Zadanie 3
Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: III.4 — tlenki, kwasy tlenowe, reakcje redoks.
Treść zadania
Tlenek jodu(V) — to białe ciało stałe. W reakcji z wodą tworzy jednoprotonowy kwas. Tlenek jodu(V) wykorzystywany jest do wykrywania i oznaczania ilościowego tlenku węgla(II) w powietrzu.
Zadanie 3.1. (0–1)
Napisz w formie cząsteczkowej równanie opisanej reakcji tlenku jodu(V) z wodą.
Zadanie 3.2. (0–1)
Przeprowadzono doświadczenie. W kolbie ustawionej pod wyciągiem umieszczono tlenek jodu(V), a następnie wprowadzono do niej tlenek węgla(II) i szczelnie ją zamknięto. W kolbie zachodzi reakcja utleniania-redukcji, a po reakcji widać fioletowy jod stały oraz bezbarwny gaz.
Napisz w formie cząsteczkowej równanie reakcji tlenku jodu(V) z tlenkiem węgla(II).
Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
3.1. I₂O₅ + H₂O → 2 HIO₃
Uzasadnienie:
- I₂O₅ to bezwodnik kwasowy (tlenek niemetalu na wyższym stopniu utlenienia).
- Reakcja z wodą = hydratacja tlenku → kwas tlenowy.
- "Jednoprotonowy" → kwas jodowy(V) HIO₃ (jeden H w cząsteczce).
- Stopień utlenienia jodu w I₂O₅ = +5 (2I + 5·(-2) = 0 → I = +5). W HIO₃ też +5 (1 + I + 3·(-2) = 0 → I = +5). Brak zmiany stopnia utlenienia = reakcja NIE redoks, tylko kwasowo-zasadowa.
- Bilans: I: 2 = 2 ✓, O: 5+1 = 6 = 2·3 ✓, H: 2 = 2·1 ✓.
3.2. I₂O₅ + 5 CO → I₂ + 5 CO₂
Mechanizm — reakcja redoks:
- I₂O₅: jod ma stopień utlenienia +5.
- CO: węgiel ma stopień utlenienia +2.
- Produkty: I₂ (jod = 0), CO₂ (węgiel = +4).
- Jod się REDUKUJE (+5 → 0): I₂O₅ to utleniacz. Każdy I przyjmuje 5 e: 2 I × 5 e = 10 e.
- Węgiel się UTLENIA (+2 → +4): CO to reduktor. Każdy C oddaje 2 e: 5 C × 2 e = 10 e ✓ (bilans elektronów).
Bilans atomowy:
- I: 2 (lewo) = 2 (prawo) ✓.
- C: 5 (lewo) = 5 (prawo) ✓.
- O: 5 + 5 = 10 (lewo) = 10 (prawo, 5·2) ✓.
Obserwacja: w kolbie po reakcji fioletowy jod stały (I₂ ma fioletowo-czarne kryształy / fioletowe pary) — to zgadza się z fotografią.
Zastosowanie: oznaczanie CO w powietrzu: ilość uwolnionego I₂ (mierzona miareczkowaniem tiosiarczanem sodu) = miara stężenia CO. Klasyczna metoda iodometryczna.
Pułapka 3.1 — reakcja redoks zamiast kwasowo-zasadowej. Klucz: I w I₂O₅ ma stopień +5. W HIO₃ też +5. Brak zmiany = nie redoks.
Pułapka 3.1 — wybór kwasu HIO₄ lub H₅IO₆ (kwas jodowy(VII)). Tu jednoprotonowy + tlenek na +5 = HIO₃ (jodowy V).
Pułapka 3.2 — niewłaściwy współczynnik 5 przed CO. Klucz: bilans elektronów. 2 I × 5 e = 10 e (redukcja). 1 CO × 2 e = 2 e (utlenianie). Stosunek I₂O₅ : CO = 1 : 5 (10/2 = 5).
Pułapka 3.2 — niewłaściwy produkt. I₂ (jod stały, fioletowy), NIE jod w formie jonów I⁻ lub HI. Reakcja zachodzi bez wody, na sucho.
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — tlenki i kwasy tlenowe jodu
| Związek | Stopień utleniania I | Reakcja z wodą | Kwas |
|---|---|---|---|
| I₂O (rzadko) | +1 | + H₂O → HIO | HIO (kwas jodowy(I)) |
| I₂O₃ (niestabilny) | +3 | + H₂O → HIO₂ | HIO₂ (kwas jodowy(III)) |
| I₂O₅ | +5 | + H₂O → HIO₃ | HIO₃ (kwas jodowy(V)) |
| I₂O₇ (hipotet.) | +7 | + H₂O → HIO₄ | HIO₄ (kwas jodowy(VII)) |
I₂O₅ = jedyny stabilny tlenek jodu w warunkach pokojowych. Pozostałe są niestabilne lub hipotetyczne.
Mechanizm: reakcja I₂O₅ z wodą (3.1)
To NIE redoks (jod pozostaje na +5):
I₂O₅ + H₂O → 2 HIO₃
Bezwodnik kwasowy + woda → kwas tlenowy. Standardowa reakcja:
- CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (analog dla węgla).
- SO₃ + H₂O → H₂SO₄ (analog dla siarki).
- I₂O₅ + H₂O → 2 HIO₃ (dla jodu).
Stopień utlenienia jodu:
- W I₂O₅: 2·I + 5·(-2) = 0 → I = +5.
- W HIO₃: 1·(+1) + I + 3·(-2) = 0 → I = +5.
- Bez zmiany = nie redoks.
HIO₃ = kwas jodowy(V). Cechy:
- Mocny kwas (Ka ≈ 0,16).
- Jednoprotonowy.
- Białe ciało stałe (krystaliczny), rozpuszczalny w wodzie.
Mechanizm: reakcja redoks I₂O₅ + CO (3.2)
I₂O₅ + 5 CO → I₂ + 5 CO₂
Identyfikacja redoks:
- I w I₂O₅: +5. W I₂: 0. Zmiana: -5 → redukcja jodu.
- C w CO: +2. W CO₂: +4. Zmiana: +2 → utlenianie węgla.
Połówkowe równania:
- Redukcja: 2 I⁺⁵ + 10 e⁻ → I₂ (2 atomy I, każdy +5 → 0).
- Utlenianie: CO → CO₂ + 2 e⁻ (każdy CO oddaje 2 e).
Bilans elektronów: 10 e na 1 I₂O₅, 2 e na 1 CO → potrzebne 5 CO na 1 I₂O₅.
Pełne równanie: I₂O₅ + 5 CO → I₂ + 5 CO₂.
Bilans atomów:
- I: 2 = 2 ✓
- C: 5 = 5 ✓
- O: 5 + 5 = 10 = 5·2 ✓
Metoda iodometryczna oznaczania CO
Reakcja I₂O₅ + CO jest podstawą klasycznego oznaczania CO w powietrzu:
Przepuszczamy badane powietrze (zawierające CO) przez rurkę z stałym I₂O₅ w T~100-130°C.
CO reaguje z I₂O₅ wytwarzając jod I₂ (uwolniony w postaci par).
Jod wyłapywany w roztworze KI (powstaje KI₃, ciemnobrązowy) lub bezpośrednio kondensowany.
Miareczkowanie uwolnionego I₂ tiosiarczanem sodu (Na₂S₂O₃):
- I₂ + 2 Na₂S₂O₃ → 2 NaI + Na₂S₄O₆ (tetrationian).
Z ilości zużytego tiosiarczanu obliczamy ilość I₂ → ilość CO (z stosunku 1:5).
To historyczna metoda — dziś detektory elektrochemiczne i NDIR (infrared) są szybsze, ale iodometryczna pozostaje referencyjna.
Punktacja CKE
- 3.1. 1 pkt — poprawne równanie I₂O₅ + H₂O → 2 HIO₃.
- 3.2. 1 pkt — poprawne równanie I₂O₅ + 5 CO → I₂ + 5 CO₂.
- Suma: 2 pkt.
Po co to umieć
Tlenek węgla (CO) = najczęstsze zatrucie chemiczne (po alkoholu):
- Bezwonny, bezbarwny gaz → trudny do wykrycia.
- Powstaje przy niepełnym spalaniu (zatkanie komina, źle wentylowane piece, samochód w garażu).
- Mechanizm zatrucia: CO wiąże się z hemoglobiną 200× silniej niż O₂ → karboksyhemoglobina nie transportuje O₂ → niedotlenienie tkanek → śmierć.
- Czujniki CO w domach (alarmy) — obowiązkowe w wielu krajach.
Jod (I₂):
- Niemetal, fioletowo-czarne kryształy, łatwo sublimujący do fioletowych par.
- Płyn Lugola (KI + I₂) — dezynfekcja, leczenie chorób tarczycy.
- Antyseptyczne opatrunki (jodynna w spirytusie).
Iodometria = klasyczna metoda analityczna:
- Oznaczanie CO (jak w zadaniu).
- Oznaczanie chloru w wodzie pitnej.
- Oznaczanie witaminy C (Cl₂ + KI → I₂ → reakcja z askorbinianem).
- Oznaczanie stężenia rozpuszczalnego tlenu w wodzie (metoda Winklera).
Tlenek jodu(V) I₂O₅ — także stosowany w:
- Maskach przeciwgazowych (warstwa I₂O₅ zatrzymuje CO).
- Reakcjach analitycznych w chromatografii gazowej.
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „chemia nieorganiczna, tlenki, kwasy tlenowe, reakcja redoks, tlenek jodu(V), tlenek węgla" zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl