2. Het Zuur-Base Evenwicht; geconjugeerde paren.

Opdracht 20
Gegeven het volgende evenwicht: H2O + H2O H3O+ + OH-
  1. Leg uit waarom dit evenwicht alleen maar kan bestaan in waterig milieu
  2. Aan welke kant heb je de sterke en zwakke stoffen?
  3. Wat is de waarde van de evenwichtskonstante?



2.1 Kw en de autoprotolyse van water.


In een watermilieu heb je altijd ongelooflijk veel watermolekulen die voortdurend met elkaar in botsing zijn. Nu heeft het watermolekuul de neiging om (heel zwak) protonen af te staan, maar ook om protonen op te nemen (amfoteer), dus zal bij botsing tussen twee watermolekulen het volgende kunnen gebeuren:


H2O
+
H2O

H3O+
+
OH-		    
ΔH > 0
zwakke base zwak zuur sterk zuur sterke base

Let op: de twee ionen vormen zich in gelijke hoeveelheden.
Het waterevenwicht bestaat uitsluitend in watermilieu, ligt sterk aan één kant en heeft een evenwichtskonstante:

    →         →    


In neutrale waterige oplossingen met temperatuur van 25ºC gebeurt het volgende:
Van elke mol watermolekulen (dat zijn er 0,6 x 1023) zullen "slechts" 6 x 1016 watermolekulen echt een proton opnemen en dus ook 6 x 1016 zullen een proton afstaan.

In water van 25ºC zal de concentratie [H3O+] = [OH-] = 10-7 mol/dm3   of: pH = pOH = 7

Kw (autoprotolysekonstante) = K x (55.6)2 = [H3O+] x [OH-] = 10-14 mol2/l2

Die autoprotolyse van water is een endotherm proces.
Bij hogere temperaturen vormen zich meer ionen, hun concentraties worden hoger (bijvoorbeeld 10-6 mol/dm3 in plaats van 10-7 mol/dm3).
De waarde van Kw verandert in dit geval van 10-14 naar 10-12.

Opdracht 21
Wat zal - ongeveer- de waarde zijn van K w in ijs?

Opdracht 22
Gegeven: In kokend zuiver water is de waarde van de pH niet gelijk aan 7.
Bewering: Kokend water is toch nog steeds een neutrale stof.       waar of onwaar?
Verdedig je antwoord.


2.2 Geconjugeerde paren

Opdracht 23
Wat wil dit zeggen?: HA e A- vormen een geconjugeerd paar.

Laten we een zuur aanduiden met HA. Opgelost in water zal HA H+ afsplitsen. Op dezelfde manier noemen we het A- een base die - opgelost in water - H+ zal opnemen.
De volgende evenwichten zullen zich instellen:

zure oplossingen basische oplossingen
HA + H2O H3O+ + A-               A- + H2O HA + OH-
zuur base zuur base base zuur zuur base
A-is de geconjugeerde base van het zuur HA HA het geconjugeerde zuur van de base A-
[water treedt hier op als base] [water treedt hier op als zuur]

Een zuur wordt altijd een base (en een base vormt altijd een zuur). Als het verschil tussen die twee niet meer is dan één proton (H+), dan noemen we zo'n paar een "geconjugeerd paar".
Uit de lijst met tabellen gebruiken we een tabel met zuren en basen (Tabel I), alle gevallen aangegeven met geconjugeerde paren.

Opdracht 24
In de twee bovenstaande evenwicht kun je meerdere geconjugeerde paren vinden. Welke zijn dat?
antwoord


2.3 Zwak en Sterk

Een zuur-base reaktie zal in principe altijd een chemisch evenwicht zijn met meestal sterke stoffen aan één kant en zwakke stoffen aan de andere kant.
Het evenwicht verplaatst zich altijd naar de kant van de zwakke stoffen terwijl dan de zwakke stoffen 'overleven'.

Opdracht 25
Maak gebruik van de tabel met zuren en basen uit het tabellenboek en leg uit waarom de volgende stoffen al dan niet zullen reageren:
  1. waterstofjodide met water
  2. waterstofsulfide met fluoride
  3. waterstofcarbonaat met fosfaat
  4. gehydrateerde aluminiumionen met fosfaat
  5. zwavelzuur met carbonaat
  6. het ammoniumion met het ion hydroxide

De algemene vereenvoudigde regel:
Als in de zuur-base tabel een zuur een hogere plek heeft dan de base zal er reaktie plaats vinden tussen de reagentia. Achter deze regel gaat iets schuil: sterkere zuren reageren met sterkere basen en vormen dan zwakkere basen en zwakkere zuren. In de tabel bevinden zich namelijk de sterkere zuren aan de bovenkant en de sterkere basen aan de onderkant.

Het zijn altijd de sterke die de reaktie veroorzaken ten gunste van de zwakke.




2.4 KA (zuurkonstante) en KB (basekonstante)

zure oplossingen basische oplossingen
HA + H2O H3O+ + A-               A- + H2O HA + OH-
zuur base zuur base base zuur zuur base
A-is geconjugeerde base van zuur HA HA is geconjugeerd zuur van base A-
KA = zuurkonstante KB = basekonstante
Als KA heel groot is (of pKA is heel klein), is HA een zeer sterk zuur Als KB heel erg groot is (of pKB is heel klein), dan is A- een zeer sterke base

Een evenwicht verplaatst zich altijd naar de kant van de zwakken


Opdracht 26
Bestudeer de tabel met geconjugeerde zuur-base paren en probeer de volgende uitstpraken te bevestigen:
  1. als KA heel groot is (of pKA erg klein), dan is HA een zeer sterk zuur
  2. meerwaardige zuren kunnen meer dan één proton afstaan, bijvoorbeeld, H3PO4
  3. meerwaardige basen kunnen meer dan één proton opnemen, bijvoorbeeld CO32-
  4. amfotere deeltjes kunnen zowel als zuur alsook als base reageren, bijvoorbeeld HPO42-

Opdracht 27
Leg uit of de volgende zouten eventueel de mogelijkheid hebben om protonen af te staan of op te nemen:
natriumcarbonaat en calciumwaterstofcarbonaat.
antwoord