Zadanie 11
Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: VI. Reakcje w roztworach wodnych. Zdający: 7) klasyfikuje substancje jako kwasy lub zasady zgodnie z teorią Brønsteda-Lowry’ego; wskazuje sprzężone pary kwas – zasada; 8) uzasadnia przyczynę […] odczynu niektórych wodnych roztworów soli zgodnie z teorią Brønsteda-Lowry’ego; pisze odpowiednie równania reakcji.
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. (0–2)
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).
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).
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 amfiprotyczne (mogą być kwasem lub zasadą Brønsteda). Decyduje porównanie K_a i K_b (stałe dysocjacji H₃PO₄ z karty wzorów CKE, K_w = 1·10⁻¹⁴):
| Jon | K_a | K_b | Przewaga |
|---|---|---|---|
| HPO₄²⁻ | K_a3 = 4,79·10⁻¹³ | K_w/K_a2 ≈ 1,6·10⁻⁷ | K_b > K_a → zachowuje się jak zasada |
| H₂PO₄⁻ | K_a2 = 6,17·10⁻⁸ | K_w/K_a1 ≈ 1,4·10⁻¹² | K_a > K_b → zachowuje się jak kwas |
Wyniki na zdjęciach to potwierdzają: w roztworze Na₂HPO₄ fenoloftaleina jest malinowa (odczyn zasadowy), w roztworze NaH₂PO₄ — bezbarwna, a czerwień obojętna czerwona (odczyn kwasowy).
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
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 = 6,92·10⁻³ |
| 2 | H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ + H⁺ | K_a2 = 6,17·10⁻⁸ |
| 3 | HPO₄²⁻ ⇌ PO₄³⁻ + H⁺ | K_a3 = 4,79·10⁻¹³ |
(wartości z karty „Wybrane wzory i stałe fizykochemiczne”). Każdy kolejny etap dysocjacji jest znacznie słabszy — K_a maleje ok. 10⁵ razy między etapami.
Mechanizm: dlaczego Na₂HPO₄ zasadowy?
Na₂HPO₄ w wodzie dysocjuje całkowicie: Na₂HPO₄ → 2 Na⁺ + HPO₄²⁻.
HPO₄²⁻ jest amfiprotyczny (może oddać proton albo go przyjąć).
Reakcja kwasowa (oddaje H⁺): HPO₄²⁻ ⇌ PO₄³⁻ + H⁺ (K_a3 = 4,79·10⁻¹³, w bardzo małym stopniu).
Reakcja zasadowa (przyjmuje H⁺ z H₂O): HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ H₂PO₄⁻ + OH⁻ (K_b = K_w/K_a2 ≈ 1,6·10⁻⁷ — w większym stopniu niż reakcja kwasowa).
Porównanie: K_b (1,6·10⁻⁷) >> K_a (4,79·10⁻¹³) → przewaga zasady → roztwór ZASADOWY.
Reakcja decydująca o odczynie:
| 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 amfiprotyczny.
Reakcja kwasowa (oddaje H⁺): H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺ (K_a2 = 6,17·10⁻⁸).
Reakcja zasadowa (przyjmuje H⁺): H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ H₃PO₄ + OH⁻ (K_b = K_w/K_a1 ≈ 1,4·10⁻¹², w bardzo małym stopniu).
Porównanie: K_a (6,17·10⁻⁸) >> K_b (1,4·10⁻¹²) → przewaga kwasu → roztwór KWASOWY.
Reakcja decydująca:
| Element | Para sprzężona |
|---|---|
| Kwas 1: H₂PO₄⁻ | Zasada 1: HPO₄²⁻ |
| Zasada 2: H₂O | Kwas 2: H₃O⁺ |
Punktacja CKE
- 11. 2 pkt — poprawne uzupełnienie obu schematów (dwa równania we właściwej formie); 1 pkt — jeden schemat poprawny.
Po co to umieć
Teoria Brønsteda-Lowry’ego pozwala wyjaśnić, dlaczego roztwory niektórych soli mają odczyn kwasowy albo zasadowy: decyduje o tym, czy jon soli w reakcji z wodą działa głównie jako kwas (oddaje proton), czy jako zasada (przyjmuje proton).
Mieszanina H₂PO₄⁻ i HPO₄²⁻ tworzy bufor fosforanowy — jeden z roztworów buforowych o odczynie zbliżonym do obojętnego.
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