Arkusze maturalne z chemii, poziom rozszerzony, 2011 rok

Zadanie 1

Pewien pierwiastek X tworzy anion prosty o konfiguracji elektronowej atomu argonu. W stanie podstawowym w powłoce walencyjnej atomu pierwiastka X dwa orbitale p mają niesparowane elektrony.

Napisz symbol pierwiastka X oraz podaj konfigurację elektronową powłoki walencyjnej atomu tego pierwiastka.

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

Konfiguracja elektronowa powłoki walencyjnej: ........................................................................

Odpowiedź

Jeżeli pierwiastek tworzy aniony o konfiguracji argonu, to pierwiastek ten musi leżeć w III okresie układu okresowego pierwiastków. Aniony proste może tworzyć jedynie chlor (Cl^-) i siarka (S^2-). W stanie podstawowym pierwiastka na orbitalu p znajdują się 2 niesparowane elektrony, co wskazuje, że opisywanym pierwiastkiem jest siarka.

Symbol pierwiastka X: S

Konfiguracja elektronowa powłoki walencyjnej 3s²3p⁴ ( )

Zadanie 2

Przeanalizuj budowę następujących cząsteczek i jonów: CH₄,   H₃O⁺,   NH₃,   CO₂ i napisz wzór tej drobiny:

a) w której wiążąca para elektronowa pochodzi od jednego atomu.
.......................................................................................................................................................

b) w której wszystkie elektrony walencyjne biorą udział w tworzeniu wiązań.
.......................................................................................................................................................

c) która ma kształt liniowy.
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Istnieją 3 typy wiązań: kowalencyjne, jonowe i metaliczne. Wiązania kowalencyjne mogą być spolaryzowane, atomowe, lub koordynacyjne. W wiązaniach koordynacyjnych wiążąca para elektronowa pochodzi od jednego pierwiastka. Chcąc napisać wzór strukturalny Lewisa jakiegoś związku, korzystamy z zasady, że każdy pierwiastek tworzy liczbę wiązań kowalencyjnych równą wartościowości względem wodoru. Tlen jest dwuwartościowy względem wodoru, więc w jonie hydroniowym H₃O⁺ utworzone trzecie wiązanie będzie wiązaniem koordynacyjnym.

Jeżeli pierwiastek tworzy tyle wiązań ile ma elektronów walencyjnych, to wszystkie elektrony walencyjne są zaangażowane w utworzenie wiązań. Taki przypadek występuje w cząsteczce metanu CH₄.

Kształt liniowy może mieć jedynie cząsteczka, w której atom centralnym posiada hybrydyzację sp. Taką hybrydyzację posiada atom węgla w CO₂.

Zadanie 3

Pomiędzy cząsteczkami, w których obecne są atomy wodoru związane bezpośrednio z silnie elektroujemnymi atomami niemetalu (fluoru, tlenu, azotu), tworzą się wiązania wodorowe mające wpływ na właściwości fizyczne związku.

a) Spośród związków o wzorach:

CH₃OH,   CH₃COCH₃,   CH₃F,   CH₃NH₂,   CH₃CH₃,   CH₃Cl

wybierz i napisz wzory tych, których cząsteczki tworzą wiązania wodorowe.
.......................................................................................................................................................

Wiązania wodorowe utrudniają przejście związku w stan gazowy, ponieważ powodują asocjację cząsteczek – łączenie się ich w większe agregaty. Wiązania te są tym silniejsze, im bardziej lektroujemny jest atom niemetalu będący donorem pary elektronowej.

b) Uszereguj związki o wzorach: CH₃CH₃, CH₃NH₂, CH₃OH

zgodnie ze wzrastającą lotnością (od najmniejszej do największej).
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Wiązanie wodorowe tworzy się jeśli atom wodoru związany jest z atomem fluoru, tlenu, azotu (silnie elektroujemnym pierwiastkiem). Im bardziej elektroujemny pierwiastek, tym silniejsze wiązania wodorowe może tworzyć. Fluor w fluorowodorze tworzy tak mocne wiązania wodorowe, że fluorowodór może tworzyć nawet wodorosole typu MeHF₂. Związki mogące tworzyć wiązania wodorowe mają o wiele wyższą temperaturę wrzenia od związków nie tworzące takich wiązń.

Z wymienionych związków wiązania wodorowe tworzone są pomiędzy cząsteczkami CH₃OH i CH₃NH₂. Aceton (CH₃COCH₃) może tworzyć wiązania wodorowe z wodą, co powoduje jego bardzo dobrą rozpuszczalność w wodzie. Wiązania wodorowe pomiędzy acetonem a wodą nie mają wpływu na podwyższenie temperatury wrzenia acetonu.

Moc wiązań wodorowych maleje w szeregu H^....F > H^....O < H^....N, dlatego temperatura wrzenia będzie maleć w szeregu: CH₃OH > CH₃NH₂ < CH₃CH₃.

Zadanie 4

Pierwsza energia jonizacji (E_j ) to minimalna energia potrzebna do oderwania jednego elektronu od obojętnego atomu. Na poniższym wykresie przedstawiono zmiany pierwszej energii jonizacji pierwiastków uszeregowanych według liczb atomowych.

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

Odpowiedź

Prawda. W szeregu pierwiastków: lit, beryl, węgiel i azot wraz ze wzrostem liczby atomowej obserwujemy zależność polegającą na tym, że im więcej elektronów znajduje się na powłoce zewnętrznej, tym większa jest wartość pierwszej energii jonizacji..

