Matura 2027 · chemia, poziom rozszerzony

Metale i niemetale: aktywność metali, pasywacja i kwasy utleniające

Podstawa programowa wymaga, żebyś opisywał właściwości metali i niemetali oraz ich zmienność w układzie okresowym, przewidywał reakcje metali z wodą i kwasami, także utleniającymi, wyjaśniał pasywację glinu, wskazywał produkty redukcji jonów manganianowych(VII) i dichromianowych(VI), otrzymywał wodór, tlen i chlor oraz opisywał twardość wody i hydraty. Tak przygotujesz się do tej części matury z chemii na poziomie rozszerzonym.

Na maturze 2023–2026: w 3 z 4 sesji – 2023 (zadanie 13.3), 2025 (zadanie 9), 2026 (zadanie 2).

W skrócie

najważniejsze w kilku zdaniach
  • Metale przewodzą prąd i ciepło oraz mają połysk, bo ich elektrony walencyjne są zdelokalizowane (wiązanie metaliczne).
  • Aktywność metalu rośnie wraz z malejącym potencjałem standardowym: litowce i wapń reagują z wodą, metale o potencjale ujemnym z kwasami nieutleniającymi, miedź i srebro dopiero z utleniającymi.
  • Glin i żelazo pasywują się: szczelna warstwa tlenku chroni je przed dalszą reakcją, na przykład z kwasem azotowym(V) o dużym stężeniu.
  • Kwas azotowy(V) nie wydziela wodoru z metalu: redukuje się do NOX2\ce{NO2} (stężony) albo NO\ce{NO} (rozcieńczony).
  • Produkt redukcji jonu MnOX4X−\ce{MnO4-} zależy od środowiska, a jon CrX2OX7X2−\ce{Cr2O7^2-} w roztworze kwasowym daje CrX3+\ce{Cr^3+}.
  • Aktywność fluorowców maleje od chloru do jodu; twardość przemijającą wody usuwasz przez ogrzewanie.

Egzamin maturalny z chemii na poziomie rozszerzonym trwa 180 minut; za cały arkusz można uzyskać 60 punktów. W arkuszu jest około 45 poleceń: zadania zamknięte (wielokrotnego wyboru, prawda–fałsz, na dobieranie) i otwarte (z luką, krótkiej i rozszerzonej odpowiedzi), w tym co najmniej jedno zadanie problemowe za 4–5 punktów. Podczas egzaminu możesz korzystać z „Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych”, linijki i kalkulatora naukowego.

Właściwości metali i różnice między grupami

Metale są kowalne, przewodzą prąd i ciepło oraz mają metaliczny połysk, ponieważ elektrony walencyjne nie należą do pojedynczych atomów, lecz poruszają się między kationami. Te cechy tłumaczy wiązanie metaliczne. W okresie właściwości metaliczne słabną, a w grupie – w dół – rosną.

Metale grupy 1. są miękkie, mają małe gęstości i reagują z wodą: 2 Na+2 HX2O→2 NaOH+HX2\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2}. Metale grupy 2. są twardsze i mniej aktywne: wapń reaguje z wodą na zimno, dając wodorotlenek, Ca+2 HX2O→Ca(OH)X2+HX2\ce{Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2}, a magnez dopiero po ogrzaniu. Z tlenem oba rodzaje tworzą tlenki, np. 2 Ca+OX2→2 CaO\ce{2Ca + O2 -> 2CaO}.

MetalReakcja z wodąProdukty
Nagwałtowna, na zimnoNaOH i H₂
Caspokojna, na zimnoCa(OH)₂ i H₂
Mgpo ogrzaniuMg(OH)₂ i H₂
Albrak (warstwa tlenku)—

Aktywność metali i pasywacja glinu

Aktywność metalu w roztworze mierzy jego potencjał standardowy. Metale o potencjale ujemnym wypierają wodór z kwasów nieutleniających, np. Zn+2 HX+→ZnX2++HX2\ce{Zn + 2H+ -> Zn^2+ + H2} i Fe+2 HX+→FeX2++HX2\ce{Fe + 2H+ -> Fe^2+ + H2}. Miedź (+0,342 V+0{,}342\ \mathrm{V}) i srebro (+0,800 V+0{,}800\ \mathrm{V}) nie reagują ani z kwasem solnym, ani z rozcieńczonym kwasem siarkowym(VI). Wartości potencjałów odczytujesz z tablic CKE (s. 12).

