Chemiczny bubel

Przyjrzyjmy się kolejnemu zadaniu:

Wg autorskiej odpowiedzi:

Rozkład CaC₂O₄ wg podanego równania reakcji jest niemożliwy. Wynika to  faktu, że szczawian wapnia rozkłada się do węglanu wapnia wg równania:

CaC₂O₄ → CaCO₃(s) + CO

Rozkład taki zachodzi w temperaturze powyżej 400 °C. Ogrzewanie powstałego CaCO₃ do temperatur powyżej 600 °C powoduje jego rozkład na tlenki:

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

Wyobraźmy sobie, że w komorze grzewczej termograwimetru umieszczamy w osobnych naczyniach szczawian wapnia i kalcyt (CaCO₃). Następnie rozpoczynamy ogrzewanie. Najpierw dochodzimy do temperatury 400 °C i masa naczynia z CaC₂O₄ spada. W tej temperaturze masa naczynia z CaCO₃ się nie zmienia. Temperatura rośnie nadal, cały szczawian wapnia zdążył się rozłożyć już na CaCO₃ zanim temperatura osiągnęła wartość 600 °C. Teraz dopiero następuje rozkład CaCO₃ - maleje masa obu naczyń. Nawet na Wikipedii znajdziemy termogram rozkładu CaC₂O₄ na potwierdzenie tego. Z tą różnicą, że materiałem startowym jest hydrat CaC₂O₄·H₂O:

Ponieważ CaCO₃ ma większą stabilność termiczną, to nie możliwości by oba procesy (rozkładu szczawianu i rozkładu kalcytu) biegły równocześnie i to  taką szybkością, by powstający CaCO₃ na bieżąco rozkładał się na CaO i CO₂ - a właśnie taką sytuację można by opisać jednym równaniem reakcji:

CaC₂O₄(s) → CaO(s) + CO₂(g) + CO(g)

Nie jest więc możliwe, by ogrzewana próbka zawierała jedynie CaC₂O₄ i CaO. Najpierw będzie powstawał wyłącznie CaCO₃, więc otrzymujemy mieszaninę CaC₂O₄ z CaCO₃.

Rozkład wg podanego równania reakcji byłby możliwy tylko wtedy, gdyby CaC₂O₄ był bardziej stabilny termicznie niż CaCO₃. Czyli musiałoby być na odwrót, np. CaCO₃ rozkładałby się już w 400 °C, a CaC₂O₄ dopiero powyżej 600 °C. Wyobraźmy sobie, jakby to wyglądało: w komorze grzewczej termograwimetru umieszczamy w osobnych naczyniach szczawian wapnia i kalcyt (CaCO₃). Następnie rozpoczynamy ogrzewanie. Najpierw dochodzimy do temperatury 400 °C i masa naczynia z CaCO₃ spada. Masa naczynia z CaC₂O₄ się nie zmienia. Temperatura rośnie nadal, cały węglan wapnia zdążył się rozłożyć na CaO zanim temperatura osiągnęła wartość 600 °C i masa naczynia z CaO się już nie zmienia. Teraz dopiero następuje rozkład CaC₂O₄ - maleje masa drugiego naczynia. Ale w temperaturze 600 °C nie istniałby już CaCO₃.... A zatem CaCO₃ powstający z rozkładu szczawianu od razu rozkładałby się na CO₂ i CaO, bo byłby poza zakresem swojego istnienia. I bilans stechiometryczny zamknąłby się w równaniu sumarycznym podanym w zadaniu i otrzymalibyśmy mieszaninę CaC₂O₄ z CaO.

Ale tak by było, gdyby CaCO₃ rozkładał się w niższej temperaturze niż CaC₂O₄. A tak nie jest.

Co ciekawe, to zadanie pochodzi ze zbioru obejmującego zadania z matury w roku 2020. Zobaczmy więc na inne zadanie, z którym w 2020 roku mierzyli się maturzyści. I zwróćmy uwagę na podkreślony fragment zdania:

A zatem oba zadania znajdują się w tym samym zbiorze. Czy widzimy brak spójności pomiędzy tymi zadaniami? Jeśli próbka zawiera CaO, to nie zawiera CaC₂O₄ - bo zasadniczo nie może go wtedy już zawierać.

Czy równanie podane w zadaniu:

CaC₂O₄ → CaO + CO₂ + CO

zupełnie nie ma sensu? Ma, ale tylko po jednym warunkiem. Że przedstawia ono bilans stechiometryczny w którym pokazujemy stan początkowy i stan końcowy, gdy jedyną substancją stałą w próbce był już CaO. Wtedy z 1 mola szczawianu wapnia po ogrzewaniu próbki do temperatur ponad 600 °C tak długo, aż jej masa przestanie się zmieniać (tzn, że cały CaCO₃ rozłożył się już na CaO) otrzymamy 1 mol CaO, 1 mol CO i 1 mol CO₂. I to równaniu wyrażałoby jedynie sumaryczny bilans tego procesu.