{"id":"chemia-2020-czerwiec-matura-rozszerzona/zad/15","paper_id":"chemia-2020-czerwiec-matura-rozszerzona","number":"15","points":1,"ptype":"open","subject":"chemia","category":"matura","year":2020,"month":"czerwiec","level":"rozszerzona","text":"Zadanie 15. (0-1)\nWiększość kationów metali występuje w roztworze wodnym w postaci jonów kompleksowych,\ntzw. akwakompleksów, w których cząsteczki wody otaczają jon metalu, czyli są ligandami.\nDodanie do takiego roztworu reagenta, który z kationami danego metalu tworzy trwalsze\nkompleksy niż woda, powoduje wymianę ligandów. Kompleksy mogą mieć różne barwy,\nzależnie od rodzaju ligandów, np. jon\n3\nFe\ntworzy z jonami fluorkowymi\nF kompleks\nbezbarwny, a z jonami tiocyjanianowymi (rodankowymi) SCN- - krwistoczerwony.\nW dwóch probówkach znajdował się wodny roztwór chlorku żelaza(III). Do pierwszej\nprobówki wsypano niewielką ilość stałego fluorku potasu, co poskutkowało odbarwieniem\nżółtego roztworu, a następnie do obu probówek dodano wodny roztwór rodanku potasu\n(KSCN). Stwierdzono, że tylko w probówce drugiej pojawiło się krwistoczerwone zabarwienie.\nMCH_1R\nW badanych roztworach występowały jony kompleksowe żelaza(III):\nI rodankowy II fluorkowy III akwakompleks\nUszereguj wymienione jony kompleksowe zgodnie ze wzrostem ich trwałości. Napisz\nw odpowiedniej kolejności numery, którymi je oznaczono.\nnajmniejsza trwałość największa trwałość","answer":null,"answer_text":"Zadanie 15. (0-1)\nWymagania ogólne\nWymagania szczegółowe\nI. Wykorzystanie\ni tworzenie informacji.\nII. Rozumowanie\ni zastosowanie nabytej\nwiedzy do rozwiązywania\nproblemów.\nIII. Opanowanie czynności\npraktycznych.\nIV etap edukacyjny - poziom rozszerzony\n5. Roztwory i reakcje w roztworach wodnych. Zdający:\n5.11) projektuje […] doświadczenia pozwalające otrzymać\n[…] sole.\n7. Metale. Zdający:\n7.3) analizuje […] właściwości […] chemiczne metali […].\nZasady oceniania\n1 pkt - poprawne uszeregowanie jonów kompleksowych.\n0 pkt - odpowiedź niepełna lub niepoprawna albo brak odpowiedzi.\nPoprawna odpowiedź\nIII, I, II\nALBO\nakwakompleks, rodankowy, fluorkowy","solution":"## Poprawna odpowiedź: III, I, II\n\n(od najmniej trwałego do najbardziej trwałego: akwakompleks → rodankowy → fluorkowy)\n\n## Sposób 1 - Teoria HSAB (twarde-miękkie kwasy i zasady)\n\n**Kluczowa obserwacja:** \\(\\ce{Fe^3+}\\) to kation o małym promieniu, wysokim ładunku (+3) i niskiej polaryzowalności → **twardy kwas Lewisa (HSAB)**.\n\nTrwałość kompleksu zależy od dopasowania twardości kwasu (metalu) i zasady (liganda):\n\n| Ligand | Zasada Lewisa | Charakter HSAB | Liczy do Fe³⁺ |\n| \\(\\ce{H2O}\\) | akwakompleks III | twarda, ale słaba | bardzo słaba → najmniej trwały |\n| \\(\\ce{SCN^-}\\) | rodankowy I | umiarkowanie miękka | umiarkowana → średnio trwały |\n| \\(\\ce{F^-}\\) | fluorkowy II | **najtwardsza** z popularnych ligandów | **najlepsza** do Fe³⁺ → najtrwalszy |\n\n**Zasada HSAB:** twardy kwas + twarda zasada → **duża trwałość kompleksu**.