Arkusze maturalne z chemii, matura rozszerzona, 2007 rok

Zadanie 1

Powstawanie pierwiastków we Wszechświecie ilustruje uproszczony ciąg przemian termojądrowych zachodzących na jednym z etapów życia gwiazd.

Ustal liczbę atomową, liczbę masową i symbol izotopu X.

Liczba atomowa: ......................... Liczba masowa: ......................... Symbol: ..............................

Odpowiedź

W równaniach reakcji przemian promieniotwórczych zawsze suma liczby masowej lewej strony musi być równa sumie liczb masowych prawej strony, oraz suma liczb atomowych lewej strony równania reakcji musi być równa sumie liczb atomowych prawej strony. W podanych przykładach mamy:

12+4=A, czyli A=16
6+2=Z, czyli Z=8

Z układu okresowego pierwiastków odczytamy, że pierwiastkiem X jest tlen:

Liczba atomowa 8, liczba masowa 16, symbol O

Zadanie 2

Uzupełnij poniższą tabelę, wpisując stopnie utlenienia, jakie przyjmuje siarka w związkach chemicznych i jonach o podanych niżej wzorach.

Odpowiedź

Licząc stopnie utlenienia pierwiastka korzystamy z następujących zależności:

♦ suma stopnie utlenienia pierwiastków w związku równa jest 0 lub ładunkowi jonu

♦ tlen jest zawsze na -2 stopniu utlenienia (wyjątkiem są nadtlenki w których jest na -1 stopniu utlenienia)

♦ wodór jest na +1 stopniu utlenienia (wyjątkiem są połączenia z metalami 1, 2 i 3 grupy w których jest na -1 stopniu utlenienia)

♦ pierwiastki grupy 1 są na +1, grupy 2 na +2, a grupy 13 na +3 stopniu utlenienia.

Al₂(SO₄)₃ 2^.(+3)+3^.x+3^.4^.(-2)=0, czyli x=+6

Na₂S 2^.(+1)+x=0 czyli x=-2

HSO₃^- 1^.(+1)+x+3^.(-2)=-1 czyli x=+4

HS^- 1^.(+1)+x=-1 czyli x=-2

Zadanie 3

Pierwiastek E leży w układzie okresowym w 7. grupie i 4. okresie.

Podaj symbol tego pierwiastka i jego liczbę atomową. Napisz skróconą konfigurację elektronową atomu tego pierwiastka w stanie podstawowym oraz określ dwa najważniejsze stopnie utlenienia, jakie przyjmuje on w związkach chemicznych.
Symbol: ................................................... Liczba atomowa: .........................................................
Konfiguracja elektronowa: ............................................................................................................
Stopnie utlenienia: .........................................................................................................................

Odpowiedź

7 grupa oznacza, że pierwiastek X posiada 7 elektronów walencyjnych. 4 okres – pierwiastek posiada 4 powłoki elektronowe: K, L, M, N. Skrócona konfiguracja elektronowa polega na podaniu symbolu gazu szlachetnego z poprzedniego okresu (w tym przypadku 3 okresu) i rozpisaniu elektronów walencyjnych na poszczególne orbitale. Z układu okresowego wynika, że pierwiastkiem X jest mangan i znajduje się w bloku d, czyli elektrony walencyjne będzie miał również na orbitalu d. Elektrony zajmują orbitale w kolejności 4s3d4p. Możemy więc zapisać: [Ar] 4s²3d⁵ kolejność zajmowania orbitali przez elektrony możemy zobaczyć na poniższym modelu (nazywam go modelem kartoflowym)

Kolejność zajmowania orbitali wskazują strzałki: orbital 1s, następna strzałka wskazuje orbital 2s, kolejna 2p i 2s, kolejna 3p i 4s, a następna 3d, 4p i 5s.

Główne stopnie utlenienia wynikają z ilości oddanych elektronów. Mangan by uzyskać konfigurację argonu musi oddać 7 elektronów, uzyska stopień utlenienia +7. Może również oddać 2 elektrony (pozostanie mu 5 na orbitalach typu d). Znajdzie się więc na +2 stopniu utlenienia.

Zadanie 4

Podaj liczbę wiązań σ i liczbę wiązań π w cząsteczce węglowodoru o wzorze:

CH₂=C(CH₃)-C≡CH

Liczba wiązań σ: ............................................................................................................................

Liczba wiązań π: ............................................................................................................................

Odpowiedź

Każda pojedyncza kreska we wzorze strukturalnym oznacza wiązanie σ (pojedyncze wiązanie powstałe na skutek czołowego nakładania się orbitali p lub orbialu p z orbitalem s). Wiązanie podwójne składa się z wiązania σ i wiązania π, natomiast potrójne z wiązania σ i dwóch wiązań π. Liczbę wiązań σ i π otrzymamy po narysowaniu wzoru konstytucyjnego (strukturalnego) podanego związku:

Widzimy wyraźnie 10 wiązań σ i 3 wiązania π (wiązania π oznaczone zostały na czerwono)

Zadanie 5

Dane są orbitale atomowe oznaczone na rysunkach literami A, B, C i D.

Na podstawie powyższego rysunku uzupełnij poniższe zdania.

1. Orbitale oznaczone literami B i C różnią się wartością ...........................................................liczby kwantowej.
2. Orbitale o identycznej wartości pobocznej liczby kwantowej, różniące się wartością głównej liczby kwantowej, to orbitale oznaczone literami ......................... i ..........................
3. Orbitale oznaczone literami ...................... i ..................... różnią się wartością magnetycznej liczby kwantowej.

Odpowiedź

Główna liczba kwantowa n (1, 2, 3, …..) odpowiada za energię elektronu i wielkość orbitalu, poboczna liczba kwantowa l (l≤n-1) odpowiada za kształt orbitalu, natomiast magnetyczna liczba kwantowa m (-l≥m≤l) odpowiada za rozmieszczenie orbitali w przestrzeni.

1) Orbitale B i C różnię się kształtem, czyli muszą mieć różne poboczne liczby kwantowe

2) Orbitale różniące się wartością głównej liczby kwantowej (mają różną wielkość), ale mają identyczną wartość pobocznej liczby kwantowej (identyczny kształt) to orbitale A i B.

3) Wartością magnetycznej liczby kwantowej (różne ułożenie orbitali w przestrzeni) różnią się orbitale C i D.

Zadanie 6

Oblicz, w jakim stosunku masowym należy zmieszać ze sobą wodę destylowaną i roztwór wodorotlenku sodu o stężeniu 6,10 mol/dm³ i gęstości 1,22 g/cm³, aby otrzymać roztwór o stężeniu 10%.
Obliczenia: ............................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Odpowiedź: ............................................................................................................................

Odpowiedź

Załóżmy, że chcemy uzyskać 100g 10% roztworu NaOH. Z definicji stężenia procentowego (roztwór x% oznacza, że w 100g roztworu znajduje się x g substancji rozpuszczonej) mamy:
m_rozt =100g, m_s =10g (n=m/M), n=10g/40g/mol=0,25mol.

Ta ilość moli NaOH znajduje się w 6,1M roztworze NaOH, czyli (C_M =n/V)
w V=n/C_M =0,25mol/6,1mol/dm³ =0,041dm³ =41cm³ . Ta objętość roztworu waży (d=m/V) m=dV=41cm^3.1,22g/cm³=50g.

Aby otrzymać 100g roztworu 10% musimy zatem zmieszać 50g 6,1M roztworu NaOH oraz 100g-50g=50g wody. Czyli, aby otrzymać 10% roztwór NaOH musimy 6,1M roztwór NaOH zmieszać z wodą destylowaną w stosunku 50:50=1:1.

Zadanie 7

Tlenek cynku nie reaguje z wodą, ale reaguje z kwasami i z zasadami. W reakcji tlenku cynku z roztworem wodorotlenku sodu powstaje związek kompleksowy, w którym cynk ma liczbę koordynacyjną równą 4.

Korzystając z powyższej informacji, określ charakter chemiczny tego tlenku. Napisz w formie cząsteczkowej równania reakcji tlenku cynku z kwasem solnym oraz z wodorotlenkiem sodu.
Charakter chemiczny tlenku: .........................................................................................................
Równania reakcji: ..............................................................................................................................
........................................................................................................................................................

Odpowiedź

Jeżeli tlenek cynku ZnO reaguje z kwasami i zasadami to ma charakter amfoteryczny.
ZnO + 2HCl D ZnCl₂ + H₂O
ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄]

Liczba koordynacyjna 4 oznacza, że cynk musi być połączony z 4 ligandami (grupami OH - ). Każda grupa wodorotlenowa ma ładunek (-1), w sumie (-4). Cynk ma ładunek +2, więc muszą być 2 jony sodowe, by ładunek cząsteczki był równy 0.

