{"id":"chemia-2017-maj-matura-rozszerzona/zad/17","paper_id":"chemia-2017-maj-matura-rozszerzona","number":"17","points":1,"ptype":"open","subject":"chemia","category":"matura","year":2017,"month":"maj","level":"rozszerzona","text":"Zadanie 17. (0-1)\nHalogenowanie alkanów (przemiana oznaczona na schemacie numerem 1) w obecności\nświatła przebiega przez następujące etapy:\nEtap I\nX2\n⎯\n⎯→\n⎯światło\n2X ·\nEtap II\nX · + RH → HX + R ·\nEtap III\nR · + X2 → RX + X ·\nSzybkość tworzenia się halogenku alkilu zależy od szybkości, z jaką powstaje rodnik\nalkilowy.\nPodkreśl numer najwolniejszego etapu reakcji oznaczonej na schemacie numerem 1.\nEtap I\nEtap II\nEtap III","answer":null,"answer_text":"Zadanie 17. (0-1)\nI. Wykorzystanie\ni tworzenie informacji.\nII. Rozumowanie\ni zastosowanie nabytej\nwiedzy do\nrozwiązywania\nproblemów.\nIV etap edukacyjny - poziom rozszerzony\n13. Estry i tłuszcze. Zdający:\n13.10) zapisuje ciągi przemian […] wiążące ze sobą właściwości\npoznanych węglowodorów i ich pochodnych.\n9. Węglowodory. Zdający:\n9.7) opisuje właściwości chemiczne alkanów, na przykładzie\nnastępujących reakcji: […] podstawienie (substytucja) atomu (lub\natomów) wodoru przez atom (lub atomy) chloru […] przy udziale\nświatła […].\n9.11) wyjaśnia na […] przykładach mechanizmy reakcji\nsubstytucji […].\n4. Kinetyka i statyka chemiczna. Zdający:\n4.1) definiuje termin: szybkość reakcji […].\nSchemat punktowania\n1 p. - za poprawne podkreślenie numeru najwolniejszego etapu.\n0 p. - za odpowiedź niepełną lub błędną albo brak odpowiedzi.\nPoprawna odpowiedź\nEtap II\nUwaga: zdający może wskazać etap I jako wymagający dostarczenia energii.","solution":"## Poprawna odpowiedź: **II**\n\nNajwolniejszy etap to etap **II**: \\(\\ce{X. + RH -> HX + R.}\\)\n\n## Sposób 1 - Analiza energii aktywacji poszczególnych etapów\n\nPorównujemy trzy etapy mechanizmu rodnikowego:\n\n**Etap I - inicjacja:**\n\\[\\ce{X2 ->[\\text{h}\\nu] 2X.}\\]\nTo homolityczne rozerwanie wiązania \\(\\ce{X-X}\\). Wymaga dostarczenia energii z zewnątrz (fotony światła UV), ale zachodzi jako zdarzenie inicjujące - **raz na miliony cykli łańcuchowych**. Nie jest etapem łańcuchowym, więc nie decyduje o szybkości propagacji.\n\n**Etap II - propagacja (abstrakcja wodoru):**\n\\[\\ce{X. + R-H -> HX + R.}\\]\nTutaj rodnik chlorowy (lub inny halogenowy) atakuje **silne wiązanie C-H** (energia dysocjacji \\(\\approx 413 \\text{ kJ/mol}\\) dla C-H alifatycznego). Ta reakcja ma **najwyższą energię aktywacji spośród etapów propagacji** - musi nastąpić częściowe zerwanie mocnego wiązania C-H, zanim wytworzy się słabsze H-X.\n\n**Etap III - propagacja (podstawienie):**\n\\[\\ce{R. + X2 -> RX + X.}\\]\nRodnik organiczny atakuje cząsteczkę halogenu \\(\\ce{X2}\\). Wiązanie \\(\\ce{X-X}\\) jest znacznie słabsze niż C-H (np. \\(\\ce{Cl-Cl}\\): \\(\\approx 243 \\text{ kJ/mol}\\)), więc ten etap przebiega **bardzo szybko** - praktycznie bez bariery aktywacji dla reaktywnych rodników.\n\n**Wniosek:** Etap II jest etapem determinującym szybkość (ang. *rate-determining step*) całej reakcji łańcuchowej.\n\n## Sposób 2 - Analiza selektywności jako dowód pośredni\n\nGdyby etap III był wolniejszy, selektywność reakcji zależałaby od rodzaju tworzonego wiązania C-X - ale tak nie jest. Doświadczalnie wiemy, że:\n\n- **Chlorowanie** (\\(\\ce{Cl.}\\)) jest mało selektywne → etap II ma niską \\(E_a\\) → \\(\\ce{Cl.}\\) jest reaktywny\n- **Bromowanie** (\\(\\ce{Br.}\\)) jest wysoce selektywne (atakuje głównie C-H 3°) → etap II ma wysoką \\(E_a\\) → \\(\\ce{Br.}\\) jest mało reaktywny\n\nSelektywność reakcji jest określana właśnie przez **etap II** - wymagający zerwania C-H. Gdyby etap III był wolniejszy, selektywność byłaby taka sama dla Cl i Br. Selektywność zależy bowiem od tego, *który* atom H jest atakowany (II), nie od tego, *jaki* halogen przyłącza rodnik (III).\n\nTo potwierdza: **etap II jest najwolniejszy**.\n\n## Wzory z karty CKE\n\nW tym zadaniu nie używamy konkretnych wartości liczbowych z karty wzorów CKE - wystarczy znajomość mechanizmu reakcji rodnikowej i rozumienie pojęcia energii aktywacji.\n\n## Dlaczego inne odpowiedzi są błędne\n\n| Wariant | Błąd |\n| **I** - inicjacja | Etap I zachodzi bardzo rzadko (raz na start łańcucha), ale NIE jest etapem propagacji - nie decyduje o szybkości cyklu łańcuchowego. Pomylenie \"wymaga energii z zewnątrz\" z \"jest najwolniejszy w łańcuchu\" to klasyczna pułapka. |\n| **III** - podstawienie | Wiązanie X-X (np. Cl-Cl: ~243 kJ/mol) jest znacznie słabsze niż C-H (~413 kJ/mol), więc etap III ma niską \\(E_a\\) i przebiega bardzo szybko. |\n\n## Typowe pułapki i uwagi\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Uczniowie często mylą etap I (inicjacja) z \"najwolniejszym\", bo \"wymaga światła UV\". Pamiętaj: inicjacja to zdarzenie rzadkie, które *uruchamia* łańcuch - ale to propagacja decyduje o szybkości całej reakcji.\n\n> ⚠️ **Uwaga:** \"Wolniejszy etap\" = \"wyższa energia aktywacji\" - to etap, w którym zrywamy **najsilniejsze wiązanie** w cyklu propagacji. C-H jest mocniejsze niż X-X, więc etap II jest wolniejszy.\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Selektywność bromowania (3° > 2° > 1°) to bezpośredni dowód, że etap II jest wolny i odwracalny - gdyby był szybki jak u chloru, bromowanie też byłoby nieselektywne.\n\n## Schemat oceniania CKE\n\nZa poprawne podkreslenie numeru najwolniejszego etapu (Etap II) - 1 pkt. Zdajacy moze wskazac etap I jako wymagajacy dostarczenia energii. Za odpowiedz niepelna lub bledna - 0 pkt.","image":"img/chemia-2017-maj-matura-rozszerzona/zad-17.webp","solution_image":null,"topics":null,"page_from":11,"source":"ocr","answer_source":null,"answer_text_source":"ocr","solution_source":"maturazai","text_source":"ocr","source_label":"Chemia · Matura · maj 2017 (rozszerzona)","subject_label":"Chemia","category_label":"Matura","text_html":"

