Learning Objectives
- Define a strong acid.
- Lijst enkele sterke zuren.
- Definieer een zwak zuur.
- Lijst enkele zwakke zuren.
- Schrijf de uitdrukking voor de zure ionisatieconstante.
- Definieer sterke en zwakke basen.
- Geef voorbeelden van sterke en zwakke basen.
- Schrijf de uitdrukking voor de ionisatieconstante van de base.
- Bereken de ionisatieconstante van zuren en basen.
Sterke en zwakke zuren en de zure ionisatieconstante (Ka)
Hoe etsen ze glas?
Etsen van glas is een langzaam proces dat prachtige kunstwerken kan opleveren. Traditioneel wordt het glas behandeld met verdund fluorwaterstofzuur dat het glas eronder geleidelijk oplost. Delen van het stuk die niet geëtst mogen worden, worden bedekt met was of een ander niet-reactief materiaal. In recentere tijden worden ook verbindingen als ammoniumbifluoride gebruikt. Welke chemische stof ook wordt gebruikt, de kunstenaar moet oppassen dat er niets op zijn huid komt.
Sterke en zwakke zuren en de ionisatieconstante van zuren
Zuren worden geclassificeerd als sterk of zwak, op basis van hun ionisatie in water. Een sterk zuur is een zuur dat in een waterige oplossing volledig geïoniseerd is. Waterstofchloride (HCl) ioniseert in water volledig in waterstofionen en chloride-ionen.
Een zwak zuur is een zuur dat in een waterige oplossing slechts in geringe mate ioniseert. Azijnzuur (in azijn) is een heel gewoon zwak zuur. De ionisatie ervan is hieronder weergegeven.
De ionisatie van azijnzuur is onvolledig, en daarom is de vergelijking weergegeven met een dubbele pijl. De mate van ionisatie van zwakke zuren varieert, maar is over het algemeen minder dan 10%. Een 0,10 M oplossing van azijnzuur is slechts ongeveer 1,3% geïoniseerd, wat betekent dat het evenwicht sterk in het voordeel van de reactanten is.
Zwakke zuren ioniseren, net als sterke zuren, om het H+ ion en een geconjugeerde base op te leveren. Omdat HCl een sterk zuur is, is zijn geconjugeerde base (Cl – ) uiterst zwak. Het chloride-ion is niet in staat het H + ion te accepteren en weer HCl te worden. In het algemeen geldt: hoe sterker het zuur, hoe zwakker de geconjugeerde base. Evenzo geldt: hoe zwakker het zuur, hoe sterker de geconjugeerde base.
| Zuur | Conjugaat base |
| Sterke zuren | |
| Cl – (chloride-ion) (zwakste) | |
| H 2 SO 4 (zwavelzuur) | HSO 4 – (zwavelwaterstofion) |
| HNO 3 (salpeterzuur) | NO 3 – (nitraation) |
| zwakke zuren | |
| H 3 PO 4 (fosforzuur) | H 2 PO 4 – (diwaterstoffosfaation) |
| CH 3 COO – (acetaation) | |
| H 2 CO 3 (koolzuur) | HCO 3 – (waterstofcarbonaation) |
| HCN (cyaanwaterstofzuur) (zwakste) | CN – (cyanide-ion) (sterkste) |
Zware zuren zijn in oplossing 100% geïoniseerd. Zwakke zuren zijn slechts licht geïoniseerd. Fosforzuur is sterker dan azijnzuur en wordt dus in sterkere mate geïoniseerd. Azijnzuur is sterker dan koolzuur, enzovoort.
De ionisatieconstante van het zuur, Ka
De ionisatie voor een algemeen zwak zuur, HA, kan als volgt worden geschreven:
Omdat het zuur zwak is, kan een evenwichtsuitdrukking worden geschreven. Een zuurionisatieconstante (Ka) is de evenwichtsconstante voor de ionisatie van een zuur.
