Zadania buble

Z takim zadaniem zmierzyli się uczniowie klas maturalnych podczas tzw. próbnej matury jesienią 2020. roku.

Proponowane odpowiedzi wg wydawnictwa:

Powstaje roztwór o szafirowym zabarwieniu: 1, 4

Powstaje celastoczerwony osad: 3

Odpowiedzi te są błędne. Uproszczony zapis równania reakcji nie oznacza, że można uprościć doświadczenie w probówce/zlewce. Wprowadzają one w błąd, dlatego jestem ich przeciwnikiem. W uproszczonym zapisie równania reakcji zachodzącej podczas próby Trommera pojawia się sam Cu(OH)₂. Problem w tym, że sam wodorotlenek miedzi nie jest odczynnikiem Trommera. Próbę tę przeprowadza się w obecności zalkalizowanej zawiesiny świeżo wytrąconego Cu(OH)₂. Z tego powodu wodorotlenek miedzi wytrąca nadmiarem zasady. O ile utlenianie wymaga obecności zasady, o tyle szafirowe roztwory także tworzą się dopiero w obecnosci zasady. A w zadaniu mamy sam Cu(OH)₂. A Zatem:

Nie dostrzeglibyśmy więc powstania szafirowego koloru w zlewce 1. 

W zlewce 3. dojdzie do roztworze Cu(OH)₂ i powstania niebieskiego roztworu mrówczanu miedzi(II).

W zlewce 4. nie dojdzie do powstania szafirowego roztworu. Powstanie jasnoniebiski praktycznie nierozpuszczalny osad szczawianu miedzi(II):

Reakcja tworzenia szafirowych kompleksów jest charakterystyczna dla zwiazków 1,2-dihydroksylowych (1,2-dioli), a (COOH)₂ nie jest związkiem dihydroksylowym (diolem), tylko dikarboksylowym (kwasem dikarboksylowym). 

Tym razem krótko: 

Takie oznaczenie nie jest możliwe do wykonania. Redukcja do Mn²⁺ (i odbarwienie roztworu) wymaga obecności silnego kwasu, o czym autor mówi. Zwykle w tym celu używa się H₂SO₄. Nie używa się HCl, HBr czy HI, ze względu na ich redukujące właściwości wobec MnO4-. Nie używa, poza pewnymi określonymi przypadkami, HNO₃, ze względu na jego względnie silnie utleniające właściwości (może ulegać redukcji razem z MnO₄-). 

Dalsza informacja o tym, że wprowadzono BaCl₂ w celu wytrącenia osadu wyklucza użycie H₂SO₄ - wtedy osadem byłby BaSO₄. Użycie HNO₃ także jest wykluczone, ze względu na możliwość utlenienia anionów szczawianowych. 

Nawet jeśli nie dojdzie do utleniania anionów szczawianowych, a do strącenia Ba₂C₂O₄, to musimy pamiętać, że jest to sól słabego kwasu, a w układzie mamy kwas mocny. Co to ozbacza? Że do strącenia takiego osadu może w ogóle nie dojść, bo aniony szczawianowe będą sprotonowane przez przez mocny. Prościej mówiąc: dojdzie do wyparcia słabego kwau. Nawet jeśli dojdzie do strącenia osadu, to nie będzie to mieć charakteru strącenia ilościowego, na podstawie którego obliczymy nadmiar wprowadzonego szczawianu potasu.

W postaci szczawianu na podstawie masy osasu oznacza się np. jony wapniowe:

Ca²⁺ + C₂O₄^2- → CaC₂O₄↓

Osad ten jednakże roztwarza się w mocnych kwasach. NIE JEST WIĘC MOŻLIWE JEGO STRĄCENIE Z ZAKWASZONEGO ROZTWORU. W celu wytrącenia osadu z roztworu trzeba kwasowe roztwory zobojętnić. Czy domyślaniacie się dlaczego?

Tym razem rozpatrzymy to zadanie:

I rozwiązanie zaproponowane przez wydawnictwo:

Czy rozwiązanie to ma jakiś sens? Niestety, ale autor zapomniał o jednej, bardzo istotnej rzeczy. 

Ciśnienie gazu jest ekwiwalentem jego stężenia, Co wynika z faktu, 
Ciśnienie gazu jest ekwiwalentem jego stężenia, co wynika z faktu, że ciśnienie zależy od liczby cząsteczek w danej objętości. A więc od stężenia gazu.
 

Stężenie gazu w drugim naczyniu o tej samej objętości jest 2 razy wyższe, bo jest w nim 2 razy więcej cząsteczek gazu. Jest tylko jeden szkopuł. Ta zasada pracuje, gdy mówimy o tej samej temperaturze. Dlatego, że ciśnienie gazu zależy także od temperatury. Wyższej temperaturze cząsteczki gazu poruszają się szybciej, a więc częściej i mocniej uderzają o ścianki naczynia. Nawet jeśli jest ich tyle samo, to w wyższej temperaturze wywierają wyższe ciśnienie.

