Zadanie 27
Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: XIV. Hydroksylowe pochodne węglowodorów − alkohole i fenole. Zdający: 6) opisuje właściwości chemiczne fenoli na podstawie reakcji z: sodem, wodorotlenkiem sodu, bromem, kwasem azotowym(V) […]; projektuje i przeprowadza doświadczenie, którego przebieg pozwoli odróżnić alkohol od fenolu […].
XVIII. Związki organiczne zawierające azot. Zdający: 4) porównuje i wyjaśnia przyczynę zasadowych właściwości […] amin; pisze odpowiednie równania reakcji.
VIII. Reakcje utleniania i redukcji. Zdający: 1) stosuje pojęcia: stopień utlenienia, utleniacz, reduktor, utlenianie, redukcja; 4) oblicza stopnie utlenienia pierwiastków w […] cząsteczce związku […] organicznego.
Treść zadania
Oktopamina jest hormonem występującym w organizmach bezkręgowców. Jej wzór przedstawiono poniżej:
HO−C₆H₄−CH(OH)−CH₂−NH₂
We wzorze cząsteczki oktopaminy literami A–C zaznaczono wybrane fragmenty jej struktury:
- A — pierścień benzenowy z grupą hydroksylową (fenol)
- B — grupa aminowa (−CH₂−NH₂)
- C — grupa hydroksylowa (alkoholowa) na atomie węgla drugorzędowym
Zadanie 27.1. (0–1)
Oceń prawdziwość zdań. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F — jeśli jest fałszywe.
| 1. | Grupy −OH w cząsteczce oktopaminy różnią się zdolnością odłączania protonu. | P | F |
|---|---|---|---|
| 2. | Oktopamina może być utleniona do ketonu. | P | F |
Zadanie 27.2. (0–1)
W temperaturze 25 °C przeprowadzono doświadczenie. Do dwóch probówek zawierających oktopaminę wprowadzono: do jednej rozcieńczony kwas solny, a do drugiej wodny roztwór chlorku żelaza(III).
Uzupełnij zdania. Zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.
Rozcieńczony kwas solny uległ reakcji z fragmentem struktury oktopaminy oznaczonym literą (A / B / C).
Fragment struktury oktopaminy oznaczony literą A (uległ / nie uległ) reakcji z chlorkiem żelaza(III).
Zadanie 27.3. (0–1)
Próbkę oktopaminy wprowadzono do zakwaszonego roztworu azotanu(III) potasu. W wyniku reakcji wydzielił się bezbarwny, niepalny gaz o masie molowej równej 28 g·mol⁻¹. Otrzymany w warunkach doświadczenia organiczny produkt X opisanej reakcji — wprowadzony do probówki zawierającej świeżo strącony osad wodorotlenku miedzi(II) i nadmiar zasady — spowodował roztworzenie osadu i powstanie klarownego roztworu barwy ciemnoniebieskiej (szafirowej).
Uzupełnij schemat tak, aby powstało w formie jonowej skróconej równanie reakcji, w której otrzymano organiczny produkt X. Napisz wzory brakujących produktów.
HO−C₆H₄−CH(OH)−CH₂−NH₃⁺ + HNO₂ —środowisko kwasowe→ [produkt organiczny X] + [gaz] + H₃O⁺
Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
27.1.
| # | Stwierdzenie | Ocena |
|---|---|---|
| 1 | Grupy -OH różnią się zdolnością odłączania protonu | P |
| 2 | Oktopamina może być utleniona do ketonu | P |
Uzasadnienia:
P — oktopamina ma 2 typy grup OH:
- Fenolowa -OH na pierścieniu aromatycznym (fragment A). pK_a ≈ 10 (umiarkowanie kwasowa).
- Alkoholowa -OH na C drugorzędowym (fragment C). pK_a ≈ 16-18 (znacznie słabiej kwasowa).
- Różnica pK_a ~6 = 10⁶ razy w zdolności odłączania H⁺ → różnią się znacznie.
P — grupa OH we fragmencie C jest przyłączona do atomu węgla drugorzędowego (alkohol drugorzędowy), a taki alkohol może być utleniony do ketonu (np. K₂Cr₂O₇ w środowisku kwasowym):
- R-CHOH-R' → R-CO-R' (z utratą 2 H).
- W oktopaminie: ArCH(OH)CH₂NH₂ → ArC(=O)CH₂NH₂ (keton).
27.2.
Rozcieńczony HCl reaguje z fragmentem B (grupa aminowa -NH₂).
Reakcja: -NH₂ + HCl → -NH₃⁺Cl⁻ (chlorowodorek aminy, sól rozpuszczalna).
Aminy są zasadami Brønsteda (przyjmują H⁺) → reagują z kwasami silnymi jak HCl.
Fragment A UŁEGŁ reakcji z FeCl₃.
Reakcja: fenole (grupa -OH przy pierścieniu aromatycznym) tworzą z jonami Fe³⁺ barwny (zwykle fioletowy) związek kompleksowy — to reakcja pozwalająca odróżnić fenol od alkoholu.
Alkohole (fragment C) nie dają tej reakcji barwnej z FeCl₃.
