Arkusze maturalne z chemii, poziom rozszerzony, 2009 rok

Zadanie 1

W atomie pewnego pierwiastka w stanie podstawowym trzy spośród elektronów walencyjnych znajdują się na podpowłoce 4p (4p³).

a) Opisz stan kwantowo-mechaniczny tych elektronów, wpisując do tabeli odpowiednie wartości trzech liczb kwantowych.

b) Podaj symbol tego pierwiastka i przedstaw w formie skróconej (z symbolem helowca) konfigurację elektronową jego atomu w stanie podstawowym.

Symbol pierwiastka: ......................

Skrócona konfiguracja elektronowa: ...........................................................................................

Odpowiedź

Elektrony w atomie opisywane są przez 4 liczby kwantowe:
główną oznaczaną n, poboczną l, magnetyczną m, oraz magnetyczną spinową m_s. Liczby te przyjmują następujące wartości:

W zależności od wartości pobocznej liczby kwantowej, orbitale nazywane są odpowiednio:

a) Jeżeli elektrony walencyjne znajdują się na orbitalu 4p, to główna liczba kwantowa wynosi 4, poboczna 1, a magnetyczna może przyjąć wartości -1, 0, 1.

b) Jeżeli na podpowłoce (orbitalach) 4p znajdują się 3 elektrony, to muszą być jeszcze 2 elektrony na orbitalu (podpowłoce) 4s, w sumie pierwiastek posiada 5 elektronów walencyjnych (leży w 15 grupie) i 4 okresie. Z układu okresowego pierwiastków możemy odczytać, że jest to arsen As. Skróconą konfigurację elektronową zapisujemy w oparciu o najbliższy gaz szlachetny leżący przed opisywanym pierwiastkiem, jest to argon Ar. Aby z konfiguracji elektronowej argonu otrzymać konfigurację elektronową arsenu musimy dodać 10 elektronów na podpowłokę 3d, oraz 5 elektronów walencyjnych: As: [Ar]3d¹⁰4s²4p³.

Zadanie 2

Próbka metalicznego kobaltu o masie 20 g zawiera 10% masowych promieniotwórczego izotopu ⁶⁰Co , którego okres półtrwania τ_1/2 = 5,3 lat. Pozostałą masę próbki stanowią trwałe izotopy kobaltu.

Oblicz, jaka będzie całkowita masa kobaltu zawartego w próbce po upływie 15,9 lat.

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

Odpowiedź

Jeżeli w próbce o masie 20g znajduje się 10% promieniotwórczego izotopu, to tego izotopu w próbce znajduje się (c%=100%^.m_s/m_rozt) m_s=c%^.m_rozt/100%=10%^.20g/100%=2g. Okres półtrwania t, to czas po którym zaniknie połowa ilości promieniotwórczego izotopu.
Po 5,3 lat zostanie 1/2m_o
po 10,6 lat zostanie 1/2(1/2m₀)=1/4m₀
po 15,9 lat zostanie 1/2(1/4m₀)=1/8m₀
Czyli po 15,9 lat zostanie 1/8^.2g=0,25g promieniotwórczego kobaltu, oraz 18g trwałego izotopu kobaltu. W sumie po tym czasie w próbce pozostanie 18,25g kobaltu.

Zadanie 3

Wolny krzem można otrzymać w laboratorium, redukując SiO₂ za pomocą metalicznego magnezu. Proces ten ilustruje równanie reakcji:

Uzupełnij tabelę, wpisując w odpowiednie miejsca obliczone liczby moli oraz masy substratów i produktów tej reakcji. W obliczeniach przyjmij przybliżone wartości mas molowych: M_Si=28g^.mol^-1, M_Mg=24g^.mol^-1, M_O=16g^.mol^-1.

Odpowiedź

Z równania reakcji SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO widzimy, że:
1 mol tlenku krzemu(IV) reaguje z 2 molami magnezu tworząc 1 mol krzemu i 2 mole tlenku magnezu.
30g tlenku krzemu(IV) to n-m/M=30g/60g/mol=0,5mola.
0,5 mola tlenku krzemu reaguje więc z 1 molem (24g) magnezu, tworząc 0,5 mola (14g) krzemu i 1 mol (40g) tlenku magnezu.

Zadanie 4

Poniżej przedstawiono wzory pięciu tlenków.

Na₂O       P₄O₁₀ ZnO       CO       SO₃

Wpisz w odpowiednie miejsca tabeli wzory wszystkich tlenków reagujących z substancjami, których nazwy podano w tytule każdej kolumny.

Uwaga: jeżeli dany tlenek reaguje z więcej niż jedną substancją, należy to uwzględnić.