\n\nStałe trwałości (log β₁) potwierdzają:\n\n\\[\n\\log\\beta_1\\bigl[\\ce{Fe(H2O)6^3+}\\bigr] = 0 \\quad \\text{(wartość odniesienia)}\n\\]\n\n\\[\n\\log\\beta_1\\bigl[\\ce{Fe(SCN)^2+}\\bigr] \\approx 2{,}3\n\\]\n\n\\[\n\\log\\beta_1\\bigl[\\ce{FeF^2+}\\bigr] \\approx 6{,}0\n\\]\n\n**Kolejność rosnącej trwałości: III < I < II**\n\n## Sposób 2 - Obserwacja doświadczalna (weryfikacja)\n\nTo klasyczna demonstracja laboratoryjna:\n\n**Krok 1.** Dodanie \\(\\ce{SCN^-}\\) do roztworu \\(\\ce{Fe^3+}\\) (akwakompleks III) daje intensywnie **czerwone** zabarwienie → powstaje rodankowy jon kompleksowy (I).\n\n\\[\n\\ce{[Fe(H2O)6]^3+ + SCN^- -> [Fe(SCN)]^2+ + H2O}\n\\]\n\n→ Równowaga przesuwa się w prawo: **rodankowy (I) trwalszy niż akwakompleks (III)**.\n\n**Krok 2.** Dodanie nadmiaru \\(\\ce{F^-}\\) do czerwonego roztworu rodankowego **odbarwia** go do bezbarwna/żółtawy → kompleks fluorkowy (II) wyparł rodankowy (I).\n\n\\[\n\\ce{[Fe(SCN)]^2+ + F^- -> [FeF]^2+ + SCN^-}\n\\]\n\n→ Równowaga przesuwa się w prawo: **fluorkowy (II) trwalszy niż rodankowy (I)**.\n\n**Wniosek z obu etapów:** III → I → II (rosnąca trwałość). ✓\n\n## Wzory z karty CKE\n\nW tym zadaniu nie używamy konkretnych wartości liczbowych z karty wzorów CKE EM2023. Wystarczy znajomość teorii HSAB i budowy kompleksów żelaza - to wiedza z zakresu chemii nieorganicznej.\n\n> 📖 Pomocniczo: **Karta wzorów str. 15 - Układ okresowy** potwierdza, że Fe ma Z=26, konfigurację elektronową d⁵ (dla Fe³⁺) → brak efektu pola krystalicznego z preferencją miękkich ligandów → typowy twardy kwas.\n\n## Typowe pułapki i uwagi\n\n> ⚠️ **Uwaga:** \\(\\ce{SCN^-}\\) (rodankian) bywa mylnie uznawany za silniejszy ligand niż \\(\\ce{F^-}\\), bo daje intensywny czerwony kolor. Intensywność barwy to kwestia absorpcji światła, **nie trwałości** kompleksu!\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Akwakompleks \\(\\ce{[Fe(H2O)6]^3+}\\) jest \"wyjściowym\" stanem żelaza w roztworze wodnym - ma najniższą trwałość spośród tych trzech, bo woda to bardzo słaby ligand.\n\n> ⚠️ **Uwaga:** Reguła HSAB (twarde z twardym → trwały kompleks) działa w przeciwną stronę dla metali miękkich jak Hg²⁺, Pt²⁺ - tam \\(\\ce{F^-}\\) byłby słabym ligandem. Do Fe³⁺ stosujemy logikę: twardy metal → najtrwalszy kompleks z najtwardszą zasadą (\\(\\ce{F^-}\\)).","image":"img/chemia-2020-czerwiec-matura-rozszerzona/zad-15.webp","solution_image":null,"topics":null,"page_from":10,"source":"ocr","answer_source":null,"answer_text_source":"ocr","solution_source":"maturazai","text_source":"ocr","source_label":"Chemia · Matura · czerwiec 2020 (rozszerzona)","subject_label":"Chemia","category_label":"Matura","text_html":"<p>Zadanie 15. (0-1)<br>Większość kationów metali występuje w roztworze wodnym w postaci jonów kompleksowych,<br>tzw. akwakompleksów, w których cząsteczki wody otaczają jon metalu, czyli są ligandami.