Matura 2027 · chemia, poziom rozszerzony

Wiązanie wodorowe, oddziaływania międzycząsteczkowe i rodzaje kryształów

Podstawa programowa wymaga, żebyś opisywał wpływ rodzaju wiązań, oddziaływań międzycząsteczkowych i kształtu drobin na właściwości fizyczne substancji, wskazywał cząsteczki polarne i niepolarne, porównywał kryształy jonowe, kowalencyjne, molekularne i metaliczne oraz wyjaśniał alotropię na przykładzie diamentu, grafitu, grafenu i fulerenów. Tak przygotujesz się do tej części matury z chemii na poziomie rozszerzonym.

Na maturze 2023–2026: w 3 z 4 sesji – 2023 (zadanie 3), 2024 (zadania 3, 4 i 5), 2026 (zadanie 6).

W skrócie

najważniejsze w kilku zdaniach
  • Cząsteczka jest polarna, gdy jej wiązania są spolaryzowane, a momenty dipolowe nie znoszą się przez kształt cząsteczki: COX2\ce{CO2} jest niepolarna, HX2O\ce{H2O} polarna.
  • Siły van der Waalsa są słabe, rosną z masą oraz rozmiarem cząsteczki i zależą od jej kształtu: z izomerów rozgałęziony wrze niżej.
  • Wiązanie wodorowe tworzy atom wodoru połączony z F, O lub N z wolną parą elektronową innego atomu F, O lub N; podnosi temperaturę wrzenia.
  • Rodzaj kryształu wyznaczają drobiny w węzłach sieci: jony, atomy, cząsteczki albo kationy metalu z elektronami zdelokalizowanymi.
  • Alotropia: ten sam pierwiastek, inna budowa i inne właściwości, np. diament (sp³) i grafit (sp²).

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.

Polarność cząsteczek i siły van der Waalsa

Wiązanie jest spolaryzowane, gdy atomy różnią się elektroujemnością, ale cząsteczka jest polarna dopiero wtedy, gdy momenty dipolowe jej wiązań nie znoszą się nawzajem. Decyduje kształt. Liniowa cząsteczka COX2\ce{CO2} i tetraedryczna CClX4\ce{CCl4} mają spolaryzowane wiązania, a mimo to są niepolarne. Kątowa HX2O\ce{H2O} i piramidalna NHX3\ce{NH3} są polarne. Cząsteczka z samymi wiązaniami niespolaryzowanymi, jak OX2\ce{O2}, jest niepolarna.

Między cząsteczkami działają siły van der Waalsa: przyciąganie trwałych dipoli, przyciąganie dipola i cząsteczki, w której dipol został wyindukowany, oraz oddziaływania dyspersyjne, obecne między wszystkimi cząsteczkami, także niepolarnymi. Są słabe i rosną z masą i rozmiarem cząsteczki. Widać to w temperaturach wrzenia kolejnych węglowodorów: metan wrze w −162 °C, etan w −89 °C, a propan w −42 °C.

Oddziaływania dyspersyjne zależą też od kształtu cząsteczki, bo działają tylko tam, gdzie cząsteczki się stykają. Izomery o wzorze CX5HX12\ce{C5H12} mają tę samą masę molową, a wrą w różnych temperaturach: pentan o łańcuchu prostym w 36 °C, 2-metylobutan w 28 °C, a niemal kulisty 2,2-dimetylopropan w 9 °C. Im bardziej rozgałęziony łańcuch, tym mniejsza powierzchnia styku sąsiednich cząsteczek, słabsze oddziaływania i niższa temperatura wrzenia.

Wiązanie wodorowe i temperatura wrzenia

Wiązanie wodorowe tworzy atom wodoru połączony z bardzo elektroujemnym atomem fluoru, tlenu lub azotu, który przyciąga wolną parę elektronową innego atomu F, O lub N. Na rysunku przerywana linia łączy atom wodoru jednej cząsteczki wody z atomem tlenu drugiej. Takie wiązanie może łączyć dwie cząsteczki albo dwie grupy tej samej, dużej cząsteczki.

Energia wiązania wodorowego zwykle nie przekracza 20–25 kJ⋅mol−1\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}, a mimo to wyraźnie podnosi temperaturę wrzenia. Etanol i propan mają prawie taką samą masę molową, lecz etanol wrze o ponad 120 °C wyżej, bo jego cząsteczki łączą się wiązaniami wodorowymi przez grupę –OH. Woda wrze o 160 °C wyżej niż siarkowodór, choć jej cząsteczka jest lżejsza. Zwróć uwagę: wiązanie wodorowe nie jest wiązaniem w cząsteczce wody, bo przy jej wrzeniu rozrywane są oddziaływania między cząsteczkami.

HOHOHHwiązanie wodorowe
SubstancjaMasa molowa, g · mol⁻¹Wiązania wodoroweTemperatura wrzenia, °C
metan CHX4\ce{CH4}16,0nie−162
etan CX2HX6\ce{C2H6}30,1nie−89
propan CX3HX8\ce{C3H8}44,1nie−42
etanol CX2HX5OH\ce{C2H5OH}46,1tak78
siarkowodór HX2S\ce{H2S}34,1nie−60
woda HX2O\ce{H2O}18,0tak100

Cztery rodzaje kryształów i ich właściwości

O rodzaju kryształu decyduje to, co stoi w węzłach sieci, i to, co je wiąże. W krysztale jonowym są kationy i aniony połączone wiązaniami jonowymi, w kowalencyjnym atomy połączone wiązaniami kowalencyjnymi w całej sieci, w molekularnym cząsteczki trzymane słabymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi, a w metalicznym kationy metalu otoczone zdelokalizowanymi elektronami.

Energia potrzebna do zniszczenia sieci zależy od siły tych oddziaływań. Dlatego kryształy kowalencyjne i jonowe topią się w wysokich temperaturach, a molekularne w niskich. W krysztale jonowym energia sieciowa rośnie z ładunkami jonów i maleje z ich promieniami. Przewodnictwo wynika z ruchliwych nośników ładunku: elektronów w metalu, jonów w stopie lub w roztworze.

CechaJonowyKowalencyjnyMolekularnyMetaliczny
Drobiny w węzłachkationy i anionyatomycząsteczkikationy metalu
Temperatura topnieniawysokabardzo wysokaniskaróżna
Twardośćtwardy, kruchybardzo twardymiękkikowalny, ciągliwy
Przewodnictwo w stanie stałymbrakbrak (wyjątek: grafit)brakjest
Przewodnictwo po stopieniujestbrakbrakjest
PrzykładyNaCl\ce{NaCl}, CaFX2\ce{CaF2}diament, SiOX2\ce{SiO2}IX2\ce{I2}, lód, COX2\ce{CO2}Cu, Fe

Alotropia: diament, grafit, grafen i fulereny

Alotropia to występowanie tego samego pierwiastka w odmianach różniących się budową i właściwościami. Tlen tworzy dwuatomową cząsteczkę OX2\ce{O2} i trójatomową OX3\ce{O3}, czyli ozon. Najczęściej omawia się jednak odmiany węgla: diament, grafit, grafen i fulereny.

W diamencie każdy atom węgla ma hybrydyzację sp³ i cztery wiązania σ z sąsiadami, więc powstaje przestrzenna sieć kowalencyjna: diament jest bardzo twardy i nie przewodzi prądu. W grafitie atomy mają hybrydyzację sp² i leżą w płaskich warstwach z sześciokątnych pierścieni. Czwarty elektron każdego atomu jest zdelokalizowany w obrębie warstwy, dlatego grafit przewodzi prąd wzdłuż warstw. Warstwy łączą słabe oddziaływania, więc łatwo się po sobie przesuwają.