Odpowiedź

Z wodą reagują jedynie tlenki metali 1 i 2 grupy (za wyjątkiem tlenku berylu), oraz tlenki niemetali (pierwiastków 14 do 17 grupy) za wyjątkiem CO, N₂O, NO, oraz tlenki metali przejściowych (metali od 3 do 12 grupy) na najwyższych stopniach utlenienia. Z mocnymi zasadami reagują oczywiście tlenki niemetali za wyjątkiem CO, N₂O, NO, tlenki metali przejściowych na najwyższym stopniu utlenienia, oraz tlenki amfoteryczne (ZnO, Al₂O₃, Cr₂O₃, MnO₂). Z wymienionych tlenków z wodą reaguje oczywiście tlenek sodu (tlenek metalu 1 grupy), tlenek fosforu(V) (tlenek niemetalu), tlenek siarki(VI) (tlenek niemetalu). Z mocną zasadą dodatkowo reaguje tlenek cynku. Z mocnymi kwasami reagują tlenki metali:

Zadanie 5

Określ, jaką rolę (kwasu czy zasady) pełnią według teorii Brönsteda siarkowodór i amoniak w roztworach wodnych. Uzasadnij swoją odpowiedź, zapisując w formie jonowej równania reakcji tych gazów z wodą.

Odpowiedź

Siarkowodór w wodzie ulega dysocjacji kwasowej, odłącza jon wodorowy, który jest przyjmowany przez cząsteczkę wody. Amoniak natomiast (dzięki wolnej parze elektronów na atomie azotu) w roztworze wodnym jest zasadą:

W równaniu reakcji strzałka reakcyjna powinna wskazywać na odwracalność reakcji (w obydwie strony, strzałka równowagowa), z uwagi na reakcje słabej zasady ze słabym kwasem. Poprawna powinna być również reakcja:
H₂S + 2H₂O S^2- + 2H₃O⁺

Zadanie 6

Przedstaw projekt doświadczenia, które wykaże amfoteryczny charakter wodorotlenku chromu(III).

W tym celu:

a) uzupełnij poniższy opis doświadczenia, wpisując wzory lub nazwy potrzebnych odczynników, wybranych spośród następujących: kwas solny, chlorek sodu(aq), wodorotlenek sodu(aq)

b) wymień obserwacje, które umożliwią wykazanie amfoterycznego charakteru wodorotlenku chromu(III)

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

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

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

c) zapisz w formie jonowej skróconej równania zachodzących reakcji, wiedząc, że produktem jednej z reakcji jest jon heksahydroksochromianowy(III).

Równanie reakcji zachodzącej w probówce I:

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

Równanie reakcji zachodzącej w probówce II:

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

Odpowiedź

Wodorotlenek amfoteryczny, to taki wodorotlenek, który reaguje zarówno z mocnym kwasem (ma właściwości zasadowe), jak i z mocną zasadą (ma właściwości kwasowe). Dlatego celem zbadania amfoterycznych właściwości wodorotlenku chromu(III) należy na niego podziałać mocnym kwasem i mocną zasadą:

a)

b) Po dodaniu do osadu wodorotlenku chromu(III) roztworu wodorotlenku sodu, osad roztworzył się. Podobnie, po dodaniu do zawartości drugiej probówki roztworu kwasu solnego, osad wodorotlenku chromu(III) roztworzył się.

c) Jeżeli w reakcji wodorotlenku chromu(III) z roztworem NaOH powstaje heksahydroksochromian(III), oznacza to, że na atom chromu przypada 6 grup wodorotlenkowych:
Równanie reakcji zachodzącej w probówce I:
Cr(OH)₃ + 3OH^- [Cr(OH)₆]^3-
Równanie reakcji zachodzącej w probówce II:
Cr(OH)₃ + 3H⁺ Cr³⁺ + 3H₂O
W obydwu przypadkach powinniśmy użyć strzałki równowagowej, ponieważ reaguje słaba zasada (słaby kwas).

Zadanie 7

Tlenki niektórych pierwiastków bloku d wykazują różny charakter chemiczny w zależności od stopnia utlenienia pierwiastka. W poniższej tabeli przedstawiono charakter chemiczny wybranych tlenków chromu i manganu.

Określ zależność pomiędzy wartościami stopni utlenienia chromu i manganu w tlenkach a charakterem chemicznym tlenków tych pierwiastków.

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

Odpowiedź

Jeżeli metal tworzy kilka tlenków na różnym stopniu utlenienia, to tlenki metali na najniższym stopniu utlenienia mają charakter zasadowy, na pośrednim amfoteryczny, a na najwyższym kwasowy. W przypadku tlenków niemetali, często tlenki niemetali na najniższym stopniu utlenienia mają charakter obojętny (N₂O, CO).

Zadanie 8

Oblicz standardową entalpię (ΔH^o) reakcji opisanej równaniem:

Al₂O_{3 (korund)} + 3SO_3(g) → Al₂(SO₄)_{3 (krystaliczny)}

znając standardowe entalpie tworzenia:

1) 2Al_(s) + 3/2O_2(g) → Al₂O_3(korund) DH₁⁰=-1671,0kJ/mol

2) S_(rombowa) + 3/2O_2(g) → SO_3(g) DH₂⁰=-395,5kJ/mol

3) 2Al_(s) + 3S_(rombowa) + 6O_2(g) → Al₂(SO₄)_{3(krystaliczny)} DH₃⁰=-3437,4kJ/mol

Wynik podaj z dokładnością do jednego miejsca po przecinku.

