1.11 Reactietypes: Neerslag-, Gasontwikkelings-, Neutralisatie- en Redoxreacties
Blok 1: Inleiding op reactietypes
Chemische reacties kunnen geclassificeerd worden volgens het soort proces en het type reactieproduct. Dit hoofdstuk behandelt vier belangrijke reactietypes die centraal staan bij het eindexamen chemie:
Neerslagreacties: reacties waarbij een slecht oplosbaar zout als vaste stof ontstaat.
Gasontwikkelingsreacties: reacties waarbij een gasvormig product gevormd wordt.
Neutralisatiereacties: reacties tussen een zuur en een base, leidend tot de vorming van een zout en water.
Redoxreacties: reacties waarbij elektronenoverdracht plaatsvindt met verandering van oxidatiegetal.
Deze indeling gebeurt op basis van de observeerbare veranderingen — vorming van vaste stof, gasbelletjes, of op basis van de karakteristieke uitwisseling van protonen of elektronen.
Blok 2: Neerslagreacties
Definitie
Bij neerslagreacties worden twee oplossingen samengevoegd, waarbij positief geladen ionen (kationen) en negatief geladen ionen (anionen) met elkaar reageren. Als het nieuwe zout dat door deze reactie ontstaat slecht oplosbaar is in water, vormt het een vaste stof: een neerslag, aangeduid met het symbool (↓).
Hoewel neerslagreacties in principe verlopen via het samenkomen van tegengesteld geladen ionen, wordt in sommige leerbronnen ook gerapporteerd dat een negatief ion een proton afstaat. Dit betreft een minder courante interpretatie, maar is opgenomen volgens de exameneisen.
Belangrijke concepten
Oplosbaarheid: Slechts bepaalde zouten zijn slecht oplosbaar; de meeste blijven opgelost. De vorming van een neerslag is exact voorspelbaar met behulp van oplosbaarheidstabellen.
Reactieverloop: De volledige ionenvergelijking geeft inzicht in welke ionen effectief bij de neerslagvorming zijn betrokken.
Ionenbalans: Alleen de ionen die daadwerkelijk een neerslag vormen, treden als reactiepartner op; de overige ionen blijven onaangeroerd in de oplossing en heten spectatorionen.
Neerslagsymbool: Het gevormde vaste zout wordt in de reactievergelijking aangeduid met (↓).
Ioneninteractie: Er treedt geen elektronische of protonoverdracht op; binding ontstaat door elektrostatische aantrekking.
Formules en berekeningen
De neerslagreactie wordt genoteerd met een pijl (→) en aanduiding van de neerslag:
Voorbeeldreactie: Na₂SO₄ (aq) + BaCl₂ (aq) → BaSO₄ (↓) + 2NaCl (aq)
Toelichting:
Na₂SO₄: natriumsulfaat, bestaat uit Na⁺ en SO₄²⁻ ionen.
BaCl₂: bariumchloride, bestaat uit Ba²⁺ en Cl⁻ ionen.
Bij vermenging ontstaat BaSO₄ (bariumsulfaat), dat zeer slecht oplosbaar is en neerslaat als vaste stof (↓).
NaCl blijft in oplossing als natrium- en chloride-ionen.
Rationale bij voorspelling neerslagvorming:
Raadpleeg de oplosbaarheidstabel: BaSO₄ staat aangeduid als “slecht oplosbaar” of “neerslag” bij mengen van barium- en sulfaat-ionen.
Alle overige gegenereerde ionparenkombinaties (Na⁺ en Cl⁻) leiden tot goed oplosbare zouten.
De netto-ionenvergelijking voor bovenstaande reactie: Ba²⁺ (aq) + SO₄²⁻ (aq) → BaSO₄ (↓)
Praktijkvoorbeelden
Voorbeeld 1:
Mengsel van AgNO₃ (zilver(I)nitraat) en NaCl (natriumchloride):
AgNO₃ (aq) + NaCl (aq) → AgCl (↓) + NaNO₃ (aq)
AgCl (zilver(I)chloride) is uiterst slecht oplosbaar → witte neerslag.
Netto-ionenvergelijking: Ag⁺ (aq) + Cl⁻ (aq) → AgCl (↓)
Voorbeeld 2:
Toevoegen van Pb(NO₃)₂ (lood(II)nitraat) aan KI (kaliumjodide):
Pb(NO₃)₂ (aq) + 2KI (aq) → PbI₂ (↓) + 2KNO₃ (aq)
PbI₂ (lood(II)jodide) slaat neer als felgele neerslag.
Netto-ionenvergelijking: Pb²⁺ (aq) + 2I⁻ (aq) → PbI₂ (↓)
Veel gemaakte fouten
Het foutief voorspellen van neerslagvorming zonder raadpleging van de oplosbaarheidstabel, met als gevolg het verkeerd benoemen van neerslag of oplosbare producten.
Onvolledige ionenvergelijkingen waar spectatorionen niet correct worden weggelaten.
Verwarring tussen het neerslagsymbool (↓) en het opschrift (aq); enkel een slecht oplosbaar zout krijgt (↓).
Foutieve reactieverhoudingen: negeren van de verhouding ionen volgens de ladingen van de betrokken deeltjes.
Blok 3: Gasontwikkelingsreacties
Definitie
Gasontwikkelingsreacties zijn reacties waarbij, als resultaat van een moleculaire omzetting, één of meer gassen gevormd worden. Dit is zichtbaar door het ontstaan van gasbellen, vaak aangegeven in een reactievergelijking met het symbool (↑) achter de formule van het gevormde gas.
Belangrijke concepten
Gasvorming: Gassen ontsnappen direct uit de oplossing en zijn waarneembaar als belletjes.
Combinatie van ionen: De reagerende deeltjes combineren tot een nieuw molecuul dat onder de gegeven omstandigheden gasvormig is.
Notatie-conventie: Het gevormde gas wordt expliciet aangegeven met het ↑-symbool.
Molecuulverhoudingen: Elke term in de reactievergelijking is voorzien van correcte stoichiometrische coëfficiënten die de aantallen deeltjes weergeven in balans met de massa’s en ladingen.
Formules en berekeningen
Voorbeeldreactie: CaCO₃ (s) + 2HCl (aq) → CO₂ (↑) + CaCl₂ (aq) + H₂O (l)
CaCO₃: calciumcarbonaat, reageert met HCl, een sterk zuur.
CO₂: koolstofdioxidegas, ontsnapt als belletjes (aangegeven met ↑).
CaCl₂: calciumchloride, blijft opgelost.
H₂O: water, ontstaat tijdens proces.
De reactievergelijking moet altijd massa- en ladingsbalans respecteren:
Voor Reactanten: 1 x Ca, 1 x C, 3 x O, 2 x H, 2 x Cl Voor Producten: 1 x Ca, 1 x C, 3 x O (2 in CO₂, 1 in H₂O), 2 x Cl, 2 x H (Alle atoomsoorten zijn gebalanceerd.)
Praktijkvoorbeelden
Voorbeeld 1:
Toevoegen van Na₂SO₃ (natriumsulfiet) aan verdund H₂SO₄ (zwavelzuur):
Na₂SO₃ (aq) + H₂SO₄ (aq) → SO₂ (↑) + Na₂SO₄ (aq) + H₂O (l)
SO₂ (zwaveldioxide) vormt gas (↑).
Voorwaarde: voldoende zuur om protonen (H⁺) beschikbaar te stellen voor sulfit.
Voorbeeld 2:
Reageren van ammoniumchloride en natriumhydroxide bij verwarmen:
NH₄Cl (aq) + NaOH (aq) → NH₃ (↑) + NaCl (aq) + H₂O (l)
NH₃ (ammoniakgas) ontstaat en ontsnapt uit de oplossing.
Veel gemaakte fouten
Vergeten van het juiste (↑)-symbool bij het gas.
Verkeerde molecuulverhoudingen, voornamelijk bij meerstaps gasvorming waar een intermediair zuur-base-evenwicht optreedt.
Onjuiste identificatie van het afgaande gas: verwarren van CO₂, SO₂, of NH₃ afhankelijk van de betrokken reagentia.
Negeren van de oplosbaarheid van gassen in water, waardoor het waarnemen van neerslag of gas wordt overschat bij zeer kleine hoeveelheden.
Blok 4: Neutralisatiereacties
Definitie
Neutralisatiereacties zijn specifieke zuur-base-reacties waarbij een zuur (protondonor) en een base (protonacceptor) met elkaar reageren onder vorming van een zout en water. In ionnotatie worden de reactiepanten weergegeven als losse ionen, leidend tot de vorming van een ionisch zout en het neutrale watermolecuul.
Belangrijke concepten
Zuur-basekarakter: Neutralisatie berust op het combineren van H⁺-ionen (afkomstig van het zuur) en OH⁻-ionen (afkomstig van de base).
Ionenreactievergelijking: Elk van de componenten wordt als ion weergegeven, behalve het gevormde water die als molecuul uit de oplossing verdwijnt.
