Zuur-basekoppels volgens Brönsted-Lowry
Grondbegrippen van de Brönsted-Lowry zuur-base theorie
Definitie
Zuur: Een zuur is een stof die in staat is één of meer protonen (H⁺) af te staan aan een andere stof. Binnen de Brönsted-Lowry-theorie wordt een zuur gedefinieerd als een protondonor.
Base: Een base is een stof die een of meer protonen (H⁺) kan opnemen van een andere stof. Een base wordt binnen deze theorie gedefinieerd als een protonacceptor.
Belangrijke concepten
Elke zuur-base reactie verloopt via overdracht van een proton (H⁺) van het zuur aan de base.
De verschuiving van een proton tussen twee deeltjes is het centrale mechanisme.
De kracht van een zuur of base hangt af van het gemak waarmee ze protonen afstaan of opnemen, maar binnen deze definitie gaat het uitsluitend om de mogelijkheid tot overdracht.
Formules en berekeningen
Een reactievergelijking volgens het Brönsted-Lowry-concept geeft steeds de overdracht van H⁺ weer tussen een zuur- en een basecomponent: Algemeen: Zuur + Base → Geconjugeerde base + Geconjugeerd zuur
Praktijkvoorbeelden
Azijnzuur in water: CH₃COOH (aq) + H₂O (l) ⇄ CH₃COO⁻ (aq) + H₃O⁺ (aq) Hier is CH₃COOH het zuur (protondonor), H₂O de base (protonacceptor).
Ammoniak in water: NH₃ (aq) + H₂O (l) ⇄ NH₄⁺ (aq) + OH⁻ (aq) NH₃ is de base (neemt H⁺ op), H₂O is in dit geval het zuur (staat H⁺ af).
Veel gemaakte fouten
Een veelvoorkomende fout is het verwarren van het Brönsted-Lowry-concept met het Arrhenius-concept, waarbij men BASES uitsluitend als OH⁻ leveranciers ziet, terwijl in Brönsted-Lowry iedere protonacceptor geldt als base.
Studenten benoemen soms water altijd als neutraal, terwijl water afwisselend als zuur of base functioneert, afhankelijk van de reactietegenstander.
Reactie tussen een zuur en een base in oplossing
Definitie
Bij een Brönsted-Lowry zuur-base reactie treedt steeds het volgende schema op: Zu + Ba → Ba' + Zu' - Zu = het zuur (protondonor) - Ba = de base (protonacceptor) - Ba' = geconjugeerde base van Zu (restdeeltje van het zuur na afstaan van H⁺) - Zu' = geconjugeerd zuur van Ba (deeltje ontstaan als Ba H⁺ opneemt)
Belangrijke concepten
Elk zuur-basekoppel bestaat uit twee deeltjes die slechts één proton van elkaar verschillen: het zuur en zijn geconjugeerde base, de base en zijn geconjugeerd zuur.
Een “geconjugeerde base” ontstaat telkens wanneer het zuur zijn proton heeft afgestaan; het voormalige zuur is nu een base, omdat het opnieuw een H⁺ zou kunnen opnemen.
Een “geconjugeerd zuur” ontstaat wanneer de base een proton heeft opgenomen; het former base-deeltje is veranderd in een nieuw zuur, want het kan opnieuw H⁺ afstaan.
Formules en berekeningen
De algemene reactievergelijking van een Brönsted-Lowry reactie in symbolen: Zu + Ba ⇄ Ba' + Zu' Bijvoorbeeld met azijnzuur (zuur, CH₃COOH) en water (base, H₂O): CH₃COOH + H₂O ⇄ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ - CH₃COOH = zuur - H₂O = base - CH₃COO⁻ = geconjugeerde base - H₃O⁺ = geconjugeerd zuur
Identificeer zuur-basekoppels binnen een reactie: Voorbeeldreactie met ammoniak en water: NH₃ + H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH⁻ - NH₃ / NH₄⁺ = base / geconjugeerd zuur - H₂O / OH⁻ = zuur / geconjugeerde base
Praktijkvoorbeelden
Reactie tussen waterstofchloride en water: HCl (g) + H₂O (l) → Cl⁻ (aq) + H₃O⁺ (aq) - HCl is het zuur (staat H⁺ af) - H₂O is de base (neemt H⁺ op) - Cl⁻ = geconjugeerde base van HCl - H₃O⁺ = geconjugeerd zuur van H₂O Zuur-base koppels hier: HCl/Cl⁻ en H₂O/H₃O⁺
Reactie tussen water en amine: CH₃NH₂ (aq) + H₂O (l) ⇄ CH₃NH₃⁺ (aq) + OH⁻ (aq) - CH₃NH₂ = base (neemt H⁺ op) - H₂O = zuur (staat H⁺ af) - CH₃NH₃⁺ = geconjugeerd zuur - OH⁻ = geconjugeerde base Koppels: CH₃NH₂ / CH₃NH₃⁺ en H₂O / OH⁻
Veel gemaakte fouten
Onjuiste identificatie van geconjugeerde basen en zuren doordat studenten protonoverdracht niet expliciet natrekken.
Vergeten dat de reactie omkeerbaar is: sommige leerlingen beschouwen uitsluitend de heenreactie en zien de rolverwisseling bij de terugreactie niet.
Foutief combineren van deeltjes tot zogenaamde zuur-basekoppels die niet slechts één H⁺ verschillen.
Verwarring tussen het begrip “geconjugeerde base” en andere basen in het reactiemengsel.
Amfoteer karakter en reacties van water
Definitie
Amfoteer: Een stof is amfoteer indien zij zowel als zuur (protondonor) als als base (protonacceptor) kan optreden, afhankelijk van de reactietegenstander. Water (H₂O) is hét standaardvoorbeeld van een amfoteer molecuul.
Belangrijke concepten
Het amfoteer karakter impliceert dat H₂O in aanwezigheid van een sterker zuur zelf als base fungeert, en in aanwezigheid van een sterkere base als zuur.
De rol van water als zuur of base manifesteert zich aan de hand van de gevormde ionen: als water als base werkt, ontstaat H₃O⁺ (oxoniumion); als water als zuur werkt, ontstaat OH⁻ (hydroxide-ion).
Formules en berekeningen
Water als base: Zu + H₂O → Ba' + H₃O⁺ Het zuur staat een proton af aan H₂O; H₂O neemt het proton op en wordt H₃O⁺. Het oorspronkelijke zuur wordt de geconjugeerde base (Ba'). Voorbeeld (met salpeterzuur, HNO₃): HNO₃ (aq) + H₂O (l) → NO₃⁻ (aq) + H₃O⁺ (aq) - HNO₃ = zuur - H₂O = base - NO₃⁻ = geconjugeerde base - H₃O⁺ = geconjugeerd zuur
Water als zuur: H₂O + Ba → OH⁻ + Zu' H₂O staat een proton af aan de base; de base wordt zo haar geconjugeerd zuur (Zu'), H₂O wordt na protonafgave OH⁻. Voorbeeld (met ammoniak, NH₃): H₂O (l) + NH₃ (aq) ⇄ OH⁻ (aq) + NH₄⁺ (aq) - H₂O = zuur - NH₃ = base - OH⁻ = geconjugeerde base - NH₄⁺ = geconjugeerd zuur
Praktijkvoorbeelden
Water reageert als base met waterstofchloride: HCl (g) + H₂O (l) → Cl⁻ (aq) + H₃O⁺ (aq) - Hier fungeert H₂O als base (neemt H⁺ van HCl op), met vorming van oxoniumion H₃O⁺.
Water reageert als zuur met ethylamine: H₂O (l) + CH₃CH₂NH₂ (aq) ⇄ OH⁻ (aq) + CH₃CH₂NH₃⁺ (aq) - Hier fungeert H₂O als zuur (staat H⁺ af aan CH₃CH₂NH₂), met vorming van hydroxide-ion OH⁻.
Veel gemaakte fouten
Studenten verwarren regelmatig het oxoniumion (H₃O⁺) met een gewoon H⁺ ion in waterige oplossing; men vergeet dat H⁺ zich altijd bindt aan water om H₃O⁺ te vormen.
Water wordt vaak onterecht gezien als altijd neutraal, terwijl context bepaalt of H₂O zich als zuur of base gedraagt.
Niet herkennen dat amfoterie niet beperkt is tot water: sommige andere stoffen (bijvoorbeeld HCO₃⁻) zijn eveneens amfoteer, maar water is het archetype.
Samenvatting
Volgens de Brönsted-Lowry-theorie is een zuur een protondonor en een base een protonacceptor. De zuur-base interactie wordt gekarakteriseerd door de overdracht van een proton.
Iedere zuur-base reactie genereert geconjugeerde paren. Het oorspronkelijke zuur wordt na protonafgifte de geconjugeerde base, de oorspronkelijke base wordt na protonopname het geconjugeerde zuur.
De reactie wordt samengevat als: Zu + Ba → Ba' + Zu'
Water is een amfoteer molecuul: het kan zowel als zuur als als base fungeren. In reactie met een sterker zuur doceert water zich als base (vorming H₃O⁺), met een sterkere base treedt het op als zuur (vorming OH⁻).
Correcte identificatie van zuur-basekoppels vereist aandacht voor de protonoverdracht en het verschil van precies één H⁺, evenals het juiste gebruik van H₃O⁺ en OH⁻ in reactievergelijkingen.
Oefenvragen
Geef de zuur-basekoppels in onderstaande reactie en duid de rol van elk deeltje: CH₃COOH (aq) + H₂O (l) ⇄ CH₃COO⁻ (aq) + H₃O⁺ (aq) Antwoord: CH₃COOH is het zuur (staat H⁺ af), CH₃COO⁻ is de geconjugeerde base. H₂O is de base (neemt H⁺ op), H₃O⁺ is het geconjugeerde zuur. Koppels: 1) CH₃COOH / CH₃COO⁻ 2) H₂O / H₃O⁺
Welke rol speelt H₂O in de reactie met ammoniak en wat zijn de gevormde producten? NH₃ (aq) + H₂O (l) ⇄ NH₄⁺ (aq) + OH⁻ (aq) Antwoord: H₂O treedt op als zuur; het staat H⁺ af aan NH₃. De gevormde producten zijn NH₄⁺ (geconjugeerd zuur) en OH⁻ (geconjugeerde base).
Schrijf de reactievergelijking waarbij water als base optreedt tegenover salpeterzuur en geef de gevormde zuur-basekoppels. Antwoord: HNO₃ (aq) + H₂O (l) → NO₃⁻ (aq) + H₃O⁺ (aq) HNO₃ (zuur) / NO₃⁻ (geconjugeerde base) H₂O (base) / H₃O⁺ (geconjugeerd zuur)
Geef een voorbeeld van een amfoteer deeltje, naast water, en illustreer zijn gedrag in twee verschillende reacties. Antwoord: HCO₃⁻ (waterstofcarbonaat) a) Als base: HCO₃⁻ + H₃O⁺ → H₂CO₃ + H₂O b) Als zuur: HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O
Bij welke fout interpreteert men H₃O⁺ in oplossing als ‘vrij’ H⁺ en waarom is dat incorrect volgens de Brönsted-Lowry-theorie? Antwoord: H⁺ komt in waterige oplossing nooit als vrij H⁺ voor, maar altijd gebonden als H₃O⁺. Brönsted-Lowry stelt dat de protonoverdracht altijd via binding aan een base plaatsvindt; in water is dat steeds H₂O → H₃O⁺.