Glin ma potencjał −1,676 V-1{,}676\ \mathrm{V}, więc powinien reagować gwałtownie, a jednak na powietrzu jest odporny. Jego powierzchnię pokrywa cienka, szczelna warstwa tlenku AlX2OX3\ce{Al2O3}, która oddziela metal od otoczenia – to pasywacja. Dzięki niej glin ma zastosowanie w konstrukcjach i opakowaniach. Ponieważ tlenek jest amfoteryczny, reaguje zarówno z kwasem solnym, jak i z roztworem wodorotlenku sodu, a wtedy glin traci osłonę i reaguje: 2 Al+6 HX+→2 AlX3++3 HX2\ce{2Al + 6H+ -> 2Al^3+ + 3H2}.

Metale i kwasy utleniające

W kwasie azotowym(V) czynnikiem utleniającym są jony NOX3X−\ce{NO3-}, a nie HX+\ce{H+}, więc wodór się nie wydziela. Kwas stężony redukuje się do NOX2\ce{NO2} (brunatny gaz): Cu+4 HX++2 NOX3X−→CuX2++2 NOX2+2 HX2O\ce{Cu + 4H+ + 2NO3- -> Cu^2+ + 2NO2 + 2H2O}. Kwas rozcieńczony redukuje się do NO\ce{NO} (bezbarwny gaz, który na powietrzu brunatnieje): 3 Cu+8 HX++2 NOX3X−→3 CuX2++2 NO+4 HX2O\ce{3Cu + 8H+ + 2NO3- -> 3Cu^2+ + 2NO + 4H2O}.

Srebro roztwarza się w obu kwasach; w rozcieńczonym 3 Ag+4 HX++NOX3X−→3 AgX++NO+2 HX2O\ce{3Ag + 4H+ + NO3- -> 3Ag+ + NO + 2H2O}. Żelazo i glin reagują z kwasem rozcieńczonym, np. Fe+4 HX++NOX3X−→FeX3++NO+2 HX2O\ce{Fe + 4H+ + NO3- -> Fe^3+ + NO + 2H2O}, ale ze stężonym na zimno nie reagują, bo się pasywują: powstaje szczelna warstwa tlenku i reakcja ustaje.

MetalHNO₃ rozcieńczonyHNO₃ stężony
CuNONO₂
AgNONO₂
FeNObrak reakcji (pasywacja)
AlNObrak reakcji (pasywacja)

Mangan i chrom: produkt redukcji zależy od środowiska

Jon MnOX4X−\ce{MnO4-} przyjmuje tym więcej elektronów, im bardziej kwasowy jest roztwór. W kwasowym przyjmuje 5 elektronów i daje prawie bezbarwne jony MnX2+\ce{Mn^2+}: MnOX4X−+8 HX++5 eX−→MnX2++4 HX2O\ce{MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}. W obojętnym i słabo zasadowym przyjmuje 3 i daje brunatny osad MnOX2\ce{MnO2}: MnOX4X−+2 HX2O+3 eX−→MnOX2+4 OHX−\ce{MnO4- + 2H2O + 3e- -> MnO2 + 4OH-}. W silnie zasadowym przyjmuje jeden i daje zielone jony MnOX4X2−\ce{MnO4^2-}: MnOX4X−+eX−→MnOX4X2−\ce{MnO4- + e- -> MnO4^2-}.

Jon CrX2OX7X2−\ce{Cr2O7^2-} w roztworze kwasowym przechodzi w zielone jony CrX3+\ce{Cr^3+}: CrX2OX7X2−+14 HX++6 eX−→2 CrX3++7 HX2O\ce{Cr2O7^2- + 14H+ + 6e- -> 2Cr^3+ + 7H2O}. Jak z takich równań połówkowych składać równanie reakcji, znajdziesz na stronie o reakcjach redoks.