27.3. Gaz o M = 28 g·mol⁻¹, bezbarwny i niepalny, to N₂. Grupa -NH₃⁺ zostaje zastąpiona grupą -OH, więc produkt X ma dwie grupy OH przy sąsiednich atomach węgla (dlatego daje z Cu(OH)₂ szafirowy roztwór, jak glicerol):
HO−C₆H₄−CH(OH)−CH₂−NH₃⁺ + HNO₂ → HO−C₆H₄−CH(OH)−CH₂−OH + N₂ + H₃O⁺
Bilans: N: 1 + 1 = 2 ✓; O: 2 + 2 = 3 + 1 ✓; H: 12 + 1 = 10 + 3 ✓; ładunek: +1 = +1 ✓.
Pułapka 27.1.1 — założenie że "obie OH są takie same". Fenol (Ar-OH) jest znacznie bardziej kwasowy niż alkohol (R-OH) → różne pK_a (10 vs 16-18).
Pułapka 27.1.2 — utlenianie aminy zamiast alkoholu. Klucz: utleniany jest alkohol drugorzędowy (CHOH) → keton. Aminy są utleniane do nitrozo/nitro, nie do ketonu.
Pułapka 27.2 — pomylenie reaktywności:
- HCl (kwas) + amina (zasada) → sól amoniowa. (NIE z fenolem - fenole są kwasami, nie zasadami.)
- FeCl₃ (próba) + fenol (-OH aromatyczny) → fioletowy kompleks. (NIE z alkoholem.)
Pułapka 27.3 — zły gaz. M = 28 g·mol⁻¹ i niepalny → N₂ (CO też ma M = 28, ale jest palny). Zasady oceniania wymagają wzoru produktu organicznego i wzoru gazu.
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — fenol vs alkohol
| Cecha | Fenol (Ar-OH) | Alkohol (R-OH) |
|---|---|---|
| Kwasowość (pK_a) | ~10 (umiarkowanie kwasowy) | ~16-18 (bardzo słabo kwasowy) |
| Reakcja z NaOH | Tak (powstaje fenolan) | Nie (alkohol nie reaguje) |
| Reakcja z Na (metalem) | Tak (NaOR + H₂) | Tak (NaOR + H₂) |
| Próba z FeCl₃ | Tak (fioletowy kompleks) | Nie |
| Utlenianie do ketonu/aldehydu | Trudniej (ar-OH stabilny) | Tak (R-OH → R-CO, alkohol I-rz → CHO, II-rz → CO) |
Dlaczego fenol jest bardziej kwasowy?: anion fenolanu (Ar-O⁻) jest stabilizowany rezonansowo przez pierścień aromatyczny (-ładunek rozłożony). Alkohol R-O⁻ nie ma takiej stabilizacji.
Klucz pojęciowy — aminy
Aminy mają grupę -NH₂ (I-rz), -NHR (II-rz), -NR₂ (III-rz).
Aminy = zasady Brønsteda:
- -NH₂ + H⁺ → -NH₃⁺ (akceptują proton).
- pK_b alkilowej aminy ~3-4 (mocniejsze zasady niż NH₃).
- pK_b aromatycznej aminy (anilina) ~9-10 (słabsza zasada, bo wolna para elektronowa atomu N jest sprzężona z pierścieniem).
Reakcje aminy z kwasami:
- R-NH₂ + HCl → R-NH₃⁺Cl⁻ (chlorowodorek aminy — sól).
Mechanizm: próba fenoli z FeCl₃
Fenol Ar-OH + FeCl₃ → barwny (zwykle fioletowy) związek kompleksowy żelaza(III).
Próba diagnostyczna: jeśli po dodaniu FeCl₃ pojawia się charakterystyczne zabarwienie, związek zawiera grupę fenolową; alkohole tej reakcji nie dają.
Mechanizm: utlenianie do ketonu
Alkohol drugorzędowy (C-OH z 2 grupami C) → keton (C=O z 2 grupami C), np. pod działaniem K₂Cr₂O₇ w środowisku kwasowym.
Wzór ogólny:
W oktopaminie: HO-C₆H₄-CH(OH)-CH₂-NH₂ → HO-C₆H₄-CO-CH₂-NH₂ (keton).
Alkohol I-rzędowy → aldehyd → kwas karboksylowy (kontynuacja utleniania). Alkohol III-rzędowy → NIE utlenia się łatwo (brak H na C-OH).
Punktacja CKE
- 27.1. 1 pkt — oba P/F poprawne.
- 27.2. 1 pkt — poprawne uzupełnienie dwóch zdań: B; uległ.
- 27.3. 1 pkt — poprawny wzór produktu organicznego X (HO-C₆H₄-CH(OH)-CH₂-OH) oraz wzór gazu (N₂).
- Suma: 3 pkt.
Po co to umieć
Cząsteczka z kilkoma grupami funkcyjnymi (fenolową, alkoholową i aminową) reaguje każdą z nich inaczej — trzeba umieć przypisać odczynnik do grupy:
- Kwas solny — reaguje z grupą aminową (zasadową).
- FeCl₃ — barwna reakcja z grupą fenolową; pozwala odróżnić fenol od alkoholu.
- Utleniacz — alkohol drugorzędowy przechodzi w keton.
- HNO₂ (środowisko kwasowe) — I-rzędowa grupa aminowa alifatyczna zostaje zastąpiona grupą OH, wydziela się N₂ (tak jak w zadaniu 27.3).
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „chemia organiczna, oktopamina, fenole, aminy, alkohole, FeCl3, deaminacja, HNO2” zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl