Równowagowy stopień przereagowania etenu, który jest miarą wydajności przedstawionej
reakcji, zależy od warunków prowadzenia procesu: temperatury i ciśnienia. Tę zależność
przedstawiono na poniższym wykresie.
Na podstawie: E. Grzywa, J. Molenda, Technologia podstawowych syntez organicznych, Warszawa 2008.
25.1. (0–1)
Wyjaśnij, dlaczego w danej temperaturze równowagowy stopień przereagowania etenu
w opisanej reakcji jest tym większy, im wyższe jest ciśnienie, pod którym prowadzona
jest reakcja.
25.2. (0–1)
Rozstrzygnij, czy reakcja hydratacji etenu jest procesem endo- czy egzotermicznym.
Odpowiedź uzasadnij.
Równowagowy stopień przereagowania etenu, który jest miarą wydajności przedstawionej
reakcji, zależy od warunków prowadzenia procesu: temperatury i ciśnienia. Tę zależność
przedstawiono na poniższym wykresie.
Na podstawie: E. Grzywa, J. Molenda, Technologia podstawowych syntez organicznych, Warszawa 2008.
Rozstrzygnij, czy reakcja hydratacji etenu jest procesem endo- czy egzotermicznym.
Odpowiedź uzasadnij.
Rozstrzygnij, czy na podstawie wartości entalpii tworzenia CO oraz CO2 można
stwierdzić, że reakcja spalania tlenku węgla(II) jest egzotermiczna. Uzasadnij swoją
odpowiedź.
Ważnym etapem produkcji kwasu siarkowego(VI) jest katalityczne utlenianie tlenku siarki(IV) do tlenku siarki(VI) opisane równaniem:
2SO2(g) + O2(g) katalizator, 𝑇 2SO3(g)
W tabeli podane są wartości stałej równowagi tej reakcji w wybranych temperaturach.
Temperatura, ºC
450
500
600
700
Stała równowagi
0,35⋅105
0,52⋅104
0,22⋅103
0,23⋅102
Na podstawie: Z. Sarbak, Reakcje i procesy katalityczne, „LAB. Laboratoria. Aparatura. Badania”, nr 6, Katowice 2010.
Na poniższym wykresie przedstawiono zmiany stężenia molowego reagentów w trakcie opisanej reakcji prowadzonej w dwóch różnych temperaturach 𝑇1 i 𝑇2. Zmiana temperatury z 𝑇1 do 𝑇2 nastąpiła po ustaleniu się stanu równowagi w momencie zaznaczonym przerywaną linią i oznaczonym jako 𝑡𝐴.
5.1. (0–1)
Rozstrzygnij, czy w momencie 𝒕A nastąpiło podwyższenie, czy – obniżenie temperatury. Odpowiedź uzasadnij. W uzasadnieniu uwzględnij efekt energetyczny opisanej reakcji.
Rozstrzygnięcie:
Uzasadnienie:
5.2. (0–1)
Na poniższych wykresach przedstawiono zmiany stężenia reagenta do ustalenia stanu równowagi. Na wykresie 1. powtórzono z poprzedniego wykresu (s. 4) krzywą ilustrującą zmianę stężenia molowego SO3 w temperaturze 𝑇1 – od momentu zapoczątkowania reakcji do momentu zmiany temperatury na 𝑇2. Obok przedstawiono wykresy 2. i 3. Osie na wykresach 1.–3. są wyskalowane tak samo.
Wybierz wykres (2. albo 3.), który może odpowiadać reakcji utleniania SO2 do SO3 w temperaturze 𝑻1 prowadzonej bez udziału katalizatora, i napisz jego numer. Wybór uzasadnij.
Gaz syntezowy, czyli mieszanina CO i H2, jest otrzymywany w przemyśle różnymi metodami.
Niżej podano równania dwóch reakcji, w których powstaje taka mieszanina.
