Arkusze maturalne z chemii, poziom rozszerzony, 2010 rok

Zadanie 1

Atomy pierwiastka X tworzą jony X³⁺, których konfigurację elektronową można zapisać: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰

Uzupełnij poniższą tabelę, wpisując symbol pierwiastka X, dane dotyczące jego położenia w układzie okresowym oraz symbol bloku konfiguracyjnego (energetycznego) s, p lub d, do którego należy pierwiastek X.

Odpowiedź

Jeżeli konfiguracja jonu X³⁺ jest następująca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰, to atom, który jest elektrycznie obojętny ma 3 elektrony więcej i jego konfiguracja jest następująca: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹. Numer okresu rozpoznajemy po największej wartości głównej liczby kwantowej. W tym wypadku wynosi ona 4, a więc pierwiastek leży w IV okresie. Widzimy, że na ostatniej powłoce pierwiastek ma 3 elektrony walencyjne, leży więc w 13 grupie. W układzie okresowym możemy sprawdzić, że jest to gal. Możemy również policzyć wszystkie elektrony (31) i określić liczbę atomową: Z=31.

Zadanie 2

Jednym z pierwszych sztucznie otrzymanych radionuklidów był izotop azotu   . Powstał on w wyniku napromieniowania izotopu boru   cząstkami α pochodzącymi z naturalnej przemiany promieniotwórczej, jakiej ulega izotop polonu  

Napisz równania przemian promieniotwórczych opisanych powyżej.

Równanie przemiany, jakiej ulega izotop polonu  

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

Równanie przemiany, w której powstaje izotop azotu  

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

Odpowiedź

Z treści zadania wynika, że cząstki a otrzymano w wyniku rozpadu promieniotwórczego izotopu polonu, czyli polon rozpadł się na nowy pierwiastek i cząstkę a. Cząstka a to jądro helu i możemy ją zapisać w postaci: . Możemy więc zapisać: .

W równaniu suma liczb masowych po lewej stronie musi być równa sumie liczb masowych po prawej stronie, oraz suma liczb atomowych po lewej stronie musi być równa sumie liczb atomowych po prawej stronie. Mamy więc:
210=A+4, czyli A=206, oraz 84=Z+2, czyli Z=82 (w układzie okresowym znajdujemy, że pierwiastkiem X jest ołów).

Równanie rozpadu promieniotwórczego polonu przyjmie postać:

Przemianę, w której powstaje izotop azotu możemy zapisać (wiemy że powstał z boru po napromieniowaniu go cząstkami α):

Z równania reakcji widzimy, że: 10+4=13+A, czyli A=1, oraz 5+2=7+Z, czyli Z=0. W wyniku przemiany powstała cząstka o ładunku 0 i masie 1. Cząstką taką jest neutron. Równanie przemiany boru w azot przyjmie postać:

Zadanie 3

Poniżej podano wzory pięciu związków chemicznych.

Podkreśl te wzory, które przedstawiają związki chemiczne występujące w postaci kryształów jonowych (tak jak chlorek sodu), a nie zbiorów cząsteczek.

CCl₄ Li₂O       SO₂ CS₂ BaBr₂

Odpowiedź

Kryształy jonowe tworzą związki w których występuje wiązanie jonowe. Wiązanie jonowe tworzy się gdy pomiędzy pierwiastkami istnieje różnica elektroujemności D≥1,7. Dla wymienionych pierwiastków z tablic odczytujemy elektroujemność i liczymy różnicę elektroujemności:
CCl₄ C: 2,5; Cl 3,0; Δ=0,5
Li₂O Li: 1,0; O: 3,5; Δ=2,5
SO₂ s: 2,5; O: 3,5; Δ=1,0
BaBr₂ Ba: 0,9; Br: 2,8 Δ=1,9

Z obliczeń wynika, że różnica elektroujemności pomiędzy pierwiastkami Δ≥1,7 jest dla Li₂O oraz dla BaBr₂. Tylko te związki tworzą kryształy jonowe.

Zadanie 4

Chlor tworzy tlenki, w których przyjmuje różne stopnie utlenienia. Tlenek, w którym chlor występuje na najwyższym stopniu utlenienia, otrzymuje się w reakcji odwodnienia (dehydratacji) kwasu chlorowego zawierającego chlor na tym samym stopniu utlenienia.

Napisz równanie reakcji otrzymywania tego tlenku powyższą metodą.

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

Odpowiedź

Maksymalny stopień utlenienia pierwiastka względem tlenu, dla pierwiastków grup głównych równy jest liczbie elektronów walencyjnych jaką posiada pierwiastek. Można również powiedzieć, że maksymalny stopień utlenienia pierwiastka równy jest nr grupy (dla grup od 13 do 17 maksymalny stopień utlenienia równy jest nr grupy-10):

Chlor leży w 17 grupie, jego maksymalny stopień utlenienia względem tlenu wynosi więc +VII. Poszukiwanym tlenkiem jest zatem tlenek chloru(VII) Cl₂O₇. Z informacji wynika, że otrzymuje się go w reakcji dehydratacji kwasu, w którym chlor jest również na +VII stopniu utlenienia. Kwas z tlenku kwasowego (bezwodnika kwasowego) najprościej otrzymać dodając do tlenku wodę:

Oczywiście wzór kwasu otrzymamy gdy całość podzielimy przez 2 (najmniejsze indeksy stechiometryczne), czyli poszukiwany kwas ma wzór HClO₄. Tlenek chloru(VII) otrzymamy w reakcji:

2HClO₄ → Cl₂O₇ + H₂O

Zadanie 5

a) Podaj wartość ciśnienia panującego w zbiorniku z substancją Y.

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

b) Oblicz, jaką wartość osiągnie ciśnienie w zbiorniku z substancją X, jeśli temperatura wzrośnie w nim o 100,0 K. Stała gazowa R = 83,1 dm^3.hPa^.mol^-1.K^-1. Wynik podaj z dokładnością do jednego miejsca po przecinku.

Odpowiedź

Z równania Clapeyrona wynika, że jednakowe ilości gazu w jednakowej objętości i temperaturze wywierają identyczne ciśnienie: PV=nRT, czyli . Z treści zadania wynika, że n_X=n_Y, objętości i temperatura jest jednakowa, więc ciśnienia panujące w naczyniach muszą być identyczne. Jeżeli w zbiorniku z gazem X panuje ciśnienie 2000,0hPa, to w zbiorniku z gazem Y musi również panować ciśnienie 2000,0hPa.

W celu obliczenia ciśnienia po ogrzaniu gazu X, możemy również skorzystać z równania Clapeyrona: , czyli gdy ilość gazu nie zmienia się: . Wiedząc, że V₁=V₂ (objętość nie zmienia się) ostatecznie otrzymamy: . Podstawiając dane do wzoru otrzymamy: , P₂=2415,5hPa

Zadanie 6

Wskaż gaz (X lub Y), który ma większą gęstość w warunkach normalnych.

Odpowiedź

Masa molowa gazu X jest dwukrotnie większa od masy molowej gazu Y. W warunkach normalnych każdy mol gazu zajmuje objętość 22,4dm³, gęstość gazu to d=m/V lub dla warunków normalnych . Jeżli M_X=2M_Y to jego gęstość gazu X w warunkach normalnych również będzie dwukrotnie większa od gęstości gazu Y.
Gaz X ma większą gęstość.

Zadanie 7

Stężenie procentowe nasyconego wodnego roztworu chlorku potasu o temperaturze 20^oC wynosi 25,37% masowych. Rozpuszczalność w wodzie tego związku w temperaturze 40^oC jest równa 40 g/100 g wody. W przedziale od 0^oC do 50^oC zależność rozpuszczalności chlorku potasu od temperatury jest liniowa.

Korzystając z powyższych informacji, uzupełnij tabelę, a następnie narysuj wykres zależności rozpuszczalności chlorku potasu w wodzie od temperatury w przedziale od 0^oC do 50^oC.

Odpowiedź

Z definicji stężenia procentowego wynika, że jeżeli roztwór ma stężenie x%, to znaczy, że w 100g roztworu znajduje się x g substancji rozpuszczonej.

W 100g roztworu o stężeniu 25,37% masowych znajduje się 25,37g substancji rozpuszczonej w 100g-25,37g=74,63g wody. Rozpuszczalność odnosi się zawsze do 100g rozpuszczalnika. Rozpuszczalność wynosi więc:
w 74,63 g wody rozpuszcza się 25,37 g substancji, to
w 100 g wody rozpuści się x g substancji, czyli x=100 g^.25,37 g/74,63g=34 g. Rozpuszczalność chlorku potasu w 20^oC wynosi więc R₂₀=34 g/100 g (w 40^oC R₄₀=40 g/100 g).

Wiedząc, że w zakresie temperatur 0÷50^oC rozpuszczalność od temperatury jest funkcją liniową, a mając dwa punkty zawsze możemy przeprowadzić linię prostą:

Zadanie 8

W 1,00 dm³ wody rozpuszczono 112,00 dm³ chlorowodoru odmierzonego w warunkach normalnych. Oblicz stężenie procentowe otrzymanego kwasu solnego w procentach masowych. Załóż, że gęstość wody wynosi 1,00 g^.cm^-3. Wynik podaj z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.

Odpowiedź

Wiemy, że w warunkach normalnych każdy mol gazu zajmuje objętość 22,3dm³. Mol chlorowodoru to M_HCl=36,45 g/mol. Możemy więc zapisać:
36,45g chlorowodoru zajmuje objętość 22,4dm³, to
x g chlorowodoru zajmie objętość 112dm³, czyli x=36,45 g^.112 dm³/22,4 dm³=182,25 g HCl. Tę masę chlorowodoru (m_s) rozpuszczono w 1,00dm³ wody, czyli 1000,00g. Masa otrzymanego roztworu to masa substancji (182,25 g) i masa rozpuszczalnika (1000,00g), czyli m_rozt=1000,00g+182,25g=1182,25g. Stężenie procentowe otrzymanego roztworu obliczymy ze wzoru na stężenie procentowe: , c%=15,42%

Zadanie 9

Pewna roślina rosnąca na glebie o odczynie kwasowym ma kwiaty w kolorze niebieskim, a gdy odczyn gleby jest zasadowy, jej kwiaty mają zabarwienie różowoczerwone. Gleba, na której posadzono tę roślinę, pierwotnie miała odczyn obojętny, ale do jej użyźnienia zastosowano siarczan(VI) amonu.

a) Określ kolor, na jaki zabarwiły się kwiaty tej rośliny po użyciu siarczanu(VI) amonu.

Kwiaty zabarwiły się na kolor .....................................................................................................

b) Uzasadnij swoją odpowiedź, zapisując w formie jonowej skróconej odpowiednie równanie reakcji.

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

Odpowiedź

Siarczan amonu jest solą mocnego kwasu (kwasu siarkowego(VI) i słabej zasady (NH₃)). Wodne roztwory tej soli mają więc odczyn kwaśny. Przy nawożeniu tą solą gleba ulega zakwaszeniu, dlatego kwiaty rosnące na tej glebie będą miały kolor niebieski.

Odczyn kwasowy wodnego roztworu siarczanu(VI) amonu wynika z hydrolizy tego związku:
(NH₄)₂SO₄ →; 2NH₄⁺ + SO₄^2- reakcja dysocjacji, sole są mocnymi elektrolitami, dlatego dysocjują w 100%, reakcja jest nieodwracalna. Hydroliza – czyli rozkład pod wpływem wody:
2NH₄⁺ + SO₄^2- + H₂O NH₃ + NH₄⁺ + H₃O⁺ + SO₄^2- po skróceniu wyrazów podobnych otrzymamy reakcję hydrolizy w zapisie jonowym:

NH₄⁺ + H₂O NH₃ + H₃O⁺ Pojawiające się jony hydroniowe odpowiedzialne są za kwasowy odczyn wodnego roztworu siarczanu(VI) amonu.