Zadanie 8

Poniżej przedstawiono wartości iloczynu rozpuszczalności wybranych węglanów w temperaturze 25^oC.
Ir MgCO₃ = 3,5^.10^-8
Ir CaCO₃ =2,8·10^-9
Ir SrCO₃ =1,1·10^-10
Ir BaCO₃ =5,1·10^-9

a) Korzystając z przedstawionych wyżej wartości iloczynu rozpuszczalności, oceń, który z węglanów metali II grupy jest najlepiej rozpuszczalny w wodzie, i podaj jego wzór.
.....................................................................................................................................................
b) Zmieszano 100 cm³ roztworu CaCl₂ o stężeniu 0,001 mol/dm³ i 100 cm³ roztworu Na₂CO₃ o stężeniu 0,001 mol/dm³. Wykonaj odpowiednie obliczenia i oceń, czy po zmieszaniu roztworów nastąpiło wytrącenie osadu CaCO₃.
Obliczenia: ........................................................................................................................................................

Odpowiedź: ........................................................................................................................................................

Odpowiedź

Rozpuszczalność definiujemy jako masę substancji rozpuszczoną w 100g rozpuszczalnika. Sól, MeCO₃ ulega rozpuszczenu i dysocjacji zgodnie z równaniem reakcji:
MeCO₃ Me²⁺ + CO₃^2-

Iloczyn rozpuszczalności definiowany jest jako: I_R =[Me²⁺][CO₃^2-], czyli stężenie jonów metalu lub węglanowych jest równe: . Z równania dysocjacji widzimy, że ilość moli rozpuszczonej soli w 1dm³ roztworu równa jest stężeniu jonu metalu (ilości moli jonów metalu). Masa rozpuszczonej soli m_soli=n_soliM_soli =M_soli[Me²⁺], czyli

W zadaniu tym możemy bezpośrednio porównywać iloczyny rozpuszczalności, ponieważ iloczyn rozpuszczalności jest proporcjonalny do rozpuszczalności. Porównując wartości liczbowe iloczynów rozpuszczalności widzimy, że najlepiej rozpuszczalny w wodzie jest węglan magnezu (MgCO₃ ).

b) Osad wytrąci się gdy iloczyn stężeń jonów wapniowych i węglanowych będzie większy od I_R . Po zmieszaniu 100cm³ 1^.10^-3 M roztworu CaCl₂ ze 100cm³ 1^.10^-3 M roztworu Na₂CO₃, stężenia jonów wapniowych i węglanowych zmniejszą się dwukrotnie (objętość wzrosła dwukrotnie). [Ca²⁺ ]=5^.10^-4 M, oraz [CO₃^2-]=5^.10^-4 M. Iloczyn stężeń [Ca²⁺ ][CO₃^2-]=5^.10^-4.5^.10^-4=2,5^.10^-7>I_R.

Osad węglanu wapnia wytrąci się z roztworu.

Zadanie 9

Korzystając z teorii Brønsteda, napisz równania reakcji ilustrujące zachowanie amoniaku i chlorowodoru w wodzie. Określ rolę wody w każdym z tych procesów.

Odpowiedź

Według teorii kwasów i zasad Brønsteda kwasem jest substancja oddająca jony wodorowe, a zasadą substancja mogąca je przyjąć:
NH₃ + H₂O NH₄⁺ + OH^-
woda oddaje proton, jest więc kwasem, amoniak przyjmuje proton jest więc zasadą.

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^-
woda przyjmuje proton od kwasu, jest więc zasadą.

Amoniak jest słabą zasadą, dlatego w równaniu reakcji występuje strzałka równowagowa. Chlorowodór jest silnym kwasem, dysocjuje w wodzie całkowicie. Możemy tę reakcję zapisać ze strzałką w jedną stronę.

Zadanie 10

Roztwory ciał stałych mają zwykle wyższą temperaturę wrzenia i niższą temperaturę krzepnięcia niż czysty rozpuszczalnik. Podwyższenie temperatury wrzenia lub obniżenie temperatury krzepnięcia jest tym większe, im większa jest liczba moli drobin (cząsteczek lub jonów) substancji rozpuszczonej w danej ilości rozpuszczalnika.
Sporządzono roztwory wodne chlorku sodu, sacharozy, chlorku glinu i siarczanu(VI) sodu, w każdym przypadku rozpuszczając w tej samej ilości wody 1 mol substancji.

