Rozwiązując zadania maturalne bardzo często zdarza się, że odpowiedź jaka powinna zostać udzielona może stać się nie lada problemem dla zdającego. W stresie nawet najprostsze zadanie może okazać się wówczas nie do przebrnięcia, ponieważ pojawiają się liczne wątpliwości związane z właściwą interpretacją polecenia do zadania. Jednym z najczęściej rodzących się w głowach maturzystów pytań jedno jest szczególnie istotne – jak w równaniach reakcji chemicznych zapisywać kwas węglowy?

Na początek przypomnijmy, czym jest ten związek chemiczny?

Kwas węglowy (H₂CO₃) jest jednym z najsłabszych kwasów nieorganicznych. Ma jednak również inną własność – niewielką trwałość w warunkach normalnych, w porównaniu z innymi kwasami, nawet w jego rozcieńczonych roztworach wodnych. Związek ten praktycznie natychmiast rozkłada się z utworzeniem wody oraz tlenku węgla(IV):

H₂CO₃ → H₂O + CO₂

To właśnie niewielka trwałość kwasu węglowego stała się swego rodzaju kością niezgody, która rodzi pytanie – którą z trzech jego postaci należy zapisywać w równaniach reakcji chemicznych:

H₂O + CO₂, H₂O · CO₂ i wreszcie H₂CO₃.

Diabeł jak zwykle tkwi w szczegółach, dlatego w artykule tym spróbujemy odpowiedzieć na pytania – jak, dlaczego oraz kiedy należy stosować dany zapis kwasu węglowego, aby nie stracić punktów na maturze?

Zapis kwasu węglowego w postaciach H₂O + CO₂ oraz H₂O · CO₂.

W ten sposób sugerujemy, że w układzie reakcyjnym zwykle znajduje się mieszanina wody z tlenkiem węgla(IV). Z sytuacją taką mamy do czynienia w przypadkach:

1. Gdy do wody wprowadzamy tlenek węgla(IV) ustala się równowaga dynamiczna:

H₂O + CO₂ ⇄  H⁺ + HCO₃^–

H₂O · CO₂ ⇄  H⁺ + HCO₃^–

UWAGA: drugi z wymienionych zapisów jest dopuszczalny wyłącznie wtedy, gdy równanie reakcji chemicznej nie  musi być zapisane zgodnie protonową teorią kwasów i zasad Brønsteda.

2. Gdy do wodnego roztworu jakiejś substancji (na przykład fenolanu sodu) wprowadzamy tlenek węgla(IV), w celu wyparcia kwasu słabszego od kwasu węglowego. W rozważanym poniżej przypadku przebiega reakcja chemiczna, której produktem będzie fenol (C₆H₅OH):

H₂O + CO₂ + C₆H₅O^– →  C₆H₅OH + HCO₃^–

H₂O · CO₂ + C₆H₅O^– → C₆H₅OH + HCO₃^–

UWAGA: drugi z wymienionych zapisów jest dopuszczalny wyłącznie wtedy, gdy równanie reakcji chemicznej nie  musi być zapisane zgodnie protonową teorią kwasów i zasad Brønsteda.

Pójdźmy o krok dalej. Oba wymienione zapisy postaci kwasu węglowego można stosować również przedstawiając proces wietrzenia chemicznego skał wapiennych:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca²⁺ + 2HCO₃^–

CaCO₃ + H₂O · CO₂ → Ca²⁺ + 2HCO₃^–

Co jednak w przypadku, gdy kwas węglowy jest produktem reakcji chemicznej? Z taką sytuacją mamy do czynienia, gdy związek ten zostaje wyparty z (roztworu) swojej soli przez kwas mocniejszy od niego. Objawem przebiegającej wówczas reakcji chemicznej jest stosunkowo intensywne wydzielanie się bezbarwnego, bezwonnego gazu (CO₂), co opisują poniższe równania chemiczne:

NaHCO₃ + HCl → H₂O + CO₂ + NaCl oraz w formie jonowej skróconej HCO₃^– + H₃O⁺ → 2H₂O + CO₂

Na₂CO₃ + 2HCl → H₂O + CO₂ + 2NaCl oraz w formie jonowej skróconej CO₃^2– + 2H₃O⁺ → 3H₂O + CO₂

Jeśli zastosujemy kwas słaby, ale mocniejszy od kwasu węglowego, równania reakcji przyjmą następującą postać:

NaHCO₃ + CH₃COOH → H₂O + CO₂ + CH₃COONa oraz w formie jonowej skróconej HCO₃^– + CH₃COOH → H₂O + CO₂ + CH₃COO^–

Na₂CO₃ + 2CH₃COOH → H₂O + CO₂ + 2CH₃COONa oraz w formie jonowej skróconej CO₃^2– + 2CH₃COOH → 2H₂O + CO₂ + 2CH₃COO^–

Jak już wspomniałem, podczas przebiegu takich reakcji chemicznych obserwujemy wydzielanie się bezbarwnego, bezwonnego gazu (CO₂), zatem siłą rzeczy nie wolno zastosować wówczas zapisu innego niż H₂O + CO₂ kwasu węglowego.

Jeśli kwas węglowy jest produktem reakcji chemicznej, podczas której jest on WYPIERANY przez kwas mocniejszy od niego i opisane są objawy takiej reakcji (wydzielanie gazu), należy zastosować zapis H₂O + CO₂ w produktach. Niedopuszczalny jest wówczas zapis H₂O · CO₂, ponieważ sugerujemy w ten sposób, że tlenek węgla(IV) związany jest w miarę trwale z cząsteczką wody, zatem nie opuszcza on środowiska reakcyjnego. Podobnie nie wolno zapisać kwasu węglowego jego wzorem sumarycznym (H₂CO₃).

Kiedy nie wolno stosować zapisu H₂O + CO₂?

Zapisu H₂O + CO₂ NIE WOLNO zastosować w równaniu reakcji chemicznej, które zgodnie z poleceniem do zadania powinno zostać zapisane zgodnie z protonową teorią kwasów i zasad Brønsteda. Dzieje się tak, ponieważ zapis równania takiej reakcji musi przedstawiać sprzężone pary kwas-zasada Brønsteda:

H₂CO₃ + C₆H₅O^– →  C₆H₅OH + HCO₃^–

Postać kwasu węglowego H₂CO₃ stosujemy również w przypadku zapisu równania procesu hydrolizy anionu wodorowęglanowego, jeśli buduje on sól pochodzącą od MOCNEJ zasady:

HCO₃^– + H₂O ⇄ H₂CO₃ + OH^–

UWAGA: dopuszcza się jednak w tym przypadku zapis kwasu węglowego w produktach jako H₂O + CO₂ lub H₂O · CO₂ pod warunkiem, że równanie reakcji nie musi być napisane zgodnie protonową teorią kwasów i zasad Brønsteda.

Ciekawym przypadkiem jest wodorowęglan amonu (NH₄HCO₃) – sól pochodząca od słabej zasady (amoniaku). W przypadku tego jonowego związku chemicznego, w jego wodnym roztworze przebiegają równolegle procesy hydrolizy:

HCO₃^– + H₂O ⇄ OH^– + CO₂ + H₂O

NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃ + H₃O⁺

Ponieważ produktami obu wymienionych reakcji chemicznych są substancje gazowe, zatem z czasem (podczas długotrwałego przechowywania w nieszczelnym naczyniu) praktycznie cały wodorowęglan amonu ulegnie rozkładowi pod wpływem znajdującej się w powietrzu wilgoci. Objawem przebiegającej reakcji jest wyczuwalny charakterystyczny drażniący zapach, za który odpowiada powstający amoniak – NH₃.

Mam nadzieję, że teraz bez problemu będziesz w stanie zmierzyć się z dowolnym zadaniem, w którym pojawi się wątek kwasu węglowego 🙂