Zuren en basen (Nederlands)

Definities van zuren en basen
en de rol van water

Eigenschappen van zuren en basen volgens Boyle

In 1661 vatte Robert Boyle de eigenschappen van zuren als volgt samen.

1. Zuren hebben een zure smaak.

2. Zuren zijn bijtend.

3. Zuren veranderen de kleur van bepaalde plantaardige kleurstoffen, zoals litmus, van blauw naar rood.

4. Zuren verliezen hun zuurgraad wanneer ze worden gecombineerd met alkaliën.

De naam “zuur” komt van het Latijnse acidus, wat “zuur” betekent, en verwijst naar de scherpe geur en zure smaak van veel zuren.

Voorbeelden: azijn smaakt zuur omdat het een verdunde oplossing van azijnzuur in water is. Citroensap smaakt zuur omdat het citroenzuur bevat. Melk wordt zuur als het bederft omdat er melkzuur wordt gevormd, en de onaangename, zure geur van bedorven vlees of boter kan worden toegeschreven aan verbindingen zoals boterzuur die ontstaan wanneer vet bederft.

In 1661 vatte Boyle de eigenschappen van alkaliën samen. als volgt.

• Alkaliën voelen glad aan.
• Alkaliën veranderen de kleur van lakmoes van rood naar blauw.
• Alkaliën worden minder alkalisch wanneer ze worden gecombineerd met zuren.

In wezen definieerde Boyle alkaliën als stoffen die zuren consumeren of neutraliseren. Zuren verliezen hun karakteristieke zure smaak en het vermogen om metalen op te lossen wanneer ze worden gemengd met alkaliën. Alkaliën keren zelfs de kleurverandering om die optreedt wanneer lakmoes in contact komt met een zuur. Uiteindelijk werden alkaliën bekend als basen omdat ze dienen als de “basis” voor het vormen van bepaalde zouten.

De Arrhenius-definitie van zuren en basen

In 1884 suggereerde Svante Arrhenius dat zouten zoals NaCld dissociëren wanneer ze oplossen in water om deeltjes te geven die hij ionen noemde.

Drie jaar later breidde Arrhenius deze theorie uit door te suggereren dat zuren neutrale verbindingen zijn die ioniseren wanneer ze oplossen in water om H + -ionen en een overeenkomstig negatief ion te geven. Volgens zijn theorie is waterstofchloride anzuur omdat het ioniseert wanneer het oplost in water om waterstof (H +) en chloride (Cl-) ionen te geven, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Arrhenius voerde aan dat basen neutrale verbindingen zijn die ofwel dissociëren of ioniseren in water om OH-ionen en een positief ion te geven. NaOH is een Arrhenius-base omdat het dissocieert in water om de hydroxide- (OH-) en natrium- (Na +) -ionen te geven.

Een Arrhenius-zuur is daarom elke stof die thationiseert wanneer het in water oplost om het H +, of waterstof, ion te geven.

Een Arrhenius-base is elke stof die het OH- of hydroxide-ion geeft wanneer het oplost in water.

Arrhenius-zuren omvatten verbindingen zoals HCl, HCN en H2SO4 die ioniseren in water om het H + -ion te geven. Arrheniusbases omvatten ionische verbindingen die het OH-ion bevatten, zoals NaOH, KOH en Ca (OH) 2.

Deze theorie legt uit waarom zuren vergelijkbare eigenschappen hebben: De karakteristieke eigenschappen van zuren zijn het resultaat van de aanwezigheid van het H + ion gegenereerd wanneer een zuur oplost in water. het verklaart ook waarom zuren basen neutraliseren en vice versa. Zuren leveren het H + -ion; basen leveren het OH-ion; en deze ionen combineren om water te vormen.

H + (aq) + OH- (aq) H2O (l)

De Arrhenius-theorie heeft verschillende nadelen .

• Het kan alleen worden toegepast op reacties die optreden in water, omdat het zuren en basen definieert in termen van wat er gebeurt als verbindingen oplossen in water.
• Het doet het niet leg uit waarom sommige verbindingen waarin waterstof een oxidatiegetal van +1 heeft (zoals HCl) oplossen in water om zure oplossingen te geven, terwijl andere (zoals CH4) dat niet doen.
• Alleen de verbindingen die het OH-ion bevatten, kunnen worden geclassificeerd als Arrhenius-basen. De Arrhenius-theorie kan “niet verklaren waarom andere verbindingen (zoals Na2CO3) de karakteristieke eigenschappen van basen hebben.

De rol van H + en OH-ionen in de chemie van waterige oplossingen

Omdat zuurstof (EN = 3.44) veel elektronegatiever is dan waterstof (EN = 2.20), zijn de elektronen in de HO-binding in water niet “t gelijkelijk gedeeld door de waterstof en oxygenatomen. Deze elektronen worden naar het zuurstofatoom in het midden van het molecuul getrokken en weg van de waterstofatomen aan beide uiteinden. Als gevolg hiervan is het watermolecuul polair. Het zuurstofatoom heeft een gedeeltelijke negatieve lading (-) en de waterstofatomen hebben een gedeeltelijke positieve lading (+).

Wanneer ze dissociëren met vormen ionen, watermoleculen vormen daarom een positief geladen H + -ion en een negatief geladen OH-ion.

De tegenovergestelde reactie kan ook optreden. H + -ionen kunnen zich combineren met OH-ionen om neutrale watermoleculen te vormen.

Het feit dat watermoleculen dissociëren om H + en OH-ionen te vormen, die vervolgens kunnen recombineren om watermoleculen te vormen, wordt aangegeven door de volgende vergelijking.

In hoeverre scheidt water zich af van vormionen?

Bij 25 ° C is de dichtheid van water 0,9971 g / cm3, of 0,9971 g / ml. De concentratie van water is daarom 55,35 molair.

De concentratie van de H + en OH- ionen gevormd door de dissociatie van neutrale H2O-moleculen bij deze temperatuur is slechts 1,0 x 10-7 mol / L. De verhouding van de concentratie van het H + (of OH-) ion tot de concentratie van de neutrale H2O-moleculen is daarom 1,8 x 10-9.

Met andere woorden, slechts ongeveer 2 delen per miljard (ppb) van de watermoleculen dissociëren bij kamertemperatuur in ionen. De onderstaande figuur toont een model van 20 watermoleculen, waarvan er één gedissocieerd is om een paar H + en OH-ionen te vormen. Als deze illustratie een foto met een zeer hoge resolutie was van de structuur van water, zouden we gemiddeld slechts één keer per 25 miljoen van dergelijke fotos een paar H + en OH-ionen tegenkomen.

De operationele definitie van zuren en Basen

Het feit dat water dissocieert om H + en OH-ionen te vormen in een omkeerbare reactie, is de basis voor een operationele definitie van zuren en basen die krachtiger is dan de door Arrhenius voorgestelde definities. In operationele zin is een zuur elke stof die de concentratie van het H + -ion verhoogt wanneer het in water oplost. Een base is elke stof die de concentratie van het OH-ion verhoogt wanneer het in water oplost.

Deze definities verbinden de theorie van zuren en basen aan een eenvoudige laboratoriumtest voor zuren en basen. Om te bepalen of een verbinding een zuur of een base is, lossen we het op in water en testen we de oplossing om te zien of de concentratie H + of OH-ionen is toegenomen.

Typische zuren en basen

De eigenschappen van zuren en basen zijn het gevolg van verschillen tussen de chemie van metalen en niet-metalen, zoals blijkt uit de chemie van deze klassen van verbindingen: waterstof, oxiden en hydroxiden.

Verbindingen die waterstof bevatten dat is gebonden aan een niet-metalen, worden niet-metalen hydriden genoemd. Omdat ze waterstof bevatten in de oxidatietoestand + 1, kunnen deze verbindingen fungeren als een bron van het H + -ion in water.

