Wiązania chemiczne i geometria cząsteczek: hybrydyzacja, VSEPR

6 zadań z oficjalnych arkuszy matury rozszerzonej z chemii (2023–2025). Spróbuj rozwiązać samodzielnie, potem odsłoń odpowiedź — przy każdym zadaniu znajdziesz typową pułapkę, na której wykładają się maturzyści.

1. Matura CKE · maj 2025 · zad. 5 4 pkt redoks, bilansowanie, jonowo-elektronowe, VSEPR, ICl₃, związki międzyhalogenowe

   W odpowiednich warunkach fluorowce mogą ze sobą reagować i tworzyć tzw. związki międzyhalogenowe o wzorze ogólnym ${\text{AX}}_y$, w którym $y$ przyjmuje wartości $1$, $3$, $5$ lub $7$. W tym wzorze $\text{A}$ oznacza pierwiastek o mniejszej elektroujemności, a $\text{X}$ — pierwiastek o większej elektroujemności. Przykładem związku międzyhalogenowego jest trichlorek jodu o wzorze ${\text{ICl}}_3$.

   Na podstawie: A. Bielański, „Podstawy chemii nieorganicznej", Warszawa 2018.

   Zadanie 5.1. (0–2)

   Trichlorek jodu został po raz pierwszy otrzymany w reakcji, której schemat przedstawiono poniżej:

   $${\text{IO}}_3^{-}+{\text{I}}_2+{\text{Cl}}^{-}⟶{\text{ICl}}_3+{\text{H}}_2\text{O}$$

   Napisz w formie jonowej, z uwzględnieniem liczby oddawanych lub pobieranych elektronów (zapis jonowo-elektronowy), równanie reakcji redukcji zachodzącej podczas tej przemiany. Uwzględnij środowisko reakcji. Uzupełnij współczynniki stechiometryczne w poniższym schemacie.

   Równanie reakcji redukcji:

   $$\dots {\text{IO}}_3^{-}+\dots {\text{I}}_2+\dots {\text{H}}^{+}+\dots {\text{Cl}}^{-}⟶\dots {\text{ICl}}_3+\dots {\text{H}}_2\text{O}$$

   Zadanie 5.2. (0–2)

   Metoda VSEPR pozwala określić kształt cząsteczek zbudowanych z atomów pierwiastków grup $1$–$2$ oraz $13$–$18$. W cząsteczce należy wyróżnić atom centralny (np. atom tlenu w cząsteczce ${\text{H}}_2\text{O}$) i ustalić liczbę wolnych par elektronowych na jego zewnętrznej powłoce ($y$). Następnie trzeba zsumować liczbę podstawników związanych z atomem centralnym ($x$) i liczbę jego wolnych par elektronowych ($y$). W ten sposób otrzymuje się tzw. liczbę przestrzenną ($L_p=x+y$), która decyduje o kształcie cząsteczki. Ponieważ zarówno wolne, jak i wiążące pary elektronowe wzajemnie się odpychają, wszystkie elementy składające się na liczbę przestrzenną (podstawniki i wolne pary elektronowe) zajmują jak najbardziej odległe od siebie położenia wokół atomu centralnego.

   Na podstawie: R.J. Gillespie, Coordination Chemistry Reviews, 252 (2008) 1315, oraz J.D. Lee, „Zwięzła chemia nieorganiczna", Warszawa 1997.

   Przedstawiony obok model jest ilustracją kształtu cząsteczki zbudowanej z atomu centralnego związanego z trzema podstawnikami ($x=3$), dla $L_p=4$.

   Narysuj wzór elektronowy cząsteczki trichlorku jodu ${\text{ICl}}_3$. Zaznacz kreskami pary elektronowe wiązań chemicznych oraz wolne pary elektronowe. Następnie rozstrzygnij, czy przedstawiony model jest ilustracją kształtu cząsteczki ${\text{ICl}}_3$. Napisz wartość liczby przestrzennej cząsteczki ${\text{ICl}}_3$.

   Rozstrzygnięcie: ………………………………

   Liczba przestrzenna ${\text{ICl}}_3$: $L_p=$ ………………………

   Pokaż odpowiedź

   5.1. Analiza stopni utlenienia:

   • I w IO₃⁻: I + 3·(-2) = -1 → I = +5.
   • I w I₂: 0.
   • I w ICl₃: I + 3·(-1) = 0 → I = +3 (Cl bardziej elektroujemny → -1).
   • Cl w Cl⁻: -1. Cl w ICl₃: -1.

   Procesy redoks:

   • IO₃⁻ (I⁺⁵) → ICl₃ (I⁺³): REDUKCJA (I przyjmuje 2 e).
   • I₂ (I⁰) → ICl₃ (I⁺³): UTLENIANIE (każdy I oddaje 3 e, łącznie 6 e na 1 I₂).

   Równanie REDUKCJI (jonowo-elektronowe):

   $${\text{IO}}_3^{-}+6{\text{H}}^{+}+3{\text{Cl}}^{-}+2e^{-}\to {\text{ICl}}_3+3{\text{H}}_2\text{O}$$

   Bilans: I: 1=1, O: 3=3 (w H₂O), H: 6=6, Cl: 3=3, ładunek: -1+6-3-2 = 0 = 0 ✓.

   Równanie utleniania:

   $${\text{I}}_2+6{\text{Cl}}^{-}\to 2{\text{ICl}}_3+6e^{-}$$

   Pełne równanie (3 × redukcja + 1 × utlenianie, by 6 e się zrównoważyło):

   $$3\mathbf{I}{\mathbf{O}}_3^{-}+{\mathbf{I}}_2+18{\mathbf{H}}^{+}+15\mathbf{C}{\mathbf{l}}^{-}\to 5\mathbf{IC}{\mathbf{l}}_3+9{\mathbf{H}}_2\mathbf{O}$$

   Współczynniki: 3, 1, 18, 15 → 5, 9.

   Bilans: I: 3+2=5 ✓; O: 9=9 ✓; H: 18=18 ✓; Cl: 15=15 ✓; ładunek: -3+18-15 = 0 ✓.

   5.2. Wzór elektronowy ICl₃:

         ..      ..
         :Cl      Cl:
          |      /
          |     /
          I̅:̅ (atom centralny z 2 wolnymi parami)
          |
          |
         :Cl:
          ..
   

   Atom centralny I ma 7 elektronów walencyjnych (grupa 17):

   • 3 z nich tworzą 3 wiązania σ I-Cl (pary wiążące).
   • Pozostałe 4 = 2 wolne pary elektronowe.

   Liczba przestrzenna ICl₃: L_p = x + y = 3 + 2 = 5.

   Rozstrzygnięcie: model przedstawiony (z x=3 podstawnikami i L_p=4, czyli y=1) NIE jest ilustracją kształtu ICl₃.

   ICl₃ ma L_p = 5 (3 podstawniki + 2 wolne pary) → kształt T (T-shape) — wzorowane na trygonalnej bipiramidzie z dwoma wolnymi parami w pozycjach ekwatorialnych. Model z zadania pokazuje piramidę trygonalną (NH₃-podobną, L_p=4), inną od T-shape.

   ⚠ Typowa pułapka: Pułapka 5.1 — pomylenie utleniacza i reduktora. **IO₃⁻** to **utleniacz** (redukowany z +5 do +3). **I₂** to **reduktor** (utleniany z 0 do +3). **Oba** są źródłem jodu w produkcie ICl₃! Pułapka 5.1 — pominięcie Cl⁻ w równaniu redukcji. ICl₃ wymaga 3 Cl, które dostarcza Cl⁻ z roztworu. Klucz: równanie połówkowe musi zawierać **wszystkie** substraty potrzebne do uzyskania produktu. Pułapka 5.2 — pomylenie I z atomem podgrupy s/p małej grupy. I ma 7 e walencyjnych (grupa 17). 3 wiązania + 2 wolne pary = 5 par = oktet "rozszerzony" (atom okresu 5 może mieć więcej niż 8 e przez d-orbitale).

   Zobacz pełne rozwiązanie krok po kroku →
2. Matura CKE · maj 2025 · zad. 23 2 pkt chemia organiczna, feksofenadyna, NaBH4, hybrydyzacja, redukcja, elektrony

   Wzory szkieletowe związków organicznych odzwierciedlają kształt cząsteczek. W tych wzorach pomija się symbole atomów węgla i połączonych z nimi atomów wodoru, a szkielet węglowy rysuje się jako linię łamaną oraz zaznacza — występujące w cząsteczce — wiązania wielokrotne. Zapisuje się symbole podstawników innych niż wodór oraz wzory grup funkcyjnych.

   Borowodorek sodu jest stosowany w przemyśle farmaceutycznym do syntezy feksofenadyny — leku przeciwhistaminowego. Na schemacie przedstawiono za pomocą wzorów szkieletowych końcowy etap syntezy tego związku: substrat (zawierający grupę karbonylową C=O w łańcuchu bocznym) przechodzi pod wpływem NaBH₄ w feksofenadynę, w której w tym samym miejscu pojawia się grupa CH−OH.

   Zadanie 23. (0–1–2)

   Uzupełnij zdania. Zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.

   W reakcji otrzymywania feksofenadyny redukcja jednego mola substratu wymaga udziału (dwóch / trzech) moli elektronów.

   Orbitalom walencyjnym atomu węgla ulegającego redukcji przypisuje się w cząsteczce substratu hybrydyzację (sp / sp² / sp³), a w cząsteczce produktu — hybrydyzację (sp / sp² / sp³).

   Pokaż odpowiedź

   Liczba moli elektronów:

   Zmiana stopnia utlenienia C:

   • W ketonie C=O (substrat): C ma stopień utlenienia +2 (połączony z 2 C i 1 O podwójnie).
   • W alkoholu CH-OH (produkt): C ma stopień utlenienia 0 (połączony z 2 C, 1 H, 1 OH).
   • Zmiana: +2 → 0 = redukcja, przyjęcie 2 e⁻.

   → Redukcja 1 mola substratu wymaga DWÓCH moli elektronów.

   Hybrydyzacja w substracie (C w C=O):

   • C tworzy: 1 wiązanie σ z C (po jednej stronie) + 1 wiązanie σ z C (po drugiej stronie) + 1 wiązanie σ z O + 1 wiązanie π z O = łącznie 3 wiązania σ + 1 π.
   • 3 hybrydy = sp².
   • Płaska geometria wokół tego C (kąty 120°).

   Hybrydyzacja w produkcie (C w CH-OH):

   • C tworzy: 1 wiązanie σ z C + 1 σ z C + 1 σ z H + 1 σ z O = łącznie 4 wiązania σ + 0 π.
   • 4 hybrydy = sp³.
   • Tetraedryczna geometria (kąty 109,5°).

   Odpowiedzi:

   • DWÓCH moli elektronów.
   • Substrat: sp².
   • Produkt: sp³.

   ⚠ Typowa pułapka: Pułapka — pomylenie liczby elektronów. Redukcja **C=O → CH-OH** = przyjęcie **2 e⁻ + 2 H⁺**. To 2 e per cząsteczka. Pułapka — hybrydyzacja w substracie. Karbonyl **C=O** to **sp²** (3 σ + 1 π). NIE sp³ (to byłby C bez wiązania π). Pułapka — hybrydyzacja w produkcie. Alkohol C-OH to **sp³** (4 wiązania σ, tetraedryczna geometria). NIE sp² (nie ma już wiązania π). Pułapka — pomylenie kierunku zmiany. Z sp² → sp³ przy redukcji C=O (dodanie 2 H = wzrost koordynacji C z 3 do 4).

   Zobacz pełne rozwiązanie krok po kroku →
3. Matura CKE · maj 2024 · zad. 4 2 pkt wiązania chemiczne, hybrydyzacja, geometria cząsteczek, polarność

   Zadanie dotyczy wiązań chemicznych, hybrydyzacji atomów i geometrii cząsteczek. Treść w obrazie arkusza poniżej.

   Pokaż odpowiedź

   Patrz materiał źródłowy CKE — wymaga określenia typu hybrydyzacji (sp, sp², sp³) atomu centralnego, geometrii cząsteczki i ewentualnej polarności wiązań/cząsteczki.

   ⚠ Typowa pułapka: Mylenie geometrii cząsteczki z geometrią par elektronowych (gdy są wolne pary elektronowe); pomijanie polarności wynikającej z geometrii (cząsteczka liniowa polarna vs niepolarna).

   Zobacz pełne rozwiązanie krok po kroku →
4. Matura CKE · maj 2023 · zad. 3 1 pkt odmiany alotropowe węgla, diament, grafit, fulereny, wiązania

   Węgiel tworzy kilka odmian alotropowych, które różnią się strukturą krystaliczną. Są wśród nich diament, grafit i fulereny.

   Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F — jeśli jest fałszywe.

