MCHP-R0-100-2505 • Otwarte krótkie • 2 pkt • Trudność: ★★★★☆

Zadanie 11

Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony

Wymaganie:

IV.2 — teoria Brønsteda kwasów i zasad. IV.4 — sole, hydroliza, pH.

Treść zadania

W temperaturze T przygotowano wodne roztwory wodoroortofosforanu(V) sodu i diwodoroortofosforanu(V) sodu o jednakowych stężeniach molowych i zbadano ich odczyn za pomocą dwóch wskaźników: fenoloftaleiny oraz czerwieni obojętnej.

Wyniki doświadczenia przedstawiono na poniższych zdjęciach:

Roztwór	Fenoloftaleina	Czerwień obojętna
Na₂HPO₄	różowa (malinowa)	żółta
NaH₂PO₄	bezbarwna	czerwona

Zadanie 11. (0–1–2)

Wpisz do schematów wzory odpowiednich drobin tak, aby powstały równania reakcji decydujących o odczynie wodnego roztworu wodoroortofosforanu(V) sodu oraz o odczynie wodnego roztworu diwodoroortofosforanu(V) sodu. Zastosuj definicję kwasu i zasady Brønsteda.

Równanie reakcji zachodzącej w roztworze Na₂HPO₄:

[kwas 1] + [zasada 2] ⇌ [zasada 1] + [kwas 2]

Równanie reakcji zachodzącej w roztworze NaH₂PO₄:

[kwas 1] + [zasada 2] ⇌ [zasada 1] + [kwas 2]

Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF

Rozwiązanie

Roztwór Na₂HPO₄ (zasadowy): jon HPO₄²⁻ zachowuje się jak zasada Brønsteda (przyjmuje H⁺ z wody).

$H_{2} O + HPO_{4}^{2 -} ⇌ OH^{-} + H_{2} PO_{4}^{-}$

Pary sprzężone:

Kwas 1: H₂O (oddaje H⁺) ↔ Zasada 1: OH⁻.
Zasada 2: HPO₄²⁻ (przyjmuje H⁺) ↔ Kwas 2: H₂PO₄⁻.

Wynik: roztwór zawiera OH⁻ → odczyn zasadowy ✓.

Roztwór NaH₂PO₄ (kwasowy): jon H₂PO₄⁻ zachowuje się jak kwas Brønsteda (oddaje H⁺ do wody).

$H_{2} PO_{4}^{-} + H_{2} O ⇌ HPO_{4}^{2 -} + H_{3} O^{+}$

Pary sprzężone:

Kwas 1: H₂PO₄⁻ (oddaje H⁺) ↔ Zasada 1: HPO₄²⁻.
Zasada 2: H₂O (przyjmuje H⁺) ↔ Kwas 2: H₃O⁺.

Wynik: roztwór zawiera H₃O⁺ → odczyn kwasowy ✓.

Dlaczego HPO₄²⁻ jest zasadą, a H₂PO₄⁻ kwasem?

Oba jony są amfoteryczne (mogą być kwasem lub zasadą). Decyduje porównanie K_a i K_b:

Jon	K_a	K_b	Przewaga
HPO₄²⁻	K_a3 ≈ 4·10⁻¹³	K_b2 = K_w/K_a2 ≈ 1,6·10⁻⁷	K_b >> K_a → zachowuje się jak zasada
H₂PO₄⁻	K_a2 ≈ 6,2·10⁻⁸	K_b3 = K_w/K_a1 ≈ 1,3·10⁻¹²	K_a >> K_b → zachowuje się jak kwas

Typowy błąd / pułapka

Pułapka — pomylenie kierunku. Na₂HPO₄ = sól dwusodowa → ma w roztworze HPO₄²⁻, który jest BARDZIEJ zasadowy niż kwasowy. Stąd roztwór zasadowy.

Pułapka — H₂PO₄⁻ w NaH₂PO₄ jest BARDZIEJ kwasowy niż zasadowy. Stąd roztwór kwasowy.

