Zuren en basen (Scheikunde vwo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over zuur-basekoppels, sterke en zwakke zuren en basen, Kz als maat voor sterkte, het voorspellen van de ligging van een zuur-basereactie en de werking van een buffer, met voorbeelden uit bloed. Met woordweb, zes controlevragen en twee animaties.

Universele indicator in reageerbuizen (foto: Knowledge genome, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Zuren en basen

Examenstof scheikunde vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R1.3 (zuur-base), R1.4 t/m R1.9. Image credit: Knowledge genome / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Wat ga je kunnen?

Ik kan zuur-basekoppels herkennen, sterkte beoordelen met Kz, voorspellen welke zuur-basereactie verloopt en een buffer uitleggen.

Waar denk je aan bij het woord buffer?

Verwacht: bloed, pH blijft gelijk, bufferoplossing in het lab, shampoo, tegenhouden, bufferzone. Koppel aan de les: een buffer houdt de pH ongeveer constant, en dat kan alleen met een zwak zuur en de base van hetzelfde koppel. Neem de woorden mee in blok 3. Syllabus R1.9.

Animatie: een H⁺ gaat van koppel 1 naar koppel 2 (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Zuur en base komen in paren

• Een zuur staat H⁺ af en wordt zo een base: zuur ⇌ base + H⁺.

• Zuur en base samen vormen een zuur-basekoppel, zoals CH₃COOH/CH₃COO⁻ en NH₄⁺/NH₃.

• Een zuur-basereactie is de overdracht van H⁺ tussen twee koppels.

• CH₃COOH + NH₃ ⇌ CH₃COO⁻ + NH₄⁺: zuur 1 en base 2 worden base 1 en zuur 2.

Syllabus R1.3 en R1.7: zuur-basereacties zijn overdracht van H⁺. Het woord zuur-basekoppel is een eigen omschrijving (naar analogie van redoxkoppel in R1.12); de base van een koppel heet ook wel de geconjugeerde base. Controle: CH₃COOH + NH₃ heeft 2 C, 7 H, 1 N, 2 O en lading 0; CH₃COO⁻ + NH₄⁺ heeft 2 C, 3 + 4 = 7 H, 1 N, 2 O en lading 1− + 1+ = 0. Kijkvraag bij de animatie: welk deeltje levert de H⁺ en welk neemt hem op, en welke twee deeltjes horen bij hetzelfde koppel? Bij een stilstaande weergave zie je alleen het eerste beeld. Zuur-base als reactiesoort kwam al kort aan bod bij reactievergelijkingen en soorten; hier gaat het om koppels en sterkte. Veelgemaakte fout: het zuur en de base van een koppel als twee losse stoffen zien in plaats van één koppel dat één H⁺ verschilt. Image credit: Eigen animatie voor deze les

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Deeltjes die zuur én base zijn

• Sommige deeltjes kunnen H⁺ afstaan én opnemen: ze horen bij twee zuur-basekoppels.

• HCO₃⁻ is base in H₂CO₃/HCO₃⁻ en zuur in HCO₃⁻/CO₃²⁻. H₂O is base in H₃O⁺/H₂O en zuur in H₂O/OH⁻.

• In water vormt H⁺ met een watermolecuul H₃O⁺: H⁺(aq) en H₃O⁺(aq) betekenen hetzelfde.

• Fosforzuur staat stapsgewijs H⁺ af: H₃PO₄, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻. De middelste twee zijn zuur én base.

• De partner bepaalt de rol: met een sterkere base is het deeltje zuur, met een sterker zuur is het base.

Syllabus R1.5 en R1.6 noemen H₂O + CO₂ / 'H₂CO₃' als zuur en HCO₃⁻ als base; dat HCO₃⁻ ook als zuur kan reageren is een uitbreiding voor vwo; zo'n deeltje heet ook wel een amfolyt, een woord dat niet in de syllabus staat en daarom niet wordt bevraagd; de sterktetabel laat HCO₃⁻ als zuur zien. Het syllabusdeeltje PO₄³⁻ staat in M1.1; H₂PO₄⁻ en HPO₄²⁻ komen hier als tussenvormen. Controle: HCO₃⁻ + H⁺ → H₂CO₃: 1 C, 3 O, 2 H, lading 0 aan beide kanten; HCO₃⁻ → CO₃²⁻ + H⁺: 1 H, lading 1− = 2− + 1+. Veelgemaakte fout: denken dat een deeltje óf zuur óf base is, in plaats van dat dit van de reactiepartner afhangt.

Kalksteen met schelpresten bestaat uit CaCO₃ (foto: James St. John, CC BY 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Reacties opstellen met koppels

• Stap 1: wijs zuur en base aan. Stap 2: verplaats één H⁺. Stap 3: tel atomen en lading.

• NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq) → NH₃(aq) + H₂O(l): NH₄⁺ is het zuur, OH⁻ de base.

• CO₃²⁻(aq) + H₃O⁺(aq) → HCO₃⁻(aq) + H₂O(l): carbonaat neemt één H⁺ per stap op.

• Zuur-base als reactiesoort kwam al kort aan bod bij reactievergelijkingen en soorten.

Syllabus R1.7: reacties tussen zuren en basen beschrijven met een reactievergelijking, en R1.1 (element- en ladingsbalans). Controle NH₄⁺ + OH⁻: 5 H, 1 N, 1 O en lading 0 links; NH₃ + H₂O geeft 3 + 2 = 5 H, 1 N, 1 O en lading 0. Controle CO₃²⁻ + H₃O⁺: 1 C, 4 O, 3 H en lading 2− + 1+ = 1− links; HCO₃⁻ + H₂O geeft 1 C, 3 + 1 = 4 O, 1 + 2 = 3 H en lading 1−. Met een tweede H⁺ ontstaat H₂CO₃, dat uiteenvalt in CO₂ en H₂O (de totaalreactie van kalk met zuur staat bij reactievergelijkingen en soorten). Veelgemaakte fout: twee H⁺ tegelijk verplaatsen of de lading vergeten. Image credit: James St. John / Flickr, CC BY 2.0

Welk deeltje is het zuur in het zuur-basekoppel met NH₃?

A

NH₂⁻

B

NH₄⁺

C

N₂H₄

D

NH₃⁺

NH₃ + H⁺ → NH₄⁺: het zuur van het koppel heeft één H⁺ méér. NH₂⁻ is de base die bij NH₃ als zuur hoort (verwachte fout: de richting omdraaien). Syllabus R1.3 en R1.7.

Vul in

Een zuur staat H⁺ af en wordt een base. Samen vormen ze een zuur-basekoppel dat één H⁺ verschilt.

H⁺

base

zuur-basekoppel

buffer

elektron

H⁺, base en zuur-basekoppel staan op de eerste dia van blok 1. Verwachte fout: elektron invullen (redox) of buffer voor zuur-basekoppel kiezen. Syllabus R1.3 en R1.7.

Animatie: alle HCl-deeltjes ioniseren, van CH₃COOH maar een klein deel (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Sterk of zwak: volledig of deels

• Zoutzuur, HCl(aq), is een sterk zuur: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻, volledig.

• Azijnzuur is een zwak zuur: CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺, deels en omkeerbaar.

• Ook HNO₃ en de eerste H⁺ van H₂SO₄ zijn sterk; CH₃COOH en H₂O + CO₂ zijn zwak.

• Sterk of zwak gaat over de mate van ioniseren, niet over concentratie of gevaar.

Syllabus R1.8: het verschil tussen sterke en zwakke zuren aangeven; R1.4: zoutzuur is HCl(aq). Controle HCl + H₂O: 3 H, 1 Cl, 1 O, lading 0; H₃O⁺ + Cl⁻ heeft 3 H, 1 O, 1 Cl, lading 1+ + 1− = 0. Controle CH₃COOH + H₂O: 2 C, 6 H, 3 O, lading 0; CH₃COO⁻ + H₃O⁺ heeft 2 C, 3 + 3 = 6 H, 2 + 1 = 3 O, lading 0. Kijkvraag bij de animatie: hoeveel deeltjes ioniseren er in elk vak, en gebeurt dat steeds dezelfde kant op? (HCl: allemaal en blijvend; CH₃COOH: een klein deel, en het kan terug.) In de animatie staat H⁺ voor H₃O⁺. Veelgemaakte fout: sterk verwarren met geconcentreerd; een verdund sterk zuur blijft een sterk zuur. De tweede H⁺ van H₂SO₄ komt niet volledig vrij; dit is de eerste stap. Image credit: Eigen animatie voor deze les

Roze kleur in een erlenmeyer bij een titratie (foto: Aya Taj al-Din, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Sterke en zwakke basen

• Natronloog, NaOH(aq), bevat OH⁻ uit het zout: NaOH(s) → Na⁺(aq) + OH⁻(aq).

• O²⁻ is een sterke base: O²⁻ + H₂O → 2 OH⁻ verloopt volledig.

• Ammonia, NH₃(aq), is een zwakke base: NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻, deels en omkeerbaar.

• Bij gelijke concentratie geeft de sterke base veel meer OH⁻ dan de zwakke.

Syllabus R1.4 (natronloog is NaOH(aq), ammonia is NH₃(aq)), R1.6 (basen NH₃, OH⁻, CO₃²⁻, O²⁻, HCO₃⁻) en R1.8 (sterk en zwak, hier ook voor basen). Controle O²⁻ + H₂O: 2 O, 2 H, lading 2−; 2 OH⁻ heeft 2 O, 2 H, lading 2−. Controle NH₃ + H₂O: 1 N, 5 H, 1 O, lading 0; NH₄⁺ + OH⁻ heeft 1 N, 4 + 1 = 5 H, 1 O, lading 1+ + 1− = 0. De foto toont een roze oplossing tijdens een titratie: een indicator als fenolftaleïen is roze in basisch milieu. Veiligheid bij natronloog en ammonia: veiligheidsbril, handschoenen, kleine hoeveelheden, afzuiging bij ammonia (stekende geur). Veelgemaakte fout: natronloog en ammonia als even sterk zien omdat beide 'basisch' zijn. Image credit: Aya Taj al-Din / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Zuur-basekoppels op volgorde van sterkte, met Kz bij 298 K (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Sterkte aflezen met Kz

• Zoek Kz op in Binas of ScienceData: hoe groter Kz, hoe sterker het zuur.

• Bij een sterk zuur is de base van het koppel geen merkbare base (Cl⁻, NO₃⁻).

• Hoe zwakker het zuur, hoe sterker de base van zijn koppel: CO₃²⁻ is sterker dan NH₃.

• Kb meet de sterkte van de base; rekenen met Kz en Kb komt bij pH-berekeningen.

Syllabus R1.8 (sterk en zwak) met R&A1.6 (Kz, Kb in een evenwicht). Waarden in de figuur zijn afgeronde literatuurwaarden bij 298 K (zoals in Binas tabel 49): H₃PO₄ 6,9·10⁻³, CH₃COOH 1,8·10⁻⁵, H₂O + CO₂ 4,5·10⁻⁷, NH₄⁺ 5,6·10⁻¹⁰, HCO₃⁻ 4,7·10⁻¹¹. Gebruik in een examenvraag altijd de gegeven waarde. Redenering voor CO₃²⁻ en NH₃: HCO₃⁻ (4,7·10⁻¹¹) is een zwakker zuur dan NH₄⁺ (5,6·10⁻¹⁰), dus CO₃²⁻ is een sterkere base dan NH₃. Veelgemaakte fout: denken dat een groot Kz een sterke base geeft in plaats van een sterk zuur. Image credit: Eigen figuur voor deze les

Zet de zuren van sterk naar zwak

1

NH₄⁺ (Kz 5,6·10⁻¹⁰)

2

H₃PO₄ (Kz 6,9·10⁻³)

3

H₂CO₃ (Kz 4,5·10⁻⁷)

4

CH₃COOH (Kz 1,8·10⁻⁵)

5

HCO₃⁻ (Kz 4,7·10⁻¹¹)

Op Kz: H₃PO₄ 6,9·10⁻³, CH₃COOH 1,8·10⁻⁵, H₂CO₃ 4,5·10⁻⁷, NH₄⁺ 5,6·10⁻¹⁰, HCO₃⁻ 4,7·10⁻¹¹. Verwachte fout: NH₄⁺ en HCO₃⁻ verwisselen omdat de exponenten dicht bij elkaar liggen (grotere negatieve exponent is kleiner). Syllabus R1.8.

Leg uit: waarom is Cl⁻ geen base, maar CH₃COO⁻ wel?

Goed antwoord: HCl is een sterk zuur dat volledig ioniseert, dus Cl⁻ neemt vrijwel geen H⁺ op. CH₃COOH is een zwak zuur, dus CH₃COO⁻ neemt wel H⁺ op (evenwicht). Verwachte fout: 'Cl⁻ is niet negatief genoeg' of de zuursterkte niet noemen. Syllabus R1.8.

Verweerde waterspuwer, volgens de maker door zure regen (foto: Nino Barbieri, CC BY 2.5)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Welke reactie verloopt?

• Vergelijk Kz van het zuur links met Kz van het zuur rechts van de pijl.

• Is die links groter, dan ligt het evenwicht rechts en verloopt de reactie.

• CH₃COOH + HCO₃⁻ ⇌ CH₃COO⁻ + H₂CO₃ ligt rechts: 1,8·10⁻⁵ is groter dan 4,5·10⁻⁷.

• H₂CO₃ valt uiteen in CO₂ en H₂O: daarom bruist het als een zuur met carbonaat reageert.

Syllabus R1.7 en R1.8 met R&A1.6 (Kz). De regel: in HA + B⁻ ⇌ A⁻ + HB ligt het evenwicht rechts als Kz(HA) groter is dan Kz(HB), dus de sterkere base en het sterkere zuur reageren. Controle: CH₃COOH + HCO₃⁻: 2 C + 1 C = 3 C, 4 + 1 = 5 H, 2 + 3 = 5 O, lading 1−; CH₃COO⁻ + H₂CO₃: 2 + 1 = 3 C, 3 + 2 = 5 H, 2 + 3 = 5 O, lading 1−. Het beeld toont een volgens de maker door zure regen aangetast beeld; stenen met carbonaat reageren met zuren, maar verwering heeft meer oorzaken. Veelgemaakte fout: alleen naar de sterkte van het ene zuur kijken in plaats van de twee zuren te vergelijken. Image credit: Nino Barbieri / Wikimedia Commons, CC BY 2.5

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Buffer: een stabiele pH

• Een buffer bevat een zwak zuur en de base van hetzelfde koppel in vergelijkbare hoeveelheden.

• Extra H₃O⁺: de base neemt H⁺ op, CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O.

• Extra OH⁻: het zuur staat H⁺ af, CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

• Daardoor verandert de pH maar weinig. De buffer is uitgewerkt als het zuur of de base bijna op is.

• HCl met Cl⁻ is geen buffer: Cl⁻ is te zwak als base. De pH van een buffer berekenen komt bij pH-berekeningen.

Syllabus R1.9: beschrijven wat buffersystemen zijn en aangeven hoe ze werken. Controle CH₃COO⁻ + H₃O⁺: 2 C, 6 H, 3 O, lading 0; CH₃COOH + H₂O heeft 2 C, 4 + 2 = 6 H, 2 + 1 = 3 O, lading 0. Controle CH₃COOH + OH⁻: 2 C, 5 H, 3 O, lading 1−; CH₃COO⁻ + H₂O heeft 2 C, 3 + 2 = 5 H, 2 + 1 = 3 O, lading 1−. De werking wordt hier beschreven; het uitrekenen van de buffer-pH hoort bij het onderwerp pH-berekeningen. Veelgemaakte fout: denken dat een buffer de pH helemaal constant houdt en nooit uitgeput raakt.