   Nr	Zdanie	P/F
   1.	Odmienna budowa wewnętrzna diamentu, grafitu i fulerenów jest przyczyną różnic ich właściwości chemicznych, przy zachowaniu identycznych właściwości fizycznych.	P / F
   2.	W krysztale diamentu każdy z atomów węgla tworzy kowalencyjne wiązania σ z czterema otaczającymi go atomami.	P / F

   Pokaż odpowiedź

   1. F — Odmiany alotropowe różnią się zarówno właściwościami fizycznymi (twardość, przewodnictwo, gęstość), jak i chemicznymi (różna reaktywność z tlenem, halogenami). Diament jest twardy i izolatorem, grafit miękki i przewodzi prąd, fulereny rozpuszczalne w toluenie.

   2. P — W diamencie każdy atom węgla ma hybrydyzację sp³, tworząc 4 wiązania σ z 4 sąsiednimi atomami C w geometrii tetraedrycznej (kąty 109,5°). To tworzy trójwymiarową sieć kowalencyjną.

   ⚠ Typowa pułapka: - "**Identyczne właściwości fizyczne**" — ewidentnie fałsz (diament 10/10 w skali Mohsa, grafit ~1,5; diament izolator, grafit przewodnik). - W diamencie wszystkie wiązania są **σ** (sp³), w graficie 3 wiązania σ (sp²) + zdelokalizowane elektrony π (płaskie warstwy). - Fulereny (C₆₀ itp.) — hybrydyzacja sp² z elementami sp³, struktura kuliście zamknięta.

   Zobacz pełne rozwiązanie krok po kroku →
5. Matura CKE · maj 2023 · zad. 4 2 pkt wzór elektronowy, hybrydyzacja, wiązania sigma i pi, C3O2

   Narysuj wzór elektronowy cząsteczki ${\text{C}}_3{\text{O}}_2$ (zaznacz kreskami wiązania chemiczne i wolne pary elektronowe). Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.

   Aby wyjaśnić budowę cząsteczki ${\text{C}}_3{\text{O}}_2$, hybrydyzację typu sp przypisuje się orbitalom walencyjnym (trzech atomów / dwóch atomów / jednego atomu) węgla. Liczba wiązań σ w cząsteczce ${\text{C}}_3{\text{O}}_2$ wynosi (2 / 4 / 6 / 8).

   Pokaż odpowiedź

   Wzór elektronowy ${\text{C}}_3{\text{O}}_2$ (podtlenek węgla, cząsteczka liniowa):

   $$\text{O}=\text{C}=\text{C}=\text{C}=\text{O}$$

   • Każdy atom O ma 2 wolne pary elektronowe.
   • 4 wiązania podwójne (każde = 1σ + 1π).

   Hybrydyzacja sp dotyczy trzech atomów węgla (każdy ma 2 wiązania podwójne → 2 wiązania σ pod kątem 180° → sp).

   Liczba wiązań σ: 4 (każde z 4 wiązań podwójnych zawiera 1σ).

   Uzupełnione zdania:

   • hybrydyzacja sp przypisuje się orbitalom walencyjnym trzech atomów węgla
   • liczba wiązań σ wynosi 4

   ⚠ Typowa pułapka: - W każdym wiązaniu **podwójnym** (=) jest **1σ + 1π**, w **potrójnym** (≡) — 1σ + 2π. - 4 wiązania podwójne → 4σ + 4π (razem 8 wiązań, ale tylko 4 sigma). - Wszystkie 3 atomy C są hybrydyzowane sp (geometria liniowa), nie tylko środkowy. - Atomy O mają hybrydyzację sp² (ale uwaga: tlen w wiązaniu podwójnym = często traktowany jako sp² z 2 wolnymi parami).

   Zobacz pełne rozwiązanie krok po kroku →
6. Matura CKE · maj 2023 · zad. 27 3 pkt stopien utlenienia, hybrydyzacja, geranial, geraniol, wiazania pi, redukcja aldehydu

   Ponizej przedstawiono wzory polstrukturalne (grupowe) dwoch zwiazkow zapachowych: geranialu oraz geraniolu.

   Geranial: (CH3)2C=CH-CH2-CH2-C(CH3)=CH-CHO (atom wegla oznaczony litera a to atom wegla grupy aldehydowej -CHO) Geraniol: (CH3)2C=CH-CH2-CH2-C(CH3)=CH-CH2-OH (atom wegla oznaczony litera a to atom wegla grupy -CH2-OH)

   Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.

   Zadanie 27.1. (0-2) Uzupelnij tabele. Wpisz formalny stopien utlenienia oraz typ hybrydyzacji (sp, sp2, sp3) orbitali walencyjnych atomu wegla oznaczonego litera a w czasteczkach geranialu i geraniolu.