Odpowiedź

Standardową entalpię reakcji ΔH⁰:
Al₂O_3(korund) + 3SO_3(g) → Al₂(SO₄)_{3(krystaliczny)} (A)
na podstawie standardowych reakcje tworzenia:
2Al_(s) + 3/2O_2(g) → Al₂O_3(korund) ΔH⁰₁=-1671,0kJ/mol       (1)
S_(romb) + 3/2O_2(g) → SO_3(g) ΔH⁰₂=-395,5kJ/mol       (2)
2Al_(s) + 3S_(romb) + 6O_2(g) → Al₂(SO₄)_{3(krystaliczny)} ΔH⁰₃=-3437,4kJ/mol       (3)
Otrzymamy dodając równania 1÷3 do siebie w taki sposób, by otrzymać równanie reakcji dla której liczona jest entalpia. Zauważmy, że w równaniu (A) tlenek glinu jest po lewej stronie natomiast w równaniu (1) po prawej stronie. Pomnóżmy więc równanie (1) przez (-1):
Al₂O_3(korund) → 2Al_(s) + 3/2O_2(g) ΔH01=1671,0kJ/mol       (4)
Podobnie jest z równaniem (2), SO₃ znajduje się po prawej stronie (1mol), a w równaniu (A) po lewej (3mole), pomnóżmy więc równanie (2) przez (-3)

3SO_3(g) → 3S_(romb) + 9/2O_2(g) ΔH02=1186,5kJ/mol       (5)
Dodając teraz stronami równaia (4), (5) i (3) otrzymamy równanie (A):
Al₂O_3(korund) + 3SO_3(g) → Al₂(SO₄)_{3(krystaliczny)} ΔH0=-3437,4+1671,0+1186,5=-579,9kJ/mol

Zadanie 9

Oceń, jak zmieni się (wzrośnie czy zmaleje) wydajność reakcji tworzenia SO₂ zilustrowanej równaniem:

2H₂S_(g) + 3O_2(g) ⇄ 2SO_2(g) + 2H₂O_(g) ΔH = -1038 kJ

jeżeli w układzie będącym w stanie równowagi

a) podwyższymy temperaturę: ...............................................................................................

b) usuniemy część wody: .............................................................................

Odpowiedź

Rozwiązując to pytanie skorzystajmy z prawa przekory (Le Chateliera-Brauna)”jeżeli na układ będący w równowadze podziałamy bodźcem zewnętrznym, to równowaga reakcji przesunie się w tym kierunku, by przeciwdziałać bodźcowi zewnętrznemu”.
Reakcja 2H₂S_(g) + 3O_2(g) 2SO_2(g) + 2H₂O_(g) ΔH=-1038kJ
jest reakcją egzotermiczną (ΔH<0).
a) Jeżeli podwyższymy temperaturę reakcji, układ chcąc przeciwdziałać temu bodźcowi przesunie stan równowagi w lewo (w kierunku reakcji odwrotnej, endotermicznej). Wydajność reakcji zmaleje.
b) Jeżeli usuniemy część wody, układ będzie chciał ją „wyprodukować” i równowaga reakcji przesunie się w prawo. Wydajność reakcji wzrośnie.

Zadanie 10

W dwóch nieoznakowanych probówkach znajdował się stężony i rozcieńczony roztwór kwasu azotowego(V). W celu zidentyfikowania tych roztworów przeprowadzono doświadczenie zilustrowane poniższym rysunkiem.

Sformułowano następujące spostrzeżenia:

probówka I: roztwór zabarwił się na kolor niebieskozielony i wydzielał się czerwonobrunatny gaz,

probówka II: roztwór zabarwił się na kolor niebieski i wydzielał się bezbarwny gaz, który w kontakcie z powietrzem zabarwiał się na kolor czerwonobrunatny.

Uzupełnij poniższe zdania, wybierając brakujące określenia spośród podanych:

rozcieńczony       stężony       NO       NO₂

Roztwór A to ........................................... kwas azotowy(V), a roztwór B to ................................................... kwas azotowy(V). Czerwonobrunatnym gazem, który wydzielał się w probówce I, jest tlenek azotu o wzorze ................................... W probówce II powstał bezbarwny tlenek o wzorze ...................................

Odpowiedź

Miedź w szeregu aktywności metali leży za wodorem, dlatego reaguje jedynie z kwasami tlenowymi. W reakcji powstaje sól i tlenek niemetalu (miedź się utlenia, a redukcji ulega niemetal). W reakcji miedzi z kwasem azotowym wydziela się w zależności od stężenia kwasu tlenek azotu(II) lub tlenek azotu(IV). Wiedząc, że stężony kwas azotowy jest silnym utleniaczem cały proces możemy wyobrazić sobie w następujący sposób:

• W reakcji miedzi z rozcieńczonym kwasem azotowym powstaje azotan miedzi(II) oraz tlenek azotu(II) NO.
• W reakcji miedzi ze stężonym kwasem azotowym powstaje azotan miedzi(II), oraz tlenek azotu(II). Ale wydzielający się na powierzchni miedzi tlenek azotu(II) utleniany jest przez kwas azotowy do tlenku azotu(IV)

Bezbarwnym gazem, który w kontakcie z powietrzem (utlenia się) zabarwia się na kolor czerwonobrunatny musi być tlenek azotu(II) NO: 2NO + O₂ → 2NO₂

Roztwór A to stężony kwas azotowy(V), a roztwór B to rozcieńczony kwas azotowy(V). Ciemnobrunatnym gazem, który wydzielał się w probówce I, jest tlenek azotu o wzorze NO₂. W probówce II powstał bezbarwny tlenek o wzorze NO.

