Związek chemiczny o nazwie 2-metyloprop-1-en (izobutylen) jest ważnym surowcem
w syntezach organicznych. Przeprowadzono dwie reakcje z udziałem 2-metyloprop-1-enu
jako substratu. W reakcji I ten związek poddano polimeryzacji i otrzymano poliizobutylen.
W reakcji II przeprowadzono addycję bromowodoru do 2-metyloprop-1-enu.
Uzupełnij schemat tak, aby przedstawiał równanie reakcji otrzymywania
poliizobutylenu.
Etap 1. W probówce zmieszano bezbarwne wodne roztwory bromianu(V) potasu oraz bromku potasu. Następnie do mieszaniny dodano kilka kropli kwasu siarkowego(VI). Na zdjęciu obok przedstawiono wynik tego etapu doświadczenia.
Etap 2. Do mieszaniny otrzymanej w etapie 1. wprowadzono toluen – metylobenzen – (𝑑 = 0,86 g ∙ cm−3). Probówkę zamknięto korkiem, a następnie ciecze wymieszano. Na zdjęciach obok przedstawiono wygląd zawartości probówki przed wymieszaniem oraz po wymieszaniu.
przed wymieszaniem
po wymieszaniu
Etap 3. Otrzymaną w etapie 2. mieszaninę pozostawiono na pewien czas w nasłonecznionym miejscu. Na zdjęciu obok przedstawiono wynik tego etapu doświadczenia.
Napisz równanie reakcji, która zaszła podczas etapu 3. przeprowadzonego
doświadczenia, jeśli stosunek molowy reagentów wynosi 1:1. Zastosuj wzory
półstrukturalne (grupowe) lub uproszczone związków organicznych.
Związek o wzorze ogólnym CnH2n może być alkenem lub cykloalkanem – węglowodorem
o budowie pierścieniowej.
Dwa węglowodory o wzorze C6H12 są względem siebie izomerami. Węglowodór A ulega
reakcji substytucji przebiegającej według mechanizmu rodnikowego, a w jego cząsteczce
znajdują się cztery drugorzędowe atomy węgla, jeden pierwszorzędowy oraz jeden
trzeciorzędowy. Produktem reakcji węglowodoru B z bromowodorem, przebiegającej zgodnie
z regułą Markownikowa, jest 2-bromo-3-metylopentan.
21.1. (2 pkt)
Narysuj wzory półstrukturalne (grupowe) węglowodorów A i B oraz podaj ich nazwy
systematyczne.
Wzór węglowodoru A
Wzór węglowodoru B
nazwa systematyczna węglowodoru A
nazwa systematyczna węglowodoru B
21.2. (1 pkt)
W procesie eliminacji HBr z monobromopochodnej atom wodoru odrywa się od jednego
z dwóch atomów węgla sąsiadujących z tym atomem węgla, który połączony jest z atomem
bromu. Głównym produktem eliminacji HBr z monobromopochodnej jest związek, który
powstaje w wyniku oderwania atomu wodoru od atomu węgla połączonego z mniejszą liczbą
atomów wodoru.
Stosując wzory półstrukturalne (grupowe) związków organicznych, napisz równanie
reakcji 2-bromo-3-metylopentanu z alkoholowym roztworem wodorotlenku sodu
zachodzącej w podwyższonej temperaturze. Przyjmij, że organicznym produktem tej
reakcji jest związek, który powstaje z największą wydajnością.
Związki metaloorganiczne, czyli takie, w których atom metalu jest związany kowalencyjnie
z atomem węgla grupy alkilowej lub arylowej, są szeroko wykorzystywane w syntezie
organicznej. Do najczęściej stosowanych należą tzw. związki Grignarda o wzorze ogólnym:
R–Mg–X
W tym wzorze R oznacza grupę alkilową lub arylową, a X jest atomem fluorowca, najczęściej
bromu lub jodu.