Zadanie 10

W teorii Brönsteda sprzężoną parą kwas-zasada nazywa się układ złożony z kwasu oraz zasady, która powstaje z tego kwasu przez odłączenie protonu. Dla przemiany przedstawionej równaniem:

CH₃NH₂ + H₂O ⇄ CH₃NH₃⁺ + OH^-

napisz wzory kwasów i zasad, które w tej reakcji tworzą sprzężone pary.

Sprzężona para 1

Sprzężona para 2

Odpowiedź

Według teorii kwasów i zasad Brønsteda, kwasem jest związek oddający proton, a zasadą związek mogący przyjąć proton od kwasu. Zgodnie z tą teorią kwas po oddaniu protonu staje się zasadą sprzężoną z kwasem (reszta kwasowa może przyjąć proton stając się kwasem). Zasada natomiast po przyjęciu protonu staje się sprzężonym kwasem z zasadą:
kwas1 + zasada2 zasada1 + kwas2
czyli zasada1 jest sprzężoną zasadą z kwasem1, a kwas2 jest sprzężonym kwasem z zasadą2. W równaniu reakcji:

CH₃NH₂ + H₂O CH₃NH₃⁺ + OH^-
Zasada po przyjęciu protonu staje się sprzężonym kwasem z zasadą, czyli zasadą jest metyloamina CH₃NH₂, a sprzężonym kwasem jest jon metyloamoniowy CH₃NH₃⁺. Podobnie kwas po utracie protonu (H₂O) staje się sprzężoną z kwasem zasadą (OH^-).

Zadanie 11

W poniższej tabeli podano wartości stopnia dysocjacji trzech kwasów karboksylowych w ich wodnych roztworach o stężeniu 0,1 mol/dm³ w temperaturze 25^oC.

Na podstawie: Z. Dobkowska: Szkolny poradnik chemiczny, Warszawa 1990

Na podstawie podanych wartości stopnia dysocjacji uszereguj podane kwasy od najsłabszego do najmocniejszego.

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

Odpowiedź

Kwasy w wodzie dysocjują wg równania reakcji:
HR H⁺ + R^-
Stopień dysocjacji . Im większy jest stopień dysocjacji, tym kwas jest mocniejszym elektrolitem, czyli mocniejszym kwasem (w skrajnym przypadku, dla mocnych elektrolitów (np. kwasów) stopień dysocjacji a=100%.) Z podanych zależności, biorąc pod uwagę stopień dysocjacji (im większy, tym silniejszy kwas), podane kwasy pod względem mocy możemy uszeregować w następujący sposób:
octowy < benzoesowy< mrówkowy (CH₃COOH < C₆H₅COOH < HCOOH)

Zadanie 12

Przygotowano wodne roztwory kwasów HX i HY oraz ich soli NaX i NaY, wszystkie o stężeniach 1 mol/dm³. Stałe dysocjacji kwasowej HX i HY w temperaturze 25^oC są odpowiednio równe: K_a(HX)=4,0^.10^-5, K_a(HY)=2,3^.10^-2.

a) Posługując się zapisem w formie cząsteczkowej, dopisz do podanych substratów produkty reakcji lub napisz, że przemiana nie zachodzi.

NaX + HY →; ...............................................................................................................................

NaY + HX →; ...............................................................................................................................

b) Wskaż kwas (HX lub HY), którego roztwór o stężeniu 1 mol/dm³ ma wyższe pH.

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

Odpowiedź

Kwasy w wodzie dysocjują wg równania reakcji:
HR H⁺ + R^-
Stałą dysocjacji dla tego kwasu możemy opisać wzorem: . Ze wzoru wynika, że im większe jest stężenie jonów wodorowych (tym mniejsze stężenie równowagowe kwasu) i większa stała dysocjacji. Większe stężenie jonów wodorowych oznacza, że kwas dysocjuje w większym stopniu, czyli jest mocniejszy. Zatem im większa stała dysocjacji, tym silniejszy jest kwas. Z podanej pary stała dysocjacji kwasy HY jest większa, zatem jest on silniejszy od kwasu HX.

Silniejszy kwas wypiera słabszy z roztworu jego soli. Dlatego dla podanych reakcji możemy zapisać:
NaX + HY →; NaY + HX oraz
NaY + HX →; reakcja nie zachodzi (słabszy kwas nie może wyprzeć silniejszego kwasu z roztworu jego soli).

Wyższe pH wykazuje roztwór w którym jest mniej jonów wodorowych, czyli wyższe pH wykazuje kwas HX.

Zadanie 13

Do oceny mocy elektrolitu stosuje się stopień dysocjacji oraz stałą dysocjacji, jednak w tablicach chemicznych zwykle podawane są wartości stałej dysocjacji.

Wyjaśnij, dlaczego stała dysocjacji lepiej charakteryzuje moc elektrolitu.

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

Odpowiedź

Stała dysocjacji, jak wskazuje nazwa ma stałą wartość, niezależną od stężenia, zależną tylko od temperatury. Stopień dysocjacji zależy natomiast od stężenia, rośnie gdy stężenie elektrolitu maleje, w granicznym przypadku (gdy stężenie dąży do 0), nawet dla słabego elektrolitu wynosi 100%

Zadanie 14

Oblicz stężenie równowagowe pary wodnej w temperaturze 700 K. Wynik podaj z dokładnością do jednego miejsca po przecinku.

Odpowiedź

Stała równowagi tej reakcji opisana jest wzorem:

Stężenia równowagowe były równe: [CO]=0,3 mol/dm³, [CO₂]=6,3 mol/dm³, [H₂]=12,9 mol/dm³. Podstawiając te dane do wzoru na stałą równowagi możemy obliczyć stężenie równowagowe [H₂O_(g)]:
, czyli stężenie równowagowe [H₂O_(g)]=30,1 mol/dm³.

