KURS MATURALNY Z CHEMII

Transkrypt

1 KURS MATURALNY Z CEMII WYTŁUMACZENIE TEORII ROZWIĄZANIA ZADAŃ OMÓWIENIE MATUR

2 SPIS TREŚCI SPIS TREŚCI Chemia nieorganiczna 1. Mol 2. Stechiometria wzorów chemicznych 3. Stechiometria równań chemicznych 3.1.Stosunek stechiometryczny 3.2.Wydajność reakcji 3.3.Stosunek niestechiometryczny 4. Stężenia 4.1.Stężenie procentowe 4.2.Stężenie molowe 4.3.Stężenie masowe 4.4.Przeliczanie stężeń 4.5.Rozcieńczanie i zatężanie roztworów Mieszanie roztworów 4.7. Rozpuszczalność 5. ydraty 6. Budowa atomu 7. Konfiguracje elektronowe 8. Liczby kwantowe 9. Położenie w układzie okresowym a właściwości pierwiastków 10. Wiązania chemiczne 11. Geometria cząsteczek ybrydyzacja Moment dipolowy 12. Klasyfikacja związków nieorganicznych Wodorki Tlenki Wodorotlenki Kwasy Sole Wodorosole i hydroksosole 13. Amfoteryczność 14. Procesy związane z wymianą elektronów Stopnie utlenienia pierwiastków Reakcje redoks Związki manganu Związki chromu Reakcje kwasów utleniających z metalami 2

3 SPIS TREŚCI 15. Procesy w roztworach wodnych Dysocjacja Stała i stopień dysocjacji, prawo rozcieńczeń Ostwalda Wykładnik stężenia jonów wodorowych p Miareczkowanie Roztwory buforowe 16. Teorie kwasowo-zasadowe 17. ydroliza 18. Iloczyn rozpuszczalności 19. Szybkość reakcji chemicznych 20. Procesy równowagowe Równowaga reakcji 21. Procesy równowagowe Reguła przekory 22. *Efekty energetyczne reakcji 23. *Elektrochemia 24. *Elektroliza 25. *Promieniotwórczość Rozdziały oznaczone gwiazdką (*) obowiązują dla uczniów zdających starą podstawę programową. Chemia organiczna 1. Węglowodory alifatyczne 1.1. Alkany 1.2. Cykloalkany 1.3. Alkeny 1.4. Alkiny 2. Węglowodory aromatyczne 3. Alkohole i fenole 3.1. Alkohole monohydroksylowe 3.2. Alkohole polihydroksylowe 3.3. Fenole 4. Aldehydy i ketony 5. Kwasy karboksylowe 6. Estry i tłuszcze 6.1. Estry niższych kwasów karboksylowych 6.2. Estry wyższych kwasów karboksylowych- tłuszcze 6.3. Estry kwasów nieorganicznych 3

4 SPIS TREŚCI 7. Aminokwasy i białka 7.1. Aminokwasy 7.2. Białka 8. Aminy i amidy 8.1. Aminy 8.2. Amidy 9. Cukry 10. Mechanizmy reakcji 11. Izomeria optyczna 4

