Matura 2027 · chemia, poziom rozszerzony

pH, dysocjacja elektrolityczna i prawo Ostwalda

Podstawa programowa wymaga, żebyś pisał równania dysocjacji elektrolitycznej, także stopniowej, stosował stopień i stałą dysocjacji w obliczeniach z prawem rozcieńczeń Ostwalda, liczył pH, interpretował pKw, Ka, Kb i porównywał moc elektrolitów. Tak przygotujesz się do tej części matury z chemii na poziomie rozszerzonym.

Na maturze 2023–2026: w 3 z 4 sesji – 2023 (zadania 7 i 8), 2024 (zadanie 7), 2025 (zadanie 12).

W skrócie

najważniejsze w kilku zdaniach
  • Mocny elektrolit dysocjuje całkowicie i w równaniu piszesz →, słaby – częściowo i piszesz ⇄. Kwasy wieloprotonowe dysocjują stopniami.
  • Stopień dysocjacji α\alpha to stosunek liczby cząsteczek, które uległy dysocjacji, do liczby wszystkich rozpuszczonych cząsteczek.
  • Stała dysocjacji słabego elektrolitu zależy od temperatury, a nie od stężenia; według prawa Ostwalda K=K ={}cα2/(1−α) c\alpha^2 / (1 - \alpha).
  • Wzór uproszczony [HX+]=K⋅c[\ce{H+}] = \sqrt{K \cdot c} daje dobre przybliżenie, gdy c/K≥400c / K \geq 400 (stopień dysocjacji poniżej około 5 %); przy mniejszym ilorazie rozwiąż równanie kwadratowe.
  • W 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}: pH=−log⁡[HX+]\mathrm{pH} = -\log [\ce{H+}], pOH=−log⁡[OHX−]\mathrm{pOH} = -\log [\ce{OH-}] i pH+\mathrm{pH} +{}pOH= \mathrm{pOH} ={}14 14.
  • Mocniejszy z dwóch kwasów o tym samym stężeniu ma większą stałą KaK_{\mathrm{a}}, czyli mniejsze pKa\mathrm{p}K_{\mathrm{a}}.

Egzamin maturalny z chemii na poziomie rozszerzonym trwa 180 minut; za cały arkusz można uzyskać 60 punktów. W arkuszu jest około 45 poleceń: zadania zamknięte (wielokrotnego wyboru, prawda–fałsz, na dobieranie) i otwarte (z luką, krótkiej i rozszerzonej odpowiedzi), w tym co najmniej jedno zadanie problemowe za 4–5 punktów. Podczas egzaminu możesz korzystać z „Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych”, linijki i kalkulatora naukowego.

Równania dysocjacji: mocne i słabe elektrolity

Elektrolit rozpada się w wodzie na jony. Mocny dysocjuje praktycznie w całości, więc piszesz jedną strzałkę →: HCl→HX++ClX−\ce{HCl -> H+ + Cl-} albo NaOH→NaX++OHX−\ce{NaOH -> Na+ + OH-}. Słaby dysocjuje częściowo i ustala się równowaga, więc piszesz ⇄: CHX3COOH⇌CHX3COOX−+HX+\ce{CH3COOH <=> CH3COO- + H+}. Zapis z jonem HX+\ce{H+} jest uproszczeniem jonu hydroniowego HX3OX+\ce{H3O+}, który powstaje w reakcji z wodą.

Kwas wieloprotonowy oddaje protony po kolei i każdy etap ma własną stałą, a każda kolejna jest mniejsza. Dla kwasu ortofosforowego(V) według tablic CKE: HX3POX4⇌HX++HX2POX4X−\ce{H3PO4 <=> H+ + H2PO4-} (Ka1=K_{\mathrm{a1}} ={}6,92⋅10−3 6{,}92 \cdot 10^{-3}), HX2POX4X−⇌HX++HPOX4X2−\ce{H2PO4- <=> H+ + HPO4^2-} (Ka2=K_{\mathrm{a2}} ={}6,17⋅10−8 6{,}17 \cdot 10^{-8}) i HPOX4X2−⇌HX++POX4X3−\ce{HPO4^2- <=> H+ + PO4^3-} (Ka3=K_{\mathrm{a3}} ={}4,79⋅10−13 4{,}79 \cdot 10^{-13}). W roztworze przeważają cząsteczki i jony z pierwszych etapów.

ElektrolitRodzajStrzałka w równaniu
HCl, HNO₃, NaOHmocny→
CH₃COOH, HF, HClOsłaby kwas⇄
NH₃ (z wodą)słaba zasada⇄
H₂SO₃, H₃PO₄słaby kwas wieloprotonowy⇄, etapami

Stopień i stała dysocjacji, prawo Ostwalda

Stopień dysocjacji α=nzdys./n0\alpha = n_{\mathrm{zdys.}} / n_0 podajesz ułamkiem albo w procentach. Dla słabego kwasu jednoprotonowego HA o stężeniu cc stała dysocjacji wynosi K=[HX+][AX−]/[HA]K = [\ce{H+}][\ce{A-}] / [\ce{HA}]. Ponieważ [HX+]=[AX−]=cα[\ce{H+}] = [\ce{A-}] = c\alpha i [HA]=c(1−α)[\ce{HA}] = c(1 - \alpha), otrzymujesz prawo rozcieńczeń Ostwalda: K=K ={}cα2/(1−α) c\alpha^2 / (1 - \alpha). Gdy α\alpha jest małe, K≈cα2K \approx c\alpha^2 i α≈K/c\alpha \approx \sqrt{K / c}.

Wynika stąd, że po rozcieńczeniu słabego elektrolitu jego stopień dysocjacji rośnie, choć KK się nie zmienia. Wykres pokazuje to dla kwasu propanowego: sto razy mniejsze stężenie daje stopień dysocjacji większy około 9,5 raza, a nie sto razy. Przyjmuje się, że uproszczenie jest dopuszczalne, gdy c/K≥400c / K \geq 400, bo wtedy stopień dysocjacji nie przekracza około 5 %; poniższa tabela pokazuje, jak błąd rośnie, gdy ten warunek nie jest spełniony.

Dla 0,050 mol⋅dm−30{,}050\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}} kwasu fluorowodorowego iloraz c/Kc / K wynosi tylko 79,2. Wzór uproszczony daje [HX+]=5,62⋅10−3 mol⋅dm−3[\ce{H+}] = 5{,}62 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}}, a równanie x2/(c−x)=Kx^2 / (c - x) = K rozwiązane dokładnie – 5,31⋅10−3 mol⋅dm−35{,}31 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}}, czyli α=10,6 %\alpha = 10{,}6\ \%. W takim zadaniu zapisz równanie kwadratowe: wyniki różnią się już w drugim miejscu po przecinku.

0,020,040,060,080,1246810120c, mol · dm⁻³α, %kwas propanowyKₐ = 1,35 · 10⁻⁵
c, mol · dm⁻³c / Kα, %pH dokładnepH ze wzoru uproszczonego
0,101587,632,122,10
0,05079,210,62,272,25
0,01015,822,22,652,60
0,00101,5853,93,273,10

pH, pOH i iloczyn jonowy wody

Woda dysocjuje w bardzo małym stopniu, a iloczyn jonowy wody Kw=[HX+][OHX−]K_{\mathrm{w}} = [\ce{H+}][\ce{OH-}] w 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} wynosi 1,00⋅10−141{,}00 \cdot 10^{-14}. Stąd pKw=14\mathrm{pK_w} = 14 i pH+\mathrm{pH} +{}pOH= \mathrm{pOH} ={}14 14. Każda zmiana pH o jedną jednostkę oznacza dziesięciokrotną zmianę [HX+][\ce{H+}]: roztwór o pH = 3 ma tysiąc razy większe stężenie jonów wodorowych niż roztwór o pH = 6.

Mocny kwas o stężeniu 0,0050 mol⋅dm−30{,}0050\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}} daje [HX+]=0,0050[\ce{H+}] = 0{,}0050, więc pH = 2,30. Dla zasady liczysz najpierw [OHX−][\ce{OH-}] i uwzględniasz stechiometrię: Ba(OH)X2\ce{Ba(OH)2} o stężeniu 0,0020 mol⋅dm−30{,}0020\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}} daje [OHX−]=0,0040[\ce{OH-}] = 0{,}0040, pOH = 2,40 i pH = 11,60. Dla słabej zasady, amoniaku o stężeniu 0,20 mol⋅dm−30{,}20\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}} (Kb=K_{\mathrm{b}} ={}1,78⋅10−5 1{,}78 \cdot 10^{-5}), iloraz c/Kbc / K_{\mathrm{b}} jest bardzo duży, więc [OHX−]=Kb⋅c=1,89⋅10−3[\ce{OH-}] = \sqrt{K_{\mathrm{b}} \cdot c} = 1{,}89 \cdot 10^{-3}, pOH = 2,72 i pH = 11,28.

Moc elektrolitów i interpretacja Ka, Kb, pKa

Moc słabych elektrolitów porównujesz po stałych dysocjacji. Im większa KaK_{\mathrm{a}}, tym mocniejszy kwas, a pKa=\mathrm{p}K_{\mathrm{a}} ={}−log⁡Ka -\log K_{\mathrm{a}} zmienia się odwrotnie: mniejsze pKa\mathrm{p}K_{\mathrm{a}} oznacza kwas mocniejszy. Porównanie jest rzetelne, gdy stałe dotyczą tej samej temperatury; stopniem dysocjacji porównasz kwasy tylko przy jednakowym stężeniu, bo α\alpha zależy od cc.

Dla sprzężonej pary kwas – zasada obowiązuje Ka⋅Kb=K_{\mathrm{a}} \cdot K_{\mathrm{b}} ={}Kw K_{\mathrm{w}}: im mocniejszy kwas, tym słabsza sprzężona z nim zasada. Wartości KaK_{\mathrm{a}} i pKa\mathrm{p}K_{\mathrm{a}} z tablic CKE zebrano w tabeli; kolejność jest od kwasu najmocniejszego do najsłabszego.

KwasKapKa
HF6,31 · 10⁻⁴3,20
HNO₂5,62 · 10⁻⁴3,25
HCOOH1,78 · 10⁻⁴3,75
CH₃COOH1,75 · 10⁻⁵4,76
HClO3,98 · 10⁻⁸7,40
C₆H₅OH (fenol)1,02 · 10⁻¹⁰9,99

Doświadczenie

obserwacje i wniosek
Doświadczenie z tego działu tak, jak opisuje je CKE: cel, odczynniki, obserwacje, równanie reakcji i wniosek.

Doświadczenie 1

Cel doświadczenia
Porównanie pH wodnych roztworów kwasu solnego, wodorotlenku sodu i amoniaku o jednakowym stężeniu.
Odczynniki
wodne roztwory HCl\ce{HCl}, NaOH\ce{NaOH} i NHX3\ce{NH3}, każdy o stężeniu 0,10 mol⋅dm−30{,}10\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}}; uniwersalny papierek wskaźnikowy
Obserwacje
W probówce z kwasem solnym papierek zabarwił się na czerwono. W probówce z wodorotlenkiem sodu papierek zabarwił się na ciemnofioletowo, w probówce z amoniakiem na niebiesko.
Równanie reakcji
kwas solny: HCl→HX++ClX−\ce{HCl -> H+ + Cl-}; wodorotlenek sodu: NaOH→NaX++OHX−\ce{NaOH -> Na+ + OH-}; amoniak: NHX3+HX2O⇌NHX4X++OHX−\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}
Wniosek
Roztwór kwasu solnego ma odczyn kwasowy, a roztwory wodorotlenku sodu i amoniaku – zasadowy. Przy tym samym stężeniu roztwór wodorotlenku sodu ma wyższe pH niż roztwór amoniaku, bo wodorotlenek sodu dysocjuje całkowicie, a amoniak reaguje z wodą tylko w niewielkim stopniu.