Zadanie11

Opisz, co zaobserwowano podczas tego doświadczenia.

Etap 1: ..........................................................................................................................................

Etap 2: ..........................................................................................................................................

Odpowiedź

Chlorek żelaza(II) jest solą pochodzącą od słabej zasady i mocnego kwasu. Jeżeli do roztworu takiej soli doda się roztworu mocnej zasady (NaOH), to mocna zasada wyprze słabą zasadę z jej soli, powstanie słaby, nierozpuszczalny wodorotlenek żelaza(II) barwy od biało różowej do zielonkawej. Po dodaniu do niego nadtlenku wodoru (utleniacza), wodorotlenek żelaza(II) utlenia się do wodorotlenku żelaza(III) o barwie brunatnej.
Etap 1: Podczas dodawania roztworu wodorotlenku sodu wytrąca się osad barwy zielonkawej
Etap 2: Podczas dodawania roztworu nadtlenku wodoru zielonkawy osad zmienia barwę na brunatną.

Zadanie 12

Napisz równania reakcji, które zachodzą podczas tego doświadczenia. Równanie reakcji zachodzącej podczas etapu 1 zapisz w formie jonowej skróconej, a równanie reakcji etapu 2 w formie cząsteczkowej.

Równanie reakcji etapu 1 (w formie jonowej skróconej):

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

Równanie reakcji etapu 2 (w formie cząsteczkowej):

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

Odpowiedź

W równaniu reakcji w formie jonowej zapisujemy tylko te jony które biorą udział w reakcji. Jeżeli w reakcji bierze udział (powstaje): słaba zasada, słaby kwas, lub nierozpuszczalna sól, to zapisujemy je w postaci cząsteczkowej:

Równanie reakcji etapu 1 (w formie jonowej skróconej):
Fe²⁺ + 2OH^- → Fe(OH)₂

Równanie reakcji etapu 2 (w formie cząsteczkowej):
2Fe(OH)₂ + H₂O₂ → 2Fe(OH)₃

Zadanie 13

Do roztworu chlorku sodu o nieznanym stężeniu (roztwór I) dodano 22,00 g stałego NaCl. Otrzymano 400,00 g roztworu o stężeniu 20% masowych. Oblicz stężenie procentowe roztworu I w procentach masowych. Wynik podaj z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.

Odpowiedź

Stężenie procentowe liczone jest ze wzoru: . Przekształcając wzór względem m_s i podstawiając dane do wzoru (c%=20%, m_rozt=400,0g) otrzymamy: Jeżeli po dodaniu 22g stałego NaCl otrzymano 400,0g roztworu, to masa pierwotnego roztworu wynosiła 378g, a masa soli w pierwotnym roztworze wynosiła 80g‑22g=58g. Podstawiając dane do wzoru na stężenie procentowe otrzymamy: c%=100%^.58g/378g=15,34%.

Zadanie 14

Zbadano zachowanie cynku, miedzi i srebra w roztworach soli.

Podaj numery probówek, w których zaobserwowano objawy reakcji.

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

Odpowiedź

Zadanie 15

Korzystając z tabeli rozpuszczalności, zaproponuj sposób usunięcia kationów Ba²⁺ z roztworu zawierającego jony Ba²⁺ i Mg²⁺.

a) Spośród odczynników o podanych niżej wzorach wybierz jeden, który pozwoli usunąć wyłącznie jony Ba²⁺, i uzasadnij wybór.

Na₂CO_3(aq) Na₂SO_4(aq) Na₃PO_4(aq)

Wybrany odczynnik: .................................................................

Uzasadnienie wyboru odczynnika: .............................................................................................

b) Zapisz w formie jonowej skróconej równanie zachodzącej reakcji.

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

Odpowiedź

a) Wybrany odczynnik to Na₂SO_{4 (aq)}

Usunięcie kationu baru Ba²⁺ polega na wytrąceniu jonów baru w postaci osadu. Z tablicy rozpuszczalności widzimy, że tylko jony siarczanowe(VI) spełnią warunek wytrącenia osadu BaSO₄, a jony Mg²⁺ pozostaną w roztworze.

b) Równanie jonowe polega na zapisaniu tylko jonów biorących udział w reakcji:
Ba²⁺ + SO₄^2- → BaSO₄↓

Zadanie 16

Oblicz pH roztworu kwasu o wzorze ogólnym HR i stężeniu c₀ = 0,2 mol/dm, jeżeli stopień dysocjacji tego kwasu α = 5%.

Odpowiedź

Stopień dysocjacji a obliczany jest ze wzoru . Jeżeli stężenie początkowe C₀=0,2mol/dm³, to stężenie cząsteczek zdysocjowanych [H⁺]=[R^-]=C₀a=0,2mol/dm^3.0,05=0,01mol/dm³. Wykładnik stężenia jonów wodorowych pH definiowane jest jako pH=-log[H⁺]. Po podstawieniu danych do wzoru otrzymamy: pH=-log0,01=2

Zadanie 17

Przeprowadzono doświadczenie zilustrowane poniższym rysunkiem.