5 Fragment Lekcji Procesy równowagowe- reguła przekory Wiele osób uczy się na pamięć, w którą stronę przesuwa się równowaga reakcji w zależności od różnych zmian. Przeanalizujemy sobie tutaj wszystkie przypadki razem z wnikliwą analizą i od tej pory wszystko stanie się jasne i logiczne, a wkuwanie na pamięć pójdzie w kąt. Jeżeli na układ znajdujący się w stanie równowagi zadziała jakiś bodziec z zewnątrz, to w układzie będą zachodziły takie zmiany, aby zminimalizować działanie tego bodźca. Reguła przekory Le Chateliera-Brauna określa więc, jak zachowuje się układ po wytrąceniu go ze stanu równowagi. Będzie to działanie na przekór stąd też nazwa tej reguły. Po działaniu bodźca równowaga będzie przesuwać się w prawo lub w lewo (tzn., że reakcja biegnąca w prawo lub reakcja biegnąca w lewo będzie zachodziła intensywniej niż ta druga). Przesunięcie równowagi reakcji w prawo (czyli w stronę produktów) zawsze spowoduje wzrost wydajności reakcji. Przesunięcie równowagi w lewo (czyli w stronę substratów) zawsze spowoduje spadek wydajności reakcji. Zabierzmy się jednak za analizę na konkretnych przykładach np. dla reakcji: A + B C + D 1. Zmiana stężenia reagentów Jeśli ubędzie jakiegoś reagenta, to układ zrobi na przekór wszystko aby go odtworzyć (czyli równowaga będzie przesuwała się tak, aby reakcja jego syntezy była intensywniejsza). Jeśli jakiegoś reagenta będzie za dużo, to układ będzie go zużywał, aby nie gromadził się on nadmiarowo (czyli równowaga będzie przesuwała się tak, aby reakcja jego rozkładu była intensywniejsza) a) Wzrost stężenia substratu A lub B równowaga przesuwa się w prawo, wydajność reakcji wzrasta. b) Spadek stężenia substratu A lub B równowaga przesuwa się w lewo, wydajność reakcji maleje. c) Wzrost stężenia produktu C lub D równowaga przesuwa się w lewo, wydajność reakcji maleje. d) Spadek stężenia produktu C lub D równowaga przesuwa się w prawo, wydajność reakcji rośnie. 5

6 2. Zmiana temperatury reakcji W tym przypadku najpierw musimy sobie odpowiedzieć na pytanie jaki jest typ reakcji chemicznej- egzoenergetyczna czy endoenergetyczna. Przypomnijmy, że: Reakcja egzoenergetyczna: to taka, podczas której wydziela się energia (E) w postaci ciepła (energia jest jakby kolejnym produktem reakcji). Schemat reakcji możemy zapisać następująco: A + B C + D (energia) Reakcja endoenergetyczna: to taka, do której niezbędne jest dostarczenie energii w postaci ciepła (E). Energia jest jakby kolejnym substratem rekcji. Schemat reakcji możemy zapisać następująco: A + B (+energia) C + D Jeżeli energię, czyli ciepło, potraktujemy jako jeden z reagentów, to prościej będzie nam określać, w którą stronę będzie się przesuwała reakcja. Jeżeli temperatura będzie wzrastać, to reakcja będzie ją zużywać (aby nie doszło do przegrzania układu). Jeżeli temperatura będzie spadać, to reakcja będzie zachodziła w ten sposób aby wytwarzać ciepło (aby nie doszło do ochłodzenia układu) a) Wzrost T w reakcji egzoenergetycznej równowaga przesuwa się w lewo, wydajność reakcji spada. Analiza: Energia powstaje jako produkt reakcji. Jeżeli temperatura wzrasta, tzn., że aby nie doszło do przegrzania trzeba zużyć nadmiarowe ciepło. Widać, że z reagentów C, D i ciepła, wytwarzają się reagenty A i B. Aby zużyć ciepło, reakcja w kierunku substratów biegnie intensywniej. b) Spadek T w reakcji egzoenergetycznej równowaga przesuwa się w prawo, wydajność reakcji rośnie. Analiza: Energia powstaje jako produkt reakcji. Jeżeli temperatura spada, tzn., że aby nie doszło do nadmiernego schłodzenia trzeba wytwarzać ciepło. Aby ciepło wytworzyć, widać, że reakcja musi intensywniej biec w kierunku produktów, bo to tam wydziela się energia. (...) 6