Energia jonizacji jest energią jaką musimy dostarczyć do atomu by pozbawić go elktronu walencyjnego. W szeregu Li, Be, B, C, N, O F maleje wielkość promienia atomowego, dlatego elektrony walencyjne znajdują się coraz bliżej jądra, a zatem są coraz silniej trzymane. Niewielkie fluktuacje obserwujemy w przypadku przejścia od berylu do boru, oraz od azotu do tlenu. Spowodowane jest to obsadzeniem orbitalu 2p w przypadku boru (nowy elktron na orbitalu p, który ma kszałt hantli, a więc jego rozmiar jest nieco większy niż orbitalu 2s. W przypadku tlenu 6 elektron parowany jest z już istniejącym elektronem na orbitalu 2p. Parowanie elektronu związane jest z podwyższeniem energii, a więc taki elektron łatwiej jest oderwać.

Fałsz. W szeregu pierwiastków: hel, neon, argon, krypton i ksenon wraz ze wzrostem liczby atomowej obserwujemy zwiększanie się promienia atomowego i wzrost wartości pierwszej energii jonizacji.

Prawdą jest, że w szeregu hel, neon, argon, krypton i ksenon wraz ze wzrostem liczby atomowej zwiększa się promień atomowy (coraz więcej powłok elektronowych). Ale wraz ze wzrostem promienia atomowego coraz łatwieiej oderwać elektron (zjonizować atom), ponieważ znajduje się on dalej od jądra. Zmniejszenie się energii jonizacji widać wyraźnie na wykresie.

Fałsz. Magnez ma mniejszy promień atomowy niż glin i większą wartość pierwszej energii jonizacji.

Magnez ma nieco większą energię jonizacji niż glin, ale glin ma mniejszy promień atomowy. Dla pierwiastków leżących w tym samym okresie promień atomowy maleje ze wzrostem nr grupy (ta sama ilość powłok, czyli ten sam rozmiar, a większy ładunek jądra powoduje, efekt kontraktacji).

Zadanie 5

Napisz równanie reakcji wytwarzania trytu w wyższych warstwach atmosfery. Uzupełnij poniższy schemat.

Odpowiedź

Równanie reakcji jądrowej bardzo łatwo zapisuje się gdy pamiętamy, że suma liczb masowych lewej strony równania musi być identyczna z sumą liczb masowych prawej strony równania reakcji. Podobny warunek istnieje dla liczb atomowych. Każdą cząstekę możemy zapisać w postaci:

Indeks górny oznacza liczbę masową (liczba protonów i elektronów), natomiast indeks dolny oznacza liczbę atomową, lub ładunek (jest to jednoznaczne).

Z treści informacji wynika, że tryt powstaje w wyniku bombardowania atomów azotu neutronami . W przemianie powstaje tryt i izotop węgla ^xC. Z prawa zachowania masy14+1=3+x łatwo wyliczymy, że x=12:

Zadanie 6

Podaj w przybliżeniu, w ilu dm³ wody będącej w naturalnym obiegu znajduje się 1 mol atomów trytu.
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Jeżeli w 1 cm³ wody znajduje się 6^.10⁴ atomów trytu, to
w x cm³ wody znajduje się 6,02^.10²³ atomów trytu, czyli x=1cm^3.6,02^.10²³/6^.10⁴≈1^.10¹⁹cm³=1^.10¹⁶dm³ wody.

Zadanie 7

Próbkę wody o objętości 10 cm³ umieszczono w naczyniu i szczelnie zamknięto. Na podstawie poniższego wykresu przedstawiającego zależność liczby atomów trytu w 1 cm³ wody od czasu oszacuj, ile atomów trytu pozostanie w próbce wody o objętości 10 cm³ po 40 latach.

Po 40 latach w próbce pozostanie około ................ atomów trytu.

Odpowiedź

Z wykresu możemy odczytać, że po 40 latach w próbce 1 cm³ wody pozostanie 6000 atomów trytu.

Jeżeli po 40 latach w 1 cm³ znajduje się 6000 atomów trytu, to w 10 cm³ znajdzie się 10 razu więcej atomów trytu, czyli n=60000 (6^.10⁴) atomów trytu.

Zadanie 8

Sporządzono 200 g roztworu zawierającego 100 g sacharozy. Sacharozę poddano reakcji hydrolizy:

Reakcję przerwano w momencie, gdy całkowite stężenie cukrów redukujących w roztworze było równe 40% masowych. Oblicz stężenie sacharozy, wyrażone w procentach masowych, w roztworze po przerwaniu reakcji. W obliczeniach przyjmij przybliżone wartości mas molowych:
M_C12H22O11 = 342 g/mol, M_C6H12O6 = 180 g/mol.

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

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

Odpowiedź

200 g roztworu w którym znajduje się 100 g sacharozy poddano hydrolizie w środowisku kwaśnym.

Sacharoza jest dwucukrem. Hydrolizuje do glukozy i fruktozy zgodnie z równaniem reakcji:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆

Zarówno glukoza jak i fruktoza są cukrami redukującymi. Jeżeli całkowite stężenie cukrów redukujących było równe 40%, to oznacza, że (c%=100%^.m_s/m_rozt) masa cukrów redukujących (glukozy i fruktozy) była równa m_s=c%^.m_rozt/100%=40%^.200g/100%=80g.

Z równania reakcji wynika, że:

342 g sacharozy w wyniku redukcji daje 360 g cukrów redukujących (180 g glukozy i 180 g fruktozy), to

z x g sacharozy w wyniku redukcji powstaje 80 g cukrów redukujących, czyli

x=342g^.80g/360g=76 g sacharozy.

Roztwór sporządzono ze 100 g sacharozy, czyli po hydrolizie pozostało 100g-76g=24g sacharozy. Masa roztworu przed hydrolizą i po hydrolizie jest identyczna i wynosi 200 g (z prawa zachowania masy, w reakcji hydrolizy nie wydziela się żadna substancja, która opuszcza układ). Stężenie procentowe pozostałej sacharozy wynosi więc c%=100%^.24g/200g=12%.

Stężenie pozostałej sacharozy w roztworze wynosi 12%.

