Zadanie 12
Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: IV.3 — pH, hydroliza soli.
IV.4 — sole, kationy amonowe.
Treść zadania
Próbkę chlorku amonu o masie 0,10 g rozpuszczono w wodzie i otrzymano 100 cm³ roztworu. W powstałym roztworze kationy amonowe w pewnym stopniu ulegają przemianie zgodnie z poniższym równaniem:
Niewielką objętość przygotowanego roztworu umieszczono w probówce, do której dodano kilka kropel błękitu bromotymolowego.
Zadanie 12. (0–1–2–3)
Oblicz pH otrzymanego roztworu. Wynik podaj w zaokrągleniu do jednego miejsca po przecinku. Następnie wybierz zdjęcie, na którym przedstawiono wygląd zawartości probówki po dodaniu do niej wskaźnika, i zaznacz literę A, B albo C.
Zdjęcia: A. zielony B. żółty C. niebieski
Obliczenia: ............
Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
Krok 1: stężenie NH₄Cl.
- M(NH₄Cl) = 14 + 4·1 + 35,5 = 53,5 g/mol.
- n(NH₄Cl) = 0,10 / 53,5 = 1,87·10⁻³ mol.
- c(NH₄Cl) = 1,87·10⁻³ / 0,1 = 1,87·10⁻² mol/dm³ ≈ 0,019 mol/dm³.
Krok 2: NH₄Cl dysocjuje całkowicie → c(NH₄⁺) = 1,87·10⁻² mol/dm³.
Krok 3: stała hydrolizy K_a(NH₄⁺):
- K_a = K_w / K_b(NH₃) = 10⁻¹⁴ / 1,8·10⁻⁵ = 5,56·10⁻¹⁰.
Krok 4: równanie równowagi hydrolizy.
- K_a = [H₃O⁺][NH₃] / [NH₄⁺].
- Dla przybliżenia: [H₃O⁺] = [NH₃] = x; [NH₄⁺] ≈ c (bardzo małe x).
- K_a = x² / c → x² = K_a · c.
Krok 5: obliczenie [H₃O⁺]:
- x² = 5,56·10⁻¹⁰ · 1,87·10⁻² = 1,04·10⁻¹¹.
- x = √(1,04·10⁻¹¹) = 3,22·10⁻⁶ mol/dm³.
Krok 6: pH:
- pH = -log[H₃O⁺] = -log(3,22·10⁻⁶) = 6 - log(3,22) = 6 - 0,51 ≈ 5,5.
Krok 7: wybór zdjęcia.
Błękit bromotymolowy — zmiana barwy:
- pH < 6,0: żółty.
- pH 6,0-7,6: zielony.
- pH > 7,6: niebieski.
pH = 5,5 < 6,0 → żółty → zdjęcie B.
Odpowiedź:
- pH ≈ 5,5.
- Zdjęcie: B (żółty).
Pułapka — K_a vs K_b. NH₄⁺ jest słabym kwasem: K_a(NH₄⁺) = K_w/K_b(NH₃). NH₄⁺ oddaje H⁺ → roztwór KWASOWY (pH < 7).
Pułapka — przybliżenie x << c. Klucz: gdy K_a · c << K_a² (małe stężenia), trzeba użyć pełnej formuły kwadratowej. Tu sprawdzamy: x = 3,22·10⁻⁶ << c = 1,87·10⁻² → przybliżenie OK.
Pułapka — wybór wskaźnika. Błękit bromotymolowy zmienia barwę 6,0-7,6. pH < 6 = żółty (kwasowy), pH > 7,6 = niebieski (zasadowy), pomiędzy = zielony.
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — hydroliza soli
Hydroliza = reakcja jonu soli z wodą, dająca produkty kwasowe lub zasadowe.
Reguły:
- Sól mocnego kwasu + mocnej zasady (np. NaCl): brak hydrolizy, pH ≈ 7.
- Sól słabego kwasu + mocnej zasady (np. CH₃COONa): hydroliza anionu, pH > 7 (zasadowa).
- Sól mocnego kwasu + słabej zasady (np. NH₄Cl): hydroliza kationu, pH < 7 (kwasowa).
- Sól słabego kwasu + słabej zasady (np. CH₃COONH₄): zależy od K_a vs K_b.
Wzory:
- Dla soli A: K_h = K_w / K_b (hydroliza kationu).
- Dla soli B: K_h = K_w / K_a (hydroliza anionu).
Mechanizm: hydroliza NH₄Cl
NH₄Cl w wodzie dysocjuje całkowicie: NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl⁻.
NH₄⁺ jest słabym kwasem (sprzężoną parą NH₃ — słaba zasada). Cl⁻ jest bardzo słabą zasadą (sprzężoną z HCl — mocny kwas, więc Cl⁻ niemal nie hydrolizuje).
Tylko NH₄⁺ hydrolizuje: NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺.
Produkt: H₃O⁺ → roztwór kwasowy (pH < 7).
Stała hydrolizy (= K_a kationu): K_a(NH₄⁺) = K_w / K_b(NH₃) = 10⁻¹⁴ / 1,8·10⁻⁵ = 5,56·10⁻¹⁰.
Mechanizm: obliczenia pH
Stężenie molowe NH₄Cl:
- M = 53,5 g/mol → n = 0,10/53,5 = 1,87·10⁻³ mol.
- c = n/V = 1,87·10⁻³ / 0,1 = 1,87·10⁻² mol/dm³.
Równanie równowagi: K_a = [H₃O⁺][NH₃] / [NH₄⁺]
Przybliżenie:
- [H₃O⁺] = [NH₃] = x (powstają w stosunku 1:1).
- [NH₄⁺] ≈ c (bardzo małe x).
K_a = x² / c
x² = K_a · c = 5,56·10⁻¹⁰ · 1,87·10⁻² = 1,04·10⁻¹¹. x = 3,22·10⁻⁶ mol/dm³ = [H₃O⁺].
Walidacja przybliżenia: x = 3,22·10⁻⁶, c = 1,87·10⁻².
- x/c = 1,7·10⁻⁴ → x dużo mniejsze niż c ✓ (przybliżenie poprawne, błąd poniżej 0,1%).
pH = -log[H₃O⁺] = -log(3,22·10⁻⁶) = 5,49 ≈ 5,5.
Mechanizm: wskaźniki
Wskaźniki kwasowo-zasadowe = słabe kwasy/zasady, których forma protonowana i deprotonowana mają różne kolory.
| Wskaźnik | Zakres pH zmiany | Kolor kwasowy | Kolor zasadowy |
|---|---|---|---|
| Czerwień metylowa | 4,4 - 6,2 | czerwony | żółty |
| Lakmus | 5,0 - 8,0 | czerwony | niebieski |
| Błękit bromotymolowy | 6,0 - 7,6 | żółty | niebieski |
| Fenoloftaleina | 8,2 - 10,0 | bezbarwny | różowy |
| Czerwień obojętna | 6,8 - 8,0 | czerwony | żółty |
W zadaniu: pH = 5,5 < 6,0 → błękit bromotymolowy = żółty → zdjęcie B.
Punktacja CKE
- 12. 3 pkt:
- 1 pkt: obliczenie stężenia NH₄⁺.
- 1 pkt: obliczenie pH = 5,5 (±0,1).
- 1 pkt: wybór zdjęcia B.
Po co to umieć
Hydroliza soli w przyrodzie:
- Nawozy amonowe (NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄) → zakwaszają glebę. Stosowane intensywnie w rolnictwie → problem zakwaszania gleb.
- Mydła sodowe i potasowe (R-COO⁻ Na⁺) → roztwór zasadowy (hydroliza octanu). Stąd mydła czyszczą tłuszcz (saponifikacja w środowisku zasadowym).
- Sól kuchenna NaCl → pH ~7 (brak hydrolizy, mocny kwas + mocna zasada).
NH₄Cl (salmiak) w przemyśle:
- Baterie cynkowo-węglowe (Leclanché, 1866) — elektrolit pasta z NH₄Cl + ZnCl₂.
- Lutowanie — flux do trawienia tlenków z metali (NH₄Cl topiony + para HCl).
- Lecznictwo — wyksusznicy (mucolyticum), zwiększa wydalanie śluzu.
Wskaźniki w analizie:
- Uniwersalny papierek wskaźnikowy = mieszanka kilku wskaźników, daje kolor zależny od pH od 1 do 14.
- pH-metr elektroniczny — szklana elektroda + miernik napięcia. Dokładność do 0,01 pH.
Hydroliza w organizmie:
- Sok żołądkowy ~pH 1,5 (HCl).
- Krew ~pH 7,4 (bufor HCO₃⁻/H₂CO₃).
- Mocz ~pH 5-7 (zależnie od diety).
- Pot ~pH 4-7.
- Wnętrze komórki ~pH 7,0-7,4.
Zakwaszenie gleb = problem rolnictwa: pH < 5 → uwalnianie Al³⁺ → toksyczne dla korzeni. Korekta: wapnowanie gleby (CaO, CaCO₃).
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „hydroliza, pH, NH4Cl, kation amonowy, wskaźniki, błękit bromotymolowy" zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl