Jeszcze o egzaminie maturalnym: zadania 13 i 14 z czerwca 2025

Prezentowany artykuł ukazał się w numerze 5/2026 Chemii w szkole.

W tegorocznym czerwcowym arkuszu matury z chemii możemy znaleźć takie oto zadania:

Z przedstawionych równań połówkowych w zadaniu 14. otrzymujemy następujące sumaryczne równanie:

6H⁺ + O₂ + 2Cr ⟶ 2 Cr³⁺ + 2H₂O + H₂

Jednak równanie to, choć rozpowszechniane przez szkolne podręczniki i zbiory zadań – nie ma sensu i  jest wymysłem wywodzącym się prawdopodobnie jeszcze z XIX wieku. A przypomnę, że wtedy nie znano jeszcze mechanizmów i samej natury reakcji chemicznych i wiele rzeczy po prostu zakładano, ale niestety błędnie. Powszechnie uważa się, że w temperaturze pokojowej („na zimno”) z samym kwasem solnym chrom przechodzi w chlorek chromu(II):

Cr + 2HCl ⟶ CrCl₂ + H₂
podczas gdy w obecności tlenu otrzymuje się CrCl₃. W szkolnej wersji na ogół zakłada się 2 równania redukcji w obecności tlenu:

Zwróćmy uwagę, że w obu równaniach wziętych łącznie pojawia się 6 elektronów. Przez ich dodanie do siebie otrzymujemy jedno równanie redukcji, które jest podane w treści zadania 14:

6H⁺ + O₂ + 6e ⟶ H₂ + 2H₂O

Nieważne jednak, czy te dwa równania są rozpatrywane osobno, czy jako zsumowane – otrzymujemy 6 elektronów. Dalej na ogół przedstawiane jest, że równanie utleniania należy pomnożyć razy dwa, aby uzgodnić liczbę elektronów:

Cr ⟶ Cr³⁺ + 3e / x2

Rozumowanie to jest jednak błędne i całkowicie sprzeczne z naturą reakcji chemicznych. Błędne jest bowiem założenie, że przy dostępie tlenu chrom roztwarza się w kwasie solnym inaczej, przechodząc od razu w kationy Cr³⁺ a nie w Cr²⁺. Przyjrzyjmy się tej sytuacji. Gdy wrzucimy grudkę lub proszek chromu do probówki z kwasem solnym i warstewką oleju na górze (probówka 1.), to zacznie zachodzić roztwarzanie chromu i wydzielanie wodoru. Kwas solny nie potrzebuje tlenu, by móc reagować z chromem. A teraz rozpatrzmy reakcje chromu z kwasem solnym przy dostępie tlenu. Zauważmy, że chrom wrzucony do kwasu solnego znajdzie się na dnie probówki. Tlen przedostaje się do niej wyłącznie od góry, a jest bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie, a jeszcze gorzej w roztworach elektrolitów, zatem stężenie tlenu w probówce 2. jest bardzo małe. Poza tym przyjrzyjmy się tym równaniom redukcji:

Oznaczałoby to, że kationy wodoru muszą się „umówić” z tlenem, jak podzielić się elektronami od chromu. Dosłownie dwie „bandy” (jedna złożona z dwóch kationów wodoru, a druga z czterech kationów wodoru i cząsteczki tlenu) musiałyby napaść na dwa atomy chromu… I złupić każdego na trzy elektrony… Następnie podział łupów: jedna „banda” dostaje dwa elektrony, a druga cztery. Ponadto zwróćmy uwagę, że przecież kationy wodoru musiałyby czekać na cząsteczkę tlenu, aż ona przedyfunduje od samej granicy faz ciecz-powietrze i znajdzie się w pobliżu dna, czyli przy powierzchni chromu. A więc naturalną koleją rzeczy jest pytanie: czy kwas solny będzie czekał? Przecież wiemy, że i bez tlenu może reagować z chromem:

2H⁺+2e ⟶ H₂

Cr ⟶ Cr²⁺ + 2e

To po co czekać?  Zadanie jest tym bardziej kuriozalne, że przecież w zadaniu 13. mamy odpowiedź na to, co tak naprawdę dzieje się w probówce. Wodór wydziela się wskutek reakcji:

2H⁺ + Cr ⟶ Cr²⁺ + H₂

natomiast dyfundujący od góry tlen łatwo przeprowadza znajdujące się w roztworze jony Cr²⁺ w jony Cr³⁺:

4H⁺ + O₂ + 4Cr²⁺ ⟶ 4Cr³⁺ + 2H₂O

Co zatem dzieje się w probówce 2, w której nie ma warstwy oleju? Obie te reakcje zachodzą równocześnie. Jest to układ reakcji następczych. I nie jest to tak, że w chwili, kiedy cały chrom się roztworzy, to w roztworze są wyłącznie jony Cr³⁺ - nadal są tam obecne jony Cr²⁺. Aby otrzymać czysty CrCl₃ , a raczej roztwór zawierający CrCl₃ jako jedyną sól chromu, to trzeba jeszcze poczekać, aż wszystkie jony Cr²⁺ zostaną utlenione. A gdybyśmy jednak chcieli zamknąć sumaryczny bilans stechiometryczny przejścia chromu w chlorek chromu(III) omawianym sposobem? Wtedy po uwzględnieniu obu reakcji:

2H⁺ + Cr ⟶ Cr²⁺ + H₂   | x4

4H⁺ + O₂ + 4Cr²⁺ ⟶ 4Cr³⁺ + 2H₂O

otrzymujemy:

12H⁺ + O₂ + 4Cr ⟶ 4Cr³⁺ + 2H₂O + 4H₂

a to zdecydowanie różni się od wersji tradycyjnie podawanej przez szkolne podręczniki, jak i omawiane zadanie nr 14.

Podobną sytuację obserwujemy podczas roztwarzania żelaza w kwasie solnym, gdy roztwór ma kontakt z powietrzem:
Fe ⟶ Fe2+ + 2e

4H⁺ + O₂ + 4Fe²⁺ ⟶ 4Fe³⁺ + 2H₂O

Różnica jest taka, że kationy Fe²⁺ są mniej podatne na utlenianie, a więc ich utlenianie zachodzi wolniej niż kationów Cr²⁺. Nie zmienia to sytuacji, że chcąc otrzymać czysty FeCl₂ należy prowadzić roztwarzanie żelaza w atmosferze pozbawionej tlenu. Można otrzymać także FeCl₃ tą metodą – jeśli po roztworzeniu żelaza w nadmiarze kwasu solnego pozostawić roztwór poreakcyjny dostatecznie długo w kontakcie z powietrzem. Wtedy całkowity bilans stechiometryczny, tj. od stanu początkowego do końcowego, zamknie się w równaniu:

12H⁺ + O₂ + 4Fe ⟶ 4Fe³⁺ + 2H₂O + 4H₂

Rzecz jasna w rzeczywistości zachodzą dwie reakcje, ale bilanse takie stosuje się np. przy procesie produkcji. Jednak ani w przypadku żelaza, ani w przypadku chromu nie upoważnia nas to do wniosku, że przy dostępie tlenu metale przechodzą bezpośrednio w trójdodatnie kationy:

Cr ⟶ Cr³⁺ + 3e
Fe ⟶ Fe³⁺ + 3e

Jest to po prostu niezgodne z naturą reakcji chemicznych.

Wróćmy jednak do zadania 14, które mogło być poprawne merytorycznie, bez powielania herezji rodem z XIX wieku, gdyby wyglądało np. tak:

Zadanie 14
W probówce 1., po całkowitym roztworzeniu chromu, zmiana barwy roztworu następuje dopiero po usunięciu warstwy oleju. Świadczy to o dwóch reakcjach redoks w czasie wykonanego doświadczenia. Wskutek braku warstwy oleju w probówce 2. w tym samym czasie zachodzą dwie reakcje redoks, których równoczesny przebieg uniemożliwiła warstwa oleju.
Napisz w formie jonowej skróconej ogólne sumaryczne równanie reakcji zachodzącej w probówce 2. Uwzględnij chrom jako pierwotny substrat i jony Cr³⁺ jako finalny produkt. Wykorzystaj informację o reakcjach, które zaszły kolejno w probówce 1.

Tak postawiony problem doprowadzi do odpowiedzi:

12H⁺ + O₂ + 4Cr ⟶ 4Cr³⁺ + 2H₂O + 4H₂

Tak właśnie postrzegałbym to zadanie, aby zapobiec szerzeniu antychemicznych herezji, choć oczywiście można by pomyśleć także o modyfikacjach językowych, aby brzmiało nieco przystępniej dla maturzystów.