Polaris Scheikunde - Hoofdstuk 7 - Zuren en basen oefentoetsen & antwoorden

Een stof kan stroom geleiden als het aan de volgende twee voorwaarden voldoet:Er zijn geladen deeltjes aanwezigDeze geladen deeltjes kunnen vrij bewegen.In een zure oplossing zitten geladen deeltjes (zoals H3O+) die vrij door de oplossing kunnen bewegen. Daarom geleidt een zure oplossing stroom.Een zwakke base in water neemt H+ van H2O op. Dit is een evenwichtsreactie.F−+H2O⇆HF+OH−\rm F^- + H_2O \leftrightarrows HF + OH^-F−+H2​O⇆HF+OH− Wanneer CH3CH2COOH\rm CH_3CH_2COOHCH3​CH2​COOH een $\rm H^+$ afstaat, dan blijft het zuurrestion $\rm CH_3CH_2COO^-$ achter. Deze twee deeltjes vormen samen een zuurbase koppel. Dit is dus niet met $\rm NH_3$. In de Binas tabel zien we dat broomthymolblauw geel is als de pH onder de 6,0 zit.Bij pH = 5,8 heeft de oplossing dus een gele kleur. Een sterk zuur is aflopend en zal dus volledig worden omgezet in ionen. Er zijn dus veel geladen deeltjes.Een zwak zuur is in evenwicht en zal dus maar voor een deel worden omgezet in ionen. Er zijn minder vrije ionen in de oplossing aanwezig.Hierdoor zal een sterk zuur beter stroom geleiden dan een zwak zuur.Doordat er bij het sterke zuur meer H3O+ aanwezig is, is de pH ervan lager. Je kan dit ook zien aan de formule pH=−log [H3O+]\rm pH = -log\ [H_3O^+]pH=−log [H3​O+].Een sterk zuur is niet automatisch een gevaarlijker zuur. Dit hangt onder andere af van de gebruikte concentratie en de toepassing. Sterk zuur, dus het is een aflopende reactie.$\rm HNO_3 + H_2O \to H_3O^+ + NO_3^-$Zwak zuur, dus het is een evenwichtsreactie. Er zal daarom maar 1 H+ worden afgestaan.$\rm H_2S + H_2O \leftrightarrows H_3O^+ + HS^-$Kaliumoxide: K2O\rm K_2OK2​O, een goed oplosbaar zout.K2O→2 K++O2−\rm K_2O \to 2\ K^+ + O^{2-}K2​O→2 K++O2−Het negatieve ion reageert vervolgens als sterke base met water.O2−+H2O→2 OH−\rm O^{2-} + H_2O \to 2\ OH^-O2−+H2​O→2 OH−Je kan de reactie ook in één keer geven:$\rm K_2O + H_2O \to 2\ K^+ + 2\ OH^-$K2O+H2Oto2 K++2 OH−NaCN, een goed oplosbaar zoutNaCN→Na++CN−\rm NaCN \to Na^+ + CN^-NaCN→Na++CN−Het negatieve ion reageert vervolgens als zwakke base met water.CN−+H2O⇆HCN+OH−\rm CN^- + H_2O \leftrightarrows HCN + OH^-CN−+H2​O⇆HCN+OH−Hier kan je de reactie niet in één keer geven, omdat de tweede reactie een evenwichtsreactie is en de eerste reactie een aflopende reactie. Gegeven[zoutzuur]=[H3O+]=0,10 M\rm [zoutzuur] = [H_3O^+]= 0,10\ M[zoutzuur]=[H3​O+]=0,10 MGevraagdpH=?\rm pH = ?pH=?FormulepH=−log[H3O+]\rm pH = -log[H_3O^+]pH=−log[H3​O+]BerekeningpH=−log(0,10)=1,00\rm pH = -log (0,10) = 1,00pH=−log(0,10)=1,00ConclusieHet zoutzuur heeft een pH van 1,00.Gegeven[natronloog]=[OH−]=0,25 M\rm [natronloog] = [OH^-]= 0,25\ M[natronloog]=[OH−]=0,25 MGevraagdpH=?\rm pH = ?pH=?FormulepOH=−log[OH−]\rm pOH = -log[OH^-]pOH=−log[OH−]pH+pOH=14,00\rm pH + pOH = 14,00pH+pOH=14,00BerekeningpOH=−log(0,25)=0,602\rm pOH = -log (0,25) = 0,602pOH=−log(0,25)=0,602pH=14,00−0,602=13,40\rm pH = 14,00 - 0,602 = 13,40pH=14,00−0,602=13,40ConclusieDe natronloog heeft een pH van 13,40.GegevenpH=3,00\rm pH = 3,00pH=3,00Gevraagd[H3O+]=? M\rm [H_3O^+] = ?\ M[H3​O+]=? MFormule[H3O+]=10−pH\rm [H_3O^+] = 10^{-pH}[H3​O+]=10−pHBerekening[H3O+]=10−3,00=1,0⋅10−3 M\rm [H_3O^+] = 10^{-3,00} = 1,0\cdot 10^{-3} \ M[H3​O+]=10−3,00=1,0⋅10−3 MConclusieDe $\rm [H_3O^+]$ is 1,0⋅10−3 M\rm 1,0\cdot 10^{-3} \ M1,0⋅10−3 MGegevenpH=11,89\rm pH = 11,89pH=11,89Gevraagd[OH−]=? M\rm [OH^-] = ?\ M[OH−]=? MFormulepOH=14,00−pH\rm pOH = 14,00 - pHpOH=14,00−pH[OH−]=10−pOH\rm [OH^-] = 10^{-pOH}[OH−]=10−pOHBerekeningpOH=14,00−11,89=2,11\rm pOH = 14,00 - 11,89 = 2,11pOH=14,00−11,89=2,11[OH−]=10−2,11=7,8⋅10−3 M\rm [OH^-] = 10^{-2,11} = 7,8\cdot 10^{-3}\ M[OH−]=10−2,11=7,8⋅10−3 MConclusieDe [OH-] is 7,8⋅10−3 M\rm 7,8\cdot 10^{-3}\ M7,8⋅10−3 M Voor het opstellen van de zuur-base reacties volg je de volgende stappen:Noteer de formules van de aanwezige deeltjes. Noteer de formules van het zuur en de base voor de reactiepijl.Bekijk hoeveel H+-ionen worden overgedragen.Noteer de reactieproducten na de pijl.Controleer of er een instabiel zuur is ontstaan.Waterstoffluoride: HF (zwak zuur) en een oplossing van NaCN, dus CN- (zwakke base). Zwak en zwak is een evenwichtsreactie.HF+CN−⇆\rm HF + CN^- \leftrightarrowsHF+CN−⇆Het zuur kan 1 H+ afstaan en de base kan 1 H+ opnemen.HF+CN−⇆F−+HCN\rm HF + CN^- \leftrightarrows F^- + HCNHF+CN−⇆F−+HCNEr ontstaat geen instabiel zuur.De reactie is dus HF+CN−⇆F−+HCN\rm HF + CN^- \leftrightarrows F^- + HCNHF+CN−⇆F−+HCN  Fosforzuur H3PO4 (zwak zuur) en BaC2O4 (vast zout met een zwak basisch ion). Zwak en zwak is een evenwichtsreactie.H3PO4+BaC2O4⇆\rm H_3PO_4 + BaC_2O_4 \leftrightarrowsH3​PO4​+BaC2​O4​⇆Het zuur kan 3 H+ afstaan en de base kan 2 H+ opnemen. De verhouding is dus 2 :3.Er ontstaat een vaste stof, dus een zout: Ba3(PO4)2\rm Ba_3(PO_4)_2Ba3​(PO4​)2​. De base wordt $\rm H_2C_2O_4$.Er ontstaat geen instabiel zuur.De reactie is 2 H3PO4+3 BaC2O4⇆3 H2C2O4+Ba3(PO4)2\rm 2\ H_3PO_4 + 3\ BaC_2O_4 \leftrightarrows 3\ H_2C_2O_4 + Ba_3(PO_4)_22 H3​PO4​+3 BaC2​O4​⇆3 H2​C2​O4​+Ba3​(PO4​)2​   We gebruiken de gegevens uit Binas tabel 52A.Kresolrood kleurt geel bij een pH onder de 7,0 (en boven de 1,0).Dimethylgeel kleurt geel bij een pH boven de 4,0.Max kan dus zeggen dat de oplossing een pH heeft tussen de 4,0 en de 7,0.Een zure oplossing heeft een pH onder de 7,0. Dit is het geval, dus het is een zure oplossing.Om de pH zo nauwkeurig mogelijk te bepalen kies je indicatoren waarmee de ondergrens en bovengrens zo dicht mogelijk bij de echte waarde komen.Een mogelijke indicator als ondergrens is broomkresolgroen. Dit kleurt groen bij pH boven 5,4.Een mogelijke indicator als bovengrens is broomthymolblauw. Dit kleurt geel bij pH onder de 6,0.Lakmoes verandert van kleur bij pH = 5,5, maar dit omslagtraject is vaag waardoor je het niet met zekerheid kan vaststellen.Methylrood heeft een omslagtraject in pH tussen de 4,8 en 6,0. Als de pH hiertussenin zit dan is de kleur een mengsel van de kleuren bij lagere en hogere pH-waarden.De mengkleur van rood en geel is oranje.De kleur van de oplossing wordt dus oranje. Eerst lossen we het zout op in water:$\rm Fe(NO_3)_3 \to Fe^{3+} + 3\ NO_3^-$Het ijzer(III)-ion kan vervolgens in gehydrateerde vorm reageren met water. In Binas tabel 49 zie je dat het om een zwak zuur gaat.$\rm Fe(H_2O)_6^{3+} + H_2O \leftrightarrows Fe(H_2O)_5(OH)^{2+} + H_3O^+$Evenwichtsvoorwaarde:$\rm K_z = \frac{[Fe(H_2O)_5(OH)^{2+}][H_3O^+]}{[Fe(H_2O)_6^{3+}]}$De ijzer(III)nitraatoplossing is zuur. Bij toevoeging van natronloog krijg je de volgende reactie:$\rm H_3O^+ + OH^- \to 2\ H_2O$De pH zal dus stijgen richting 7,00. Als er een overmaat natronloog is toegevoegd, dan zal de pH verder stijgen en de oplossing basisch worden.Een amfolyt kan zowel als zuur en als base reageren:Als zuur: $\rm HCO_3^- + OH^- \to CO_3^{2-} + H_2O$Als base: $\rm HCO_3^- + H_3O^+ \to H_2CO_3 + H_2O$Hierbij is koolzuur een instabiel zuur dat bestaat uit CO2 en H2O, dus:$\rm HCO_3^- + H_3O^+ \to CO_2 + 2\ H_2O$Een amfolyt reageert als zuur wanneer Kz > Kb en als base wanneer Kb > KzIn Binas tabel 49 staat: $\rm K_z\ HCO_3^- = 4,7 \cdot10^{-11}$ en $\rm K_b\ HCO_3^- = 2,2 \cdot10^{-8}$  Hier is Kb > Kz, dus de oplossing reageert basisch.Gegeven$\rm [HCO_3^-] = 0,010\ M$$\rm V = 100\ mL$$\rm n\ _{H_3O^+} = 0,0013\ mol$GevraagdpH van de oplossingFormule$\rm Molariteit = \frac{n}{V}$$\rm pH = -log\ [H_3O^+]$BerekeningUit de reactie (zie vraag d) blijkt dat de molverhouding 1:1 is, dus kijk je welke stof in overmaat aanwezig is.