Chemie

8.5 Redoxvergelijkingen (zuur en basisch milieu): ionenreactievergelijkingen en stoffenreactievergelijkingen

Blok 1: Inleiding soorten reactievergelijkingen

Redoxreacties kunnen afhankelijk van het reactiemilieu (zuur of basisch) op verschillende manieren worden voorgesteld. Er zijn twee hoofdvormen waarop een redoxreactie in de context van het eindexamen scheikunde wordt weergegeven: de moleculaire reactievergelijking, ook wel stoffenvergelijking genoemd, en de essentiële reactievergelijking, beter bekend als de ionenreactievergelijking. Elke schrijfwijze heeft zijn specifieke doel en toepassingsgebied. Het herkennen en correct gebruiken van deze verschillende notaties is essentieel voor het nauwkeurig weergeven en begrijpen van redoxprocessen in waterige oplossingen, zoals vereist op eindexamens op gevorderd niveau.

Blok 2: Moleculaire reactievergelijking ("stoffenvergelijking")

Definitie

Een stoffenvergelijking, of moleculaire reactievergelijking, beschrijft een redoxreactie door alle betrokken verbindingen en stoffen weer te geven met hun volledige molecuulformules. Deze voorstelling toont de reagentia en de reactieproducten als discrete, ondeelbare chemische eenheden, zonder aandacht te besteden aan de uiteindelijke vorm van deze deeltjes in oplossing.

Belangrijke concepten

  • In een stoffenvergelijking worden álle beginstoffen (reagentia) en eindstoffen (reactieproducten) gepresenteerd zoals ze daadwerkelijk worden toegevoegd of gevormd, onafhankelijk van hun ionaire toestand in het reactiemedium.

  • Zowel sterke elektrolyten (zouten, sterke zuren/basen) als zwakke elektrolyten (zwakke zuren/basen) worden weergegeven met molecuulformules, onafhankelijk van hun dissociatiegraad.

  • De stoffenvergelijking biedt een volledig samengevat beeld van de chemische reactie, maar geeft geen inzicht in welke deeltjes daadwerkelijk rechtstreeks reageren of in oplossing aanwezig zijn.

Formules en berekeningen

In de stoffenvergelijking worden alle stoffen weergegeven in de vorm waarin ze worden toegevoegd of gevormd:

  • Reagentia en producten: altijd genoteerd als moleculaire verbindingen (voor ionverbindingen meestal in vaste vorm, bv. als NaCl(s), tenzij expliciet als opgelost aangegeven).

  • Als oplosstoffen of oplosbaarheidsstatus belangrijk is: (aq) voor opgelost in water, (s) voor vaste stof, (l) voor vloeistof, (g) voor gas.

Voorbeeldstructuur van een stoffenvergelijking:

Reagens1(aq)+Reagens2(aq)→Product1(aq)+Product2(s)\text{Reagens}_1(aq) + \text{Reagens}_2(aq) \rightarrow \text{Product}_1(aq) + \text{Product}_2(s)

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Redoxreactie in zuur milieu

De reactie tussen zinkmetaal en verdund zwavelzuur:

Zn(s)+H2SO4(aq)→ZnSO4(aq)+H2(g)\text{Zn}(s) + \text{H}_2\text{SO}_4(aq) \rightarrow \text{ZnSO}_4(aq) + \text{H}_2(g)

Hier worden beide reagentia en beide producten als molecuulformules genoteerd, ongeacht het feit dat ZnSO4\text{ZnSO}_4 volledig in ionen aanwezig is in oplossing. De dissipatie in ionen wordt in deze vorm genegeerd.