Te związki otrzymuje się w reakcji odpowiednich fluorowcopochodnych alkilowych lub
arylowych z magnezem w roztworze bezwodnego etoksyetanu (eteru dietylowego):
R–X + Mg → R–Mg–X
Związki Grignarda reagują m.in. z aldehydami i ketonami, zgodnie ze schematem:
W pierwszym etapie powstaje sól halogenomagnezowa alkoholu, która w wyniku działania
wodnego roztworu mocnego kwasu daje wolny alkohol oraz jony magnezowe i halogenkowe.
W celu otrzymania 3-fenylopentan-3-olu przy użyciu związków Grignarda przeprowadzono
reakcje zgodnie z poniższym schematem:
W roztworze wodnym po reakcjach były obecne jony bromkowe.
26.1. (0–2)
Utlenianie związku D do związku E prowadzono za pomocą zakwaszonego roztworu dichromianu(VI) potasu.
Na fotografiach I–V przedstawiono probówki z roztworami wybranych substancji.
Uzupełnij tabelę. Napisz wzory półstrukturalne (grupowe) związków A, B, D i E.
Wzór związku A
Wzór związku B
Wzór związku D
Wzór związku E Zadanie
26.2. (0–2)
Utlenianie związku D do związku E prowadzono za pomocą zakwaszonego roztworu dichromianu(VI) potasu.
Na fotografiach I–V przedstawiono probówki z roztworami wybranych substancji.
Spośród fotografii I–V wybierz tę, która przedstawia roztwór użyty do przeprowadzenia reakcji utleniania związku D, oraz tę przedstawiającą roztwór uzyskany po oddzieleniu produktu E. Wpisz do tabeli oznaczenia fotografii oraz wzory jonów odpowiadających za barwę roztworu.
Przed reakcją
Po reakcji
Oznaczenie fotografii
Wzór jonu odpowiadającego za barwę otrzymanego roztworu
Niektóre czynniki utleniające powodują rozszczepienie wiązania podwójnego i rozpad
cząsteczek alkenów na dwa fragmenty. Działanie gorącym, zakwaszonym wodnym
roztworem manganianu(VII) potasu na alkeny może prowadzić do rozszczepienia
podwójnych wiązań i do utlenienia powstałych fragmentów cząsteczek. Produkty takiego
rozpadu alkenów zależą od tego, z iloma atomami wodoru były połączone atomy węgla
tworzące podwójne wiązanie. Ilustruje to poniższy schemat:
Na podstawie: J. McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2000.
Przeprowadzono doświadczenie ilustrujące różnicę właściwości dwóch ciekłych
węglowodorów: benzenu i heks-1-enu. Oba związki umieszczono pod wyciągiem w dwóch
oddzielnych probówkach, następnie do każdej probówki dodano zakwaszony wodny roztwór
KMnO4, zawartość probówek ogrzano i wymieszano. Zaobserwowano, że w obu probówkach
powstały dwie ciekłe warstwy, ale tylko w probówce, w której znajdował się heks-1-en,
nastąpiło odbarwienie warstwy wodnej.
20.1. (0–1)
Rozstrzygnij, czy oba węglowodory wzięły udział w opisanej reakcji, i wyjaśnij,
dlaczego te związki inaczej zachowały się wobec wodnego, zakwaszonego roztworu
KMnO4 po ogrzaniu. Odnieś się do cech struktury cząsteczek obu węglowodorów.
Rozstrzygnięcie:
Wyjaśnienie:
20.2. (0–1)
Napisz wzór półstrukturalny (grupowy) organicznego produktu rozpadu cząsteczki
heks-1-enu w opisanym doświadczeniu.
Zadanie usunięte przez CKE z wersji informatora dla egzaminu maturalnego od roku szkolnego 2024/2025 jako niezgodne z podstawą programową.
Jedną z najważniejszych metod fizykochemicznych stosowanych do badania struktury
związków organicznych jest spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, NMR.
Wykorzystuje się w niej właściwość polegającą na tym, że jądra atomów większości
pierwiastków mają niezerowy spin. Najczęściej wykorzystuje się izotop wodoru 1H, którego
jądra – czyli protony – są opisane liczbą spinową ½. Po umieszczeniu w silnym polu
magnetycznym protony mogą się znajdować w dwóch stanach energetycznych –
podstawowym i wzbudzonym. Aby wykonać pomiar, umieszcza się próbkę badanego związku
w polu magnetycznym i wzbudza jądra 1H za pomocą fal radiowych. Powrót jąder ze stanu
wzbudzonego do stanu podstawowego skutkuje wysłaniem sygnału rejestrowanego za
pomocą detektora. Częstotliwość tego sygnału zależy od położenia atomów w cząsteczce.
Zarejestrowane sygnały tworzą obraz zwany widmem NMR (rysunek poniżej), które dostarcza
ważnych informacji o budowie cząsteczki związku.
Liczba sygnałów w widmie jest równa liczbie grup równocennych atomów wodoru
w cząsteczce związku. Przykładowo – w cząsteczce octanu etylu obecne są trzy grupy
równocennych atomów wodoru: dwie różne grupy –CH3 i jedna grupa –CH2–, czyli w widmie
są obecne trzy sygnały. Te sygnały mogą mieć w określonych przypadkach złożony kształt, co
w pokazanym widmie skutkuje ich rozszczepieniem (poszerzeniem).
Drugim nuklidem często wykorzystywanym w pomiarach NMR jest izotop węgla 13C, którego
zawartość w naturalnym węglu wynosi ok. 1%. Jego jądro ma także spin ½,
w odróżnieniu od izotopu 12C, którego jądra mają spin zerowy i dlatego są nieaktywne w NMR.
Widma NMR węgla 13C rejestruje się w taki sposób, że sygnały są pojedynczymi liniami.
W cząsteczce octanu etylu są cztery nierównocenne atomy węgla, w związku z czym w widmie
13C są obecne cztery sygnały.
W produkcji benzyn wysokooktanowych wykorzystuje się procesy przemysłowe: kraking
i reforming, które umożliwiają uzyskanie pożądanych, rozgałęzionych węglowodorów.
Podczas rafinacji pewnej benzyny uzyskano węglowodór W, który poddano badaniu 1H NMR
oraz 13C NMR, w wyniku czego uzyskano widma przedstawione niżej.
Zadanie usunięte przez CKE z wersji informatora dla egzaminu maturalnego od roku szkolnego 2024/2025 jako niezgodne z podstawą programową.
Jedną z najważniejszych metod fizykochemicznych stosowanych do badania struktury
związków organicznych jest spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, NMR.
Wykorzystuje się w niej właściwość polegającą na tym, że jądra atomów większości
pierwiastków mają niezerowy spin. Najczęściej wykorzystuje się izotop wodoru 1H, którego
jądra – czyli protony – są opisane liczbą spinową ½. Po umieszczeniu w silnym polu
magnetycznym protony mogą się znajdować w dwóch stanach energetycznych –
podstawowym i wzbudzonym. Aby wykonać pomiar, umieszcza się próbkę badanego związku
w polu magnetycznym i wzbudza jądra 1H za pomocą fal radiowych. Powrót jąder ze stanu
wzbudzonego do stanu podstawowego skutkuje wysłaniem sygnału rejestrowanego za
pomocą detektora. Częstotliwość tego sygnału zależy od położenia atomów w cząsteczce.
Zarejestrowane sygnały tworzą obraz zwany widmem NMR (rysunek poniżej), które dostarcza
ważnych informacji o budowie cząsteczki związku.
Liczba sygnałów w widmie jest równa liczbie grup równocennych atomów wodoru
w cząsteczce związku. Przykładowo – w cząsteczce octanu etylu obecne są trzy grupy
równocennych atomów wodoru: dwie różne grupy –CH3 i jedna grupa –CH2–, czyli w widmie
są obecne trzy sygnały. Te sygnały mogą mieć w określonych przypadkach złożony kształt, co
w pokazanym widmie skutkuje ich rozszczepieniem (poszerzeniem).
