Matura z chemii 2012 – poziom podstawowy

Matura z chemii 2012 - poziom podstawowy

rozwiązania ze szczegółowym opracowaniem

Zobacz też: matura z chemii 2012 - poziom rozszerzony część 1 - część 2 - część 3


Zadanie 1.

Przedstaw konfigurację elektronową atomu argonu w stanie podstawowym. Podkreśl fragment konfiguracji, który opisuje stan elektronów zewnętrznej powłoki.

Rozwiązanie

Konfigurację elektronową (w domyśle: podpowłokową) możemy napisać albo z pamięci, jeżeli pamiętamy kolejność zapełniania podpowłok przez elektrony, albo ze schematu przedstawionego poniżej, albo -jeżeli umiemy- można ją częściowo "wyczytać" z budowy układu okresowego.

Schemat do odczytywania kolejności zapełniania podpowłok wygląda tak:

Chyba najłatwiej zapamiętać tak: Piszemy w kolumnie kolejne liczby od 1 do 7. Przy każdej z nich piszemy "s". Później, w drugiej kolumnie, piszemy kolejno liczby od 2 do 6 i przy każdej z nich "p". W trzeciej kolumnie piszemy liczby od 3 do 5 z literą "d", w czwartej kolumnie piszemy 4 i literę f. Teraz rysujemy linię prostą przecinającą zapisy "4f, 5d, 6p i 7s". Powyżej równoległą do niej linię przecinającą "4d, 5p i 4s", wyżej linię przecinającą "3d, 4p i 5s", potem linię przecinającą "3p i 4s", kolejną - "2p i 3s", później linię (równoległą do dotychczasowych) przecinającą 2s i ostatnią, też równoległą, linię przecinającą 1s. I schemat mamy gotowy. Korzysta się z niego tak, że "wędrujemy" od góry linii położonej najwyżej w dół (po skosie w lewo) i zapisujemy to, co linia przecina. Czyli "1s". Później "idziemy" do góry linii położonej poniżej i "wędrujemy" w dół zapisując to co linia przecina. Czyli "2s". Podobnie postępujemy z kolejną linią (2p 3s) i kolejnymi (3p 4s 3d...). Podpowłoka s zawiera maksymalnie 2 elektrony. Podpowłoka p - maks. 6 elektronów, d - maks. 10 elektronów, f - maks. 14 elektronów. Mamy napisać konfigurację argonu w stanie podstawowym. Argon ma liczbę atomową równą 18. Zatem jądro zawiera 18 protonów. W atomie liczba elektronów jest równa liczbie protonów, zatem atom argonu zawiera 18 elektronów. Zapełniamy teraz podpowłoki elektronami (kolejność odczytujemy ze schematu) aż do sumy równej 18. Czyli: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6. Koniec, konfiguracja gotowa.

Druga metoda, bez rysowania schematu, polega na ustalaniu kolejności zapełniania podpowłok na podstawie budowy układu okresowego. Dość łatwo ją wytłumaczyć np. podczas korepetycji (pokazując kolejne działania), trudniej opisując. Dlatego tutaj będzie nie będzie szczegółowo wytłumaczona, tylko w uproszczeniu. Możemy wyobrazić sobie, że skreślamy kolejno pierwiastki rzędami (okresy) począwsy od góry (od 1 okresu). Czyli "skreślamy": wodór i hel, później lit, bor, węgiel, azot, tlen, fluor, neon itd. Po każdym skreślonym okresie zapisujemy numer tego okresu, a po numerze litery odpowiadające podpowłokom z danego bloku energetycznego poprzedzone w razie potrzeby powtórzonym numerem okresu. W przypadku bloku d odejmujemy od numeru okresu 1, w przypadku bloku f - odejmujemy 2. Możliwe, drogi czytelniku, że ten opis nie był dla Ciebie wystarczający. W takim wypadku proponuję skorzystanie z metody z narysowaniem schematu. Możesz też przyjrzeć się budowie układu okresowego i kolejności zapełniania podpowłok przez elektrony. Być może rozszyfrujesz tą metodę.

Zadanie 2.

Napisz wzory jonów potasu i siarki, których konfiguracja elektronowa jest taka sama, jak konfiguracja atomu argonu w stanie podstawowym.