Voorbeeld 2: Redoxreactie in basisch milieu

De reactie tussen kaliumpermanganaat en natriumsulfiet in een basisch milieu:

2 KMnO4(aq)+3 Na2SO3(aq)+2 H2O(l)→2 MnO2(s)+3 Na2SO4(aq)+2 KOH(aq)2\,\text{KMnO}_4(aq) + 3\,\text{Na}_2\text{SO}_3(aq) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow 2\,\text{MnO}_2(s) + 3\,\text{Na}_2\text{SO}_4(aq) + 2\,\text{KOH}(aq)

Alle stoffen worden als formules van verbindingen genoteerd, waarbij neerslag (zoals MnO2(s)\text{MnO}_2(s)) als vaste stof wordt aangeduid.

Veel gemaakte fouten

  • Foutief splitsen van oplosbare verbindingen in ionen in een stoffenvergelijking; bijvoorbeeld notaties als Na+(aq)+Cl−(aq)\text{Na}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq) in plaats van NaCl(aq)\text{NaCl}(aq).

  • Onvolledig weergeven van alle beginstoffen of producten, bijvoorbeeld enkel het oxidator- en reductormolecuul noteren en de rest uit de vergelijking weglaten.

  • Niet vermelden van aggregatietoestand, wat kan leiden tot puntverlies bij het eindexamen wanneer deze expliciet gevraagd wordt.

Blok 3: Essentiële reactievergelijking ("ionenvergelijking")

Definitie

De ionenreactievergelijking, of essentiële reactievergelijking, geeft een redoxreactie weer op basis van de deeltjes zoals die daadwerkelijk in het reactiemilieu (meestal een waterige oplossing) voorkomen. Hierbij worden alle sterk elektrolytische stoffen gesplitst in hun component-ionen, waardoor enkel de deeltjes die daadwerkelijk deelnemen aan de chemische reactie zichtbaar blijven. Dit levert een veel helderder beeld van het werkelijke verloop van het reactiemechanisme.

Belangrijke concepten

  • In een ionenvergelijking worden uitsluitend de deeltjes genoteerd die een directe rol spelen in het reactiemechanisme; zogenaamde "spectatorionen" worden geëlimineerd omdat zij enkel aanwezig zijn zonder enige chemische verandering te ondergaan.

  • Slechts sterk elektrolytische stoffen (zoals oplosbare zouten, sterke zuren en sterke basen) worden volledig in hun ionen gesplitst. Zwakke elektrolyten, gassen, neerslagen en vloeistoffen blijven als moleculen genoteerd.

  • Deze notatie is cruciaal bij het opstellen van netto-ionenreacties, vooral wanneer complexe redoxprocessen in zuur of basisch milieu geanalyseerd worden.

Formules en berekeningen

Bij het opstellen van een ionenvergelijking wordt uitgegaan van de complete moleculaire vergelijking, waarna alle sterk elektrolytische verbindingen in ionen worden gesplitst. Vervolgens worden ionen die onveranderd aan beide zijden van het reactieteken voorkomen ("spectatorionen") weggelaten. Enkel de "essentiële" deelnemers blijven over.

Structuuropbouw:

  1. Split alle oplosbare zouten, sterke zuren/basen in hun ionen.

  2. Laat zwakke zuren, zwakke basen, neerslagen, vloeistoffen en gassen als moleculen staan.

  3. Streep aan beide zijden van de vergelijking gelijke ionen ("spectatorionen") weg.

  4. Wat overblijft is de essentiële ionenvergelijking.

Beknopt schema:

\begin{align*} \text{Totaal:} &\quad A^+(aq) + B^-(aq) + C(aq) \rightarrow D^-(aq) + E(aq) + B^-(aq) \\ \text{Na schrappen spectatorionen (B^-):} &\quad A^+(aq) + C(aq) \rightarrow D^-(aq) + E(aq) \end{align*}

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Zink in zoutzuur (zuur milieu)

Begin met de stoffenvergelijking:

Zn(s)+2 HCl(aq)→ZnCl2(aq)+H2(g)\text{Zn}(s) + 2\,\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{ZnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g)

Splits sterk elektrolytische stoffen:

Zn(s)+2 H+(aq)+2 Cl−(aq)→Zn2+(aq)+2 Cl−(aq)+H2(g)\text{Zn}(s) + 2\,\text{H}^+(aq) + 2\,\text{Cl}^-(aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + 2\,\text{Cl}^-(aq) + \text{H}_2(g)

Schrap de "spectatorionen" (de Cl−\text{Cl}^--ionen):

Zn(s)+2 H+(aq)→Zn2+(aq)+H2(g)\text{Zn}(s) + 2\,\text{H}^+(aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(aq) + \text{H}_2(g)

Voorbeeld 2: Reactie kaliumpermanganaat en natriumsulfiet in basisch milieu

Moleculaire vergelijking:

2 KMnO4(aq)+3 Na2SO3(aq)+2 H2O(l)→2 MnO2(s)+3 Na2SO4(aq)+2 KOH(aq)2\,\text{KMnO}_4(aq) + 3\,\text{Na}_2\text{SO}_3(aq) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow 2\,\text{MnO}_2(s) + 3\,\text{Na}_2\text{SO}_4(aq) + 2\,\text{KOH}(aq)

Splitsing in ionen:

2 K+(aq)+2 MnO4−(aq)+6 Na+(aq)+3 SO32−(aq)+2 H2O(l)→2 MnO2(s)+6 Na+(aq)+3 SO42−(aq)+2 K+(aq)+2 OH−(aq)2\,\text{K}^+(aq) + 2\,\text{MnO}_4^-(aq) + 6\,\text{Na}^+(aq) + 3\,\text{SO}_3^{2-}(aq) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow 2\,\text{MnO}_2(s) + 6\,\text{Na}^+(aq) + 3\,\text{SO}_4^{2-}(aq) + 2\,\text{K}^+(aq) + 2\,\text{OH}^-(aq)

Verwijder de spectatorionen (K+\text{K}^+ en Na+\text{Na}^+):

2 MnO4−(aq)+3 SO32−(aq)+2 H2O(l)→2 MnO2(s)+3 SO42−(aq)+2 OH−(aq)2\,\text{MnO}_4^-(aq) + 3\,\text{SO}_3^{2-}(aq) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow 2\,\text{MnO}_2(s) + 3\,\text{SO}_4^{2-}(aq) + 2\,\text{OH}^-(aq)

Veel gemaakte fouten

  • Ten onrechte splitsen van zwakke zuren, neerslagen, gassen of vloeistoffen in ionen in plaats van ze als volledige moleculen te laten staan (bijvoorbeeld azijnzuur als CH3COO−\text{CH}_3\text{COO}^- en H+\text{H}^+ in plaats van CH3COOH\text{CH}_3\text{COOH}).

  • Vergeten om álle spectatorionen te schrappen, wat leidt tot onvolledig gesimplificeerde reactievergelijkingen.

  • Onjuiste identificatie van sterke/zwakke elektrolyten, waardoor bijvoorbeeld NH3(aq)\text{NH}_3(aq) verkeerd in ionen wordt gesplitst.

  • Verlies van elektronenbalans, omdat soms na het schrappen van ionen de reactie niet meer klopt; dit vereist controle op zowel ladings- als atomenbalans.

Samenvatting

  • Een redoxreactie kan worden weergegeven als stoffenvergelijking (met molecuulformules van alle reagentia en producten) of als ionenvergelijking (waarbij alleen de essentiële, reagerende deeltjes als ionen worden genoteerd, spectatorionen worden weggelaten).

  • In een stoffenvergelijking worden álle betrokken verbindingen benoemd, ongeacht hun toestand in oplossing, terwijl de ionenvergelijking focust op de daadwerkelijke chemische veranderingen in oplossing.

  • Correct splitsen (of juist niet splitsen) van stoffen vereist inzicht in de aard van de stof (sterk versus zwak elektrolyt, oplosbaarheid, aggregatietoestand).

