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:
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.
W dwóch probówkach A i B znajdują się oddzielnie dwa alkohole: 2‑metylopropan‑2‑ol
i butan‑1‑ol. Do obu probówek dodano wodny roztwór manganianu(VII) potasu i parę kropli
wodnego roztworu kwasu siarkowego(VI). Następnie zawartość probówek dokładnie
wymieszano. Po pewnym czasie od wykonania doświadczeń roztwory w próbówkach
wyglądały tak jak na zdjęciach poniżej:
Probówka A
Probówka B
Podaj nazwę alkoholu, który znajdował się w probówce A. Odpowiedź uzasadnij.
Aldehydy i ketony, których cząsteczki mają przynajmniej jeden atom wodoru związany
z atomem węgla sąsiadującym z grupą karbonylową (atomem węgla α) ulegają pod wpływem
katalitycznej ilości mocnej zasady reakcji aldolowej. Reakcja przebiega w taki sposób, że
zasada odrywa jon H+ od atomu węgla α związku karbonylowego, a utworzony karboanion
przyłącza się do atomu węgla grupy karbonylowej drugiej cząsteczki aldehydu lub ketonu.
W ostatnim etapie następuje przyłączenie jonu H+ do utworzonego anionu, w wyniku czego
powstaje końcowy produkt.
Zilustrowano to na poniższym schemacie reakcji, w której jako zasadę wykorzystano etanolan
sodu (Et oznacza grupę etylową):
Przykładowo z dwóch cząsteczek etanalu pod wpływem roztworu etanolanu sodu w etanolu
powstaje 3‑hydroksybutanal:
CH3–CHO + CH3–CHO EtONa, EtOH CH3–CHOH–CH2–CHO
W reakcji aldolowej mogą uczestniczyć zarówno cząsteczki tego samego związku
karbonylowego, jak i dwóch różnych związków, z których tylko jeden musi zawierać atom
wodoru związany z atomem węgla α.
Zależnie od budowy reagentów oraz warunków reakcji produkt reakcji aldolowej może ulegać
eliminacji cząsteczki wody, w wyniku czego powstaje albo nienasycony aldehyd, albo keton,
w którym wiązanie podwójne węgiel – węgiel sąsiaduje bezpośrednio z grupą karbonylową,
np.:
CH3–CHOH–CH2–CHO → CH3–CH=CH–CHO + H2O
Taką reakcję, w której powstaje finalnie produkt eliminacji wody z utworzonego początkowo
adduktu, nazywa się kondensacją aldolową.
46.1. (0–1)
W wyniku reakcji aldolowej propanonu (acetonu) z następczą eliminacją wody, czyli w wyniku
kondensacji aldolowej, powstaje związek nazywany zwyczajowo tlenkiem mezytylu.
Napisz wzór półstrukturalny (grupowy) tlenku mezytylu i jego nazwę systematyczną.
Wzór tlenku mezytylu:
Nazwa systematyczna tlenku mezytylu:
46.2. (0–1)
Aldehyd cynamonowy o wzorze:
otrzymuje się w wyniku kondensacji aldolowej dwóch aldehydów A i B, z których tylko aldehyd
B ma atomy wodoru związane z atomem węgla α.
Napisz wzory grupowe (półstrukturalne) aldehydów A i B.
Wzór aldehydu A
Wzór aldehydu B
46.3. (0–1)
Ustal, ile różnych produktów może powstać w wyniku reakcji aldolowej
przeprowadzonej dla równomolowej mieszaniny etanalu i propanalu. Odpowiedź
uzasadnij.
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:
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.
Przed rozpoczęciem miareczkowania wprowadza się do kolby kilka kropel wodnego roztworu
wskaźnika, którym jest o-fenantrolina (1,10-fenantrolina) przedstawiona wzorem 1. Sam ten
wskaźnik jest bezbarwny, ale tworzy z jonami żelaza Fe2+ kompleks (wzór 2.) o intensywnej
czerwonej barwie.
54.1. (0–1)
Wyjaśnij na podstawie struktury o‑fenantroliny, dlaczego może ona, podobnie jak
amoniak, pełnić funkcję ligandu w jonie kompleksowym.
54.2. (0–2)
Przyporządkuj kolby z roztworami (I–III) do kolejnych etapów miareczkowania jonów
dichromianowych(VI) jonami żelaza(II) w obecności o‑fenantroliny. Odpowiedź
uzasadnij.
I
II
III
Przed rozpoczęciem miareczkowania – kolba
Uzasadnienie:
Podczas dodawania roztworu soli żelaza(II) – kolba
Uzasadnienie:
W punkcie końcowym miareczkowania – kolba
Uzasadnienie:
W poniższej tabeli zestawiono wybrane właściwości litowców i berylowców.
Właściwość
Nazwa pierwiastka
lit
beryl
sód
magnez
potas
wapń
promień kationu*, pm
76
45
102
72
138
100
promień atomu, pm
134
125
154
145
196
174
pierwsza energia jonizacji, kJ∙mol−1
520
899
496
738
419
590
temperatura topnienia, K
454
1560
371
923
336
1115
* W tabeli podano promień kationów M+ – dla litowców oraz M2+ – dla berylowców.
Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2004.
6.1. (0–1)
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych
w każdym nawiasie.
Dla pierwiastków danego okresu stosunek promienia jonowego do promienia atomowego litowca jest (większy / mniejszy) niż stosunek promienia jonowego do promienia atomowego berylowca.
W każdym okresie temperatury topnienia berylowców są (wyższe / niższe) niż temperatury topnienia litowców, czego przyczyną jest silniejsze wiązanie metaliczne występujące między atomami (berylowców / litowców).
6.2. (0–1)
Pierwsza energia jonizacji to minimalna energia potrzebna do oderwania jednego elektronu od
atomu pierwiastka w stanie gazowym, czego skutkiem jest powstanie kationu. Molowa energia
jonizacji – wyrażona w kJ∙mol−1 – jest równa energii jonizacji 1 mola atomów.
Sformułuj zależność między wartością pierwszej energii jonizacji a liczbą atomową
berylowca. Wyjaśnij, dlaczego pierwsza energia jonizacji litowca jest niższa niż pierwsza
energia jonizacji berylowca leżącego w tym samym okresie układu okresowego.
Zależność między pierwszą energią jonizacji a liczbą atomową berylowca:
Pierwsza energia jonizacji litowca jest niższa niż pierwsza energia jonizacji berylowca,
leżącego w tym samym okresie układu okresowego pierwiastków, ponieważ
Srebro występuje w przyrodzie jako srebro rodzime, a także jako składnik minerałów, takich
jak argentyt Ag2S czy chlorargiryt AgCl. Proces wydobywania srebra z urobku górniczego
polega na przeprowadzeniu srebra w dobrze rozpuszczalny w wodzie kompleksowy związek
cyjankowy, w którym srebro wchodzi w skład anionu o wzorze [Ag(CN)2]–. W tym celu
rozdrobniony urobek górniczy poddaje się działaniu cyjanku sodu NaCN w obecności
powietrza. Poniższe schematy są ilustracją reakcji zachodzących podczas opisanego procesu:
Olejek eteryczny otrzymywany z majeranku zawiera m.in. substancje, których wzory i nazwy
przedstawiono poniżej.
Terpinen-4-ol (związek II) i terpineol (związek III) można otrzymać z terpinolenu (związek IV)
w wyniku jego reakcji z wodą w środowisku kwasowym.
24.1. (0–1)
Określ typ (addycja, eliminacja, substytucja) i nazwij mechanizm (elektrofilowy,
nukleofilowy, rodnikowy) tej reakcji.
Typ reakcji:
Mechanizm reakcji:
24.2. (0–1)
Oceń poprawność poniższej informacji i uzasadnij swoją odpowiedź.
Podczas reakcji terpinolenu (związek IV) z wodą powstaje znacznie więcej terpineolu
(związek III) niż terpinen-4-olu (związek II), ponieważ zgodnie z regułą Markownikowa
terpineol (związek III) jest produktem głównym tej reakcji.
Detergenty to związki, których cząsteczki zawierają fragment hydrofilowy (grupę polarną)
i część hydrofobową (łańcuch niepolarny). Poniżej przedstawiono wzór karnityny.
Rozstrzygnij, czy karnityna może być stosowana jako detergent. Odpowiedź uzasadnij –
uwzględnij budowę cząsteczki karnityny.
Pewna amina w roztworze wodnym ulega przemianie zgodnie z poniższym równaniem:
RNH2 + H2O ⇄ RNH+3 + OH−
Przygotowano wodny roztwór tej aminy w temperaturze 25°C. W otrzymanym roztworze
stopień dysocjacji aminy jest równy 3,1%, a pH tego roztworu wynosi 12,2.
27.1. (0–2)
Oblicz stałą dysocjacji zasadowej Kb tej aminy w temperaturze 25°C, a następnie wybierz
i podkreśl jej wzór.
Obliczenia:
Wzór:
CH3CH2CH2NH2
(CH3)3N
CH3CH2NH2
(CH3)2NH
27.2. (0–1)
Rozstrzygnij, czy dodanie stałego wodorotlenku potasu do opisanego roztworu tej aminy
będzie miało wpływ na wartość jej stopnia dysocjacji. Uzasadnij swoją odpowiedź.