I II
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 CH4 + H2O → CO + 3H2
ΔH<0 ΔH>0
Na poniższym wykresie przedstawiono zależność stopnia przemiany metanu
od temperatury dla dwóch różnych wartości ciśnienia dla jednej z tych reakcji. Stopień
przemiany metanu jest miarą wydajności reakcji – im większy stopień przemiany, tym
większa wydajność reakcji.
Na podstawie: M. Pańczyk, T. Borowiecki, Otrzymywanie i zastosowanie gazu syntezowego, Lublin 2013.
4.1. (0–1)
Napisz numer reakcji (I albo II), do której odnosi się powyższy wykres stopnia
przemiany metanu. Odpowiedź uzasadnij – uwzględnij efekt energetyczny reakcji.
Numer reakcji:
Uzasadnienie:
4.2. (0–1)
Uzupełnij zdanie o wpływie ciśnienia na stopień przemiany metanu – wybierz i zaznacz
jedną odpowiedź spośród podanych w nawiasie. Wyjaśnij przedstawioną na wykresie
zależność stopnia przemiany metanu od ciśnienia.
W stałej temperaturze wzrost ciśnienia skutkuje (wzrostem / spadkiem) stopnia przemiany
metanu.
Do reaktora, w którym znajdowała się stała substancja X, wprowadzono pod ciśnieniem
atmosferycznym gazową substancję Y i zapoczątkowano reakcję chemiczną, w wyniku której
powstawał gaz Z. Po 10 minutach, w temperaturze T1, ustaliła się równowaga opisana
równaniem:
X (s) + Y (g) ⇄ Z (g)
Na wykresie przedstawiono wyniki pomiaru liczby moli gazowych reagentów w trakcie trwania
procesu oraz po ustaleniu się stanu równowagi w temperaturze T1. W piętnastej minucie
eksperymentu zmieniono w układzie temperaturę na T2 wyższą od T1, czego konsekwencją
było ustalenie się nowego stanu równowagi po dwudziestu minutach eksperymentu, co także
zilustrowano na poniższym wykresie.
Rozstrzygnij, czy reakcja tworzenia związku Z jest procesem endoenergetycznym. Odpowiedź uzasadnij.
Zadanie anulowane przez CKE jako niezgodne z wymaganiami egzaminacyjnymi wg aneksu obowiązującego w latach 2023-2024 (zgodnie ze zaktualizowaną dnia 26 sierpnia 2022 wersją aneksu)
W pracującym ogniwie paliwowym zasilanym bezpośrednio metanolem na elektrodach biegną
reakcje chemiczne:
reakcja 1:
O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e– → 2H2O (c)
reakcja 2:
CH3OH (g) + H2O (c) → CO2 (g) + 6H+ (aq) + 6e–
Oblicz efekt cieplny sumarycznego procesu przebiegającego w opisanym ogniwie
paliwowym w przeliczeniu na 1 mol metanolu. Przyjmij, że w warunkach pracy ogniwa:
Zadanie anulowane przez CKE jako niezgodne z wymaganiami egzaminacyjnymi wg aneksu obowiązującego w latach 2023-2024 (zgodnie ze zaktualizowaną dnia 26 sierpnia 2022 wersją aneksu)
Reakcja rozkładu azotanu(V) ołowiu(II) jest procesem endoenergetycznym i przebiega
zgodnie z równaniem:
2Pb(NO3)2 → 2PbO + 4NO2↑ + O2↑
Wartości standardowych entalpii tworzenia związków biorących udział w opisanej reakcji
podano w poniższej tabeli.
Pb(NO3)2
PbO
NO2
standardowa entalpia tworzenia ΔH°, kJ ⋅ mol−1
−449,2
−218,6
34,2
Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.
Oblicz, ile energii na sposób ciepła należy dostarczyć, aby całkowicie rozłożyć 3,31 g
Pb(NO3)2.