Drugim nuklidem często wykorzystywanym w pomiarach NMR jest izotop węgla 13C, którego
zawartość w naturalnym węglu wynosi ok. 1%. Jego jądro ma także spin ½,
w odróżnieniu od izotopu 12C, którego jądra mają spin zerowy i dlatego są nieaktywne w NMR.
Widma NMR węgla 13C rejestruje się w taki sposób, że sygnały są pojedynczymi liniami.
W cząsteczce octanu etylu są cztery nierównocenne atomy węgla, w związku z czym w widmie
13C są obecne cztery sygnały.
Na podstawie analizy elementarnej ustalono wzór sumaryczny alkanu A: C5H12. Analiza widm
NMR dla związku A dała następujące wyniki: w widmie 1H NMR znajduje się jeden sygnał,
w widmie 13C NMR znajdują się dwa sygnały. Związek A i jego pochodne poddano
przemianom, które ilustruje poniższy schemat:
A +Br2, UV A1+NaOH, H2O A2+CuO, T A3
Stwierdzono, że stosunek ilościowy atomów wchodzących w skład cząsteczki związku A3
wynosił NC : NH : NO = 5 : 10 : 1.
Podaj nazwę systematyczną związku A oraz wzór półstrukturalny (grupowy) związku A3
i uzupełnij tabelę: określ liczbę sygnałów w widmach 1H NMR i 13C NMR dla związku A3.
Wzory trzech związków organicznych oznaczono numerami I–III i zestawiono w poniższej
tabeli. Te związki różnią się wartościami temperatury wrzenia.
Poniżej przedstawiono – w przypadkowej kolejności – wartości temperatury wrzenia
wymienionych związków (pod ciśnieniem 1013 hPa):
27,8°C
36,1°C
68,7°C
Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2003.
Przyporządkuj każdemu związkowi charakteryzującą go temperaturę wrzenia. Uzupełnij
tabelę. Podaj nazwę systematyczną związku o najwyższej temperaturze wrzenia i nazwę
systematyczną związku o najniższej temperaturze wrzenia. W obu przypadkach
uzasadnij swoje przyporządkowanie.
Numer związku
I
II
III
Temperatura wrzenia
Nazwa systematyczna związku o najwyższej temperaturze wrzenia:
Uzasadnienie:
Nazwa systematyczna związku o najniższej temperaturze wrzenia:
Wywoływacz fotograficzny często zawiera związek zwany hydrochinonem (nazwa systematyczna:
benzeno-1,4-diol). Redukuje on jony srebra powstałe na błonie fotograficznej podczas jej naświetlania do
metalicznego srebra, sam utleniając się do chinonu, czyli cykloheksa-2,5-dieno-1,4-dionu. Powstaje wtedy
obraz negatywowy, który należy jeszcze utrwalić, wypłukując z błony fotograficznej pozostały AgBr za
pomocą utrwalacza.
16.1. (0-1)
Napisz w postaci jonowej skróconej, używając wzorów półstrukturalnych związków
organicznych, równanie reakcji zachodzącej podczas wywoływania obrazu negatywowego
na błonie fotograficznej za pomocą roztworu hydrochinonu. Współczynniki dobierz za pomocą bilansu jonowo-elektronowego.
Równanie reakcji:
Równanie reakcji utleniania:
Równanie reakcji redukcji:
16.2. (0-1)
Określ, który związek pełni w tej reakcji rolę utleniacza, a który reduktora.
Utleniacz:
Reduktor:
16.3. (0-1)
Czy hydrochinon i chinon są związkami aromatycznymi?
To zadanie pochodzi ze zbioru matura 2022 wydawnictwa
W wyniku zasadowej hydrolizy 2-jodobutanu otrzymano alkohol, który następnie utleniono
tlenkiem miedzi(II).