De zuurionisatie staat voor de fractie van het oorspronkelijke zuur dat in oplossing is geïoniseerd. Daarom is de numerieke waarde van Ka een weerspiegeling van de sterkte van het zuur. Zwakke zuren met relatief hogere Ka-waarden zijn sterker dan zuren met relatief lagere Ka-waarden. Omdat sterke zuren in wezen voor 100% geïoniseerd zijn, is de concentratie van het zuur in de noemer bijna nul en nadert de Ka-waarde oneindig. Om deze reden worden Ka-waarden over het algemeen alleen voor zwakke zuren gerapporteerd.
De tabel hieronder is een lijst van zuurionisatieconstanten voor verschillende zuren. Merk op dat polyprotische zuren voor elke ionisatiestap een aparte ionisatieconstante hebben, waarbij elke opeenvolgende ionisatieconstante kleiner is dan de vorige.
| Naam van zuur | Ionisatievergelijking | Ka |
|---|---|---|
| Zwavelzuur |
H2SO4 ⇌ H+ + HSO4- HSO4- ⇌ H+ + SO42- |
zeer groot 1.3 × 10-2 |
| Oxaalzuur |
H2C2O4 ⇌ H+ + HC2O4- HC2O4- ⇌ H+ + C2O42- |
6,5 × 10-2
6.1 × 10-5 |
| Fosforzuur |
H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4- H2PO4- ⇌ H+ + HPO42- HPO42- ⇌ H+ + PO43- |
7,5 × 10-3 6,2 × 10-8 4.8 × 10-13 |
| HF ⇌ H+ + F- | 7,1 × 10-4 | |
| Nitroenzuur | HNO2 ⇌ H+ + NO2- | 4.5 × 10-4 | Benzoëzuur | C6H5COOH ⇌ H+ + C6H5COO- | 6.5 × 10-5 |
| Azijnzuur | CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO- | 1.8 × 10-5 |
| Koolzuur | H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-
HCO3- ⇌ H+ + CO32- |
4.2 × 10-7 4,8 × 10-11 |
Hydrocyaanzuur | HCN ⇌ H+ + CN- | 4.9 × 10-10 |
Sterke en Zwakke Basen en Base Ionisatie Constante (Kb)
Ammonia waarvoor?
Alle complexe elektronica en apparatuur in een spaceshuttle genereren warmte, net als de astronauten. De shuttles hebben een complex systeem om die warmte af te voeren naar de ruimte. Een van de onderdelen van dit systeem is een reeks spoelen gevuld met ammoniak die zich aan de buitenkant van de shuttle bevinden. Ammoniak absorbeert de hitte en geeft die vervolgens af aan de ruimte terwijl het gas door de spoelen circuleert. Deze aanpak is zowel goedkoop als doeltreffend.
Sterke en zwakke basen en de ionisatieconstante van de basen, Kb
Zoals bij zuren kunnen basen sterk of zwak zijn, afhankelijk van hun mate van ionisatie. Een sterke base is een base die in een waterige oplossing volledig ioniseert. De meest voorkomende sterke basen zijn oplosbare metaalhydroxideverbindingen zoals kaliumhydroxide. Sommige metaalhydroxiden zijn niet zo sterk omdat ze niet zo goed oplosbaar zijn. Calciumhydroxide is slechts in geringe mate oplosbaar in water, maar het deel dat wel oplost, valt ook uiteen in ionen.
Een zwakke base is een base die in een waterige oplossing slechts in geringe mate ioniseert. Bedenk dat een base kan worden gedefinieerd als een stof die een waterstofion van een andere stof accepteert. Wanneer een zwakke base, zoals ammoniak, in water wordt opgelost, accepteert het een H+ -ion uit het water, waarbij het hydroxide-ion en het geconjugeerde zuur van de base, het ammoniumion, worden gevormd.
Het evenwicht is sterk in het voordeel van de reactanten en de mate van ionisatie van het ammoniakmolecuul is zeer klein.
