{"id":"chemia-2015-maj-matura-rozszerzona/zad/27","paper_id":"chemia-2015-maj-matura-rozszerzona","number":"27","points":1,"ptype":"open","subject":"chemia","category":"matura","year":2015,"month":"maj","level":"rozszerzona","text":"Zadanie 27. (0-1)\nWyjaśnij, dlaczego głównym produktem opisanych reakcji addycji i substytucji jest ta\nsama monobromopochodna 2-metylobutanu (2-bromo-2-metylobutan).\nWypełnia\negzaminator\nNr zadania\n23.1. 23.2. 23.3.\n24.\n25.\n26.\n27.\nMaks. liczba pkt\n2\n1\n1\n1\n2\n1\n1\nUzyskana liczba pkt\nMCH_1R","answer":null,"answer_text":"Zadanie 27. (0-1)\nII. Rozumowanie\ni zastosowanie nabytej\nwiedzy do\nrozwiązywania\nproblemów.\nIV etap edukacyjny - poziom rozszerzony\n9. Węglowodory. Zdający:\n9.7) opisuje właściwości chemiczne alkanów, na przykładzie\nnastępujących reakcji: […] podstawianie (substytucja) atomu\n[…] wodoru przez atom […] bromu przy udziale światła.\n9.8) opisuje właściwości chemiczne alkenów, na przykładzie\nnastępujących reakcji: przyłączanie (addycja): […] HBr […].\n9.11) wyjaśnia na prostych przykładach mechanizmy reakcji\nsubstytucji, addycji […].\nPoprawna odpowiedź\nW reakcji addycji (zgodnie z regułą Markownikowa) brom ulega addycji do atomu węgla,\nktóry połączony jest z mniejszą liczbą atomów wodoru lub który ma więcej podstawników\nalkilowych. W reakcji substytucji brom podstawia łatwiej atom wodoru połączony z atomem\nwęgla o wyższej rzędowości.\nSchemat punktowania\n1 p. - za poprawne wyjaśnienie.\n0 p. - za odpowiedź niepełną lub błędną, np. Obie reakcje przebiegają zgodnie z regułą\nMarkownikowa, albo brak odpowiedzi.","solution":"## Poprawna odpowiedź: W obu reakcjach powstaje głównie 2-bromo-2-metylobutan, ponieważ oba mechanizmy prowadzą przez trwałe trzeciorzędowe centrum (C2) - karbokation w addycji i rodnik w substytucji.\n\n## Sposób 1 - analiza trwałości intermediatu w obu mechanizmach\n\n### Addycja HBr do 2-metylobut-2-enu (reguła Markownikowa)\n\nAlkeny poprzedzające 2-bromo-2-metylobutan to np. 2-metylobut-2-en:\n\n\\[\\ce{(CH3)2C=CH-CH3 + HBr ->}\\]\n\nMechanizm: **proton atakuje podwójne wiązanie**. Mogą powstać dwa karbokationy:\n\n| Miejsce przyłączenia H⁺ | Powstały karbokation | Trzeciorzędowość |\n| na C3 (→ Br na C2) | \\(\\ce{(CH3)2\\overset{+}{C}-CH2-CH3}\\) | **III-rzędowy** ✓ |\n| na C2 (→ Br na C3) | \\(\\ce{(CH3)2CH-\\overset{+}{C}H-CH3}\\) | II-rzędowy |\n\nKarbokation **trzeciorzędowy** jest znacznie trwalszy od II-rzędowego, bo:\n- trzy grupy alkilowe przekazują elektronowo na deficytowe centrum (efekt indukcyjny +I)\n- silniejsza stabilizacja hiperkonjugacyjna (więcej wiązań C-H i C-C sąsiednich)\n\nZatem głównie powstaje karbokation III-rzędowy przy C2, który wychwytuje \\(\\ce{Br-}\\):\n\n\\[\\ce{(CH3)2\\overset{+}{C}-CH2CH3 + Br- -> (CH3)2CBr-CH2CH3}\\]\n\n**Główny produkt: 2-bromo-2-metylobutan.