טרנסגלוטמינאז ב- ph=7.5. O O O + H 2 N CHCNCHCN CHCNCHCOO CH 2 CH 2 H CH 2 CH 2 CH 2 H CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO COO לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון גבוה. רוב התלמידים רשמו נכון את נוסחת המבנה של הארבע-פפטיד הנתון אחרי הפעילות של האנזים, ז.א. אחרי שקבוצת הצד של גלוטמין,, Gln הפכה לקבוצת הצד של חומצה גלוטמית,. Glu יחד עם זאת, היו תלמידים שרשמו את נוסחת המבנה של הארבע-פפטיד לפני ההחלפה: O O O + H 2 N CHCNCHCN CHCNCHCOO CH 2 CH 2 H CH 2 CH 2 CH 2 H CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C O C O NH 2 NH 2 טעות נוספת היא השארת אטום מימן בשייר של פרולין: O H O CN CHCN CH 2 CH 2 H CH 2 119
המלצות: תשובות שגויות שבהן תלמידים לא החליפו את הקבוצות האמיניות לקבוצות קרבוקסיליות קשורות כנראה להבנת הנקרא. טעויות בקשר פפטידי שיוצר פרולין נובעות מחוסר הבנה של המבנה הטבעתי של פרולין. לכן מומלץ לתת תרגילים שבהם התלמידים מתבקשים לרשום נוסחאות של פפטידים ללא פרולין ולאחר מכן להחליף את אחת מהחומצות האמיניות בפרולין. למשל: ValCysGlyAspAla ValCysProAspAla סעיף ד' )הציון 74( לפניך ערכי pka של הקבוצות החומציות: pka של קצה C בארבע-פפטיד הוא כ- 3.6 pka של קצה N בארבע-פפטיד הוא כ- 8 pka של קבוצת הצד של Glu הוא 4.25 קבע מהו המטען הכולל של הארבע-פפטיד ב- :ph=7.5 - לפני פעילות האנזים טרנסגלוטמינאז. - אחרי פעילות האנזים טרנסגלוטמינאז. המטען הכולל של ארבע-פפטיד ב- :ph=7.5 2 לפני פעילות האנזים טרנסגלוטמינאז: 0 אחרי פעילות האנזים טרנסגלוטמינאז: - - לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. 120
הציון בינוני. רוב התלמידים קבעו נכון את המטען הכולל של הארבע-פפטיד. חלק מהתלמידים טעו בקביעת המטען בגלל טעויות חישוב. pka מתאימים המלצות: מומלץ לתרגל את חישובי המטען ורישום נוסחאות של יוני חומצות אמיניות. שאלה לתרגול נתונות נוסחאות מבנה של חומצה אספרטית ושל חומצה גלוטמית עם ציון ערכי ליד הקבוצות: (4.2) (3.9) + H 3 N (9.8) (2.1) + (9.8) H 3 N (2.1) חומצה אספרטית חומצה גלוטאמית א. ב. ג. ד. רשום נוסחת מבנה לחומצה אספרטית ב- ph=12. נסח את שיווי-המשקל הקיים בתמיסה מימית של חומצה אספרטית ב-.pH=2 רשום נוסחאות מבנה לחלקיקים השונים. ריכוזם של אילו חלקיקים עולה כאשר ה- ph עולה ל-? 2.5 באיזה ph שווה הריכוז של חלקיקי החומצה הגלוטאמית, שמטענם הכולל הוא 1+, לריכוז של חלקיקי החומצה הגלוטמית, שמטענם הכולל הוא? 0 נמק. ניתן למצוא תרגילים נוספים בספר "חושבים ביוכימיה" מאת ד"ר שלמה כהן,, 2000 אורט. כמו כן, מומלץ לתרגל עם התלמידים גם הערכה וגם חישוב של מטענים של פפטידים. שאלות לתרגול: שאלה 1 בטבלה שלפניך מופיעים נתונים על מספר יחידות של חומצות אמיניות מסוימות בשלושה חלבונים: חומצה אמינית / חלבון מיוגלובין ריבונוקלאז אינסולין 6 8 0 Cys 0 5 6 Asp 4 5 14 Glu 1 4 4 Arg 1 10 19 Lys 121
קבע לאילו חלבונים נקודה איזואלקטרית: א. בתחום חומצי. נמק ללא חישוב. לאחד מהחלבונים חשב את הנקודה האיזואלקטרית על סמך חישוב המטען החשמלי. ב. בתחום בסיסי. נמק ללא חישוב. לאחד מהחלבונים חשב את הנקודה האיזואלקטרית על סמך חישוב המטען החשמלי. שאלה 2 לפניך שלושה טרי-פפטידים,B A ו- C. A: ValLeuPhe B: SerArgLys C: AspLeuPhe pka נתונים ערכי pka של מספר קבוצות: קבוצה 3.86 Asp קבוצת צד של R 10.53 Lys קבוצת צד של R 12.48 Arg קבוצת צד של R קצה 3.6 COOH קצה 8 NH 2 א. באיזה ערך של ph יהיה ריכוז של חלקיקי הטרי-פפטיד, A שמטענם הכולל הוא אפס, שווה, ו- C, B,A ב. ג. ד. ה. לריכוז של חלקיקי הטרי-פפטיד, A שמטענם הכולל הוא? 1 חשב את המטען הכולל של כל אחד מהטרי-פפטידים ב- ph=6. רשום נוסחת מבנה לטרי-פפטיד B ב- ph=1. הנקודה האיזואלקטרית של הטרי-פפטיד B היא. 11.5 הסבר מדוע. קבע אם הנקודה האיזואלקטרית של תשע-פפטיד המורכב מטרי-פפטידים היא ב- ph=11.5 ב, - ph<11.5 או ב- ph>11.5? נמק. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 90 i 80 סעיף ה' )הציון 86( 122
תת-סעיף i )הציון 90( רשום את רצף הנוקלאוטידים של הקטע ב-, mrna שבתהליך התרגום נוצר ממנו הארבע-פפטיד הנתון לפני פעילות האנזים טרנסגלוטמינאז. ציין את קצה '3 ואת קצה '5. בעזרת הטבלה הבאה אפשר למצוא את כל הקומבינציות האפשריות לרצף האפשרי ב- :RNA הנוקלאוטידים פרולין גלוטמין פרולין גלוטמין Pro Gln Pro Gln CCU CAA CCU CAA CCC CAG CCC CAG CCA CCG CCA CCG דוגמה : 3' mrna 5' CCU CAA CCU CAA לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון גבוה מאוד. כמעט ולא אותרו טעויות. תלמידים מעטים רשמו רצף חומצות אמיניות במקום רצף נוקלאוטידים: ProGlnProGln תת-סעיף )הציון 80( רשום את רצף הנוקלאוטידים של הקטע בגדיל ה-, DNA שבתהליך התעתוק נוצר ממנו הקטע של mrna שרשמת בתת-סעיף ה. i ציין את קצה '3 ואת קצה '5. בהתאם לקטע ב-. mrna DNA 3' GGA GTT GGA GTT 5' דוגמה: לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. 123
הציון גבוה. רוב התלמידים רשמו נכון את רצף הנוקלאוטידים של הקטע בגדיל ה-. DNA הטעות האופיינית שאותרה היא רישום אורציל בקטע של : DNA המלצות: 3' GGA GUU GGA GUU 5' מומלץ לבצע תרגילים שבהם תלמידים מתבקשים לרשום רצפים של נוקלאוטידים על סמך רצף נתון של חומצות אמיניות ולהפך, למשל: שאלה 1 נתון רצף נוקלאוטידים בקטע :DNA 5' CGG CGC TCA AAA TCG 3' א. מהו רצף חומצות אמיניות בקטע של שרשרת פוליפפטידית המקודדת על ידי הרצף זה? ב. כיצד ישתנה רצף חומצות אמיניות אם מהרצף הנתון של קטע DNA יוחסר הנוקלאוטיד הרביעי מהקצה? 5 שאלה 2 במחלה תורשתית שנקראת תסמונת פאנקוני )פגיעה בהיווצרות רקמת העצם( מופרשות בשתן של חולים חומצות אמיניות שלהן מתאימות הרצפים הבאים ב- :mrna AUA, GUC, AUG, UCA, UUG, GUU, AUU הפרשה של אילו חומצות אמיניות היא ספציפית לחולי התסמונת אם בשתן של אדם בריא נמצאות חומצות אמיניות? Ala, Ser, Glu, Gly 124
שאלה 12 כימיה של חלבונים ושל חומצות גרעין ציון שאלון 37201 72 שאלון 37202 78 שאלון 37203 72 ציון משוקלל 74 ציון ממוצע על פי מכון סאלד: 74 ציונים ממוצעים של סעיפי השאלה: פיזור ציונים בחרו בשאלה 12% מהתלמידים 85-100 32% 0-40 5% 41-54 10% 55-84 53% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 63 73 73 87 ד ג ב א כדי לענות על שאלה זו על התלמיד: להסביר את תפקיד הזרז - לגרום להתרחשות התגובה במנגנון שונה לו אנרגיית שפעול נמוכה יותר.. RNA לתאר את המבנה של מולקולות. ו- trna mrna :RNA להסביר את התפקיד של כל אחד מסוגי ה- לקשר בין רצף הנוקלאוטידים ב- mrna למבנה החלבון המתקבל בתהליך התרגום. לתאר את מרכיבי הנוקלאוטיד, קשר N -גליקוזידי וקשר פוספו-אסטרי. לסמן בנוסחה את הקשרים בין הנוקלאוטידים ולציין בין אילו אטומ ים נוצרים קשרים אלה. לרשום את רצף הנוקלאוטידים באנטיקודונים ב- trna על פי רצף נתון ב- mrna ולקבוע את הקצוות בכל אחד מאנטיקודונים. לתרגם רצף נוקלאוטידים בקטע של mrna לרצף של חומצות אמיניות המרכיבות את קטע החלבון. להשוות בין המרכיבים של מולקולת ATP הנתונה לבין המרכיבים של נוקלאוטיד שבמולקולת, RNA שאותם תלמידים צריכים להכיר. 125
רמות חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום סעיף תת-סעיף רמת חשיבה לפי בלום א i הבנה הבנה ב i אנליזה יישום ג i יישום יישום ד i יישום יישום פתיח לשאלה מחקרים הראו שמולקולות מסוימות של RNA יכולות לשמש אנזימים. מולקולות RNA אלה נקראות ר יבוז ימ ים )משילוב המילים ריבונוקלאוטיד ואנזים(. סעיף א' )הציון 63( תת-סעיף i )הציון 53( אנזימים הם זרזים בתהליכים ביוכימיים. הסבר מהו תפקידם. בנוכחות זרז התהליך מתרחש במנגנון שונה לו אנרגיית שפעול נמוכה יותר )או: מתקבלים תצמידים להם אנרגיה נמוכה יותר(. או: מולקולות הסובסטרט נכנסות לאתר הפעיל, נוצרים ביניהם קשרים שגורמים לתגובה להתרחש מהר יותר. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא הבנה. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 53 i 70 126
הציון די נמוך. תלמידים רבים התקשו להסביר את תפקיד הזרז - לגרום לתהליך להתרחש במנגנון שונה לו אנרגיית שפעול נמוכה יותר. יתכן ולא הצליחו לקשר בין הסבר של תפקיד הזרז הנלמד בנושא החובה לאנזים שהוא זרז בתהליכים ביוכימיים. רוב התלמידים שטעו כתבו על תוצאות הפעילות של הזרז - זירוז התגובה, ולא הסבירו את תפקידו: "תפקיד הזרז הוא לזרז את התגובה." "תפקיד האנזימים הוא ליצור תנאים נוחים כדי שהתגובה תתבצע." המלצות: מומלץ בלימוד הנושא "כימיה של חלבונים ושל חומצות גרעין" לחזור על הסבר של תפקיד הזרז הנלמד בנושא החובה. לאחר מכן כדאי לתת דוגמה לתפקיד של זרז בגוף האדם. תת-סעיף )הציון 70( הסבר מה הם התפקידים של מולקולות RNA מסוג mrna ומסוג. trna תפקיד של מולקולות mrna להעביר את המידע מה- DNA שבגרעין אל הריבוזום )או: לשמש תבנית לרצף חומצות אמיניות בתהליך התרגום(. אחד מהתפקידים של מולקולות : trna - קשירת מולקולות של חומצה אמינית המתאימה לאנטיקודון. - העברת חומצות אמיניות שנקשרו לריבוזום. או: העברת חומצות אמיניות על מנת שיתקשרו ל- mrna ויאפשרו את יצירת השרשרת הפוליפפטידית. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא הבנה. הציון בינוני. רוב התלמידים הסבירו נכון את תפקידן של מולקולות - mrna להעביר את המידע מה- DNA שבגרעין אל הריבוזום, שם מתרחש תהליך התרגום. רוב הטעויות הופיעו בהסברים על התפקיד של מולקולות :trna יוצר חלבון שנכנס לגרעין." מקודד חומצות אמיניות שיוצרות חלבון." trna" trna" trna" מעביר מולקולות מהגרעין לריבוזום." 127
המלצות: מומלץ לחדד את ההבדל בין סוגי - RNA במבנה ובתפקיד של כל סוג. שאלה לתרגול: במה שונה מבנה מולקולות RNA ממבנה מולקולות? DNA א. מה מייצגים הסימנים R.N.A.? ב. שלוש מולקולות שונות של RNA משתתפות בסינתזה של חלבון. ג. ציין את שמותיהן. i תאר את תפקידן. פרט את הידוע לך על המבנה שלהן. i תשובות: א. ההבדל בין מולקולות RNA לבין מולקולות :DNA מאפיינים RNA DNA בסיסים חנקניים G, C, A, U G, C, A, T גדילים מיקום דו-גדילי גרעין חד-גדילי שליח: גרעין + ציטופלזמה נושא: ציטופלזמה ריבוזומלי: ציטופלזמה - i ב. ג. ריבוז, נוקלאוטיד, אסיד )חומצה(. כלומר RNA מורכב מריבוז, בסיס חנקני וקבוצת זרחה. דגש על ריבוז, לכן מתחילים באות. R mrna שליח )Messenger( - trna נושא )Transfer( )Ribosomal( ריבוזומלי RNA mrna trna מכיל מידע לבניית החלבונים ומעביר אותו בין הגרעין לציטופלזמה. נושא את החומצות האמיניות אל הריבוזומים, מכיל שני אתרי קשירה: האחד לחומצה אמינית והשני לשלושה בסיסים ב-,mRNA מחבר את החומצה האמינית הנכונה בסדר הנכון של השרשרת המסונתזת של חלבון מסוים. RNA ריבוזומלי - בעל מבנה שלישוני. מורכב מיחידה קטנה ויחידה גדולה. ב- RNA ריבוזומלי מתקיים תהליך התרגום ויצירת החלבון. 128
סעיף ב' )הציון 73( עקב פעילות של ריבוזימים בתא, מולקולות RNA עוברות הידרוליזה )"חיתוך"( ומתפרקות למולקולות RNA קטנות יותר. לאחר מכן, המולקולות RNA הקטנות מתחברות ויוצרות מולקולות RNA חדשות. הרצפים של המולקולות RNA החדשות שונים זה מזה. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 87 i 42 תת-סעיף i )הציון 87( כאשר מולקולות, RNA שהן תוצרי החיבור, עוברות תרגום, מתקבלים חלבונים השונים זה מזה. הסבר מדוע. החלבונים יהיו שונים כי הם נוצרים בתהליך התרגום של רצפים שונים של. RNA מכל רצף של RNA מתקבל חלבון אחד. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא אנליזה. הציון גבוה. זוהי שאלה ברמת חשיבה גבוהה. רוב התלמידים הצליחו להסביר מדוע בתרגום מתקבלים חלבונים שונים זה מזה, לקשר בין רצף הנוקלאוטידים ב- mrna למבנה החלבון המתקבל בתהליך התרגום. תלמידים מעטים טעו - כתבו שאין שינוי בחומצות האמיניות, ולכן לא יהיה שינוי בחלבון. המלצות: מומלץ לחדד את החשיבות של רצף החומצות האמיניות ולהבהיר ששינוי ברצף גורם לשינוי בחלבון וכמובן בתפקוד. תת-סעיף )הציון 42( נתונות נוסחאות מבנה לקצוות של שתי מולקולות RNA שהן תוצרי "החיתוך" של מולקולת RNA שעברה הידרוליזה. 129
.. שרשרת II שרשרת I.... II שרשרת שרשרת I.. NH 2 O O O P O O N N N N O O P O OH O N N N N H NH 2 O OH OH O OH רשום את נוסחת המבנה לקטע החיבור של שני הקצוות של שתי מולקולות אלה. NH 2 N N O O P O O N N O O O O P O OH N N H O O N N NH 2 O OH 130
.... לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא אנליזה. הציון נמוך מאוד. תלמידים רבים לא הצליחו לרשום נכון את נוסחת המבנה לקטע החיבור של שני קצוות של שתי המולקולות הנתונות, ז. א. נוסחת הקשר הפוספו-אסטרי בין קבוצת הזרחה בשרשרת II לבין קבוצת -OH בשרשרת I. הטעויות האופייניות הן: ציור של קשר בין אטומי חמצן: -----POO - - המלצות: ציור של קשרי מימן בין הבסיסים החנקניים הנתונים בקטע. ציור של קשר בין קבוצת זרחה בקטע אחד לקבוצת זרחה בקטע השני. מומלץ לבקש מהתלמידים: לצייר נוקלאוטידים ולציין את הקשרים בין בסיס חנקני לריבוז ובין קבוצת הזרח ה לריבוז. לתת רצף נוקלאוטידים ולבקש לזהות את הקשרים ואת הקצוות. שאלה לתרגול: לפניך קטע המכיל שני גדילים של ממולקולת :DNA O O N O O O O O O O O O O O O 131
א. ב. ג. ד. ה. צייר את הקשרים בין שני הגדילים ליצירת מולקולה דו-גדילית של DNA וציין את סוג הקשרים האלה. מה הם סוגי הקשרים הקיימים בתוך גדיל? DNA בין אילו חלקים של נוקלאוטידים נוצר כל אחד מהקשרים שציינת? ציין את קצה 3 ואת קצה 5 בכל אחד מהגדילים. כנה בשם כל אחד מהבסיסים החנקניים שבאיור. היעזר בדף נוסחאות. סעיף ג' )הציון 73( לפניך קטע מרצף נוקלאוטידים במולקולת mrna בנגיף הפוליו: 5' CAA ACC UCA 3' 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 76 i 69 תת-סעיף i )הציון 76( רשום את הרצפים של הנוקלאוטידים באנטיקודונים ב-, trna שמתאימים לרצף שבקטע הנתון. בכל אחד מן האנטיקודונים ציין את קצה '3 ואת קצה '5. 3' GUU 5' 3' UGG 5' 3' AGU 5' לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון די גבוה. רוב התלמידים רשמו נכון את רצף הנוקלאוטידים באנטיקודונים של - trna על פי הרצף הנתון ב- mrna וציינו נכון את קצה '3 ואת קצה '5 בכל אחד מן האנטיקודונים. הטעויות האופייניות שאותרו: 132
רישום ברצף נוקלאוטידים של : trna 3 GUU UGG AGU 5 רישום נוקלאוטידים המכילים בסיס טימין במקום אורציל: המלצות: 3 GTT TGG AGT 5 מומלץ להבהיר לתלמידים את ההבדל בין מולקולת mrna לבין מולקולות. trna שאלה לתרגול: נתון רצף חומצות אמיניות בפפטיד: AlaValLeuCisGly א. ב. ג. ד. ה. ו. ז. רשום ייצוג מלא לנוסחת מבנה של הפפטיד ב-.pH=7 ציין קצה N -טרמינלי וקצה C -טרמינלי. סמן בעיגול כל אחד מקשרים הפפטידיים. כמה קשרים פפטידיים יש במולקולת הפפטיד? נסח את תגובת ההידרוליזה המלאה של הפפטיד. השתמש בנוסחות מבנה. ציין את התנאים שבהם מתרחשת את תגובת ההידרוליזה. רשום את רצף הנוקלאוטידים ב- mrna שממנו נוצר הפפטיד הנתון בתהליך התרגום. רשום את האנטיקודונים במולקולות ה- trna המתאימים לרצפים ב-. mrna תת-סעיף )הציון 69( רשום את רצף החומצות האמיניות אשר מקודד על ידי קטע ה- mrna הנתון. Gln Thr Ser לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון בינוני. התלמידים רבים תרגמו נכון את רצף הנוקלאוטידים בקטע של ה- mrna הנתון לרצף החומצות האמיניות המרכיבות את קטע החלבון, ורשמו את הרצף הנכון. יחד עם זאת, חלק מהתלמידים טעו. הטעויות האופייניות שאותרו: תרגום של אנטיקודונים לחומצות אמיניות. אי-סימון של הקשר הפפטידי שבין החומצות האמיניות. רישום הרצף בעברית: - תראונין - "סרין גלוטמין" רישום קצוות '3 ו- '5 ברצף החומצות האמיניות. 133
המלצות: מומלץ להבהיר לתלמידים שטבלת קודונים הנתונה בדפי הנוסחאות מתייחסת לקודונים המופיעים ב- mrna בלבד. שאלה לתרגול: לפניך קטע של. m-rna חלק את הקטע לקודונים ורשום את הרצף. א. סמן קודון התחלה וקודון סיום. שים לב לכיוון הקריאה. ב. כמה שיירים של חומצות אמיניות יבנו את קטע החלבון שייווצר לאחר התרגום? ג. רשום את רצף החומצות האמיניות בקטע החלבון שייווצר לאחר התרגום. ד. תשובות: כדי לחלק את הקטע לקודונים יש לקרוא מקצה 5 לקצה 3. א. קודון סיום:.UAA קודון התחלה: ; AUG ב. קטע החלבון יהיה מורכב מחמישה שיירים של חומצות אמיניות. ג. ThrArgPheGlyLeu ד. סעיף ד' )הציון 87( ATP הוא חומר המשמש מקור אנרגיה לפעילות התא. לפניך נוסחת מבנה של מולקולת :ATP NH 2 N N O O O O POPOPO O O O 1 O N 2 N OH OH 134
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 83 i 92 תת-סעיף i )הציון 83( השווה בין המרכיבים של מולקולת ATP לבין המרכיבים של נוקלאוטיד שבמולקולת. RNA ציין דמיון אחד והבדל אחד. דמיון: אחד מבין המרכיבים: בסיס חנקני, חד-סוכר, קבוצת זרחה. הבדל: במולקולת ATP יש שלוש קבוצות זרחה ובנוקלאוטיד של RNA יש קבוצת זרחה אחת. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון גבוה. רוב התלמידים הצליחו להשוות בין המרכיבים של מולקולת ATP הנתונה לבין המרכיבים של נוקלאוטיד שבמולקולת, RNA שאותם התלמידים צריכים להכיר. חלק מהתלמידים טעו - הם ציינו שבמולקולת ATP יש ריבוז ואילו בנוקלאוטיד של RNA יש דאוקסיריבוז. המלצות: מומלץ לחדד לתלמידים את ההבדל בין חד-סוכרים - ריבוז ודאוקסיריבוז. כדאי לתת לתלמידים תרגילים שבהם צריך לזהות את המרכיבים של נוקלאוטידים והקשרים בין מרכיבים אלה. שאלה לתרגול: א. היעזר בדפי נוסחאות ורשום את הנוסחאות של ארבעה נוקלאוטידים שונים של. RNA ב. רשום נוסחה לקטע הגדיל של RNA המורכב מארבעת הנוקלאוטידים שאת נוסחותיהם רשמתה בסעיף א'. ציין את קצה '3 ואת קצה '5. ג. סמן בנוסחה שרשמת בסעיף ב' את הקשרים המחברים בין הנוקלאוטידים וציין את השמות של קשרים אלה. 135
תת-סעיף )הציון 92( ציין את סוגי הקשרים המסומנים 1 ו- 2 בנוסחת המבנה של מולקולת. ATP קשר (1) - קשר פוספו-אסטרי קשר (2) - קשר N -גליקוזידי. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון גבוה מאוד. כמעט ולא אותרו טעויות. תלמידים מעטים כתבו שקשר 2 הוא: "קשר מימן" "קשר אסטרי" 136
שאלה 13 כימיה של הסביבה ציון שאלון 37201 73 שאלון 37202 70 שאלון 37203 78 ציון משוקלל 77 ציון ממוצע על פי מכון סאלד: 77 ציונים ממוצעים של סעיפי השאלה: פיזור ציונים בחרו בשאלה 5% מהתלמידים 85-100 43% 0-40 7% 41-54 5% 55-84 45% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 87 80 70 72 72 ה ד ג ב א. Fe 3+ (aq) כדי לענות על שאלה זו על התלמיד: להסביר את המושג "מים קשים". לציין נזקים הנגרמים מהצטברות אבנית בצינורות. לבחור במחליף יונים מתאים כדי לרכך מים קשים - במחליף קטיונים. להסביר את עקרון הפעולה של מחליף קטיונים. לחשב את הריכוז של יוני (aq) Ca +2 בדגימת המים על פי קשיות המים הנתונה. להסביר כיצד עלייה בחומציות המים הזורמים בצינורות משפיעה על ריכוז יוני לכתוב תצפיות בזמן ביצוע הניסויים ולהסיק מסקנות על סמך תצפיות אלה. להסביר את השיטה של סינון המים דרך פחם פעיל. להסביר את עקרון הפעולה של מחליף אניונים. לתאר כיצד קובעים את ריכוז היונים במים בשיטה ספקטרופוטומטרית. לקרוא נתונים מגרף הכיול ולעבוד איתם - לקבוע את ריכוז התמיסה הנבדקת. 137