Pułapka — pary sprzężone. Kwas → po oddaniu H⁺ staje się zasadą sprzężoną. Zasada → po przyjęciu H⁺ staje się kwasem sprzężonym.

Strona arkusza CKE z trescia zadania

Zadanie 11 - Brønsted, sole fosforanowe — Strona 16 arkusza CKE 2025 PR chemia - zadanie 11 (Na₂HPO₄ vs NaH₂PO₄, wskaźniki, Brønsted). Na podstawie: CKE 2025 Oryginalny PDF CKE, str. 16

Klucz pojęciowy — teoria Brønsteda

Pojęcie	Definicja
Kwas	Donor H⁺ (protonu)
Zasada	Akceptor H⁺
Para sprzężona	Kwas + zasada różnią się 1 protonem
Reakcja kwas-zasada	Kwas₁ + Zasada₂ ⇌ Zasada₁ + Kwas₂

Przykład (HCl + H₂O):

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻.
Kwas₁: HCl ↔ Zasada₁: Cl⁻.
Zasada₂: H₂O ↔ Kwas₂: H₃O⁺.

Klucz pojęciowy — kwas ortofosforowy(V) (H₃PO₄)

H₃PO₄ ma 3 protony kwasowe → dysocjuje trójstopniowo:

Stopień	Reakcja	K_a
1	H₃PO₄ ⇌ H₂PO₄⁻ + H⁺	K_a1 = 7,5·10⁻³ (mocny)
2	H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ + H⁺	K_a2 = 6,2·10⁻⁸ (słaby)
3	HPO₄²⁻ ⇌ PO₄³⁻ + H⁺	K_a3 = 4,8·10⁻¹³ (bardzo słaby)

Klucz: każdy kolejny stopień jest znacznie słabszy (K_a maleje 10⁵× między stopniami).

Mechanizm: dlaczego Na₂HPO₄ zasadowy?

Na₂HPO₄ w wodzie dysocjuje całkowicie: Na₂HPO₄ → 2 Na⁺ + HPO₄²⁻.

HPO₄²⁻ jest amfoteryczny (ma 1 proton, może go oddać; ma ładunek -2, może przyjąć proton).

Reakcja kwasowa (oddaje H⁺): HPO₄²⁻ ⇌ PO₄³⁻ + H⁺ (K_a3 ≈ 4·10⁻¹³, BARDZO SŁABO).

Reakcja zasadowa (przyjmuje H⁺ z H₂O): HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ H₂PO₄⁻ + OH⁻ (K_b ≈ 1,6·10⁻⁷, słabo ale silniej).

Porównanie: K_b (1,6·10⁻⁷) >> K_a (4·10⁻¹³) → przewaga zasady → roztwór ZASADOWY.

Reakcja decydująca o odczynie:

$H_{2} O + HPO_{4}^{2 -} ⇌ OH^{-} + H_{2} PO_{4}^{-}$

Element	Para sprzężona
Kwas 1: H₂O	Zasada 1: OH⁻
Zasada 2: HPO₄²⁻	Kwas 2: H₂PO₄⁻

Mechanizm: dlaczego NaH₂PO₄ kwasowy?

NaH₂PO₄ → Na⁺ + H₂PO₄⁻ (pełna dysocjacja).

H₂PO₄⁻ jest amfoteryczny.

Reakcja kwasowa (oddaje H⁺): H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺ (K_a2 ≈ 6,2·10⁻⁸).

Reakcja zasadowa (przyjmuje H⁺): H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ H₃PO₄ + OH⁻ (K_b ≈ 1,3·10⁻¹², bardzo słabo).

Porównanie: K_a (6,2·10⁻⁸) >> K_b (1,3·10⁻¹²) → przewaga kwasu → roztwór KWASOWY.

Reakcja decydująca:

$H_{2} PO_{4}^{-} + H_{2} O ⇌ HPO_{4}^{2 -} + H_{3} O^{+}$

Element	Para sprzężona
Kwas 1: H₂PO₄⁻	Zasada 1: HPO₄²⁻
Zasada 2: H₂O	Kwas 2: H₃O⁺

Sole fosforanowe — charakterystyka

Sól	Anion	Odczyn	Zastosowanie
Na₃PO₄	PO₄³⁻	silnie zasadowy	Detergenty, chemikalia
Na₂HPO₄	HPO₄²⁻	słabo zasadowy	Bufor, regulator pH
NaH₂PO₄	H₂PO₄⁻	słabo kwasowy	Bufor, regulator pH
H₃PO₄	(kwas)	kwasowy	Coca-cola, produkcja nawozów

Bufor fosforanowy = mieszanka NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄. Utrzymuje pH ≈ 7,4 (fizjologiczne pH ludzkiej krwi).

Punktacja CKE

11. 2 pkt — oba równania poprawne (po 1 pkt każde, z parami kwas/zasada).

Po co to umieć

Teoria Brønsteda-Lowry’ego (1923) = standard współczesnej chemii:

Bardziej ogólna niż teoria Arrheniusa (kwas = HX w wodzie).
Obejmuje reakcje w dowolnych rozpuszczalnikach (nie tylko woda).
Każdy proton ma “kierunek” — donor (kwas) i akceptor (zasada).

Bufor fosforanowy w organizmie:

Komórki ludzkie utrzymują pH ~7,2 (bufor HPO₄²⁻/H₂PO₄⁻).
Krew pH ~7,4 (bufor wodorowęglanowy HCO₃⁻/H₂CO₃).
Niedobór buforów → kwasica lub alkaloza → groźne dla życia.

ATP (adenozyno-tri-fosforan) = nośnik energii w komórce. 3 grupy fosforanowe połączone wiązaniami fosfoanhydrydowymi. Hydroliza ATP → ADP + P_i + ~30 kJ/mol energii.

Detergenty fosforanowe (Na₃PO₄, polifosforany) = kiedyś główne składniki proszków do prania. Skutek: eutrofizacja jezior → zakwity sinic. Wycofane w UE z proszków do prania od 2013 r.

H₃PO₄ w Coca-Coli = ~0,055% (kwasowość pH ~2,5). Daje “kwaśny” smak + konserwuje + reaguje z minerałami zębów (erozja szkliwa).

Fosfor w przyrodzie: krytyczny pierwiastek dla życia (DNA, RNA, ATP, fosfolipidy błon, kości). Cykl fosforu w przyrodzie = wymywanie z gleb do oceanów → akumulacja w osadach → wynurzanie geologiczne (miliony lat). Apatyt (Ca₅(PO₄)₃F) = główne źródło fosforanów dla nawozów.

Podobne zadania

stechiometria, miareczkowanie, pH, kwas bromowodorowy, KBr, H2SO4

Zadanie 8 (2 pkt)

W celu otrzymania kwasu bromowodorowego przeprowadzono doświadczenie z użyciem zestawu, który zilustrowano rysunkiem (kolba stożkowa z KBr(s), z góry stężony H₂SO₄, odprowadzenie HBr do cylindra z wodą destylowaną). Do kolby stożkowej zawierającej 9,5 g czystego stałego bromku potasu wprowadzono kroplami pewną ilość stężonego kwasu siarkowego(VI). Zaszła reakcja opisana poniższym równaniem: $$KBr + H_2SO_4 \rightarrow KHSO_4 + HBr$$ W wyniku całkowitego pochłonięcia wydzielonego bromowodoru otrzymano w cylindrze 80 cm³ kwasu bromowodorowego. Z tego roztworu pobrano próbkę 1,0 cm³, którą rozcieńczono wodą. Do jej zobojętnienia zużyto 6,9 cm³ roztworu wodorotlenku potasu o pH = 13. ### Zadanie 8. (0–1–2) Oblicz, jaka część użytego w doświadczeniu KBr uległa reakcji z H₂SO₄. Wynik podaj w procentach. Obliczenia: ............

Rozumiesz, jak to rozwiązać?

Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji

matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „Brønsted, kwasy, zasady, sole fosforanowe, amfoteryczność, pary sprzężone" zrobisz samodzielnie.

Otwórz matury-online.pl