Przeanalizuj powyższą informację i podaj nazwę (lub wzór) substancji, której roztwór będzie miał najwyższą temperaturę wrzenia, oraz nazwę (lub wzór) substancji, której roztwór będzie miał najwyższą temperaturę krzepnięcia.
Substancja, której roztwór ma najwyższą temperaturę wrzenia to ................................................
Substancja, której roztwór ma najwyższą temperaturę krzepnięcia to ..........................................

Odpowiedź

W wodzie rozpuszczono 1 mol każdej substancji otrzmując:

NaCl Na⁺ + Cl^- 2 mole jonów

C₁₂H₂₂O₁₁ C₁₂H₂₂O₁₁ 1 mol cząsteczek

AlCl₃ Al³⁺ + 3Cl^- 4 mole jonów

Na₂SO₄ 2Na⁺ + SO₄^2- 3 mole jonów

Najwyższą temperaturę wrzenia, oraz najniższą temperaturę topnienia (krzepnięcia) ma roztwór w którym jest największa ilość cząsteczek (jonów). Największa ilość jonów znajduje się w roztworze powstałym przez rozpuszczenie 1 mola chlorku glinu AlCl₃. Najwyższą temperaturę topnienia (krzepnięcia) będzie miał roztwór sacharozy (najmniejsza liczba cząsteczek w roztworze powstałym przez rozpuszczenie 1 mola sacharozy).

Zadanie 11

Przygotowano roztwory wodne następujących substancji:

NaNO₂,    C₂H₅OH,     CH₃NH₂,     NH₄Br,     CH₃ONa

Spośród substancji o podanych wyżej wzorach wybierz te, których roztwory mają odczyn zasadowy oraz te, których roztwory mają odczyn kwasowy. Napisz w formie skróconej jonowej równanie reakcji potwierdzającej powstanie kwasowego odczynu roztworu.
Odczyn zasadowy mają roztwory: .................................................................................................
Odczyn kwasowy mają roztwory: ..................................................................................................
Równanie reakcji: ..........................................................................................................................
............................................................................................................................................

Odpowiedź

Hydrolizie ulegają sole słabych zasad i mocnych kwasów, sole mocnych zasad i słabych kwasów, oraz sole słabych zasad i słabych kwasów.

Na₂NO₂ – sól mocnej zasady i słabego kwasu, odczyn zasadowy

C₂H₅OH – alkohol, w wodzie nie ulega reakcji hydrolizy, odczyn obojętny

CH₃NH₂ – metyloamina, w wodzie nie ulega reakcji hydrolizy, ale jest to zasada (podobnie jak amoniak) i jej wodne roztwory mają odczyn zasadowy (alkaliczny)

NH₄Br – sól słabej zasady i mocnego kwasu, wodny roztwór ma odczyn kwaśny

CH₃ONa – alkoholan, w wodzie ulega reakcji hydrolizy (rozkładowi pod wpływem wody) do alkoholu i wodorotlenku sodowego. Odczyn wodnego roztworu silnie zasadowy (alkaliczny).

NH₄⁺ + H₂O NH₃ + H₃O⁺

Zadanie 12

Na podstawie powyższego tekstu napisz równania reakcji przebiegających podczas otrzymywania czystego tytanu.
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................

Odpowiedź

„…….. Tytan otrzymuje się z rutylu podczas ogrzewania z węglem i chlorem, w wyniku czego powstaje chlorek tytanu(IV) i tlenek węgla(II). W drugim etapie chlorek tytanu(IV) ogrzewa się w odpowiednich warunkach z magnezem. …..”

W treści tej znajduje się praktycznie odpowiedź na pytanie:
TiO₂ + 2Cl₂ + 2C → TiCl₄ + 2CO
TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂

Zadanie 13

Oblicz, ile moli tytanu i ile moli glinu zawiera tzw. gwóźdź ortopedyczny o masie 120 g wykonany ze stopu tytanu o podanym wyżej składzie.

Obliczenia: .....................................................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................
Odpowiedź: ...........................................................

Odpowiedź

„Czysty tytan lub jego stop o składzie masowym 85% Ti, 8% Al, 7% V stosowany jest np. do wytwarzania implantów. „

Masa gwoździa 120g. W tej masie znajduje się 85% tytanu, czyli (c%=100%^.m_s/m_rozt) . Liczbę moli tytanu i glinu obliczymy ze wzoru n=m/M:

n_Ti =102g/47,9g/mol=2,129mol, n_Al =9,6g/27g/mol=0,356mol.

