W tabeli zestawiono wyniki bilansu materiałowego procesu krystalizacji nasyconego wodnego roztworu węglanu potasu. Ile kilogramów kryształów K2CO3 · 2H2O uzyskano w tym procesie?
A. 542 kg
B. 274 kg
C. 732 kg
D. 190 kg
Pytanie z egzaminu CKE, styczeń 2022 (arkusz A.56-SG-22.01).
W tym zadaniu kluczowe jest to, że pytanie dotyczy masy kryształów K₂CO₃ · 2H₂O, czyli hydratu, a nie samego bezwodnego węglanu potasu K₂CO₃. Z bilansu materiałowego procesu krystalizacji trzeba odczytać, jaka ilość substancji przeszła do fazy stałej, a potem pamiętać o wodzie krystalizacyjnej związanej w krysztale. Dla K₂CO₃ · 2H₂O masa molowa wynosi około 174 kg/kmol, z czego samo K₂CO₃ to około 138 kg/kmol, a 2H₂O to 36 kg/kmol. Udział K₂CO₃ w krysztale wynosi więc mniej więcej 138/174, czyli około 79,3%. Jeżeli z tabeli bilansowej wynika masa soli odpowiadająca wydzielonemu osadowi, to po przeliczeniu na hydrat otrzymuje się 190 kg kryształów. To właśnie dlatego poprawna jest odpowiedź 190 kg. W praktyce przemysłowej taka dokładność ma znaczenie, bo przy projektowaniu krystalizatora, wirówki albo suszarni nie waży się samego jonu czy soli bezwodnej, tylko realny produkt opuszczający aparat. Moim zdaniem to jest jeden z tych przykładów, gdzie samo podstawienie do bilansu nie wystarczy, trzeba jeszcze dobrze przeczytać nazwę produktu. Dobra praktyka branżowa mówi, żeby zawsze sprawdzać postać chemiczną produktu: bezwodna sól, hydrat, roztwór czy zawiesina, bo od tego zależy masa, wydajność i dokumentacja produkcyjna.
W tym zadaniu łatwo pomylić kilka różnych wielkości z bilansu materiałowego. Wynik 190 kg odnosi się do masy rzeczywistych kryształów K₂CO₃ · 2H₂O, czyli substancji stałej zawierającej zarówno K₂CO₃, jak i wodę krystalizacyjną. Błędne większe wartości zwykle biorą się z traktowania całej masy roztworu, masy pozostałej cieczy macierzystej albo sumy kilku strumieni jako masy kryształów. To nie jest poprawne, bo w krystalizacji mamy rozdział na fazę stałą i ciekłą, a bilans należy prowadzić osobno dla składnika krystalizującego oraz dla wody. Wartości typu 542 kg czy 732 kg wyglądają jak masy strumieni procesowych, a nie masa czystego krystalizatu. Takie podejście zawyża wynik, bo obejmuje też wodę swobodną w roztworze albo substancję, która nie przeszła do kryształów. Z kolei wynik 274 kg może wynikać z nieprawidłowego przeliczenia udziałów procentowych albo z pominięcia tego, że kryształ ma określoną stechiometrię: K₂CO₃ · 2H₂O. Nie można dowolnie dodać wody do soli, tylko trzeba uwzględnić stosunek molowy 1 mol K₂CO₃ do 2 moli H₂O. Z mojego doświadczenia najczęstszy błąd w takich zadaniach to czytanie tabeli “na skróty” i wybieranie największej albo najbardziej pasującej liczby z zestawienia, zamiast sprawdzić, którego strumienia ona dotyczy. W dokumentacji technologicznej, np. w karcie bilansu procesu, trzeba jasno odróżniać wsad, roztwór nasycony, ług macierzysty, wodę odparowaną i produkt krystaliczny. Dopiero wtedy wynik 190 kg jest logiczny i zgodny z bilansem materiałowym.