Grafen to pojedyncza warstwa grafitu. Fulereny, np. CX60\ce{C60}, są cząsteczkami w kształcie zamkniętej, pustej w środku siatki z atomów węgla i tworzą kryształy molekularne. Wszystkie te odmiany zbudowane są z atomów jednego pierwiastka, a różnią się właściwościami przez sposób połączenia atomów.

Doświadczenie

obserwacje i wniosek
Doświadczenie z tego działu tak, jak opisuje je CKE: cel, odczynniki, obserwacje, równanie reakcji i wniosek.
NaCl(aq)C₆H₁₂O₆(aq)IIIelektrody układu z żarówką
Cel doświadczenia
Porównanie przewodnictwa elektrycznego wodnych roztworów substancji tworzących kryształ jonowy i kryształ molekularny.
Odczynniki
chlorek sodu, glukoza, woda destylowana, układ do badania przewodnictwa (źródło prądu, dwie elektrody, żarówka)
Obserwacje
Obie substancje rozpuściły się w wodzie. W probówce I, z roztworem chlorku sodu, żarówka świeci. W probówce II, z roztworem glukozy, żarówka nie świeci.
Równanie reakcji
probówka I: NaCl→NaX++ClX−\ce{NaCl -> Na+ + Cl-}; probówka II: cząsteczki CX6HX12OX6\ce{C6H12O6} pozostają w roztworze niezdysocjowane
Wniosek
Roztwór chlorku sodu przewodzi prąd, bo zawiera ruchliwe jony; roztwór glukozy nie przewodzi, bo zawiera tylko cząsteczki bez ładunku. Sama rozpuszczalność w wodzie nie odróżnia tych substancji – odróżnia je przewodnictwo roztworu.

W minimalnym zestawie doświadczeń podstawy programowej:

  • 4.badanie właściwości fizycznych substancji tworzących kryształy jonowe, kowalencyjne, molekularne i metaliczne

Pojęcia

cząsteczka polarna
Cząsteczka o trwałym momencie dipolowym, w której ładunki dodatnie i ujemne rozmieszczone są niesymetrycznie.
siły van der Waalsa
Słabe oddziaływania międzycząsteczkowe: przyciąganie dipoli trwałych, dipoli indukowanych i oddziaływania dyspersyjne.
wiązanie wodorowe
Oddziaływanie atomu wodoru związanego z F, O lub N z wolną parą elektronową innego atomu F, O lub N, zwykle poniżej 20–25 kJ · mol⁻¹.
kryształ jonowy
Kryształ zbudowany z kationów i anionów, połączonych wiązaniami jonowymi; twardy, kruchy, przewodzi po stopieniu.
kryształ molekularny
Kryształ zbudowany z cząsteczek, między którymi działają słabe oddziaływania; miękki, o niskiej temperaturze topnienia.
kryształ metaliczny
Kryształ zbudowany z kationów metalu i zdelokalizowanych elektronów; kowalny i przewodzący prąd także w stanie stałym.
alotropia
Występowanie pierwiastka w kilku odmianach, różniących się budową i właściwościami, np. diament i grafit.
grafen
Odmiana węgla w postaci pojedynczej warstwy atomów o hybrydyzacji sp², ułożonych w sześciokątną siatkę.

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 2024, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 5

Zadanie 5. (0–1)

Liczba koordynacyjna to liczba najbliższych atomów lub jonów otaczających dany atom lub jon w sieci krystalicznej kryształu. Tlenek germanu(IV) jest krystalicznym ciałem stałym. Istnieje w dwóch odmianach: alfa, α-GeOX2\ce{GeO2}, oraz beta, β-GeOX2\ce{GeO2}. Fragmenty struktur obu odmian przedstawiono poniżej (atomy Ge – szare, atomy O – czerwone).Uzupełnij zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.
Struktura α-GeO₂ · CKE, arkusz MCHP-R0-100-2405
Struktura β-GeO₂ · CKE, arkusz MCHP-R0-100-2405
W odmianie α-GeOX2\ce{GeO2} liczba koordynacyjna dla atomu germanu wynosi . W strukturze odmiany β-GeOX2\ce{GeO2} dla orbitali walencyjnych atomu germanu zakłada się hybrydyzację .

