Basiskennis chemie 2/Water

Water

Water is een vloeistof die we in het laboratorium heel vaak gebruiken. Het is een prima oplosmiddel voor allerhande verbindingen. Ook is water het product van de reactie tussen waterstof- en hydroxide-ionen:

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

Reactie 1

Water

In de reactie tussen $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ en $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$ zien we eigenlijk alleen maar het product. Als er eenmaal water is gevormd is het verhaal klaar. Nou, nee. Er is meer aan de hand. Hoewel een watermolecuul een heel stabiel deeltje is, gebeurt het soms dat een watermolecuul in twee stukken breekt. Bovenstaande reactie kan ook de andere kant uit!

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

Reactie 2

Uit elkaar

Je zou verwachten dat de twee stukken van het watermolecuul weer meteen met elkaar reageren, maar dat gebeurt niet altijd. Soms zwerven de twee deeltjes een tijdje tussen de watermoleculen. Op een gegeven moment zal een $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ weer een $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$ tegenkomen en er mee reageren. In de tijd dat de ionen los van elkaar door de oplossing bewegen, is er dus zelfs in 'kaal' water een concentratie $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ en een concentratie $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$.

Aan elkaar

Op een bepaald moment zal de snelheid waarmee $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ en $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$-ionen gemaakt worden, even groot zijn als de snelheid waarmee ze verdwijnen. We zeggen:

In water heerst een evenwichtsreactie, het waterevenwicht: De concentraties veranderen niet, maar er zijn wel voortdurend andere $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ en $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$-ionen.

We noteren dat met een heen en teruggaande pijl in de reactie:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\overrightarrow{⟵}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$

Verg. 3

Waterevenwicht

Omdat tijdens het uit elkaar vallen van watermoleculen evenveel $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ en $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$-ionen ontstaan, zijn de twee concentraties gelijk. Het blijkt dat de concentraties dan alletwee de ionen dan 10^-7 mol.L^-1 is.

Reactiesnelheid

De snelheid waarmee watermoleculen uit elkaar vallen en losse $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ en $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$-ionen produceren is bijna constant en wordt alleen een beetje door de temperatuur en het aantal watermoleculen beïnvloed. De reactiesnelheid kan weergegeven worden met een formule:

$\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}=\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}]$

Verg. 4

Reactiesnelheid ontleding

$\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}$ is de snelheidsconstante. De snelheid vind je door de concentratie te vermenigvukdigen met deze constante.

Snelheidsconstante

De vergelijking voor de reactie van $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ met $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$ is van meer dingen afhankelijk. Om met elkaar te reageren, moeten de ionen elkaar "tegenkomen". Daarbij geldt de wet van aantal: Als er twee keer zoveel $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$-ionen in een liter zijn, zal een $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$-ion twee keer zo vaak een $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$-ion tegenkomen en kunnen reageren. Zijn er tien keer zo veel, dan is de kans 10 keer groter dat een $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$-ion kan reageren.

Het omgekeerde geldt natuurlijk ook voor $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$-ionen. Zijn er 5 keer zoveel $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$-ionen, dan is de kans dat een $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$-ion er een treft, 5 keer zo groot.

In een formule wordt dat:

$\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}=\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\cdot [\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 5

Reactiesnelheid koppeling

In de evenwichtssituatie zijn de twee reactiesnelheden even groot dus kunnen vergelijking 4 en 5 met elkaar gecombineerd worden tot:

$\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}]=\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}=\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}=\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\cdot [\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 6

Het stukje $\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}=\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}$ in vergelijking 6 hebben we eigenlijk niet nodig en kunnen we ook weglaten:

$\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}]=\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\cdot [\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 7

In vergelijking 7 staan aan weerskanten van het gelijkteken twee formules die hetzelfde waard zijn. Ze zijn niet gelijk, maar de waarde is hetzelfde. Je kunt het vergelijken met tien losse euromunten en twee briefjes van € 5.00. Ze zijn duidelijk niet hetzelfde, maar wel evenveel waard.

Als we links en rechts van het gelijkteken hetzelfde doen, blijft de gelijkheid waar: als je van de tien euromunten en van de twee briefjes van € 5.00 de helft uitgeeft houd je niet hetzelfde over (vijf munten is iets anders dan 1 briefje), maar de waarde is nog steeds gelijk.

In vergelijking 7 gaan we iets vergelijkbaars doen: links en rechts delen door $\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}$. We weten niet hoe groot dit getal is, maar we kunnen in de formule wel aangeven dat we links en rechts door $\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}$ delen:

$\frac{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}]}{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}}=\frac{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\cdot [\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]}{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}}$

Verg. 8

In vergelijking 8 zie je aan de rechterkant nu dat je eerst met $\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}$ moet vermenigvuldigen en daarna erdoor moet delen. Dat kun je net zo goed allebei weglaten. De formule wordt dan:

$\frac{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}\cdot [\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}]}{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}}=[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\cdot [\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 9

Boven en onder de streep wegdelen

De linkerkant van de formule kan ook eenvoudiger: $\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{e}\mathrm{n}}$ en $\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{u}\mathrm{g}}$ hebben steeds dezelfde waarde. Ook de concentratie van watermoleculen in een liter water is praktisch constant. In 'kaal' water gaat er Sjabloon:Nowrap af, maar dat is verwaarloosbaar ten opzichte van de Sjabloon:Nowrap in water. Dat wil dus zeggen dat aan de linkerkant van vergelijking 9 eigenlijk drie getallen staan die steeds dezelfde waarde hebben. Deze drie getallen worden, als je ze uitrekent, samen de waterconstante genoemd, aangeduid met $\mathrm{K}{\phantom{A}}_{\mathrm{w}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{r}}$ of $\mathrm{K}{\phantom{A}}_w$. Vergelijking 9 wordt dan:

$\mathrm{K}{\phantom{A}}_w=[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\cdot [\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 10

Waterconstante

Waterevenwicht

Vergelijking 10 zegt niets over de grootte van $[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]$ of $[\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]$, alleen dat als je ze met elkaar vermenigvuldigt, er steeds hetzelfde uitkomt. In 'kaal' water zijn de concentraties Sjabloon:Nowrap zodat geldt:

$\mathrm{K}{\phantom{A}}_w=[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\cdot [\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}]=10{\phantom{A}}^{-7}\cdot 10{\phantom{A}}^{-7}=10{\phantom{A}}^{-14}$

Verg. 11

K_w = 10^-14

In de paragraaf pH en pOH wordt nog verder op dit onderwerp ingegaan.