רמות חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום סעיף תת-סעיף רמת חשיבה לפי בלום א i הבנה i יישום יישום ב אנליזה ג אנליזה ד יישום ה i יישום יישום. פתיח לשאלה השאלה עוסקת ביונים אחדים המצויים במי ברז ומשפיעים על איכותם. Na + (aq), Mg 2+ (aq), Ca 2+ (aq), Cl מי ברז מכילים יונים כגון: (aq) (aq), HCO 3 סעיף א' )הציון 87( 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 96 92 81 i i תת-סעיף i )הציון 96( אילו מן היונים הנתונים נמצאים בריכוז גבוה במים קשים? יוני סידן, ויוני מגנזיום, Ca 2+ (aq) Mg 2+ (aq) לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא הבנה. 138
הציון גבוה מאוד. התלמידים ידעו אילו יונים נמצאים בריכוז גבוה במים קשים. לא אותרו טעויות. תת-סעיף )הציון 81( כאשר משתמשים במים קשים מצטברת אבנית בצינורות. ציין שני אבנית. נזקים הנגרמים מהצטברות שני נזקים מבין: - - - סתימה בצנרת. בלאי מהיר )או: הקטנת זמן השימוש( של מכשירים חשמליים. השקעת אנרגיה גדולה יותר בחימום מים. )שני הנזקים האחרונים נגרמים מהצטברות אבנית על גופי החימום של מכשירים חשמליים.( לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון גבוה. רוב התלמידים לא התקשו לציין נזקים הנגרמים מהצטברות אבנית, אך היו תלמידים שטעו, כי לא יישמו את הידע על מים קשים ועל אבנית: "אבנית גורמת להצטברות של חיידקים." "חלק מהאבנית יכול לעבור למים - אבנית היא חומר רעיל". המלצות: מומלץ לדון עם התלמידים בנזקים הנגרמים מהצטברות אבנית ולהביא דוגמאות לנזקים אלה מחיי יום יום. מומלץ לתת לתלמידים לקרוא את הכתבה ולדון בה: http://www.kehilot.co.il/articledetails.asp?articleid=252 תת-סעיף i )הציון 92( משתמשים במחליף יונים כדי לרכך מים קשים. קבע אם מחליף היונים צריך להיות מחליף קטיונים או מחליף אניונים. נמק. 139
מחליף קטיונים. כדי לרכך את המים יש להוריד את ריכוז יוני ביוני נתרן, Ca 2+ (aq) Na + (aq), שאינם משפיעים על קשיות המים. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא )ויוני (aq) )Mg +2 על ידי החלפתם יישום. הציון גבוה מאוד. התלמידים קבעו נכון שמחליף היונים צריך להיות מחליף קטיונים. תלמידים מעטים התקשו בנימוק: "מחליף קטיונים מחליף בין יונים חיוביים לשליליים." "קטיונים הם יונים שליליים אשר מגיבים עם היונים החיוביים ומחליפים אותם." המלצות: מומלץ לבצע עם התלמידים ניסוי חקר בנושא "מצעי ספיחה". מומלץ להיעזר לשם כך במדריך למורה לספר הלימוד "יש לי כימיה עם הסביבה" מאת ד"ר דפנה מנדלר, אסנת אהרוני, ד"ר מלכה יאיון: http://stwww.weizmann.ac.il/g-chem/sviva/ סעיף ב'. CaCO 3(s) )הציון 70( בדגימה מים שנלקחה מבאר נבדקה קשיות המים. נמצא שקשיות המים היא 140 ppm של חשב את הריכוז של יוני סידן, (aq), Ca +2 בדגימת המים מהבאר, ביחידות. ppm פרט את חישוביך. קשיות המים היא המסה של (s)3 CaCO המתקבלת בתגובה של 1 ליטר מי השתייה הנבדקים. 100 mol gr המסה המולרית של (s)3 : CaCO 0.14 מספר המולים של (s)3 CaCO המתקבלים מ- 1 ליטר המים הנבדקים: = 0.0014 mol 100 gr gr mol 3(s) Ca 2+ לבין CaCO בניסוח התגובה: יחס המולים בין יוני (aq) Ca 2+ (aq) + CO 3 2 (aq) CaCO 3(s) 0.0014 mol הוא, 1:1 לכן מספר המולים של יוני (aq) Ca +2 ב- 1 ליטר המים הנבדקים: 40 mol gr המסה המולרית של יוני (aq) : Ca +2 המסה של יוני (aq) Ca +2 ב- 1 ליטר המים הנבדקים: gr 40 mol 0.0014 mol = 0.056 gr = 56 mg הריכוז של יוני סידן, (aq),ca +2 בדגימת המים מהבאר: 56 ppm 140
לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא אנליזה. הציון בינוני. רוב התלמידים חישבו נכון את הריכוז של יוני סידן, (aq), Ca +2 בדגימת המים מהבאר, ביחידות. ppm אך חלק מהתלמידים טעו בחישוב. הבעיה העיקרית בחישוב היא חוסר הבחנה בין יחס המולים לבין יחס הריכוזים ביחידות : ppm "קשיות המים היא CaCO 3(s) של 140 ppm, היחס הוא, 1:1 לכן הריכוז של יוני Ca 2+ (aq) הוא ". 140 ppm היו תלמידים שחישבו את מספר המולים של יוני (aq) Ca +2 ב- 1 ליטר של המים הנבדקים ולא המשיכו. המלצות: מומלץ לתרגל חישובים מסוג זה. שאלה לתרגול: ריכוז מומלץ של יוני סידן, א. ב. ג. Ca 2+ (aq), במי שתייה הוא 80 מ"ג לליטר. לא הוגדר ריכוז מותר של יוני סידן אלא ריכוז מומלץ. מהי הסיבה לכך? מהי קשיות המים המכילים 80 מ"ג יוני (aq) Ca +2 ב- 1 ליטר. ביצעו בדיקות של מי ברז בשני אזורים. תוצאות הבדיקות: בדיקה באזור I: בדיקה באזור II קשיות המים היא קשיות המים היא 221 מ"ג לליטר. 319.5 מ"ג לליטר. קבע אם הריכוז של יוני (aq) Ca +2 במי הברז בכל אחד מהאזורים שנבדקו גבוה מהריכוז המומלץ, נמוך ממנו או שווה לו. נמק. פתיח לסעיפים ג - ה מים זורמים בצינורות פלדה, שהרכיב העיקרי שלה הוא ברזל,. Fe (s) כאשר (s) Fe בא במגע עם מים חומציים, הוא עובר קורוזיה על פי התגובה: Fe (s) + 2H 3 O + (aq) Fe 2+ (aq) + H 2(g) + 2H 2 O (l) בנוכחות חמצן, 2(g), O יוני (aq) Fe 2+ הופכים ליוני (aq). Fe 3+ בנוכחות יוני (aq) Fe +3 המים נעשים חומים. סעיף ג' )הציון 80( הסבר כיצד עלייה בחומציות המים משפיעה על ריכוז יוני. Fe 3+ (aq) 141
עלייה בחומציות מעלה את ריכוז יוני (aq). Fe +3 (s) H 3 O + גבוה יותר, יותר Fe מגיב ונוצרים יותר יוני ככל שריכוז יוני (aq) יוני (aq) Fe +2 שנוצרים עוברים חמצון ליוני. Fe 2+ (aq), ולכן ריכוזם עולה. Fe 3+ (aq) לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא אנליזה. הציון גבוה. רוב התלמידים הסבירו נכון כיצד עלייה בחומציות המים הזורמים בצינורות משפיעה על ריכוז יוני (aq), Fe +3 אך חלק מהתלמידים התקשו לחבר תוצאות של שתי התגובות המתרחשות אחת אחרי שנייה. הופיעו הסברים לא מתאימים כגון: "כאשר מעלים את חומציות המים מעלים בעצם ריכוז יוני הידרוניום. יוני הידרוניום מכילים חמצן וכאשר ריכוז החמצן עולה, לפי תיאוריית התנגשויות, סיכוי להיווצרות התנגשויות פוריות גדל, ויהיו יותר תוצרים." המלצות: מומלץ לנתח עם התלמידים מקרים שבהם שתי תגובות מתרחשות אחת אחרי שניה. כדי לעזור לתלמידים לטפל בצירופי תגובות כאלה, מומלץ יחד עם התלמידים לבנות פתרון מפורט לשאלה: כיצד עלייה בחומציות המים משפיעה על ריכוז יוני שלבי הפתרון:? Fe 3+ (aq) ברזל, (s) Fe, שהוא המרכיב העיקרי של צינורות פלדה, עובר קורוזיה - מגיב עם מים חומציים, על פי התגובה: Fe (s) + 2H 3 O + (aq) Fe 2+ (aq) + H 2(g) + 2H 2 O (l) אחד מתוצרי התגובה - יוני בנוכחות חמצן,. Fe 3+ (aq). Fe 2+ (aq), יוני (aq) Fe 2+ הופכים ליוני O 2(g) (s) H 3 O + גבוה יותר, יותר Fe מגיב ונוצרים יותר יוני ככל שריכוז יוני (aq) ככל שנוצרים יותר יוני יוני (aq) Fe +3 במים עולה.., ולכן ריכוז Fe 2+ (aq), יותר יונים אלה עוברים חמצון ליוני (aq) Fe +3 Fe 2+ (aq) 142
סעיף ד' )הציון 72(. Fe 3+ (aq) תלמידים בדקו שלוש דגימות של מי ברז שהיו חומים ועכורים. בכל אחת מן הדגימות הם ביצעו אחת משלוש הפעולות )1(-)3(: )1( סינון המים בפחם פעיל. )2( העברת המים דרך מחליף קטיונים. )3( העברת המים דרך מחליף אניונים. על פי תוצאות הבדיקות התלמידים קבעו שהדגימות הכילו אבק ויוני מה היו התצפיות של התלמידים לאחר כל אחת משלוש הפעולות? לאחר הסינון בפחם הפעיל חלה ירידה בעכירות. )כי הפחם הפעיל ספח את האבק.( )1( לאחר העברת המים דרך מחליף קטיונים הצבע החום נעלם )או: הצבע החום נעשה )2( בהיר יותר( כי ריכוז יוני Fe 2+ (aq) ירד. )3( לאחר העברת המים דרך מחליף אניונים לא חל שינוי. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון בינוני. חלק ניכר מהתלמידים התקשו לתאר תצפיות לאחר כל אחת מהפעולות. הסיבה לכך היא חוסר ידע והבנה אילו תהליכים מתרחשים בזמן פעולות אלה ומה הם עקרונות שעליהם מתבססות הפעולות. הטעות האופיינית העיקרית בסעיף זה היא תיאור חלקי של התמיסה לפני ואחרי כל פעולה ברמה מיקרוסקופית וחוסר התייחסות לרמה מאקרוסקופית, ז.א. לתצפיות: "פחם פעיל סופח את האבק." "הריכוז של יוני (aq) Fe +2 ירד." " הריכוז של יוני (aq) Fe +2 לא השתנה." המלצות: מומלץ בזמן ביצוע ניסויים לבקש מהתלמידים לכתוב תצפיות ולאחר מכן להסביר את תוצאות הניסויים ולהסיק מסקנות מהתצפיות. לאחר מכן מומלץ לתת לתלמידים שאלות שבהן מתוארות תוצאות הניסויים, ולבקש לכתוב את התצפיות שאותן הם היו יכולים לראות אם היו מבצעים את הניסויים האלה בפועל. מומלץ לתרגל את הקשר בין הרמה המאקרוסקופית לבין הרמה המיקרוסקופית עם שימוש במונחים מתאימים. מומלץ לבקש מהתלמידים לקרוא את הכתבה עולם המים - סינון, טיהור והתפלת המיםInstitute Davidson ולאחר מכן לקיים דיון על הכתבה. הכתבה נמצאת באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי - דוידסון. Online 143
סעיף ה' )הציון 72( קביעת הריכוז של יוני (aq) Fe +2 בדגימות מים נעשית בשיטה ספקטרופוטומטרית. בשלב הראשון מחזרים את יוני Fe 3+ (aq) ליוני. Fe 2+ (aq) בשלב השני מוסיפים חומר היוצר עם יוני (aq) Fe +2 תצמיד )קומפלקס( אדום. אחר כך מכינים גרף כיול. התלמידים בדקו דגימה של מי ברז, ומצאו שערך הבליעה שנמדדה זהה לערך הבליעה הגבוה ביותר שמופיע בגרף הכיול. תת-סעיף i )הציון 69( תוצאה זו אינה מאפשרת לקבוע חד-משמעית את ריכוז יוני (aq) Fe +2 בדגימה. הסבר מדוע. בגרף הכיול, החל מריכוז מסוים של יוני Fe 2+ (aq) ביותר, שמופיע בגרף הכיול, מתאים לריכוזים שונים של יוני או: באמצעות סרטוט גרף, מלווה בהסבר. גרף לדוגמה:. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0, אין שינוי בבליעה. לכן ערך הבליעה הגבוה Fe 2+ (aq) 69 i 77 הבליעה ריכוז יוני mg ( liter ) ריכוז יוני Fe 2+ (aq) בדגימה Fe 2+ (aq) לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. 144
הציון בינוני. חלק ניכר מהתלמידים התקשו לפרש את התוצאות המופיעות בגרף הכיול - ערך הבליעה שנמדדה זהה לערך הבליעה הגבוה ביותר שמופיע בגרף הכיול. הבעיה העיקרית בתת- סעיף זה היא חזרה על נתוני השאלה במקום הסבר: "אי אפשר לקבוע." "הבליעה שנמדדה זהה לבליעה הגבוהה ביותר בגרף הכיול." תת-סעיף )הציון 77( כיצד אפשר לקבוע חד-משמעית את הריכוז של יוני (aq) Fe +2 בדגימה זו? יש למהול את הדגימה במידה מתאימה, עד שערך הבליעה הנמדד לאחר המיהול יהיה קטן מערך הבליעה הגבוה ביותר. לדעתנו, רמת חשיבה על פי הטקסונומיה של בלום היא יישום. הציון די גבוה. רוב התלמידים הציעו למהול את הדגימה, אך חלק מהתלמידים לא לקחו בחשבון ששיטה ספקטרופוטומטרית מדויקת מאוד )יותר משיטת הטיטרציה(, והציעו לקבוע את הריכוז של יוני (aq) Fe +2 בדגימה בשיטת הטיטרציה: "בעזרת טיטרציה עם." EDTA "בעזרת טיטרציה כשיודעים את ריכוז התצמיד." המלצות לסעיף ה': מומלץ לתרגל עם התלמידים שאלות דומות לאלה שבסעיף ה'. שאלה לדוגמה נחושת ותרכובותיה נמצאות בכל מקום בטבע. יוני נחושת חיוניים למטבוליזם האדם, אולם בריכוזים גבוהים הם גורמים לפגיעה בריריות הגוף, במיוחד בדרכי העיכול, ולנזק לנימים, כבד, כליות ולמערכת העצבים המרכזית. במערכות מים במבנים )בתי מגורים, בתי מלון, בתי חולים, מוסדות וכד'( משתמשים בחומרי צנרת ובאבזרי צנרת מסוגים שונים. היום מיוצרים מרכיבים רבים של צנרת מפליז. פליז הוא סגסוגת שמרכיביה העיקריים הם נחושת, אבץ ועופרת. נוכחות יוני הנחושת, (aq), Cu +2 במי השתייה גורמת לטעם לוואי החל מריכוז 5 ppm של יונים אלה. הכתמת כביסה ומתקנים סניטריים מתרחשת כאשר ריכוז יוני. 1 ppm עולה על Cu 2+ (aq) 145