Basiskennis chemie 5/Zwakke zuren en basen

Zuren en basen in soorten

Bij de eerste bespreking van zuren is al aangegeven dat zuren stoffen zijn die $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ kunnen afstaan, maar dat niet altijd doen, met azijnzuur als belangrijkste voorbeeld. In de volgende paragrafen zal de aandacht vooral uitgaan naar de zwakke zuren, zuren die slechts een deel van hun $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ afstaan.

Zwakke zuren

Op dezelfde manier als voor zwakke zuren geldt dat ze een $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ kunnen afstaan maar dat niet altijd doen, geldt voor zwakke basen dat ze een $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ kunnen opnemen maar dat ook niet altijd doen.

Zwakke basen

Evenwichten

Ook is al eerder, toen buffers werden besproken, aangegeven dat een chemisch evenwicht niet vergeleken kan worden met een balans, maar eerder met de rij voor een kassa: de snelheid waarmee een stof of component gevormd wordt is even groot als de snelheid waarmee hij verdwijnt.

Chemisch evenwicht

Zuur- en Baseconstante

Om de sterkte van een zuur aan te geven (en eraan te kunnen rekenen, en daarmee voorspellingen doen over het gedrag van op;lossingen) wordt de zuurconstante gebruikt, meestal geschreven als $\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$ of $\mathrm{K}{\phantom{A}}_a$. In het eerste geval verwijst de 'z' naar 'zuur', in het tweede geval de 'a' naar het Engelse 'acid' of het Franse 'acide'.
Voor de sterkte van een base wordt de baseconstante of $\mathrm{K}{\phantom{A}}_b$ gebruikt.

Zuurconstante
$\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$of $\mathrm{K}{\phantom{A}}_a$
$\mathrm{K}{\phantom{A}}_b$

Zuurconstante en concentraties

Behalve een getal dat aangeeft of een zuur sterk, minder sterk of zwak is, is $\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$ ook gekoppeld aan de concentraties van het zuur, de zuurrest en de waterstof-ionen. In Evenwicht in Formule is afgeleid dat voor de $\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$ de volgende formule geldt:

$\mathrm{K}{\phantom{A}}_z=\frac{[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\cdot [\mathrm{Z}{\phantom{A}}^{-}]}{[\mathrm{H}\mathrm{Z}]}$

Zuurconstante formule

De ionisatie-reactie die bij deze constante hoort is:

$\mathrm{H}\mathrm{Z}{\phantom{A}}_{⟶}{\phantom{A}}^{⟵}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{Z}{\phantom{A}}^{-}$

Vergelijk je de reactievergelijking met de formule voor de $\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$, dan zie je dat de uitgangsstof voor de reactie onder de deelstreep staat, terwijl de producten erboven staan. Dit komt overeen met wat je verwachten mag: als $\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$ groot is, heb je met een sterk zuur te maken dat vooral in ionen gesplitst is. De concentraties van de zuurrest en de waterstof-ionen zijn dus groot en de hoeveelheid niet geïoniseerd zuur is klein. In de formule voor $\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$ staan grote getallen in de teller van de breuk en een klein getal in de noemer. De uitkomst is dan een groot getal $⟶\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$ = groot.

Ionisatie
Ionisatie-reactie
Betekenis formule

Omgekeerd, voor een zwak zuur geldt dat slechts een klein deel van het zuur in ionen gesplitst is. De concentratie $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ en $\mathrm{Z}{\phantom{A}}^{-}$ is dus klein terwijl de concentratie $\mathrm{H}\mathrm{Z}$ juist groot is. De teller is nu klein, en de noemer groot: de breuk heeft een kleine waarde $⟶\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$ = klein.

Baseconstante en concentraties

Voor de reactie van een base $\mathrm{B}$ met water geldt de reactie:

$\mathrm{B}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_{⟶}{\phantom{A}}^{⟵}\mathrm{H}\mathrm{B}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$

Omdat het lastig is om bij de verschillende reactiesnelheden en constanten steeds de hele reactie te noteren wordt hieronder voor de snelheid en de constante die bij de reactie $\mathrm{H}\mathrm{B}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}\to \mathrm{B}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$ horen het subscript "1" gebruikt: $\mathrm{v}{\phantom{A}}_1\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{k}{\phantom{A}}_1$. Voor de snelheid en de constante van de reactie de andere kant uit ($\mathrm{H}\mathrm{B}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}\to \mathrm{B}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$ wordt het subscript "-1" gebruikt: $\mathrm{v}{\phantom{A}}_{-1}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{k}{\phantom{A}}_{-1}$.

Baseconstante formule

Op dezelfde manier als voor de $\mathrm{K}{\phantom{A}}_z$ gedaan is, kun je ook deze constante met de concentraties in verband brengen:

$\mathrm{v}{\phantom{A}}_1=\mathrm{k}{\phantom{A}}_1[\mathrm{B}][\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}]$

Verg. 1

$\mathrm{v}{\phantom{A}}_{-1}=\mathrm{k}{\phantom{A}}_{-1}[\mathrm{H}\mathrm{B}{\phantom{A}}^{+}][\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 2

$\mathrm{v}{\phantom{A}}_1=\mathrm{v}{\phantom{A}}_{-1}⟹\mathrm{k}{\phantom{A}}_1[\mathrm{B}][\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}]=$$\mathrm{k}{\phantom{A}}_{-1}[\mathrm{H}\mathrm{B}{\phantom{A}}^{+}][\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 3

Breng de constanten naar de ene kant en concentraties naar de andere kant van het gelijkteken:

$\frac{\mathrm{k}{\phantom{A}}_1}{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{-1}}=\frac{[\mathrm{H}\mathrm{B}{\phantom{A}}^{+}][\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]}{[\mathrm{B}][\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}]}=\mathrm{K}{\phantom{A}}_b$

Verg. 4

Ook hier geldt dat bij een sterke base de concentraties $\mathrm{H}\mathrm{B}{\phantom{A}}^{+}$ en $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$ groot zullen zijn, terwijl $\mathrm{H}\mathrm{B}$ juist klein is. De resulterende constante, grote teller, kleine noemer is groot. Omgekeerd, voor een zwakke base zullen de eerste twee concentraties klein zijn en de laatste groot. Dit betekent een kleine teller en een grote noemer en dus een kleine waarde voor de breuk, de baseconstante.
De concentratie water is zo groot dat de verandering daarin door het reageren met de base verwaarloosd mag worden en deze concentratie als constant mag worden beschouwd. Het is daarom gebruikelijk om deze constante op te nemen in de $\mathrm{K}{\phantom{A}}_b$ en de formule dan te noteren (met een hoofdletter 'K') als:

${\mathrm{K}}_{\mathrm{b}}\mathrm{=}\frac{[H{B}^{+}]*[O{H}^{-}]}{[B]}$

Verg. 5

Betekenis formule K_b

Waterconcentratie in evenwichtsformules

De redenering om de waterconcentratie op te nemen in de constante wordt vrij algemeen toegepast als water het oplosmiddel is. Omdat de manier waarop formule 5 s afgeleid een algemene manier is om deze constanten uit te drukken, duikt de concentratie van water is nogal wat formules op als feitelijke constante. Omdat de concentratie niet ingevuld hoeft te worden, wordt soms gezegd: voor de waterconcentratie mag je 1 invullen. Rekenkundig heeft dat hetzelfde effect als de concentratie in de constante onder te brengen. Realiseer je dat de concentratie van water in water NOOIT 1 is:
In een liter water van 1000 gram zit ruim 55 mol water!