Określ odczyn wodnych roztworów soli w probówkach I, II i III.

Probówka I: ......................................................

Probówka II: ....................................................

Probówka III: ...................................................

Odpowiedź

Sole słabych kwasów i mocnych zasad, mocnych kwasów i słabych zasad, oraz słabych kwasów i słabych zasad ulegają w wodzie hydrolizie. Odczyn jest alkaliczny w przypadku soli mocnej zasady i słabego kwasu, kwaśny w przypadku soli słabej zasady i mocnego kwasu. NaNO₂ jest solą mocnej zasady (NaOH) i słabego kwasu (HNO₂) – odczyn wodnego roztworu alkaliczny. NaCl jest solą mocnej zasady (NaOH) i mocnego kwasu (HCl). Sól nie ulega hydrolizie w wodzie i odczyn wodnego roztworu jest obojętny. NH₄Cl jest solą słabej zasady (NH₃^.H₂O) i mocnego kwasu (HCl). Wodny roztwór tej soli będzie miał odczyn kwaśny.
Probówka I: odczyn alkaliczny (pH>7)
Probówka II: odczyn obojętny (pH=7)
Probówka III: odczyn kwaśny )pH<7)

Zadanie 18

Określ, jaką rolę (utleniacza czy reduktora) spełnia nadtlenek wodoru w reakcjach opisanych równaniami:

1. PbO₂ + H₂O₂ + 2H⁺ → Pb²⁺ + 2H₂O + O₂

2. 2I^- + H₂O₂ + 2H⁺ → I₂ + 2H₂O

W reakcji 1 nadtlenek wodoru pełni rolę .............................................................

W reakcji 2 nadtlenek wodoru pełni rolę ............................................................

Odpowiedź

W reakcji 1 ołów w tleneku ołowiu(IV) redukuje się do Pb(II), zatem nadtlenek ołowiu jest reduktorem.
W reakcji 2 jony jodkowe utleniły się do jodu, zatem nadtlenek wodoru jest utleniaczem.

Zadanie 19

Tlenek żelaza(III) reaguje w obecności mocnych zasad z silnymi utleniaczami, np. z chlorem, według następującego schematu:

Fe₂O₃ + Cl₂ + OH⁻ → FeO₄^2- + Cl⁻ + H₂O

Dobierz i uzupełnij współczynniki stechiometryczne w podanym wyżej schemacie reakcji. Zastosuj metodę bilansu elektronowego.

Bilans elektronowy:

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

Równanie reakcji:

....Fe₂O₃ + ...Cl₂ + ...OH⁻ → ...FeO₄^2- + ...Cl⁻ + ...H₂O

Odpowiedź

W celu doboru współczynników reakcji metodą bilansu elektronowego musimy w pierwszym kroku znaleźć utleniacz i reduktor. W tym celu musimy znaleźć pierwiastki, które zmieniły swój stopień utlenienia:

W kolejnym etapie należy zapisać równania połówkowe dla utleniacza (chlor) i reduktora (tlenek żelaza(III)):

Zbilansowane równanie reakcji otrzymamy po dodaniu stronami równań połówkowych:
Fe₂O₃ + 3Cl₂ + 10OH^- → 2FeO₄^2- + 6Cl^- + 5H₂O

W celu sprawdzenia doboru współczynników w równaniu jonowym wystarczy sprawdzić ładunki lewej i prawej strony równania reakcji: L: (-10); P: 2(-2)+(-6)=(-10)

Zadanie 20

Przeprowadzono elektrolizę wodnych roztworów czterech elektrolitów z użyciem elektrod platynowych. Informacje dotyczące produktów wydzielających się na elektrodach oraz odczynu roztworów w elektrolizerze (po wymieszaniu katolitu z anolitem) przedstawiono w poniższej tabeli.

Spośród związków o podanych niżej wzorach:

CuSO₄ Na₂SO₄ H₂SO₄ HCl      NaCl      NaOH

wybierz te elektrolity, których wodne roztwory poddano elektrolizie. Wpisz wzory odpowiednich związków do poniższej tabeli.

Odpowiedź

Z pośród podanych substancji możemy od razu wykluczyć CuSO₄ ponieważ na katodzie nie wydzieliła się miedź. W celu odnalezienia substancji poddanych elektrolizie możemy posłużyć się następującymi regułami:

• Podczas elektrolizy kwasów tlenowych, lub soli tych kwasów na anodzie wydziela się tlen
• Podczas elektrolizy kwasów beztlenowych lub ich soli, na anodzie wydziela się niemetal
• Podczas elektrolizy wodorotlenków na anodzie wydziela się tlen, a na katodzie wodór

I na katodzie wydziela się wodór, na anodzie chlor, elektrolitem może być zatem HCl lub NaCl. Odczyn roztworu stał się zasadowy, a więc I elektrolitem jest NaCl.

