8 Zuren en basen #1 We onderzoeken het geleidingsvermogen van zuiver water met de testlamp. We meten de geleiding opnieuw, maar dit keer met een zeer goelige geleidingssensor. 1 Waterconstante Zuiver water geleidt de elektrische stroom in zeer kleine mate. Er zijn dus ionen aanwezig, maar in zeer kleine concentraties. Die kunnen enkel ontstaan zijn door een reactie tussen de watermoleculen onderling. of: O + O 3 O + O Vermits de concentratie van de ionen zeer klein is (zeer kleine geleiding) hebben we duidelijk te maken met een enwichtsreactie, waarbij het enwicht zeer ver naar links ligt. O O + O + O of: O + O 3 O + O (1) In dit enwicht is O tegelijkertijd reagens en oplosmiddel. In dat gal is de relatie activiteit ervan gelijk aan 1 en wordt de enwichtsconstante van bovenstaand enwicht dus als volgt geschren: w 3O O () w noemen we de waterconstante. Evenwicht (1) kunnen we eenvoudiger als volgt schrijven: O + O (3) Uitdrukking () wordt dan ook eenvoudiger: w O (4) Er is trouwens geen enkel waarderschil tussen [ 3 O ] en [ ], zodat we vanaf nu steeds [ ] zullen gebruiken. Deze enwichtsconstante is dus zeer klein. Nauwkeurige metingen leren voor w een waarde van 10 14 op (bij 5 C). oofdstuk 8 Zuren en basen 115
w 10 14 Vermits in reactie (3) beide ionen in gelijke mate ontstaan, geldt in zuiver water: O en, vermits het product van beide concentraties gelijk is aan 10 14 : O 10 7 mol L In waterige oplossingen zal dus steeds voldaan zijn aan volgende voorwaarde: [ + ] [O ] = 10 14 (bij 5 C). p en po Door Sørensen werd het begrip zuurheidsgraad of p ingoerd: (5) p log 3O log (6) en, naar analogie hiermee, werd later ook po ingoerd: po log O (7) Dit betekent dus dat in zuiver water geldt: p = po = 7 Elke oplossing waarin [ ] = [O ] = 10 7 mol/l noemen we een neutrale oplossing. De p ervan is 7. Is om één of andere reden [ ] > [O ], dan noemen we de oplossing een zure oplossing. De p is dan kleiner dan 7. In het andere gal waarin [ ] < [O ] spreken we van een basische of alkalische oplossing. De p ervan is groter dan 7. + - 14 Uit de betrekking O 10 volgt: w Afb. 1 Søren Sørensen Afb. p + po = 14 (8) 1 Vul in. [ ] [O ] p po,4 3,8 1,8 10 9 mol/l 8, 10 6 mol/l 116 oofdstuk 8 Zuren en basen
Een -atoom bat één proton in de kern en één elektron in de mantel. Nemen we het elektron weg dan krijgen we een -ion: dit is dus een proton. 3 Brønstedzuur Brønstedbase Een brønstedzuur bestaat uit deeltjes die een proton kunnen afgen. Een zuur is dus een protondonor. Een brønstedbase bestaat uit deeltjes die een proton kunnen opnemen. Een base is dus een protonacceptor. Voorbeelden Zuur Base Cl Cl + Cl N 3 N 3 + N 4 SO 4 SO 4 + SO 4 NaO NaO + Na. O SO 4 SO 4 + SO 4 Cl Cl + Cl Afb. 3 Johannes Brønsted en Thomas Lowry publiceerden ongeer gelijktijdig een nieuwe visie op zuren en basen Met elk zuur A correspondeert een base B: de geconjugeerde base. B = A Met elke base B correspondeert een zuur A: het geconjugeerde zuur. A = B + Voorbeelden Zuur A Geconjugeerde base B Base B Geconjugeerd zuur A Cl Cl N 3 N 4 SO 4 SO 4 NaO Na. O SO 4 SO 4 Cl Cl Vul in: Zuur Geconjugeerde base Base Geconjugeerd zuur NO 3 N 4 O S ClO 4 O CO 3 CO 3 S 4 Protolyse # We onderzoeken zuiver water en zuiver azijnzuur (ijsazijn) met de testlamp. We voegen beide vloeistoffen samen en onderzoeken het mengsel opnieuw met de testlamp. oofdstuk 8 Zuren en basen 117
Een zuur kan slechts een proton afgen als er een ander deeltje aanwezig is dat dit proton wil opnemen. Een base kan slechts een proton opnemen als er een ander deeltje aanwezig is dat dit proton wil afgen. In de meeste gallen vervult water deze rol. Voorbeelden Zuren Basen Ac + O 3 O + Ac N 3 + O N 4 + O Cl + O 3 O + Cl Cl + O Cl + O SO 4 + O SO 4 + O 3 O + SO 4 3 O + SO 4 SO 4 + O SO 4 + O SO 4 + O SO 4 + O De reactie tussen een zuur/base en water, waarbij een proton wordt uitgewisseld, noemt men de protolysereactie van het zuur/de base. Protolysereactie van een zuur A A + O 3 O + B Bovenstaand reactie-enwicht kan ook eenvoudiger geschren worden: A + B Protolysereactie van een base B B + O A + O Afb. 4 3 Schrijf de protolysereactie van volgende zuren: NO 3 CN ClO 4 CO 3 CO 3 4 Schrijf de protolysereactie van volgende basen: CO 3 CO 3 5 Zuurconstante Baseconstante #3 We vergelijken de geleidbaarheid van: Cl 0,1 mol/l Ac 0,1 mol/l NaO 0,1 mol/l N 3 0,1 mol/l Bij een sterk zuur gen praktisch alle moleculen een proton af. Bij een zwak zuur gen slechts een klein aantal moleculen een proton 118 oofdstuk 8 Zuren en basen
af. Bij een sterke base nemen praktisch alle moleculen een proton op. Bij een zwakke base nemen slechts een klein aantal moleculen een proton op. Niet alle zuren vertonen dus dezelfde neiging om protonen af te gen en niet alle basen vertonen dezelfde neiging om protonen op te nemen. et verschil kunnen we verklaren door een verschil in de ligging van het protolyse-enwicht, door een verschil in waarde van de bijhorende enwichtsconstante. Deze enwichtsconstante noemen we de zuurconstante z / baseconstante b. Protolysereactie van een zuur A A + O 3 O + B z 3O B A A + B z B A (9) Afb. 5 Afb. 6 Sterk zuur (Afb. 5) Evenwicht ligt rechts. Praktisch alle moleculen gen af. z >> 1 of z > 10 3 Zwak zuur (Afb. 6) Evenwicht ligt links. Slechts weinig moleculen gen af. z << 1 of z < 10 3 Protolysereactie van een base B B + O A + O b A - O B (10) Sterke base Evenwicht ligt rechts. Praktisch alle moleculen nemen op. b >> 1 of b > 10 3 Zwakke base Evenwicht ligt links. Slechts weinig moleculen nemen op. b << 1 of b < 10 3 Bij deze omschrijving van zuren en basen als zijnde sterk of zwak, valt het misschien op dat er een aantal zuren/basen uit de boot vallen, n.l. die zuren/basen waarvoor 10 3 < z / b < 10 3. In verband hiermee kan echter opgemerkt worden dat: het gaat om een zeer beperkt aantal minder voorkomende zuren/basen, oofdstuk 8 Zuren en basen 119
