Chemia - Matura Czerwiec 2025, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 26.
Kwas szczawiowy jest najprostszym kwasem dikarboksylowym. Na rysunku obok przedstawiono model cząsteczki tego kwasu. Kwas szczawiowy jest substancją stałą, dobrze rozpuszczalną w wodzie. W wodnym roztworze dysocjuje dwustopniowo.
Rozpuszczoną w niewielkiej ilości wody odważkę bezwodnego kwasu szczawiowego o masie 𝑚 umieszczono w kolbie miarowej, którą dopełniono wodą destylowaną do objętości 100,0 cm3.
Pobrano pipetą 20,0 cm3 otrzymanego roztworu, przeniesiono go do kolby stożkowej, w której znajdowała się elektroda pehametru, i miareczkowano roztworem NaOH o stężeniu 0,10 mol ∙ dm–3. Eksperyment prowadzono w temperaturze 25 °C. Uzyskane wyniki przedstawiono w formie wykresu zależności mierzonego pH od objętości dodawanego roztworu NaOH.
Na podstawie analizy wykresu oblicz stężenie kwasu szczawiowego w kolbie stożkowej oraz masę 𝒎 odważki bezwodnego kwasu szczawiowego użytego w opisanym doświadczeniu. Następnie wyjaśnij, dlaczego po dodaniu 40,0 cm3 NaOH (aq) pH powstałej mieszaniny jest wyższe od 7. W wyjaśnieniu uwzględnij odpowiednie obliczenia. W obliczeniach zastosuj uproszczone wyrażenie wiążące stałą dysocjacji ze stężeniem jonów H+.
Rozwiązanie
Zasady oceniania
4 pkt – zastosowanie poprawnej metody, tj. wykorzystanie związku między danymi w zadaniu a szukanym pH roztworu, poprawne obliczenie stężenia kwasu szczawiowego w kolbie stożkowej, poprawne ustalenie wartości liczby moli 𝑛C2O2–4 i 𝑛NaOH; poprawne obliczenie wartości 𝑐C2O2–4 po dodaniu 40 cm3 roztworu NaOH; poprawne obliczanie masy 𝑚 naważki kwasu; napisanie poprawnego wyjaśnienia, zapisanie wyrażenia
Kb = 𝐾w𝐾a2, poprawne obliczenie wartości 𝐾b oraz poprawne obliczenie pH roztworu po stechiometrycznym zmieszaniu kwasu i zasady.
3 pkt – zastosowanie poprawnej metody, tj. wykorzystanie związku między danymi w zadaniu a szukanym pH roztworu, poprawne obliczenie stężenia kwasu szczawiowego w kolbie stożkowej, poprawne ustalenie wartości liczby moli 𝑛C2O2–4 i 𝑛NaOH; poprawne obliczenie wartości 𝑐C2O2–4 po dodaniu 40 cm3 roztworu NaOH; poprawne obliczanie masy 𝑚 naważki kwasu, napisanie poprawnego wyjaśnienia oraz zapisanie wyrażenia 𝐾b = 𝐾w𝐾a2 i poprawne obliczenie wartości 𝐾b.
2 pkt – zastosowanie poprawnej metody, tj. wykorzystanie związku między danymi w zadaniu a szukanym pH roztworu, poprawne obliczenie stężenia kwasu szczawiowego w kolbie stożkowej, poprawne ustalenie wartości liczby moli 𝑛C2O2–4 i 𝑛NaOH; poprawne obliczenie wartości 𝑐C2O2–4 po dodaniu 40 cm3 roztworu NaOH
ALBO
– zastosowanie poprawnej metody, tj. wykorzystanie związku między danymi w zadaniu a szukanym pH roztworu, poprawne obliczanie masy 𝑚 naważki kwasu, poprawne ustalenie wartości liczby moli 𝑛C2O2–4 i 𝑛NaOH oraz poprawne obliczenie wartości 𝑐C2O2–4 po dodaniu 40 cm3 roztworu NaOH.
1 pkt – zastosowanie poprawnej metody, tj. wykorzystanie związku między danymi w zadaniu a szukanym pH roztworu, poprawne ustalenie wartości liczby moli 𝑛C2O2–4 i 𝑛NaOH oraz poprawne obliczenie wartości 𝑐C2O2–4 po dodaniu 40 cm3 roztworu NaOH
ALBO
– zastosowanie poprawnej metody, tj. wykorzystanie związku między danymi w zadaniu a szukanym pH roztworu, poprawne obliczenie stężenia kwasu szczawiowego w kolbie stożkowej oraz poprawne obliczanie masy 𝑚 naważki kwasu.
0 pkt – zastosowanie błędnej metody albo brak rozwiązania.
Rozwiązanie
H2C2O4 + 2OH‒ → C2O2–4 + 2H2O
VNaOH = 40 cm3 = 0,040 dm3 ⟹ 𝑛NaOH = 0,04 ⋅ 0,1 = 0,004 mol
𝑛szczawianów = 𝑛b = 12 𝑛OH¯ = 12 ⋅ 0,04 ⋅ 0,1 = 0,002 mol
Stężenie kwasu w miareczkowanym roztworze:
𝑐kwasu = 𝑛kwasuVkwasu = 0,002 mol0,02 dm3 = 0,1 mol ∙ dm–3
Liczba moli kwasu w przygotowanym roztworze:
𝑛kwasu = 0,1 mol ∙ dm–3 ∙ 0,1 dm3 = 0,01 mol
𝑛szczawianów = 0,002 mol = 𝑛kwasu
𝑚kwasu= 𝑛kwasu ∙ 𝑀kwasu ⟹ 𝑚kwasu = 0,01 mol ∙ 90 g ∙ mol–1 = 0,9 g
Przykładowe wyjaśnienia:
- W powstałej mieszaninie zachodzi hydroliza anionowa.
- W tej mieszanie zachodzi hydroliza powstałej soli.
Obliczenie pH roztworu w punkcie równoważnikowym:
C2O2‒4 + H2O → HC2O–4 + OH‒
Wybór do dalszych obliczeń odpowiedniej stałej – (drugiego) etapu dysocjacji kwasu szczawiowego:
Kb = 𝐾w𝐾a2 = 10−141,55 ∙ 10−4 = 6,5 ∙ 10−11
[OH‒] = 𝐾b · 𝑐b = 6,5 · 10‒11 · 3,3 · 10‒2 = 1,46 ⋅ 10‒6 mol ⋅ dm–3
pOH = –log [OH–] = –log(1,46 ⋅ 10‒6) = 5,84
pH = 14 – pOH = 14 – 5,84 = 8,16 ⟹ pH = 8,2
Uwaga: Popełnienie błędu rachunkowego w trakcie rozwiązywania zadania skutkuje utratą 1 pkt.