**\n\n### Substytucja wolnorodnikowa bromem w 2-metylobutanie\n\n\\[\\ce{(CH3)2CH-CH2-CH3 + Br2 ->[$h\\nu$] (CH3)2CBr-CH2-CH3 + HBr}\\]\n\nMechanizm: **rodnik bromu odrywa atom H** z cząsteczki 2-metylobutanu, tworząc rodnik węglowy. W 2-metylobutanie są trzy typy węgli:\n\n| Węgiel | Typ | Powstały rodnik | Trwałość |\n| C2 | **III-rzędowy** (1 H) | \\(\\ce{(CH3)2\\dot{C}-CH2CH3}\\) | **największa** ✓ |\n| C3 | II-rzędowy (2 H) | \\(\\ce{(CH3)2CH-\\dot{C}H-CH3}\\) | średnia |\n| C1, C4 | I-rzędowy (3 H) | \\(\\ce{\\dot{C}H2- }\\) | najmniejsza |\n\nBrom jest **selektywnym halogenem** - mocno preferuje abstrakcję H z miejsca, gdzie powstaje najtrwalszy rodnik (III-rzędowy, bo niesparowany elektron stabilizowany przez 3 grupy alkilowe). Reaktywność III > II >> I.\n\nMimo że C1+C4 mają łącznie 6 atomów H (a C2 tylko 1), selektywność bromu jest tak wysoka (stosunek reaktywności III:II:I ≈ 1600:80:1), że główny produkt pochodzi od C2.\n\nRodnik trzeciorzędowy przy C2 reaguje z \\(\\ce{Br2}\\):\n\n\\[\\ce{(CH3)2\\dot{C}-CH2CH3 + Br2 -> (CH3)2CBr-CH2CH3 + Br*}\\]\n\n**Główny produkt: 2-bromo-2-metylobutan.**\n\n### Wniosek\n\n> **Oba mechanizmy prowadzą przez trwałe centrum przy C2** (trzeciorzędowym węglu 2-metylobutanu):\n> - addycja → przez **karbokation III-rzędowy** (stabilizowany indukcyjnie i hiperkonjugacyjnie)\n> - substytucja → przez **rodnik III-rzędowy** (stabilizowany analogicznie, choć efekty słabsze niż dla kationów)\n>\n> Ponieważ w obu przypadkach to samo centrum (C2) jest energetycznie uprzywilejowane jako przemijający intermediate, oba procesy dają ten sam produkt końcowy - **2-bromo-2-metylobutan**.\n\n## Sposób 2 - weryfikacja przez porównanie energii intermediatu (jakościowy diagram energetyczny)\n\nMożna to spojrzeć od strony energii aktywacji (reguła Hammonda):\n\n- Krok wyznaczający szybkość reakcji (RDS) przechodzi przez **stan przejściowy podobny do intermediatu**.\n- Im trwalszy intermediatny karbokation/rodnik → **niższy stan przejściowy** → **mniejsza energia aktywacji** → **szybsza ścieżka** → **więcej produktu**.\n\nDla addycji: trzeciorzędowy karbokation jest stabilniejszy od II-rzędowego o ok. \\(60\\text{-}80 \\text{ kJ/mol}\\) → ścieżka przez C2 energetycznie dominuje.\n\nDla substytucji: trzeciorzędowy rodnik stabilniejszy od II-rzędowego o ok. \\(10\\text{-}15 \\text{ kJ/mol}\\) → przy selektywnym bromie wystarczy, by C2 był głównym miejscem ataku.\n\nOba diagramy wskazują na **tę samą preferencję C2** - stąd identyczny produkt.\n\n## Wzory z karty CKE\n\nW tym zadaniu nie używamy konkretnych wartości liczbowych z karty wzorów - zadanie sprawdza rozumienie mechanizmów organicznych.\n\n📖 **Karta wzorów str. 7 - Wpływ kierujący podstawników:**\nTabela orto/para/meta jest blisko związana z efektami elektronowymi w pierścieniu. Analogiczne efekty indukcyjne (+I grup alkilowych) stabilizują karbokation/rodnik w układach alifatycznych - ta sama logika, bez osobnego wzoru do cytowania.