7 Fragment lekcji Geometria cząsteczki ybrydyzacja- czy diabeł taki straszny jak go malują? Nieraz samo słowo hybrydyzacja przyprawia o dreszcze. Niby wiemy że coś takiego istnieje, ale nie potrafimy powiedzieć co to jest i czemu ma służyć. Spokojnie, nie będziesz czytać tutaj o funkcjach falowych, funkcjach matematycznych, czy równaniach Schrödingera. Zapamiętaj jedno- hybrydyzacja mówi nam jaki kształt przyjmuje cząsteczka. Podczas łączenia się atomów i tworzenia cząsteczek dochodzi do mieszania się różnych orbitali. W dużym uproszczeniu- w zależności od tego ile i jakie orbitale połączą się ze sobą, cząsteczka przyjmuje określony kształt. ybrydyzacja jest zatem matematycznym podejściem do tego tematu, dzięki obliczeniu typu hybrydyzacji, dowiemy się jaki kształt ma cząsteczka. Przejdźmy zatem do konkretów! Jak obliczyć typ hybrydyzacji? Potrafisz już rysować wzory strukturalne cząsteczek (jeśli nie- odsyłam do Rozdziału 10 Wiązania chemiczne ). Aby ocenić hybrydyzację musisz narysować wzór strukturalny cząsteczki, a następnie obliczyć tzw. liczbę przestrzenną (Lp) : Lp = liczba wiązań sigma odchodzących od atomu centralnego + liczba wolnych par elektronowych przy atomie centralnym Jeśli Lp=2 tzn., że mamy do czynienia z hybrydyzacją sp (ponieważ zmieszane są ze sobą 2 orbitale - s i p) Jeśli Lp=3 tzn., że mamy do czynienia z hybrydyzacją sp 2 (ponieważ zmieszane są ze sobą 3 orbitale - 1 orbital s i 2 orbitale p) Jeśli Lp=4 tzn., że mamy do czynienia z hybrydyzacją sp 3 (ponieważ zmieszane są ze sobą 4 orbitale - 1 orbital s i 3 orbitale p) Przykłady: Od atomu węgla odchodzą 2 wiązania sigma, brak jest wolnych par elektronowych. Lp CO 2 = 2+0= 2 Lp= 2 hybrydyzacja sp 7

8 Od atomu siarki odchodzą 2 wiązania sigma i 1 wolna para elektronowa. Wiązanie koordynacyjne liczymy jako 1 wiązanie sigma. Lp SO 2 = 2+1= 3 Lp= 3 hybrydyzacja sp 2 Od atomu azotu odchodzą 3 wiązania sigma i 1 wolna para elektronowa. Lp N 3 = 3+1= 4 Lp= 4 hybrydyzacja sp 3 Co typ hybrydyzacji mówi nam o cząsteczce? Skoro już wiemy jak obliczyć typ hybrydyzacji, dowiedzmy się jak ona wpływa na cząsteczkę. 1) ybrydyzacja sp Powstaje w wyniku zmieszania się orbitali s i p. Nazywa się inaczej hybrydyzacją digonalną. Cząsteczka ma kształt liniowy. Cząsteczka jest płaska (2D). Kąt między wiązaniami odchodzącymi od atomu centralnego ma 180 o. Schemat cząsteczki wygląda następująco: 8

9 2) ybrydyzacja sp 2 Powstaje w wyniku zmieszania się orbitalu s i dwóch orbitali p. Nazywa się inaczej hybrydyzacją trygonalną. Cząsteczka ma kształt trygonalny: trójkątny (tworzy trójkąt równoboczny) lub kątowy (tworzy trójkąt równoramienny). Cząsteczka jest płaska (2D). Kąt między wiązaniami odchodzącymi od atomu centralnego ma 120 o lub około 119 o. Schemat cząsteczki wygląda następująco: Jeżeli przy atomie centralnym brak jest wolnych par elektronowych to cząsteczka ma kształt trygonalny, dokładnie jest to kształt trójkąta równobocznego, a kąty pomiędzy wiązaniami wynoszą 120 o. Jeżeli przy atomie centralnym obecna jest wolna para elektronowa to cząsteczka ma kształt trygonalny, dokładnie jest to kształt kątowy, kształt trójkąta równoramiennego, a kąty między wiązaniami wynoszą około 119 o. ( ) 9

10 Fragment lekcji Klasyfikacja substancji nieorganicznych ( )Właściwości wodorosoli Dobrze rozpuszczają się w wodzie. Zazwyczaj są lepiej rozpuszczalne niż pochodzące od nich sole obojętne. Ich rozpuszczalność zazwyczaj zwiększa się wraz ze zwiększaniem się ilości atomu wodoru w anionie. Po rozpuszczeniu w wodzie wodorosole dysocjują na kationy metalu i wodoroaniony reszty kwasowej. W dalszym etapie wodoroaniony mogą dalej dysocjować lub hydrolizować (zazwyczaj i dysocjują i hydrolizują), co ma wpływ na odczyn roztworu, a zatem wodorosole nie zawsze mają odczyn kwasowy i nie powinny być nazywane solami kwaśnymi. ydroliza wodorosoli razem z przykładami została dokładnie opisana w Rozdziale 17 ydroliza. Otrzymywanie wodorosoli a) wieloprotonowy kwas + wodorotlenek wodorosól + woda 3 PO 4 + 2NaO Na 2 PO O b) sól + kwas wodorosól (N 4 ) 2 SO SO 3 2N 4 SO 3 c) Sól + mocniejszy kwas wodorosól + słabszy kwas NaF + 2 SO 4 NaSO 4 + F d) Sól + mniej lotny kwas wodorosól + bardziej lotny kwas Na 2 S SO 4 2NaSO S e) Wodorotlenek + nadmiar tlenku kwasowego wodorosól KO + CO 2 KCO 3 ( ) Fragment lekcji Cukry ( ) Budowa cukrów prostych Cukry proste można przedstawić za pomocą wzorów Fischera i wzorów awortha. Glukoza: ma wzór ogólny C 6 12 O 6, ma 6 atomów węgla jest heksozą, 10

11 posiada grupę aldehydową jest aldozą, pierwszy atom węgla należy do grupy aldehydowej, przy 3. atomie węgla grupa O znajduje się po lewej stronie łańcucha, przy 2, 4 i 5. atomie węgla grupa O znajduje się po prawej stronie łańcucha, naturalnie występującą glukozą jest D-glukoza, L-glukozę można otrzymać jedynie syntetycznie w laboratorium, bezbarwne ciało stałe, drobnokrystaliczna, bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie. Wzór Fischera: przedstawia jedynie uproszczony schemat budowy cukrów. Atomy węgla rysujemy jeden pod drugim, uzupełniamy je o grupę aldehydową, a następnie dorysowujemy odchodzące od nich grupy O i atomy po odpowiednich stronach łańcucha. Jest to D-glukoza, ponieważ grupa O przy ostatnim asymetrycznym atomie węgla znajduje się po prawej stronie. Wzór awortha: bardziej dokładne przedstawienie budowy cząsteczek cukrów, które są w stanie tworzyć formy pierścieniowe, dzięki wytworzeniu wiązania hemiacetalowego. Jak tworzy się forma pierścieniowa glukozy? Przeanalizujmy to na rysunkach: 1) W pierwszym etapie wodór z przedostatniego atomu węgla w łańcuchu węglowym zostaje przeniesiony na tlen grupy karbonylowej. 11

12 1 C O 2 C O O 3 C C O C O C 2 O 2) W wyniku tego dochodzi do rozerwania wiązania podwójnego w grupie karbonylowej, a wiązanie hemiacetalowe tworzy się pomiędzy atomem węgla nr 1, a tlenem obecnym przy 5 atomie węgla (dojdzie do połączenia atomów przez wiązania zaznaczone na czerwono). 1 C O 2 C O O 3 C C O C O C 2 O 3) Aby doszło do połączenia tych dwóch atomów łańcuch musi się odpowiednio zgiąć, by wytworzyć pierścień. Atomy węgla zaczynają zaginać się w następujący sposób: Przed przeniesieniem atomu wodoru: 6 C 2 O 4 O 5 O 3 O 2 1 O O 12

13 W trakcie przenoszenia atomu wodoru: 6 C 2 O 4 O 5 O 3 O 2 1 O O Po przeniesieniu atomu wodoru, rozerwaniu wiązania przy grupie karbonylowej i wytworzeniu nowego wiązania hemiacetalowego (zaznaczonego na czerwono): 6 C 2 O 4 O 5 O 3 O 2 1 O O 4) Pierścień, który się tworzy to pierścień 6-członowy (tzw. piranozowy). W jego obrębie znajdują się atomy węgla nr 1, 2, 3, 4, 5 i atom O znajdujący się przy węglu numer 5. Zasady towarzyszące rysowaniu cyklicznej formy glukozy: atom O rysuje się zawsze w prawnym górnym rogu sześciokąta, atomy C numeruje się od prawej strony atomu tlenu zgodnie z ruchem wskazówek zegara, istnieje reguła, która mówi, że podstawniki, które we wzorze Fischera znajdują się na prawo, to we wzore awortha znajdują się na dole, natomiast jeżeli we wzorze Fischera znajdują się na lewo, to we wzore awortha znajdują się na górze, grupę - C 2 O obecną przy 5 atomie węgla rysujemy zawsze na górze pierścienia. 13

14 Zależność pomiędzy wzorem Fischera a wzorem awortha: Wzór Fischera Podstawnik na prawo Podstawnik na lewo Wzór awortha Podstawnik na dole Podstawnik na górze Analiza budowy cząsteczki glukozy: Numer atomu C Wzór Fischera Wzór awortha 1 Należy do grupy karbonylowej. Nowo utworzona grupa O obecna na górze lub na dole pierścienia (anomery). 2 grupa O na prawo grupa O na dole 3 grupa O na lewo grupa O na górze 4 grupa O na prawo grupa O na dole 5 grupa O na prawo Brak grupy O ze względu na to, że zamieniła się ona w wiązanie hemiacetalowe. Przy węglu nr 5 znajduje się atom i grupa - C 2 O. 6 Obecne dwa atomy oraz grupa O, ułożenie nie jest istotne. Ugrupowanie - C 2 O znajduje się poza pierścieniem, zawsze na górze. Ostatecznie cząsteczkę glukozy w formie pierścieniowej możemy narysować następująco: 14

15 6 C 2 O 6 C 2 O 4 5 O O 1 LUB 4 5 O O O 1 O 3 2 O O O 3 2 O an o me r alf a an o me r beta ( ) Fragment lekcji Stężenia jedno z rozwiązanych zadao maturalnych Maj 2013 Krok 1 Obliczamy masę i liczbę moli maltozy na początku. Cp = 25,65 % mr = 200 g Cp = ms 100% mr 15

16 ms = Cp mr 100% ms = 51,3 g 1 mol maltozy 342 g x 51,3 g x = 0,15 mola maltozy początkowa liczba moli maltozy Krok 2 Jeżeli oznaczymy, że: x liczba moli reagujących maltozy to wiemy, że: 0,15 początkowa liczba moli maltozy 0,15 x liczba moli maltozy jaka pozostała po reakcji (na początku jest 0,15, a reaguje x) 2x liczba moli powstającej glukozy (wiemy to z reakcji, stosunek reagującej maltozy do powstającej glukozy jest równy 1:2) Skoro wiemy, że suma pozostającej w roztworze maltozy (0,15 x) oraz powstającej glukozy (2x) wynosi 0,28 mola, możemy zapisać równanie: 0,15 x + 2x = 0,28 x = 0,13 Krok 3 Obliczamy liczbę moli i masę glukozy 2x = 2 0,13 mola = 0,26 mola glukozy x = 46,8 g 1 mol glukozy 180 g 0,26 mola glukozy x 16

17 Krok 4 Obliczamy Cp. Cp = 46,8 g 100% = 23, 4 % 200 g Fragment lekcji Iloczyn rozpuszczalności jedno z wytłumaczonych zadao przykładowych PIERWSZY TYP ZADAŃ NA IR Zadanie 1 Zmieszano 2 cm 3 0,1 molowego Pb(NO 3 ) 2 i 1 cm 3 0,1 molowego KI. Czy wytrącił się osad? Krok 1: Zapisanie równania reakcji. Ir Pbl2 = 2, Krok 2: Nie wiemy czy stężenia jonów Pb 2+ i I - są na tyle duże by przewyższyły wartość Ir i pozwoliły na wytrącenie osadu. Obliczamy więc [Pb 2+ ] i [I - ]. Wiemy, że Pb(NO 3 ) K I Pb I 2 +2KN O 3 P b (N O 3)2 2 O Pb N O3 - vpb(no 3 ) 2 = 2 cm 3 = 0,002 dm 3 CPb(NO 3 ) 2 = 0,1 mol dm 3 n = c v = 0,1 mol dm 3 0,002 dm3 = 0,0002 mola Pb(NO 3 ) 2 npb(no 3 ) 2 = npb 2+ npb 2+ = 0,002 mola 17

18 Po reakcji v = 2 cm cm 3 = 3 cm 3 = 0,003 dm 3 [Pb 2+ ] = n V całkowite = 0,0002 mola 0,003 dm 3 = 0, 067 mol dm 3 To samo wykonujemy z jonami I -. Wiemy, że: K I 2 O K + + I - vki = 1 cm 3 = 0,001 dm 3 C KI = 0,1 mol dm 3 n = c v = 0,1 mol dm 3 0,001 dm3 = 0,0001 mola KI nki = ni ni = 0,0001 mola V całkowite = 0,003 dm 3 [I ] = n V całkowite = 0,0001 mola 0,003 cm 3 = 0, 033 mol dm 3 Krok 3 Jeżeli znamy stężenia jonów to napiszmy dysocjację PbI 2 i wzór na Ir. P bi 2 2 O P b I - Ir = [Pb 2+ ] [I ] 2 Krok 4 Podstawiamy dane do stężeń jonów i porównujemy do Ir. 0,067 (0,033) 2 = 0, = 7, , > 2, Iloczyn stężeń jonów przewyższył Ir czyli osad wytracił się. 18

19 Fragment lekcji Aminokwasy i białka jedno z wytłumaczonych zadao maturalnych Odpowiedź: Dipeptyd I Wyjaśnienie: Po zapisaniu tych peptydów w podobny wizualnie sposób wyglądają one następująco: I: O OO C C 2 C C N C CO O N 2 C 3 C C 3 II: O OOC C C 2 C N C COO N 2 C 3 C C 3 19

20 Fragmenty zaznaczone kółkiem są takie same. Przyjrzyjmy się częściom, które różnią się między sobą. Jest to fragment kwasu asparaginowego, który posiada 2 grupy COO. Aminokwasy białkowe (czyli te, które tworzą białka) to tzw. α- aminokwasy. Oznacza to, że grupa aminowa powinna znajdować się przy węglu α (czyli węglu numer 2). W cząsteczce kwasu asparaginowego węglem numer 1 będzie zatem ten zaznaczony na czerwono: OOC C 2 C COO i to właśnie ta grupa będzie tworzyć wiązanie peptydowe, dlatego peptyd, który będzie produktem hydrolizy naturalnego białka to: 2 O OC C 2 C N 2 O C 1 N 2 N C C 3 C C 3 COO Całość dostępna na 20