Źródło: CKE, egzamin maturalny 2024, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-⁠R0-⁠100-⁠2405), zadanie 5. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE

Zadanie z arkusza CKEmatura

Matura 2024, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 3

Zadanie 3. (0–1)

Energia sieciowa związków jonowych to ilość energii potrzebna do rozłożenia jednego mola krystalicznej substancji na jony leżące nieskończenie daleko od siebie. Jej wartość zależy od rozmiarów jonów i ich ładunków. Wraz ze wzrostem energii sieciowej rosną wartości temperatury topnienia substancji krystalicznych. W tabeli przedstawiono wartości energii sieciowej halogenków wybranych litowców.
SubstancjaEnergia sieciowa, kJ⋅mol−1\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}SubstancjaEnergia sieciowa, kJ⋅mol−1\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}
LiF1033NaF915
LiClxxNaCl778
LiBr798NaBryy
LiI740NaI692
Na podstawie: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2018. Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.
Energia sieciowa xx chlorku litu wynosi około kJ⋅mol−1\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}, a energia sieciowa yy bromku sodu wynosi około kJ⋅mol−1\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}. Temperatura topnienia chlorku sodu jest równa 801 ∘C801\ ^\circ\mathrm{C}, a temperatura topnienia jodku sodu jest równa ∘C^\circ\mathrm{C}.

Źródło: CKE, egzamin maturalny 2024, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-⁠R0-⁠100-⁠2405), zadanie 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. Spośród izomerów o wzorze CX6HX14\ce{C6H14} najniższą temperaturę wrzenia ma związek o wzorze

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 2. (0–1)

Wiązania chemiczne i oddziaływania w wybranych substancjach: Oceń prawdziwość zdań. Wybierz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
cząsteczka BFX3\ce{BF3} jest niepolarna, choć wiązania B–F są spolaryzowane.
w czystym eterze dimetylowym CHX3−O−CHX3\ce{CH3-O-CH3} cząsteczki łączą się ze sobą wiązaniami wodorowymi.

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 3. (0–1)

Przyporządkuj substancjom rodzaj kryształu, jaki tworzą w stanie stałym. Wybierz odpowiedź spośród A–D.

Rodzaj kryształu

  1. Ajonowy
  2. Bkowalencyjny
  3. Cmolekularny
  4. Dmetaliczny

Substancja

1. SiC\ce{SiC}
2. CsCl\ce{CsCl}
3. PX4\ce{P4}

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 4. (0–1)

Dokończ zdanie. Wybierz odpowiedź A albo B oraz odpowiedź 1. albo 2.
Temperatura wrzenia fluorowodoru HF\ce{HF} jest niż chlorowodoru HCl\ce{HCl}, ponieważ

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
  • Wiązanie temperatury wrzenia z samą masą molową. Izomery mają tę samą masę, a rozgałęziony wrze niżej, bo jego cząsteczki stykają się mniejszą powierzchnią.
  • Uznawanie cząsteczki za polarną tylko dlatego, że ma spolaryzowane wiązania. Przy symetrycznym kształcie, np. w COX2\ce{CO2} czy CClX4\ce{CCl4}, momenty dipolowe znoszą się.
  • Nazywanie wiązania wodorowego wiązaniem wewnątrz cząsteczki wody. To oddziaływanie między cząsteczkami; przy wrzeniu cząsteczki HX2O\ce{H2O} pozostają nienaruszone.
  • Przypisywanie wiązania wodorowego każdej cząsteczce zawierającej wodór. Potrzebny jest atom wodoru związany z F, O lub N, więc CHX4\ce{CH4} czy HCl\ce{HCl} go nie tworzą.
  • Założenie, że kryształ jonowy przewodzi prąd także w stanie stałym. Jony w sieci nie mogą się przemieszczać; przewodzi dopiero stop lub roztwór.