6 p z - p b de fout die we maken door ze te beschouwen als sterk/zwak zeer klein is (zie later). Naar analogie met p en po werd ook p ingoerd. p log (11) z b w z p log (1) b p log 14 (13) w sterke zuren zwakke zuren zuren zwakker dan water p z z Zuur Base b p b I I ClO 4 ClO 4 < 3 > 10 3 Br Br Cl Cl < 10 14 > 14 SO 4 SO 4 NO 3 NO 3 1,3 5,0 10 (COO) C O 4,0 10 13 1,7 1,8 1,5 10 SO 3 SO 3 6,6 10 13 1, 1,9 1,5 10 SO 4 SO 4 8,0 10 13 1,1,1 7,5 10 3 3 PO 4 PO 4 1,3 10 1 11,9 3,35 4,6 10 4 NO NO, 10 11 10,65 3,45 3,5 10 4 F F,8 10 11 10,55 3,75 1,8 10 4 COO COO 5,6 10 11 10,5 4, 6,3 10 5 C 6 5 COO C 6 5 COO 1,6 10 10 9,8 4,3 5,0 10 5 C O 4 CO 4,0 10 10 9,7 4,75 1,8 10 5 C 3 COO C 3 COO 5,6 10 10 9,5 4,85 1,4 10 5 Al 3 ( O) 6 Al 3 ( O) 5 O 7,1 10 10 9,15 6,35 4,3 10 7 CO 3 CO 3,3 10 8 7,65 7,05 9,1 10 8 S S 1,1 10 7 6,95 7,0 6,3 10 8 SO 3 SO 3 1,6 10 7 6,80 7,1 6, 10 8 PO 4 PO 4 1,6 10 7 6,79 7,5 3, 10 8 ClO ClO 3,1 10 7 6,5 9,5 5,6 10 10 N 4 N 3 1,8 10 5 4,75 9,3 4,9 10 10 CN CN,0 10 5 4,7 10,5 5,6 10 11 CO 3 CO 3 1,8 10 4 3,75 1,60,5 10 13 Ca +.aq Ca(O).aq 4,0 10 1,40 1,65, 10 13 PO 4 3 PO 4 4,5 10 1,35 1,95 1,1 10 13 S S 9,1 10 1,05 13,40 4,0 10 14 Ba +.aq Ba(O).aq,5 10 1 0,60 Na.aq NaO.aq O > 14 < 10 14 Ca(O).aq Ca(O) > 10 3 < 3 Ba(O).aq Ba(O) O O basen zwakker dan water zwakke basen sterke basen 10 oofdstuk 8 Zuren en basen
7 Meerbasische zuren Meerbasische zuren kunnen meer dan één proton afsplitsen. Dit gebeurt in stappen. De ligging van het enwicht verschilt voor elke stap: bij de eerste stap ligt het enwicht het meest rechts, bij de laatste stap ligt het enwicht het minst rechts. Bij elke stap hoort met andere woorden een zuurconstante. PO4 3 PO 4 + PO 4 PO z 1 3 4 PO 4 + PO 4 PO 4 z - PO 4 PO 4 + PO 4 3 3 PO 4 z3 - PO4 8 Water als amfolyt Bij oplossen van een zuur in water gebeurt volgende protolysereactie: A + O 3 O + B et zuur A geeft protonen af en het water neemt die protonen op. et water gedraagt zich hier als een base. Bij oplossen van een base in water gebeurt volgende protolysereactie: B + O A + O De base B neemt protonen op en het water geeft die protonen af. et water gedraagt zich hier als een zuur. Een amfolyt is een deeltje dat zowel protonen kan opnemen als afgen, afhankelijk van de omstandigheden. Water is een amfolyt. Dit betekent ook dat in water autoprotolyse plaatsvindt: twee watermoleculen reageren met elkaar (zie 1) en daarbij wordt een proton uitgewisseld: O + O 3 O + O w = 10 14 Deze reactie kan ook beschouwd worden als de protolyse van het zuur O: O + O 3 O + O 14 z O 10 Protolyse van water als zuur Water is een zeer zwak zuur. Deze reactie kan ook beschouwd worden als de protolyse van de base O: O + O 3 O + O 14 b O 10 Protolyse van water als base Water is een zeer zwakke base. oofdstuk 8 Zuren en basen 11
9 Verband tussen z van een zuur en b van de geconjugeerde base Stel dat B de geconjugeerde base is van het zuur A. A + O 3 O + B B + O A + O z A 3O B A b B A et verband z en b kunnen we als volgt afleiden: - O B - 3O B A O - 14 za b. B 3O O w 10 A B We kunnen dus ook bewijzen dat: pz p A b p w 14 B 14 (14) pz p A b p w 14 (15) B z. A bb w 10 Met een sterk zuur ( z > 10 3 ) correspondeert een zwakke base, zwakker dan water ( b < 10 17 ). Met een sterke base ( b > 10 3 ) correspondeert een zwak zuur, zwakker dan water ( z < 10 17 ). Met een zwak zuur, sterker dan water (10 14 < z < 10 3 ) correspondeert een zwakke base, sterker dan water (10 11 < b < 1). Met een zwakke base, sterker dan water (10 14 < b < 10 3 ) correspondeert een zwak zuur, sterker dan water (10 11 < z < 1). 5 Vul in. Geconj. zuur CO 3 4,3 10 7 PO 4 Cl z p z p b b, 10 13 Geconj. base NaO 1,8 10 5 N 3 10 p van oplossingen van zuren en basen Belangrijke opmerking Vanaf hier bedoelen we met * + de concentratie bij enwicht * +. De beginconcentratie wordt voorgesteld door c o. 10.1 Sterk zuur Veronderstel dat A een sterk zuur is: A + B et enwicht ligt volledig rechts. et is dus een aflopende reactie. Dit betekent dat: c o A Afb. 7 Bij oplossen van een sterk zuur in water splitsen alle moleculen een proton af 1 oofdstuk 8 Zuren en basen
en dus dat psterk zuur log o sterk zuur c (16) Zwak zuur Veronderstel dat A een zwak zuur is: A + B z A B ier gebruiken we een enwichtspijl: het is immers geen aflopende reactie, integendeel! Telkens een zuurdeeltje een proton afsplitst ontstaat er ook een B-deeltje: [ ] = [B]. Bij een zwak zuur zijn er slechts weinig deeltjes die een proton afgen; de meeste doen dat dus niet. Bijgolg kunnen we stellen dat: A c o A Dus: za oa. c za oa log log log c c za oa 1 1 log log log c za oa 1 1 pzwak zuur p log c za o (17) zwak zuur 3 Sterke base Veronderstel dat B een sterke base is: B + O A + O et enwicht ligt volledig rechts. Dit is dus een aflopende reactie. Dit betekent dat: O c o B en dus dat po sterke base log c o sterke base en, vermits p + po = 14: psterke base 14 log o sterke base c (18) Voor sterke basen van het type M(O) n wordt de formule: psterke base 14 logn. o sterke base 4 Zwakke base c (18 ) Veronderstel dat B een zwakke base is: B + O A + O b A B O oofdstuk 8 Zuren en basen 13
ier gebruiken we een enwichtspijl: het is immers geen aflopende reactie, integendeel! Telkens een basedeeltje een proton opneemt ontstaat er ook een A-deeltje en een O -ion: [O ] = [A]. Bij een zwakke base zijn er slechts weinig deeltjes die een proton opnemen; de meeste doen dat dus niet. Bijgolg kunnen we stellen dat: B c o B Dus: O b B O b B ob b B o B log O log log c o B log O 1 1 logb B log c pozwakke base 1 1 p log c bb o B en, vermits p + po = 14: c c 1 1 pzwakke base 14 p log c bb o (19) zwakke base 5 Mengsels van zuren o B Mengsel van twee sterke zuren Vermits beide zuren sterk zijn, splitsten bij beide zuren alle aanwezige zuurdeeltjes een proton af. et aantal protonen dat ontstaat is dus gelijk aan het aal aantal oorspronkelijk aanwezige zuurdeeltjes. co c A1 oa pmengsel van sterke zuren log c o i (1) Mengsel van een sterk en een zwak zuur In vergelijking met een sterk zuur, waarbij alle deeltjes een proton afgen, splitsen bij een zwak zuur slechts enkele deeltjes een proton af, zodat dit aantal protonen te verwaarlozen is, op voorwaarde dat de concentraties van beide zuren niet te veel verschillen. + + + + sterk zuur zwak zuur + + sterk zuur + c osterk zuur pmengsel van sterk en zwak zuur Mengsel van twee zwakke zuren log o sterk zuur c () et zwakke zuur A 1 is veel sterker dan het tweede zwakke zuur A Dit is het gal als minstens 1000 keer groter is dan. In dit gal za 1 za moeten we geen rekening houden met het tweede (zwakste) zuur en 14 oofdstuk 8 Zuren en basen
kunnen we voor de p-berekening de formule voor een zwak zuur gebruiken. 1 1 pmengsel van zwakke zuren p log c zsterkste zuur o sterkste zuur (3) Beide zwakke zuren A 1 en A zijn wat sterkte betreft te vergelijken A 1 + B 1 A + B z A 1 z A Merk op dat in beide uitdrukkingen voor z in de teller [ ] voorkomt in plaats van [ ] 1 en [ ]. Beide enwichten zijn namelijk samen aanwezig en beïnvloeden elkaar. Alle protonen, ongeacht de herkomst, zijn identiek en de twee zuren zijn niet in staat om protonen van verschillende herkomst (afgesplitst door A 1 en A ) te onderscheiden. De ale protonenconcentratie en de p van het mengsel kunnen we als volgt berekenen. 1 B1 B A za 1 1 za A A A za 1 1 za Vermits beide zuren zwak zijn en dus slechts zeer weinig protonen afsplitsen, kunnen we schrijven: z c A1 o A1 z c A oa p A1 A B1 B 1 log c c (4) mengselvanzwakke zuren za 1 oa 1 za oa 6 Mengsels van basen Op analoge wijze als in 5 kunnen we ook hier formules afleiden. Mengsel van twee sterke basen pmengsel van sterke basen 14 log c o i (5) Mengsel van een sterke en een zwakke base pmengsel van sterke en zwakkebase 14 log o sterke base Mengsel van twee zwakke basen c (6) De zwakke base B 1 is veel sterker dan de tweede zwakke base B 1 1 pmengsel van zwakke basen 14 p log c bsterkste base o sterkste base (7) oofdstuk 8 Zuren en basen 15
Beide zwakke basen B 1 en B zijn wat sterkte betreft te vergelijken 1 pmengselvanzwakke basen 14 log b. c B1 o B1 b. c B ob (8) 5 Bereken de p van volgende oplossingen. a Cl 0,004 mol/l b N 3 0,010 mol/l c S 0,1 mol/l d Ca(O) 0,001 mol/l e Ac 0,10 mol/l f NO 3 0,10 mol/l + F 0,0 mol/l g 1 L oplossing die 10,00 g O en 10,00 g Ca(O) bat h N 3 0,1 mol/l + NaO 0,4 mol/l i SO 4 0,010 mol/l + Cl 0,010 mol/l j NO 0,00 mol/l + CN 0,040 mol/l k COO 0,15 mol/l + C 3 COO 0,5 mol/l 7 Mengsels van een zuur en een base Bij het samenvoegen van een zuur en een base is de kans zeer groot dat beide stoffen met elkaar reageren. Tenslotte is een zuur een protonendonor en een base een protonenacceptor. Om te onderzoeken of het zuur inderdaad met de base zal reageren kunnen we als volgt tewerkgaan. De reactie A 1 + B B 1 + A is het resultaat van volgende deelreacties: (A 1 + B 1 ) ( A + B ) z A 1 z A B1 A za A 1 + B B 1 + A 1 A1 B z A In de meeste gallen is deze groot. et bovenstaande enwicht ligt dan rechts: de reactie tussen het zuur en de base gaat dan door. Af en toe is deze klein. et bovenstaande enwicht ligt dan links: de reactie tussen het zuur en de base gaat dan niet door. Grensgallen In 5 vermeldden we al dat enkele zuren/basen een zuur-/baseconstante hebben die zodanig is dat ze niet echt als zwak of niet echt als sterk kunnen beschouwd worden. Dit betekent dat we een fout maken als we voor de p-berekening van oplossingen van die zuren/basen gebruik maken van de bovenstaande formules. Twee vragen dringen zich in dit gal op: Is de gemaakte fout groot? Zo ja, hoe kunnen we dan nauwkeuriger de p berekenen? De antwoorden gen we met een voorbeeld. A1 A B1 B 16 oofdstuk 8 Zuren en basen
We berekenen de p van een oplossing van ClO 0,1 mol/l. 1,0.10 zclo p,0 zclo Dit is geen echt zwak zuur ( z >10 3 ), maar zeker ook geen sterk zuur ( z <10 3 ). We berekenen de p op twee manieren: Met de benaderingsformule voor een zwak zuur 1 1 1 1 p p log c,0 log 0,1 1,0 0,5 za o 1,50 A ClO Uitgaande van de enwichtsreactie + ClO z ClO mol/l ClO + ClO Begin 0,1 - - Verdwijnt x - - Ontstaat - x x Evenwicht 0,1 x x x x 0,1 x 1,0 10 3 x 10 x 10 0 ClO ClO - 1,0 10 mol x 0,07 L p 1,57 Deze laatste waarde is uiteraard de exacte p, omdat er geen gebruik gemaakt werd van de benaderingsformule. De fout die we maken door toch de benaderingsformule te gebruiken (1,50 i.p.v. 1,57) is dus opvallend klein (<5%). Willen we de exacte berekening uitvoeren dan kunnen we, zoals hierboven getoond, steunen op de enwichtstheorie. et gal zwavelzuur oe groot is de p van SO 4 0,1 mol/l? Om deze p-berekening te vereenvoudigen, beschouwt men SO 4 meestal als een sterk zuur, waarbij elke molecule protonen afsplitst. + p log log0, 0,70 Dit is echter niet correct. Zwavelzuur is n.l. een tweebasisch zuur met volgende zuurconstanten: SO 4 3 SO 4 + SO 4 z 1 10 (1) SO4 SO 4 + SO 4 SO 4 z 1,5 10 () SO4 et eerste enwicht ligt rechts (aflopende reactie): alle zwavelzuurmoleculen gen een proton af. Gezien de waarde van z ( 1,5 10 ) ligt het tweede enwicht links, maar in feite niet voldoende om de tweede protolysestap te verwaarlozen. oofdstuk 8 Zuren en basen 17