Een buisje bloed in een rek (foto: Dotodot, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Buffers in bloed

• In bloed werkt onder meer H₂CO₃/HCO₃⁻ (CO₂ + H₂O en HCO₃⁻) als buffer.

• Extra H₃O⁺: HCO₃⁻ + H₃O⁺ → H₂CO₃ + H₂O; H₂CO₃ valt uiteen in CO₂ en H₂O.

• Extra OH⁻: H₂CO₃ + OH⁻ → HCO₃⁻ + H₂O.

• Zo blijft de pH van het bloed bijna constant, ook als er zuur of base bijkomt.

Syllabus R1.9 met R1.5 (H₂O + CO₂ / 'H₂CO₃' als zuur) en R1.6 (HCO₃⁻ als base). Controle HCO₃⁻ + H₃O⁺: 1 C, 4 H, 4 O, lading 0; H₂CO₃ + H₂O heeft 1 C, 2 + 2 = 4 H, 3 + 1 = 4 O, lading 0. Controle H₂CO₃ + OH⁻: 1 C, 3 H, 4 O, lading 1−; HCO₃⁻ + H₂O heeft 1 C, 1 + 2 = 3 H, 3 + 1 = 4 O, lading 1−. De foto toont een bloedbuisje ter illustratie. Het bloed heeft meer buffersystemen; hier gaat het om koolzuur en waterstofcarbonaat. Veelgemaakte fout: HCO₃⁻ alleen als base zien, terwijl het hier als base reageert met H₃O⁺ en H₂CO₃ als zuur met OH⁻. Image credit: Dotodot / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Welk mengsel is een buffer?

A

HNO₃ en NO₃⁻

B

NaOH en NaCl

C

HCl en NaCl

D

CH₃COOH en CH₃COO⁻

Een buffer is een zwak zuur met de base van hetzelfde koppel. HNO₃ en HCl zijn sterke zuren, NO₃⁻ en Cl⁻ zijn geen merkbare basen, en NaOH is een sterke base. Verwachte fout: HNO₃ en NO₃⁻ kiezen omdat het ook een zuur-basepaar is. Syllabus R1.9.

Een buffer bevat NH₄⁺ en NH₃. Geef de reactie met H₃O⁺.

Goed antwoord: NH₃ + H₃O⁺ → NH₄⁺ + H₂O. Controle: 1 N, 6 H, 1 O links; 1 N, 4 + 2 = 6 H, 1 O rechts; lading 1+ aan beide kanten. De base uit het koppel neemt de H⁺ op. Verwachte fout: NH₄⁺ laten reageren met H₃O⁺. Syllabus R1.9 en R1.7.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Koppels, zuur én base

2

Sterk en zwak

3

Verloop voorspellen met Kz

4

Buffers uitleggen

Gebruik de uitkomst om te bepalen waar je in de examentraining mee begint.

Wat is het verschil tussen sterk en zwak zuur?

Goed antwoord: een sterk zuur ioniseert volledig (aflopend), een zwak zuur gedeeltelijk (evenwicht). Verwachte fout: antwoorden met een hoge of lage concentratie of met hoe bijtend het zuur is. Syllabus R1.8.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Begrippen (1/2)

• zuur: Deeltje dat H⁺ afstaat en daarbij een base wordt.

• base: Deeltje dat H⁺ opneemt en daarbij een zuur wordt.

• zuur-basekoppel: Zuur en base die precies één H⁺ verschillen.

• sterk zuur: Zuur dat in water volledig ioniseert, zoals zoutzuur.

• zwak zuur: Zuur dat gedeeltelijk ioniseert, in evenwicht.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · ZUREN · STERKTE EN BUFFERS

Begrippen (2/2)

• sterke base: Base die volledig reageert of OH⁻ levert, zoals natronloog.

• zwakke base: Base die gedeeltelijk H⁺ opneemt, zoals ammonia.

• Kz: Maat voor zuursterkte: groter Kz is sterker zuur.

• zuur-basereactie: Reactie waarbij H⁺ van een zuur naar een base gaat.

• buffer: Zwak zuur plus de base van dat koppel: de pH verandert weinig.