Zadania maturalne z chemii

141

Zbiór zadań problemowych CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 4. (4 pkt)

Szybkość reakcji Oblicz

Wpływ temperatury na szybkość reakcji tłumaczy się wykładniczym wzrostem wartości stałej szybkości reakcji 𝑘. Tę zależność opisuje równanie Arrheniusa:

𝑘 = 𝐴 ∙ e^{–𝐸_a𝑅∙𝑇}

gdzie 𝐸_a oznacza energię aktywacji, 𝑅 – uniwersalną stałą gazową, a 𝑇 – temperaturę bezwzględną wyrażoną w kelwinach. Czynnik e^{–𝐸_a𝑅∙𝑇} informuje o tym, jaka część zderzających się molekuł ma energię większą lub równą energii aktywacji, natomiast czynnik 𝐴, nazywany czynnikiem przedwykładniczym, określa częstotliwości zderzeń efektywnych. Wartość czynnika 𝐴 jest w praktyce niezależna od temperatury. Równanie Arrheniusa może być przekształcone do postaci logarytmicznej:

ln(𝑘) = – 𝐸_a𝑅 ∙ 1𝑇 + ln𝐴

będącej równaniem liniowym (𝑦=𝑎𝑥+𝑏), opisującym zależność logarytmu naturalnego¹ ze stałej szybkości reakcji ln(𝑘) od odwrotności temperatury 1𝑇. Wartość (– 𝐸_a𝑅) jest współczynnikiem kierunkowym tej prostej.

Badano przebieg reakcji chemicznej, zachodzącej między wodorem i chlorkiem bromu, przebiegającej według następującego równania reakcji:

H₂ (g) + 2BrCl (g) → Br₂ (g) + 2HCl (g)

Po ustaleniu mechanizmu opisanej reakcji określono jej równanie kinetyczne jako:

𝑣 = 𝑘 ∙ 𝑐_H₂ ∙ 𝑐_BrCl

Tę reakcję przeprowadzano w różnych temperaturach należących do przedziału od 310 K do 380 K i za każdym razem wyznaczono wartość jej stałej szybkości. Otrzymane dane zestawiono w tabeli.

Nr pomiaru	Temperatura 𝑇, K	Stała szybkości reakcji 𝑘, dm³ ∙ mol⁻¹ ∙ s⁻¹
1	310	5,33∙10^–3
2	320	6,90∙10^–3
3	330	8,78∙10^–3
4	340	11,02∙10^–3
5	350	13,66∙10^–3
6	360	16,73∙10^–3
7	370	20,26∙10^–3
8	380	24,29∙10^–3

¹ logarytm o podstawie równej liczbie Eulera, wynoszącej e ≈ 2,7183, podlega takim samym regułom działań jak pozostałe logarytmy o innych podstawach należących do zbioru liczb rzeczywistych.

Uzupełnij tabelę brakującymi wartościami ln(𝒌) (z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku) oraz narysuj wykres zależności logarytmu naturalnego ze stałej szybkości reakcji pomiędzy wodorem a chlorkiem bromu ln(𝒌) od odwrotności temperatury 1𝑇. Następnie oblicz wartość energii aktywacji tej reakcji.

Obliczenia pomocnicze do narysowania wykresu:


1𝑇 ∙ 10⁵, K^–1	323	313
ln(𝑘)	–5,23	–4,98

Wykres:

Obliczenia:

142

Matura Maj 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 4. (2 pkt)

Wiązania chemiczne - ogólne Zamknięte (np. testowe, prawda/fałsz)

Ze względu na zdolność atomów węgla do łączenia się w łańcuchy ten pierwiastek tworzy z tlenem nie tylko związki takie jak CO i CO₂, lecz także mniej typowe połączenia. Jednym z nich jest ditlenek triwęgla o wzorze sumarycznym C₃O₂. Cząsteczka tego związku ma budowę liniową, atomami wewnętrznymi są w niej atomy węgla, a skrajnymi – atomy tlenu. Ditlenek triwęgla reaguje zarówno z wodą, jak i z amoniakiem. W każdej z tych reakcji powstaje jeden produkt. W reakcji z wodą tworzy się kwas dikarboksylowy, a w reakcji z amoniakiem – diamid tego kwasu.

Na podstawie: J.E. House, Inorganic Chemistry, Elsevier, 2008.