Zadanie 9

Zgodnie z teorią Brönsteda kwas i sprzężona z nim zasada różnią się o jeden proton, przy czym im silniejszy jest kwas, tym słabsza jest sprzężona z nim zasada.

a) Uzupełnij poniższą tabelę, wpisując wzory brakującej sprzężonej zasady i brakującego sprzężonego kwasu.

b) Korzystając z zamieszczonej powyżej informacji, wskaż najsłabszą spośród następujących zasad: Cl^-, HS^-, CH₃COO^-, C₆H₅O^-.

Najsłabszą zasadą jest ..................................................................................................................

Odpowiedź

Zgodnie z teorią Brønsteda kwasem jest substancja mogąca odszczepić jon wodorowy, a zasadą substancją przyjmująca jon wodorowy. Dlatego kwas po oddaniu jonu wodorowego staje się sprzężoną z kwasem zasadą, a zasada po przyjęciu jonu wodorowego staje się sprzężonym z zasadą kwasem:

Sprzężoną z kwasem zasadę uzyskamy po zabraniu od kwasu protonu (pozostaje reszta kwasowa, która jest sprzężoną z kwasem zasadą). Sprzężony z zasadą kwas uzyskamy po dodaniu do zasady protonu.

Amoniak w roztworze wodnym posiada oczywiście właściwości zasadowe, ale w środowisku bezwodnym (np. skroplony) zachowuje się jak zasada lub kwas (ma właściwości amfiprotyczne):

NH₃ + Na → NaNH₂ + 1/2H₂ właściwości kwasowe amoniaku

Regułą jest, że sprzężone zasady do mocnych kwasów mają bardzo słabe właściwości zasadowe, oraz sprzężone kwasy do mocnych zasad mają bardzo słabe właściwości kwasowe (w roztworze wodnym zawsze K_a^.K_b=^.10^-14 lub pK_a+pK_b=14).

a) Sprzężoną zasadę do amoniaku uzyskamy po zabraniu od amoniaku jonu wodorowego, czyli:
NH₃ (kwas) → NH₂^- (sprzężona zasada)

Sprzężony kwas do metyloaminy uzyskamy dodając do metyloaminy jon wodorowy:
CH₃NH₂ (zasada) → CH₃NH₃⁺ (sprzężony kwas).

b) Podane zasady możemy przeprowadzić w sprzężone z nimi kwasy i rozpatrywać moc tych kwasów. Najsilniejszy kwas będzie miał najsłabszą sprzężoną zasadę:
Cl^- → HCl; HS^- → H₂S; CH₃COO^- → CH₃COOH; C₆H₅O^- → C₆H₅OH

Z pośród wymienionych kwasów, najsilniejsze właściwości kwasowe posiada kwas solny, jego sprzężona zasada będzie zatem najsłabszą zasadą. Najsłabszą zasadą jest jon chlorkowy Cl^-.

Zadanie 10

Zmierzono pH wodnych roztworów czterech soli o stężeniu 0,01 mol/dm³ i wyniki zestawiono w poniższej tabeli.

Na podstawie: A. Hulanicki, Reakcje kwasów i zasad w chemii analitycznej, Warszawa 1992

a) Uszereguj kwasy RCOOH, R¹COOH, R²COOH od najsłabszego do najmocniejszego.
.......................................................................................................................................................

b) Napisz w formie jonowej skróconej równanie reakcji hydrolizy soli o wzorze R²COONa.
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Sole mocnych kwasów i mocnych zasad nie ulegają hydrolizie. Odczyn ich wodnych roztworów jest równy pH=7. Jeżeli porównujemy sole mocnych zasad i nieznanych z mocy kwasów, to im pH ich wodnych roztworów jest bliższy 7 to tym mocniejszy jest kwas tworzący sól.

pH wodnego roztworu soli R₁COONa pH=7,9, a dla R₂COONa pH=8,1. Stąd można wnioskować, że sól R₁COONa w mniejszym stopniu ulega hydrolizie, czyli kwas R₁COOH jest mocniejszym kwasem od kwasu R₂COOH.

W przypadku soli słabych zasad, im roztwór soli jest bardziej kwasowy, tym kwas tworzący sól jest mocniejszym kwasem. Dlatego możemy wnioskować, że kwas RCOOH jest mocniejszym kwasem od kwasu R₁COOH (dla RCOONH₄ pH=6,0, a dla R₁COONH₄ pH=6,5 dla wodnych roztworów).

a) Dlatego moc tych kwasów wzrasta w szeregu: R₂COOH < R₁COOH < RCOOH

Hydroliza to rozkład pod wpływem wody. Ulegają jej sole słabych kwasów i mocnych zasad, sole mocnych kwasów i słabych zasad, oraz sole słabych kwasów i słabych zasad. Sole słabych kwasów i mocnych zasad ulegają hydrolizie anionowej (reaguje z wodą anion – czyli reszta kwasowa):

b) R₂COO^- + H₂O D R₂COOH + OH^-

Pisząc równanie reakcji hydrolizy powinniśmy pamiętać, że jest to reakcja odwracalna.

Zadanie 11

W probówkach 1–4 znajdują się (w nieznanej kolejności) wodne roztwory następujących substancji: AgNO₃,  BaCl₂,  ZnSO₄,  NaCl. W celu zidentyfikowania zawartości probówek zbadano odczyn wodnego roztworu każdej soli oraz zmieszano kolejno ze sobą roztwory z poszczególnych probówek. Wyniki przeprowadzonych doświadczeń zapisano w poniższej tabeli.

a) Korzystając z powyższej informacji, napisz wzory substancji znajdujących się w probówkach 1–4.

Probówki: 1: ........................... 2: ........................... 3: ........................... 4: ...........................

b) Napisz w formie jonowej skróconej równania reakcji, które umożliwiły identyfikację substancji znajdującej się w probówce 3.