II na katodzie wydziela się wodór, na anodzie tlen, roztwór pozostał zasadowy, elektrolitem jest zatem NaOH

III na katodzie wydziela się wodór, na anodzie tlen, roztwór pozostał kwasowy, elektrolitem jest więc H₂SO₄

IV elektrolitem musi być Na₂SO₄, ponieważ na anodzie wydziela się tlen, a roztwór po elektrolizie pozostał obojętny.

NaCl:
K(-) 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-
A(+) 2Cl^- → Cl₂ + 2e
W roztworze pozostają jony Na⁺ i wodorotlenkowe OH^-, dlatego odczyn staje się zasadowy

NaOH
K(-) 4H₂O + 4e → 2H₂ + 4OH^-
A(+) 4OH^- → O₂ + 2H₂O
Na katodzie woda ulega redukcji, wydziela się wodór i powstają jony OH^-. Na anodzie jony OH^- utleniają się do tlenu. Sumarycznie widzimy, że elektrolizie ulega woda, dlatego odczyn roztworu nie zmienia się, pozostaje alkaliczny.

H₂SO₄
K(-) 4H⁺ + 4e → 2H₂
A(+) 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e
Sumarycznie elektrolizie ulega woda, dlatego odczyn roztworu pozostaje kwasowy.

Na₂SO₄
K(-) 4H₂O + 4e → 2H₂ + 4OH^-
A(+) 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e
Sumarycznie elektrolizie ulega woda, dlatego odczyn po elektrolizie pozostaje obojętny (powstałe jony wodorotlenowe w przestrzeni katodowej zobojętniają się z jonami wodorowymi w przestrzeni anodowej).

Zadanie 21

Zapisz równania reakcji zachodzących podczas elektrolizy wodnego roztworu NaOH na elektrodach platynowych.

Równanie reakcji przebiegającej na katodzie:

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

Równanie reakcji przebiegającej na anodzie:

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

Odpowiedź

NaOH
K(-) 4H₂O + 4e → 2H₂ + 4OH^-
A(+) 4OH^- → O₂ + 2H₂O

Na katodzie woda ulega redukcji, wydziela się wodór i powstają jony OH-. Na anodzie jony OH- utleniają się do tlenu. Sumarycznie widzimy, że elektrolizie ulega woda, dlatego odczyn roztworu nie zmienia się, pozostaje alkaliczny.

Zadanie 22

Podczas pracy pewnego ogniwa zachodzą procesy elektrodowe, których przebieg można przedstawić sumarycznym równaniem reakcji:

Zn + 2Ag⁺ → Zn²⁺ + 2Ag

a) Korzystając z szeregu elektrochemicznego metali, przedstaw schemat ogniwa, w którym zachodzi powyższa reakcja.

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

b) Oblicz SEM tego ogniwa dla warunków standardowych.

Odpowiedź

Przy zapisie ogniw przyjęto, że najpierw zapisuje się elektrodę ujemną (anodę, na której zachodzi reakcja utelniania), a później elektrodę dodatnią. Schemat ogniwa zapisuje się w postaci:
Eelektroda | elektrolit_1 || elektrolit_2 | Elektroda
W schemacie tym | oznacza granicę faz pomiędzy elektrodą a elektrolitem, || klucz elektrolityczny, elektroda – materiał z którego wykonana jest elektroda. Dla opisanej reakcji, utlenieniu ulega cynk i on stanowi materiał z którego wykonana jest anoda:
Zn |Zn2+ || Ag+ |Ag
Licząc SEM (siłę elektromotoryczną ogniwa w warunkach standardowych) wystarczy odjąć potencjał standardowy anody od potencjału standardowego katody. Potencjały standardowe odczytujemy z tablic:

SEM=0,80V-(-0,76V)=1,56V
Dla warunków niestandardowych po zamianie logarytnmów naturalnych na dziesiętne i w T=298K wzór Nernsta przyjmie postać: . W warunkach standardowych [ox]=[red]=1, log(1)=0, dlatego E=E₀.

Zadanie 23

Zaprojektuj doświadczenie, które umożliwi redukcję jonów manganianowych(VII) do jonów manganu(II).

W tym celu:

a) wybierz potrzebne odczynniki spośród wodnych roztworów: kwasu siarkowego(VI), manganianu(VII) potasu, wodorotlenku potasu, siarczanu(IV) sodu

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

b) napisz, co zaobserwowano podczas tego doświadczenia.

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

Odpowiedź

a) Jeżeli ma nastąpić redukcja jonów manganianowych(VII) do manganiu(II), reakcja musi być prowadzona w środowisku kwaśnym. Aby jony manganianowe(VII) mogły ulec redukcji, musi być substancja, która ulegnie utlenieniu. Taką substancją będzie siarczan(IV) sodu.

b) Po dodaniu roztworu Na₂SO₃ do zakwaszonego roztworu KMnO₄, roztwór manganianu(VII) potasu odbarwił się.

Zadanie 24

Szybkość pewnej reakcji zachodzącej w fazie gazowej wyraża się równaniem kinetycznym

v=k^.c_A^2.c_B

Przedstaw zależność między początkową i końcową szybkością tej reakcji oraz oblicz, jak zmieni się szybkość reakcji, jeżeli przy niezmienionej ilości reagentów i niezmienionej temperaturze ciśnienie reagujących gazów zmaleje dwukrotnie.