$\rm n HCO_3^- = 0,100\ L \times 0,10\ M = 0,0010\ mol$Er is dus $\rm 0,0013 - 0,0010 =0,0003\ mol\ H_3O^+$ over.$\rm [H_3O^+] = \frac{0,0003}{0,100} = 0,003\ M$$\rm pH = -log (0,003) = 2,52$ ConclusieDe pH van de oplossing is 2,52. GegevenpH=4,50\rm pH = 4,50pH=4,50Kz butaanzuur=1,5⋅10−5\rm K_z\ butaanzuur = 1,5\cdot 10^{-5}Kz​ butaanzuur=1,5⋅10−5 (uit Binas tabel 49)volume oplossing=200 mL\rm volume\ oplossing = 200\ mLvolume oplossing=200 mLGevraagdMassa butaanzuur = ? gFormules[H3O+]=10−pH\rm [H_3O^+] = 10^{-pH}[H3​O+]=10−pHKz=[H3O+][Zuurrestion][Butaanzuur]\rm K_z = \frac{[H_3O^+][Zuurrestion]}{[Butaanzuur]}Kz​=[Butaanzuur][H3​O+][Zuurrestion]​n=Molariteit⋅Volume\rm n = Molariteit \cdot Volumen=Molariteit⋅Volumemassa=n⋅molairemassa\rm massa = n \cdot molaire massamassa=n⋅molairemassaBerekening[H3O+]=10−4,50=3,16⋅10−5 M\rm [H_3O^+] = 10^{-4,50} = 3,16 \cdot 10^{-5}\ M[H3​O+]=10−4,50=3,16⋅10−5 MZwak zuur, dus we vullen het reactieschema in:ButaanzuurH2OZuurrestionH3O+begin$x$$0$$0$reactie−3,16⋅10−5-3,16\cdot 10^{-5}−3,16⋅10−5+3,16⋅10−5+3,16\cdot 10^{-5}+3,16⋅10−5+3,16⋅10−5+3,16\cdot 10^{-5}+3,16⋅10−5evenwichtx−3,16⋅10−5x-3,16\cdot 10^{-5}x−3,16⋅10−53,16⋅10−53,16\cdot 10^{-5}3,16⋅10−53,16⋅10−53,16\cdot 10^{-5}3,16⋅10−51,5⋅10−5=3,16⋅10−5x−3,16⋅10−5\rm 1,5\cdot 10^{-5} = \frac{3,16\cdot 10^{-5}}{x-3,16\cdot 10^{-5}}1,5⋅10−5=x−3,16⋅10−53,16⋅10−5​x=9,821⋅10−5 M butaanzuur\rm x = 9,821\cdot 10^{-5}\ M\ butaanzuurx=9,821⋅10−5 M butaanzuur9,821⋅10−5 M×0,200 L=1,964⋅10−5 mol\rm 9,821\cdot 10^{-5}\ M \times 0,200\ L = 1,964\cdot10^{-5}\ mol9,821⋅10−5 M×0,200 L=1,964⋅10−5 molMbutaanzuur=4×12,01+8×1,008+2×16,00=88,11 g/mol\rm M_{butaanzuur} = 4\times 12,01 + 8\times 1,008 + 2\times 16,00=88,11\ g/molMbutaanzuur​=4×12,01+8×1,008+2×16,00=88,11 g/molmassa=1,964⋅10−5×88,11=1,73⋅10−3 g=1,73 mg\ butaanzuur\rm massa = 1,964\cdot 10^{-5} \times 88,11 = 1,73\cdot 10^{-3}\ g = 1,73\ mg\  butaanzuurmassa=1,964⋅10−5×88,11=1,73⋅10−3 g=1,73 mg butaanzuur ConclusieJe moet 1,73 mg butaanzuur oplossen in 200 mL water om een pH van 4,50 te krijgen.GegevenpHbegin=4,50\rm pH_{begin} = 4,50pHbegin​=4,50pHeind=4,80\rm pH_{eind} = 4,80pHeind​=4,80Vbegin=200 mL\rm V_{begin} = 200\ mLVbegin​=200 mLGevraagdHoeveel mL water moet worden toegevoegd voor de nieuwe pH.Formule[H3O+]=10−pH\rm [H_3O^+] = 10^{-pH}[H3​O+]=10−pHVeind=nM\rm V_{eind} = \frac{n}{M}Veind​=Mn​BerekeningBij $\rm pH_{begin} = 4,50$ is $\rm [H_3O^+] = 10^{-4,50} = 3,16 \cdot 10^{-5}\ M$ aanwezig.3,16x10−5×0,200=6,32⋅10−6 mol\rm 3,16x10{-5} \times 0,200 = 6,32\cdot 10^{-6}\ mol3,16x10−5×0,200=6,32⋅10−6 molBij $\rm