Przyjrzyjmy się, że w obu naczyniach stężenie będzie takie samo: 0,0401 mol/dm³. Obniżenie więc temperatury o połowę np. 600 K do 300 K Spowoduje dwukrotny spadek ciśnienia, ale nie stężenia.

Szybkość reakcji rzeczywiście spadnie. Ale nie ma to w związku ze spadkiem stężenia, tylko ze spadkiem temperatury, przez co cząsteczki będą się poruszać wolniej. A więc rzadziej będą się zderzać i reagować za sobą wobec tego. Wpływ temperatury na szybkość reakcji określamy za pomocą współczynnika temperaturowego tej reakcji lub dokładniej za pomocą znacznie lepiej opsujacego rzeczywistość równania Arrheniusa. Równanie Arrheniusa opisuje w jaki sposób stała szybkości reakcji zależy od temperatury. 

Prezentowane zadania oparte są na błędnym założeniu. Żeby zrozumieć dlaczego te zadania są błędne to musimy sobie odpowiedzieć na pytanie: co to jest węgiel?

Odpowiemy zapewne, że pierwiastek chemiczny, liczba atomowa 6, drugi okres… Tak, gdy mamy na myśli pierwiastek, to mamy rację. Spalając pierwiastek węgiel otrzymujemy CO₂. 
Ale nazwę węgiel nosi także kopalina – skała osadowa. Wg podręcznikowych informacji zawiera do 97% pierwiastka węgla.
A jednak:
Węgiel, który mamy w piwnicy, nie jest pierwiastkiem węglem!

To jest właśnie źródłem zamieszania. Węgiel kamienny to skomplikowana mieszanina różnych substancji chemicznych. Węgiel kamienny zawiera pewną ilość wolnego pierwiastka węgla – mniej więcej połowę masy. Stąd zresztą kolor czarny. Jak to się ma do tych podręcznikowych informacji? Informacja, że może zawierać do 97% węgla (przeważnie zawiera znacznie mniej) dotyczy nie wolnego pierwiastka, tylko węgla ogółem. Tak jak sól kuchenna to nie jest mieszanina sodu i chloru, tak węgiel kamienny nie jest pierwiastkiem węglem, choć pewną ilość pierwiastkowego węgla zawiera. Czy spalając węgiel kamienny w piecu otrzymujemy CO₂? No też, ale oprócz tego parę wodną, SO₂, tlenki azotu i inne związki, które w reakcji spalania pierwiastka węgla powstać nie mogły. O ile obecność tlenków azotu w spalinach da się wyjaśnić wysokotemperaturową reakcją tlenu i azotu z powietrza, o tyle SO₂ już nie… Skała ta zawiera różne substancje organiczne: związki siarki, azotu, tlenu i w mniejszych ilościach związki innych pierwiastków. BO TO NIE JEST PIERWIASTEK WĘGIEL. Wysoka zawartość węgla ogółem wynika z tego, że są to związki o dużym stopniu nienasycenia, ze skondensowanymi pierścieniami aromatycznymi itd. A oprócz nich są domeny grafitowe lub węgla bezpostaciowego. Spalając węgiel kamienny spalamy i ten pierwiastek i związki organiczne. Na Wikipedii znajdujemy taki obrazek przedstawiający w dużym uproszczeniu fragment struktury węgla kamiennego:

Na tym rysunku nie ma co prawda uwzględnionych jakichś struktur grafitopodobnych czy węgla bezpostaciowego, choć widzimy skondensowane pierścienie aromatyczne.   W trakcie procesu uwęglania przybywa takich skondensowanych struktur. Ale odpowiedzmy sobie sami: czy patrząc na wzór węglowodoru o kilku skoncentrowanych pierścieniach aromatycznych, np. czterech, jak to ma miejsce w tetracenie, powiemy że to jest wzór pierwiastka węgla? Jeśli napiszę O2 albo narysuję wzór strukturalny tej cząsteczki to tak, jest to wzór tlenu. Ale wzór tetracenu to wzór węgla?

Już bardziej o sadzy lub o węglu drzewnym można powiedzieć, że to zanieczyszczony pierwiastek węgiel bezpostaciowy, niż o węglu kamiennym. A już nie daj Boże mówic tak o węglu brunatnym lub torfie. 
Ot, cukier biały (sacharoza) zawiera 42,1% „czystego węgla”. W końcu to WĘGLOwodan. To dlaczego to nie jest cukier czarny? No właśnie. Oczywiście możemy sobie zrobić mieszankę cukru z sadzą i otrzymać coś nieco zbliżonego do węgla kamiennego, ale ta mieszanina to nadal nie pierwiastek węgiel.