Zapamiętaj

  • Ta sama masa, bardziej rozgałęziony łańcuch: słabsze oddziaływania dyspersyjne, niższa temperatura wrzenia.
  • Polarna cząsteczka: wiązania spolaryzowane i kształt, który nie znosi dipoli.
  • Wiązanie wodorowe wymaga atomu H związanego z F, O lub N i wolnej pary F, O lub N.
  • Diament: sp³, sieć 3D, nie przewodzi. Grafit: sp², warstwy, przewodzi wzdłuż warstw.
  • Kryształ jonowy przewodzi po stopieniu i w roztworze, nie w stanie stałym.

Pytania i odpowiedzi

  1. 1.Dlaczego izomery alkanów mają różne temperatury wrzenia?+
    Odp.:Mają tę samą masę molową, ale różny kształt. Oddziaływania dyspersyjne działają między powierzchniami stykających się cząsteczek, więc długa, prosta cząsteczka przyciąga sąsiednie mocniej niż zwarta, rozgałęziona. Dlatego pentan wrze w 36 °C, a 2,2-dimetylopropan w 9 °C. Porównując temperatury wrzenia, patrz najpierw na wiązania wodorowe, potem na masę, a przy tej samej masie na rozgałęzienie.
  2. 2.Jak ustalić, czy cząsteczka jest polarna?+
    Odp.:Najpierw sprawdź, czy wiązania są spolaryzowane, czyli czy atomy różnią się elektroujemnością. Potem narysuj kształt cząsteczki i zapytaj, czy momenty dipolowe wiązań się znoszą. W liniowej cząsteczce COX2\ce{CO2} wskazują przeciwne strony i sumują się do zera, w kątowej cząsteczce HX2O\ce{H2O} nie znoszą się, więc woda jest polarna.
  3. 3.Które cząsteczki tworzą wiązania wodorowe?+
    Odp.:Takie, w których atom wodoru jest związany z fluorem, tlenem lub azotem i które mają też wolną parę elektronową na F, O lub N. Należą do nich HX2O\ce{H2O}, NHX3\ce{NH3}, HF\ce{HF}, alkohole i kwasy karboksylowe. W CHX4\ce{CH4} wodór jest związany z węglem, a w HCl\ce{HCl} z chlorem, więc takich wiązań nie ma.
  4. 4.Dlaczego grafit przewodzi prąd, a diament nie?+
    Odp.:W diamencie wszystkie cztery elektrony walencyjne każdego atomu węgla tworzą wiązania σ w sieci przestrzennej, więc żaden nie jest swobodny. W grafitie każdy atom ma trzy wiązania σ w płaskiej warstwie, a czwarty elektron jest zdelokalizowany w obrębie warstwy i może przenosić ładunek. Dlatego grafit przewodzi prąd wzdłuż warstw.
  5. 5.Czy kryształ jonowy przewodzi prąd elektryczny?+
    Odp.:W stanie stałym nie, bo jony są związane w węzłach sieci i nie mogą się przemieszczać. Po stopieniu kryształu albo po rozpuszczeniu go w wodzie jony stają się ruchliwe i substancja przewodzi prąd. Tak jest w roztworze chlorku sodu, a w roztworze glukozy, której kryształ jest molekularny, nośników ładunku nie ma.
  6. 6.Czym różni się alotropia od izotopii?+
    Odp.:Izotopy to atomy tego samego pierwiastka, które mają różną liczbę neutronów w jądrze. Odmiany alotropowe to różne postacie tego samego pierwiastka, które różnią się sposobem połączenia atomów, np. diament i grafit albo OX2\ce{O2} i OX3\ce{O3}. Izotopia dotyczy jądra atomu, alotropia budowy substancji.

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.