pH_{eind} = 4,80$ is [H3O+]=10−4,80=1,58⋅10−5 M\rm [H_3O^+] = 10^{-4,80} = 1,58\cdot 10^{-5}\ M[H3​O+]=10−4,80=1,58⋅10−5 MBij verdunnen blijft het aantal mol H3O+ hetzelfde, maar de molariteit verandert. $\rm V_{eind} = \frac{6,32 \cdot 10^{-6}}{1,58 \cdot 10^{-5}} = 0,400\ L$Vtoegevoegd=0,400−0,200=0,200 L\rm V_{toegevoegd} = 0,400 - 0,200 = 0,200\ LVtoegevoegd​=0,400−0,200=0,200 LConclusieEr moet 200 mL water worden toegevoegd om van pH = 4,50 naar pH = 4,80 te gaan. Gegeven[S2−]begin= 2,84⋅10−3 M\rm [S^{2-}]_{begin} =  2,84\cdot10^{-3}\ M[S2−]begin​= 2,84⋅10−3 M\Kb H2S=1,1⋅10−7\K_b\ H_2S = 1,1\cdot10^{-7}Kb​ H2​S=1,1⋅10−7 (Uit Binas tabel 49)GevraagdpH van de oplossing.FormulespOH=−log [OH−]\rm pOH = -log\ [OH^-]pOH=−log [OH−]pH=14,00−pOH\rm pH = 14,00 - pOHpH=14,00−pOHKb=[H2S] [OH−][HS−]\rm K_b = \frac{[H_2S]  [OH^-]}{[HS^-]}Kb​=[HS−][H2​S] [OH−]​ (evenwichtsvoorwaarde bij de tweede stap)BerekeningDe sterke base reageert volgens de reactie S2−+H2O→HS−+OH−\rm S^{2-} + H_2O \to HS^- + OH^-S2−+H2​O→HS−+OH−Dit is een aflopende reactie in de molverhouding 1:1, dus er ontstaat ook 2,84⋅10−3 M OH−=[OH−]sterk 2,84\cdot10^{-3}\ M\ OH^- = [OH^-]_{sterk}2,84⋅10−3 M OH−=[OH−]sterk​.De gevormde zwakke base reageert volgens de reactie HS−+H2O⇆H2S+OH−\rm HS^- + H_2O \leftrightarrows H_2S + OH^-HS−+H2​O⇆H2​S+OH−Dit is een evenwichtsreactie, dus voor deze [OH−]\rm [OH^-][OH−] gebruiken we een rekenschema.We willen x weten. De reactie is molverhouding 1:1, dus kunnen we het als volgt invullen:HS-H2OH2SOH-begin2,84⋅10−32,84\cdot10^{-3}2,84⋅10−300reactie−x-x−x+x+x+x+x+x+xevenwicht2,84⋅10−3−x2,84\cdot10^{-3}-x2,84⋅10−3−xxxxxxxEvenwichtsvoorwaarde: Kb=[H2S] [OH−][HS−]\rm K_b = \frac{[H_2S]  [OH^-]}{[HS^-]}Kb​=[HS−][H2​S] [OH−]​1,1⋅10−7=x⋅x2,84⋅10−3−x\rm 1,1 \cdot 10^{-7} = \frac{x \cdot x}{2,84\cdot10^{-3}-x}1,1⋅10−7=2,84⋅10−3−xx⋅x​x=2,84⋅10−3×1,1⋅10−7\rm x = \sqrt{2,84{\cdot}10^{-3} \times 1,1 {\cdot} 10^{-7}}x=2,84⋅10−3×1,1⋅10−7​x=1,77⋅10−5=[OH−]zwak\rm x = 1,77\cdot 10^{-5} = [OH^-]_{zwak}x=1,77⋅10−5=[OH−]zwak​De [OH−]totaal=[OH−]sterk+[OH−]zwak\rm [OH^-]_{totaal} = [OH^-]_{sterk} + [OH^-]_{zwak}[OH−]totaal​=[OH−]sterk​+[OH−]zwak​.Dus [OH−]totaal=2,84⋅10−3+1,77⋅10−5=2,86⋅10−3 M OH−\rm [OH^-]_{totaal} = 2,84\cdot10^{-3} + 1,77\cdot 10^{-5} = 2,86\cdot10^{-3}\ M\ OH^-[OH−]totaal​=2,84⋅10−3+1,77⋅10−5=2,86⋅10−3 M OH−pOH=−log (2,86⋅10−3)=2,54\rm pOH =-log\ (2,86\cdot10^{-3}) = 2,54pOH=−log (2,86⋅10−3)=2,54pH=14,00−2,54=11,46\rm pH = 14,00 - 2,54 = 11,46pH=14,00−2,54=11,46ConclusieDe pH van de oplossing is 11,46.