Rozwiązanie

Potas ma liczbę atomową równą 19, zatem atom potasu zawiera 19 protonów i 19 elektronów. Jeżeli konfiguracja jonu jest taka sama jak jonu argonu, to znaczy, że jon ten zawiera 18 elektronów. Czyli liczba protonów (dodatnich) jest o jeden większa od liczby elektronów (ujemnych). W takim razie ładunek jonu wynosi +1. Wzór jonu potasu: K+

Siarka ma liczbę atomową równą 16, zatem atom siarki zawiera 16 protonów i 16 elektronów. Jeżeli konfiguracja jonu jest taka sama jak jonu argonu, to znaczy, że jon ten zawiera 18 elektronów. Czyli liczba elektronów jest o dwa większa od liczby protonów. W takim razie ładunek jonu wynosi -2. Wzór jonu siarki: S2-

Zadanie 3.

Pierwiastek X tworzy jony o ładunku 2+, których konfiguracja elektronowa jest następująca: 1s2 2s22p6 (K2 L8) Podaj symbol pierwiastka X i określ jego położenie w układzie okresowym pierwiastków.

Rozwiązanie

Z konfiguracji elektronowej jonu wynika, że zawiera on 10 elektronów (2+2+6 lub 2+8). Skoro jon ma ładunek 2+, oznacza to, że liczba elektronów jest w nim o 2 mniejsza od liczby protonów. Jon pierwiastka zawiera tyle samo protonów co jego atom, jon i atom różnią się natomiast liczbą elektronów. Atom tego pierwiastka zawiera o 2 elektrony więcej niż jon, czyli atom zawiera 12 elektronów. Zawiera on też 12 protonów (w atomie liczba protonów i liczba elektronów są równe). W takim razie liczba atomowa tego pierwiastka wynosi 12. Patrzymy w układ okresowy, który pierwiastek ma liczbę atomową równą 12. Jest to magnez, Mg. Patrzymy, w którym jest okresie. W trzecim. W której grupie? W drugiej. Zatem: Symbol pierwiastka Mg, Numer okresu 3, Numer grupy 2.

Zadanie 4.

Właściwości chlorowodoru wynikają z charakteru wiązania chemicznego występującego w jego cząsteczce.

a) Określ charakter wiązania (kowalencyjne niespolaryzowane, kowalencyjne spolaryzowane, jonowe) w cząsteczce chlorowodoru.

Rozwiązanie

Generalnie pomiędzy atomami dwóch różnych niemetali występuje najczęściej wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Wodór i chlor tworzące chlorowodów, to właśnie dwa różne niemetale. Już na tej podstawie można by z dużym prawdopodobieństwem poprawnie odpowiedzieć: wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Jednak nie jest to pewne wnioskowanie. Lepiej obliczyć różnicę elektroujemności między atomami. Elektroujemność chloru w skali Paulinga wynosi 3,0. Elektroujemność wodoru: 2,1. Zatem różnica wynosi 0,9.

Ogólnie uznaje się zazwyczaj, że: Przy różnicy elektroujemności od 0 do 0,4 włącznie mamy do czynienia z wiązaniem kowalencyjnym niespolaryzowanym. Przy różnicy elektroujemności wyższej niż 0,4 lecz niższej niż 1,7 mamy do czynienia z wiązaniem kowalencyjnym spolaryzowanym. Przy różnicy elektroujemności wyższej lub równej 1,7 mamy do czynienia z wiązaniem jonowym.

Zatem w cząsteczce chlorowodoru występuje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane.

b) Uzupełnij poniższą charakterystykę chlorowodoru, podkreślając jedną z podanych w każdym nawiasie właściwości.

1. W temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym jest ciałem stałym. [Nie wymaga wyjaśnienia]

2. Dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalnikach polarnych, np. w wodzie. [Istnieje zasada "podobne rozpuszcza podobne", a chlorowodór, podobnie jak woda, jest związkiem polarnym. Możemy to stwierdzić na podstawie wiązania występującego w jego cząsteczce.]

Zadanie 5.

Poniżej przedstawiono struktury elektronowe dwóch cząsteczek: X2 i Z2.

a) Uzupełnij poniższe zdanie, podkreślając jeden wzór podany w każdym nawiasie.

Rozwiązanie

Wzór I ilustruje elektronową strukturę cząsteczki N2, a wzór II strukturę cząsteczki Br2.

Możemy to stwierdzić na podstawie liczby elektronów walencyjnych poszczególnych atomów. Atomy tworzące cząsteczkę X2 na rysunku zawierają (przed uwspólnieniem) po 5 elektronów walencyjnych (na ostatniej powłoce). Tyle elektronów walencyjnych zawiera azot (jest w piętnastej grupie układu okresowego, a liczba elektronów walencyjnych odpowiada cyfrze jedności w numerze grupy dla pierwiastków bloków s i p).

b) Na podstawie struktury elektronowej cząsteczki X2 określ liczbę elektronów walencyjnych w atomie pierwiastka X.Rozwiązanie

Atomy tworzące cząsteczkę Z2 na rysunku zawierają (przed uwspólnieniem) po 7 elektronów walencyjnych. Tyle elektronów walencyjnych zawiera brom (jest w siedemnastej grupie układu okresowego).

c) Określ charakter wiązań (kowalencyjne niespolaryzowane, kowalencyjne spolaryzowane, jonowe) występujących w cząsteczkach, których budowę przedstawiają oba wzory.

Charakter wiązań: kowalencyjne niespolaryzowane. Na rysunkach widzimy uwspólnione elektrony, co oznacza wiązanie kowalencyjne. Jedna i druga cząsteczka składa się z dwóch takich samych atomów, zatem wiązanie nie jest spolaryzowane (żaden z atomów nie przyciąga elektronów silniej od drugiego).

d) Określ krotność wiązania w cząsteczce X2.

Na rysunku widzimy trzy wspólne pary elektronowe. Zatem jest to wiązanie potrójne.

Zadanie 6.

Katalityczne utlenianie amoniaku przebiega zgodnie z równaniem

a) Określ stosunek objętościowy i masowy substratów i produktów tej reakcji, jeżeli przebiega ona w warunkach, w których wszystkie reagenty są gazami.

Rozwiązanie

Dla gazów w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury stosunek objętościowy jest równy stosunkowi molowemu. Stosunek molowy odczytujemy z reakcji (jest równy stosunkowi współczynników stechiometrycznych przy odpowiednich reagentach).

Stosunek objętościowy NH3 : O2 : NO : H2O = 4 : 5 : 4 : 6

Aby ustalić stosunek masowy reagentów, obliczamy pierw masy molowe. MNH3 = 14 g/mol + 3 * 1 g/mol = 17 g/mol MO2 = 2 * 16 g/mol = 32 g/mol MNO = 14 g/mol + 16 g/mol = 30 g/mol MH2O = 2 * 1 g/mol + 16 g/mol

Stosunek masowy reagentów będzie równy stosunkowi iloczynów mas molowych reagentów i ilości substancji (w molach) biorących udział w reakcji (bierzemy pod uwagę odpowiednie współczynniki stechiometryczne).

stosunek masowy NH3 : O2 : NO : H2O = (4 mol * 17 g/mol) : (5 mol * 32 g/mol) : (4 mol * 30 g/mol) : (6 * 18 g/mol) = 68 : 160 : 120 : 108 = 17 : 40 : 30 : 27

b) Ustal liczbę moli tlenu cząsteczkowego potrzebną do powstania 20 moli tlenku azotu(II).

Rozwiązanie

Układamy proporcję. Pierwsza linijka proporcji zawiera niewiadomą x oznaczającą ilość tlenu (w molach), z której powstaje 20 moli NO oraz ilość tlenku azotu(II) (w molach) wynikającą z treści zadania (20 moli). Druga linijka proporcji zawiera ilości: tlenu i tlenku azotu(II) wynikające z interpretacji molowej równania reakcji. (Innymi słowy: w drugiej linijce proporcji spisujemy odpowiednie współczynniki stechiometryczne dopisując jednostkę mol.)

x [mol] O2 ------- 20 mol NO 5 mol O2 ------- 4 mol NO

Obliczamy proporcję (iloczyn po jednej przekątnej równa się iloczynowi po drugiej przekątnej).

4 mol * x = 5 mol * 20 mol x = 25 mol

Liczba moli tlenu: 25

Informacja do zadań 7.-9. Poniższy schemat przedstawia początkowy fragment szeregu promieniotwórczego toru. Numerami w kółkach oznaczono kolejne człony tego szeregu, a strzałkami przemiany (alfa lub beta minus), jakim ich jądra ulegają.

Zadanie 7.

Określ liczbę protonów i liczbę neutronów w jądrze izotopu oznaczonego numerem 1.

Rozwiązanie

Liczba atomowa izotopu oznaczonego numerem 1 wynosi 90, liczba masowa: 232. Liczba protonów w atomie jest równa liczbie atomowej, liczba neutronów jest równa różnicy pomiędzy liczbą masową a liczbą atomową. Zatem liczba protonów jest równa 90, liczba neutronów = 232 - 90 = 142.

Zadanie 8.

Uzupełnij poniższy schemat, wpisując symbol i liczbę atomową pierwiastka, którego izotop oznaczono numerem 3, oraz liczbę masową tego izotopu.

