Chemia - Zbiór zadań problemowych CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 8.
Cynk jest metalem, który ulega reakcji zarówno z kwasami słabo utleniającymi, jak i silnie utleniającymi. W reakcjach z roztworami kwasu azotowego(V) cynk się utlenia, w wyniku czego tworzą się sole, w których występuje on na II stopniu utlenienia, natomiast – formalnie – atomy azotu z kwasu azotowego obniżają swój stopień utlenienia zależnie od stężenia użytego kwasu. Zależność stopnia utlenienia atomu azotu w dominującym produkcie gazowym reakcji cynku z kwasem azotowym(V) oraz dodatkowe informacje dotyczące powstającego produktu przedstawiono w poniższej tabeli.
| Stężenie kwasu azotowego(V) 𝑐HNO3, % | Stopień utlenienia atomu azotu w produkcie gazowym | Dodatkowe informacje o produkcie gazowym |
|---|---|---|
| < 3% | produkt gazowy nie zawiera atomu azotu | bezbarwny, palny |
| 3% – 9% | – | brak produktu gazowego |
| 10% – 19% | 0 | bezbarwny, niepalny |
| 20% – 29% | +I | bezbarwny |
| 30% – 59% | +II | bezbarwny, brązowieje w kontakcie z powietrzem |
| > 60% | +IV | brunatny |
Przeprowadzono następujące doświadczenie: do kolby miarowej o pojemności 500,00 cm3 wprowadzono 175,00 cm3 kwasu azotowego(V) o stężeniu 11,90 mol ∙ dm–3, a następnie kolbę dopełniono wodą destylowaną do kreski, w wyniku czego otrzymano roztwór o gęstości 1,05 g ∙ cm–3. Następnie do zlewki wprowadzono 400,00 cm3 otrzymanego roztworu i wrzucono ostrożnie granulki cynku.
Napisz w formie jonowej, z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy), równania reakcji redukcji i utleniania zachodzących podczas opisanego procesu roztwarzania cynku w przygotowanym roztworze kwasu azotowego(V) oraz sumaryczne równanie tej reakcji (w formie cząsteczkowej) prowadzącej do otrzymania produktu dominującego.
Równanie reakcji utleniania:
Równanie reakcji redukcji:
Sumaryczne równanie reakcji w formie cząsteczkowej:
Rozwiązanie
Zasady oceniania
4 pkt – rozwiązanie zawierające poprawnie zastosowaną metodę prowadzącą do obliczenia stężenia procentowego kwasu azotowego(V), napisania, w formie jonowej z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo- -elektronowy), równania reakcji redukcji i utleniania przebiegających podczas roztwarzania cynku w kwasie azotowym(V), napisania sumarycznego równania reakcji.
3 pkt – obliczenie stężenia procentowego kwasu azotowego(V), napisanie, w formie jonowej z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo- -elektronowy), równania reakcji redukcji i utleniania przebiegających podczas roztwarzania cynku w kwasie azotowym(V).
ALBO
– obliczenie stężenia procentowego kwasu azotowego(V), napisanie, w formie jonowej z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo- -elektronowy), równania reakcji redukcji i utleniania przebiegających podczas roztwarzania cynku w kwasie azotowym(V), napisanie sumarycznego równania reakcji, ale rozwiązanie zawiera błędy arytmetyczne, pod warunkiem, że otrzymane wyniki zostały poprawnie zinterpretowane.
2 pkt – obliczenie stężenia molowego kwasu azotowego(V), z uwzględnieniem gęstości otrzymanego roztworu, obliczenie stężenia procentowego kwasu azotowego(V) po rozcieńczeniu.
ALBO
– obliczenie stężenia procentowego kwasu azotowego(V), napisanie, w formie jonowej z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo- -elektronowy), równania reakcji redukcji i utleniania przebiegających podczas roztwarzania cynku w kwasie azotowym(V), ale rozwiązanie zawiera błędy arytmetyczne, pod warunkiem, że otrzymane wyniki zostały poprawnie zinterpretowane.
1 pkt – obliczenie stężenia procentowego kwasu azotowego(V), z uwzględnieniem gęstości otrzymanego roztworu.
ALBO
– obliczenie stężenia molowego kwasu azotowego(V), z uwzględnieniem gęstości otrzymanego roztworu, obliczenie stężenia procentowego kwasu azotowego(V) po rozcieńczeniu, ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki).
0 pkt – rozwiązanie całkowicie błędne albo brak rozwiązania.
Przykładowe rozwiązanie
W celu ustalenia dominującego produktu reakcji chemicznej cynku z kwasem azotowym(V) należy obliczyć stężenie procentowe roztworu kwasu azotowego(V), w którym przeprowadzono roztwarzanie metalu:
𝑛HNO3 = 𝑐0HNO3 ∙ 𝑉0HNO3 = 11,9 moldm3 ∙ 0,175 dm3 = 2,083 mol
𝑐kHNO3 = 𝑛HNO3𝑉kHNO3 = 2,083 mol0,500 dm3 = 4,17 moldm3
Uwzględniając gęstość otrzymanego roztworu, należy obliczyć wartość stężenia wyrażonego w procentach masowych:
𝑐p (HNO3) = 𝑐kHNO3 ∙ 𝑀HNO3 ∙ 100 %𝑑HNO3
𝑀HNO3 = 63 gmol
𝑑HNO3 = 1,05 gcm3 = 1050 gdm3
𝑐p (HNO3) = 4,17 moldm3 ∙ 63 gmol ∙ 100%1050 gdm3 = 25,0%
Na podstawie informacji zawartych w tabeli należy ustalić, że produktem gazowym reakcji jest ten, w którym atom azotu będzie występował na I stopniu utleniania, czyli tlenek azotu(I), a następnie należy ułożyć połówkowe równania reakcji utleniania i redukcji.
Równanie procesu utleniania:
Zn → Zn2++ 2e–
Równanie procesu redukcji:
2NO–3 + 10H+ + 8e– → N2O + 5H2O
ALBO
2NO–3 + 10H3O+ + 8e– → N2O + 15H2O
Sumaryczne równanie reakcji chemicznej:
4Zn + 10HNO3 → N2O + 4Zn(NO3)2+ 5H2O
