vwo gymnasium Uitwerkingen scheikunde

(1)

scheikunde

v wo | gymnasium Uit werkingen

scheikunde

5

AUTEURS

Ilse Landa Joris Schouten Toon de Valk

MET MEDEWERKING VAN

Angelique Breedveld Martijn Vogelezang

EINDREDACTIE

Toon de Valk

ISBN 978 90 345 7996 6

546530

9 789034 579966

5

VWO

| G

YMNASIUM

SCHEIKUNDE UITWERKINGEN

(2)

(3)

SCHEIKUNDE

5 VWO|GYMNASIUM UITWERKINGEN

Auteurs Ilse Landa Joris Schouten

Eindredactie Toon de Valk

Met medewerking van Martijn Vogelezang

Eerste editie

Malmberg ’s-Hertogenbosch

www.nova-malmberg.nl

(4)

6 Zuren en basen

Praktijk

Balsamicoazijn 3

Industriële productie van azijnzuur 6 Theorie

1 Zuur en basisch 9

2 pH-schaal 9

3 Sterk en zwak 10

4 Evenwichten bij zwakke zuren en basen 11 5 Bijzondere zuren en basen 13 6 Zuur-basereacties opstellen 14 7 Rekenen met zwakke zuren en basen 15 8 De zuur-basetitratie 17

7 Ruimtelijke bouw van moleculen

Praktijk

Onderzoek naar geneesmiddelen 20

Werking van enzymen 21

Theorie

1 Lewisstructuren 22

2 Ruimtelijke bouw 24

3 Polariteit 26

4 Cis-transisomerie 27

5 Spiegelbeeldisomerie 29

8 Organische chemie

Praktijk

Ozon: goed of slecht? 33

Geuren en smaken 34

Theorie

1 Klassen van organische verbindingen 35 2 Reacties van alkanen, alkenen en 37

alkynen

3 Reacties van alkanolen, alkaanzuren 38 en alkaanamines

4 Eigenschappen van organische 39 verbindingen

9 Redoxchemie

Praktijk

Goud 42

Blue energy 43

Theorie

1 Elektronenoverdracht 44 2 Redoxreacties opstellen 45 3 Energie uit redoxreacties 47 4 Elektrochemische cel in de praktijk 49

5 De brandstofcel 50

6 Corrosie van metalen 50

10 Reactiemechanismen

Praktijk

Titaan(IV)oxide, een alleskunner 52

Supervezels 53

Theorie

1 Overzicht van reactiemechanismen 55 2 Additiereacties van alkenen 58 3 Substitutiereacties 59 4 Nucleoﬁ ele eliminaties 62

(5)

6 Zuren en basen

Praktijk

Balsamicoazijn 3

Industriële productie van azijnzuur 6 Theorie

1 Zuur en basisch 9

2 pH-schaal 9

3 Sterk en zwak 10

4 Evenwichten bij zwakke zuren en basen 11 5 Bijzondere zuren en basen 13 6 Zuur-basereacties opstellen 14 7 Rekenen met zwakke zuren en basen 15 8 De zuur-basetitratie 17

7 Ruimtelijke bouw van moleculen

Praktijk

Onderzoek naar geneesmiddelen 20

Werking van enzymen 21

Theorie

1 Lewisstructuren 22

2 Ruimtelijke bouw 24

3 Polariteit 26

4 Cis-transisomerie 27

5 Spiegelbeeldisomerie 29

8 Organische chemie

Praktijk

Ozon: goed of slecht? 33

Geuren en smaken 34

Theorie

1 Klassen van organische verbindingen 35 2 Reacties van alkanen, alkenen en 37

alkynen

3 Reacties van alkanolen, alkaanzuren 38 en alkaanamines

4 Eigenschappen van organische 39 verbindingen

9 Redoxchemie

Praktijk

Goud 42

Blue energy 43

Theorie

1 Elektronenoverdracht 44 2 Redoxreacties opstellen 45 3 Energie uit redoxreacties 47 4 Elektrochemische cel in de praktijk 49

5 De brandstofcel 50

6 Corrosie van metalen 50

10 Reactiemechanismen

Praktijk

Titaan(IV)oxide, een alleskunner 52

Supervezels 53

Theorie

1 Overzicht van reactiemechanismen 55 2 Additiereacties van alkenen 58 3 Substitutiereacties 59 4 Nucleoﬁ ele eliminaties 62

6 Zuren en basen

Praktijk Balsamicoazijn

vragen

1 azijn 2

3 Voorbeelden van goede antwoorden zijn:

4 Door de COOH-groep apart op te schrijven, kun je al aan de molecuulformule zien dat het om ethaanzuur gaat en niet om een ander isomeer.

5 Azijnzuur kan net als water drie waterstofbruggen vormen, maar heeft daarnaast een grotere molecuulmassa en dus een sterkere vanderwaalsbinding. De totale sterkte van de molecuulbinding is dus groter. Hierdoor heeft azijnzuur een hoger smeltpunt dan water. (Daarnaast vormt azijnzuur in vaste en gasfase dimeren. De molecuulmassa wordt hierdoor nog groter, wat het smeltpunt nog verder verhoogt.)

6 C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2 C 2 H ₆ O + 2 C O ₂

7 Om ethanol om te kunnen zetten tot azijnzuur, heeft acetobacter zuurstof nodig. Bij deze omzetting komt water vrij: C ₂ H ₆ O + O ₂ → C 2 H ₄ O ₂ + H ₂ O

8 a Processen waarbij zuurstof nodig is, noemen we aeroob. Een proces waar geen zuurstof bij nodig is, noemen we anaeroob.

b Om er zeker van te zijn dat de acetobacter aan voldoende zuurstof kan komen tijdens de omzet- ting van ethanol naar azijnzuur, mag het vat niet afgesloten worden: er moet steeds verse zuurstof bij kunnen.

9 De rol van zymase kan het best omschreven worden als die van een katalysator. Enzymen als zymase noemen we ook wel biokatalysatoren.

C C

O

O H

H

C CH2

HO

H3C O C

O

H etheen-1,1-diol methylmethanoaat

HO H2

C C

O

H hydroxymethanal

H2C CH O

OH epoxyethanol

(6)

10

11

12

C H

C CH

C O O

OH

C CH2

C

OH C

CH2

C

O

OH

O OH

O

HO

Citroenzuur:

2-hydroxy-1,2,3-propaantricarbonzuur Wijnsteenzuur: 2,3-dihydroxybutaandizuur

H C C H2

C C

O

OH O

OH OH

Appelzuur: 2-hydroxybutaandizuur

H C C

OH H3C

O

OH

Melkzuur: 2-hydroxypropaanzuur

C CH2

H2

C C

O

OH O

OH

Barnsteenzuur: butaandizuur

H C C H CH

C CH CH2

O

OH HO

OH

OH OH

OH

Gluconzuur: 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexaanzuur

OH

H3C C O

OH HO H2

C H2

C H3C C

O

O H2

C H2

C

propylethanoaat

+ H2O

+ CH3 CH3

H O

OH

H

OH H

OH CH2OH

+ C

H3C O

OH

H O

OH

H

OH H

OH H2C

O C

O CH3

+ H2O

(7)

10

11

12

C H

C CH

C O O

OH

C CH2

C

OH C

CH2

C

O

OH

O OH

O

HO

Citroenzuur:

2-hydroxy-1,2,3-propaantricarbonzuur Wijnsteenzuur: 2,3-dihydroxybutaandizuur

H C C H2

C C

O

OH O

OH OH

Appelzuur: 2-hydroxybutaandizuur

H C C

OH H3C

O

OH

Melkzuur: 2-hydroxypropaanzuur

C CH2

H2

C C

O

OH O

OH

Barnsteenzuur: butaandizuur

H C C H CH

C CH CH2

O

OH HO

OH

OH OH

OH

Gluconzuur: 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexaanzuur

OH

H3C C O

OH HO H2

C H2

C H3C C

O

O H2

C H2

C

propylethanoaat

+ H2O

+ CH3 CH3

H O

OH

H

OH H

OH CH2OH

+ C

H3C O

OH

H O

OH

H

OH H

OH H2C

O C

O CH3

+ H2O

onderzoeksopdracht

13 a 1,06·10³ × 0,06 = 63,6 g azijnzuur per L; _____ 60,05 = 1,06 mol; molariteit azijnzuur = 1 mol L63,6 ⁻¹ (één signifi cant cijfer)

b K_z azijnzuur = 1,8·10⁻⁵; 1,8·10⁻⁵ = x _____ 1 − x ; ² _______ 1,8·1 0 1 ⁻⁵ > 100, dus 1,8·10⁻⁵ = x²; x = 4,2·10⁻³ mol L⁻¹; [H₃O⁺] = 4,2·10⁻³ M; pH = −log(4,2·10⁻³) = 2,4

Een eventueel verschil is te verklaren doordat ook andere zure stoffen aanwezig zijn.

c C H ₃ COOH + O H ⁻ → C H 3 CO O ⁻ + H ₂ O d Adsorptie gevolgd door fi ltratie:

e Fenolftaleïen: in het equivalentiepunt is alle zuur omgezet in de geconjugeerde base. De pH van het equivalentiepunt ligt dus boven de 7. Het omslagtraject van fenolftaleïen ligt boven de 7.

f

g In een hele buret van 50 mL 0,100 M natronloog zit 50·10⁻³ × 0,100 = 5,0·10⁻³ mol OH⁻. Dit is slechts voldoende om 5 mL 1 M balsamicoazijn te titreren.

h Pipetteer 10 mL balsamicoazijn met een volpipet in een 100 mL maatkolf. Vul aan met demiwater tot de maatstreep. Homogeniseer. Schenk de verdunde balsamicoazijn in een 250 mL erlenmeyer en voeg een schep actieve kool toe. Zwenk en laat een paar minuten incuberen. Filtreer de suspensie. Pipetteer 10,00 mL van het fi ltraat in een 200 mL erlenmeyer en spuit de wanden van de erlenmeyer af met demiwater. Voeg enkele druppels fenolftaleïen toe. 10,00 mL 10× verdunde balsamicoazijn bevat

0,1 × 10,00·10⁻³ = 1,0·10⁻³ mol azijnzuur. Voor de titratie is ongeveer nodig: 1,000·1 0 _________ 0,100 = 10 mL 0,100 M ⁻³ natronloog. Het equivalentiepunt is bereikt als de oplossing blijvend (licht!) roze kleurt. Het azijnzuurgehalte van balsamico kan als volgt worden berekend: azijnzuurconcentratie = ________________________ titratievolume × 0,100 × 10(10,00·1 0 ⁻³ ) ; deze concentratie × 60,05 = massa azijnzuur in g L⁻¹; ___________ massa in kg1,06 × 100 = massa% azijnzuur. Het pipetvolume is gegeven in vier signifi cante cijfers. De buret wordt afgelezen in twee decimalen, dus drie (onder de 10 mL, bijvoorbeeld 9,87 mL) of vier (boven de 10 mL signifi cante cijfers, bijvoorbeeld 12,88 mL) signifi cante cijfers. Het aantal signifi cante cijfers van de concentratie natronloog moet je afl ezen van de fl es en zal waarschijnlijk vier signifi cante cijfers hebben. Eindantwoord geven in drie tot vier signifi cante cijfers.

(8)

i Eigen antwoord.

j Het negatieve ion in het equivalentiepunt is het acetaation. Stel, je hebt 10,00 mL natronloog toe- gevoegd en de concentratie van de verdunde oplossing is = 0,1000 M. Concentratie acetaat in equiva- lentiepunt = 0,0500 M; K_b acetaat = 5,5·10⁻¹⁰;

5,5·10⁻¹⁰ = __________ 0,0500 − x ; x ² ________ 5,5·1 0 0,0500⁻¹⁰ > 100, dus: 2,75·10⁻¹¹ = x²; x = 5,2·10⁻⁶ = [OH⁻];

pH = 14 + log(5,2·10⁻⁶) = 8,7

Begin-pH: K_z azijnzuur = 1,8·10⁻⁵; 1,8·10⁻⁵ = x _______ 0,1 − x ; ²

_______ 0,1

1,8·1 0 ⁻⁵ > 100, dus: 1,8·10⁻⁶ = x²; x = 1,3·10⁻³ = [H₃O⁺]; pH = −log(1,3·10⁻³) = 2,9

Beide indicatoren hadden een te laag gehalte opgeleverd, want de indicatoren waren al van kleur veranderd voordat het equivalentiepunt was bereikt. Er was dus minder natronloog toegevoegd en gebruikt in de berekening, wat had geleid tot een lager azijnzuurgehalte.

Praktijk Industriële productie van azijnzuur

vragen

1 Glucose wordt omgezet in ethanol en koolstofdioxide volgens: C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2 C 2 H ₆ O + 2 C O ₂

2 Om ethanol om te kunnen zetten tot azijnzuur heeft acetobacter zuurstof nodig. Bij deze omzetting komt water vrij: C ₂ H ₆ O + O ₂ → C 2 H ₄ O ₂ + H ₂ O

3 De structuurformule van azijnzuur is:

4 Het omcirkelde proton splitst af wanneer azijnzuur bij een zuur-basereactie betrokken is:

C C

O

O H

H

C C

O

O H

H

(9)

j Het negatieve ion in het equivalentiepunt is het acetaation. Stel, je hebt 10,00 mL natronloog toe- gevoegd en de concentratie van de verdunde oplossing is = 0,1000 M. Concentratie acetaat in equiva- lentiepunt = 0,0500 M; K_b acetaat = 5,5·10⁻¹⁰;

5,5·10⁻¹⁰ = __________ 0,0500 − x ; x ² ________ 5,5·1 0 0,0500⁻¹⁰ > 100, dus: 2,75·10⁻¹¹ = x²; x = 5,2·10⁻⁶ = [OH⁻];

pH = 14 + log(5,2·10⁻⁶) = 8,7

Begin-pH: K_z azijnzuur = 1,8·10⁻⁵; 1,8·10⁻⁵ = x _______ 0,1 − x ; ²

_______ 1,8·1 0 0,1⁻⁵ > 100, dus: 1,8·10⁻⁶ = x²; x = 1,3·10⁻³ = [H₃O⁺]; pH = −log(1,3·10⁻³) = 2,9

Praktijk Industriële productie van azijnzuur

vragen

1 Glucose wordt omgezet in ethanol en koolstofdioxide volgens: C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2 C 2 H ₆ O + 2 C O ₂

2 Om ethanol om te kunnen zetten tot azijnzuur heeft acetobacter zuurstof nodig. Bij deze omzetting komt water vrij: C ₂ H ₆ O + O ₂ → C 2 H ₄ O ₂ + H ₂ O

3 De structuurformule van azijnzuur is:

4 Het omcirkelde proton splitst af wanneer azijnzuur bij een zuur-basereactie betrokken is:

C C

O

O H

H

C C

O

O H

H

5 De triviale naam van de geconjugeerde base van azijnzuur is acetaat; de systematische naam is ethanoaat.

6 Voorbeelden van goede antwoorden zijn:

7 Door de COOH-groep apart op te schrijven, kun je al aan de molecuulformule zien dat het om ethaanzuur gaat en niet om een ander isomeer.

8 Azijnzuur kan net als water drie waterstofbruggen vormen, maar heeft daarnaast een grotere molecuulmassa en dus een sterkere vanderwaalsbinding. De totale sterkte van de molecuulbinding is dus groter. Hierdoor heeft azijnzuur een hoger smeltpunt dan water.

9 HI wordt weliswaar verbruikt in de eerste stap van de reactie, maar weer teruggevormd in de derde stap van de reactie. Netto wordt er dus geen HI verbruikt en zodoende functioneert HI als een katalysator.

10 PVA bevat vele hydrofi ele OH-groepen. Het polymeer kan dus waterstofbruggen vormen en lost op in water. In PVAc bevindt zich alleen de relatief hydrofobe esterbinding. Er kunnen onvoldoende waterstofbruggen gevormd worden om het polymeer in water te laten oplossen.

11

De systematische naam is ethylethanoaat.

12 N a ⁺ (aq) + C H ₃ CO O ⁻ (aq) + 3 H ₂ O(l) → NaC H 3 COO·3 H ₂ O(s) 13

ΔE is negatief omdat het een exotherm proces is.

14 Bij de reactie ontstaat een gas (CO₂). Je zult dus waarnemen dat er tijdens het schoonmaken belletjes ontstaan.

C C

O H

H

O

C CH2

HO

H3C O C

O

H etheen-1,1-diol methylmethanoaat

HO H2

C C

O

H hydroxymethanal

H2C CH O

OH epoxyethanol

H3C C O

OH HO H2

C CH3 H3C C

O

O H2

C CH3

ethylacetaat

+ H2O +

(10)

15 a C H ₃ COOH + O H ⁻ → C H 3 CO O ⁻ + H ₂ O

b Fenolftaleïen: in het equivalentiepunt is alle zuur omgezet in de geconjugeerde base. De pH van het equivalentiepunt ligt boven de 7. Het omslagtraject van fenolftaleïen ligt boven de 7.

c 1,00·10³ × 0,08 = 80 g azijnzuur per L; 80 _____ 60,05 = 1,33 mol; molariteit azijnzuur = 1 M (één signifi cant cijfer)

d K_z azijnzuur = 1,8·10⁻⁵; 1,8·10⁻⁵ = x _____ 1 − x ; ² _______ 1,8·1 0 1 ⁻⁵ > 100, dus: 1,8·10⁻⁵ = x²; x = 4,2·10⁻³ mol L⁻¹; [H₃O⁺] = 4,2·10⁻³ M; pH = −log(4,2·10⁻³) = 2,4. Een eventuele afwijking is te verklaren door de aanwezigheid van andere zure stoffen.

e In een hele buret van 50 mL 0,100 M natronloog zit 50·10⁻³ × 0,100 = 5,0·10⁻³ mol OH⁻. Dit is slechts voldoende om 5 mL 1 M schoonmaakazijn te titreren.

f Pipetteer 10 mL schoonmaakazijn met een volpipet in een 100 mL maatkolf. Vul aan met demiwater tot de maatstreep. Homogeniseer. Pipetteer 10 mL van de verdunde schoonmaakazijn in een 200 mL erlenmeyer en spuit de wanden van de erlenmeyer af met demiwater. Voeg enkele druppels fenolftaleïen toe. 10,00 mL 10× verdunde schoonmaakazijn bevat 0,1 × 10,00·10⁻³ = 1,0·10⁻³ mol azijnzuur. Voor de titratie is ongeveer nodig: _________ 1,000·1 0 0,100 = 10 mL 0,100 M natronloog. Het equivalentiepunt is bereikt ⁻³ als de oplossing blijvend (licht!) roze kleurt. Het azijnzuurgehalte van schoonmaakazijn kan als volgt worden berekend: azijnzuurconcentratie = ________________________ titratievolume × 0,100 × 10(10,00·1 0 ⁻³ ) ; deze concentratie × 60,05 = massa azijnzuur in g L⁻¹; ___________ massa in kg1,06 × 100 = massa% azijnzuur. Het pipetvolume is gegeven in vier signifi cante cijfers. De buret wordt afgelezen in twee decimalen, dus drie (onder de 10 mL,

bijvoorbeeld 9,87 mL) of vier (boven de 10 mL signifi cante cijfers, bijvoorbeeld 12,88 mL) signifi cante cijfers. Het aantal signifi cante cijfers van de concentratie natronloog moet je afl ezen van de fl es en zal waarschijnlijk vier signifi cante cijfers hebben. Eindantwoord geven in drie tot vier signifi cante cijfers.

g Eigen antwoord.

h Stel, je hebt 10,00 mL natronloog toegevoegd en de concentratie van verdunde oplossing is 0,1000 M. Concentratie acetaat in equivalentiepunt = 0,0500 M; K_b acetaat = 5,5·10⁻¹⁰; 5,5·10⁻¹⁰ = __________ 0,0500 − x ; x ²

0,0500

________ 5,5·1 0 ⁻¹⁰ > 100, dus: 2,75·10⁻¹¹ = x²; x = 5,2·10⁻⁶ = [OH⁻];

pH = 14 + log(5,2·10⁻⁶) = 8,7. Bij het eindpunt zijn in ieder geval aanwezig: acetaationen, Na⁺-ionen en H₂O.

j

(11)

15 a C H ₃ COOH + O H ⁻ → C H 3 CO O ⁻ + H ₂ O

b Fenolftaleïen: in het equivalentiepunt is alle zuur omgezet in de geconjugeerde base. De pH van het equivalentiepunt ligt boven de 7. Het omslagtraject van fenolftaleïen ligt boven de 7.

c 1,00·10³ × 0,08 = 80 g azijnzuur per L; 80 _____ 60,05 = 1,33 mol; molariteit azijnzuur = 1 M (één signifi cant cijfer)

d K_z azijnzuur = 1,8·10⁻⁵; 1,8·10⁻⁵ = x _____ 1 − x ; ² _______ 1,8·1 0 1 ⁻⁵ > 100, dus: 1,8·10⁻⁵ = x²; x = 4,2·10⁻³ mol L⁻¹; [H₃O⁺] = 4,2·10⁻³ M; pH = −log(4,2·10⁻³) = 2,4. Een eventuele afwijking is te verklaren door de aanwezigheid van andere zure stoffen.

e In een hele buret van 50 mL 0,100 M natronloog zit 50·10⁻³ × 0,100 = 5,0·10⁻³ mol OH⁻. Dit is slechts voldoende om 5 mL 1 M schoonmaakazijn te titreren.