Przeprowadzono doświadczenie, którego celem była obserwacja zmian energii wewnętrznej
badanego układu w wyniku przemiany chemicznej. W procesie przeprowadzonym
w warunkach izotermiczno-izobarycznych wprowadzono do cylindra gazowy tlen oraz
sproszkowane żelazo i zamknięto ten cylinder ruchomym tłokiem. Schemat doświadczenia
przedstawiono na poniższym rysunku.
W warunkach doświadczenia reakcja zachodziła z niewielką szybkością. Ścianki cylindra
umożliwiały wymianę ciepła z otoczeniem.
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych
w każdym nawiasie.
W wyniku przebiegu opisanego procesu tlen się zużywa, a tłok przesuwa się (w dół / w górę),
wykonując pracę nad układem. Przemianie żelaza w tlenek żelaza(III) towarzyszyło
odprowadzenie ciepła do otoczenia, co oznacza,
że ta reakcja jest procesem (endoenergetycznym / egzoenergetycznym).
W wysokiej temperaturze węgiel reaguje z tlenkiem węgla(IV) i ustala się równowaga
chemiczna:
CO2 (g) + C (s) ⇄ 2CO (g)
Objętościową zawartość procentową CO i CO2 w gazie pozostającym w równowadze
z węglem w zależności od temperatury (pod ciśnieniem atmosferycznym 1013 hPa) przedstawiono na poniższym wykresie.
Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2004.
Rozstrzygnij, czy reakcja pomiędzy tlenkiem węgla(IV) i węglem jest procesem
egzoenergetycznym. Uzasadnij swoją odpowiedź.
W tabeli podano wartości stężeniowej stałej równowagi Kc reakcji syntezy NO w różnych
temperaturach.
Temperatura, K
1000
2000
3000
4000
Kc
6,8 ⋅ 10−9
4,6 ⋅ 10−4
1,7 ⋅ 10−2
8,3 ⋅ 10−2
Na podstawie: K.-H. Lautenschläger, W. Schröter, A. Wanninger, Nowoczesne kompendium chemii,
Warszawa 2007.
Oceń, czy opisana reakcja jest procesem egzo- czy endotermicznym, oraz spośród
poniższych sposobów prowadzenia reakcji wybierz ten powodujący zwiększenie
wydajności tworzenia tlenku azotu(II).
W czasie pożarów lasów, wyładowań elektrycznych, podczas pracy urządzeń grzewczych lub
silników spalinowych możliwa jest reakcja zachodząca między dwoma składnikami powietrza
– azotem i tlenem. Te gazy łączą się z wytworzeniem tlenku azotu(II) zgodnie z równaniem:
N2 (g) + O2 (g) ⇄ 2NO (g) ΔH° > 0
Powstały bezbarwny i bezwonny tlenek azotu(II) łatwo utlenia się do tlenku azotu(IV) NO2,
który jest brunatnym gazem o ostrym zapachu. Tlenek azotu(IV) dimeryzuje z utworzeniem
tetratlenku diazotu N2O4, który jest gazem bezbarwnym:
2NO2 (g) ⇄ N2O4 (g) ΔH° < 0
Na podstawie: G.W. vanLoon, S.J. Duffy, Chemia środowiska, Warszawa 2007, oraz W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 1997.
4.1. (1 pkt)
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedno właściwe określenie spośród podanych w każdym nawiasie.
Reakcja syntezy tlenku azotu(II) jest reakcją (endotermiczną / egzotermiczną), o czym
świadczy (dodatnia / ujemna) wartość ΔH°.
Reakcja dimeryzacji tlenku azotu(IV) ma tym większą wydajność, w im (niższej / wyższej) temperaturze zachodzi. Po ochłodzeniu zabarwienie zawartości zamkniętego naczynia, do którego wprowadzono świeżo otrzymany tlenek azotu(IV) NO2,
(nie ulegnie zmianie / stanie się mniej intensywne / stanie się bardziej intensywne).
4.2. (1 pkt)
Oceń, czy cząsteczka tlenku azotu(IV) NO2 jest rodnikiem. Odpowiedź uzasadnij – uwzględnij elektronową strukturę tej cząsteczki.
