Zadania maturalne z chemii

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:

𝑛_HNO3 = 𝑐₀_HNO3 ∙ 𝑉₀_HNO3 = 11,9 ∙ 0,175 dm³ = 2,083 mol
𝑐ᵏ_HNO3 = = 4,17
Uwzględniając gęstość otrzymanego roztworu, należy obliczyć wartość stężenia wyrażonego w procentach masowych:
𝑐_p(HNO3) =
𝑀_HNO3 = 63                                                   𝑑_HNO3 = 1,05 = 1050
𝑐_p(HNO3) = = 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

Zasady oceniania
4 pkt – rozwiązanie zawierające poprawnie zastosowaną metodę prowadzącą do obliczenia masy dwuwodnego siarczanu(VI) amonu ceru(IV), którego należało użyć do przygotowania mianowanego roztworu jonów ceru(IV).
3 pkt – poprawne zapisanie sumarycznego równania reakcji przebiegającej pomiędzy tlenkiem arsenu(III) a jonami ceru(IV), obliczenie masy dwuwodnego siarczanu(VI) amonu ceru(IV), którego należało użyć do przygotowania mianowanego roztworu jonów ceru(IV), ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, odczytu danych, wynik jest podany z błędną jednostką).
ALBO
– poprawne zapisanie sumarycznego równania reakcji przebiegającej pomiędzy tlenkiem arsenu(III) a jonami ceru(IV), obliczenie (w oparciu o równanie procesu dysocjacji) liczby moli siarczanu(VI) amonu ceru(IV), jaką należało użyć do przygotowania mianowanego roztworu jonów ceru(IV).
2 pkt – poprawne zapisanie sumarycznego równania reakcji przebiegającej pomiędzy tlenkiem arsenu(III) a jonami ceru(IV).
ALBO
– poprawne zapisanie sumarycznego równania reakcji przebiegającej pomiędzy tlenkiem arsenu(III) a jonami ceru(IV), obliczenie (w oparciu o równanie procesu dysocjacji) liczby moli siarczanu(VI) amonu ceru(IV), jaką należało użyć do przygotowania mianowanego roztworu jonów ceru(IV), ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, odczytu danych, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki).
ALBO
– zapisanie i zbilansowanie sumarycznego równania reakcji metodą algebraiczną.
1 pkt – zapisanie równania połówkowego reakcji redukcji jonów ceru(IV) i zapisanie równania połówkowego reakcji utlenienia tlenku arsenu(III).
ALBO
– zapisanie równania połówkowego reakcji redukcji jonów ceru(IV) i zapisanie równania połówkowego reakcji utlenienia tlenku arsenu(III), ale zapisane sumaryczne równanie reakcji przebiegającej pomiędzy tlenkiem arsenu(III) a jonami ceru(IV) ma usterki wynikające z błędów arytmetycznych.
0 pkt – rozwiązanie całkowicie błędne albo brak rozwiązania.

Przykładowe rozwiązanie
Należy napisać poprawnie równania połówkowe procesów:
a) redukcji kationów ceru(IV) do kationów ceru(III):
Ce⁴⁺ + e⁻ →  Ce³⁺
b) przebiegającego w środowisku kwasowym utlenienia tlenku arsenu(III) do kwasu arsenowego(V):
As₂O₃ + 5H₂O → 2H₃AsO₄ + 4H⁺ + 4e⁻     ALBO     As₂O₃ + 9H₂O → 2H₃AsO₄ + 4H₃O⁺ + 4e⁻
Następnie należy napisać sumaryczne równanie reakcji przebiegającej podczas nastawiania miana roztworu jonów ceru(IV):
As₂O₃ + 4Ce⁴⁺ + 5H₂O → 2H₃AsO₄ + 4Ce³⁺ + 4H⁺     ALBO     As₂O₃ + 4Ce⁴⁺ + 9H₂O → 2H₃AsO₄ + 4Ce³⁺ + 4H₃O⁺
Równanie reakcji utlenienia tlenku arsenu(III) do kwasu arsenowego(V) można także zbilansować metodą algebraiczną:
1As₂O₃ + 𝒙Ce⁴⁺ + 𝒚H₂O → 2H₃AsO₄ + 𝒙Ce³⁺ + 𝒛H⁺
bilans liczby poszczególnych atomów oraz ładunku:
O: 3 + 𝒚 = 8
H: 2𝒚 = 6 + 𝒛
ładunek: 4𝒙 = 3𝒙 + 𝒛