Er kan een evenwichtsuitdrukking worden geschreven voor de reacties van zwakke basen met water. Omdat de concentratie van water zeer groot en vrijwel constant is, wordt het water niet in de uitdrukking opgenomen. Een base-ionisatieconstante (Kb) is de evenwichtsconstante voor de ionisatie van een base. Voor ammoniak is de uitdrukking:
De numerieke waarde van Kb is een weergave van de sterkte van de base. Zwakke basen met relatief hogere Kb-waarden zijn sterker dan basen met relatief lagere Kb-waarden. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de ionisatieconstanten van een aantal zwakke basen.
| Naam van de base | Ionisatie Vergelijking | Kb |
|---|---|---|
| Methylamine | CH3NH2 + H2O ⇌ CH3NH3+ + OH- | 5.6 × 10-4 |
| Ammoniak | NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- | 1.8 × 10-5 |
| Pyridine | C5H5N + H2O ⇌ C5H5NH+ + OH- | 1.7 × 10-9 |
| Acetaat-ion | CH3COO- + H2O ⇌ CH3COOH + OH- | 5.6 × 10-10 |
| Fluoride-ion | F- + H2O ⇌ HF + OH- | 1.4 × 10-11 |
| Ureum | H2NCONH2 + H2O ⇌ H2CONH3+ + OH- | 1.5 × 10-14 |
Merk op dat de geconjugeerde base van een zwak zuur ook een sterke base is. Bijvoorbeeld, het acetaation heeft een kleine neiging om een waterstofion uit water te accepteren om azijnzuur en het hydroxide-ion te vormen.
Berekening van Ka en Kb
Wie heeft de pH-meter uitgevonden?
De pH-meter is uitgevonden omdat sinaasappeltelers in Florida een manier nodig hadden om de zuurgraad van hun fruit te testen. De eerste meter werd uitgevonden door Arnold Beckman, die later Beckman Instruments zou oprichten.
Beckman’s bedrijf was zeer succesvol en hij gebruikte een groot deel van zijn fortuin om wetenschappelijk onderwijs en onderzoek te financieren. De familie Beckman schonk 40 miljoen dollar voor de bouw van het Beckman Instituut aan de Universiteit van Illinois.
Berekenen van Ka en Kb
De numerieke waarde van Ka of Kb kan worden bepaald met behulp van een experiment. Een oplossing met een bekende concentratie wordt bereid en de pH wordt gemeten met een instrument dat pH-meter wordt genoemd.
Figuur 1. Een pH-meter is een laboratoriumapparaat waarmee snel en nauwkeurig de pH van oplossingen kan worden gemeten.
Voorbeeldprobleem: berekening van een zure ionisatieconstante
Een 0,500 M oplossing van mierenzuur wordt bereid en de pH wordt gemeten op 2,04. Bepaal de Ka voor mierenzuur.
Stap 1: Maak een lijst van de bekende waarden en plan het probleem.
Bekend
- initieel = 0,500 M
- pH = 2,04
Onbekend
- Ka = ?
Eerst wordt de pH gebruikt om de bij evenwicht te berekenen. Er wordt een ICE-tabel opgesteld om de concentraties van HCOOH en HCOO – bij evenwicht te bepalen. Alle concentraties worden vervolgens gesubstitueerd in de Ka uitdrukking en de Ka waarde wordt berekend.
Stap 2: Oplossen.
Omdat elk mierenzuurmolecuul dat ioniseert één H+-ion en één formiaat-ion (HCOO – ) oplevert, zijn de concentraties van H+ en HCOO – bij evenwicht aan elkaar gelijk. We nemen aan dat de beginconcentraties van elk ion nul zijn, wat resulteert in de volgende ICE-tabel.
| Concentraties | |||
| 0.500 | 0 | 0 | |
| Wijziging | -9,12 × 10 -3 | +9,12 × 10 -3 | +9,12 × 10 -3 |
| Equilibrium | 0.491 | 9.12 × 10 -3 | 9.12 × 10 -3 |
Nu substitueren in de Ka expressie geeft:
Stap 3: Denk na over je resultaat .