Równania reakcji:
.......................................................................................................................................................

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

Odpowiedź

Nierozpuszczalne osady jakie mogą się wytrącić po zmieszaniu roztworów to: AgCl, Ag₂SO₄ i BaSO₄. Roztwór z probówki w której znajduje się NaCl utworzy nierozpuszczalny osad tylko po zmieszaniu z roztworem AgNO₃ (natomiast roztwór AgNO₃ utworzy osad po dodaniu do roztworów NaCl i ZnSO₄). Tylko roztwór z probówki nr 4 tworzy osad po zmieszaniu z roztworem z probówki nr 2.

a) Dlatego w probówce nr 4 znajduje się NaCl, a w probówce nr 2 znajduje się roztwór AgNO₃.

ZnSO₄ jest solą mocnego kwasu i słabej zasady, dlatego odczyn wodnego roztworu tej soli powinien być kwaśny (hydroliza kationowa), natomiast odczyn wodnego roztworu BaCl₂ powinien być obojętny (sól mocnego kwasu i mocnej zasady).

W probówce nr 1 znajduje się ZnSO₄, a w probówce nr 3 znajduje się BaCl₂.

b) W probówce nr 3 znajduje się BaCl₂, który utworzy osad po zmieszaniu z AgNO₃ (AgCl), oraz osad po zmieszaniu z ZnSO₄ (BaSO₄):
Cl^- + Ag⁺ → AgCl
Ba²⁺ + SO₄^2- → BaSO₄

Zadanie 12

W reaktorze o objętości 1 dm³ przebiegła przemiana zgodnie z równaniem A + B ⇄ C + D. Do reakcji użyto 2 mole substancji A i nadmiar substancji B. Po ustaleniu się stanu równowagi stwierdzono, że w mieszaninie poreakcyjnej znajduje się 0,4 mola substancji A. Stała równowagi tej reakcji w temperaturze prowadzenia procesu jest równa 1.

Oblicz, ile moli substancji B użyto do tej reakcji. Wynik podaj z dokładnością do liczby całkowitej.

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

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

Odpowiedź

Z treści zadania wynika, że w chwili początkowej stężenia reagentów wynosiły: C_A=2mol/dm³, C_B=x, C_C=0mol/dm³, C_D=0mol/dm³. A po ustaleniu się stanu równowagi w mieszaninie reakcyjnej znajdowało się tylko [A]=0,4mol/dm³. Z równania reakcji: A + B D C + D wynika, że musiało przereagować 1,6 mola substancji A, !,6 mola substancji B, oraz powstało 1,6 mola substancji C i 1,6 mola substancji D. Dane zamieszczamy w tabeli (jeżeli substancja przereagowała, ubyło jej otrzymuje znak minus (-)

Stałą równowagi tej reakcji możemy zapisać wzorem: . Po podstawieniu danych z tabeli i wartości za stałą K otrzymamy: , czyli 0,4x-0,64=2,56 a po rozwiązaniu równania: x=8mol/dm³.

Do reakcji użyto 8 moli reagenta B.

Zadanie 13

Na poniższym wykresie zilustrowano zmianę energii podczas przebiegu reakcji opisanej równaniem A_(s) + AB_2(g) ⇄ 2AB_(g) .

Oceń, jak zmieni się (wzrośnie czy zmaleje) wydajność reakcji otrzymywania produktu AB, jeżeli w układzie będącym w stanie równowagi nastąpi

a) wzrost temperatury w warunkach izobarycznych (p = const).
.......................................................................................................................................................

b) wzrost ciśnienia w warunkach izotermicznych (T = const).
......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Energia substratów jest mniejsza niż energia produktów. Dlatego opisywana reakcja jest reakcją endotermiczną, DH<0. Reakcję tę możemy zapisać w postaci: A_(s) + AB_2(g) D 2AB_(g) – Q (znak (-) oznacza, że ciepło jest pobierane podczas reakcji) lub Q + A_(s) + AB_2(g) D 2AB_(g) .

a) z podanego równania widać wyraźnie, że dostarczenie ciepła (jakby dostarczenie substratu) powoduje zgodnie z prawem przekory przesunięcie stanu równowagi w prawo, czyli wydajność reakcji wzrośnie.

b) po lewej stronie mamy 1 mol substancji gazowych, a po prawej stronie 2 mole substancji gazowych, czyli w miarę postępu reakcji ciśnienie w układzie wzrasta. Jeżeli zwiększymy ciśnienie, to zgodnie z prawem przekory stan równowagi przesunie się w tym kierunku, by ciśnienie zmalało, czyli stan równowagi przesunie się w lewo, a wydajność tworzenia produktów zmaleje.

Zadanie 14

Poniżej przedstawiony jest schemat reakcji:

MnO₄^2- +H⁺ → MnO₄^- +MnO₂ + H₂O

a) Napisz w formie jonowej z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy) równania procesów redukcji i utleniania zachodzących podczas tej przemiany.

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

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

b) Dobierz i uzupełnij współczynniki stechiometryczne w poniższym schemacie.
....MnO₄^2- +....H⁺ → .....MnO₄^- +....MnO₂ + ....H₂O

c) Napisz, jakie funkcje pełnią jony MnO₄^2- w tej reakcji.
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Z redukcją mamy do czynienia gdy pierwiastek zmniejsza swój stopień utlenienia. Utlenianie polega na zwiększeniu stopnia utlenienia:

a) Równanie reakcji redukcji:

Równanie reakcji utlenienia:

b) Współczynniki dobieramy metodą bilansu elektronowego:

c) Jony MnO₄^- utleniają się i jednocześnie redukują. Pełnią więc rolę utleniacza i reduktora (reakcja jest reakcją dysproporcjonowania).