Przemysłowa produkcja kwasu azotowego(V) jest procesem kilkuetapowym. Pierwszym
etapem jest katalityczne utlenienie amoniaku tlenem z powietrza do tlenku azotu(II).
W drugim etapie otrzymany tlenek azotu(II) utlenia się do tlenku azotu(IV). Ta reakcja
przebiega zgodnie z poniższym równaniem:
2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g)
Powstały tlenek azotu(IV) jest następnie wprowadzany do wody, w wyniku czego powstaje
roztwór kwasu azotowego(V) o stężeniu w zakresie 50%–60% (w procentach masowych).
Na podstawie: K. Schmidt-Szałowski, M. Szafran, E. Bobryk, J. Sentek, Technologia chemiczna. Przemysł
nieorganiczny, Warszawa 2013.
Na poniższym wykresie przedstawiono zależność równowagowego stopnia przemiany NO
w NO2 od temperatury dla dwóch różnych wartości ciśnienia p1 i p2. Wydajność tworzenia NO2
jest tym większa, im większa jest wartość równowagowego stopnia przemiany.
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i podkreśl jedną odpowiedź spośród podanych
w każdym nawiasie.
Ciśnienie p1 jest (wyższe / niższe) od ciśnienia p2. Przemiana NO w NO2 to reakcja (endotermiczna / egzotermiczna), co oznacza, że wartość ΔH przemiany jest (dodatnia / ujemna).
W czasie pożarów lasów, wyładowań elektrycznych, podczas pracy urządzeń grzewczych lub
silników spalinowych możliwa jest reakcja zachodząca między dwoma składnikami powietrza
– azotem i tlenem. Te gazy łączą się z wytworzeniem tlenku azotu(II) zgodnie z równaniem:
N2 (g) + O2 (g) ⇄ 2NO (g) ΔH° > 0
Powstały bezbarwny i bezwonny tlenek azotu(II) łatwo utlenia się do tlenku azotu(IV) NO2 ,
który jest brunatnym gazem o ostrym zapachu. Tlenek azotu(IV) dimeryzuje z utworzeniem
tetratlenku diazotu N2O4 , który jest gazem bezbarwnym:
2NO2 (g) ⇄ N2O4 (g) ΔH° < 0
Na podstawie: G.W. vanLoon, S.J. Duffy, Chemia środowiska, Warszawa 2007, oraz W. Mizerski, Tablice
chemiczne, Warszawa 1997.
3.1. (0–1)
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedno właściwe określenie spośród
podanych w każdym nawiasie.
Reakcja syntezy tlenku azotu(II) jest reakcją (endotermiczną / egzotermiczną), o czym
świadczy (dodatnia / ujemna) wartość ΔH°.
Reakcja dimeryzacji tlenku azotu(IV) ma tym większą wydajność, w im (niższej /
wyższej) temperaturze zachodzi. Po ochłodzeniu zabarwienie zawartości zamkniętego
naczynia, do którego wprowadzono świeżo otrzymany tlenek azotu(IV) NO2,
(nie ulegnie zmianie / stanie się mniej intensywne / stanie się bardziej intensywne).
3.2. (0–1)
Oceń, czy cząsteczka tlenku azotu(IV) NO2 jest rodnikiem. Odpowiedź uzasadnij –
uwzględnij elektronową strukturę tej cząsteczki.
W tabeli podano wartości standardowej entalpii spalania metanu, wodoru i węgla.
Δsp H °, kJ·mol−1
metan*
− 891
węgiel
− 394
wodór*
− 286
*Produktem spalania jest woda ciekła.
Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2003.
Oblicz standardową entalpię tworzenia metanu. Oceń, czy poprawne jest twierdzenie, że w reakcji syntezy metanu z pierwiastków produkt ma energię wyższą od substratów.
Uzasadnij swoją ocenę.
