Chemie Overal 5e ed - Hoofdstuk 8 - Zuren oefentoetsen & antwoorden

Wanneer zijn oplossingen neutraal, zuur of basisch?Oplossingen waarbij de pH-waarde gelijk zijn aan 7 zijn neutrale oplossingen. Oplossingen waarbij de pH-waarde lager zijn dan 7 zijn zure oplossingen. Oplossingen waarbij de pH-waarde hoger zijn dan 7 zijn basische oplossingen. Dus:Oplossing I heeft een pH van 4,0 en is dus een zure oplossing. Oplossing II heeft een pH van 7,0 en is dus een neutrale oplossing. Oplossing III heeft een pH van 13,0 en is dus een basische oplossing. Naast de pH-meter zij er nog drie andere indicatoren die je kunt gebruiken om de pH van de onbekende oplossingen te meten. LakmoespapierLakmoespapier is papier waarop de stof lakmoes is aangebracht. De kleur van lakmoes hangt af van de zuurgraad. In een zure oplossing kleurt het blauwe lakmoespapier rood en in een basische oplossing kleurt het rode lakmoespapier blauw. Universeel indicatorpapierOm de pH nauwkeuriger te bepalen maak je gebruik van universeel indicatorpapier. Dat is papier waarop een mengsel van verschillende indicatoren is aangebracht, die afhankelijk van de pH-waarde samen een continu verlopende kleurenreeks vertonen. Deze kleuren staan op het doosje vermeld. OplossingenEr zijn ook oplossingen van kleurstoffen die bruikbaar zijn als indicator. Een overzicht van een aantal van deze stoffen staan in BINAS Tabel 52A vermeld. Bij het oplossen van zuren in water ontstaan er altijd H3O+-ionen. Het H3O+-ion wordt in de scheikunde ook wel het oxoniumion genoemd. Wanneer sterke zuren worden opgelost in water ontstaan er uitsluitend oxoniumionen en zuurrest-ionen. Dit gebeurt in een aflopende reactie.Wanneer zwakke zuren worden opgelost in water ontstaan er niet uitsluitend oxoniumionen en zuurrest-ionen. De beginstoffen zullen na de reactie nog steeds aanwezig zijn. Het oplossen van zwakke zuren in water zijn dus altijd evenwichtsreacties.Reactie 1 is een aflopende reactie, dus zoutzuur is een sterk zuur. Reactie 2 is een evenwichtsreactie, dus fosforzuur is een zwak zuur. Tip: in BINAS Tabel 59 kan je opzoeken welke zuren sterk zijn en welke zuren zwak zijn. De zuren waarbij een >>1 teken staan vermeld zijn sterke zuren. Alle overige zuren zijn zwakke zuren.Een organisch zuur is een stof met een koolstofskelet en een -COOH groep. Het H-atoom in deze zuurgroep kan worden afgestaan als H+-ion. Een anorganisch zuur is een stof zonder een koolstofketen. De molecuulformule van zwavelzuur is H2SO4 en is een anorganisch zuur. Zwavelzuur heeft namelijk geen koolstofketen, aangezien er geen koolstofatomen aanwezig zijn in een molecuul zwavelzuur. De structuurformule van butaanzuur wordt hieronder weergegeven en is een organisch zuur, aangezien er een koolstofskelet (4 koolstofatomen) aanwezig is.De molecuulformule van koolzuur is H2CO3. Koolzuur is een instabiel zuur en dus geen organisch of anorganisch zuur. Koolzuur bestaan in feite alleen als oplossing van CO2 in water. Als je CO2 in water oplost, dan krijg je de volgende reactie: CO2 (aq) + 