Vorming van zout en water: Naast H₂O ontstaat een ionisch compound bestaande uit het kation van de base en het anion van het zuur.
Formules en berekeningen
Algemeen reactieverloop: A⁺ (aq) + OH⁻ (aq) + H⁺ (aq) + D⁻ (aq) → AD (aq) + H₂O (l)
A⁺: kation van de hydroxide (base)
OH⁻: hydroxide-ion uit de base
H⁺: oxoniumion uit het zuur
D⁻: anion van het zuur
AD: het gevormde zout (combinatie A⁺ en D⁻)
H₂O: water
Praktijkvoorbeelden
Voorbeeld 1:
Neutralisatie van HNO₃ (salpeterzuur) met KOH (kaliumhydroxide):
HNO₃ (aq) + KOH (aq) → KNO₃ (aq) + H₂O (l)
Ionenvergelijking: K⁺ (aq) + OH⁻ (aq) + H⁺ (aq) + NO₃⁻ (aq) → K⁺ (aq) + NO₃⁻ (aq) + H₂O (l) Netto-ionenvergelijking (zonder spectatorionen): OH⁻ (aq) + H⁺ (aq) → H₂O (l)
Voorbeeld 2:
Neutralisatie van HCl (waterstofchloride) met Ca(OH)₂ (calciumhydroxide):
2HCl (aq) + Ca(OH)₂ (aq) → CaCl₂ (aq) + 2H₂O (l)
Ionenvergelijking: 2H⁺ (aq) + 2Cl⁻ (aq) + Ca²⁺ (aq) + 2OH⁻ (aq) → Ca²⁺ (aq) + 2Cl⁻ (aq) + 2H₂O (l) Netto-ionenvergelijking: 2H⁺ (aq) + 2OH⁻ (aq) → 2H₂O (l)
Veel gemaakte fouten
Foutieve toepassing van de ionenvergelijking: vergeten spectatorionen correct te verwijderen.
Verkeerde stoichiometrie van de gevormde watermoleculen, vooral wanneer een base of zuur twee- of meerwaardig is.
Verwarring tussen de rol van het zout en het water als eindproducten.
Omissie van de (aq) en (l) aanduidingen, waardoor de precieze aggregatietoestand niet wordt weergegeven in de vergelijking.
Blok 5: Redoxreacties
Definitie
Redoxreacties zijn chemische reacties waarin elektronenoverdracht plaatsvindt tussen verschillende atomen of ionen. Minstens één deeltje staat elektronen af (oxidatie), terwijl een ander deeltje deze elektronen opneemt (reductie). Hierdoor wijzigen de oxidatiegetallen van de betrokken stoffen: het oxidatiegetal van het geoxideerde atoom stijgt, dat van het gereduceerde atoom daalt.
Belangrijke concepten
Oxidatiegetal: Geeft het aantal elektronen aan dat een atoom effectief (nadat bindingen zijn aangegaan) heeft afgestaan of opgenomen; het is een formeel hulpmiddel om elektronenbalansen op te stellen.
Elektronenoverdracht: Elke redoxreactie vereist dat het aantal afgestane elektronen identiek is aan het aantal opgenomen elektronen.
Redoxkoppel: Geoxideerde en gereduceerde vorm van een element komen als koppel voor, met bijbehorende overgang van oxidatiegetal.
Globale reactievergelijking: Samengestelde ionen worden verwerkt tot een totaal gebalanceerde redoxreactie, eventueel via deelreacties (halfreacties).
Formules en berekeningen
Algemeen: Ox: Xⁿ⁺ → Xⁿ⁺¹⁺ + e⁻ (oxidatie: stijging oxidatiegetal) Red: Yᵐ⁺ + e⁻ → Yᵐ⁻¹⁺ (reductie: daling oxidatiegetal)
Het verschil in oxidatiegetal vóór en na de reactie toont de elektronenoverdracht en het redoxkarakter.
Praktijkvoorbeelden
Voorbeeld 1:
Reactie tussen zink en kopersulfaatoplossing:
Zn (s) + CuSO₄ (aq) → ZnSO₄ (aq) + Cu (s)
Halfreacties: Oxidatie: Zn (s) → Zn²⁺ (aq) + 2e⁻ (oxidatiegetal: 0 naar +2) Reductie: Cu²⁺ (aq) + 2e⁻ → Cu (s) (oxidatiegetal: +2 naar 0)
Voorbeeld 2:
Oxidatie van ijzer(II)ionen met permanganaat in zuur milieu:
5Fe²⁺ (aq) + MnO₄⁻ (aq) + 8H⁺ (aq) → 5Fe³⁺ (aq) + Mn²⁺ (aq) + 4H₂O (l)
Halfreacties: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻ (oxidatie: +2 naar +3) MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O (reductie: +7 naar +2)
Veel gemaakte fouten
Onderschatting van de juiste oxidatiegetallen bij samengestelde ionen of complexe verbindingen.
