Kwas węglowy, kwas siarkowy(IV), woda amoniakalna, tlenek węgla(IV), tlenek siarki(IV) oraz amoniak w chemii oraz w zadaniach maturalnych.

[vc_row][vc_column][vc_column_text]

W warunkach temperatury pokojowej (okolice 25°C) oraz pod ciśnieniem atmosferycznym (okolice p = 1013 hPa) istnieją stabilne cząsteczki tlenku węgla(IV), tlenku siarki(IV) oraz amoniaku. Wszystkie wymienione substancje są w tych warunkach gazami. Nie istnieją jednak w roztworach wodnych substancje określane powszechnymi nazwami: „kwas węglowy” i „kwas siarkowy(IV)”[1] oraz substancja o „zakazanej nazwie”: wodorotlenek amonowy (którą pozwoliłem sobie przekreślić, aby maturzysta nie przykładał do tej błędnej nazwy większej uwagi). W związku z powyższym nie powinno się używać nazwy: “kwas węglowy”, “kwas siarkowy(IV)”, wodorotlenek amonu, a raczej wodny roztwór odpowiednio tlenku węgla(IV) (symbolika CO_2(aq)), wodny roztwór tlenku siarki(IV) (symbolika SO_2(aq)), wodny roztwór amoniaku tudzież woda amoniakalna (symbolika NH_3(aq)).

Jednak w zadaniach maturalnych musimy w jakiś sposób wymienione wcześniej substancje jakoś symbolizować wzorami, możliwie najbardziej odwzorowującymi ich rzeczywistą postać (lub drobiny z nich powstające w roztworach wodnych z zachowaniem pewnych ogólnych zasad systematyki związków nieorganicznych), we wspomnianych wcześniej warunkach. Użyte wzory oraz symbolika zostanie później porównana ze wzorami/symboliką zawartą w Zasadami Oceniania w arkuszach maturalnych z chemii w różnych latach.

Najpierw jednak powiedzmy sobie, czym są tak naprawdę wspomniane na wstępie tytułowe substancje w rzeczywistości w roztworach wodnych wodnym.

 

1. Kwas węglowy – wodny roztwór tlenku węgla(IV) CO_2(aq), którym to woda jest mniej lub bardziej nasycona. W przypadku dużego wysycenia da się wykryć kwasowy odczyn tego wodnego roztworu spowodowany obecnością jonów H₃O⁺ w roztworze, a poza tym w roztworze będą obecne jony: HCO₃^–_(aq), CO₃^2-_(aq) oraz hydratowane cząsteczki CO₂∙xH₂O (lub H₂O∙CO₂ lub CO₂∙H₂O). Nie są to jednak typowe hydraty o ściśle określonym składzie, które można wyizolować z roztworu wodnego w formie czystej substancji. W ziemskich warunkach ten kwas nie istnieje, ale w specjalnych warunkach jego obecność została wykazana[1].
2. Kwas siarkowy(IV) – wodny roztwór tlenku siarki(IV) SO_2(aq), którym to woda jest mniej lub bardziej nasycona. W przypadku dużego wysycenia da się wykryć kwasowy odczyn tego wodnego roztworu spowodowany obecnością jonów H₃O⁺ w roztworze, a poza tym w roztworze będą obecne jony: HSO₃^–_(aq), SO₃^2-_(aq) oraz hydratowane cząsteczki SO₂∙xH₂O (lub H₂O∙SO₂ lub SO₂∙H₂O). Nie są to jednak typowe hydraty o ściśle określonym składzie, które można wyizolować z roztworu wodnego w formie czystej substancji.  W ziemskich warunkach ten kwas nie istnieje, ale w specjalnych warunkach jego obecność została wykazana[1].
3. Woda amoniakalna – wodny roztwór amoniaku NH_3(aq), którym to woda jest mniej lub bardziej nasycona. W przypadku nawet niskiego wysycenia da się wykryć zasadowy odczyn tego wodnego roztworu spowodowany obecnością jonów OH^–_(aq) w roztworze, a poza tym w roztworze będą obecne jony NH₄⁺_(aq), oraz hydratowane cząsteczki NH₃∙xH₂O (lub NH₃∙H₂O). Nie są to jednak typowe hydraty o ściśle określonym składzie, które można wyizolować z roztworu wodnego w formie czystej substancji.