2 H2O (l) ⮀ H3O+ (aq) + HCO3- (aq)Er zou nog een tweede reactie kunnen verlopen: HCO3- (aq) + H2O (l) ⮀ H3O+ (aq) + CO32- (aq)Het zuur is dus in staat om twee H3O+-ionen te laten ontstaan. Koolzuur (H2CO3) is dus niet alleen een instabiel zuur, maar ook een meerwaardig zuur, aangezien het meerdere H3O+-ionen kan afstaan. Om de pH te berekenen van sterke zuren maak je gebruik van: pH = - log [H3O+]Let op de volgende regels: De pH heeft geen eenheidDe [H3O+] is de concentratie H3O+ in mol/L.  Salpeterzuur is een sterk zuur en is dus in staat om volledig H3O+-ionen te vormen in een aflopende reactie.De formule van salpeterzuur is HNO3 (l). De formule van een salpeterzuuroplossing is H3O+ (aq) + NO3- (aq)In onderstaande reactievergelijking wordt het oplossen van salpeterzuur inzichtelijk gemaakt. Salpeterzuur + water --> oxoniumion + zuurrestionSalpeterzuur + water --> salpeterzuuroplossing HNO3 (l) + H2O (l) --> H3O+ (aq) + NO3- (aq)Hoe lager de pH hoe zuurder de oplossing en dus ook des te meer H3O+-ionen erin aanwezig zitten. In flesje 3 is de H3O+-concentratie het grootst, aangezien flesje 3 de laagste pH-waarde heeft. Het juiste antwoord is D. In BINAS Tabel 52A worden de zuurbase-indicatoren weergegeven. Methyloranje heeft een omslagtraject tussen de 3,2 en 4,4. De vloeistof in flesje 2 heeft een pH-waarde van 7 en kan dus niet met methyloranje worden gemeten.Broomfenolrood heeft een omslagtraject tussen de 5,2 en 6,8 en is dus ook niet geschikt om te gebruiken als indicator. In een neutrale oplossing behouden rood en blauw lakmoespapier hun oorspronkelijke kleur en kan dus ook niet gebruikt worden als een geschikte indicator. De indicator die Fiona moet gebruiken is dus universeel indicatorpapier. Fosforzuur is een zwak zuur en is dus niet in staat om volledig H3O+-ionen te vormen. Er is sprake van een evenwichtsreactie. De formule van fosforzuur is H3PO4 (l).De formule van een fosforzuuroplossing is H3PO4 (aq)Let op: formules van oplossingen van sterke zuren worden anders genoteerd dan formules van oplossingen van zwakke zuren. Sterke zuren zijn sterk en kunnen dus volledig alle H3O+-ionen afstaan. Zwakke zuren zijn zwak en kunnen dus niet volledig alle H3O+-ionen afstaan. Fosforzuur is geen instabiel zuur maar een zwak zuur. Voorbeelden van instabiele zuren zijn koolzuur en zwaveligzuur, aangezien deze zuren alleen in een oplossing met water kunnen voorkomen.  De molecuulformule van waterstofcyanide is HCN. De structuurformule van HCN wordt hieronder weergegeven. Let bij het tekenen van de structuurformule van HCN op de volgende punten: De covalentie van waterstof (H) is 1. De covalentie van koolstof (C) is 4 en de covalentie van stikstof (N) is 3. Er moet een drievoudige binding getekend worden tussen het C-atoom en het N-atoom. De covalentie van de verschillende atoomsoorten zijn te vinden in BINAS Tabel 40A. Een waterstofcyanide-oplossing wordt genoteerd met HCN (aq). Deze oplossing is een zwak zuur. Wanneer oplossingen de elektrische stroom kunnen geleiden moeten er aan twee voorwaarden worden voldaan: In de oplossing zijn geladen deeltjes aanwezig. In de oplossing kunnen deze geladen deeltjes vrij bewegen. De reactievergelijking voor het oplossen van waterstofcyanide is: HCN (aq) + H2O (l) ⮀ H3O+ (aq) + CN- (aq)Aangezien dit een evenwichtsreactie is, zullen er aan het einde van de reactie nog steeds HCN-moleculen en een kleine hoeveelheid van H3O+ (aq) en CN- (aq)-ionen aanwezig zijn. Door de kleine hoeveelheid van deze geladen deeltjes (die vrij in de oplossing kunnen bewegen) zal een waterstofcyanide-oplossing enigszins de elektrische stroom geleiden. Het zal een kleine elektrische stroom zijn met een lage stroomsterkte. Het berekenen van de pH van zwakke zuren is lastiger dan het berekenen van de pH van sterke zuren. Bij de sterke zuren mag je rechtstreeks de formule pH = - log [H3O+] gebruiken. Bij het berekenen van de pH van zwakke zuren moet er rekening worden gehouden met het feit dat dit evenwichtsreacties zijn en geen aflopende reacties. Om inzicht te krijgen in dit soort berekeningen is het vaak handig om systematisch te werk te gaan met een stappenplan. Stap 1 Concentratie HCN berekenen in mol/LDe reactievergelijking voor het oplossen van HCN wordt hieronder weergegeven. HCN (aq) + H2O (l) ⮀ H3O+ (aq) + CN- (aq)Gegevens:m = 2,2 gram HCNMolaire massa (M) van HCN is 27,028 g/molFormule:$n = \frac{m}{M}$ dus $\frac{2.2}{27.028} = 0.081$ mol HCN in 4500 mL.Dit is gelijk aan $0.081$ mol HCN in 4,5 L.$c = \frac{n}{V}$ dus $\frac{0.081…}{4.5} = 0.018$ mol/L Stap 2 Het opstellen van een BOE-SchemaAan het begin van de reactie is de concentratie HCN gelijk aan $0.018$ mol/L. Tijdens de reactie wordt er $x$ omgezet. Aan het eind van de reactie is er $0.018-x$ HCN over. Aan het begin van de reactie zijn er nog geen H3O+ en CN--ionen dus bij Begin worden daar de getallen 0 ingevuld. Na de reactie zijn deze deeltjes wel gevormd dus x. HCN (aq)H2O (l)H3O+ (aq)CN- (aq)Begin0,018-00Omgezet-x-+x+xEind0,018-x-xxStap 3 De evenwichtsconstante Kz opstellenDe Kz van zwakke zuren zijn te vinden in BINAS Tabel 57. De Kz van HCN is gelijk aan 6,1 · 10-10$K_z \frac{[H_3O^+] \cdot [CN]}{[HCN]} = 6.1 \cdot 10^{-10}$Stap 4 De evenwichtsconstante Kz invullen aan de hand van BOE-Schema$\frac{x^2}{0.018 - x} = 6.1 \cdot 10^{-10}$Stap 5 Wiskundig uitrekenen van x $x^2 = 6.1 \cdot 10^{-10}$ ($0.018-x$)$x^2 = -6.1 \cdot 10^{-10} + 1.098 \cdot 10^{-11}$$x^2 + 6.1 \cdot 10^{-10} - 1.098 \cdot 10^{-11} = 0$Toepassen van de ABC-Formule:$D = b^2 – 4ac$ $D = (6.1 \cdot 10^{-10})^2 – 4 \cdot 1 \cdot - 1.098 \cdot 10^{-11} = 4.39 \cdot 10^{-11}$ $x = \frac{-b + \sqrt{D}}{2a} = \frac{-6.1 \cdot 10^{-10} + \sqrt{4.39 \cdot 10^{-11}}}{2 \cdot 1} = 3.3 \cdot 10^-6$Dus [H3O+] $= 3.3 \cdot 10^{-6}$ mol/LStap 6 pH berekenen aan de hand van de formule pH = - log [H3O+] $= -\log{(3.3 \cdot 10^{-6})} = 5.48$  Let op de volgende punten: Het aantal decimalen in de pH moeten gelijk zijn aan het aantal significante cijfers uit de opgave. In de opgave wordt er gesproken over 2,2 gram en 4500 mL water. Afronden gebeurd altijd op de minst aantal significante cijfers, in dit geval dus twee. Het aantal decimalen in de pH moet dus gelijk zijn aan 2. Het getal 5,48 heeft 2 decimalen en is dus correct. Antwoorden als 5,5 en 5,479 zijn dus niet goed.  De reactievergelijking van de vorming van calciumoxalaatdihydraat uit een oplossing van calciumionen en oxalaationen wordt hieronder weergegeven. Ca2+ (aq) + C2O42- (aq) + 2 H2O (l) --> CaC2O4 · 2 H2O (s) Let op de volgende punten: De formule van calciumionen is te vinden in BINAS Tabel 45A. In de systematische naam van calciumoxalaatdihydraat geeft het voorvoegsel ‘di’ aan dat de ionen met twee watermoleculen moeten reageren. In de systematische naam van calciumoxalaatdihydraat geeft het achtervoegsel ‘hydraat’ aan dat de stof een zouthydraat is. Tussen de formule van het zout en het aantal gebonden watermoleculen moet er een · genoteerd worden. De toestandsaanduiding van ionen zijn altijd (aq), die van water (l) en de toestandsaanduiding van zouthydraten zijn altijd (s). De berekening gaat volgens een aantal stappen. Stap 1: bereken de massa struviet in gram $V = 0.52$ mm3 = $0.00052$ cm3$p = 1.7$ g/cm3$m = p \cdot V$ $m = 1.7 \cdot 0.00052 = 0.000884$ gram $= 8.84 \cdot 10^{-4}$ gram Stap 2: bereken de molaire massa van struviet in g/mol De verhoudingsformule van struviet is MgNH4PO4M MgNH4PO4 $= 24.31 + 14.01 + (4 \cdot 1.008) + 30.97 + (4 · 16.00) = 137.322$ g/mol Stap 3: bereken het aantal mol struviet$n = \frac{m}{M} = \frac{8.84 \cdot 10^{-4}}{137.322} = 6.4 \cdot 10^{-6}$ molLet op: afronden op twee significante cijfers! In BINAS Tabel 49A is te zien dat het ammonium-ion (NH4+) een zwak zuur is. Zwakke zuren reageren met water in een evenwichtsreactie. De reactievergelijking voor het oplossen van een ammoniumion in water wordt:NH4+ (aq) + H2O (l) ⮀ H3O+ (aq) + NH3 (aq) Om de [H3O+] rechtstreeks te berekenen waarbij de pH bekend is, maak je gebruik van de formule [H3O+] = 10-pHDus [H3O+] = 10-4,5 = 3 · 10-5 MLet op de volgende punten: In de gegeven pH is er één decimaal vermeld, dus het antwoord moet hier ook worden afgerond op één significant cijfer. Antwoorden als 3,2 · 10-5 zijn dus fout. De [H3O+] heeft als eenheid M of mol/L. Vergeet niet om de eenheid achter het getal te schrijven.  Zwavelzuur is een sterk zuur. In BINAS Tabel 49 is namelijk achter zwavelzuur  (H2SO4) een >>1 teken vermeld, wat aangeeft dat dit deeltje een sterk zuur is. Het oplossen van zwavelzuur in water wordt in onderstaande reactievergelijking weergegeven. De reactie is een aflopende reactie. H2SO4 (l) + H2O (l) --> H3O+ (aq) + HSO4- (aq)De HSO4--ionen die bij deze reactie ontstaan functioneren als een zwak zuur. In BINAS Tabel 49 is te zien dat de Kz-waarde van HSO4- gelijk is aan 1,0 · 10-2.In BINAS Tabel 49 is te zien dat de Kz-waarde van HSO3- gelijk is aan 6,2 · 10-8.Hoe lager de Kz-waarde hoe zwakker het zuur is. De Kz-waarde van HSO3- is veel lager dan de Kz-waarde van HSO4- en dus is HSO3- zwakker dan HSO4-. Het deeltje HSO3- is dus een zwakker zuur dan HSO4-.