SO 4 als tweebasisch zuur Na de volledige 1 ste ionisatiestap, is de beginsituatie de volgende: mol/l SO 4 + SO 4 Begin 0,1 0,1 - Verdwijnt x - - Ontstaat - x x Evenwicht 0,1 x 0,1 + x x z SO 4 1,5 10 SO4 0,1 0,1 x x x 1,5 10 x 0,115x 1,5 10 3 0 x 0,010 0,1 x 0,110 L p 0,96 Dit is de exacte p. mol SO 4 als éénbasisch sterk zuur psterk zuur log co log c A o SO4 log0,1 1,00 De fout die we maken als we zwavelzuur beschouwen als een sterk éénbasisch zuur (0,04) is kleiner dan de fout die we maken als we zwavelzuur beschouwen als een sterk tweebasisch zuur (0,6). Ca(O) en Ba(O) Voor deze twee basen kunnen we een analoge redenering maken. oe groot is de p van Ca(O) 0,1 mol/l? Om deze p-berekening te vereenvoudigen, beschouwt men Ca(O) meestal als een sterke base die hydroxide-ionen afsplitst. - po log O log0, 0,70 p=13,30 Ook dit is echter niet correct. Ca(O) is n.l. een tweezurige base met volgende baseconstanten: Ca(O) + O Ca(O) + O Ca(O) + O Ca(O) O 3 b 1 10 (1) Ca(O) Ca + + O Ca O b 4,0 10 () Ca(O) et eerste enwicht ligt rechts (aflopende reactie): alle Ca(O) -deeltjes leren een hydroxide-ion af. Gezien de waarde van b ( 4,0 10 ) ligt het tweede enwicht links, maar in feite niet voldoende om de tweede protolysestap te verwaarlozen. 18 oofdstuk 8 Zuren en basen
Ca(O) als tweezurige base Na de volledig aflopende 1 ste stap, is de beginsituatie de volgende: mol/l Ca(O) O Ca + Begin 0,1 0,1 - Verdwijnt x - - Ontstaat - x x Evenwicht 0,1 x 0,1 + x x b Ca O 4,0 10 Ca(O) x 0,1 x 0,1 x 4,0 10 x 0,14x 4,0 10 3 0 x 0,04 mol O 0,1 x 0,14 L po 0,91 p 13,09 Dit is de exacte p. Ca(O) als éénzurige sterke base p 14 log c 14 log 0,1 13,00 sterke base osterke base De fout die we maken als we Ca(O) beschouwen als een sterke éénzurige base (0,09) is kleiner dan de fout die we maken als we Ca(O) beschouwen als een sterke tweezurige base (0,1). Uiterst zwakke zuren/basen Indien een zuur/base uiterst zwak is moeten we, om geen onmogelijke resultaten te bekomen, wel degelijk rekening houden met het water zelf, dat ook een (uiterst) zwak zuur/base is. Bij bovenstaande benaderingsformules wordt met dat aspect geen rekening gehouden, omdat het aantal protonen dat door het water afgesplitst/opgenomen verwaarloosd wordt naast het aantal dat afgesplitst/opgenomen wordt door het zuur/de base. We illustreren dit met een (theoretisch) voorbeeld: p van X 0,01 mol/l 13 z X 1,0 10 p z X 13 Dit zuur is wel degelijk een zwak zuur. et is zelfs zo zwak dat het te 14 vergelijken is met water als zuur z O 1,0 10 - p 14. z O We berekenen de p op twee manieren. Met de benaderingsformule voor een zwak zuur 1 1 1 1 p p log c 13,0 log 0,01 6,5 1 za o 7,50 A Dit resultaat is niet mis, want het ligt dicht bij p = 7 (bijna neutraal dus). Ware het niet dat deze waarde in het basische gebied ligt en dat is onmogelijk als je een zuur, zelfs een uiterst zwak zuur, in water oplost. Rekening houdend met de aanwezigheid van water (zuur) Niet enkel het zwakke zuur X geeft protonen af, ook het water doet dit. oofdstuk 8 Zuren en basen 19
- X + X X z X X 1,0 10 O + O - 14 O 1,0 10 z O De ale protonenconcentratie wordt dus: X w X O zx X c zx ox w w p 6,98 Deze waarde, bijna 7, is uiteraard de exacte waarde. Er is slechts een minieme bijdrage van het zuur X de ale protonenconcentratie. Uiterst kleine concentraties De formules die we gebruiken zijn enkel bruikbaar indien de concentraties niet uitermate klein zijn. Volgend voorbeeld verduidelijkt dit. Cl 10 8 mol/l Met de formule voor een sterk zuur 8 p log co log10 8 A Dit is natuurlijk een onmogelijke p-waarde voor een zuur (basisch gebied). Dit komt doordat we de protonen afkomstig van het water verwaarloosd hebben, terwijl ze wat hun aantal betreft belangrijker zijn dan de protonen afgesplitst door deze uiterst kleine hoeelheid zuur. Cl O Rekening houdend met water als zuur + Cl + O - 14 z O O 1,0 10 De ale protonenconcentratie wordt dus: Cl w Cl O 8 10 w 8 10 w 0 p 6,98 Deze waarde is wel plausibel. 13 130 oofdstuk 8 Zuren en basen
Afb. 8 Glaselektrode Afb. 9 Zilver-zilverchlorideelektrode 11 p-meting 11.1 Exacte meting De p van een oplossing kan nauwkeurig gemeten worden op een elektrische manier. De potentiaal die sommige elektrodes aannemen is namelijk functie van de p van de oplossing waarin ze gedompeld worden. De meest gebruikte p-elektrode is de glaselektrode (Afb. 8). Andere elektrodes nemen een constante potentiaal aan, ongeacht de oplossing waarin ze gedompeld worden: referentie-elektrode. Een veel gebruikte referentie-elektrode is de zilver-zilverchloride-elektrode (Afb. 9). Zij bestaat uit een zilverdraadje, bedekt met zilverchloride, dat gedompeld is in een zoutoplossing. Door beide elektrodes te dompelen in de te meten oplossing (Afb. 10) ontstaat er een potentiaalverschil of spanning tussen de twee. Deze spanning hangt af van de p van de oplossing en dat laat ons toe om deze p te meten. De combinatie-glaselektrode (Afb. 11) is eenvoudiger in gebruik, omdat beide bovenstaande elektrodes in één elektrode gecombineerd zijn, waardoor de meetopstelling fel vereenvoudigd wordt. Voor nauwkeurige metingen moeten deze elektrodes geregeld geijkt worden, omdat de potentiaal van de glaselektrode verandert met de tijd. 11. Benaderende meting De p kan veel vlugger gemeten worden door gebruik te maken van universeelindicator. De nauwkeurigheid van de meting is echter veel kleiner. 1 Zuur-base-indicatoren eel wat organische verbindingen zijn zwakke zuren. Vele hebben bovendien de eigenschap dat de molecule een andere kleur heeft dan het ion dat bij afsplitsen van een proton ontstaat. Deze verbindingen kunnen we gebruiken als zuur-base-indicator. Voorbeeld Fenolftaleïne O O O O Afb. 11 Afb. 10 Laten we zo n molecule en het afsplitsen van een proton als volgt voorstellen: Ind + Ind zind ind O C kleurloos O Ind Ind + O + 3 O + paars Stel dat de Ind-molecule kleur A heeft, terwijl het Ind -ion kleur B vertoont. De kleur die we waarnemen hangt dan af van de samenstelling van het mengsel, van de ligging van het enwicht dus. En die samenstelling O C O oofdstuk 8 Zuren en basen 131
hangt af van [ ] en dus van de p, zoals blijkt uit onderstaande betrekking: Ind Ind kleur A kleur B ind We nemen kleur A waar als kleur A kleur B 10, d.w.z. dat er minstens 10 keer meer deeltjes met kleur A dan deeltjes met kleur B aanwezig zijn. (Afhankelijk van het gewicht van beide kleuren kan de verhouding anders zijn, maar ze ligt alleszins tussen 5 en 0.) kleur A 10 kleur B Afb. 1 ind 10 p 1 log p p 1 ind ind We nemen kleur B waar als kleur A 1, d.w.z. dat er minstens 10 keer kleur B 10 meer deeltjes met kleur B dan deeltjes met kleur A aanwezig zijn. kleur A 1 < kleur B 10 + 1 < 10 ind p> 1-log ind ind p> p +1 Bij p < p ind 1 nemen we kleur A waar; bij p > p ind +1 zien we kleur B. Bij p ind 1 < p < p ind +1 vertoont de indicator een mengkleur. (p ind 1 p ind +1) noemen we het omslaggebied van de indicator (gewoonlijk p-eenheden); p ind noemen we het omslagpunt van de indicator. 13 p van zouten Afb. 13 Omslaggebied van enkele indicatoren #4 We vergelijken de p van gedemineraliseerd water met die van oplossingen van natriumchloride, ammoniumchloride en natriumacetaat. We stellen vast dat sommige zouten geen invloed hebben op de p, andere wel. Sommige gedragen zich als een zuur, andere als een base. Een zout is opgebouwd uit positie en negatie ionen die samen een ionrooster vormen. et positie ion is een zuur, het negatie ion is een base (of een amfolyt, zie later). Bij oplossen van een zout komen die ionen uit het rooster vrij. Ze kunnen een invloed hebben op de p van de oplossing. Alles hangt af van de sterkte van het positie ion als zuur en van de sterkte van het negatie ion als base (of ook als zuur als het een amfolyt is), zeker in vergelijking met water, en dit moet onderzocht worden. 13 oofdstuk 8 Zuren en basen
Afb. 14 NaCl is een neutraal zout 13.1 Zouten ontstaan door een reactie tussen een sterk zuur en een sterke base NaCl, ontstaan door een reactie tussen NaO (sterke base) en Cl (sterk zuur) (NaO + Cl ) NaCl Na + Cl et positie ion Na. O is een zuur. et is het geconjugeerde zuur van de sterke base NaO. 3 17 b 10 NaO z 10 Na Daaruit volgt dus dat de zuurconstante ervan kleiner is dan de zuurconstante van water en het dus als zuur te verwaarlozen is. et negatie ion Cl is een base. et is het geconjugeerde base van het sterke zuur Cl. 3 17 z 10 10 Cl b Cl Daaruit volgt dus dat de baseconstante ervan kleiner is dan de baseconstante van water en het dus als base te verwaarlozen is. Beide ionen zijn, als zuur/base, te verwaarlozen naast water. Ze hebben dus geen invloed op de p. De oplossing is neutraal. Zouten ontstaan door een reactie tussen een sterk zuur en een sterke base zijn neutraal. Ze hebben geen invloed op de p. 13. Zouten ontstaan door een reactie tussen een sterk zuur en een zwakke base Afb. 15 N 4 Cl reageert zwak zuur N 4 Cl, ontstaan door een reactie tussen N 3 (zwakke base) en Cl (sterk zuur) (N 3 + Cl ) N 4 Cl N 4 + Cl et positie ion N 4 is een zuur. et is het geconjugeerde zuur van de zwakke base N 3. 5 10 b 1,8 10 N z 5,6 10 3 N 4 Daaruit volgt dus dat de zuurconstante ervan groter is dan de zuurconstante van water en het dus als zuur niet te verwaarlozen is: het is een zwak zuur. et negatie ion Cl is een base. et is het geconjugeerde base van het sterke zuur Cl. 3 17 z 10 10 Cl b Cl Daaruit volgt dus dat de baseconstante ervan kleiner is dan de baseconstante van water en het dus als base te verwaarlozen is. et positie ion zal dus invloed hebben op de p. De oplossing is zwak zuur en de p kan berekend worden met de formule voor een zwak zuur (17). Zouten ontstaan door een reactie tussen een sterk zuur en een zwakke base zijn zwak zuur. 1 1 pzout sterk zuur enzwakke base pz log c o (9) ( pz p z van het positie ion / co + c o van het positie ion ) oofdstuk 8 Zuren en basen 133
13.3 Zouten ontstaan door een reactie tussen een zwak zuur en een sterke base NaAc, ontstaan door een reactie tussen NaO (sterke base) en Ac (zwak zuur) (NaO + Ac ) NaAc Na + Ac et positie ion Na. O is een zuur. et is het geconjugeerde zuur van de sterke base NaO. 3 17 b 10 10 NaO z Na Daaruit volgt dus dat de zuurconstante ervan kleiner is dan de zuurconstante van water en het dus als zuur te verwaarlozen is. Afb. 16 NaAc reageert zwak basisch et negatie ion Ac is een base. et is het geconjugeerde base van het zwakke zuur Ac. 5 10 z 1,8 10 5,6 10 Ac b Ac Daaruit volgt dus dat de baseconstante ervan groter is dan de baseconstante van water en het dus als base niet te verwaarlozen is: het is een zwakke base. et negatie ion zal dus invloed hebben op de p. De oplossing is zwak basisch en de p kan berekend worden met de formule voor een zwakke base (19). Zouten ontstaan door een reactie tussen een zwak zuur en een sterke base zijn zwak basisch. 1 1 pzout zwak zuur ensterke base 14 pb log c o (30) ( pb p b van het negatie ion / co - c o van het negatie ion ) 13.4 Zouten ontstaan door een reactie tussen een zwak zuur en een zwakke base N 4 Ac, ontstaan door een reactie tussen N 3 (zwakke base) en Ac (zwak zuur) (N 3 + Ac ) N 4 Ac N 4 + Ac et positie ion N 4 is een zuur. et is het geconjugeerde zuur van de zwakke base N 3. 5 10 b 1,8 10 N z 5,6 10 3 N 4 Afb. 17 N 4 Ac reageert neutraal Daaruit volgt dus dat de zuurconstante ervan groter is dan de zuurconstante van water en het dus als zuur niet te verwaarlozen is: het is een zwak zuur. et negatie ion Ac is een base. et is het geconjugeerde base van het zwakke zuur Ac. 5 10 z 1,8 10 Ac b 5,6 10 Ac Daaruit volgt dus dat de baseconstante ervan groter is dan de baseconstante van water en het dus als base niet te verwaarlozen is: het is een zwakke base. Beide ionen zullen dus invloed hebben op de p. Een oplossing van dit zout is neutraal omdat het positie ion (als zuur) en het negatie ion (als base) en zwak zijn (zelfde -waarde). 134 oofdstuk 8 Zuren en basen
Zouten ontstaan door een reactie tussen een zwak zuur en een zwakke base zijn zwak zuur, zwak basisch of neutraal. 1 pzout zwakzuurenzwakke base 7 (p z p b ) (31) ( pz p z van het positie ion / pb p b van het negatie ion ) De p kan als volgt berekend worden. Voor de volledigheid houden we ook rekening met het waterenwicht: O + O - 14 O 10 et positie ion geeft af: N 4 + N 3 et negatie ion neemt op: w z N 3 z N 4 N4 Ac Ac 1 b Ac - + Ac + - zac Ac w et ale aantal protonen is gelijk aan het aantal protonen afgesplitst door O en door N 4, verminderd met het aantal protonen opgenomen door Ac : w O N3 Ac - z N4 Ac b w w Vermits het zout volledig splitst in ionen en dus [N 4 ] = [Ac ] = c zout en deze ionen bijna niet reageren (zwak zuur, zwakke base) kunnen we schrijven: z zout w ierna volgt, na enkele omzettingen: c w w z zout c c w b zout ieruit kan de p berekend worden. Doorgaans echter is in de noemer w z c zout en w b c zout zodat bovenstaande betrekking wordt: z w czout b czout z w b en daaruit volgt: c zout w b oofdstuk 8 Zuren en basen 135
1 p 7 (p p ) z b Bovenstaande bewijsvoering kan ook gebruikt worden voor amfolyten (Bijv. PO 4, CO3, PO4, ). De formule wordt dan: z w camfolyt c w b amfolyt en is meestal te herleiden : 1 pamfolyt 7 (p z p b) (3) In bovenstaande vereenvoudigde formules die we in deze gallen zullen gebruiken zien we dat de p onafhankelijk is van de concentratie(s). 6 Bereken de p van volgende oplossingen. a. N 4 Cl 0,05 mol/l b. CO 3 1,500 g / 100 ml c. N 4 Ac 0,100 mol/l d. C 6 5 COONa 0,080 mol/l e. NaCO 3 0,010 mol/l f. N 4 F 0,100 mol/l 14 Buffers #5 In een beker doen we water en we meten de p. We voegen Ac (azijnzuur) toe en meten opnieuw de p. We voegen NaAc (natriumacetaat) toe en meten opnieuw de p. We verdelen het mengsel over drie bekers. In de eerste beker voegen we wat NaO toe en we meten de p. In de tweede beker voegen we wat Cl toe en we meten de p. In de derde beker voegen we water toe en we meten de p. We stellen vast dat we bij het mengsel van Ac en NaAc een beperkte hoeelheid sterke base, sterk zuur of water kunnen tooegen zonder dat de p noemenswaardig verandert. Dergelijke mengsels noemen we buffers. Verklaring Als we bij zuiver water Ac voegen, dan daalt de p. Dit is logisch, want Ac is tenslotte een zwak zuur. Onderstaand enwicht ligt dus links. (Er is in Afb. 18 maar één -ion aanwezig.) Ac + Ac Ac z Ac Ac et tooegen van NaAc doet de p lichtjes stijgen. et toegoegde zout splitst namelijk volledig in ionen: NaAc Na + Ac Door tooegen van Ac -ionen schuift het bovenstaande enwicht nog meer naar links, waardoor de concentratie van daalt en de p stijgt. Afb. 18 Afb. 19 136 oofdstuk 8 Zuren en basen
(Er is in Afb. 19 geen enkel -ion aanwezig.) et mengsel bat nu, naast water, volgende deeltjes: veel Ac, praktisch enveel als we hebben toegoegd en veel Ac, praktisch enveel als we hebben toegoegd en veel Na, enveel als we hebben toegoegd, maar die ionen spelen verder geen rol. Tooegen van een sterk zuur ( ) doet de p nauwelijks veranderen, omdat praktisch alle toegoegde protonen met de aanwezig Ac -ionen combineren Ac. Tooegen van een sterke base (O ) doet de p nauwelijks veranderen, omdat praktisch alle toegoegde hydroxide-ionen met aanwezige Acmoleculen reageren (O + Ac O + Ac ). Er zijn natuurlijk grenzen: elke buffer heeft een beperkte buffercapaciteit. Die wordt bepaald door de hoeelheid zuur Ac en zout NaAc dat aanwezig is. Afb. 0 Afb. 1 Een buffer is een mengsel van een zwak zuur en zijn geconjugeerde base of van een zwakke base en zijn geconjugeerde zuur. Binnen bepaalde grenzen verandert de p van een buffer niet noemenswaardig, zelfs niet bij tooegen van een sterk zuur of een sterke base. 15 p van buffers Beschouw volgende buffer, bestaande uit een mengsel van een zwak zuur X en zijn geconjugeerde base X, aanwezig onder de vorm van een zout: X + X X z X X NaX Na + X Vermits X een zwak zuur is kunnen we schrijven, zeker in aanwezigheid van X : X c o zuur Vermits NaX volledig in ionen splitst kunnen we schrijven: X - c o c zout o base zx Dus: X X c.c z c ob oz oz c ob oofdstuk 8 Zuren en basen 137
c c p log p log o c z buffer p o z z co b b oz (33) Daar in deze formule een verhouding van concentraties voorkomt, speelt het volume dus geen enkele rol. Ook bij verdunnen met water verandert de p van een buffer niet. We kunnen bovenstaande formule dus ook als volgt schrijven: no n p z buffer pz log pz log n n n o ob oorspronkelijk aantal mol ob oz (34) Voegen we aan een buffer een sterk zuur toe (Cl bijv.), dan reageert dit zuur met de bufferbase (X ). Bij die reactie wordt bufferzuur (X) gormd: Cl + X X + Cl Nadien kunnen we de p berekenen met de formule: n n no n p p log p log b n n n n buffer sterkzuur z oz sterkzuur ob sterkzuur z (35) oz sterkzuur sterkzuur Voegen we aan een buffer een sterke base toe (NaO bijv.), dan reageert die base met het bufferzuur (X). Bij die reactie wordt bufferbase (X ) gormd: NaO + X O + Na + X Nadien kunnen we de p berekenen met de formule: n n no n p p log p log b n n n n buffer sterkebase z oz sterkebase ob sterkebase z (36) Voorbeeld oz sterkebase sterkebase In een maatkolf van 500 ml doen we,456 g NaAc. ierbij voegen we 5 ml Ac 1,00 mol/l. We lengen aan de ijkstreep met water. Bereken de p.,456 g NaAc = 0,030 mol NaAc 5 ml Ac 1,00 mol/l bat 0,05 mol Ac. c n p p log p log n oz buffer z z co b oz ob 0,05mol 0,500L 0,05 4,75 log 4,75 log 0,030mol 0,030 0,500L 4,83 We nemen 100 ml buffer en we voegen hieraan 10 ml Cl 0,1 mol/l (= niet weinig) toe. Bereken de p. 100 ml buffer bat 0,006 mol NaAc en 0,005 mol Ac. 10 ml Cl 0,1 mol/l bat 0,001 mol Cl. 138 oofdstuk 8 Zuren en basen
0,005 0,001 0,006 p 4,75 log 4,75 log 0,006 0,001 0,005 4,67 We nemen 300 ml buffer en we voegen hieraan 100 mg NaO toe. Bereken de p. 300 ml buffer bat 0,018 mol NaAc en 0,015 mol Ac. 100 mg NaO = 0,005 mol NaO. 0,015 0,005 0,015 p 4,75 log 4,75 log 0,018 0,005 0,005 4,96 7 Bereken de p van volgende buffers: a. 4,560 g CN en 3,816 g CN in 500 ml oplossing b. 0,15 mol Na PO 4 en 0,10 mol PO 4 in 1 L oplossing c. mengsel van 50 ml N 3,1 mol/l en 500 ml N 4 Cl 1,78 mol/l 8 oeel gram ammoniumchloride moet je bij een halve liter N 3 0,1 mol/l voegen om een buffer met p 9,00 te bekomen? 9 Je wenst L COO/COONa-buffermengsel te maken met p = 4. Je beschikt over 30,000 g COONa. oeel ml COO-oplossing mol/l heb je nodig? 10 Bereken de p als je aan de buffer uit oefening 8 tooegt: a 5 druppels NO 3 0,5 mol/l (1 druppel = 0,05 ml) b een korreltje O met massa 0,61 g 11. Bereken de p als je aan de buffer uit oefening 9 tooegt: a. 1 ml SO 4 0,0 mol/l b. 1 g NaO c. 10,000 g COONa 16 Belang van buffers Buffers worden op grote schaal gebruikt in laboratoria en in de industrie bij processen waar men een milieu met constante p nodig heeft: analytische chemie, biochemie, bacteriologie, syntheseprocessen, meten van reactiesnelheden, onderzoek van reactie-enwichten en reactiemechanismen, Ook biologisch zijn buffers heel belangrijk. In het menselijk bloed zorgt de aanwezigheid van koolstofdioxide (CO + O CO 3 ) en waterstofcarbonaten (CO 3 ) voor een bufferwerking, zodat de p van bloed steeds schommelt rond 7,3. Waarden boven 7,8 of onder 7 kunnen dodelijk zijn. Ook zeewater, rivierwater, zijn door de aanwezigheid van opgeloste zouten vaak gebufferd. Ook enzymatische processen zijn vaak gebonden aan strikte p-grenzen. 17 Zuur-basetitraties Met behulp van een titratie kan de ongekende concentratie van een oplossing gemeten worden. Door te bepalen hoeel titreervloeistof met gekende concentratie moet toegoegd worden om al het aanwezige product te laten reageren (equivalentiepunt EP) kan de concentratie ervan berekend worden. oofdstuk 8 Zuren en basen 139
et grote probleem bij een titratie is het vaststellen van het equivalentiepunt. Enkele voorbeelden illustreren de manier waarop dit kan opgelost worden. Titratie van Cl (0,1 mol/l) met NaO (0,1 mol/l) In een erlenmeyer (of beker) gieten we 5 ml Cl 0,1 mol/l. Uit een buret druppelen we NaO 0,1 mol/l toe (Afb. ). Telkens een druppel wordt toegoegd meten we de p in de erlenmeyer. We zetten die waarden uit in een grafiek. We stellen vast dat de p bij het equivalentiepunt een grote sprong maakt. Dit laat ons uiteraard toe om dit equivalentiepunt grafisch te bepalen. Indien in de erlenmeyer een zuur-base-indicator aanwezig is die van kleur verandert bij die p-sprong, dan kunnen we het equivalentiepunt ook visueel vaststellen. De tabel hieronder (Afb. 3) illustreert hoe deze grafiek stand gekomen is. Vóór het EP wordt voor de p-berekening de formule voor een sterk zuur gebruikt, want dan is er, naast NaCl, enkel Cl aanwezig. Bij het EP is de p uiteraard gelijk aan 7, want dan is er enkel NaCl aanwezig. Nà het EP wordt de formule voor een sterke base gebruikt, want dan is er, naast NaCl, een overmaat aan NaO aanwezig. Afb. Titratie van Cl met NaO Afb. 4 Titratie van een sterk zuur met een sterke base Afb. 3 Titratie van Ac (0,1 mol/l) met NaO (0,1 mol/l) In een erlenmeyer (of beker) gieten we 5 ml Ac 0,1 mol/l. Uit een buret druppelen we NaO 0,1 mol/l toe. Telkens een druppel wordt toegoegd meten we de p in de erlenmeyer. We zetten die waarden uit in een grafiek. We stellen vast dat ook hier de p bij het equivalentiepunt een sprong maakt. Dit laat ons uiteraard toe om dit equivalentiepunt grafisch te bepalen. Indien in de erlenmeyer een zuur-base-indicator aanwezig is die van kleur verandert bij die p-sprong, dan kunnen we het equivalentiepunt ook visueel vaststellen. Afb. 5 Titratie van een zwak zuur met een sterke base 140 oofdstuk 8 Zuren en basen