Zadanie 14

Zaproponuj dwuetapową metodę otrzymywania tlenku miedzi(II) z roztworu chlorku miedzi(II), pisząc schemat procesu. W schemacie uwzględnij reagenty i warunki przeprowadzenia reakcji.
........................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................

Odpowiedź

Chlorek miedzi jest solą silnego kwasu i słabej zasady. W reakcji chlorku miedzi(II) z wodorotlenkiem sodowym można otrzymać wodorotlenek miedzi(II). Większość wodorotlenków pod wpływem ogrzewania rozkłada się na tlenek metalu i wodę. Schemat procesu, polega na wskazaniu głównego substratu, substraty dodatkowe, bez współczynników reakcji, oraz warunki reakcji zamieszczamy nad strzałką reakcyjną:

Zadanie 15

Tlenek azotu(II) reaguje z tlenem, tworząc tlenek azotu(IV):

2NO + O₂ → 2NO₂

Szybkość tej reakcji opisuje równanie kinetyczne: v = k [NO]²[O₂]

Oblicz, ile razy należy zwiększyć stężenie tlenku azotu(II), nie zmieniając stężenia tlenu i warunków przebiegu procesu, aby szybkość reakcji wzrosła czterokrotnie.
Obliczenia: ........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
Odpowiedź: ........................................................................................................................................................

Odpowiedź

Jeżeli dla reakcji 2NO + O₂ D 2NO₂ szybkość reakcji opisana jest równaniem kinetycznym v=k[NO]² [O₂], to aby szybkość reakcji wzrosła 4-ktotnie możemy zapisać v’=4v. Jeżeli zmianie ma ulec jedynie stężenie tlenku azotu(II) to nowa szybkość reakcji zapisana jest równaniem: v’=k(x[NO])² [O₂]. Wiemy, że v’/v=4, czyli: , czyli x²=4, zatem x=2.

Aby szybkość reakcji wzrosła 4-krotnie należy dwukrotnie zwiększyć stężenie tlenku azotu(II).

Zadanie 16

W półogniwach A i B zachodzą reakcje opisane równaniami:

półogniwo A: ClO₃^- + 6H⁺ + 6e^- Cl^- + 3H₂O E₀ = 1,45V
półogniwo B: NO₂^- + H₂O + e^- NO + 2OH^- E₀ = - 0,46V

Zbudowano ogniwo z półogniw A i B.

a) Na podstawie podanych wartości potencjałów standardowych określ, w którym półogniwie (A czy B) zachodzi proces utlenienia, a w którym redukcji.
b) Napisz w formie jonowej sumaryczne równanie reakcji zachodzącej w ogniwie.

a) Utlenianie zachodzi w półogniwie: ...........................................................................................

Redukcja zachodzi w półogniwie: .............................................................................................

b) Równanie reakcji zachodzącej w ogniwie: ................................................................................

.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Aby móc określić w którym ogniwie następuje proces utlenienia, a w którym proces redukcji posłużymy się regułą zegarową:

Na osi zaznaczamy reakcje zachodzące w półogniwach, w taki sposób, by forma utleniona znajdowała się nad osią, forma zredukowana pod osią. Kierunek reakcji wskazują strzałki wykreślone zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara.

Widzimy, że utlenianie zachodzi w półogniwie B, a redukcja w półogniwie A: Aby dobrać współczynniki reakcji wystarczy zbilansować liczbę elektronów. W półogniwie A pobierane jest 6 elektronów, więc by 6 elektronów mogło oddać półogniwo B, musimy ilości reagentów zwiększyć 6-krotnie:

6NO + 12OH^- + ClO₃^- + 6H⁺ → 6NO₂^- + 6H₂O + Cl^- + 3H₂O oczywiście nie mogą istnieć jony OH^- obok jonów H⁺, mamy więc: 6NO + 6OH^- + ClO₃^- + 6H₂O → 6NO₂^- + 9H₂O + Cl^- po redukcji wyrazów podobnych otrzymamy:

6NO + 6OH^- + ClO₃^- → 6NO₂^- + 3H₂O + Cl^-

Zadanie 17

Wiedząc, że węglowodory cykliczne ulegają analogicznym reakcjom jak węglowodory łańcuchowe, napisz równania reakcji (1. - 4.) zilustrowane na powyższym schemacie. Zastosuj wzory półstrukturalne (grupowe) lub uproszczone związków organicznych.