Narysuj wzór elektronowy cząsteczki C₃O₂ (zaznacz kreskami wiązania chemiczne i wolne pary elektronowe). Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.

Wzór elektronowy:

Aby wyjaśnić budowę cząsteczki C₃O₂, hybrydyzację typu sp przypisuje się orbitalom walencyjnym (trzech atomów / dwóch atomów / jednego atomu) węgla. Liczba wiązań σ w cząsteczce C₃O₂ wynosi (2 / 4 / 6 / 8).

143

Matura Czerwiec 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 4. (1 pkt)

Rodzaje wiązań i ich właściwości Zamknięte (np. testowe, prawda/fałsz)

Uzupełnij zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.

Tlen i siarka tworzą wodorki typu H₂E. Energia oddziaływań pomiędzy cząsteczkami wody jest (większa / mniejsza) niż energia odziaływań pomiędzy cząsteczkami siarkowodoru.
Woda w postaci lodu tworzy kryształ (molekularny / kowalencyjny).

144

Matura Maj 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 4. (1 pkt)

Wiązania chemiczne - ogólne Podaj/wymień

Z podanego zbioru:

NH⁺₄

H₂O

BCl₃

CH₄

wybierz i napisz wzór tej drobiny, w której:

orbitalom walencyjnym atomu centralnego przypisuje się hybrydyzację sp².
atom centralny może być akceptorem pary elektronowej.

145

Zadania dodatkowe matury dwujęzycznej (tłumaczenie BiologHelp) Maj 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 4. (1 pkt)

Wpływ czynników na przebieg reakcji Zamknięte (np. testowe, prawda/fałsz)

Węgiel i tlenek węgla(IV) umieszczono w zamkniętym pojemniku o objętości 1 dm³ w temperaturze T i pod ciśnieniem p. Następnie zainicjowano reakcję chemiczną. Po pewnym czasie osiągnięto stan równowagi reakcji zilustrowanej poniższym równaniem:

C (s) + CO₂ (g) ⇄ 2CO (g) ΔH > 0

Oceń, czy poniższe stwierdzenia są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.


1.	Zmniejszenie objętości reaktora w warunkach izotermicznych (T = const.) nie wpływa na stan równowagi.	P	F
2.	Po wprowadzeniu katalizatora wzrasta wydajność reakcji, w której powstaje tlenek węgla(II).	P	F

146

Zbiór zadań problemowych CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 5. (4 pkt)

Stan równowagi Uzupełnij/narysuj wykres, schemat lub tabelę

W zamkniętym reaktorze w stałej objętości (V = 1,00 dm³) znajduje się początkowa ilość gazowego substratu A równa 𝑛^o_A =1,100 mol. Układ ogrzano do temperatury 550°C, co zapoczątkowało reakcję rozkładu substratu A do gazowego produktu B. Układ termostatowano przez pewien czas, do ustalenia się równowagi dynamicznej pomiędzy reagentami A i B.

Na wykresie przedstawiono wyniki pomiaru stężeń reagentów A i B w trakcie trwania reakcji do momentu ustalenia się stanu równowagi dynamicznej w podanej temperaturze.

Po trzydziestu minutach ~~od momentu osiągnięcia stanu równowagi~~ od początku eksperymentu, po osiągnięciu stanu równowagi, do reaktora wprowadzono dodatkowo 0,800 mol reagenta A.

Uwagi od BiologHelp:
Zmodyfikowano oryginalną treść zadania od CKE, aby pokrywała się ona z poniższym wykresem załączonym do zadania oraz treścią polecenia.

Uzupełnij wykres tak, aby przedstawiał zmiany stężeń reagentów A i B w czasie trwania reakcji, od momentu wprowadzenia do układu dodatkowej ilości reagenta A (𝒕 = 𝟑𝟎 𝐦𝐢𝐧) do momentu zakończenia eksperymentu (𝒕 = 𝟔𝟎 𝐦𝐢𝐧).

Obliczenia:

147

Matura Maj 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 5. (2 pkt)

Podstawy chemii organicznej Narysuj/zapisz wzór

Na podstawie: J.E. House, Inorganic Chemistry, Elsevier, 2008.

Narysuj wzory półstrukturalne (grupowe) produktów opisanych reakcji ditlenku triwęgla z wodą i amoniakiem.