Chromiany(VI) i dichromiany(VI) przechodzą jedne w drugie bez zmiany stopnia utlenienia, zależnie od odczynu, więc to nie jest reakcja redoks. Tę równowagę i doświadczenie, w którym się ją przesuwa, opisuje strona o równowadze chemicznej.

ŚrodowiskoProdukt redukcji MnO₄⁻WyglądElektrony
kwasoweMn²⁺prawie bezbarwny roztwór5
obojętne lub słabo zasadoweMnO₂brunatny osad3
silnie zasadoweMnO₄²⁻zielony roztwór1

Wodór, tlen, chlor i fluorowce

Wodór otrzymasz z reakcji metalu z kwasem nieutleniającym: Zn+2 HCl→ZnClX2+HX2\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}. Tlen powstaje przy rozkładzie nadtlenku wodoru, np. w obecności tlenku manganu(IV), 2 HX2OX2→MnOX22 HX2O+OX2\ce{2H2O2 ->[MnO2] 2H2O + O2}, oraz przy ogrzewaniu manganianu(VII) potasu: 2 KMnOX4→temperaturaKX2MnOX4+MnOX2+OX2\ce{2KMnO4 ->[\text{temperatura}] K2MnO4 + MnO2 + O2}. Chlor otrzymasz z kwasu solnego i utleniacza: MnOX2+4 HCl→temperaturaMnClX2+ClX2+2 HX2O\ce{MnO2 + 4HCl ->[\text{temperatura}] MnCl2 + Cl2 + 2H2O} albo 2 KMnOX4+16 HCl→2 KCl+2 MnClX2+5 ClX2+8 HX2O\ce{2KMnO4 + 16HCl -> 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O}.

Fluorowce są coraz słabszymi utleniaczami od fluoru do jodu: E∘(ClX2/ClX−)=1,358 VE^\circ(\ce{Cl2/Cl-}) = 1{,}358\ \mathrm{V}, E∘(BrX2/BrX−)=1,066 VE^\circ(\ce{Br2/Br-}) = 1{,}066\ \mathrm{V}, E∘(IX2/IX−)=0,536 VE^\circ(\ce{I2/I-}) = 0{,}536\ \mathrm{V}. Dlatego chlor wypiera brom z bromków, ClX2+2 BrX−→2 ClX−+BrX2\ce{Cl2 + 2Br- -> 2Cl- + Br2}, a brom wypiera jod z jodków, BrX2+2 IX−→2 BrX−+IX2\ce{Br2 + 2I- -> 2Br- + I2}; reakcje odwrotne nie zachodzą. Zwróć uwagę, że chlor i siarka utleniają żelazo do różnych stopni: 2 Fe+3 ClX2→2 FeClX3\ce{2Fe + 3Cl2 -> 2FeCl3}, ale Fe+S→FeS\ce{Fe + S -> FeS}. Wodór łączy się z chlorem: HX2+ClX2→2 HCl\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}.

FluorowiecStan skupieniaBarwa
F₂gazbladożółta
Cl₂gazżółtozielona
Br₂cieczczerwonobrunatna
I₂ciało stałeciemnoszara

Twardość wody i hydraty

Twardość wody wywołują jony CaX2+\ce{Ca^2+} i MgX2+\ce{Mg^2+}. Twardość przemijającą powodują wodorowęglany i znika ona po ogrzaniu, bo wytrąca się węglan, który tworzy kamień: Ca(HCOX3)X2→temperaturaCaCOX3+COX2+HX2O\ce{Ca(HCO3)2 ->[\text{temperatura}] CaCO3 + CO2 + H2O}. Twardość, która po ogrzaniu nie znika, nazywa się trwałą i pochodzi od innych rozpuszczalnych soli wapnia i magnezu.

Hydrat to sól z wodą krystalizacyjną. Gips CaSOX4 ⋅ 2 HX2O\ce{CaSO4*2H2O} zawiera 20,9 % wody masowo. Po ogrzaniu przechodzi w gips palony, (CaSOX4)X2 ⋅ HX2O\ce{(CaSO4)2*H2O}: 2 CaSOX4 ⋅ 2 HX2O→temperatura(CaSOX4)X2 ⋅ HX2O+3 HX2O\ce{2CaSO4*2H2O ->[\text{temperatura}] (CaSO4)2*H2O + 3H2O}, co zmniejsza masę o 15,7 %. Zarobiony z wodą gips palony twardnieje, bo odtwarza gips: (CaSOX4)X2 ⋅ HX2O+3 HX2O→2 CaSOX4 ⋅ 2 HX2O\ce{(CaSO4)2*H2O + 3H2O -> 2CaSO4*2H2O}.

Doświadczenie

obserwacje i wniosek
Doświadczenie z tego działu tak, jak opisuje je CKE: cel, odczynniki, obserwacje, równanie reakcji i wniosek.

Doświadczenie 1

MgIZnIICuIIIHCl(aq) w każdej probówce
Cel doświadczenia
Porównanie aktywności magnezu, cynku i miedzi wobec kwasu solnego oraz otrzymanie wodoru.
Odczynniki
wstążka magnezowa, granulki cynku, drut miedziany, wodny roztwór HCl\ce{HCl}
Obserwacje
W probówce I wydzielają się intensywnie pęcherzyki bezbarwnego gazu. W probówce II pęcherzyki wydzielają się wolniej. W probówce III nie zaobserwowano zmian.
Równanie reakcji
probówka I: Mg+2 HX+→MgX2++HX2\ce{Mg + 2H+ -> Mg^2+ + H2}; probówka II: Zn+2 HX+→ZnX2++HX2\ce{Zn + 2H+ -> Zn^2+ + H2}
Wniosek
Magnez i cynk redukują jony wodoru z kwasu solnego do wodoru, a miedź nie; aktywność maleje w szeregu magnez, cynk, miedź, zgodnie z potencjałami standardowymi.

Doświadczenie 2

KBr(aq)IKI(aq)IIKCl(aq)IIII, II: dodano wodę chlorowąIII: dodano wodę bromową
Cel doświadczenia
Porównanie aktywności chloru i bromu na podstawie ich reakcji z bromkami i jodkami.
Odczynniki
woda chlorowa, woda bromowa, wodne roztwory KBr\ce{KBr}, KI\ce{KI} i KCl\ce{KCl}
Obserwacje
W probówce I roztwór zabarwił się na żółtobrunatno, w probówce II na brunatno. W probówce III barwa roztworu nie zmieniła się.
Równanie reakcji
probówka I: ClX2+2 BrX−→2 ClX−+BrX2\ce{Cl2 + 2Br- -> 2Cl- + Br2}; probówka II: ClX2+2 IX−→2 ClX−+IX2\ce{Cl2 + 2I- -> 2Cl- + I2}
Wniosek
Chlor wypiera brom i jod z ich soli, a brom nie wypiera chloru z chlorku, więc chlor jest aktywniejszy od bromu i od jodu.

W minimalnym zestawie doświadczeń podstawy programowej:

  • 18.badanie aktywności chemicznej metali
  • 19.badanie właściwości metali (reakcje z tlenem, wodą, kwasami)
  • 20.badanie działania kwasów utleniających (roztworów rozcieńczonych i stężonych) na wybrane metale
  • 21.otrzymywanie wodoru (np. w reakcji Zn z HCl(aq))
  • 22.badanie aktywności chemicznej fluorowców
  • 23.otrzymywanie tlenu (np. w reakcji rozkładu H₂O₂ lub KMnO₄)

Pojęcia

wiązanie metaliczne
Wiązanie między kationami metalu a zdelokalizowanymi elektronami walencyjnymi, wspólnymi dla całego kryształu.
pasywacja
Powstanie na powierzchni metalu szczelnej warstwy tlenku, która zatrzymuje dalszą reakcję, np. na glinie.
fluorowce
Pierwiastki grupy 17.: fluor, chlor, brom, jod i astat.
twardość przemijająca
Twardość wody wywołana wodorowęglanami wapnia i magnezu; znika po ogrzaniu.
hydrat
Sól, której kryształ zawiera związane cząsteczki wody, np. CuSOX4 ⋅ 5 HX2O\ce{CuSO4 * 5H2O}.

