Basiskennis chemie 3/Evenwicht in de chemie

Evenwichtsreacties

In de chemie is vaak sprake van evenwichtsreacties. Je bent er al een tegengekomen, toen je kennis maakte met het waterevenwicht.

Waterevenwicht

Statisch evenwicht

Nu kan een evenwicht op twee manieren bestaan: het eerste is het statische evenwicht. De balansweegschaal is hier een goed voorbeeld van. De balans is in evenwicht als de naald netjes naar beneden wijst en de schalen niet meer op en neer gaan. De hoeveelheid die aan de linkerkant ligt blijft daar liggen. Wat rechts op de schaal staat blijft ook waar het is.

Statisch evenwicht

Dynamisch evenwicht

De tweede vorm van evenwicht is het dynamisch evenwicht. Dit evenwicht is goed te vergelijken met de lengte van een rij bij de kassa.

De rij bij een kassa is steeds ongeveer even lang. Gelukkig zijn de mensen in de rij steeds anderen: aan het begin van de rij rekent de kassière steeds af met de klant die vooraan in de rij staat, waarna die klant vertrekt. Achteraan sluiten steeds nieuwe mensen aan.

Chemsiche evenwichtsreacties kunnen goed begrepen worden met dit beeld.

Dynamisch evenwicht

Voorbeeld: Azijnzuur

Een van de belangrijkste evenwichtsreacties in de chemie is die van zwakke zuren. Als bekendste zwakke zuur wordt vaak azijnzuur als voorbeeld gebruikt. Een azijnzuur-molecuul staat een H⁺-ion af waardoor een vrij H⁺-deeltje en een vrij acetaat-ion ontstaan. Tegelijkertijd reageren een acetaat en een H⁺-ion met elkaar tot een azijnzuur-molecuul. Het is daarbij niet noodzakelijk dat een acetaat-ion zijn "eigen" waterstof-ion weer bindt. Er is evenwicht als er in een seconde evenveel H⁺-ionen gevormd worden door het uit elkaar vallen van een azijnzuur-molecuul als er H⁺-ionen verdwijnen door het weer koppelen aan een acetaat-ion. Omdat in de chemie het acetaat-ion heel veel gebruikt wordt als voorbeeld-ion, wordt het vaak genoteerd als $\mathrm{A}\mathrm{c}{\phantom{A}}^{-}$ in plaats van als $\mathrm{C}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}^{-}$. Voor azijnzuur wordt dan $\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}$ gebruikt. In de reactievergelijking wordt het evenwicht aangegeven door zowel een pijl naar rechts als een pijl naar links te noteren. De pijlen staan boven elkaar, welke er boven staat maakt niet uit. De reactie wordt dan genoteerd als:

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

Verg. 1

Azijnzuur als zwak zuur
$\mathrm{A}\mathrm{c}{\phantom{A}}^{-}$

Reactiesnelheid in formules

Voor de snelheid waarmee waterstof-ionen en acetaat-ionen met elkaar weer azijnzuur vormen geldt;

• de deeltjes moeten elkaar tegenkomen.
  • zijn er twee keer zoveel acetaat-ionen - is de concentratie acetaat-ionen twee keer zo groot - dan is de kans dat een waterstof-ion een acetaat-ion tegenkomt ook twee keer zo groot.
  • omgekeerd geldt ook dat als er twee keer zoveel waterstof-ionen zijn - de concentratie waterstof-ionen is twee keer zo groot - de kans dat een acetaat-ion een waterstof-ion tegenkomt ook twee keer zo groot is.
• om aan het acetaat-ion vast te gaan zitten moet het waterstof-ion het acetaat-ion op de juiste plek raken. Daar geldt een bepaalde kans voor. In de formule wordt de kans aangegeven door een constante: "k".

De reactiesnelheid van het verdwijnen van H⁺- en acetaat-ionen kan dan geschreven worden als:

$\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}++\mathrm{A}\mathrm{c}-\to \mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}}=\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}++\mathrm{A}\mathrm{c}-\to \mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}}\times [\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\times [\mathrm{A}\mathrm{c}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 2

$\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{A}\mathrm{c}{\phantom{A}}^{-}\to \mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}$

Voor het ontstaan van de waterstof- en de acetaat-ionen geldt uiteraard niet dat twee deeltjes elkaar moeten "tegenkomen", maar het azijnzuur-deeltje moet er wel zijn:

• het aantal azijnzuur-moleculen, de concentratie, speelt ook een rol. Is de concentratie azijnzuur twee keer zo groot, dan zullen er ook twee keer zoveel waterstof-ionen gevormd worden.
• ook voor het uit elkaar vallen van azijnzuur-moleculen geldt een bepaalde kans, ook weer aangegeven met een "k", maar nu met een ander subscript:
  
  $\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}\to \mathrm{H}++\mathrm{A}\mathrm{c}-}=\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}\to \mathrm{H}++\mathrm{A}\mathrm{c}-}\times [\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}]$

  Verg. 3

$\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}\to \mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{A}\mathrm{c}{\phantom{A}}^{-}$

Evenwicht in Formule

Er is evenwicht als beide reacties even snel verlopen, dus als:

$\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}\to \mathrm{H}++\mathrm{A}\mathrm{c}-}=\mathrm{v}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}++\mathrm{A}\mathrm{c}-\to \mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}}$

Verg. 4

Evenwicht

of, als je de rechterkant van vergelijking 2 en vergelijking 3 op de juiste plek invult:

$\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}\to \mathrm{H}++{\mathrm{A}\mathrm{c}}^{-}}\times [\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}]=\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}++{\mathrm{A}\mathrm{c}}^{-}\to \mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}}\times [\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\times [\mathrm{A}\mathrm{c}{\phantom{A}}^{-}]$

Verg. 5

Snelheden gelijk

Vergelijking 5 wordt meestal zo herschreven dat de constanten aan de linkerkant staan en de concentraties rechts:

$\frac{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}\to \mathrm{H}++\mathrm{A}\mathrm{c}-}}{\mathrm{k}{\phantom{A}}_{\mathrm{H}++\mathrm{A}\mathrm{c}-\to \mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}}}=\frac{[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}]\times [\mathrm{A}\mathrm{c}{\phantom{A}}^{-}]}{[\mathrm{H}\mathrm{A}\mathrm{c}]}$

Verg. 6

Aan de linker kant van de vergelijking staat nu de deling van twee getallen die altijd - voor azijnzuur - dezelfde waarde hebben. Voor azijnzuur zal er dus altijd hetzelfde uit de deling komen. Het resultaat van de deling is zelf ook weer een constante, die aangegeven wordt met een hoofdletter "K" en het subscript "z" om aan te geven dat het over een zuurconstante gaat.
De constante die bij de twee reacties horen zijn vrij lastig apart te meten, maar de uitkomst van de breuk ervan kun je makkelijk uitrekenen als je de concentratie waterstof-ionen, acetaat-ionen en azijnzuur kunt meten. Dat laatste is niet heel moeilijk.
Vergelijking 6 wordt nu:

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

Verg. 7

Zuurconstante

De laatste stap die je nu moet zetten is bedenken dat azijnzuur slechts een voorbeeld was. Elke stof die in staat is $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$-ionen af te staan kan als zuur gezien worden. In formules waar het juist om het algemene aspect gaat wordt daarom vaak $\mathrm{H}\mathrm{Z}$ gebruikt om het zuur aan te geven waar het waterstof-ion nog aan vast zit, $\mathrm{Z}{\phantom{A}}^{-}$ wordt gebruikt om het deeltje aan te geven dat ontstaat als het waterstof-atoom is afgestaan. Dit deeltje wordt ook vaak zuurrest genoemd, omdat het de rest is die overblijft als het zuur ($\mathrm{H}\mathrm{Z}$) zijn $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ verloren is. Vergelijking 7 wordt nu:

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

Verg. 8

Algemene formule
Zuurrest

Lijsten met K_z-waarden zijn te vinden:

• in BINAS vind je een lijst met de meest gangbare zuren en hun K_z-waarde.
• ook hier is een, uitgebreidere, lijst met K_z-waarden te vinden.