Rozwiązanie

W tzw. zapisie nuklidowym (jaki mamy przedstawić) u dołu przed symbolem pierwiastka zapisuje się liczbę atomową, u góry przed symbolem - liczbę masową. Skoro pierwiastek oznaczony numerem 3 ma liczbę atomową 89, to jest to aktyn - symbol pierwiastka to Ac. Liczba masowa to 228.

Zadanie 9.

Określ typ przemian jądrowych (alfa lub beta minus) oznaczonych strzałkami I i III.

Przy przemianie alfa powstaje nuklid o liczbie atomowej o 2 mniejszej i o liczbie masowej o 4 mniejszej od wyjściowego. Przy przemianie beta minus powstaje nuklid o liczbie atomowej o 1 większej i o liczbie masowej takiej samej jak wyściowy.

Typ przemiany I: alfa Typ przemiany II: beta minus

Informacja do zadań 10. i 11.

Poniższy wykres przedstawia zależność masy trzech izotopów promieniotwórczych od czasu.

Zadanie 10.

Wskaż najtrwalszy izotop (1, 2 lub 3).

Rozwiązanie

Najtrwalszy izotop to ten o najdłuższym czasie połowicznego rozpadu. Na rysunku widzimy, że najdłuższy czas połowicznego rozpadu (równy trochę mniej niż 12 dni) ma izotop oznaczony numerem 3.

Zadanie 11.

a) Oszacuj okres półtrwania izotopu oznaczonego numerem 2.

Rozwiązanie

Odczytujemy z wykresu czas po jakim z początkowych 8 mg pozostanie połowa, czyli 4 mg.

Okres półtrwania izotopu oznaczonego numerem 2 wynosi około 5 dni.

b) Oszacuj, ile miligramów izotopu oznaczonego numerem 3 uległo rozpadowi w czasie 8 dni.

Rozwiązanie

Odczytujemy z wykresu masę początkową izotopu oznaczonego numerem 3. Jest równa 8 mg. Odczytujemy masę tego izotopu pozostałą po 8 dniach. Wynosi 5 mg. Odejmujemy je od siebie. 8 mg - 5 mg = 3 mg. W czasie ośmiu dni uległo rozpadowi 3 mg izotopu oznaczonego numerem 3.

Zadanie 12.

W oddzielnych probówkach przygotowano wodne roztwory następujących substancji:

Zbadano przewodnictwo elektryczne oraz odczyn otrzymanych roztworów.

Oceń prawdziwość poniższych zdań. Wpisz do tabeli literę P, jeżeli zdanie jest prawdziwe, lub literę F, jeśli jest fałszywe.

Rozwiązanie

Prąd elektryczny przewodzą roztwory, w których znajdują się jony. KBr, HCOOH, NH3, HBr i Na2SO4 ulegają w wodzie dysocjacji jonowej, w związku z czym w ich roztworach wodnych znajdują się jony (C2H5OH, glukoza i HCHO nie ulegają dysocjacji). Zdanie 1 jest prawdziwe.

Roztwór kwasu mrówkowego o wzorze HCOOH ma odczyn kwasowy, zatem zdanie drugie jest fałszywe.

KBr jest solą mocnego kwasu i mocnej zasady, zatem nie ulega hydrolizie i jej roztwór ma odczyn obojętny. C2H5OH jest alkoholem i nie ulega dysocjacji ani hydrolizie w roztworze wodnym, odczyn jego roztworu jest obojętny. HCOOH jest niższym kwasem karboksylowym i odczyn jego roztworu jest kwasowy. Cząsteczki amoniaku reagują z cząsteczkami wody tworząc jony NH4+ i jony OH-, zatem odczyn roztwory wodnego amoniaku jest zasadowy. HBr jest mocnym kwasem, odczyn jego wodnego roztworu jest kwasowy. Glukoza jest cukrem, nie ulega dysocjacji w roztworze wodnym, odczyn jej roztworu jest obojętny. HCHO jest aldehydem i nie ulega dysocjacji w roztworze wodnym, odczyn roztworu jest obojętny. Na2SO4 jest solą mocnego kwasu i mocnej zasady, nie ulega hydrolizie i odczyn jej wodnego roztworu jest obojętny. Zatem z wymienionych substancji tylko roztwór amoniaku ma odczyn zasadowy. Zdanie 3 jest prawdziwe.

Ciąg dalszy - matura z chemii 2012, poziom podstawowy

część trzecia

 
Call Now Button