Metaalhydriden bevatten daarentegen waterstof gebonden aan een metaal. Omdat deze verbindingen waterstof bevatten in a-1 oxidatietoestand, dissociëren ze in water om het H- (of hydride) ion te geven.

Het H-ion, met zijn paar valentie-elektronen, kan een H + -ion uit een watermolecuul abstraheren.

Aangezien het verwijderen van H + -ionen uit watermoleculen een manier is om de OH-ionenconcentratie in een oplossing te verhogen, zijn metaalhydriden basen.

Een soortgelijk patroon is te vinden in de chemie van de oxides gevormd door metalen en niet-metalen. Niet-metaaloxiden lossen op in water om zuren te vormen. CO2 lost op in water om koolstofzuur te geven, SO3 geeft zwavelzuur en P4O10 reageert met water om fosforzuur te geven.

Metaaloxiden , aan de andere kant, zijn basen. Metaloxiden bevatten formeel het O2-ion, dat reageert met water om een paar OH-ionen te geven.

Metaaloxiden voldoen daarom aan de operationele definitie van abase.

We zien hetzelfde patroon in de chemie van verbindingen die de OH bevatten, of hydroxide, groep. Metaalhydroxiden, zoals LiOH, NaOH, KOH en Ca (OH) 2, zijn basen.

Niet-metalen hydroxiden, zoals hypochloorzuur (HOCl), zijn zuren.

De onderstaande tabel geeft een overzicht van de trends die in deze drie categorieën verbindingen zijn waargenomen. Metaalhydriden, metaaloxiden en metaalhydroxiden zijn basen. Niet-metalen hydriden, niet-metaaloxiden en niet-metalen hydroxiden zijn zuren.

Typische zuren en basen

De zure waterstofatomen in de niet-metalen hydroxiden in de bovenstaande tabel zijn niet gebonden aan de stikstof, zwavel, orfosforatomen. In elk van deze verbindingen is de zure hydrogene gebonden aan een zuurstofatoom. Deze verbindingen zijn dus alle voorbeelden van oxyzuren.

Skeletstructuren voor acht oxyzuren zijn weergegeven in de onderstaande figuur. Als algemene regel , hebben zuren die zuurstof bevatten skeletstructuren waarin de zure waterstofatomen zijn gehecht aan zuurstofatomen.

• Zuren reageren met water door een H + -ion te doneren aan een neutraal watermolecuul om het H3O + -ion te vormen.

• Basen reageren met water door een H + -ion van een watermolecuul te accepteren om het OH-ion te vormen.

• Watermoleculen kunnen fungeren als tussenproducten in zuur-base-reacties door H + -ionen uit het zuur te halen

en dan verliezen ze deze H + -ionen aan de basis.

Het Brnsted-model kan worden uitgebreid tot zuur-base-reacties in andere oplosmiddelen. Er is bijvoorbeeld een kleine neiging in vloeibare ammoniak dat een H + -ion wordt overgedragen van het ene NH3-molecuul naar het andere om de NH4 + en NH2-ionen te vormen.

Naar analogie van de chemie van waterige oplossingen concluderen we dat zuren in vloeibare ammoniak elke bron van het NH4 + -ion omvatten en dat basen elke bron van het NH2-ion omvatten.

Het Brnsted-model kan zelfs worden uitgebreid tot reacties die niet in oplossing voorkomen. Een klassiek voorbeeld van een gas-faszuur-base-reactie doet zich voor wanneer open containers met geconcentreerd zoutzuur en waterige ammoniak naast elkaar worden gehouden. . Al snel vormt zich een witte wolk van ammoniumchloride omdat het HCl-gas dat uit de ene oplossing ontsnapt, reageert met het NH3-gas uit de andere.

Deze reactie betreft de overdracht van een H + ion van HCl naar NH3 en is daarom een Brnsted zuur-basereactie, ook al vindt deze plaats in de gasfase.