Verkeerde toewijzing van elektronoverdracht, vooral als niet elke stap expliciet wordt uitgeschreven.
Massa- en ladingsbalans niet correct uitvoeren, met als gevolg foutieve globale reactievergelijkingen.
Onjuiste koppeling van reductor en oxidator, of onbalans in het aantal opgenomen/afgestane elektronen bij gecombineerde halfreacties.
Samenvatting
Neerslagreacties: Geven een slecht oplosbare vaste stof in oplossing, herkenbaar aan vorming van een neerslag (↓) in de reactievergelijking. Oplosbaarheidstabellen zijn cruciaal om het ontstaan van neerslag te voorspellen. Correcte ionennotaties en verhoudingen zijn vereist voor examen.
Gasontwikkelingsreacties: Kenmerkend door gasvorming, aangeduid met (↑) bij het product. Stoichiometrie en het juiste herkennen van het gevormde gas zijn noodzakelijk.
Neutralisatiereacties: Zuur-base-reacties resulterend in zoutvorming en waterproductie; ionnotaties illustreren het combinatiemechanisme. Correcte eliminatie van spectatorionen en het herkennen van meerwaardige zuren/bases zijn examenvallig.
Redoxreacties: Elektronoverdrachten resulteren in verandering van oxidatiegetal. Het opstellen en balanceren van half- en globale redoxvergelijkingen met juiste oxidatiegetallen vereist aandacht voor detail.
Oefenvragen
1. Geef volledige ionenvergelijkingen én netto-ionenvergelijkingen voor de neerslagreactie tussen oplossingen van calciumchloride en natriumsulfaat. Welke stof slaat neer? Antwoord: Volledige ionenvergelijking: Ca²⁺ (aq) + 2Cl⁻ (aq) + 2Na⁺ (aq) + SO₄²⁻ (aq) → 2Na⁺ (aq) + 2Cl⁻ (aq) + CaSO₄ (↓) Netto-ionenvergelijking: Ca²⁺ (aq) + SO₄²⁻ (aq) → CaSO₄ (↓) Neerslag: calciumsulfaat (CaSO₄)
--- 2. Schrijf een reactievergelijking voor de vorming van zwaveldioxidegas uit natriumsulfiet en zwavelzuur. Geef aan welk product het gas is. Antwoord: Na₂SO₃ (aq) + H₂SO₄ (aq) → SO₂ (↑) + Na₂SO₄ (aq) + H₂O (l) SO₂ (zwaveldioxide) is het afgaande gas.
--- 3. Uit een oplossing met 0,10 mol H₃PO₄ wordt volledig geneutraliseerd met 0,30 mol NaOH. Welke producten ontstaan en wat is de ionenverhouding? Antwoord: Ionenvergelijking: H₃PO₄ (aq) + 3NaOH (aq) → Na₃PO₄ (aq) + 3H₂O (l) Ionen: 3OH⁻ (aq) + H₃PO₄ (aq) → PO₄³⁻ (aq) + 3H₂O (l) Elk zuur-basepaar leidt tot 1 mol zout per 3 mol natriumhydroxide (driewaardig zuur). Producten: natriumfosfaat en water.
--- 4. Stel de halfreacties op voor de redoxreactie waarmee ijzer(II)ionen worden geoxideerd door dichromaat in zuur milieu. Antwoord: Oxidatie: 6Fe²⁺ → 6Fe³⁺ + 6e⁻ Reductie: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O Globale vergelijking: Cr₂O₇²⁻ + 6Fe²⁺ + 14H⁺ → 2Cr³⁺ + 6Fe³⁺ + 7H₂O
--- 5. Noem één veel voorkomende examenvraagfout bij het opstellen van de vergelijking voor de neerslagreactie tussen lood(II)ionen en jodide-ionen. Antwoord: Een veelgemaakte fout is het vergeten van de juiste ionverhouding, bijvoorbeeld Pb²⁺ + I⁻ → PbI₂ (↓) i.p.v. de correcte netto-ionenvergelijking: Pb²⁺ (aq) + 2I⁻ (aq) → PbI₂ (↓).