𝒙 = 4, 𝒚 = 5, 𝒛 = 4
W kolejnym etapie należy obliczyć liczbę moli tlenku arsenu(III) zużytego w reakcji przebiegającej podczas nastawiania miana roztworu jonów ceru(IV):
𝑀_As₂O₃ = 2 ∙ 74,92 + 3 ∙ 16,00 = 197,84
n_As₂O₃ = = 0,00905 mol
Następnie można obliczyć liczbę moli jonów Ce⁴⁺ obecnych w 200,0 cm³ roztworu:
𝑛_Ce⁴⁺ = 4∙𝑛_As₂O₃ = 4 ∙ 0,00905 = 0,0362 mol
Zapisując równanie procesu całkowitej dysocjacji jonowej siarczanu(VI) amonu ceru(IV) na jony, otrzymujemy:
(NH₄)₄Ce(SO₄)₄∙2H₂O 4 NH⁺₄ + Ce⁴⁺ + 4SO₄²⁻ + 2H₂O
𝑛_{(NH₄)₄Ce(SO₄)₄∙2H₂O} = 𝑛_Ce⁴⁺ = 0,0362 mol
W kolejnym etapie należy obliczyć masę molową dwuwodnego siarczanu(VI) amonu ceru(IV):
M_{(NH₄)₄Ce(SO₄)₄∙2H₂O} = 4 ∙ 14,01 + 20 ∙ 1,01 + 140,12 + 4 ∙ 32,07 + 18 ∙ 16,00 = 632,64
Do reakcji z tlenkiem arsenu użyto 200,0 cm³ z 1000,0 cm³ przygotowanego roztworu jonów ceru(IV), czyli jedną piątą. Aby obliczyć masę 𝑚_x dwuwodnego siarczanu(VI) amonu ceru(IV), należy więc obliczoną ilość tej soli pomnożyć przez 5 oraz pomnożyć przez jej masę molową:
𝑚_x = 5 ∙ 𝑛_{(NH₄)₄Ce(SO₄)₄∙2H₂O} ∙ M_{(NH₄)₄Ce(SO₄)₄ ∙ 2H₂O} = 5 ∙ 0,0362 mol ∙ 632,64 = 115 g

Zasady oceniania
4 pkt – rozwiązanie zawierające poprawnie zastosowaną metodę prowadzącą do porównania iloczynu stężeń jonów z wartością iloczynu rozpuszczalności i rozstrzygnięcia, czy w opisanym doświadczeniu wytrąci się osad chloranu(VII) potasu.
3 pkt – poprawne obliczenie stężeń wymienionych jonów po zmieszaniu roztworów i poprawne obliczenie iloczynu stężeń kationów potasu i anionów chloranowych(VII).
ALBO
– porównanie iloczynu stężeń jonów z wartością iloczynu rozpuszczalności rozstrzygnięcie, czy wytrąci się osad chloranu(VII) potasu, ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki).
2 pkt – poprawne obliczenie stężenia molowego nasyconego roztworu chloranu(VII) sodu.
ALBO
– poprawne obliczenie liczby moli tej soli w 2,00 cm³ nasyconego roztworu.
ALBO
– obliczenie stężeń wymienionych jonów po zmieszaniu roztworów i obliczenie iloczynu stężeń kationów potasu i anionów chloranowych(VII), ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki), o ile rozstrzygnięcie jest adekwatne do otrzymanego wyniku.
– obliczenie stężenia molowego nasyconego roztworu chloranu(VII) sodu, ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki).
ALBO
– obliczenie liczby moli tej soli w 2,00 cm³ nasyconego roztworu, ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki).
0 pkt – rozwiązanie całkowicie błędne albo brak rozwiązania.

Przykładowe rozwiązanie
Obliczenia można przeprowadzić dla 2,00 cm³ nasyconego roztworu chloranu(VII) sodu:
𝑚_{r-r nas.} = 𝑑 ∙ 𝑉_NaClO4 = 1,58 ∙ 2,00 = 3,16 g
m_NaClO4 = 3,16 g ∙ = 2,12 g
n_NaClO4 = = 0,0173 mol = 𝑛_ClO⁻4
(c_NaClO4 = = 8,65 )
Obliczenie liczby moli chlorku potasu w 15,00 cm³ roztworu:
𝑛_KCl = 𝑐_KCl ∙ 𝑉_KCl = 0,020 ∙ 0,015 = 0,0003 mol = 𝑛_K⁺
Obliczenie stężeń jonów po zmieszaniu roztworów:
𝑉ᵏ = 𝑉_KCl + 𝑉_NaClO4 = 0,002 + 0,015 = 0,017 dm³
[K⁺] = = 0,0176              [ClO⁻₄] = = 1,02
Obliczenie iloczynu stężeń jonów w roztworze:
[K⁺]·[ClO⁻₄] = 0,0176 · 1,02 = 0,0180 = 1,8∙10⁻² > 𝑲_S(KClO₄)
Powstanie osad KClO₄

Zasady oceniania
4 pkt – rozwiązanie zawierające poprawnie zastosowaną metodę prowadzącą do obliczenia pH roztworu w punkcie równoważnikowym i poprawnego ustalenia nazwy wskaźnika.
3 pkt – napisanie poprawnego wyrażenia na stałą równowagi dysocjacji kwasowej jonu amonowego i obliczenie wartości stałej dysocjacji kwasowej jonu amonowego.
ALBO
– obliczenie pH roztworu w punkcie równoważnikowym i poprawne ustalenie nazwy wskaźnika spełniającego warunek zawierania się punktu równoważnikowego w zakresie pH działania wskaźnika ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, odczytu danych, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki), wybór wskaźnika adekwatny do obliczonego pH.
2 pkt – poprawne obliczenie objętości zużytego roztworu amoniaku (titranta) i poprawne obliczenie stężenia molowego jonów amonowych obecnych w roztworze otrzymanym w procesie miareczkowania.
ALBO
– napisanie poprawnego wyrażenia na stałą równowagi dysocjacji kwasowej jonu amonowego i obliczenie wartości stałej dysocjacji kwasowej jonu amonowego, ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, odczytu danych, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki). 1 pkt – poprawne obliczenie liczby moli kwasu solnego i poprawne obliczenie liczby moli amoniaku.
ALBO
– obliczenie objętości zużytego roztworu amoniaku (titranta) i obliczenie stężenia molowego jonów amonowych obecnych w roztworze otrzymanym w procesie miareczkowania, ale rozwiązanie zawiera błędy (arytmetyczne, odczytu danych, wynik jest podany z błędną jednostką lub bez jednostki).
0 pkt – rozwiązanie całkowicie błędne albo brak rozwiązania.

Przykładowe rozwiązanie
Należy napisać równanie reakcji chemicznej przebiegającej podczas miareczkowania kwasowo-zasadowego:
HCl + NH₃ → NH⁺₄ + Cl⁻
W kolejnym kroku należy obliczyć liczbę moli zużytego chlorowodoru i na podstawie ustalonego z równania reakcji chemicznej molowego stosunku stechiometrycznego reagentów obliczyć objętość użytego wodnego roztworu amoniaku:
𝑛_HCl = 𝑐_HCl ∙ 𝑉_HCl = 25,0 ∙ 10⁻³dm³ ∙ 0,0100 = 2,50 ∙ 10⁻⁴ mol
𝑛_NH3 = 2,50 ∙ 10⁻⁴ mol
𝑉_NH3 = = 0,0125 dm³ = 12,5 cm³
W kolejnym etapie niezbędne jest obliczenie stężenia molowego jonów NH⁺₄ obecnych w roztworze otrzymanym w trakcie miareczkowania kwasowo-zasadowego:
[NH⁺₄] =                𝑛_NH⁺₄ = 𝑛_NH3= 2,50 ∙ 10⁻⁴ mol
𝑉_r = 𝑉_HCl + 𝑉_NH3 = 25,0 cm³ + 12,5 cm³ = 37,5 cm³
[NH⁺₄] = = 6,67 ∙ 10⁻³
Dla objętości dodanego titranta wynoszącej 12,5 cm³ należy obliczyć wartość pH punktu równoważnikowego. Należy zauważyć, że w punkcie równoważnikowym w roztworze są obecne jony NH⁺₄ (aq) i Cl⁻ (aq) pochodzące z dysocjacji jonowej otrzymanego w trakcie miareczkowania chlorku amonu. Sól ta zawiera kation pochodzący od słabej zasady i mocnego kwasu, zatem będzie ulegać procesowi hydrolizy kationowej:
NH⁺₄ + H₂O  ⇆  NH₃ + H₃O⁺
Kation NH⁺₄ pełni funkcję kwasu Brønsteda-Lowry`ego, zatem zapisując wyrażenie określające wartość stałej równowagi procesu hydrolizy, możemy stwierdzić, że:

Stężenie molowe kationów wodoru (kationów hydroniowych) należy wyrazić jako:
[H⁺] =
Zakładając, że doświadczenie przeprowadzano w temperaturze 25 ℃, po odczytaniu z „Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych […]” wartości 𝐾_b(NH3) = 1,78 ∙ 10⁻⁵, można obliczyć stałą dysocjacji kwasowej kationu amonu:
𝐾_b(NH3) ∙ 𝐾_a(NH⁺₄) = 10⁻¹⁴    stąd    𝐾_a(NH⁺₄) = = 5,62 ∙ 10⁻¹⁰
[H⁺] = = 1,94 ∙ 10⁻⁶ mol ∙ dm⁻³
Stąd należy obliczyć pH roztworu w punkcie równoważnikowym:
pH= – log[H⁺] = – log(1,94 ∙ 10⁻⁶) = 5,71

Zgodnie z przyjętą definicją pK_in ±1, wskaźniki zaprezentowane w tabeli zmieniają barwę w zakresach pH:

Zatem jedynym wskaźnikiem, którego zakres działania zawiera w sobie punkt równoważnikowy opisanego miareczkowania jest purpura bromokrezolowa.