Zadanie 15

Korzystając z podanych w informacji wartości stężeń równowagowych reagentów, oblicz i napisz, w jakim stosunku molowym występowały CO i H₂ w gazie syntezowym użytym do realizacji opisanej przemiany.

Odpowiedź

W stanie równowagi mamy następujące stężenia: [CO]=0,3 mol/dm³, [CO₂]=6,3 mol/dm³, [H₂]=12,9 mol/dm³, [H₂O_(g)]=30,1 mol/dm³.

Z równania reakcji: CO + H₂O_(g) CO₂ + H₂
wynika, że gdy powstaje 1 mol CO₂, to równolegle powstaje z nim 1 mol H₂ (dla uproszczeń obliczeń załóżmy, że objętość naczynia wynosi 1 dm³). W reakcji powstało 6,3 mola CO₂, więc musiało również powstać 6,3 mola wodoru. Nadwyżka ponad 6,3 mola, to wodór wprowadzony z gazem syntezowym. Z gazem syntezowym wprowadzono zatem C_0H=12,9 mol-6,3 mol=6,6 mola wodoru.

Z równania reakcji wynika również, że z 1 mola CO powstaje 1 mol CO₂, zatem 6,3 mola CO₂ musiało powstać z 6,3 mola CO. Zawartość początkowa CO to ilość przekonwertowana do CO₂ i ilość w stanie równowagi, czyli C_0CO=6,3 mol+0,3 mol=6,6 mola.

Stosunek molowy CO:H₂ w gazie syntezowym wynosi 6,6:6,6=1:1.

Zadanie 16

Do dwóch probówek wprowadzono po 5 cm³ wodnego roztworu chlorku chromu(III). Do każdej z nich dodano po 5 cm³ rozcieńczonej wody amoniakalnej i zaobserwowano wytrącenie się osadu o barwie szarozielonej. Następnie do pierwszej probówki dodano kilka cm³ stężonego roztworu wodorotlenku sodu, a do drugiej taką samą objętość kwasu solnego. Zaobserwowano, że szarozielony osad rozpuścił się w obu probówkach.

a) Napisz w formie cząsteczkowej równanie reakcji chlorku chromu(III) z wodą amoniakalną.

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

b) Na podstawie opisanych wyników doświadczenia określ charakter chemiczny związku tworzącego osad o szarozielonej barwie.

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

Odpowiedź

Woda amoniakalna, to wodny roztwór amoniaku. Ma ona odczyn zasadowy (woda amoniakalna jest zasadą). Dlatego po dodaniu wody amoniakalnej (zasady) do soli bardzo słabej zasady, wyprze ona wodorotlenek chromu(III) z jego soli:

CrCl₃ + 3NH₃^.H₂O →; Cr(OH)₃ + 3NH₄Cl

Jeżeli wodorotlenek chromu(III) rozpuszcza się w silnym kwasie i silnej zasadzie, to oznacza, że ma on właściwości amfoteryczne.

Zadanie 17

Aniony dichromianowe(VI) reagują z kationami żelaza(II) w środowisku kwasowym według następującego schematu:

Cr₂O₇^2- + Fe²⁺ + H⁺ →; Cr³⁺ + Fe³⁺ + H₂O

a) Napisz w formie jonowej z uwzględnieniem oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równania procesów redukcji i utleniania dokonujących się w czasie tej reakcji.

Równanie procesu redukcji:

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

Równanie procesu utleniania:

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

b) Dobierz i uzupełnij współczynniki stechiometryczne w poniższym schemacie.

....Cr₂O₇^2- + ....Fe²⁺ + ....H⁺ →; ....Cr³⁺ + ....Fe³⁺ + ....H₂O

c) Podaj stosunek molowy utleniacza do reduktora.

Stosunek molowy utleniacza do reduktora: ....... : ......

Odpowiedź

W równaniu reakcji widzimy, że chrom ze stopnia utlenienia (VI) przechodzi na Cr(III), sam się redukuje i jest utleniaczem. Natomiast jony Fe²⁺ utleniają się do jonów Fe³⁺, są zatem reduktorem. Równania połówkowe zapiszemy w postaci:

Po dodaniu stronami równań połówkowych otrzymamy równanie reakcji:
Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6Fe²⁺ →; 2Cr³⁺ + 6Fe³⁺ + 7H₂O

Z równania reakcji możemy odczytać, że stosunek molowy utleniacza do reduktora wynosi 1:6.

Zadanie 18

W poniższej tabeli przedstawiono równania reakcji elektrodowych oraz odpowiadające im wartości potencjałów standardowych dwóch półogniw redoks tworzących tzw. ogniwo niklowo-kadmowe.

Na podstawie: W. Mizerski: Tablice chemiczne, Warszawa 2003

a) Korzystając z podanych informacji, napisz sumaryczne równanie reakcji, która zachodzi w pracującym ogniwie niklowo-kadmowym.

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

b) Oblicz siłę elektromotoryczną (SEM) tego ogniwa w warunkach standardowych.

SEM: ............................................................................................................................................

Odpowiedź

Aby przewidzieć kierunek przebiegającej reakcji w ogniwie posłużymy się metodą zegarową. Na osi zaznaczamy wartości potencjałów dla półogniw. Powyżej osi zapisujemy postać utlenioną, poniżej zredukowaną każdego półogniwa. Poruszając się zgodnie z ruchem wskazówek zegara możemy przewidzieć kierunek reakcji.

Z podanego przykładu widzimy, że Ni(III) ulega redukcji do Ni(II), a kadm ulega utlenieniu z Cd(0) do Cd(II). Reakcje w półogniwach będą przebiegały w kierunku (zbilansowano liczbę elektronów):
Cd + 2OH^- ⇄ Cd(OH)₂ + 2e
2NiO(OH) + 2H₂O + 2e ⇄ 2Ni(OH)₂ + 2OH^-

Sumaryczne równanie reakcji otrzymamy po zsumowaniu stronami równań połówkowych:
2NiO(OH) + 2H₂O + Cd ⇄ 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

SEM ogniwa obliczamy ze wzoru SEM=E_kat-E_anod, pamiętając, że na anodzie zawsze zachodzi reakcja utleniania. Podstawiając dane do wzoru na SEM otrzymamy: SEM=0,52V-(-0,81V)=1,33V.

Jeżeli nie pamiętamy wzoru na SEM ogniwa, w celu jego bliczenia możemy wykorzystać rysunek z reguły zegarowej. Odległość na osi pomiędzy potencjałami półogniw to SEM ogniwa.

Zadanie 19

Oceń, który metal (cynk czy miedź) powinien być zastosowany do ochrony przed korozją w wilgotnym powietrzu stalowego przedmiotu narażonego na zarysowania.

Wybrany metal: ...............................................

Odpowiedź

W podanej informacji do zadań zawarta jest odpowiedź na pytanie:

„Metale można chronić przed korozją przez powlekanie ich powierzchni innymi metalami. Jeżeli w tym celu zastosuje się metal o potencjale większym od potencjału metalu chronionego (powłoka katodowa), pełne zabezpieczenie uzyskuje się tylko wówczas, gdy powłoka jest całkowicie szczelna. Jeżeli natomiast zastosuje się powłokę wykonaną z metalu o potencjale mniejszym od potencjału metalu chronionego (powłoka anodowa), jej uszkodzenie nie powoduje korozji metalu podłoża. O charakterze danej powłoki metalicznej na stali można wnioskować, porównując wartości standardowych potencjałów odpowiednich elektrod (typu Me/Meⁿ⁺ )”.

Potencjały półogniw Zn/Zn²⁺ E₀=-0,76V; Fe/Fe²⁺ E₀=-0,44V, Cu/Cu²⁺ E₀=+0,34V.

Jeżeli stalowy przedmiot narażony jest na zarysowania, lepszą powłoką ochronną będzie powłoka anodowa, czyli wykonana z metalu o niższym potencjale. Dlatego cynk stanowi lepsze zabezpieczenie stalowego przedmiotu.

Po uszkodzeniu powłoki, cynk staje się anodą, a to oznacza, że cynk będzie się utleniał, a nie żelazo.

Zadanie 20

W niektórych środowiskach następuje zmiana biegunowości układu: metal podłoża - metal powłoki ochronnej, a tym samym zmiana charakteru powłoki. Przykładem może być powłoka cynowa na stali: w wilgotnym powietrzu wykazuje ona charakter katodowy, natomiast w warunkach beztlenowych stanowi powłokę anodową.

Dokończ poniższe zdanie, wpisując właściwą nazwę.

Po mechanicznym uszkodzeniu cynowej powłoki na wewnętrznej stalowej powierzchni

zamkniętej puszki z konserwą cyna ulega procesowi .................................................................

(utleniania / redukcji)

Odpowiedź

Wewnętrzna stalowa powierzchnia puszki pokryta jest cyną. Po jej zarysowaniu (wewnątrz puszki panują warunki beztlenowe), cyna stanowi powłokę anodową. Jeżeli cyna jest anodą to ulega procesowi utleniania.

Zadanie 21

Narysuj wzór strukturalny lub półstrukturalny (grupowy) węglowodoru, w którego cząsteczce występuje osiem wiązań σ i jedno wiązanie π.

Odpowiedź

Węglowodór mający 8 wiązań s i 1 wiązanie p, jest węglowodorem z jednym wiązaniem podwójnym. Najlepiej zacząć od etenu i dorysowywać mu atom węgla i wodoru:

Rozwiązaniem tego zadania (wzór grupowy) będzie związek: .

Zadanie 22

Alkeny bardzo łatwo przyłączają bromowodór lub chlorowodór. Reakcje te nie wymagają użycia katalizatorów ani podwyższenia temperatury. Powstałe w wyniku tej przemiany halogenki alkilowe mogą ulegać reakcji podstawienia lub reakcji eliminacji. Temperatura pokojowa i użycie wody jako rozpuszczalnika sprzyja reakcji podstawienia, natomiast użycie alkoholowego roztworu wodorotlenku potasu w podwyższonej temperaturze (około 80 ºC) prowadzi do reakcji eliminacji. W obecności kwasu siarkowego(VI) alkeny mogą reagować także z wodą, dając alkohole.

Poniżej przedstawiono ciąg przemian:

Skorzystaj z powyższej informacji i napisz równania reakcji 1, 2 oraz 3, stosując wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych. Jeżeli reakcja wymaga użycia katalizatora, odpowiedniego środowiska lub podwyższenia temperatury, napisz to nad strzałką równania reakcji.

Równania reakcji:

1: ..................................................................................................................................................

2: ..................................................................................................................................................

3: ..................................................................................................................................................

Odpowiedź

But-1-en (alken) bardzo łatwo przyłącza chlorowodór, dając 2-chlorobutan (addycja zgodnie z regułą Markownikowa). W kolejnym etapie otrzymujemy ponownie alken, a więc mamy do czynienia z reakcją eliminacji chlorowodoru. Reakcje te wykonuje się w podwyższonej temperaturze używając alkoholowego roztworu KOH. W trzeciej reakcji mamy ponownie do czynienia z reakcją addycji. Tym razem do alkenu addycji ulega woda. Reakcja przebiega w obecności katalitycznych ilości kwasu siarkowego.

Zadanie 23

Poniżej podano dwa ciągi przemian chemicznych, w wyniku których otrzymano związki organiczne B i D.

a) Narysuj wzór półstrukturalny (grupowy) związku oznaczonego literą B oraz podaj nazwę systematyczną związku oznaczonego literą D.

Wzór związku B: .........................................................................................................................