De tabel hieronder (Afb. 6) illustreert hoe deze grafiek stand gekomen is. In het begin wordt voor de p-berekening de formule voor een zwak zuur gebruikt, want dan is er enkel Ac aanwezig. Vóór het EP wordt de formule voor een buffer gebruikt, want dan is er, naast Ac ook Ac aanwezig. Bij het EP wordt de p berekend met de formule van een zwakke base, want dan is er enkel Ac aanwezig.. Nà het EP wordt de formule voor een sterke base gebruikt, want dan is er, naast Ac, een overmaat aan NaO aanwezig. Afb. 7 Titratie van een zwak zuur met een sterke base Afb. 6 Algemene formule Bij het equivalentiepunt werd uit de buret een hoeelheid zuur(base) toegoegd die equivalent is aan de hoeelheid base(zuur) in de erlenmeyer. Stel dat er bij het EP V 1 ml zuur(base)-oplossing met concentratie c 1 uit de V buret werd toegoegd. Deze hoeelheid bat 1 mol (L). c1 ( ) mol 1000 L zuur(base). Stel dat er in de erlenmeyer V ml base(zuur)-oplossing met concentratie c V aanwezig was. Deze hoeelheid bat mol (L). c ( ) mol base(zuur). 1000 L Vermits bij het equivalentiepunt equivalente hoeelheden samengoegd zijn kunnen we stellen dat deze hoeelheden gelijk zijn. V1 c1 V c Deze gelijkheid is enkel geldig bij de titratie van een éénbasisch zuur of een éénzurige base met een éénzurige base of een éénbasisch zuur. Meerbasische zuren en meerzurige basen worden trouwens nooit als titreeroplossing gebruikt. Bij de titratie van een meerbasisch zuur of een meerzurige base is deze gelijkheid enkel geldig bij het éérste E.P. Zo gelden bij de titratie van carbonaat CO 3 met Cl volgende formules: Bij het eerste EP CO 3 + + CO 3 V CO - c CO - V Cl c Cl 3 3 oofdstuk 8 Zuren en basen 141
Bij het tweede EP CO 3 + + CO 3 VCl c V Cl CO - c CO - 3 3 1 Bij de titratie van 5 ml Ac-oplossing wordt het equivalentiepunt bereikt na tooegen van 30 ml NaO-oplossing 0,110 mol/l. a. Bereken de concentratie van de azijnzuuroplossing. b. oe groot is de p tijdens de titratie na tooegen van 15 ml NaO 0,110 mol/l? c. oe groot is de p als we 50 ml NaO 0,110 mol/l hebben toegoegd? 13 In een erlenmeyer bindt zich 5,0 ml Ac 0,1 mol/l. Uit een buret voegen we NaO 0,1 mol/l toe. a. Bereken de p na tooegen van 10 ml uit de buret. b. Bereken de p na tooegen van 5 ml uit de buret. c. Bereken de p na tooegen van 30 ml uit de buret. 14 0 ml O 0,0 mol/l wordt getitreerd met 8, ml NO3. Bereken de concentratie van deze oplossing. 15 Men lengt 10 ml geconcentreerd SO 4 aan 1 L. 0 ml van deze oplossing wordt getitreerd met NaO 0, mol/l. et equivalentiepunt wordt bereikt na tooegen van 36, ml. Bereken de concentratie van het geconcentreerde SO 4. 18 Verdunningswet van Ostwald #6 In een beker doen we 10 ml ijsazijn. ierin plaatsen we de geleidingsmeter en we voegen (zo weinig mogelijk) water toe de elektrodes contact gen met de vloeistof. We volgen de geleiding terwijl we water uit een buret laten toedruppelen. De geleidbaarheid van azijnzuur neemt toe naarmate de concentratie ervan kleiner wordt, dus naarmate de verdunning groter wordt. We kunnen dit fenomeen als volgt verklaren. Ac + Ac Ac z Ac Ac 1,8 10 5 Azijnzuur is een zwak zuur. Dit betekent dat slechts een klein aantal van het oorspronkelijk aantal aanwezige moleculen een proton afgeeft. Deze verhouding wordt weergegen door de ionisatiegraad : aantal geïoniseerde moleculen aantal oorspronkelijk aanwezige moleculen Afb. 8 We kunnen berekenen dat in een oplossing Ac 0,1 mol/l de concentratie van (en ook de concentratie van Ac ) gelijk is aan 1,33 10 3 mol/l. De ionisatiegraad van azijnzuur in deze oplossing is dus: 14 oofdstuk 8 Zuren en basen
mol 3 1,33 10 L 1,33 10 0,0133 mol 0,1 L Dit betekent dat er slechts 133 moleculen op 10 000 moleculen een proton afsplitsten. Nog anders gezegd: 1,33 moleculen op 100 of 1,33 %. Dit is dus zeer weinig en bij nog zwakkere zuren is dit nog minder. Bij tooegen van water neemt de geleiding toe. Dit betekent dat dus het aantal ionen toeneemt. Dit kan enkel verklaard worden door aan te nemen dat bij verdunning de ionisatiegraad toeneemt, hetgeen ook volgt uit onderstaande redenering. Ac + Ac Ac z Ac Ac 1,8 10 Concentratie Ac Ac Begin c o 0 0 Verdwijnt c o 0 0 Ontstaat 0 c o c o Evenwicht c o - c o =(1- ) c o c o c o 5 z Ac Ac co Ac 1 co 1 co Vermits z een constante is, blijkt duidelijk dat als c o vermindert (verdunning) de rest van de breuk,, moet toenemen. En vermits een 1 breuk toeneemt als de teller ( ) toeneemt en/of als de noemer (1 ) afneemt, bewijst dit dat de dissociatiegraad stijgt als de verdunning toeneemt. Dit is de verdunningswet van Ostwald: 1 c o Constante (enkel geldig voor zwakke elektrolyten) 16 Een zwak zuur Z heeft een molecuulmassa van 7,3 u. We brengen 5,0 g Z in een maatkolf van 1 L en we lengen aan met water aan de ijkstreep. et zuur is dan voor 0,15% geioniseerd. a) Bereken de zuurconstante van het zuur. b) Bereken de p van de oplossing. c) oeel L water moet bijgoegd worden opdat 10% van het zuur zou splitsten? oofdstuk 8 Zuren en basen 143
144 oofdstuk 8 Zuren en basen