25.1. (0–1)
Uzupełnij schemat opisanych przemian. Wpisz wzory półstrukturalne (grupowe):
2-jodobutanu, alkoholu otrzymanego w wyniku zasadowej hydrolizy 2-jodobutanu i organicznego produktu utlenienia tlenkiem miedzi(II) tego alkoholu.
2-jodobutan
zasadowa hydroliza
alkohol
utlenianie
produkt utlenienia alkoholu
25.2. (0–1)
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i podkreśl jedną odpowiedź spośród podanych
w każdym nawiasie.
Hydroliza zasadowa jodku alkilu jest reakcją (addycji / substytucji / eliminacji) zachodzącą
zgodnie z mechanizmem nukleofilowym. Przykładem obojętnego elektrycznie nukleofilu jest
cząsteczka (CH4 / H2 / NH3), a nukleofilu jonowego – jon (CN– / Cu2+ / H3O+).
Atomy fluorowców wykazują wyraźną tendencję do przyjęcia dodatkowego elektronu
i przejścia w jon X– lub też – gdy różnica elektroujemności fluorowca i łączącego się z nim pierwiastka jest mała – do utworzenia wiązania kowalencyjnego. W szczególnych warunkach
może nastąpić oderwanie elektronu od obojętnego atomu fluorowca i utworzenie jonu X+.
Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2004.
Poniżej przedstawiono schematy czterech przemian chemicznych A, B, C i D, w których
jednym z substratów jest chlor.
Spośród przemian oznaczonych literami A, B, C i D wybierz te, w przebiegu których
udział biorą rodniki chloru. Napisz litery, którymi oznaczono te przemiany.
4.2. (0–2)
W reakcjach substytucji elektrofilowej i addycji elektrofilowej bierze udział tzw. elektrofil, czyli
jon lub cząsteczka z niedomiarem elektronów.
Substytucja elektrofilowa w pierścieniu aromatycznym przebiega przez kilka etapów. Najpierw
powstaje nietrwałe połączenie (kompleks π), które następnie przekształca się w karbokation,
tzw. kompleks σ, co wiąże się z deformacją układu wiązań i utratą charakteru aromatycznego.
Po odłączeniu protonu układ wiązań odzyskuje charakter aromatyczny. Opisane etapy
zilustrowano na poniższym schemacie.
Szybkość tworzenia produktu substytucji elektrofilowej zależy od szybkości, z jaką powstaje
kompleks σ.
Reakcje addycji elektrofilowej przebiegają także poprzez tworzenie kompleksu π oraz
karbokationu, jednak kończą się połączeniem z czynnikiem nukleofilowym, utworzonym
w trakcie przemiany.
K.-H. Lautenschläger, W. Schröter, A. Wanninger, Nowoczesne kompendium chemii, Warszawa 2007.
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i podkreśl jedną odpowiedź spośród podanych
w każdym nawiasie.
Przykładem reakcji addycji elektrofilowej jest przemiana oznaczona literą (A / B / C / D).
W reakcji addycji cząsteczka chloru ulega rozpadowi na kation chloroniowy i anion chlorkowy
– wskutek oddziaływania z elektronami wiązania podwójnego. W wyniku działania czynnika
elektrofilowego na podwójne wiązanie węglowodoru powstaje, jako produkt przejściowy, organiczny (kation / rodnik), następnie przyłączający jon (Cl+
/ Cl–).
Przykładem reakcji substytucji elektrofilowej jest przemiana oznaczona literą
(A / B / C / D). W tej przemianie uczestniczy katalizator, który przez utworzenie jonu
kompleksowego powoduje rozpad cząsteczki chloru i wytworzenie czynnika elektrofilowego.
Tym katalizatorem jest (FeCl3 / H2SO4). W opisanej przemianie najwolniejszym etapem jest
ten, w którym (tworzy się kompleks σ / następuje eliminacja protonu).
Poniżej podano wzory czterech wybranych węglowodorów.
142.1 (0-1)
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i podkreśl numery, którymi oznaczono wzory
wszystkich związków spełniających warunki zadania.