Zadanie 15

Rozpuszczalność substancji trudno rozpuszczalnej charakteryzują dwie wielkości:
• iloczyn rozpuszczalności (K_SO), który opisuje stan równowagi między osadem trudno rozpuszczalnej substancji a stężeniem jej jonów w roztworze
• rozpuszczalność molowa (S), która wyrażona jest stężeniem molowym substancji w jej roztworze nasyconym.

Wartości liczbowe podane są dla temperatury 25^oC.

Na podstawie: J. Sawicka, A. Janich-Kilian, W. Cejner-Mania, G. Urbańczyk, Tablice chemiczne, Gdańsk 2002

Korzystając z powyższej informacji, napisz wzór wodorotlenku, który jest lepiej rozpuszczalny w wodzie, oraz napisz, czy dokonując tego wyboru, należało porównać wartości rozpuszczalności molowych, czy też wartości iloczynów rozpuszczalności substancji.

Wzór wodorotlenku: ....................................................................................................................

Należało porównać wartości ........................................................................................................

Odpowiedź

Tylko dla soli identycznego typu: (AB, lub A₂B i AB₂; lub A₃B i A₂B₂ i AB₃) możemy porównywać iloczyny rozpuszczalności K_SO. Ta sól która ma mniejszy iloczyn rozpuszczalności jest trudniej rozpuszczalna. W przypadku wodorotlenku skandu i wodorotlenku cynku są to związki różnego typu (AB₃ dla Sc(OH)₃ i AB₂ dla Zn(OH)₂) i nie można porównywać ich iloczynów rozpuszczalności. W celu zidentyfikowania związku trudniej rozpuszczalnego musimy porównywać rozpuszczalność molową tych związków S, która określa ilość moli substancji rozpuszczoną w 1 dm³ rozpuszczalnika. Widzimy, że w 1 dm³ rozpuszczalnika rozpuszcza się 9,5^.10^-9 mola wodorotlenku skandu, oraz 1,1^.10^-9 mola wodorotlenku cynku. Zatem wodorotlenek skandu Sc(OH)₃ jest lepiej rozpuszczalny.

Zadanie 16

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

Odpowiedź

Fałsz. W szeregu aktywności metali (lub w szeregu elektrochemicznym) kadm leży przed cyną, co oznacza, że jest bardziej aktywny od cyny (lubi bardziej od cyny być utleniony). Dlatego kadm będzie się utleniał do jonów Cd²⁺. Utlenianie zawsze zachodzi na anodzie (podczas pracy ogniwa, lub w czasie elektrolizy).

Prawda. Miedź w szeregu aktywności metali leży za cynkiem, co oznacza, że cynku w porównaniu z miedzią będzie się łatwiej utleniał, a jony Cu²⁺ będą się łatwiej redukować od jonów Zn²⁺, czyli jony Cu²⁺ mają większą tendencję do przyłączania elektronów.

Fałsz. SEM ogniwa dla warunków standardowych liczymy z zależności: SEM=E_K-E_A. Anodą jest ogniwo Ag|Ag⁺ (łatwiej utlenia się od złota). SEM tego ogniwa SEM=1,52V-0,80V=0,72V.

Zadanie 17

W celu oczyszczenia miedzi prowadzi się elektrolizę wodnego roztworu siarczanu(VI) miedzi(II) na elektrodach, z których jedną stanowi czysta miedź, a drugą miedź zanieczyszczona. Podczas tego procesu miedź i metale o niższym standardowym potencjale redukcji niż miedź ulegają na anodzie utlenieniu, natomiast na katodzie osadza się czysta miedź.

Płyta miedziana zawierająca ok. 98% miedzi zanieczyszczona jest niklem. W celu uzyskania czystej miedzi płytę poddano elektrorafinacji.

Korzystając z powyżej informacji, napisz równania wszystkich reakcji, zachodzących na elektrodach podczas elektrorafinacji.

Odpowiedź

Z informacji do zadania wynika, że podczas elektrolizy roztworzeniu ulega elektroda (anoda), w skład której wchodzi miedź zanieczyszczona niklem. Metale te roztwarzają się (utleniają), natomiast na katodzie osadza się czysta miedź.

Procesy elektrodowe:
A (+) Cu → Cu²⁺ + 2e
A(+) Ni → Ni²⁺ + 2e
K(-) Cu²⁺ + 2e → Cu

Zadanie 18

Napisz, z jakim biegunem (dodatnim czy ujemnym) źródła prądu stałego połączona jest ta elektroda, której masa wzrasta podczas procesu elektrorafinacji.

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

Odpowiedź

Podczas elektrolizy do katody dążą kationy i się na niej redukują (masa katody wzrasta). Aby kationy (jony dodatnie) mogły poruszać się w kierunku katody, musi mieć ona ładunek ujemny. Katoda musi być połączona z ujemnym biegunem źródła prądu.

Zadanie 19

Reakcja A + 2B ⇄ C przebiega w temperaturze T według równania kinetycznego v= kc_A^.c_B². Początkowe stężenie substancji A było równe 2 mol/dm³, a substancji B było równe 3 mol/dm³. Szybkość początkowa tej reakcji była równa 5,4 mol^.dm^-3s^-1.

a) Oblicz stałą szybkości reakcji w temperaturze T, wiedząc, że dla reakcji przebiegającej według równania kinetycznego v= kc_A^.c_B².stała szybkości k ma jednostkę: mol^-2.dm^6.s^-1.

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

Odpowiedź: ................

b) Korzystając z powyższych informacji, oblicz szybkość reakcji w momencie, gdy przereaguje 60% substancji A. Wynik podaj z dokładnością do czwartego miejsca po przecinku.

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

Odpowiedź: ................