Zadanie 17. (0-1)
Halogenowanie alkanów (przemiana oznaczona na schemacie numerem 1) w obecności
światła przebiega przez następujące etapy:
Etap I
X2
⎯
⎯→
⎯światło
2X ·
Etap II
X · + RH → HX + R ·
Etap III
R · + X2 → RX + X ·
Szybkość tworzenia się halogenku alkilu zależy od szybkości, z jaką powstaje rodnik
alkilowy.
Podkreśl numer najwolniejszego etapu reakcji oznaczonej na schemacie numerem 1.
Etap I
Etap II
Etap III

","answer_text_html":"

Zadanie 17. (0-1)
I. Wykorzystanie
i tworzenie informacji.
II. Rozumowanie
i zastosowanie nabytej
wiedzy do
rozwiązywania
problemów.
IV etap edukacyjny - poziom rozszerzony

\n
  1. Estry i tłuszcze. Zdający:
\n

13.10) zapisuje ciągi przemian […] wiążące ze sobą właściwości
poznanych węglowodorów i ich pochodnych.

\n
  1. Węglowodory. Zdający:
\n

9.7) opisuje właściwości chemiczne alkanów, na przykładzie
następujących reakcji: […] podstawienie (substytucja) atomu (lub
atomów) wodoru przez atom (lub atomy) chloru […] przy udziale
światła […].
9.11) wyjaśnia na […] przykładach mechanizmy reakcji
substytucji […].

\n
  1. Kinetyka i statyka chemiczna. Zdający:
\n

4.1) definiuje termin: szybkość reakcji […].
Schemat punktowania
1 p. - za poprawne podkreślenie numeru najwolniejszego etapu.
0 p. - za odpowiedź niepełną lub błędną albo brak odpowiedzi.
Poprawna odpowiedź
Etap II
Uwaga: zdający może wskazać etap I jako wymagający dostarczenia energii.