Wzór ogólny CnH2n określa skład węglowodorów oznaczonych numerami (I / II / III / IV).
Izomerami konstytucyjnymi są węglowodory oznaczone numerami (I / II / III / IV).
W temperaturze pokojowej węglowodory oznaczone numerami (I / II / III / IV) to nierozpuszczalne w wodzie gazy, dla których charakterystyczne są reakcje substytucji rodnikowej.
142.2 (0-1)
Podaj wzór produktu reakcji związku II z wodą w obecności HgSO4 i H2SO4.
142.3 (0-1)
Wypełnij tabelę, wpisując literę P, jeżeli zdanie jest prawdziwe, lub literę F – jeżeli
jest fałszywe.
Zadanie
P/F
1.
Związek IV powstaje w reakcji addycji 2 moli wodoru do 1 mola związku I lub 1 mola wodoru do 1 mola związku II.
2.
W reakcji związku I z roztworem manganianu(VII) potasu w środowisku obojętnym powstaje związek organiczny, którego cząsteczki zawierają 2 grupy hydroksylowe.
3.
W reakcji całkowitego spalenia 1 mola każdego z podanych węglowodorów liczba moli powstającej wody jest największa w przypadku spalania związku III.
Poniżej przedstawiono ciąg przemian chemicznych, w których biorą udział związki organiczne,
umownie oznaczone literami A, B, C i D, a produktem ostatecznym jest 2-bromopropan.
Związek B jest izomerem, w którym atom chloru jest przyłączony do atomu węgla o niższej
rzędowości.
A Cl2, światło1. B NaOH2. C Al2O3, T3. D HBr4. 2-bromopropan
Uzupełnij poniższą tabelę. Określ typ reakcji 2. (addycja, eliminacja, substytucja) oraz
jej mechanizm (rodnikowy, elektrofilowy, nukleofilowy).
Poniżej przedstawiono ciąg przemian chemicznych, w których biorą udział związki organiczne,
umownie oznaczone literami A, B, C i D, a produktem ostatecznym jest 2-bromopropan.
Związek B jest izomerem, w którym atom chloru jest przyłączony do atomu węgla o niższej
rzędowości.
A Cl2, światło1. B NaOH2. C Al2O3, T3. D HBr4. 2-bromopropan
Napisz równania reakcji oznaczonych numerami 1 i 3. Zastosuj wzory półstrukturalne
(grupowe) związków organicznych.
Do całkowitego spalenia próbki zawierającej 8,43·1022 cząsteczek pewnego węglowodoru
zużyto 15,68 dm3 tlenu odmierzonego w warunkach normalnych. W reakcji wydzieliło się
18,48 g tlenku węgla(IV).
Ustal na podstawie obliczeń wzór sumaryczny tego węglowodoru.
Benzyna lekka otrzymywana w procesie przeróbki ropy naftowej jest mieszaniną ciekłych
węglowodorów zawierających od pięciu do dziewięciu atomów węgla w cząsteczce.
Na podstawie: E. Grzywa, J. Molenda, Technologia podstawowych syntez organicznych, Warszawa 2008.
Uzupełnij poniższe zdania – wybierz i podkreśl jedno właściwe określenie spośród
podanych w każdym nawiasie.
Benzynę lekką można rozdzielić na składniki przez (dekantację / destylację). W tej metodzie
do rozdziału mieszaniny wykorzystuje się różnice (gęstości / temperatury wrzenia / rozpuszczalności) jej składników.
Liczba oktanowa określa odporność benzyny na gwałtowne i nierównomierne spalanie. Liczba
oktanowa jest tym wyższa, im większa jest zawartość węglowodorów o łańcuchach węglowych
(prostych / rozgałęzionych) oraz węglowodorów aromatycznych w paliwie. Aby zwiększyć
liczbę oktanową, benzynę poddaje się procesowi (krakingu / reformingu) oraz wzbogaca ją
dodatkowymi składnikami.