Odpowiedź

a) Równanie kinetyczne dla reakcji A + 2B D C ma postać V=k^.C_A^.C_B². Współczynnik k nosi nazwę stałej szybkości i ma wartość stałą. Natomiast szybkość reakcji zmienia się w czasie, ponieważ maleją stężenia reagentów. Podstawiając dane do wzoru na szybkość reakcji możemy wyliczyć stałą szybkości reakcji k:

b) Jeżeli przereaguje 60% substancji A, to znaczy, że przereaguje 2mol^.0,6=1,2 mola substancji A. Zgodnie z równaniem reakcji przereaguje również 2^.1,2mol=2,4 mola substancji B. Pozostanie zatem 0,8 mola substancji A i 0,6 mola substancji B. Szybkość reakcji V=k^.C_A^.C_B², a po podstawieniu danych:

Zadanie 20

Napisz, stosując wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych, równania reakcji oznaczonych na podanym schemacie numerami 1, 3. Skorzystaj z informacji i w równaniach reakcji (nad strzałkami) napisz warunki, w jakich zachodzą te przemiany.

Równania reakcji:
1.: ..................................................................................................................................................
3.: ..................................................................................................................................................

Odpowiedź

Reakcja chloroalkanów z sodem nazywana jest reakcją Wurtza. W laboratorium służy do syntezy alkanów. Z informacji do zadania wynika, że prowadzona jest z sodem w podwyższonej temperaturze.

Reakcja 3 polega na eliminacji chlorowodoru z chlorowcoalkanu. Z informacji wynika, że prowadzona jest w podwyższonej temperaturze, w alkoholu jako rozpuszczalniku, a reagentem jest wodorotlenek potasu.

Zadanie 21

a) Określ, według jakiego mechanizmu: elektrofilowego, nukleofilowego czy rodnikowego przebiega reakcja oznaczona na schemacie numerem 2.
.......................................................................................................................................................

b) Określ, czy nieorganiczny reagent reakcji oznaczonej na schemacie numerem 4 jest czynnikiem elektrofilowym, czy nukleofilowym.
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

a) Reakcja oznaczona na schemacie nr 2 przebiega z chlorem (substancja niepolarna) pod wpływem ogrzewania. Atom chlorowca podstawia się za atom wodoru w alkanie. Jest to reakcja podstawienia (substytucji), a warunki reakcji wskazują, że jest to reakcja rodnikowa (substytucja rodnikowa, S_R).

b) Reakcja oznaczona na schemacie nr 4 jest reakcją addycji. Według typów reakcji jest to reakcja addycji elektrofilowej (A_E). Ale z treści zadania wynika, że chodzi o reagent, z którego powstaje alkohol. Reagentem tym jest woda, jest ona nukleofilem.

Zadanie 22

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

CH≡CCHO

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

Odpowiedź

Odpowiedź uzyskamy licząc wiązania. Pamiętajmy, że wszystkie wiązania pojedyncze są wiązaniami typu s, a wiązanie podwójne składa się z wiązania typu s i typu p:

Zadanie 23

Pewien alken utleniany nadmiarem KMnO₄ w środowisku kwasowym daje dwa różne kwasy karboksylowe, zaś w reakcji 1 mola tego alkenu z 1 molem wodoru powstaje n-heksan.

a) Napisz wzór półstrukturalny (grupowy) tego alkenu.
.......................................................................................................................................................

b) Podaj nazwy systematyczne dwóch kwasów karboksylowych powstałych podczas utleniania tego alkenu.
1. ...................................................................................................................................................
2. ...................................................................................................................................................

Odpowiedź

Z treści zadania wynika, że alkenem jest heksen:

Z podanych schematów wynika, że tylko w przypadku hes-2-enu, w wyniku utlenienia roztworem KMnO₄ w środowisku kwaśnym otrzymamy 2 różne kwasy karboksylowe.

a) CH₃-CH=CH-CH₂-CH₂-CH₃

b) kwas etanowy i kwas butanowy

Zadanie 24

W dwóch nieoznakowanych kolbach znajdowały się dwa alkeny (każdy w innym naczyniu). Wiadomo, że jednym związkiem był 2-metyloprop-1-en, a drugim but-2-en. W celu odróżnienia 2-metyloprop-1-enu od but-2-enu przeprowadzono doświadczenie, podczas którego do obu naczyń dodano zakwaszony, wodny roztwór KMnO₄.

Korzystając z powyższych informacji, wymień po jednej obserwacji, która pozwoli na odróżnienie obu związków. Uzupełnij poniższą tabelę.

Odpowiedź

Zapiszmy schematy reakcji utleniania wymienionych alkenów:

Z równania reakcji widzimy, że utlenieniu 2-metylopropenu towarzyszy powstawanie CO₂, który będzie wydzielał się z mieszaniny reakcyjnej. Natomiast bit-2-en utleniany tworzy kwas octowy, który można wyczuć po charakterystycznym zapachu.

2-metylopropen: wydzielanie się pęcherzyków CO₂

but-2-en: charakterystyczny zapach octu.

Zadanie 25

Buta-1,3-dien to związek o wzorze CH₂=CH–CH=CH₂. Jest on produktem wyjściowym do otrzymywania kauczuku syntetycznego. Polimeryzacja buta-1,3-dienu może przebiegać w położeniach 1, 4 lub 1, 2. W pierwszym przypadku powstają makrocząsteczki o nienasyconych łańcuchach liniowych, w drugim przypadku łańcuch główny polimeru nie zawiera podwójnych wiązań, natomiast występują one w łańcuchach bocznych.

Napisz wzory merów obu polimerów, powstających w reakcji polimeryzacji buta-1,3-dienu, wiedząc, że mer to najmniejszy, powtarzający się fragment budowy łańcucha polimeru.

Odpowiedź

Butadien może polimeryzować w dwojaki sposób: polimeryzacja 1,4 i 1,2:

Merami w powstałych polimerach są:

Zadanie 26

Określ stopnie utlenienia atomów węgla (podkreślone symbole) w cząsteczkach, których wzory podano w tabeli.

Odpowiedź

Stopień utlenienia to formalna ilość elektronów jaką pierwiastek posiada w nadmiarze lub niedomiarze w porównaniu z elektronami walencyjnymi. Przy obliczaniu stopnia utlenienia korzystamy z zasady, że atom bardziej elektroujemny zabiera wszystkie elektrony wiążące od atomu mniej elektroujemnego. Gdy wiązanie występuje pomiędzy atomami tego samego pierwiastka, to dzielą się elektronami wiążącymi. Ten sposób najlepiej wykorzystywać do liczenia stopnia utlenienia w związkach organicznych:

Porównując formalną ilość elektronów jaką atom węgla posiada z ilością elektronów walencyjnych pierwiastka widzimy, że stopień utlenienia atomu węgla w podanych związkach wynosi:

Zadanie 27

Związek organiczny X o wzorze sumarycznym C₇H₆O₂ ulega reakcji hydrolizy. Produktami tej reakcji w środowisku kwasowym są związki Y i Z. Substancja Y, jako jedyny przedstawiciel swojego szeregu homologicznego, ma właściwości redukujące. Związek Z w reakcji z chlorkiem żelaza(III) daje związek kompleksowy o fioletowej barwie.

a) Podaj nazwy grup związków, do których należą substancje organiczne X, Y i Z.
X: ........................................
Y: ........................................
Z: ........................................

b) Napisz, stosując wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych, równanie reakcji hydrolizy kwasowej związku organicznego X.
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Z informacji do zadania wynika, że związek Z daje z FeCl₃ filetowo zabarwiony kompleks. Związkiem Z musi być fenol. Związek Y musi być kwasem karboksylowym. Jedynie kwas mrówkowy ma właściwości redukujące, więc związkiem X musi być mrówczan fenylu (metanian fenylu).

a) X: Estry Y: kwasy karboksylowe Z: fenole

b)
Pisząc równanie reakcji pamiętajmy, że tworzenie estrów z alkoholi i kwasów jest reakcją odwracalną. Odwracalna jest również reakcja hydrolizy w środowisku kwaśnym.

Zadanie 28

Dwa związki organiczne A i B są względem siebie izomerami. W wyniku bromowania zarówno związku A jak i związku B powstaje kwas 2,3-dibromobutanowy.

Narysuj wzory strukturalne związków A i B, tak aby jednoznacznie wskazywały na występujący w nich rodzaj izomerii.

Odpowiedź

Jeżeli w wyniku bromowania związku A oraz związku B powstaje kwas 2,3-dibromobutanowy, to znaczy, że do związku A lub związku B nastąpiła addycja cząsteczki bromu. Związki A lub B muszą być nienasyconymi kwasami, w których pomiędzy atomem węgla C2 i C3 znajduje się wiązanie podwójne:

Wiązanie podwójne w środku łańcucha wskazuje, że związki A i B są stereoizomerami (izomerami geometrycznymi):

Zadanie 29

Cząsteczki glicerolu, kwasu palmitynowego C₁₅H₃₁COOH i kwasu stearynowego C₁₇H₃₅COOH są achiralne, ale cząsteczki związku powstającego w reakcji glicerolu z tymi kwasami mogą być chiralne.

Narysuj wzór triglicerydu, zawierającego reszty kwasów palmitynowego i stearynowego, którego cząsteczki są chiralne.
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Glicerol (gliceryna) jest alkoholem trihydroksylowym i z kwasami tworzy estry. Estry wyższych kwasów karboksylowych nazywane są tłuszczami. Aby Ester był chiralny musi posiadać asymetryczny atom węgla (atom węgla związany z 4 różnymi podstawnikami:

Zadanie 30

L-arabinoza jest aldopentozą, w cząsteczce której grupa -OH przy atomie węgla połączonym z grupą aldehydową znajduje się po przeciwnej stronie niż grupy -OH przy pozostałych asymetrycznych atomach węgla.

Na podstawie podanej informacji uzupełnij rysunek, tak aby był on wzorem L-arabinozy w projekcji Fischera.

Odpowiedź

L-arabinoza jest aldopentozą () , oznacza to, że grupa OH przy ostatnim asymetrycznym atomie węgla (atomie węgla C4), we wzorze Fischera znajduje się po lewej stronie. Przy pierwszym atomie węgla musi znajdować się po przeciwnej stronie (po prawej stronie we wzorze Fischera) niż przy pozostałych atomach węgla, co oznacza, że przy 3 atomie węgla grupa OH również musi znajdować się po lewej stronie:

Zadanie 31

Zaprojektuj doświadczenie, które pozwoli na rozróżnienie wodnych roztworów dwóch cukrów: glukozy i fruktozy.

a) Uzupełnij schemat doświadczenia, wpisując nazwę użytego odczynnika wybranego z podanej poniżej listy:

ƒ świeżo wytrącony wodorotlenek miedzi(II)

ƒ woda bromowa z dodatkiem wodnego roztworu wodorowęglanu sodu

ƒ wodny roztwór azotanu(V) srebra z dodatkiem wodnego roztworu amoniaku.

b) Napisz, jakie obserwacje potwierdzą obecność glukozy w probówce I i fruktozy w probówce II po wprowadzeniu tych substancji do wybranego odczynnika (wypełnij poniższą tabelę).

Odpowiedź

fruktoza i glukoza są cukrami prostymi, redukującymi. Dlatego odczynnik Tollensa (AgNO₃ + NH₃^.H₂O) lub odczynnik Trommera (CuOH)₂) nie nadają się do rozróżnienia tych cukrów. Jedynie woda bromowa w środowisku NaHCO₃ pozwala na odróżnienie tych cukrów. Glukoza utlenia się (następuje odbarwienie wody bromowej) do kwasu glukarowego, fruktoza nie reaguje z wodą bromową w tych warunkach.