De waarde van Ka is in overeenstemming met die van een zwak zuur. Twee significante cijfers zijn passend voor het antwoord, aangezien er twee cijfers achter de komma staan in de gerapporteerde pH.
Dergelijke stappen kunnen ook worden genomen om de Kb van een base te bepalen. Bijvoorbeeld, een 0,750 M oplossing van de zwakke base ethylamine (C2H5 NH2) heeft een pH van 12,31.
Omdat een van de producten van de ionisatiereactie het hydroxide-ion is, moeten we eerst de bij evenwicht vinden. De pOH is 14 – 12,31 = 1,69. De wordt dan gevonden uit 10 -1,69 = 2,04 × 10 -2 M. De ICE-tabel wordt dan opgesteld zoals hieronder is aangegeven.
| Concentraties | |||
| 0.750 | 0 | 0 | |
| Wijziging | -2,04 × 10 -2 | +2.04 × 10 -2 | +2.04 × 10 -2 |
| Evenwicht | 0.730 | 2.04 × 10 -2 | 2.04 × 10 -2 |
Substitueren in de Kb-uitdrukking levert de Kb voor ethylamine op.
Samenvatting
- Zwakke en zwakke zuren zijn gedefinieerd.
- De zuurionisatieconstante (Ka) is gedefinieerd.
- Zwakke en zwakke basen zijn gedefinieerd.
- De basenevenwichtsconstante is opgegeven.
- Berekeningen van Ka en Kb zijn beschreven.
Practicum
Sterke en Zwakke Zuren en Zure Ionisatieconstante (Ka)
Lees het materiaal op de link hieronder en beantwoord de volgende vragen:
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/acids.html
- Waarom is de factor niet opgenomen in de uitdrukking voor Ka ?
- Wanneer we H+ schrijven, waar hebben we het dan eigenlijk over?
- Wat is het zwakkere zuur: methaanzuur of ethaanzuur?
Sterke en zwakke basen en basische ionisatieconstante (Kb)
Lees het materiaal op onderstaande link en beantwoord de volgende vragen:
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/bases.html
- In aanwezigheid van hydroxide-ionen, in welke richting verschuift het evenwicht voor de vergelijking die de dissociatie van water laat zien?
- Welk percentage ammoniak in oplossing produceert eigenlijk hydroxide-ionen?
- Hoe verhoudt de evenwichtspositie zich tot de sterkte van een zwakke base?
Bereken Ka en Kb
Lees het materiaal op onderstaande link en beantwoord de volgende vragen:
http://www.ausetute.com.au/kb.html
- Waarheen dissocieert een Arrhenius base?
- Wat vormt een Brønsted-Lowry base in water?
- Hoe wordt het ionisatiepercentage bepaald?
Review
Sterke en Zwakke Zuren en Zure Ionisatieconstante (Ka)
- Waarom is het chloride-ion de zwakste geconjugeerde base?
- Wat is het ionisatie-percentage in een 0.1 M oplossing van azijnzuur?
- Wat is het sterkste zuur: HF of benzoëzuur?
Sterke en Zwakke Basen en Ionisatieconstante van de Basen (Kb)
- Definieer een sterke base.
- Definieer een zwakke base.
- Welke base is sterker: pyridine of ureum?
Berekenen van Ka en Kb
- Welke benadering wordt gebruikt voor het berekenen van ionisatieconstanten?
- Welke eerste aannames worden gedaan?
- Welke evenwichtsveronderstellingen worden gemaakt?
Glossary
- zuurionisatieconstante
: De evenwichtsconstante voor de ionisatie van een zuur. - sterk zuur: Een zuur dat in waterige oplossing volledig geïoniseerd is.
- zwak zuur: Een zuur dat slechts in geringe mate ioniseert in waterige oplossing.
- base ionisatieconstante
: De evenwichtsconstante voor de ionisatie van een base. - sterke base: Een base die in waterige oplossing volledig ioniseert.
- zwakke base: Een base die slechts in geringe mate ioniseert in een waterige oplossing.
- pH-meter: Een apparaat voor het nauwkeurig meten van pH.