\n\n## Typowe pułapki i uwagi\n\n⚠️ **Uwaga:** Nie mylić pojęć - w addycji intermediat to **karbokation** (brak elektronu), a w substytucji wolnorodnikowej to **rodnik** (wolny elektron). Oba są stabilizowane przez grupy alkilowe, ale karbokation jest **znacznie bardziej** selektywny. Brom jako rodnik też jest selektywny (w przeciwieństwie do chloru!).\n\n⚠️ **Uwaga:** Część uczniów zapomina, że selektywność bromu jest bardzo wysoka - nawet 1 atom H przy III-rzędowym węglu \"wygrywa\" z 6 atomami H przy węglach I-rzędowych. To odróżnia bromowanie od chlorowania.\n\n⚠️ **Uwaga:** Odpowiedź niepełna to napisać tylko \"trzeciorzędowy jest trwalszy\" bez wytłumaczenia DLACZEGO (efekt indukcyjny +I grup alkilowych, stabilizacja hiperkonjugacyjna). Na maturze rozszerzonej wymaga się mechanistycznego uzasadnienia.","image":"img/chemia-2015-maj-matura-rozszerzona/zad-27.webp","solution_image":null,"topics":null,"page_from":13,"source":"ocr","answer_source":null,"answer_text_source":"ocr","solution_source":"maturazai","text_source":"ocr","source_label":"Chemia · Matura · maj 2015 (rozszerzona)","subject_label":"Chemia","category_label":"Matura","text_html":"<p>Zadanie 27. (0-1)<br>Wyjaśnij, dlaczego głównym produktem opisanych reakcji addycji i substytucji jest ta<br>sama monobromopochodna 2-metylobutanu (2-bromo-2-metylobutan).<br>Wypełnia<br>egzaminator<br>Nr zadania<br>23.1. 23.2. 23.3.<br>24.<br>25.<br>26.<br>27.<br>Maks. liczba pkt<br>2<br>1<br>1<br>1<br>2<br>1<br>1<br>Uzyskana liczba pkt<br>MCH_1R</p>","answer_text_html":"<p>Zadanie 27. (0-1)<br>II. Rozumowanie<br>i zastosowanie nabytej<br>wiedzy do<br>rozwiązywania<br>problemów.<br>IV etap edukacyjny - poziom rozszerzony</p>\n<ol><li>Węglowodory. Zdający:</li></ol>\n<p>9.7) opisuje właściwości chemiczne alkanów, na przykładzie<br>następujących reakcji: […] podstawianie (substytucja) atomu<br>[…] wodoru przez atom […] bromu przy udziale światła.<br>9.8) opisuje właściwości chemiczne alkenów, na przykładzie<br>następujących reakcji: przyłączanie (addycja): […] HBr […].<br>9.11) wyjaśnia na prostych przykładach mechanizmy reakcji<br>substytucji, addycji […].<br>Poprawna odpowiedź<br>W reakcji addycji (zgodnie z regułą Markownikowa) brom ulega addycji do atomu węgla,<br>który połączony jest z mniejszą liczbą atomów wodoru lub który ma więcej podstawników<br>alkilowych. W reakcji substytucji brom podstawia łatwiej atom wodoru połączony z atomem<br>węgla o wyższej rzędowości.<br>Schemat punktowania<br>1 p. - za poprawne wyjaśnienie.<br>0 p. - za odpowiedź niepełną lub błędną, np. Obie reakcje przebiegają zgodnie z regułą<br>Markownikowa, albo brak odpowiedzi.</p>","solutions":[{"source":"maturazai","label":"maturazai.pl (AI)","kind":"text","html":"<h4>Poprawna odpowiedź: W obu reakcjach powstaje głównie 2-bromo-2-metylobutan, ponieważ oba mechanizmy prowadzą przez trwałe trzeciorzędowe centrum (C2) - karbokation w addycji i rodnik w substytucji.</h4>\n<h4>Sposób 1 - analiza trwałości intermediatu w obu mechanizmach</h4>\n<h5>Addycja HBr do 2-metylobut-2-enu (reguła Markownikowa)</h5>\n<p>Alkeny poprzedzające 2-bromo-2-metylobutan to np. 2-metylobut-2-en:</p>\n<p>\\[\\ce{(CH3)2C=CH-CH3 + HBr -&gt;}\\]</p>\n<p>Mechanizm: <strong>proton atakuje podwójne wiązanie</strong>. Mogą powstać dwa karbokationy:</p>\n<p>| Miejsce przyłączenia H⁺ | Powstały karbokation | Trzeciorzędowość |<br>| na C3 (→ Br na C2) | \\(\\ce{(CH3)2\\overset{+}{C}-CH2-CH3}\\) | <strong>III-rzędowy</strong> ✓ |<br>| na C2 (→ Br na C3) | \\(\\ce{(CH3)2CH-\\overset{+}{C}H-CH3}\\) | II-rzędowy |</p>\n<p>Karbokation <strong>trzeciorzędowy</strong> jest znacznie trwalszy od II-rzędowego, bo:</p>\n<ul><li>trzy grupy alkilowe przekazują elektronowo na deficytowe centrum (efekt indukcyjny +I)</li><li>silniejsza stabilizacja hiperkonjugacyjna (więcej wiązań C-H i C-C sąsiednich)</li></ul>\n<p>Zatem głównie powstaje karbokation III-rzędowy przy C2, który wychwytuje \\(\\ce{Br-}\\):</p>\n<p>\\[\\ce{(CH3)2\\overset{+}{C}-CH2CH3 + Br- -&gt; (CH3)2CBr-CH2CH3}\\]</p>\n<p><strong>Główny produkt: 2-bromo-2-metylobutan.</strong></p>\n<h5>Substytucja wolnorodnikowa bromem w 2-metylobutanie</h5>\n<p>\\[\\ce{(CH3)2CH-CH2-CH3 + Br2 -&gt;[$h\\nu$] (CH3)2CBr-CH2-CH3 + HBr}\\]</p>\n<p>Mechanizm: <strong>rodnik bromu odrywa atom H</strong> z cząsteczki 2-metylobutanu, tworząc rodnik węglowy. W 2-metylobutanie są trzy typy węgli:</p>\n<p>| Węgiel | Typ | Powstały rodnik | Trwałość |<br>| C2 | <strong>III-rzędowy</strong> (1 H) | \\(\\ce{(CH3)2\\dot{C}-CH2CH3}\\) | <strong>największa</strong> ✓ |<br>| C3 | II-rzędowy (2 H) | \\(\\ce{(CH3)2CH-\\dot{C}H-CH3}\\) | średnia |<br>| C1, C4 | I-rzędowy (3 H) | \\(\\ce{\\dot{C}H2- }\\) | najmniejsza |</p>\n<p>Brom jest <strong>selektywnym halogenem</strong> - mocno preferuje abstrakcję H z miejsca, gdzie powstaje najtrwalszy rodnik (III-rzędowy, bo niesparowany elektron stabilizowany przez 3 grupy alkilowe). Reaktywność III &gt; II &gt;&gt; I.</p>\n<p>Mimo że C1+C4 mają łącznie 6 atomów H (a C2 tylko 1), selektywność bromu jest tak wysoka (stosunek reaktywności III:II:I ≈ 1600:80:1), że główny produkt pochodzi od C2.</p>\n<p>Rodnik trzeciorzędowy przy C2 reaguje z \\(\\ce{Br2}\\):</p>\n<p>\\[\\ce{(CH3)2\\dot{C}-CH2CH3 + Br2 -&gt; (CH3)2CBr-CH2CH3 + Br*}\\]</p>\n<p><strong>Główny produkt: 2-bromo-2-metylobutan.