","solutions":[{"source":"maturazai","label":"maturazai.pl (AI)","kind":"text","html":"

Poprawna odpowiedź: II

\n

Najwolniejszy etap to etap II: \\ceX.+RH−>HX+R.

\n

Sposób 1 - Analiza energii aktywacji poszczególnych etapów

\n

Porównujemy trzy etapy mechanizmu rodnikowego:

\n

Etap I - inicjacja:

\n
\\ceX2−>[hν]2X.
\n

To homolityczne rozerwanie wiązania \\ceX−X. Wymaga dostarczenia energii z zewnątrz (fotony światła UV), ale zachodzi jako zdarzenie inicjujące - raz na miliony cykli łańcuchowych. Nie jest etapem łańcuchowym, więc nie decyduje o szybkości propagacji.

\n

Etap II - propagacja (abstrakcja wodoru):

\n
\\ceX.+R−H−>HX+R.
\n

Tutaj rodnik chlorowy (lub inny halogenowy) atakuje silne wiązanie C-H (energia dysocjacji ≈413 kJ/mol dla C-H alifatycznego). Ta reakcja ma najwyższą energię aktywacji spośród etapów propagacji - musi nastąpić częściowe zerwanie mocnego wiązania C-H, zanim wytworzy się słabsze H-X.

\n

Etap III - propagacja (podstawienie):

\n
\\ceR.+X2−>RX+X.
\n

Rodnik organiczny atakuje cząsteczkę halogenu \\ceX2. Wiązanie \\ceX−X jest znacznie słabsze niż C-H (np. \\ceCl−Cl: ≈243 kJ/mol), więc ten etap przebiega bardzo szybko - praktycznie bez bariery aktywacji dla reaktywnych rodników.

\n

Wniosek: Etap II jest etapem determinującym szybkość (ang. rate-determining step) całej reakcji łańcuchowej.

\n

Sposób 2 - Analiza selektywności jako dowód pośredni

\n

Gdyby etap III był wolniejszy, selektywność reakcji zależałaby od rodzaju tworzonego wiązania C-X - ale tak nie jest. Doświadczalnie wiemy, że:

\n\n

Selektywność reakcji jest określana właśnie przez etap II - wymagający zerwania C-H. Gdyby etap III był wolniejszy, selektywność byłaby taka sama dla Cl i Br. Selektywność zależy bowiem od tego, który atom H jest atakowany (II), nie od tego, jaki halogen przyłącza rodnik (III).

\n

To potwierdza: etap II jest najwolniejszy.

\n

Wzory z karty CKE

\n

W tym zadaniu nie używamy konkretnych wartości liczbowych z karty wzorów CKE - wystarczy znajomość mechanizmu reakcji rodnikowej i rozumienie pojęcia energii aktywacji.

\n

Dlaczego inne odpowiedzi są błędne

\n

| Wariant | Błąd |
| I - inicjacja | Etap I zachodzi bardzo rzadko (raz na start łańcucha), ale NIE jest etapem propagacji - nie decyduje o szybkości cyklu łańcuchowego. Pomylenie "wymaga energii z zewnątrz" z "jest najwolniejszy w łańcuchu" to klasyczna pułapka. |
| III - podstawienie | Wiązanie X-X (np. Cl-Cl: ~243 kJ/mol) jest znacznie słabsze niż C-H (~413 kJ/mol), więc etap III ma niską Ea i przebiega bardzo szybko. |

\n

Typowe pułapki i uwagi

\n
⚠️ Uwaga: Uczniowie często mylą etap I (inicjacja) z "najwolniejszym", bo "wymaga światła UV". Pamiętaj: inicjacja to zdarzenie rzadkie, które uruchamia łańcuch - ale to propagacja decyduje o szybkości całej reakcji.
\n
⚠️ Uwaga: "Wolniejszy etap" = "wyższa energia aktywacji" - to etap, w którym zrywamy najsilniejsze wiązanie w cyklu propagacji. C-H jest mocniejsze niż X-X, więc etap II jest wolniejszy.
\n
⚠️ Uwaga: Selektywność bromowania (3° > 2° > 1°) to bezpośredni dowód, że etap II jest wolny i odwracalny - gdyby był szybki jak u chloru, bromowanie też byłoby nieselektywne.
\n

Schemat oceniania CKE

\n

Za poprawne podkreslenie numeru najwolniejszego etapu (Etap II) - 1 pkt. Zdajacy moze wskazac etap I jako wymagajacy dostarczenia energii. Za odpowiedz niepelna lub bledna - 0 pkt.

"}]}