3. Zuren en basen

Samenvatting voor scheikunde - Zuren en basen 

Wat zijn zuren en basen?

Zuren en basen, en de daaruit volgende zuur-base reacties, zijn een belangrijk onderdeel van scheikunde. Een zuur is een molecuul dat een H+ ion, oftewel een proton, kan afstaan. Een zuur is dus de donor van een H+ ion. 

Een base is dan juist een molecuul dat een H+ ion, oftewel proton, kan opnemen. Een base is dus de acceptor van een H+ ion. In scheikundige taal zouden we kunnen zeggen dat een zuur een stof is die zijn aantal vrije elektronenparen kan laten toenemen door covalente bindingen te verbreken met H+ ionen. Want een covalente binding is een gemeenschappelijk elektronenpaar. 

Een base is dus een stof die zijn aantal vrije elektronenparen kan laten afnemen door die beschikbaar te stellen en te delen met een H+ ion, om zo een covalente binding te vormen. Een zuur en een base kunnen dus met elkaar reageren doordat het zuur een H+ afstaat aan de base. 

Zuur-base reacties

Bij een zuur-base reactie is er dus altijd een zuur en een base aanwezig. Deze reactie zal plaatsvinden in een waterige oplossing. Stel we hebben gewoon een bakje met water, en we gooien daar HCl bij, dan zal het HCl gaan reageren als een zuur, omdat het een H+ kwijt wil. 

Maar, we hebben net gezegd dat er bij een zuur-base reactie ook altijd een base aanwezig moet zijn. In dit geval zal het water zelf dan reageren als de base, en dus het H+je opnemen. We hebben eerst dus het zuur HCl, zodra we dit in het water doen splitst dit in Cl- en H+ en het H+je zal vervolgens reageren met de base H2O, wat H3O+ vormt. Nu hebben we een zure oplossing gecreëerd. HCl is dus het zuur, en als dit opgelost is in water spreken we van een zure oplossing.  

Als we nou een base in het water hadden gegooid, bijvoorbeeld BaO (bariumoxide), dan reageert het water dus juist als zuur. We zien dan een BaO molecuul dat zodra het in het water komt gesplitst wordt in een barium en een zuurstof ion, waarna het zuurstof ion een H+je overneemt van het watermolecuul, waardoor er OH- overblijft (twee keer OH- overigens voor deze reactie in het specifiek). Nu hebben we een basische oplossing gecreëerd.

Tabel 49

Er zijn veel verschillende stoffen die kunnen reageren als zuur of als base, en soms als allebei, zoals water. Je hoeft deze zuren en basen niet allemaal uit je hoofd te leren natuurlijk. In je Binas kan je ze allemaal op een rijtje vinden in tabel 49. Daarbij is het belangrijk om te weten dat sommige zuren en basen sterker zijn dan anderen. Dat wil zeggen, het ene zuur wil liever een H+je kwijt dan een ander zuur, en de ene base wil er liever eentje opnemen. 

Sterke en zwakke zuren

Let op: je begrijpt deze uitleg waarschijnlijk beter met de visuele ondersteuning in de video hierboven erbij! In de tabel zien we links de zuren staan en rechts de basen. Hoe sterker het zuur, hoe hoger het staat. We maken daarbij ook een onderscheid tussen sterke zuren en zwakke zuren. 

Sterke zuren zijn de zuren die boven H3O+ staan. Dus, linksboven zien we alle sterke zuren. Alles wat daaronder staat noemen we dus zwakke zuren. Hoe lager het zwakke zuur staat, hoe zwakker het dus is. Rechts zien we de basen staan. Hiervoor geldt precies het omgekeerde. Hoe lager de base staat, hoe sterker de base. Ook daarbij maken we weer onderscheid tussen sterke basen en zwakke basen. 

Rangschikken van basen

Alle basen die onder OH- staan, zijn sterke basen. Alle basen daarboven zijn zwakke basen. Hoe hoger de base, hoe zwakker de base. Nou, dan vraag je je misschien af, hoe worden deze dan gerangschikt? Dat gebeurt op basis van de zuurconstante, aangegeven met Kz, en baseconstante, aangegeven met Kb. 

Hoe groter de zuurconstante, hoe sterker het zuur. Alle sterke zuren hebben een zuurconstante van boven de 1. Voor de basen geldt hetzelfde, dus hoe groter de baseconstante, hoe sterker de base, en sterke basen hebben een baseconstante van boven de 1. 

Welke zuren en basen moet je herkennen?

We zeiden net dat je deze zuren en basen niet allemaal uit je hoofd hoeft te leren, maar er zijn er wel een paar die je moet herkennen. Van de zuren zijn dat:

• Allereerst zoutzuur, HCl (waterstofchloride), die we net al voorbij zagen komen. 
• Daarnaast zwavelzuur, H2SO4. 
• En salpeterzuur, HNO3. 
• Fosforzuur, H3PO4. 
• Azijnzuur, CH3COOH. 
• En ten slotte koolzuur, H2CO3. Deze is bijzonder, want dit zuur komt ook voor als H2O en CO2, zoals je ook in de tabel ziet staan (in de video). Er zijn dus twee manieren waarop koolzuur voorkomt, goed onthouden. 

Ook moet je weten dat H3O+, hetgeen gevormd wordt als een zuur reageert met water, een oxonium-ion is. Een oxonium-ion is namelijk een ion dat een formele lading van +1 heeft én een zuurstofatoom bevat. H3O+ is het bekendste voorbeeld van zo’n oxonium-ion. 

Van de basen moeten we dan de volgende herkennen: 

• Allereerst ammoniak, NH3. 
• Daarnaast uiteraard hydroxide, OH-. 
• En oxide, O2- 
• Carbonaat, CO32-
• En ten slotte waterstofcarbonaat, HCO3-

Leer deze dus even goed uit je hoofd! Misschien valt je op zowel carbonaat als waterstofcarbonaat een base is. Dit betekent dus dat carbonaat als base een H+je op kan nemen, maar vervolgens nóg een keer als base kan reageren en weer een H+je op kan nemen. We spreken dan van een tweewaardige base. 

Soms kan een base zelfs drie keer een H+je opnemen, dan spreken we, je raadt het al, van een driewaardige base. Een voorbeeld hiervan is aluminiumhydroxide, Al(OH)3. Een eenwaardig zuur is dan op dezelfde manier een stof die één H+je af kan staan, zoals waterstofchloride. Een tweewaardig zuur kan 2x een H+je afstaan, zoals zwavelzuur. Fosforzuur is dan een voorbeeld van een driewaardig zuur.

Zuur-base vergelijkingen opstellen

We moeten ook zuur-base vergelijkingen kunnen opstellen. Daarbij is er een belangrijk verschil tussen een reactie met een sterk of een zwak zuur/base. Neem weer het oplossen van het sterke zuur HCl. We krijgen dan:

We kunnen de zuur-base reactie dus herkennen aan dat er een H+je verplaatst, in dit geval van HCl naar H2O, om zo H3O+ en Cl- te vormen. Belangrijk hierbij is dat het gaat om een sterk zuur, waardoor alle HCl-moleculen zullen reageren. Daarom staat er ook alleen een pijl naar rechts. 

Na de reactie zijn er geen HCl moleculen meer over, aangezien die allemaal gereageerd hebben. We spreken hierbij dan van een aflopende reactie. Overigens schrijven we hier HCl op met een g tussen haakjes, omdat er in de oplossing geen HCl moleculen aanwezig zijn. Zodra dit opgelost is in water, zal het meteen opsplitsen in H+ en Cl-. Bij sterke zuren of basen schrijven we bij de reactievergelijking dus óf het molecuul in gas of vaste vorm op, óf opgelost in water (dus aq), maar dan het H+je los. 

Evenwichtsreactie

Bij een zwak zuur zit het wat anders in elkaar. Hierbij zal slechts een klein deel van de zure moleculen H+jes afstaan, waardoor er een evenwichtsreactie zal ontstaan. Voor azijnzuur (CH3COOH) in water moet er dus bijvoorbeeld de volgende vergelijking worden opgesteld: 

Nu is het belangrijk om te begrijpen dat het molecuul dat ontstaat door de reactie, CH3COO-, op zichzelf ook weer als een base kan reageren; dat zien we ook in tabel 49. We noemen dit dan de geconjugeerde base, en zo bestaat er ook het geconjugeerde zuur na een reactie van een base. De reactie loopt dus zowel naar rechts als naar links, aangezien het zuur reageert naar rechts, maar de geconjugeerde base ook naar links. 

Hierdoor zullen al de moleculen uit de vergelijking in de oplossing aanwezig zijn.  Dit geven we aan met de dubbele pijl. Er zal wel een bepaald evenwicht ontstaan, waarbij het aantal van elk soort molecuul stabiel zal blijven. In dat evenwicht loopt de reactie dus zowel naar rechts als naar links, maar blijft het aantal resulterende moleculen stabiel. Bij deze evenwichtsreactie is het zwakke zuur CH3COOH dus wel gewoon opgelost als geheel, waardoor we nu wel (aq) schrijven. 

Zuurbase reactie: voorbeeld

Laten we tenslotte nog even kijken naar een zuur-base reactie waarbij we zowel een zuur als een base toevoegen aan de oplossing. We gebruiken dan dus niet water zelf als zuur of base. Laten we weer azijnzuur als zuur nemen en waterstofcarbonaat als base. Dit is een zwak zuur en een zwakke base. We krijgen dan:

We zien hier weer dat het H+je van het zuur, CH3COOH, naar de base, HCO3-, verplaatst. Echter zal de reactie zowel naar rechts als naar links plaatsvinden en zullen bij het evenwicht al deze moleculen aanwezig zijn. Het evenwicht kan wel meer naar rechts of meer naar links liggen. Dit heeft ermee te maken of het zuur sterker is dan het geconjugeerde zuur dat voortkomt uit de reactie met de base. 

Dit is het geval omdat de reactie dus zowel naar rechts als naar links verloopt, en als het zuur links sterker is dan het zuur rechts, dan zal de reactie naar rechts vaker verlopen. Als we in tabel 49 kijken, dan zien we dat CH3COOH boven H2CO3 ligt, dus dat het zuur links sterker is dan het zuur rechts, waardoor het evenwicht aan de rechterkant zal liggen, aangezien de reactie naar rechts vaker plaatsvindt. 

Wanneer ontstaat er een evenwichtsreactie?

Goed, er zal enkel een evenwichtsreactie ontstaan wanneer zowel de base als het zuur zwak is. Als één van de twee sterk is, dan zal het een aflopende reactie zijn. Dus een zwak zuur met een sterke base, of andersom, zal een aflopende reactie veroorzaken.