Wzór półstrukturalny produktu reakcji C₃O₂
z wodą	z amoniakiem

148

Matura Czerwiec 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 5. (1 pkt)

Wpływ czynników na przebieg reakcji Podaj i uzasadnij/wyjaśnij

W roztworze alkoholowo-wodnym zawierającym bromometan oraz wodorotlenek sodu przebiega reakcja opisana równaniem:

CH₃Br + OH⁻ → CH₃OH + Br⁻

Zależność szybkości tej reakcji od stężeń reagentów przedstawia równanie kinetyczne:

v = k ∙ c_CH₃Br ∙ c_OH⁻

W temperaturze 55 °C wartość k jest równa 2,14 · 10⁻² dm³ · mol⁻¹ · s⁻¹.

Na podstawie: R.T. Morrison, R.N. Boyd, Chemia organiczna, Warszawa 1996.

Opisaną reakcję otrzymywania metanolu prowadzono w jednakowej temperaturze w dwóch roztworach (I i II) o równej początkowej liczbie moli jonów OH^– i bromometanu. Wskutek użycia większej ilości rozpuszczalnika objętość roztworu II była dwukrotnie większa. Trzej uczniowie – oznaczeni jako A, B i C – sformułowali wnioski dotyczące wpływu różnicy objętości roztworów na początkową szybkość reakcji. Wnioski poszczególnych uczniów zapisano w tabeli.

Uczeń	Wniosek
A	Początkowa szybkość reakcji w roztworze I jest dwukrotnie większa od początkowej szybkości reakcji w roztworze II.
B	Początkowa szybkość reakcji w roztworze I jest czterokrotnie większa od początkowej szybkości reakcji w roztworze II.
C	Początkowa szybkość reakcji w roztworze I jest taka sama jak początkowa szybkość reakcji w roztworze II.

Rozstrzygnij, który uczeń (A, B czy C) sformułował poprawny wniosek. Odpowiedź uzasadnij.

Poprawny wniosek sformułował uczeń

Uzasadnienie:

149

Zadania dodatkowe matury dwujęzycznej (tłumaczenie BiologHelp) Maj 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 5. (2 pkt)

pH Reakcje i właściwości kwasów i zasad Napisz równanie reakcji Podaj/wymień

Aby określić pH wodnych roztworów NaNO₂ i NaNO₃, dwa kawałki żółtego uniwersalnego papierka wskaźnikowego zanurzono w roztworach, jak pokazano na poniższym schemacie.

5.1. (0-1)

Wyniki eksperymentu przedstawiono na poniższych fotografiach.

Określ, który uniwersalny papierek wskaźnikowy (A czy B) został zanurzony w wodnym roztworze w probówce I.

5.2. (0-1)

Napisz w formie jonowej skróconej równanie reakcji, w wyniku której pH jednego z badanych roztworów zmieniło odczyn na zasadowy. Zastosuj teorię kwasów i zasad Brønsteda-Lowry'ego.

150

Zbiór zadań problemowych CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 6. (4 pkt)

Stan równowagi Oblicz

Cząsteczki kwasu etanowego mogą łączyć się wiązaniami wodorowymi i tworzyć dimer:

Ten dimer występuje w stanie gazowym oraz w roztworach kwasu etanowego w rozpuszczalnikach nietworzących z nim wiązań wodorowych.
Roztwór 60,0 g kwasu octowego (1,00 mol) w 100,0 g benzenu wykazuje temperaturę wrzenia wyższą o 20,1°C względem wrzenia czystego benzenu. Podwyższenie temperatury wrzenia rozpuszczalnika jest proporcjonalne do łącznej liczby drobin substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku. Tę zależność opisuje poniższy wzór:

Δ𝑡 = 𝐾_b ∙ 𝑛𝑚_r

gdzie Δ𝑡 to różnica temperatury wrzenia roztworu i czystego rozpuszczalnika (wyrażona w °C), 𝑛 – sumaryczna liczba drobin w roztworze (wyrażona w molach), 𝑚_r – masa rozpuszczalnika (wyrażona w kilogramach), a 𝐾_b – stała ebulioskopowa, której wartość dla benzenu wynosi 2,51°C ∙ kg ∙ mol^–1.

Oblicz stężeniową stałą równowagi reakcji:

2CH₃COOH ⇄ (CH₃COOH)₂

w temperaturze T. W obliczeniach pomiń autodysocjację kwasu octowego i przyjmij, że otrzymany roztwór CH₃COOH w benzenie miał gęstość równą 0,96 g ∙ cm^–3.