Zadanie z matury

źródło: CKE
Prawdziwe zadanie z arkusza CKE, słowo w słowo, z materiałem źródłowym. Rozwiąż je, zanim zajrzysz do wyjaśnienia.
Zadanie z arkusza CKEmatura

Matura 2023, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 13.3

Zadanie 13.3. (0–1)

Przeprowadzono doświadczenie, w którym do trzech probówek – I, II i III – zawierających jednakowe objętości kwasu solnego o takim samym stężeniu molowym wprowadzono granulki trzech różnych metali, zgodnie z poniższym schematem.Przebieg reakcji zaobserwowano tylko w jednej probówce. Drugi z dwóch metali, które nie reagowały z kwasem solnym, dodano do probówki zawierającej stężony kwas azotowy(V). Efekt doświadczenia przedstawiono na zdjęciu. Napisz wzór sumaryczny barwnego, gazowego produktu reakcji.
CKE, arkusz MCHP-R0-100-2305
Ag (granulki)IHCl (aq)Cu (granulki)IIHCl (aq)Zn (granulki)IIIHCl (aq)

Źródło: CKE, egzamin maturalny 2023, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-⁠R0-⁠100-⁠2305), zadanie 13.3. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE

Sprawdź się

sprawdzisz od razu
Zaznacz lub wpisz odpowiedź i sprawdź ją od razu: pod zadaniem zobaczysz wyjaśnienie. Jak ocenia CKE: w zadaniu obliczeniowym liczy się metoda, wynik z jednostką i poprawne zaokrąglenie — zwykle do trzech cyfr znaczących. Równanie reakcji musi być zapisane w formie, o którą prosi polecenie (cząsteczkowej, jonowej albo jonowej skróconej), z poprawnymi współczynnikami.
zadanie Kleksy

Zadanie 1. (0–1)

Dokończ zdanie. Wybierz właściwą odpowiedź spośród podanych. Miedź o masie 6,35 g roztworzono w nadmiarze rozcieńczonego kwasu azotowego(V). Objętość tlenku azotu(II) wydzielonego w warunkach normalnych wynosi

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 2. (0–1)

Dokończ zdanie. Wybierz odpowiedź A albo B oraz odpowiedź 1. albo 2.
Miedź ogrzana ze stężonym kwasem siarkowym(VI) ponieważ

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 3. (0–1)

Woda, w której twardość wywołuje wyłącznie rozpuszczony CaSOX4\ce{CaSO4}, Oceń prawdziwość zdań. Wybierz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
po ogrzaniu nadal jest twarda.
po ogrzaniu traci twardość, bo wytrąca się węglan wapnia.

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 4. (0–1)

Przyporządkuj metalom ich zachowanie. Wybierz odpowiedź spośród A–D.

Zachowanie

  1. Areaguje z zimną wodą, wydzielając wodór
  2. Bw kwasie azotowym(V) o dużym stężeniu pokrywa się szczelną warstwą tlenku
  3. Ckwasy nieutleniające go nie roztwarzają
  4. Djego tlenek jest kwasowy

Metal

1. potas
2. glin
3. srebro

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

Więcej zadań: rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z maja 2026 roku

Częste pomyłki

tu najłatwiej stracić punkt
  • Wodór jako produkt reakcji metalu z kwasem azotowym(V). W tej reakcji redukcji ulega azot z jonu NOX3X−\ce{NO3-}, więc wydziela się tlenek azotu, a nie wodór.
  • Twierdzenie, że glin i żelazo „nie reagują z kwasem azotowym(V)”. Nie reagują tylko z kwasem o dużym stężeniu, bo się w nim pasywują; kwas rozcieńczony je roztwarza.
  • Pomylenie produktów redukcji manganianu(VII): MnX2+\ce{Mn^2+} dotyczy środowiska kwasowego, MnOX2\ce{MnO2} – obojętnego, a MnOX4X2−\ce{MnO4^2-} – silnie zasadowego.
  • Zakładanie, że twardość przemijającą usuwa każde ogrzewanie. Dotyczy ona wodorowęglanów; twardość trwała po ogrzaniu zostaje.

