Chemia - Informator CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 52.
Jakość gleb zależy m.in. od zawartości tzw. próchnicy, stanowiącej mieszaninę związków chemicznych pochodzących z rozkładu szczątków organicznych. Sposób określenia w przybliżeniu zawartości próchnicy w glebie polega na ilościowym utlenieniu związków organicznych, których głównym składnikiem jest węgiel.
Utlenianie węgla zawartego w związkach organicznych można przeprowadzić za pomocą dichromianu(VI) potasu, w środowisku kwasu siarkowego(VI) z dodatkiem siarczanu(VI) rtęci(II) jako katalizatora (reakcja 1.), co w uproszczeniu można zilustrować równaniem:
3C + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 T, … katalizator 3CO2 + 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O
W tej metodzie stosuje się nadmiar dichromianu(VI), a następnie – w obecności wskaźnika – utleniacz dodany w nadmiarze poddaje się reakcji z jonami żelaza Fe2+ jako reduktorem (reakcja 2.).
6Fe2+ + Cr2O2−7 + 14H+ → 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
Jest to tzw. miareczkowanie reduktometryczne, podczas którego roztwór soli żelaza(II) o znanym stężeniu znajduje się w biurecie. Ten roztwór dodaje się stopniowo do kolby z utleniaczem i na końcu dokładnie odczytuje, jaka jego objętość została zużyta w reakcji.
W celu ustalenia zawartości próchnicy pobrano próbkę gleby o masie 450 mg. Do próbki dodano roztwór dichromianu(VI) potasu o stężeniu 0,10 mol ∙ dm–3, tak aby nadmiar utleniacza stanowił 15% przy założeniu, że zawartość próchnicy w glebie jest maksymalna (tabela 1.), a średnia zawartość węgla w próchnicy wynosi 58% (w procentach masowych). Na reakcję z nadmiarem utleniacza zużyto 42,6 cm3 roztworu reduktora (jony Fe2+) o stężeniu 0,10 mol ∙ dm–3.
Tabela 1.
| Nazwa gleby | Zawartość próchnicy, procent masy |
| gleby bielicowe | 0,6–1,8 |
| gleby płowe | 1,2–2,3 |
| czarnoziemy | 2,6–4,0 |
| rędziny | 2,0–6,0 |
| mady | 1,1–4,2 |
Tabela 2.
| Zawartość próchnicy, procent masy | Interpretacja wyniku |
| < 1,0 | niska |
| 1,0–2,0 | średnia |
| 2,1–3,0 | wysoka |
| > 3,0 | bardzo wysoka |
Na podstawie obliczeń ustal zawartość próchnicy w badanej glebie. Zinterpretuj otrzymany wynik na podstawie kryteriów podanych w tabeli 2.
Rozwiązanie
Zasady oceniania zaktualizowane przez CKE 28 sierpnia 2023.
Zasady oceniania
4 pkt – jeżeli rozwiązanie nie zawiera błędów.
3 pkt – obliczenie objętości roztworu dichromianu(VI), obliczenie liczby moli dichromianu(VI) z uwzględnieniem nadmiaru, obliczenie maksymalnej liczby moli węgla w badanej próbce, obliczenie masy węgla i zawartości próchnicy oraz interpretacja wyniku, ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, odczytu danych, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki).
2 pkt – poprawne obliczenie objętości roztworu dichromianu(VI), poprawne obliczenie liczby moli dichromianu(VI) z uwzględnieniem nadmiaru oraz poprawne obliczenie maksymalnej liczby moli węgla w badanej próbce.
1 pkt – poprawne obliczenie objętości roztworu dichromianu(VI) oraz poprawne obliczenie liczby moli dichromianu(VI) z uwzględnieniem nadmiaru.
0 pkt – rozwiązanie, w którym nie ma niewielkiego postępu, albo brak rozwiązania.
Rozwiązanie
Obliczenie maksymalnej liczby moli węgla w badanej próbce:
mgleby = 0,450 g
mpróchnicy = 0,450 g · 0,06 = 0,027 g
mC = 0,027 g · 0,58 = 0,01566 g
nC = 0,0156612 mol = 1,305 · 10‒3 mol
Obliczenie liczby moli dichromianu:
bez nadmiaru: nutl = 2nC3 = 8,7· 10‒4 mol
z nadmiarem: nndm utl = 8,7· 10‒4 mol · 1,15 = 10‒3 mol
Obliczenie objętości roztworu dichromianu:
V = nC = 10‒310‒1 dm3 = 0,01 dm3
Obliczenie liczby moli dichromianu zużytego na utlenienie związków organicznych (węgla)
zawartych w próchnicy:
Stosunek molowy utleniacza do reduktora nutl : nred = 1 : 6
Liczba moli reduktora, który przereagował z nadmiarem utleniacza:
nFe2+ = 0,1 · 0,0426 mol = 4,26 · 10‒3 mol
Liczba moli utleniacza który przereagował z węglem: nutl = 0,1 · 0,01 mol ‒ 4,26 · 10‒36 mol = 2,9 · 10‒4 mol
Obliczenie zawartości próchnicy w badanej glebie:
Liczba moli węgla: nC = 3 · 2,9 · 10‒42 mol = 4,35 · 10‒4 mol
Masa węgla: mC = (12 · 4,35 · 10‒4) g = 5,22 · 10‒3 g
Masa próchnicy: mpróchnicy = 5,22 · 10‒3 · 10058 g = 9 · 10‒3 g
Zawartość próchnicy: mpróchnicymgleby · 100% = 9 · 10‒30,45 · 100% = 2%
Zawartość próchnicy w badanej glebie jest średnia.