  • Fouten ontstaan vaak door verkeerd splitsen van zwakke elektrolyten, vergeten om alle spectatorionen te elimineren, of verlies van balans van massa en lading.

Oefenvragen

1. Stel de ionenreactievergelijking op voor de reactie tussen natriumsulfide-oplossing en koper(II)sulfaat-oplossing.Antwoord:S2−(aq)+Cu2+(aq)→CuS(s)\text{S}^{2-}(aq) + \text{Cu}^{2+}(aq) \rightarrow \text{CuS}(s) (Spectatorionen Na+\text{Na}^+ en SO42−\text{SO}_4^{2-} worden weggelaten.) 2. Geef de stoffenvergelijking én de essentiële ionenvergelijking voor het volgende proces in zuur milieu: ijzer(II)sulfaat reageert met kaliumpermanganaat.Antwoord: Stoffenvergelijking: 5 FeSO4(aq)+KMnO4(aq)+8 H2SO4(aq)→5 Fe2(SO4)3(aq)+MnSO4(aq)+K2SO4(aq)+8 H2O(l)5\,\text{FeSO}_4(aq) + \text{KMnO}_4(aq) + 8\,\text{H}_2\text{SO}_4(aq) \rightarrow 5\,\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3(aq) + \text{MnSO}_4(aq) + \text{K}_2\text{SO}_4(aq) + 8\,\text{H}_2\text{O}(l) Essentiële ionenvergelijking: 5 Fe2+(aq)+MnO4−(aq)+8 H+(aq)→5 Fe3+(aq)+Mn2+(aq)+4 H2O(l)5\,\text{Fe}^{2+}(aq) + \text{MnO}_4^{-}(aq) + 8\,\text{H}^+(aq) \rightarrow 5\,\text{Fe}^{3+}(aq) + \text{Mn}^{2+}(aq) + 4\,\text{H}_2\text{O}(l) 3. Leg uit welke stoffen in het algemeen wél en welke niet gesplitst worden in een ionenvergelijking in waterig milieu. Geef hiervan een kort lijstje.Antwoord:

  • Wél gesplitst: oplosbare zouten (zoals NaCl\text{NaCl}), sterke zuren (zoals HCl\text{HCl}, H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4), sterke basen (zoals NaOH\text{NaOH})

  • Niet gesplitst: zwakke zuren en basen (zoals CH3COOH\text{CH}_3\text{COOH}, NH3\text{NH}_3), gassen (zoals H2\text{H}_2, Cl2\text{Cl}_2), neerslagen (zoals AgCl(s)\text{AgCl}(s)), vloeistoffen (zoals H2O(l)\text{H}_2\text{O}(l))

4. Geef de ionenreactievergelijking voor: zilvernitraat-oplossing reageert met kaliumbromide-oplossing tot neerslag.Antwoord:Ag+(aq)+Br−(aq)→AgBr(s)\text{Ag}^+(aq) + \text{Br}^-(aq) \rightarrow \text{AgBr}(s) 5. Er treedt bij een leerling verwarring op bij het opschrijven van de ionenvergelijking van zwavelzuur met bariumchloride-oplossing. Welke fout kan hij maken en hoe corrigeer je deze?Antwoord:

Een veelgemaakte fout is het volledig splitsen van zwavelzuur in ionen, terwijl alleen het eerste proton volledig afsplitst en BaSO4\text{BaSO}_4 als neerslag gevormd wordt. Zwavelzuur splitst volledig in het eerste stap (H+\text{H}^+ en HSO4−\text{HSO}_4^-), maar het SO42−\text{SO}_4^{2-}-ion blijft in de neerslag:

Correcte ionenvergelijking: Ba2+(aq)+SO42−(aq)→BaSO4(s)\text{Ba}^{2+}(aq) + \text{SO}_4^{2-}(aq) \rightarrow \text{BaSO}_4(s)

Test je kennis met deze examenoefeningen

Les 55 van 64