Zasady oceniania
4 pkt – rozwiązanie zawierające poprawnie zastosowaną metodę prowadzącą do identyfikacji związku X, poprawnego zapisania równań reakcji z udziałem związku X i poprawnego wskazanie numerów zdjęć z obserwacjami.
3 pkt – wskazanie poprawnych obserwacji dla przeprowadzonych prób.
ALBO
– poprawne zidentyfikowanie związku X, zapisanie równań reakcji z usterkami (pod warunkiem, że w pierwszej reakcji uczeń wskazał na powstawanie związku kompleksowego, a w drugiej – na utlenienie grupy aldehydowej i wytrącenie osadu tlenku miedzi(I).
ALBO
– zapisanie równań reakcji z udziałem związku X, ale niepoprawne wskazanie numerów zdjęć.
2 pkt – wyznaczenie wzoru rzeczywistego i identyfikacja struktury związku X, w szczególności grup funkcyjnych obecnych w cząsteczce.
1 pkt – wyznaczenie wzoru empirycznego związku X.
ALBO
– wyznaczenie wzoru rzeczywistego, ale błędne dokonanie identyfikacji struktury związku X.
0 pkt – rozwiązanie całkowicie błędne albo brak rozwiązania.

Przykładowe rozwiązanie
Identyfikację cząsteczki związku X należy rozpocząć od wyprowadzenia wzoru empirycznego.
Założenie: 𝑚_X = 100 g
𝑚_C = 40,0 g       𝑚_O = 53,3 g       𝑚_H = 100 g – 40,0 g – 53,3 g = 6,7 g

𝑛_C : 𝑛_O : 𝑛_H = 3,33 : 3,33 : 6,7 = 1 : 1 : 2
wzór empiryczny: COH₂             𝑀_COH₂ =
Skoro masa molowa związku X nie jest większa od , to wzór rzeczywisty związku X może być następujący:

Informacja o tym, że w cząsteczce związku X występuje tylko jeden atom węgla, dla którego orbitalom walencyjnym można przypisać hybrydyzację sp², świadczy o obecności jednej grupy C=O, a wyklucza obecność wiązania podwójnego C=C. Wiedząc, że cząsteczka nie ma budowy cyklicznej, a łańcuchową, oraz że każdy atom węgla jest połączony z jednym atomem tlenu, można zaproponować 4 struktury związku X:

Tylko trzecia struktura przedstawia cząsteczkę, która jest chiralna.

Zasady oceniania
1 pkt – poprawne napisanie liczby masowej izotopu neodymu i poprawne napisanie nazwy przemian.
0 pkt – odpowiedź niespełniająca powyższego kryterium albo brak odpowiedzi.

Rozwiązanie
Liczba masowa A izotopu neodymu: 143
Izotop baru ulega przemianom β⁻

Zasady oceniania
1 pkt – poprawna ocena dwóch zdań.
0 pkt – odpowiedź niespełniająca powyższego kryterium albo brak odpowiedzi.

Rozwiązanie
1. – F;     2. – P

Zasady oceniania
1 pkt – poprawne napisanie rodzaju wiązania.
0 pkt – odpowiedź niespełniająca powyższego kryterium albo brak odpowiedzi.

Rozwiązanie
(wiązanie) metaliczne

Zasady oceniania
2 pkt – poprawne uzupełnienie obu wierszy tabeli.
1 pkt – poprawne uzupełnienie jednego wiersza tabeli.
0 pkt – odpowiedź niespełniająca powyższych kryteriów albo brak odpowiedzi.

Rozwiązanie

Zasady oceniania
1 pkt – poprawne uzupełnienie zdań.
0 pkt – odpowiedź niespełniająca powyższego kryterium albo brak odpowiedzi.

Rozwiązanie
Odporność metalu, z którego wykonuje się cysterny, na działanie stężonego kwasu azotowego(V) wynika z powstania na powierzchni metalu warstewki związku o wzorze Al₂O₃ LUB Cr₂O₃.
Proces ten jest nazywa się pasywacją.