<br>Dodanie do takiego roztworu reagenta, który z kationami danego metalu tworzy trwalsze<br>kompleksy niż woda, powoduje wymianę ligandów. Kompleksy mogą mieć różne barwy,<br>zależnie od rodzaju ligandów, np. jon<br>3<br>Fe<br>tworzy z jonami fluorkowymi<br>F kompleks<br>bezbarwny, a z jonami tiocyjanianowymi (rodankowymi) SCN- - krwistoczerwony.<br>W dwóch probówkach znajdował się wodny roztwór chlorku żelaza(III). Do pierwszej<br>probówki wsypano niewielką ilość stałego fluorku potasu, co poskutkowało odbarwieniem<br>żółtego roztworu, a następnie do obu probówek dodano wodny roztwór rodanku potasu<br>(KSCN). Stwierdzono, że tylko w probówce drugiej pojawiło się krwistoczerwone zabarwienie.<br>MCH_1R<br>W badanych roztworach występowały jony kompleksowe żelaza(III):<br>I rodankowy II fluorkowy III akwakompleks<br>Uszereguj wymienione jony kompleksowe zgodnie ze wzrostem ich trwałości. Napisz<br>w odpowiedniej kolejności numery, którymi je oznaczono.<br>najmniejsza trwałość największa trwałość</p>","answer_text_html":"<p>Zadanie 15. (0-1)<br>Wymagania ogólne<br>Wymagania szczegółowe<br>I. Wykorzystanie<br>i tworzenie informacji.<br>II. Rozumowanie<br>i zastosowanie nabytej<br>wiedzy do rozwiązywania<br>problemów.<br>III. Opanowanie czynności<br>praktycznych.<br>IV etap edukacyjny - poziom rozszerzony</p>\n<ol><li>Roztwory i reakcje w roztworach wodnych. Zdający:</li></ol>\n<p>5.11) projektuje […] doświadczenia pozwalające otrzymać<br>[…] sole.</p>\n<ol><li>Metale. Zdający:</li></ol>\n<p>7.3) analizuje […] właściwości […] chemiczne metali […].<br>Zasady oceniania<br>1 pkt - poprawne uszeregowanie jonów kompleksowych.<br>0 pkt - odpowiedź niepełna lub niepoprawna albo brak odpowiedzi.<br>Poprawna odpowiedź<br>III, I, II<br>ALBO<br>akwakompleks, rodankowy, fluorkowy</p>","solutions":[{"source":"maturazai","label":"maturazai.pl (AI)","kind":"text","html":"<h4>Poprawna odpowiedź: III, I, II</h4>\n<p>(od najmniej trwałego do najbardziej trwałego: akwakompleks → rodankowy → fluorkowy)</p>\n<h4>Sposób 1 - Teoria HSAB (twarde-miękkie kwasy i zasady)</h4>\n<p><strong>Kluczowa obserwacja:</strong> \\(\\ce{Fe^3+}\\) to kation o małym promieniu, wysokim ładunku (+3) i niskiej polaryzowalności → <strong>twardy kwas Lewisa (HSAB)</strong>.</p>\n<p>Trwałość kompleksu zależy od dopasowania twardości kwasu (metalu) i zasady (liganda):</p>\n<p>| Ligand | Zasada Lewisa | Charakter HSAB | Liczy do Fe³⁺ |<br>| \\(\\ce{H2O}\\) | akwakompleks III | twarda, ale słaba | bardzo słaba → najmniej trwały |<br>| \\(\\ce{SCN^-}\\) | rodankowy I | umiarkowanie miękka | umiarkowana → średnio trwały |<br>| \\(\\ce{F^-}\\) | fluorkowy II | <strong>najtwardsza</strong> z popularnych ligandów | <strong>najlepsza</strong> do Fe³⁺ → najtrwalszy |</p>\n<p><strong>Zasada HSAB:</strong> twardy kwas + twarda zasada → <strong>duża trwałość kompleksu</strong>.