Zapamiętaj

  • Metale o potencjale ujemnym wypierają wodór z kwasów nieutleniających; miedź i srebro nie.
  • Kwas azotowy(V): stężony daje NOX2\ce{NO2}, rozcieńczony NO\ce{NO}; żelazo i glin pasywują się w stężonym.
  • Pasywacja glinu: szczelna warstwa AlX2OX3\ce{Al2O3} zatrzymuje reakcję.
  • Jon MnOX4X−\ce{MnO4-}: środowisko kwasowe – MnX2+\ce{Mn^2+} (5 elektronów), obojętne – MnOX2\ce{MnO2} (3), silnie zasadowe – MnOX4X2−\ce{MnO4^2-} (1).
  • Aktywność fluorowców: ClX2\ce{Cl2} > BrX2\ce{Br2} > IX2\ce{I2}; mocniejszy wypiera słabszy z soli.

Pytania i odpowiedzi

  1. 1.Dlaczego glin jest odporny na działanie powietrza, mimo że jest aktywny?+
    Odp.:Na powierzchni glinu natychmiast powstaje cienka, szczelna warstwa tlenku AlX2OX3\ce{Al2O3}, która nie przepuszcza tlenu ani wody do wnętrza metalu. Ta pasywacja chroni go przed dalszą reakcją. Warstwę niszczą dopiero kwas solny albo mocna zasada, bo tlenek jest amfoteryczny; wtedy glin reaguje i wydziela wodór.
  2. 2.Dlaczego miedź roztwarza się w kwasie azotowym(V), choć nie reaguje z kwasem solnym?+
    Odp.:W kwasie solnym utleniaczem są tylko jony HX+\ce{H+}, a potencjał miedzi (+0,342 V+0{,}342\ \mathrm{V}) jest wyższy od potencjału wodoru, dlatego miedź kwasu solnego nie utlenia. W kwasie azotowym(V) utleniaczem są jony NOX3X−\ce{NO3-}, które mają dużo wyższy potencjał i utleniają miedź, redukując się do tlenku azotu. Dlatego w tej reakcji nie ma wodoru.
  3. 3.Skąd wiem, czy po reakcji z kwasem azotowym(V) powstanie NO czy NO₂?+
    Odp.:Decyduje stężenie kwasu. Kwas stężony redukuje się do brunatnego NOX2\ce{NO2}, rozcieńczony – do bezbarwnego NO\ce{NO}, który dopiero na powietrzu przechodzi w brunatny gaz. Polecenie zwykle podaje stężenie kwasu albo kolor gazu i według nich wybierasz produkt.
  4. 4.Czym różni się twardość przemijająca od trwałej?+
    Odp.:Twardość przemijająca pochodzi od wodorowęglanów wapnia i magnezu i znika po ogrzaniu, bo wytrąca się nierozpuszczalny węglan. Twardość trwała nie znika po ogrzaniu, bo pochodzi od innych rozpuszczalnych soli wapnia i magnezu. Do jej usunięcia trzeba usunąć jony CaX2+\ce{Ca^2+} i MgX2+\ce{Mg^2+} innym sposobem.
  5. 5.Dlaczego chlor wypiera brom z bromków, a nie odwrotnie?+
    Odp.:Chlor ma wyższy potencjał standardowy niż brom (1,358 V1{,}358\ \mathrm{V} wobec 1,066 V1{,}066\ \mathrm{V}), więc jest silniejszym utleniaczem i utlenia jony bromkowe do bromu. Brom ma potencjał niższy od chloru, więc jonów chlorkowych nie utleni. W grupie 17. aktywność fluorowców maleje od fluoru do jodu.

Zadanie ostatnie.

Rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z matury z chemii (poziom rozszerzony) z maja 2026 roku – 180 minut, jak na egzaminie. Po oddaniu zobaczysz wynik i to, w którym dziale tracisz punkty.