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

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 CO2(aq)), wodny roztwór tlenku siarki(IV) (symbolika SO2(aq)), wodny roztwór amoniaku tudzież woda amoniakalna (symbolika NH3(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) CO2(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), CO32-(aq) oraz hydratowane cząsteczki CO2xH2O (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) SO2(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), SO32-(aq) oraz hydratowane cząsteczki SO2xH2O (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 NH3(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 NH3xH2O (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.

Maj 2015, Zadanie 15:

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:

CO32-+ 2H2O → H2CO3+2OH

Patrz Zasady Oceniania z maja 2018 r. 

Ja jednak w przypadku hydrolizy dwuetapowej węglanów zalecałbym bezpieczniejszy zapis:

CO32-+2H2O → CO2 ∙ H2O + 2OH

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

CO32-+ 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∙CO2, 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+CO2(g) + C6H5ONa(aq) → C6H5OH + NaHCO3(aq)

H2O∙CO2 + C6H5ONa(aq) → C6H5OH + NaHCO3(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:

SO32- + 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:

SO32- + 2H2O → SO2 ∙ H2O + 2OH

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

SO32- + 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∙SO2, 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)+ SO2(g) + 2C6H5ONa(aq) → 2C6H5OH + Na2SO3(aq)

H2O ∙ SO2 + 2C6H5ONa(aq) → 2C6H5OH + Na2SO3(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 NH3(aq) , jak i NH3∙H2O:

NH3(aq) + HCl(aq) → NH4Cl(aq)

NH3 ∙ H2O + HCl(aq) → NH4Cl(aq) + H2O

 

4NH3(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: CO2(g), SO2(g), NH3(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: CO2(aq), SO2(aq), NH3(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 – CO2(s), ciekły tlenek siarki(IV), czyli SO2(c) oraz ciekły amoniak, czyli NH3(c), np. w reakcji autoprotolizy:

NH3(c) + NH3(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

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/

Liczba wizyt na aktualnej stronie: 1086 Dzisiaj: 147 Całkowita liczba odwiedzin: 803706