Jeśli wezmę cukier i podgrzeję, to go sobie termicznie rozłożę na węgiel i parę wodną:

Jest to zresztą metoda otrzymywania PIERWIASTKA węgla. To już będzie czarne.
Jeśli całkowitemu rozkładowi poddamy 100 g cukru to otrzymamy 42,1 g węgla. 
Skoro w 100 g cukru jest 42,1 g węgla to policzmy ile ciepła otrzymamy ze spalenia 100 g cukru w stanie standardowym:
UWAGA! OBLICZENIA SĄ OPARTE NA TYM SAMYM ZAŁOŻENIU, KTÓRYMI POSŁUŻYŁ SIĘ AUTOR ZADAŃ!
12 g C → 393,5 kJ (autor zadania podał 400 kJ, ale tablicowa wartość to 393,5 kJ)
42,1 g C → x
x = 1381 kJ
tymczasem spalając 100 g cukru białego otrzymujemy 1649 kJ ciepła. Bo spalając  cukier zamiast reakcji opisanej równaniem:

przeprowadziliśmy reakcję:

Jeśli węgiel kamienny zawiera 90% węgla, to dotyczy to zarówno wolnego pierwiastka węgla jak i węgla związanego. A co ciekawe, to węgiel kamienny o tej samej zawartości węgla może mieć różną wartość opałową. Dlaczego?
Pierwiastek węgiel tworzy różne odmiany alotropowe. I każda ma nieco inny efekt energetyczny spalania. Zadanie zadanie zawiera informację o efekcie energetycznym spalania węgla, ale warto by jeszcze doprecyzować, którą mamy na myśli. Domyślnie jest to grafit, ale węgiel kamienny zawiera trochę struktur grafitowych oraz bezpostaciowych.

Czy zwróciliśmy uwagę na to, że w języku angielskim mamy 2 słowa określające, na co po polsku mówimy węgiel? To co mamy w piwnicy nazywa się coal (black coal). A pierwiastek chemiczny to carbon. Takie rozróżnienie ma swoje uzasadnienie. Stosują je nawet najbliżsi językowo do nas Czesi i Słowacy. Węgiel jako kopalina to uhli/uhlie, co po polsku możnaby przetłumaczyć na węgle albo wągli. A pierwiastek to w obu językach uhlik. Cóż, spotkałem w życiu osoby na Górnym Śląsku, które mówiły wągli, a nie węgiel czy słynne wungiel. A Słoweńcy nazwę pierwiastka ogljik utworzyli od słowa oglje, co w ichniejszym języku oznacza węgiel drzewny… A węgiel kamienny to w języku słoweńskim premog. Takie rozróżnienie spotykane jest chyba znacznej większości języków. A może i we wszystkich poza Polskim? Aż tak obyty nie jestem, ale nawet nawet Niemcy mają Kohle i Kohlenstoff. A! I po łacinie jest carbo i carbonium. Po polsku to trochę jakbyśmy nie odróżniali tlenu od powietrza. Jednak  takie rozróżnienie pojawia się w polskim nazewnictwie: glin i glina. Niemiecką nazwę pierwiastka można tłumaczyć jako substancja tworząca węgiel. Zacząłem się zastanawiać, jak by można nazwać po polsku pierwiastek. Może węglik? Węglak? Węglarz? Węgleń? A może tak wg starej tradycji: węgloród? skoro był wodoród, który stał się wodorem... Węgloród, węglór? A może węglotwór? Czeskie i słowackie uhlik to po prostu węglik/węgielek. Mielibyśmy więc węglik i węgliczki, czyli związki węglika z innymi pierwiastkami. A może nazwę pierwiastka zostawić w spokoju, a zmienić nazwę kopaliny z węgiel kamienny na kamień węgielny? To brzmi ciekawie i bardziej pasowałoby do rzeczywistości. 

Węgiel jako pierwiastek występuje w przyrodzie. To diamenty i grafit...

Polskie nazewnictwo chemiczne w wielu przypadkach wprowadza spore zamieszanie i jak widać – potrafi wprowadzać w błąd. Może pora pomyśleć o pewnych zmianach, które wszystkim ułatwią życie? I przestaną wprowadzać błędne myślenie? Bo pewne perypetie edukacyjne są tylko domeną polskiego szkolnictwa… Nie bez powodu.

Takie przeliczenia jak chciał autor zadania oczywiście się wykonuje, tylko autor błędnie do tego podszedł. W niedalekiej przyszłości zapraszam do zmierzenia się ze swoją propozycją podobnego zadania, ale po pewnej korekcie.