Nazwa związku D: .......................................................................................................................

b) Stosując podział charakterystyczny dla chemii organicznej, określ typ reakcji, w wyniku których powstały związki oznaczone literami A i C.

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

Odpowiedź

2-chloropropan w reakcji z KOH w środowisku wodnym tworzy alkohol (propan-2-ol, alkohol 2-rzędowy). Utlenianie alkoholu 2-rzędowego prowadzi do ketonu. Związek B jest zatem ketonem CH₃COCH₃ (propanon, aceton).

W drugiej reakcji, w warunkach KOH/woda z 1-chloropropanu powstaje alkohol 1-rzędowy – propan-1-ol. Alkohole 1‑rzędowe utleniane, w zależności od warunków reakcji, tworzą aldehydy (łagodne utlenianie), lub kwasy karboksylowe. Produktem D może być zatem propanal lub kwas propanowy: CH₃CH₂CHO lub CH₃CH₂COOH.

Alkohole (propan-1-ol i propan-2-ol) powstają poprzez podstawienie atomu chloru grupą hydroksylową. Produkty A i C powstają więc w reakcji substytucji (substytucji nukleofilowej, S_N), zwanej również reakcją podstawienia.

Zadanie 24

Uzupełnij poniższy schemat, tak aby otrzymać wzór izomeru geometryczngo cis węglowodoru o wzorze grupowym: CH₃-CH₂-CH=CH-CH₂-CH₃

Odpowiedź

Izomer cis oznacza, że podstawniki przy węglach związanych wiązaniem podwójnym znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny przechodzącej przez atomy węgla związane wiązaniem podwójnym:

Dla podanego alkenu grupy etylowe muszą znajdować się po tej samej stronie płaszczyzny:

Zadanie 25

Określ stopnie utlenienia atomów węgla w cząsteczce kwasu etanowego (octowego). Wypełnij tabelę, wpisując stopień utlenienia atomu węgla, którego symbol został podkreślony.

Odpowiedź

Określając stopnie utlenienia korzystamy z następujących zależności:

• suma stopni utlenienia w cząsteczce wynosi 0 lub równa jest ładunkowi jonu
• połączenia pomiędzy tymi samymi pierwiastkami nie wnoszą nic do stopnia utlenienia
• atomy wodoru są zawsze na +I stopniu utlenienia, poza połączeniami z metalami 1 i 2 grupy. W związkach z tymi metalami atom wodoru jest na –I stopniu utlenienia
• atom tlenu jest na –II stopniu utlenienia, za wyjątkiem połączeń nadtlenkowych, w których jest na –I stopniu utlenienia i fluorku tlenu OF₂, w którym jest na +II stopniu utlenienia.

W podanych przykładach mamy:

CH₃-COOH W zaznaczonym fragmencie ładunek wynosi 0, czyli 3^.1+x=0, czyli x=-3.

CH₃-COOH W zaznaczonym fragmencie ładunek wynosi 0, czyli 2^.(-2)+1+x=0, czyli x=+3.

Zadanie 26

Spośród poniższych wzorów wybierz wszystkie, które są wzorami izomerów 1,2-dimetylobenzenu (napisz numery, którymi je oznaczono).

Wzory izomerów 1,2-dimetylobenzenu: .....................................................................................

Odpowiedź

Izomery to związki mające identyczny wzór cząsteczkowy (identyczny skład). Dla 1,2-dimetylobenzenu izomerami będą związki II i IV (1,3-dimetylobenzen i 1,4-dimetylobenzen)

Zadanie 27

Reakcją pozwalającą wykryć w związkach organicznych grupę jest próba jodoformowa. Polega ona na reakcji związku organicznego z jodem w obecności NaOH w podwyższonej temperaturze. Po oziębieniu mieszaniny poreakcyjnej do temperatury pokojowej powstaje żółty, krystaliczny osad o charakterystycznym zapachu. Jeżeli badanym związkiem jest propanon (aceton), produktami próby jodoformowej są: trijodometan, etanian sodu (octan sodu), jodek sodu i woda.

a) Korzystając z powyższych informacji, uzupełnij schemat, tak aby przedstawiał równanie opisanej reakcji w formie cząsteczkowej (wpisz wzory produktów reakcji i odpowiednie współczynniki stechiometryczne).

b) Napisz wzór tego produktu przemiany, który tworzy żółty, krystaliczny osad o charakterystycznym zapachu.

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

c) Napisz, czy próba jodoformowa pozwala na odróżnienie propanonu (acetonu) od etanalu, i uzasadnij swoje stanowisko.

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

Odpowiedź

Próba haloformowa jest reakcją pozwalającą wykryć w związkach organicznych ugrupowanie CH₃-CO-R. Ulegają jej metyloketony, oraz wyjątkowo aldehyd octowy (etanal) i etanol. Polega ona na reakcji halogenu (chlor, brom, jod) w środowisku alkalicznym z badanym związkiem. Jeśli w badanym związku znajdowało się ugrupowanie CH₃-CO-R, to w zależności od użytego fluorowca powstaje chloroform (CHCl₃, bezbarwna ciecz), bromoform (CHBr₃, żółta, ciężka ciecz) lub jodoform (CHI₃, żółte kryształy). Z uwagi na łatwość manipulacji próbę na obecność ugrupowania metyloketonowego wykonuje się z jodem.

Zapisanie równania reakcji jodoformowej nie powinno nastręczać trudności, ponieważ wszystkie produkty wymienione są w części informacyjnej.

CH₃COCH₃ + 3I₂ + 4NaOH →; CHI₃ + CH₃COONa + 3NaI + 3H₂O

Po reakcji, na dnie probówki osadza się żółty, krystaliczny osad jodoformu CHI₃.

Próba jodoformowa, jak już pisałem wcześniej nie pozwala odróżnić propanonu (CH₃CO-CH₃) od etanalu (CH₃CO-H), ponieważ w obydwu przypadkach przy grupie karbonylowej znajduje się grupa metylowa (CH₃-).

Zadanie 28

Oceń prawdziwość poniższych zdań i uzupełnij tabelę. Wpisz literę P, jeżeli uznasz zdanie za prawdziwe, lub literę F, jeżeli uznasz je za fałszywe.

Odpowiedź

Zgodnie z teorią kwasów i zasad Brønsteda, zasadą jest związek mogący przyjąć (związać) jon wodorowy. Oczywiście by pomiędzy zasadą i jonem wodorowym utworzyło się wiązanie, zasada musi dysponować wolną parą elektronową.

Wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy atomami o dużej elektroujemności a atomem wodoru związanym z takim atomem. Najsilniejsze wiązania wodorowe tworzą się z udziałem atomu tlenu i fluoru, tym niemniej, słabe wiązania wodorowe tworzą się również z udziałem atomu azotu. Wiązanie wodorowe zawsze znacznie podwyższa temperaturę wrzenia (H₂O i H₂S: ciecz i gaz)

Aniliny nie można otrzymać w wyniku utlenienia nitrobenzenu, lecz w wyniku redukcji nitrobenzenu. W nitrobenzenie atom azotu jest na III stopniu utlenienia, a w anilinie na –III:

Zadanie 29

Pewien dwufunkcyjny związek organiczny ma masę molową równą 90 g/mol. W jego cząsteczce stosunek liczby atomów węgla, wodoru i tlenu wynosi 1:2:1.

a) Napisz wzór sumaryczny opisanego związku.

b) Wiedząc, że związek ten w roztworze wodnym dysocjuje z odszczepieniem jonu wodorowego oraz że jego cząsteczka jest achiralna, narysuj wzór półstrukturalny (grupowy) tego związku.

Odpowiedź

Jeżeli stosunek molowy C:H:O wynosi jak 1:2:1 to temu nieznanemu związkowi można przypisać wzór empiryczny w postaci (CH₂O)_n. Wiemy, że masa molowa dla związku wynosi 90g/mol, czyli 12n+2n+16n=90 (30n=90). Stąd łatwo obliczyć, że n=3, a wzór cząsteczkowy (sumaryczny) związku to C₃H₆O₃.

Jeżeli związek ten w roztworze wodnym dysocjuje z odszczepieniem jonu wodorowego: C₃H₆O₃ ⇄ H⁺ + C₃H₅O₃^-, to oznacza, że jest on kwasem karboksylowym, czyli musi zawierać grupę –COOH). Trzeci atom tlenu musi być zawarty w grupie hydroksylowej. Możemy więc zapisać dwa izomeryczne kwasy:

Pierwszy (kwas mlekowy) nie spełnia warunków zadania, ponieważ jest chiralny (atom węgla nr 2 ma 4 różne podstawniki). Poszukiwanym związkiem jest więc kwas 3-hydroksypropanowy:

Zadanie 30

Punkt izoelektryczny (pI) aminokwasu to pH roztworu, w którym cząsteczki tego aminokwasu występują głównie w formie jonów obojnaczych. Kwas 2-aminobutanodiowy (asparaginowy) jest dikarboksylowym aminokwasem o wzorze sumarycznym C₄H₇O₄N. Jego punkt izoelektryczny pI=2,87.

Narysuj wzór półstrukturalny (grupowy) jonu, który jest dominującą formą tego aminokwasu w roztworze o pH = 1.

Odpowiedź

Punkt izoelektryczny (pI) aminokwasu to pH roztworu, w którym cząsteczki tego aminokwasu występują głównie w formie jonów obojnaczych (tzw. Zwitterjon).

W zadaniu pH roztworu wynosi pH=1, jest więc mniejsze od pI i dominującą formą w roztworze będzie forma kationowa aminokwasu:

Zadanie 31

Badano działanie świeżo strąconego wodorotlenku miedzi(II) na próbki wodnych roztworów glukozy i fruktozy. Używając uniwersalnego papierka wskaźnikowego, zbadano także odczyn wodnych roztworów obu związków. Obserwacje zestawiono w tabeli.

Korzystając z podanej informacji, uzupełnij poniższe zdania, wpisując w odpowiedniej formie gramatycznej określenia wybrane z poniższego zestawu.

związek kompleksowy,     kwasowy,    zasadowy,     obojętny,     utleniający,     redukujący,    hydroksylowa,     alkilowa,     aldehydowa,     ketonowa,     aldoza,     ketoza

1. Glukoza i fruktoza są białymi, krystalicznymi substancjami stałymi. Bardzo dobrze rozpuszczają się w wodzie. Odczyn ich wodnych roztworów jest ............................................ .

2. Reakcja glukozy z wodorotlenkiem miedzi(II) prowadzona na zimno potwierdza obecność w jej cząsteczce kilku grup .................................................................. związanych z sąsiednimi atomami węgla. Glukoza w reakcji z wodorotlenkiem miedzi(II) przeprowadzanej na gorąco wykazuje właściwości ....................................................................................., co wiąże się z obecnością w jej cząsteczce grupy ....................................................... .

3. Fruktoza, podobnie jak glukoza, tworzy z wodorotlenkiem miedzi(II) rozpuszczalne .................................................................................., dlatego obserwujemy powstanie szafirowego roztworu. Wynik reakcji fruktozy z wodorotlenkiem miedzi(II) prowadzonej w podwyższonej temperaturze wskazuje, że związek ten ma także właściwości ................................................................, mimo że fruktoza zaliczana jest do ....................................................... .

Odpowiedź

1. Glukoza i fruktoza są białymi, krystalicznymi substancjami stałymi. Bardzo dobrze rozpuszczają się w wodzie. Odczyn ich wodnych roztworów jest obojętny.

2. Reakcja glukozy z wodorotlenkiem miedzi(II) prowadzona na zimno potwierdza obecność w jej cząsteczce kilku grup hydroksylowych związanych z sąsiednimi atomami węgla. Glukoza w reakcji z wodorotlenkiem miedzi(II) przeprowadzanej na gorąco wykazuje właściwości redukujące co wiąże się z obecnością w jej cząsteczce grupy aldehydowej.

3. Fruktoza, podobnie jak glukoza, tworzy z wodorotlenkiem miedzi(II) rozpuszczalne związki kompleksowe, dlatego obserwujemy powstanie szafirowego roztworu. Wynik reakcji fruktozy z wodorotlenkiem miedzi(II) prowadzonej w podwyższonej temperaturze wskazuje, że związek ten ma także właściwości redukujące, mimo że fruktoza zaliczana jest do ketoz.

Glukoza i fruktoza należą do cukrów, a wszystkie cukry mają odczyn obojętny (w cukrach obecne są jedynie grupy: karbonylowa i hydroksylowa, a żadna z nich nie zmienia odczynu wodnego roztworu).

Reakcja na zimno z Cu(OH)₂ pozwala wykryć alkohole polihydroksylowe (zawierające co najmniej 2 grupy hydroksylowe w położeniach 1,2 lub 1,3); poliaminy (zawierające co najmniej 2 grupy aminowe w położeniach 1,2 lub 1,3), alkoholoaminy (grupa aminowa w położeniu 2 lub 3), oraz a- i b-aminokwasy. Ze wszystkimi wymienionymi związkami wodorotlenek miedzi(II) tworzy związek kompleksowy o barwie szafirowej. Z 1,4-diolami (diaminami, aminoalkoholami) nie tworzy się kompleks, ponieważ musiał by powstać nietrwały 7-członowy pierścień:

Reakcja glukozy w wodorotlenkiem miedzi na gorąco (próba Trommera) jest oczywista (glukoza posiada grupę aldehydową). Ketozy (cukry zawierające grupę ketonową) również ulegają tej reakcji, ponieważ w środowisku alkalicznym ketozy ulegają epimeryzacji – czyli przekształcają się w aldozy:

Zadanie 32

Zaprojektuj doświadczenie, którego przebieg pozwoli na rozróżnienie roztworów dwóch triglicerydów: trioleinianu glicerolu i tristearynianiu glicerolu.

a) Uzupełnij schemat doświadczenia, wpisując nazwę odczynnika wybranego spośród następujących:

- stężony wodny roztwór wodorotlenku sodu NaOH_(aq)

- woda bromowa Br_2(aq)

- rozcieńczony wodny roztwór kwasu etanowego (octowego) CH₃COOH_(aq)

Zgodnie z powyższym schematem do probówki I wprowadzono roztwór trioleinianu glicerolu w CCl₄ , a do probówki II roztwór tristearynianu glicerolu w tym samym rozpuszczalniku. Następnie do obu probówek dodano wybrany odczynnik i ich zawartość energicznie wymieszano.

b) Napisz, co potwierdzi obecność roztworu trioleinianu glicerolu w probówce I i roztworu tristearynianu glicerolu w probówce II (porównaj przebieg doświadczenia w obu probówkach).

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

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

Odpowiedź

Tristearynian glicerolu jest tłuszczem nasyconym, natomiast trioleinian glicerolu jest tłuszczem nienasyconym. Tłuszcz nienasycony oznacza, że w kwasie tłuszczowym znajduje się przynajmniej jedno wiązanie podwójne C=C. Reakcją charakterystyczną na wiązania podwójne C=C jest reakcja z wodą bromową (addycja bromu do podwójnego wiązania i odbarwienie wody bromowej), lub reakcja z obojętnym roztworem KMnO₄. W przypadku obecności podwójnego wiązania C=C, w reakcji z manganianem(VII) potasu powstaje diol, manganian(VII) potasu redukuje się do MnO₂ – następuje odbarwienie roztworu i wydziela się brunatny osad tlenku manganu(IV). Z podanych odczynników wybierzemy wodę bromową.

Woda bromowa ma kolor jasnoczerwony. W probówce I znajdował się tłuszcz nienasycony, nastąpi więc odbarwienie wody bromowej, co potwierdza nienasycony charakter tłuszczu. W probówce II nie zaobserwujemy żadnych zmian po dodaniu wody bromowej, co potwierdza nasycony charakter tłuszczu.

Zadanie 33

Ester metylowy kwasu 2-metylopropenowego (metakrylan metylu) jest monomerem poli(metakrylanu metylu).

Dokończ, stosując wzory półstrukturalne (grupowe), równanie reakcji polimeryzacji tego estru.

Odpowiedź

Z monomeru bardzo łatwo tworzy się cząsteczkę polimeru. Należy zapisać cząsteczkę monomeru w taki sposób, by wiązanie podwójne było w linii poziomej i je rozerwać:

W kolejnym kroku łączymy cząsteczki wolnymi wartościowościami ze sobą, a następnie wyszukujemy powtarzający się fragment, bierzemy go w nawias i zwielokrotniamy. Część w nawiasie nazywa się merem:

Zadanie 34

Poniżej przedstawiono wzór D-arabinozy (w projekcji Fischera).

Uzupełnij poniższy schemat, tak aby otrzymać wzór enancjomeru D-arabinozy.

Odpowiedź

Enancjomer – czyli odbicie lustrzane (dokładnie obraz lustrzany nie pokrywający się z pierwotną cząsteczką). Enancjomer D-arabinozy możemy otrzymać odbijając D-arabinozę w płaszczyźnie pionowej (jeśli nie umiemy tego wykonać, możemy posłużyć się lusterkiem. Przykładając lusterko należy przerysować obraz widziany w lusterku).

W D-arabinozie grupa hydroksylowa na ostatnim asymetrycznym węglu jest po prawej stronie, a w enancjomerze po lewej stronie, dlatego związek ten nazywa się L-arabinozą. Ostatni atom węgla nie jest asymetryczny, więc położenie podstawnika (grupy hydroksylowej) nie ma znaczenia. Możemy ją zapisać po lewej jak i po prawej stronie, przy czym bardziej naturalny jest zapis jej po prawej stronie.