Doświadczenie 2

Cel doświadczenia
Zbadanie wpływu rozcieńczenia na pH i stopień dysocjacji kwasu octowego.
Odczynniki
wodny roztwór CHX3COOH\ce{CH3COOH} o stężeniu 0,10 mol⋅dm−30{,}10\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}}, woda destylowana, pehametr
Obserwacje
Przed rozcieńczeniem pehametr wskazał pH 2,88. Po dziesięciokrotnym rozcieńczeniu próbki wodą destylowaną wskazał pH 3,39.
Równanie reakcji
CHX3COOH⇌CHX3COOX−+HX+\ce{CH3COOH <=> CH3COO- + H+}
Wniosek
Stężenie jonów HX+\ce{H+} zmalało tylko około trzykrotnie, a nie dziesięciokrotnie, więc po rozcieńczeniu zdysocjowała większa część cząsteczek kwasu: stopień dysocjacji wzrósł z około 1,3 % do około 4,1 %.

W minimalnym zestawie doświadczeń podstawy programowej:

  • 10.badanie odczynu oraz pH wodnych roztworów kwasów, zasad i soli

Pojęcia

dysocjacja elektrolityczna
Rozpad związku chemicznego na jony pod wpływem rozpuszczalnika, najczęściej wody.
dysocjacja stopniowa
Dysocjacja kwasu wieloprotonowego w kolejnych etapach, z których każdy ma własną stałą dysocjacji, coraz mniejszą.
stopień dysocjacji
Stosunek liczby cząsteczek, które uległy dysocjacji, do liczby wszystkich rozpuszczonych cząsteczek; zależy od stężenia i temperatury.
stała dysocjacji
Stała równowagi dysocjacji słabego elektrolitu, wyrażona stężeniami jonów i cząsteczek niezdysocjowanych; zależy od temperatury.
iloczyn jonowy wody
Iloczyn stężeń jonów wodorowych i wodorotlenkowych w wodzie i rozcieńczonych roztworach, w 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} równy 1,00⋅10−141{,}00 \cdot 10^{-14}.
prawo rozcieńczeń Ostwalda
Zależność K=K ={}cα2/(1−α) c\alpha^2 / (1 - \alpha) między stałą dysocjacji słabego elektrolitu, jego stężeniem i stopniem dysocjacji.
moc elektrolitów
Zdolność elektrolitu do dysocjacji; słabe elektrolity porównuje się po stałych dysocjacji, a mocne dysocjują całkowicie.

Zadanie z matury

źródło: CKE
Prawdziwe zadanie z arkusza CKE, słowo w słowo, z materiałem źródłowym. Rozwiąż je, zanim zajrzysz do wyjaśnienia.
Zadanie z arkusza CKEmatura

Matura 2023, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 7

Zadanie 7. (0–1 pkt)

W wodnych roztworach słabych kwasów jednoprotonowych zachodzi dysocjacja. Dla danej wartości stężenia molowego roztworu i w danej temperaturze ustala się stan równowagi między cząsteczkami i jonami obecnymi w roztworze. Na poniższym wykresie przedstawiono zależność stopnia dysocjacji (α\alpha) dwóch kwasów jednoprotonowych HX i HQ od stężenia molowego roztworu w temperaturze 20 ∘C20\ {}^\circ\mathrm{C}.0,000,010,020,030,040,050,060,070,080,090,10051015202530354045stężenie molowe roztworu, mol · dm⁻³α, %HXHQWartości stopnia dysocjacji kwasu HX dla wybranych stężeń molowych (c0c_0) zebrano w tabeli (t=t ={}20 ∘C 20\ {}^\circ\mathrm{C}).
c0c_0, mol⋅dm−3\mathrm{mol \cdot dm^{-3}}0,0020,0080,0180,0280,0420,100
α\alpha, %43,625,217,614,411,97,9
Rozstrzygnij, na podstawie analizy danych zamieszczonych na wykresie, który kwas (HX czy HQ) jest mocniejszy. Zaznacz jego wzór. Odpowiedź uzasadnij. HX / HQ

Źródło: CKE, egzamin maturalny 2023, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-⁠R0-⁠100-⁠2305), zadanie 7. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE

Sprawdź się

sprawdzisz od razu
Zaznacz lub wpisz odpowiedź i sprawdź ją od razu: pod zadaniem zobaczysz wyjaśnienie. Jak ocenia CKE: w zadaniu obliczeniowym liczy się metoda, wynik z jednostką i poprawne zaokrąglenie — zwykle do trzech cyfr znaczących. Równanie reakcji musi być zapisane w formie, o którą prosi polecenie (cząsteczkowej, jonowej albo jonowej skróconej), z poprawnymi współczynnikami.
zadanie Kleksy

Zadanie 1. (0–1)

Dokończ zdanie. Wybierz właściwą odpowiedź spośród podanych. pH wodnego roztworu wodorotlenku potasu o stężeniu 0,0250 mol⋅dm−30{,}0250\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}} w temperaturze 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} wynosi

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 2. (0–1)

Dla roztworów wodnych w temperaturze 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}: Oceń prawdziwość zdań. Wybierz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
kwas octowy (pKₐ = 4,76) jest mocniejszy od kwasu benzoesowego (pKₐ = 4,20).
dziesięciokrotne rozcieńczenie roztworu mocnego kwasu jednoprotonowego zwiększa jego pH o 2.

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 3. (0–1)

Przyporządkuj każdemu wodnemu roztworowi o stężeniu 0,010 mol⋅dm−30{,}010\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}} (w 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}) jego pH. Wybierz odpowiedź spośród A–D.

pH

  1. ApH = 2,00
  2. BpH = 12,30
  3. CpH = 10,63
  4. DpH = 12,00

Roztwór

1. Ba(OH)X2\ce{Ba(OH)2}
2. HNOX3\ce{HNO3}
3. NHX3\ce{NH3}

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 4. (0–1)

Dokończ zdanie. Wybierz odpowiedź A albo B oraz odpowiedź 1. albo 2.
Stężenie jonów HX+\ce{H+} w roztworze o pH = 2 jest stężenie tych jonów w roztworze o pH = 4, ponieważ

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 5. (0–1)

Napisz wzór anionu, który powstaje w pierwszym etapie dysocjacji kwasu węglowego.

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

Więcej zadań: rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z maja 2026 roku

Częste pomyłki

tu najłatwiej stracić punkt
  • Strzałka → w równaniu dysocjacji słabego elektrolitu. Kwas octowy, amoniak czy kwas fluorowodorowy dysocjują częściowo, więc piszesz ⇄.
  • Zastosowanie wzoru uproszczonego bez sprawdzenia, że c/K≥400c / K \geq 400. Jeśli warunku nie spełniono, rozwiąż równanie kwadratowe, bo pH wyjdzie za niskie.
  • Pominięcie stechiometrii zasady przy liczeniu pH. Każdy mol Ba(OH)X2\ce{Ba(OH)2} dostarcza dwa mole jonów OHX−\ce{OH-}, więc [OHX−][\ce{OH-}] jest dwa razy większe niż stężenie zasady.
  • Podanie pOH jako pH. Po obliczeniu −log⁡[OHX−]-\log [\ce{OH-}] odejmij wynik od 14.
  • Porównywanie mocy kwasów po stopniu dysocjacji przy różnych stężeniach. Stopień dysocjacji zależy od stężenia, więc porównujesz stałe KaK_{\mathrm{a}}.

Zapamiętaj

  • Mocny elektrolit: →; słaby: ⇄; kwas wieloprotonowy dysocjuje etapami, a każda kolejna stała jest mniejsza.
  • K=K ={}cα2/(1−α) c\alpha^2 / (1 - \alpha); α≈K/c\alpha \approx \sqrt{K / c} tylko dla c/K≥400c / K \geq 400.
  • pH+\mathrm{pH} +{}pOH= \mathrm{pOH} ={}14 14 w 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C}; zmiana pH o 1 to dziesięciokrotna zmiana [HX+][\ce{H+}].
  • Większa KaK_{\mathrm{a}} = mniejsze pKa\mathrm{p}K_{\mathrm{a}} = kwas mocniejszy; Ka⋅Kb=K_{\mathrm{a}} \cdot K_{\mathrm{b}} ={}Kw K_{\mathrm{w}}.
  • Rozcieńczanie zwiększa stopień dysocjacji słabego elektrolitu, a KK zostaje bez zmiany.

Pytania i odpowiedzi

  1. 1.Kiedy mogę użyć wzoru uproszczonego na stężenie jonów wodorowych?+
    Odp.:Gdy iloraz stężenia i stałej dysocjacji wynosi co najmniej 400, czyli gdy elektrolit dysocjuje w bardzo małym stopniu i c−x≈cc - x \approx c. Wtedy [HX+]=K⋅c[\ce{H+}] = \sqrt{K \cdot c}. Dla 0,050 mol⋅dm−30{,}050\ \mathrm{mol \cdot dm^{-3}} kwasu fluorowodorowego iloraz wynosi 79,2, więc uproszczenie zawyża stężenie jonów wodorowych o około 6 %.
  2. 2.Dlaczego po rozcieńczeniu słabego kwasu jego pH rośnie, choć stopień dysocjacji też rośnie?+
    Odp.:Stopień dysocjacji rośnie wolniej, niż maleje stężenie kwasu. Stężenie jonów [HX+]=cα[\ce{H+}] = c\alpha jest iloczynem tych dwóch wielkości i maleje, więc pH rośnie. Przy każdym rozcieńczeniu dziesięciokrotnym rośnie jednak mniej niż o jednostkę, co odróżnia słaby kwas od mocnego.
  3. 3.Czy stała dysocjacji zależy od stężenia roztworu?+
    Odp.:Nie. Stała dysocjacji zależy od rodzaju elektrolitu i temperatury, a nie od stężenia. Od stężenia zależy natomiast stopień dysocjacji. Dlatego do porównania mocy kwasów używasz KaK_{\mathrm{a}} albo pKa\mathrm{p}K_{\mathrm{a}}.
  4. 4.Jak ze stałej dysocjacji kwasu obliczyć stałą dysocjacji sprzężonej zasady?+
    Odp.:Z zależności Ka⋅Kb=K_{\mathrm{a}} \cdot K_{\mathrm{b}} ={}Kw K_{\mathrm{w}}. Dla kwasu fluorowodorowego Ka=K_{\mathrm{a}} ={}6,31⋅10−4 6{,}31 \cdot 10^{-4}, więc jon fluorkowy ma Kb=K_{\mathrm{b}} ={}1,00⋅10−14/6,31⋅10−4= 1{,}00 \cdot 10^{-14} / 6{,}31 \cdot 10^{-4} ={}1,58⋅10−11 1{,}58 \cdot 10^{-11}.
  5. 5.Czym różni się pH od pOH i jak jedno przeliczyć na drugie?+
    Odp.:pH opisuje stężenie jonów wodorowych, a pOH – wodorotlenkowych. W 25 ∘C25\ ^\circ\mathrm{C} oba sumują się do 14, bo Kw=K_{\mathrm{w}} ={}1,00⋅10−14 1{,}00 \cdot 10^{-14}. Dla zasady najpierw policz pOH z [OHX−][\ce{OH-}], a potem odejmij je od 14.

Zadanie ostatnie.

Rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z matury z chemii (poziom rozszerzony) z maja 2026 roku – 180 minut, jak na egzaminie. Po oddaniu zobaczysz wynik i to, w którym dziale tracisz punkty.