1. ..............................................................................................................
2. ................................................................................................................
3. ................................................................................................................
4. ................................................................................................................

Odpowiedź

Cykloheksen → cykloheksan, końcówka –en wskazuje na charakter nienasycony (wiązanie podwójne), natomiast końcówka -an wskazuje na charakter nasycony węglowodoru. Reakcja 1 jest reakcją uwodornienia.

Cykloheksan → chlorocykloheksan, cykloalkany, podobnie jak alkany ulegają jedynie reakcji chlorowania na świetle, lub w podwyższonej temperaturze. Reakcja 2 jest reakcją chlorowania wolnorodnikowego

Chlorocykloheksan → cykloheksanol, jest to reakcja podstawienia atomu chloru grupą hydroksylową.

Cykloheksanol → cykloheksen, tworzenie wiązania podwójnego (alkenu) z alkoholu w wyniku eliminacji cząsteczki wody:

Zadanie 18

Określ typ każdej reakcji (1. - 4.) z powyższego schematu, wybierając odpowiednią

nazwę ze zbioru: substytucja, addycja, eliminacja, kondensacja.
1. ...................................................................................................................................................
2. ...................................................................................................................................................
3. ...................................................................................................................................................
4. ...................................................................................................................................................

Odpowiedź

W reakcji 1 następuje dodanie wodoru do wiązania podwójnego. Jest to reakcja addycji.

W reakcji 2 następuje podstawienie atomu wodoru przez atom chloru, jest to więc reakcja substytucji (podstawienia)

Podobnie w reakcji 3, grupa hydroksylowa podstawia się za atom chloru, jest to reakcja substytucji

W reakcji 4 następuje wydzielenie się cząsteczki wody, czyli jest to reakcja eliminacji.

Zadanie 19

W laboratorium etan otrzymuje się ogrzewając chlorometan z sodem. Reakcja zachodzi zgodnie z równaniem:

2CH₃Cl Cl + 2Na → CH₃CH₃ + 2NaCl

Napisz równanie reakcji otrzymywania n-butanu opisaną metodą. Zastosuj wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych.
........................................................................................................................................................

Odpowiedź

Reakcja syntezy etanu z chlorometanu i sodu jest reakcja Wurtza, przebiegającą wg schematu:

W identyczny sposób będzie przebiegała reakcja z chloroetanem:

Zadanie 20

Posługując się wzorami półstrukturalnymi (grupowymi), uzupełnij poniższe równania ilustrujące procesy, w których etanol jest substratem lub produktem reakcji.

Odpowiedź

W pierwszej reakcji produktem reakcji jest ester. Substratami muszą być etanol i odpowiedni kwas. W reakcji drugiej, etanol i warunki reakcji wskazują, że produktem będzie alken (eten)

W reakcji trzeciej produktami są sól kwasu karboksylowego i alkohol, powstające w środowisku alkalicznym. Substratem musi być odpowiedni ester:

Zadanie 21

Podczas produkcji serów dojrzewających kwas mlekowy (kwas 2-hydroksypropanowy) pod wpływem bakterii propionowych ulega tzw. fermentacji propionowej. W tej reakcji z kwasu mlekowego powstaje kwas propanowy i kwas etanowy (octowy) w stosunku molowym 2 : 1 oraz tlenek węgla(IV) i woda.

Napisz równanie opisanej reakcji, stosując wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych.
.......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Odpowiedź na to pytanie kryje się w samym pytaniu. Wystarczy tylko zgodnie z poleceniem narysować podane związki. Kwas 2-hydroksypropanowy oznacza, kwas karboksylowy składający się łącznie z 3 atomów węgla, przy drugim znajduje się grupa hydroksylowa. Produktem rozkładu kwasu mlekowego jest kwas propanowy i octowy w stosunku 2:1, czyli rozkładowi muszą ulec 3 cząsteczki kwasu mlekowego:

Zadanie 22

Kwas octowy (etanowy) można otrzymać w reakcji etanolu (alkoholu etylowego) z dichromianem(VI) potasu.

Stosując zasadę bilansu elektronowego, dobierz współczynniki w poniższym równaniu reakcji. Podaj wzór substancji pełniącej rolę utleniacza oraz wzór substancji pełniącej rolę reduktora.

......... CH₃CH₂OH + ......... K₂Cr₂O₇ + ......... H₂SO₄ → .......... CH₃COOH + .........Cr₂(SO₄)₃ + ....... K₂SO₄ + ....... H₂O

Bilans elektronowy: .......................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
Wzór substancji pełniącej rolę utleniacza: .....................................................................................
Wzór substancji pełniącej rolę reduktora: ......................................................................................

Odpowiedź

W celu zbilansowania reakcji musimy znaleźć atomy, które zmieniły stopień utlenienia i obliczyć stopnie utlenienia tych atomów:

Stopień utlenienia obliczamy wychodząc z następujących zależności:

• atom tlenu, poza nielicznymi wyjątkami, jest zawsze na -2 stopniu utlenienia
• atomy I grupy (Li, Na, K, Rb, Cs) są zawsze na +1 stopniu utlenienia, a atomy II grupy (Be, Mg, Ca, Sr, Ba) na +2 stopniu utlenienia
• fluor jest zawsze na -1 stopniu utlenienia
• wodór jest na +1 stopniu utlenienia, poza połączeniami z atomami I lub II grupy, w których jest na -1 stopniu utlenienia
• połączenia dwóch takich samych atomów nie wpływają na ich stopień utlenienia
• suma stopni utlenienia wszystkich atomów w cząsteczce równa jest 0 lub równa jest ładunkowi cząsteczki.

Wychodząc z tych zależności łatwo policzyć stopień utlenienia chromu w dwuchromianie potasu: 2(+1)+2x+7(-2)=0. czyli x=+6.

W przypadku węgla w alkoholu stopień utlenienia liczymy dla wskazanego atomu. Grupa hydroksylowa jest na (-1) stopniu

utlenienia. x+2(+1)+(-1)=0, x=(-1), natomiast w kwasie x+(-2)+(-1)=0, czyli x=+3.

W kolejnym kroku zapisujemy równania połówkowe:

Po redukcji wyrazów podobnych otrzymamy:

3CH₃CH₂OH + 2Cr₂O₇^2- + 16H⁺ → 3CH₃COOH + 4Cr³⁺ + 11H₂O jony wodorowe mogą pochodzić jedynie od kwasu

siarkowego(VI). W rezultacie otrzymamy:

3CH₃CH₂OH + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ → 3CH₃COOH + 2Cr₂(SO₄)₃ + 2K₂SO₄ + 11H₂O

Zadanie 23

Badano działanie świeżo sporządzonego wodorotlenku miedzi(II) na próbki roztworów wodnych etanolu, etanalu, glicerolu i glukozy. Obserwacje zestawiono w tabeli.

Przeanalizuj zestawione powyżej obserwacje i wpisz do tabeli nazwy substancji, które były w próbkach oznaczonych numerami 1, 2, 3 i 4.

Odpowiedź

Wodorotlenek miedzi łatwo utlenia związki w których występuje grupa aldehydowa (-CHO). Ogrzewanie wodorotlenku miedzi ze związkiem w którym występuje grupa aldehydowa powoduje utlenienie jej do grupy karboksylowej, wodorotlenek miedzi redukuje się do ceglastoczerwonego tlenku miedzi(I). W przypadku gdy brak jest grupy aldehydowej, wodorotlenek miedzi rozkłada się do czarnego tlenku miedzi(II). Może być również odczynnikiem na alkohole polihydroksylowe – tworzy z nimi kompleks o barwie szafirowej

• Szafirowy roztwór wskazuje na alkohol polihydroksylowy (glicerol, glukoza)
• Czarny osad powstaje w probówce z etanolem.
• Klarowny, szafirowy roztwór, oraz ceglastoczerwony osad wskazuje, że w cząsteczce znajduje się grupa aldehydowa i wiele grup hydroksylowych. W probówce znajduje się glukoza
• Jedynie ceglastoczerwony osad wskazuje na obecność grupy aldehydowej – etanal
• Jeżeli w 3 jest glukoza, to w 1 musi być glicerol.

Zadanie 24

Napisz równanie reakcji otrzymywania benzenu z pierwiastków, a następnie oblicz standardową entalpię tworzenia benzenu (w postaci cieczy), znając standardowe entalpie spalania grafitu, wodoru i benzenu.
C_grafit + O_2(g) → CO_2(g) ΔH=-393,5kJ/mol
H_2(g) + 1/2O_2(g) → H₂O_(c) ΔH=-285,84kJ/mol
C₆H_6(c) + 15/2O_2(g) → 6CO_2(g) + 3H₂O         ΔH=-3267,6kJ/mol

Równanie reakcji: ..........................................................................................................................

