Rozwiązanie
-
Krok 1 – Analiza wyników doświadczenia
Roztwór $\text{Na}_2\text{HPO}_4$ zabarwia fenoloftaleinę na różowo i czerwień obojętną na żółto – oba wskaźniki wskazują na odczyn zasadowy ($\text{pH} > 7$). Oznacza to, że jon $\text{HPO}_4^{2-}$ w reakcji z wodą zachowuje się przede wszystkim jako zasada Brønsteda (przyjmuje proton od wody).
Roztwór $\text{NaH}_2\text{PO}_4$ pozostawia fenoloftaleinę bezbarwną i zabarwia czerwień obojętną na czerwono – oba wskaźniki wskazują na odczyn kwaśny ($\text{pH} \lt 7$). Oznacza to, że jon $\text{H}_2\text{PO}_4^{-}$ w reakcji z wodą zachowuje się przede wszystkim jako kwas Brønsteda (oddaje proton do wody).
-
Krok 2 – Przypomnienie definicji Brønsteda
Według teorii Brønsteda–Lowry'ego:
- Kwas – donor protonu ($\text{H}^+$), czyli drobina, która proton oddaje.
- Zasada – akceptor protonu ($\text{H}^+$), czyli drobina, która proton przyjmuje.
Każdemu kwasowi (kwas 1) odpowiada sprzężona zasada (zasada 1), a każdej zasadzie (zasada 2) odpowiada sprzężony kwas (kwas 2). Para kwas–zasada różni się o jeden proton.
-
Krok 3 – Reakcja decydująca o odczynie roztworu $\text{Na}_2\text{HPO}_4$
Ponieważ roztwór jest zasadowy, dominuje reakcja hydrolizy zasadowej jonu $\text{HPO}_4^{2-}$. Jon ten przyjmuje proton od cząsteczki wody:
$$\text{HPO}_4^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{PO}_4^{-} + \text{OH}^-$$
Przypisanie ról:
- kwas 1 = $\text{H}_2\text{O}$ (oddaje proton → donor $\text{H}^+$)
- zasada 2 = $\text{HPO}_4^{2-}$ (przyjmuje proton → akceptor $\text{H}^+$)
- zasada 1 = $\text{OH}^-$ (sprzężona zasada wody)
- kwas 2 = $\text{H}_2\text{PO}_4^{-}$ (sprzężony kwas jonu $\text{HPO}_4^{2-}$)
Schemat z wypełnionymi wzorami:
$$\underbrace{\text{H}_2\text{O}}_{\text{kwas 1}} + \underbrace{\text{HPO}_4^{2-}}_{\text{zasada 2}} \rightleftharpoons \underbrace{\text{OH}^-}_{\text{zasada 1}} + \underbrace{\text{H}_2\text{PO}_4^{-}}_{\text{kwas 2}}$$
W wyniku tej reakcji powstają jony $\text{OH}^-$, co powoduje zasadowy odczyn roztworu.
-
Krok 4 – Reakcja decydująca o odczynie roztworu $\text{NaH}_2\text{PO}_4$
Ponieważ roztwór jest kwaśny, dominuje reakcja dysocjacji (hydrolizy kwaśnej) jonu $\text{H}_2\text{PO}_4^{-}$. Jon ten oddaje proton cząsteczce wody:
$$\text{H}_2\text{PO}_4^{-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}_3\text{O}^+$$
Przypisanie ról:
- kwas 1 = $\text{H}_2\text{PO}_4^{-}$ (oddaje proton → donor $\text{H}^+$)
- zasada 2 = $\text{H}_2\text{O}$ (przyjmuje proton → akceptor $\text{H}^+$)
- zasada 1 = $\text{HPO}_4^{2-}$ (sprzężona zasada jonu $\text{H}_2\text{PO}_4^{-}$)
- kwas 2 = $\text{H}_3\text{O}^+$ (sprzężony kwas wody)
Schemat z wypełnionymi wzorami:
$$\underbrace{\text{H}_2\text{PO}_4^{-}}_{\text{kwas 1}} + \underbrace{\text{H}_2\text{O}}_{\text{zasada 2}} \rightleftharpoons \underbrace{\text{HPO}_4^{2-}}_{\text{zasada 1}} + \underbrace{\text{H}_3\text{O}^+}_{\text{kwas 2}}$$
W wyniku tej reakcji powstają jony $\text{H}_3\text{O}^+$, co powoduje kwaśny odczyn roztworu.
Wynik końcowy:
Reakcja decydująca o odczynie roztworu $\text{Na}_2\text{HPO}_4$ (odczyn zasadowy):
$$\underbrace{\text{H}_2\text{O}}_{\text{kwas 1}} + \underbrace{\text{HPO}_4^{2-}}_{\text{zasada 2}} \rightleftharpoons \underbrace{\text{OH}^-}_{\text{zasada 1}} + \underbrace{\text{H}_2\text{PO}_4^{-}}_{\text{kwas 2}}$$
Reakcja decydująca o odczynie roztworu $\text{NaH}_2\text{PO}_4$ (odczyn kwaśny):
$$\underbrace{\text{H}_2\text{PO}_4^{-}}_{\text{kwas 1}} + \underbrace{\text{H}_2\text{O}}_{\text{zasada 2}} \rightleftharpoons \underbrace{\text{HPO}_4^{2-}}_{\text{zasada 1}} + \underbrace{\text{H}_3\text{O}^+}_{\text{kwas 2}}$$