Podsumowując: we wspomnianych roztworach wodnych pod ciśnieniem atmosferycznym oraz w temperaturach ziemskich nie istnieją cząsteczki, które można byłoby opisać wzorami: H₂CO₃, H₂SO₃, czy NH₄OH, przy czym ten ostatni jest szczególnie „niemile widziany”.

Kwas węglowy, kwas siarkowy(IV) oraz woda amoniakalna w zadaniach z arkuszy maturalnych.

Są jednak sytuacje, które z dydaktycznego punktu widzenia wymagają symbolizowania w różny sposób tych nieistniejących w warunkach ziemskich drobin z wyjątkiem NH₄OH, który w dydaktyce jest w porównaniu do swoich poprzedników znacznie bardziej “dyskryminowany”, a wynika to tylko z tego, że w żadnych innych warunkach, eksperymentach, we wszechświecie nie wykazano istnienia substancji o wzorze NH₄OH.

Poniżej przedstawiono analizę zalecanej symboliki w takich sprawach zawartą w Zasadach Oceniania Arkuszy maturalnych z chemii oraz w oryginalnych arkuszach z chemii począwszy od Informatorów Maturalnych do podstawy 2015 (Informator Maturalny 2014/2015, Przykładowy zestaw zadań Grudzień 2013, Przykładowy Arkusz Egzaminacyjny Grudzień 2014 oraz wszystkie dotychczasowe Arkusze maturalne majowe i czerwcowe począwszy od 2015 roku do 2021 roku, ale wyłącznie te z formuły 2015). Pokazano tylko fragmenty tych arkuszy (i zasad oceniania), gdzie tematyka była związana z przedstawionymi tutaj zagadnieniami.

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Maj 2015, Zadanie 15:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”682″ img_size=”full” alignment=”center”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”683″ img_size=”full” alignment=”center”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Maj 2016, Zadanie 8:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”702″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Maj 2016, Zadanie 13:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”704″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Czerwiec 2016, Zadania 18-20:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”707″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”709″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”711″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Maj 2017, Zadanie 36.2:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”716″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”717″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”718″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Maj 2018, Zadanie 8.3:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”720″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”721″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Czerwiec 2018, Zadanie 11.2:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”724″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”725″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Maj 2019, Zadanie 10.2:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”727″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”728″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Maj 2019, Zadanie 18.3:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”731″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”732″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”733″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

„Maj 2020” (I termin), Zadanie 21:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”735″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”736″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”737″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Diagnostyczny Marzec 2021, Zadanie 11.1:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”740″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”741″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Maj 2021, Zadanie 11.2:

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”745″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_single_image image=”746″ img_size=”full”][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Dobrze, zatem w jakich sytuacjach stosować, jakie wzory?

H₂CO₃ – mimo, że w ziemskich warunkach nie istnieje taka drobina moglibyśmy użyć tego zapisu jeśli np. zadanie maturalne każe nam narysować wzór elektronowy/strukturę tego czegoś. Dodatkowo wzór ten mógł być używany w przypadku zapisu równań reakcji hydrolizy węglanów w sumarycznej reakcji hydrolizy anionowej:

CO₃^2-+ 2H₂O → H₂CO₃ + 2OH^–

Patrz Zasady Oceniania z maja 2018 r. 

Ja jednak w przypadku hydrolizy dwuetapowej węglanów zalecałbym bezpieczniejszy zapis:

CO₃^2-+2H₂O → CO₂ ∙ H₂O + 2OH^–

A jeszcze lepiej (ale zawsze sprawdź treść polecenia w zadaniu) zapisałbym osobno oba etapy hydrolizy:

CO₃^2-+ H₂O → HCO₃^– + OH^–

HCO₃^–+ H₂O → H₂O∙CO₂ + OH^–

W przypadku projektowania doświadczeń, w których działamy mocniejszym kwasem na sól – węglan lub wodorowęglan powiedzmy sodu w celu wywnioskowania po obserwacjach (wydzielają się pęcherzyki gazu), że kwas węglowy jest nietrwałym kwasem Arrheniusa po stronie produktów należy zastosować wyłącznie zapis H₂O + CO₂, a nie H₂O∙CO_2, czy H₂CO₃ (kolokwialne, uproszczone wyjaśnienie: „plus” nie trzyma CO₂ i pozwala mu się wydzielać, a kropka adduktowa „trzyma” substancję w układzie):

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂ (↑)

NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂ (↑)

Gdy z kolei trzeba będzie wykazać, że kwas węglowy jako kwas Arrheniusa jest kwasem mocniejszym od np. fenolu, wtedy równania odpowiednich reakcji zachodzących w roztworze wodnych należałoby zapisywać następująco:

H₂O+CO_2(g) + C₆H₅ONa_(aq) → C₆H₅OH + NaHCO_3(aq)

H₂O∙CO₂ + C₆H₅ONa_(aq) → C₆H₅OH + NaHCO_3(aq)

Wyjątkowo w jednym z arkuszy była dopuszczalna odpowiedź z jawnym zapisem H₂CO₃ po stronie substratów ze względu na cytuję:

„Uwaga! Ponieważ zadanie dotyczy właściwości kwasu węglowego, wyjątkowo zdający nie traci punktu za użycie zapisu: H₂CO₃ zamiast CO₂ + H₂O”.

Zalecam nie przyswajać sobie odpowiedzi dopuszczalnych! Jednego roku będą zaliczane, w innym zaś nie.

H₂SO₃ – mimo, że w ziemskich warunkach nie istnieje taka drobina moglibyśmy użyć tego zapisu jeśli np. zadanie maturalne każe nam narysować wzór elektronowy/strukturę tego czegoś. Dodatkowo wzór ten mógł być używany w przypadku zapisu równań reakcji hydrolizy węglanów w sumarycznej, dwuetapowej reakcji hydrolizy anionowej:

SO₃^2- + 2H₂O → H₂SO₃ + 2OH^–

Analogicznie jak to było poprzednio w przypadku kwasu węglowego (patrz Zasady Oceniania z maja 2018 r.).

Ja jednak w przypadku hydrolizy dwuetapowej siarczanów(IV) zalecałbym bezpieczniejszy zapis:

SO₃^2- + 2H₂O → SO₂ ∙ H₂O + 2OH^–

A jeszcze lepiej (ale zawsze sprawdź treść polecenia w zadaniu) zapisałbym osobno oba etapy hydrolizy:

SO₃^2- + H₂O → HSO₃^– + OH^–

HSO₃^– + H₂O → H₂O ∙ SO₂ + OH^–

W przypadku projektowania doświadczeń, w których działamy mocniejszym kwasem na sól – siarczan(IV) lub wodorosiarczan(IV) powiedzmy sodu w celu wywnioskowania po obserwacjach (wydzielają się pęcherzyki gazu o charakterystycznym, ostrym zapachu), że kwas siarkowy(IV) jest nietrwałym kwasem Arrheniusa po stronie produktów należy zastosować wyłącznie zapis H₂O + SO₂, a nie H₂O∙SO_2, czy H₂SO₃ (uproszczone wyjaśnienie jak przy kwasie węglowym):

Na₂SO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + SO₂ (↑)

NaHSO₃ + HCl → NaCl + H₂O + SO₂ (↑)

Gdy z kolei trzeba będzie wykazać, że kwas siarkowy(IV) jako kwas Arrheniusa jest kwasem mocniejszym od np. fenolu, wtedy równania odpowiednich reakcji zachodzących w roztworze wodnych należałoby zapisywać następująco:

H₂O_(c)+ SO_2(g) + 2C₆H₅ONa_(aq) → 2C₆H₅OH + Na₂SO_3(aq)

H₂O ∙ SO₂ + 2C₆H₅ONa_(aq) → 2C₆H₅OH + Na₂SO_3(aq)

Na podstawie poprzednio wymienionej uwagi do dopuszczalnej odpowiedzi w przypadku analogicznej sytuacji z kwasem węglowym można byłoby sądzić, że w podobnie skonstruowanym zadaniu z kwasem siarkowym(IV) byłaby zaliczana również odpowiedź z zapisem H₂SO₃ po stronie substratów.

Zalecam nie przyswajać sobie odpowiedzi dopuszczalnych! Jednego roku będą zaliczane, w innym zaś nie.

NH₄OH – taka drobina nie istnieje w warunkach ziemskich, ani w żadnych innych i nigdy nie zdarzy się sytuacja, aby narysować jej wzór elektronowy lub strukturę. Powyższa drobina nie może się również pojawić w równaniach procesów hydrolizy kationu amonowego i ogólnie – nie może się pojawić NIGDY W TEJ POSTACI I KONIEC KROPKA!

W przypadku zapisu równań reakcji hydrolizy soli amonowych możemy użyć następujących zapisów równań reakcji:

NH₄⁺ + H₂O → NH₃ ∙ H₂O + H⁺

NH₄⁺ + H₂O → NH₃ + H₃O⁺

NH₄⁺ + 2H₂O → NH₃ ∙ H₂O + H₃O⁺

Gdy wodę amoniakalną wykorzystuje się jako substrat w reakcjach np. z kwasami lub w reakcjach otrzymywania aminakompleksów, wtedy możemy stosować zarówno wersję zapisu NH_3(aq) , jak i NH₃∙H₂O:

NH_3(aq) + HCl_(aq) → NH₄Cl_(aq)

NH₃ ∙ H₂O + HCl_(aq) → NH₄Cl_(aq) + H₂O

4NH_3(aq) + Zn(OH)₂ (↓) → [Zn(NH₃)₄](OH)_2(aq)

4(NH₃ ∙ H₂O) + Zn(OH)₂ (↓) → [Zn(NH₃)₄](OH)_2(aq) + 4H₂O

Z kolei w przypadku projektowania doświadczeń, w których działamy stężonym roztworem mocnej zasady na sól amonową w stanie stałym (dążymy to ograniczenia obecność wody, gdyż amoniak bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie) w celu wywnioskowania po obserwacjach (wydziela się gaz o charakterystycznym ostrym zapachu, który powoduje zmianę zabarwienia zwilżonego, żółtego papierka uniwersalnego u wylotu np. probówki na niebieską), że amoniak jest słabą zasadą, po stronie produktów należy zastosować wyłącznie zapis NH₃(↑) + H₂O, a nie NH₃∙H₂O:

NH₄Cl_(s) + NaOH_(stęż.) → NH₃ (↑) + H₂O + NaCl _(s/aq)

Jeśli wymienione tlenki i wodorek są wykorzystywane po stronie substratów lub produktów w reakcjach w fazie gazowej to prawidłowe zapisy to tylko: CO₂, SO₂, NH₃, z ewentualnymi indeksami dolnymi: CO_2(g), SO_2(g), NH_3(g),

Jeśli w formie roztworów wodnych to najlepiej w postaci odpowiednio: H₂O∙CO₂, H₂O∙SO₂ oraz NH₃∙H₂O (mimo, że w roztworze nie występują tylko drobiny podanych substancji w formie adduktów z wodą w stosunku 1:1) lub w postaci zapisów: CO_2(aq), SO_2(aq), NH_3(aq), np.:

Oczywiście może się zdarzyć, że CO₂, SO₂, NH₃ zostały użyte w zupełnie innym stanie skupienia, niż jesteśmy przyzwyczajeni, czyli np. stały CO₂, tzw. suchy lód – CO_2(s), ciekły tlenek siarki(IV), czyli SO_2(c) oraz ciekły amoniak, czyli NH_3(c), np. w reakcji autoprotolizy:

NH_3(c) + NH_3(c) ⇄ NH₄⁺_(sol) + NH₂^–_(sol)

gdzie skrót „(sol)” oznacza amoniakalny roztwór danej drobiny (dana drobina jest solwatowana przez cząsteczki ciekłego amoniaku).

[1] W. Grzesiak, „Kwasy Arrheniusa te istniejące i nieistniejące”, https://chemiadlamaturzysty.pl/kwasy-te-istniejace-i-nieistniejace

[/vc_column_text][vc_column_text]

Uwagi do użytych wyrazów lub całych sformułowań w powyższym tekście:

Gaz (CO₂, SO₂, NH₃), którym to woda jest mniej lub bardziej nasycona – wyrażenie w tym kontekście nie ma nic wspólnego z definicją roztworu nasyconego. Wyrażenie określa większe lub mniejsze stężenie gazu w wodzie w danej temperaturze.

Na maturze pisz zawsze równania hydrolizy anionowej (aniony o ładunku bezwzględnym większym niż 1) etapowo, a nie od razu z 2, 3 itd. cząsteczkami wody.

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]

Proszę Cytować jako: W. Grzesiak, „Kwas węglowy, kwas siarkowy(IV), woda amoniakalna, tlenek węgla(IV), tlenek siarki(IV) oraz amoniak w chemii oraz w zadaniach maturalnych.”, https://chemiadlamaturzysty.pl/kwas-weglowy-kwas-siarkowyiv-woda-amoniakalna-tlenek-weglaiv-tlenek-siarkiiv-oraz-amoniak-w-chemii-oraz-w-zadaniach-maturalnych/

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]