W czystej wodzie ustala się stan równowagi reakcji autoprotolizy, która zachodzi zgodnie
z równaniem:
2H2O ⇄ H3O+ + OH−
Tę reakcję opisuje stała równowagi nazywana iloczynem jonowym wody. Wyraża się ona
równaniem:
Kw = [H3O+] ⋅ [OH−]
Poniżej przedstawiono wartości iloczynu jonowego wody Kw w zakresie temperatury
0°C–100°C (pod ciśnieniem atmosferycznym).
Temperatura, °C
0
20
40
60
80
100
Kw
0,1 ⋅ 10−14
0,7 ⋅ 10−14
3,0 ⋅ 10−14
9,6 ⋅ 10−14
25,1 ⋅ 10−14
55,0 ⋅ 10−14
Na podstawie: W. Ufnalski, Równowagi jonowe, Warszawa 2004
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedno określenie spośród podanych
w każdym nawiasie.
Reakcja autodysocjacji wody jest (egzoenergetyczna / endoenergetyczna). Wraz ze wzrostem
temperatury pH czystej wody (maleje / rośnie / nie ulega zmianie).
Jeżeli w reakcji redoks biorą udział jony H+, to potencjał układu zależy od stężenia tych
jonów, czyli od pH roztworu. Dla takich układów potencjał odnosi się do roztworów,
w których cH+ = 1 mol · dm–3, a więc pH = 0. Wartości potencjałów redoks wielu ważnych
biologicznie układów utleniacz – reduktor przedstawiane są dla przyjętego przez
biochemików stanu, w którym pH = 7, p = 1013 hPa, T = 298 K. Różnica pH roztworu
wpływa na wartość potencjału półogniwa. Potencjał półogniwa wodorowego EH2/H+
w środowisku o pH różnym od zera można obliczyć (w woltach), korzystając z następującej
zależności:
EH2/H+ = EoH2/H+ + 0,06 log cH+
gdzie EoH2/H+ oznacza potencjał standardowy półogniwa wodorowego.
Na podstawie: Lubert Stryer, Biochemia, Warszawa 2003 oraz K.-H. Lautenschläger, W. Schröter,
A. Wanninger, Nowoczesne kompendium chemii, Warszawa 2007.
a)
Oblicz potencjał półogniwa wodorowego w stanie, w którym pH = 7, p = 1013 hPa, T = 298 K.
Poniżej przedstawiono równania reakcji i potencjały redoks dwóch układów biologicznych
dla pH = 7, p = 1013 hPa, T = 298 K.
Równanie reakcji
Potencjał E, V
12 + O2 + 2H+ + 2e– ⇄ H2O
0,82
NAD+ + H+ + 2e− ⇄ NADH
–0,32
b)
Oceń, czy reakcja zilustrowana równaniem H2O + NAD+ → 12O2 + H+ + NADH zachodzi samorzutnie, czy do jej zajścia konieczne jest dostarczenie energii. Uzupełnij poniższe zdanie: wybierz i podkreśl jedno określenie w każdym nawiasie.
Aby mogła zajść opisana reakcja, (jest / nie jest) konieczne dostarczenie energii, ponieważ
woda jest reduktorem (silniejszym / słabszym) niż NADH.
Do wodnego roztworu kwasu cytrynowego dodano nadmiar wodnego roztworu
wodorowęglanu sodu NaHCO3. Stwierdzono, że temperatura mieszaniny poreakcyjnej jest
znacznie niższa niż temperatura roztworów przed ich zmieszaniem. Zaobserwowano także
wydzielanie bezbarwnego gazu.
a)
Spośród podanych zależności wybierz i podkreśl tę, która jest prawdziwa dla entalpii procesu dokonującego się w opisanym doświadczeniu.
ΔH < 0 ΔH = 0 ΔH > 0
b)
Napisz w formie cząsteczkowej równanie reakcji, która zaszła w czasie doświadczenia. Przyjmij, że kwas cytrynowy przereagował z wodorowęglanem sodu w stosunku molowym 1 : 3. Zastosuj następujący wzór kwasu cytrynowego: C3H4(OH)(COOH)3.