</strong></p>\n<h5>Wniosek</h5>\n<blockquote><strong>Oba mechanizmy prowadzą przez trwałe centrum przy C2</strong> (trzeciorzędowym węglu 2-metylobutanu):<br>- addycja → przez <strong>karbokation III-rzędowy</strong> (stabilizowany indukcyjnie i hiperkonjugacyjnie)<br>- substytucja → przez <strong>rodnik III-rzędowy</strong> (stabilizowany analogicznie, choć efekty słabsze niż dla kationów)<br><br>Ponieważ w obu przypadkach to samo centrum (C2) jest energetycznie uprzywilejowane jako przemijający intermediate, oba procesy dają ten sam produkt końcowy - <strong>2-bromo-2-metylobutan</strong>.</blockquote>\n<h4>Sposób 2 - weryfikacja przez porównanie energii intermediatu (jakościowy diagram energetyczny)</h4>\n<p>Można to spojrzeć od strony energii aktywacji (reguła Hammonda):</p>\n<ul><li>Krok wyznaczający szybkość reakcji (RDS) przechodzi przez <strong>stan przejściowy podobny do intermediatu</strong>.</li><li>Im trwalszy intermediatny karbokation/rodnik → <strong>niższy stan przejściowy</strong> → <strong>mniejsza energia aktywacji</strong> → <strong>szybsza ścieżka</strong> → <strong>więcej produktu</strong>.</li></ul>\n<p>Dla addycji: trzeciorzędowy karbokation jest stabilniejszy od II-rzędowego o ok. \\(60\\text{-}80 \\text{ kJ/mol}\\) → ścieżka przez C2 energetycznie dominuje.</p>\n<p>Dla substytucji: trzeciorzędowy rodnik stabilniejszy od II-rzędowego o ok. \\(10\\text{-}15 \\text{ kJ/mol}\\) → przy selektywnym bromie wystarczy, by C2 był głównym miejscem ataku.</p>\n<p>Oba diagramy wskazują na <strong>tę samą preferencję C2</strong> - stąd identyczny produkt.</p>\n<h4>Wzory z karty CKE</h4>\n<p>W tym zadaniu nie używamy konkretnych wartości liczbowych z karty wzorów - zadanie sprawdza rozumienie mechanizmów organicznych.</p>\n<p>📖 <strong>Karta wzorów str. 7 - Wpływ kierujący podstawników:</strong><br>Tabela orto/para/meta jest blisko związana z efektami elektronowymi w pierścieniu. Analogiczne efekty indukcyjne (+I grup alkilowych) stabilizują karbokation/rodnik w układach alifatycznych - ta sama logika, bez osobnego wzoru do cytowania.</p>\n<h4>Typowe pułapki i uwagi</h4>\n<p>⚠️ <strong>Uwaga:</strong> Nie mylić pojęć - w addycji intermediat to <strong>karbokation</strong> (brak elektronu), a w substytucji wolnorodnikowej to <strong>rodnik</strong> (wolny elektron). Oba są stabilizowane przez grupy alkilowe, ale karbokation jest <strong>znacznie bardziej</strong> selektywny. Brom jako rodnik też jest selektywny (w przeciwieństwie do chloru!).</p>\n<p>⚠️ <strong>Uwaga:</strong> Część uczniów zapomina, że selektywność bromu jest bardzo wysoka - nawet 1 atom H przy III-rzędowym węglu &quot;wygrywa&quot; z 6 atomami H przy węglach I-rzędowych. To odróżnia bromowanie od chlorowania.</p>\n<p>⚠️ <strong>Uwaga:</strong> Odpowiedź niepełna to napisać tylko &quot;trzeciorzędowy jest trwalszy&quot; bez wytłumaczenia DLACZEGO (efekt indukcyjny +I grup alkilowych, stabilizacja hiperkonjugacyjna). Na maturze rozszerzonej wymaga się mechanistycznego uzasadnienia.</p>"}]}