Obliczenia: ..........................................................................................................................
....................................................................................................................................................

Odpowiedź: ..........................................................................................................................

Odpowiedź

Równania termochemiczne reakcji chemicznej możemy rozpatrywać jak równania matematyczne, czyli można je mnożyć stronami przez liczbę (z -1 włącznie). Oczywiście mnożenie równania reakcji przez (-1) powoduje odwrócenie strzałki reakcyjnej.

Synteza benzenu z pierwiastków: 6C_grafit + 3H_2(g) → C₆H_6(c) ΔH=? (1)

C_grafit + O_2(g) → CO_2(g) ΔH=-393,5kJ/mol (2)

H_2(g) + 1/2O_2(g) → H₂O_(c) ΔH=-285,84kJ/mol (3)

C₆H_6(c) + 15/2O_2(g) → 6CO_2(g) + 3H₂O_(c) ΔH=-3267,6kJ/mol (4)

Równania (2), (3), (4) musimy tak przekształcić i dodać do siebie by otrzymać równanie (1)

♦ zauważmy że w (1) benzen jest po prawej stronie, a w (4) po lewej, (4) musimy pomnożyć przez (-1) (odwrócić stronami)

6CO_2(g) + 3H₂O → C₆H_6(c) + 15/2O_2(g) ΔH=3267,6kJ/mol (5)

♦ W równaniu (1) mamy 6 moli węgla i 3 mole wodoru, atomy węgla i wodoru są po lewej stronie tak jak w równaniach (2) i (3). Wystarczy równania (2) i (3) pomnożyć odpowiednio przez 6 i 3:

6C_grafit + 6O_2(g) → 6CO_2(g) ΔH=-2361kJ/mol (6)

3H_2(g) + 3/2O_2(g) → 3H₂O_(c) ΔH=-857,52kJ/mol (7)

Dodając stronami równania (5), (6) i (7) otrzymamy:

6CO_2(g) + 3H₂O + 6C_grafit + 6O_2(g) + 3H_2(g) + 3/2O_2(g) → C₆H_6(c) + 15/2O_2(g) + 6CO_2(g) + 3H₂O_(c) ΔH=(3267,6-2361-857,52)kJ/mol

Po redukcji wyrazów podobnych otrzymamy równanie (1):

6C_grafit + 3H_2(g) → C₆H_6(c) ΔH=49,08kJ/mol

Zadanie 25

Alanina to kwas 2-aminopropanowy.

Napisz wzór półstrukturalny (grupowy) jonu, jaki tworzy alanina w środowisku silnie kwasowym.
.......................................................................................................................................................
........................................................................................................................................................

Odpowiedź

Alanina jest aminokwasem, posiada grupę karboksylową i aminową. Może reagować zarówno z kwasami jak i zasadami. Z zasadami reaguje grupa karboksylowa (w klasyczny sposób). Natomiast z kwasami reaguje grupa aminowa. Oczywiście jako zasada Brønsteda:

Zadanie 26

W celu potwierdzenia faktu, że mocznik CO(NH₂)₂ jest pochodną kwasu węglowego, przeprowadzono doświadczenie zilustrowane poniższym rysunkiem.

Podaj obserwacje, które potwierdzają, że mocznik jest pochodną kwasu węglowego. Napisz równanie reakcji, której ulega mocznik podczas tego doświadczenia.
Obserwacje: ................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
Równanie reakcji: ..........................................................................................................................
..........................................................................................................................................

Odpowiedź

Wiązania NH₂-CO-NH₂ w moczniku są wiązaniami amidowymi. Amidy w środowisku silnie kwaśnym (lub alkalicznym) hydrolizują (często reakcja wymaga ogrzewania) do kwasu i aminy (amoniaku). Nie inaczej będzie się zachowywał mocznik:
H₂NCONH₂ + H₂SO₄ + H₂O → (NH₄)₂SO₄ + CO₂

Tlenek węgla wprowadzany do wody wapiennej powoduje jej zmętnienie (od powstającego trudno rozpuszczalnego CaCO₃):
CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O

Obserwacje: w reakcji mocznika z kwasem siarkowym, wydziela się bezbarwny gaz, powodujący zmętnienie wody wapiennej.