Odpowiedź

Stan gazu opisywany jest przez prawo stanu gazu doskonałego (równanie Clapeyrona) PV=nRT. Jeżeli ciśnienie zmalało dwukrotnie przy niezmienionej ilości gazu oraz temperatury, to objętość musiała zwiększyć się dwukrotnie. Przy dwukrotnie zwiększonej objętości stężenie reagentów zmalało dwukrotnie, czyli C₁=1/2C₀. Szybkość reakcji po zmniejszeniu ciśnienia równa jest . Podstawiając za C₁ wartość C₁=1/2C₀ otrzymamy: . Z ostatniej zależności wynika, że po zmniejszeniu dwukrotnie ciśnienia, szybkość reakcji zmniejszy się 8 razy.

Zadanie 25

Pent-2-en otrzymano z pent-1-enu w wyniku dwuetapowego procesu. W etapie 1 dokonano addycji chlorowodoru do pent-1-enu i otrzymano monochloropochodną pentanu (produkt główny). W etapie 2, w podwyższonej temperaturze i w alkoholowym roztworze wodorotlenku potasu, przeprowadzono reakcję eliminacji chlorowodoru z tej monochloropochodnej. Głównym produktem tej reakcji był pent-2-en.

a) Napisz, stosując wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych, równania reakcji tego procesu. W równaniu reakcji etapu 2 uwzględnij warunki procesu.

Równanie reakcji etapu 1:

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

Równanie reakcji etapu 2:

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

W procesie eliminacji HCl z monochloropochodnej atom wodoru odrywa się od jednego z dwóch atomów węgla sąsiadujących z tym atomem węgla, który połączony jest z atomem chloru.

b) Dokonaj analizy równania reakcji etapu 2 i sformułuj regułę dotyczącą przebiegu reakcji eliminacji (podobną do reguły Markownikowa dla reakcji addycji). Uzupełnij poniższe zdanie, wpisując w wolne miejsce słowo mniejszą albo większą.

Głównym produktem eliminacji HCl z monochloropochodnej jest związek, który powstaje w wyniku oderwania atomu wodoru od atomu węgla połączonego z .................................... liczbą atomów wodoru.

Odpowiedź

a) Etap 1 to addycja chlorowodoru do pent-1-enu. Reakcja addycji przebiega zgodnie z regułą Markownikowa (atom wodoru przyłącza się do atomu węgla bogatszego w atomy wodoru):

Etap 2 to eliminacja chlorowodoru z 2-chloropentanu z utworzeniem pent-2-enu (2 oznacza, że wiązanie podwójne znajduje się pomiędzy 2, a 3 atomem węgla):

b) Głównym produktem eliminacji HCl z monochloropochodnej jest związek, który powstaje w wyniku oderwania atomu wodoru od atomu węgla połączonego z mniejszą liczbą atomów wodoru.
Taki kierunek eliminacji zgodny jest z regułą Zajcewa.

Zadanie 26

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

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

Odpowiedź

W związku każde wiązanie pojedyncze jest wiązaniem s, wiązanie podwójne złożone jest z wiązania s i wiązania p, natomiast wiązanie potrójne złożone jest z wiązania s i dwóch wiązań p.

W cząsteczce znajduje się 12 wiązań s, oraz 2 wiązania p.

Zadanie 27

Poniżej przedstawiono wzór półstrukturalny (grupowy) etanianu (octanu) etylu.

Zapisz wzory półstrukturalne (grupowe) jednego estru i jednego kwasu będących izomerami octanu etylu.

Odpowiedź

Izomery mają te same wzory cząsteczkowe, natomiast inną budowę (różnią się wzorami strukturalnymi). Estrem będącym izomerem octanu etylu może być propionian metylu, mrówczan propylu lub mrówczan izopropylu:

Kwas będący izomerem do octanu etylu musi mieć grupę karboksylową –COOH. Kwasem będącym izomerem octanu etylu może być kwas butanowy lub kwas izobutanowy:

Zadanie 28

Glicerol (propan-1,2,3-triol) ulega termicznej dehydratacji. W wyniku odwodnienia glicerolu powstaje nienasycony aldehyd - propenal (akroleina).

Napisz, stosując wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych, równanie reakcji otrzymywania propenalu opisaną metodą.

Odpowiedź

Propenal jest związkiem składającym się z 3 atomów węgla, zawierającym wiązanie podwójne oraz grupę aldehydową: CH₂=CH-CHO. Związek ten powstaje w wyniku termicznej eliminacji wody z gliceryny.

Zadanie 29

Podaj nazwy systematyczne związków, których wzory oznaczono numerami III i IV.

Nazwa związku III: ......................................................................................................................

Nazwa związku IV: ......................................................................................................................

Odpowiedź

Nazwę alkoholu tworzymy dodając do nazwy alkanu tworzącego najdłuższy łańcuch prosty zawierający grupę hydroksylową przyrostek –ol wraz z lokantem (najniższym nr atomu węgla przy którym znajduje się grupa hydroksylowa). Grupy, które odchodzą od łańcucha prostego są podstawnikami:

Nazwa związku III to 3-metylobutan-2-ol
Nazwa związku IV to 3-metylobutan-1-ol

Zadanie 30

Określ rzędowość alkoholi I, II i III.

Rzędowość alkoholu I: ................................................................................

Rzędowość alkoholu II: ..............................................................................

Rzędowość alkoholu III: ............................................................................

Odpowiedź

Rzędowość alkoholu określamy na podstawie ilości atomów węgla z jaką połączony jest atom węgla z grupą hydroksylową.
Rzędowość alkoholu I: alkohol 1-rzędowy
Rzędowość alkoholu II: alkohol 3-rzędowy
Rzędowość alkoholu III: alkohol 2-rzędowy

Zadanie 31

Zapisz numer oznaczający wzór tego związku, który może występować w postaci enancjomerów.

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

Odpowiedź

W postaci enancjomerów może występować ten związek, który posiada asymetryczny atom węgla (atom węgla posiadający 4 różne podstawniki). Takie warunku spełnia alkohol nr III. Asymetryczny atom węgla oznaczony został gwiazdką *.

Zadanie 32

Napisz, posługując się wzorami półstrukturalnymi (grupowymi) związków organicznych, równanie reakcji utleniania alkoholu I za pomocą tlenku miedzi(II) w podwyższonej temperaturze.

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

Odpowiedź

Alkohol I jest alkoholem 1-rzędowym. Utlenianie alkoholi 1-rzędowych prowadzi do aldehydów (w ostrzejszych warunkach do kwasów karboksylowych). Jeżeli alkohol utlenia się, to tlenek miedzi(II) musi się zredukować, redukuje się do miedzi:

Zadanie 33

Przeanalizuj przebieg pierwszego etapu doświadczenia.

a) Wyjaśnij, porównując budowę cząsteczek związków, które znajdowały się w probówkach I - IV, dlaczego w probówce III nie zaszła reakcja chemiczna.

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

b) Opisz zmiany, jakie zaobserwowano w probówkach I, II i IV.

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

Odpowiedź

Wodorotlenek miedzi Cu(OH)₂ jest specyficznym odczynnikiem za pomocą którego możemy wykryć polialkohole (alkohole zawierające dwie lub więcej grup hydroksylowych w cząsteczce). Zarówno glukoza, etano-1,2-diol, jak i sacharoza w cząsteczce zawierają więcej niż jedną grupę hydroksylową, dlatego rozpuszczają wodorotlenek miedzi(II) tworząc szafirowy roztwór.

a) Etanol (zawartość probówki III) zawiera jedną grupę hydroksylową i nie daje takich objawów.

b) W probówkach I, II i III znajdowały się substancje zawierające więcej niż jedną grupę hydroksylową, rozpuszczały one wodorotlenek miedzi(II) tworząc roztwór o barwie szafirowej.

Zadanie 34

Podaj numer probówki, w której w drugim etapie doświadczenia powstał ceglastoczerwony osad Cu₂O.

Osad powstał w probówce .............................................

Odpowiedź

Po zalkalizowaniu zawartości probówek i ogrzaniu ich wykonano próbę Thromera. Próba ta pozwala wykryć w cząsteczce grupę aldehydową. Utlenia się ona do grupy karboksylowej, a wodorotlenek miedzi(II) ulega redukcji do tlenku miedzi(I) (tlenek miedzi(I) tworzy nierozpuszczalny, ceglastoczerwony osad). Tylko glukoza zawiera wolną grupę aldehydową i w wyniku ogrzewania zalkalizowanej mieszaniny glukozy i Cu(OH)₂ powstanie ceglastoczerwony osad Cu₂O. W sacharozie cząsteczki glukozy i fruktozy połączone są ze sobą wiązaniem 1,2-glikozydowym, dlatego obydwie grupy karbonylowe (zarówno w glukozie, jak i we fruktozie) są trwale zabezpieczone (nieaktywne).
Osad powstał w probówce nr I.

Zadanie 35

Zapisz, stosując wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych, równanie reakcji kwasu 2-hydroksypropanowego (mlekowego) z wodnym roztworem wodorotlenku sodu.

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

Odpowiedź

Kwas mlekowy jest kwasem karboksylowym zawierającym przy 2 atomie węgla grupę hydroksylową. W środowisku alkalicznym reakcji ulega tylko grupa karboksylowa ponieważ atom wodoru przy grupie hydroksylowej w alkoholach ma zbyt słaby charakter kwasowy:

Z uwagi na to, że kwasy karboksylowe są słabymi kwasami, reakcję w NaOH powinniśmy zapisać jako reakcję odwracalną (równowagową).

Zadanie 36

Podaj wzory półstrukturalne (grupowe) wszystkich produktów całkowitej hydrolizy zasadowej (w roztworze wodnym NaOH) związku o wzorze:

Uwaga: Grupy alkilowe przedstaw w postaci wzorów sumarycznych, tak jak w powyższym wzorze.

Odpowiedź

Związek ten jest tłuszczem (estrem wyższych kwasów tłuszczowych i gliceryny). Hydroliza zasadowa prowadzi do gliceryny i soli sodowych (mydeł):