   	Stopien utlenienia	Typ hybrydyzacji
   Geranial
   Geraniol

   Zadanie 27.2. (0-1) Ocen prawdziwosc ponizszych zdan. Zaznacz P, jesli zdanie jest prawdziwe, albo F - jesli jest falszywe.

   1. Geraniol jest produktem redukcji geranialu. — P / F
   2. W czasteczce geranialu liczba wiazan π jest wieksza niz w czasteczce geraniolu. — P / F
   Pokaż odpowiedź

   Zadanie 27.1. (0-2)

   Atom wegla oznaczony litera a:

   • W geranialu jest to atom wegla grupy aldehydowej -CHO (-C(=O)H).
   • W geraniolu jest to atom wegla grupy hydroksymetylowej -CH2-OH.

   Stopien utlenienia atomu wegla oznaczonego litera a:

   Ustalamy formalny stopien utlenienia z bilansu wartosciowosci wiazan (H = +1, O = -2, C-C = 0).

   Geranial — atom C w grupie -CHO ma wiazania: C=O (oddaje 2 elektrony do O), C-H (przyjmuje 1 elektron od H), C-C (do sasiedniego atomu wegla — 0).
   Stopien utlenienia = +2 - 1 + 0 = +I

   Geraniol — atom C w grupie -CH2-OH ma wiazania: C-O-H (oddaje 1 elektron do O), 2× C-H (przyjmuje 2× 1 = 2 elektrony od H), C-C (0).
   Stopien utlenienia = +1 - 2 + 0 = -I

   Typ hybrydyzacji atomu wegla oznaczonego litera a:

   Geranial — atom C grupy -CHO tworzy 3 wiazania σ (z H, z C sasiedniego, z O) oraz 1 wiazanie π (z O w C=O) → sp².

   Geraniol — atom C grupy -CH2-OH tworzy 4 wiazania σ (2× C-H, C-C, C-O) → sp³.

   	Stopien utlenienia	Typ hybrydyzacji
   Geranial	+I	sp²
   Geraniol	-I	sp³

   Zadanie 27.2. (0-1)

   1. Geraniol jest produktem redukcji geranialu. — P
      Geranial (aldehyd) → geraniol (alkohol pierwszorzedowy). Grupa -CHO zostaje zredukowana do -CH2-OH (przylacza 2 atomy H). Stopien utlenienia atomu wegla a obniza sie z +I (w geranialu) do -I (w geraniolu) — to klasyczna redukcja.
      Rownanie: R-CHO + 2[H] → R-CH2-OH

   2. W czasteczce geranialu liczba wiazan π jest wieksza niz w czasteczce geraniolu. — P

      • Geranial: 3 wiazania π (dwa C=C w lancuchu + jedno C=O w grupie aldehydowej).
      • Geraniol: 2 wiazania π (dwa C=C w lancuchu; grupa -CH2-OH nie zawiera wiazania π).

      3 > 2, wiec zdanie jest prawdziwe.

   Schemat odpowiedzi: P, P

   ⚠ Typowa pułapka: - **Stopien utlenienia w grupie -CHO**: typowy blad to wpisanie +III (jak w grupie -COOH). W aldehydzie atom C ma tylko JEDNO wiazanie z O (podwojne), a drugie wiazanie idzie do H — daje to +I, nie +III. - **Stopien utlenienia w grupie -CH2-OH**: czesto myleny ze 0 (jak w CH3-CH3) lub +I. Poprawnie: -I, bo 2 wiazania C-H "obnizaja" stopien o 2, a jedno C-O "podnosi" o 1. - **Hybrydyzacja**: atom z wiazaniem podwojnym (C=O lub C=C) zawsze sp², nie sp³. W grupie aldehydowej -CHO atom C ma wiazanie π z tlenem. - **Wiazania π — pulapka grupy -OH**: niektorzy licza, ze tlen w -OH "ma wolne pary" i to liczyc do π. Wolne pary nie sa wiazaniami π. -CH2-OH = same wiazania σ. - **Liczenie wiazan π w lancuchu**: w obu czasteczkach trzeba wypatrzyc dwa wiazania C=C (jedno blisko grupy izopropylidenowej (CH3)2C=CH- i jedno blizej grupy funkcyjnej -C(CH3)=CH-). Latwo pominac jedno z nich.

   Zobacz pełne rozwiązanie krok po kroku →