</p>\n<p>Stałe trwałości (log β₁) potwierdzają:</p>\n<p>\\[<br>\\log\\beta_1\\bigl[\\ce{Fe(H2O)6^3+}\\bigr] = 0 \\quad \\text{(wartość odniesienia)}<br>\\]</p>\n<p>\\[<br>\\log\\beta_1\\bigl[\\ce{Fe(SCN)^2+}\\bigr] \\approx 2{,}3<br>\\]</p>\n<p>\\[<br>\\log\\beta_1\\bigl[\\ce{FeF^2+}\\bigr] \\approx 6{,}0<br>\\]</p>\n<p><strong>Kolejność rosnącej trwałości: III &lt; I &lt; II</strong></p>\n<h4>Sposób 2 - Obserwacja doświadczalna (weryfikacja)</h4>\n<p>To klasyczna demonstracja laboratoryjna:</p>\n<p><strong>Krok 1.</strong> Dodanie \\(\\ce{SCN^-}\\) do roztworu \\(\\ce{Fe^3+}\\) (akwakompleks III) daje intensywnie <strong>czerwone</strong> zabarwienie → powstaje rodankowy jon kompleksowy (I).</p>\n<p>\\[<br>\\ce{[Fe(H2O)6]^3+ + SCN^- -&gt; [Fe(SCN)]^2+ + H2O}<br>\\]</p>\n<p>→ Równowaga przesuwa się w prawo: <strong>rodankowy (I) trwalszy niż akwakompleks (III)</strong>.</p>\n<p><strong>Krok 2.</strong> Dodanie nadmiaru \\(\\ce{F^-}\\) do czerwonego roztworu rodankowego <strong>odbarwia</strong> go do bezbarwna/żółtawy → kompleks fluorkowy (II) wyparł rodankowy (I).</p>\n<p>\\[<br>\\ce{[Fe(SCN)]^2+ + F^- -&gt; [FeF]^2+ + SCN^-}<br>\\]</p>\n<p>→ Równowaga przesuwa się w prawo: <strong>fluorkowy (II) trwalszy niż rodankowy (I)</strong>.</p>\n<p><strong>Wniosek z obu etapów:</strong> III → I → II (rosnąca trwałość). ✓</p>\n<h4>Wzory z karty CKE</h4>\n<p>W tym zadaniu nie używamy konkretnych wartości liczbowych z karty wzorów CKE EM2023. Wystarczy znajomość teorii HSAB i budowy kompleksów żelaza - to wiedza z zakresu chemii nieorganicznej.</p>\n<blockquote>📖 Pomocniczo: <strong>Karta wzorów str. 15 - Układ okresowy</strong> potwierdza, że Fe ma Z=26, konfigurację elektronową d⁵ (dla Fe³⁺) → brak efektu pola krystalicznego z preferencją miękkich ligandów → typowy twardy kwas.</blockquote>\n<h4>Typowe pułapki i uwagi</h4>\n<blockquote>⚠️ <strong>Uwaga:</strong> \\(\\ce{SCN^-}\\) (rodankian) bywa mylnie uznawany za silniejszy ligand niż \\(\\ce{F^-}\\), bo daje intensywny czerwony kolor. Intensywność barwy to kwestia absorpcji światła, <strong>nie trwałości</strong> kompleksu!</blockquote>\n<blockquote>⚠️ <strong>Uwaga:</strong> Akwakompleks \\(\\ce{[Fe(H2O)6]^3+}\\) jest &quot;wyjściowym&quot; stanem żelaza w roztworze wodnym - ma najniższą trwałość spośród tych trzech, bo woda to bardzo słaby ligand.</blockquote>\n<blockquote>⚠️ <strong>Uwaga:</strong> Reguła HSAB (twarde z twardym → trwały kompleks) działa w przeciwną stronę dla metali miękkich jak Hg²⁺, Pt²⁺ - tam \\(\\ce{F^-}\\) byłby słabym ligandem. Do Fe³⁺ stosujemy logikę: twardy metal → najtrwalszy kompleks z najtwardszą zasadą (\\(\\ce{F^-}\\)).</blockquote>"}]}