Zadanie 32

Korzystając z przeprowadzonego doświadczenia, określ charakter chemiczny substancji X.
.......................................................................................................................................................

Odpowiedź

Z doświadczenia wynika, że substancja X reaguje zarówno z mocnym kwasem, jak i z mocną zasadą (świadczy o tym zmiana zabarwienia wskaźnika). Substancje reagujące zarówno z mocnymi kwasami, jak i z mocnymi zasadami mają charakter amfoteryczny.

Zadanie 33

a) Spośród wymienionych związków: benzen, etanol, propanal, kwas aminoetanowy (glicyna) wybierz ten, którego użyto w doświadczeniu jako substancję X, i napisz jego nazwę.
.......................................................................................................................................................

b) Napisz w formie jonowej skróconej równania reakcji przebiegających w probówkach I i II. Zastosuj wzory półstrukturalne (grupowe).

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

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

Odpowiedź

Roztwory wodne benzenu (węglowodór), etanolu (alkohol), propanalu (aldehd) nie reagują z wcale z kwasami i zasadami (lub reagują, ale nie jako kwas lub zasada). Natomiast kwas aminoetanowy jest związkiem posiadającym grupę karboksylową (kwas), oraz grupę aminową ( zasada). Związek ten może reagować zarówno z kwasami (reaguje grupa aminowa), lub z zasadami (reaguje grupa karboksylowa):

Aminokwasy występują w postaci jonów obojnaczych, dlatego reakcje te możemy również zapisać z ich udziałem:

W obydwu przypadkach pamiętajmy, że kwasy karboksylowe są słabymi kwasami, a aminy słabymi zasadami, dlatego powinniśmy użyć strzałek równowagowych.

Zadanie 34

Pewne reakcje chemiczne, którym ulegają niektóre aminokwasy wchodzące w skład białek, stosuje się jako próby rozpoznawcze na obecność białka. Jedną z takich prób jest reakcja ksantoproteinowa. Przeprowadzono doświadczenie, w którym do znajdującego się w probówce białka jaja kurzego dodano stężony kwas azotowy(V) i zaobserwowano pojawienie się osadu o żółtej barwie.

Spośród podanych poniżej wzorów aminokwasów podkreśl wzór tego, którego obecność w białku spowodowała powstanie żółtego osadu.

Odpowiedź

Aminokwasy zawierające w łańcuchu bocznym pierścienie aromatyczne reagują ze stężonym kwasem azotowym(V). Pierścień aromatyczny ulega reakcji nitrowaniu, dając nitropochodne, które mają żółtą barwę. W skład białka wchodzi bardzo dużo różnych aminokwasów, w śród których znajdują się aminokwasy zawierające pierścienie aromatyczne w łańcuchu bocznym. Dlatego białko w kontakcie ze stężonym HNO₃ zabarwia się na żółto.

Spośród wymienionych aminokwasów za żółtą barwę białka w kontakcie ze stężonym kwasem azotowym(V) odpowiedzialna jest tyrozyna:

Zadanie 35

Uzupełnij poniższe zdania dotyczące właściwości białek, wpisując w odpowiedniej formie gramatycznej określenia wybrane z poniższego zestawu.

denaturacja, wysolenie, roztwór właściwy, roztwór koloidalny, zawiesina, polarne, niepolarne, hydratacja, dysocjacja, odwracalny, nieodwracalny

1. Białko jaja kurzego rozpuszcza się w wodzie, tworząc ......................................................... Każda cząsteczka białka w roztworze posiada tzw. otoczkę solwatacyjną. Solwatacja cząsteczek białka jest możliwa ze względu na obecność ........................................ grup hydroksylowych, karboksylowych i aminowych w łańcuchach bocznych aminokwasów.

2. Otoczkę solwatacyjną białek można zniszczyć przez dodanie do roztworu soli, np. NaCl, której jony są silniej solwatowane. Widoczne jest wtedy wytrącenie białka z roztworu, zwane ................................. . Proces ten jest .............................. . Pod wpływem wysokiej temperatury, soli metali ciężkich czy też stężonych kwasów lub zasad białka wytrącają się z roztworów w sposób ................................. . Zjawisko to nosi nazwę ..................................... .

Odpowiedź

Roztwór właściwy to roztwór w którym cząsteczki rozpuszczonej substancji są mniejsze od 1nm (1^.10^-9m). Gdy polimer lub polikondensat ulega rozpuszczeniu to cząsteczki substancji są większe od 1^.10^-9 nm i taki roztwór nazywany jest roztworem koloidalnym (roztwór niewłaściwy). Roztwór koloidalny utworzony przez białko jest trwaly w wodzie ze względu na obecność polarnych grup hydroksylowych, karboksylowych i aminowych.

Koloidalny roztwór białka można przeprowadzić w żel. Proces ten gdy jest odwracalny nazywa się wysoleniem, a gdy nieodwracalny to denaturacją białka.

Białko jajka kurzego rozpuszcza się w wodzie, tworząc roztwór koloidalny. Każda cząsteczka białka w roztworze posiada otoczkę solwatacyjną. Solwatacja cząsteczek białka jest możliwa ze względu na obecność polarnych grup hydroksylowych, karboksylowych i aminowych w łańcuchach bocznych aminokwasów. Otoczkę solwatacyjną białek można zniszczyć przez dodanie do roztworu soli np. NaCl, której jony są silniej solwatowane. Widoczne jest wtedy wytrącanie białka z roztworu, zwane wysoleniem. Proces ten jest odwracalny. Pod wpływem wysokiej temperatury, soli metali ciężkich czy też stężonych kwasów lub zasad białka wytrącają się z roztworów w sposób nieodwracalny. Zjawisko to nosi nazwę denaturacji.