f Pipetteer 10 mL schoonmaakazijn met een volpipet in een 100 mL maatkolf. Vul aan met demiwater tot de maatstreep. Homogeniseer. Pipetteer 10 mL van de verdunde schoonmaakazijn in een 200 mL erlenmeyer en spuit de wanden van de erlenmeyer af met demiwater. Voeg enkele druppels fenolftaleïen toe. 10,00 mL 10× verdunde schoonmaakazijn bevat 0,1 × 10,00·10⁻³ = 1,0·10⁻³ mol azijnzuur. Voor de titratie is ongeveer nodig: 1,000·1 0 _________ 0,100 = 10 mL 0,100 M natronloog. Het equivalentiepunt is bereikt ⁻³ als de oplossing blijvend (licht!) roze kleurt. Het azijnzuurgehalte van schoonmaakazijn kan als volgt worden berekend: azijnzuurconcentratie = ________________________ titratievolume × 0,100 × 10(10,00·1 0 ⁻³ ) ; deze concentratie × 60,05 = massa azijnzuur in g L⁻¹; ___________ massa in kg1,06 × 100 = massa% azijnzuur. Het pipetvolume is gegeven in vier signifi cante cijfers. De buret wordt afgelezen in twee decimalen, dus drie (onder de 10 mL,

bijvoorbeeld 9,87 mL) of vier (boven de 10 mL signifi cante cijfers, bijvoorbeeld 12,88 mL) signifi cante cijfers. Het aantal signifi cante cijfers van de concentratie natronloog moet je afl ezen van de fl es en zal waarschijnlijk vier signifi cante cijfers hebben. Eindantwoord geven in drie tot vier signifi cante cijfers.

g Eigen antwoord.

h Stel, je hebt 10,00 mL natronloog toegevoegd en de concentratie van verdunde oplossing is 0,1000 M. Concentratie acetaat in equivalentiepunt = 0,0500 M; K_b acetaat = 5,5·10⁻¹⁰; 5,5·10⁻¹⁰ = __________ 0,0500 − x ; x ²

0,0500 ________

5,5·1 0 ⁻¹⁰ > 100, dus: 2,75·10⁻¹¹ = x²; x = 5,2·10⁻⁶ = [OH⁻];

pH = 14 + log(5,2·10⁻⁶) = 8,7. Bij het eindpunt zijn in ieder geval aanwezig: acetaationen, Na⁺-ionen en H₂O.

j

Theorie

1 Zuur en basisch

1 a H ₂ S O ₄ + H ₂ O → HS O 4 ⁻ + H ₃ O ⁺

b C H ₃ C H ₂ COOH + H ₂ O ⇄ C H 3 C H ₂ CO O ⁻ + H ₃ O ⁺ c S ²⁻ + H ₂ O ⇄ H S ⁻ + O H ⁻

d C ₆ H ₅ -N H ₂ + H ₂ O ⇄ C 6 H ₅ -N H ₃ ⁺ + O H ⁻

2 a Oxaalzuur is een zuur en staat H⁺-ionen af aan water. Er ontstaan oxoniumionen, H₃O⁺. Een oxaal- zuuroplossing is dus zuur.

b Een natriumcarbonaatoplossing bevat carbonaationen. Het carbonaation is een base en neemt een H⁺-deeltje op van water. Er ontstaat OH⁻. Een natriumcarbonaatoplossing is dus basisch.

c Ammoniak is een base en neemt een H⁺-deeltje op van water. Er ontstaat OH⁻. Ammonia is dus basisch.

d Waterstofchloride is een zuur en staat H⁺-ionen af aan water. Er ontstaan oxoniumionen.

Zoutzuur is dus zuur.

3 a HBr staat een H⁺-ion af aan H₂O. Het is dus een zuur-basereactie. HBr is het zuur, H₂O de base.

b Natrium reageert met water, maar hierbij worden geen H⁺-deeltjes overgedragen. Het is geen zuur- basereactie.

c OH⁻ neemt een H⁺-deeltje op van H₂S. Het is dus een zuur-basereactie. H₂S is het zuur, OH⁻ de base.

d O²⁻ neemt een H⁺-deeltje op van H₂O. Het is dus een zuur-basereactie. H₂O is het zuur, O²⁻ de base.

4 Wanneer een watermolecuul een H⁺-deeltje opneemt, ontstaat er H₃O⁺, oxoniumion. Als water een H⁺-deeltje afstaat, dan ontstaat hydroxide. Water is zowel een zuur als een base.

5 a

b De COO⁻-groep van het stearaation kan een H⁺-deeltje opnemen en stearaat is dus een base. In een zeepoplossing ontstaan hydroxide-ionen. Een zeepoplossing is dus basisch.

2 pH-schaal

6 a pH = −log(3,4·10⁻²) = 1,47 b pH = −log(5,01·10⁻⁹) = 8,300

c pOH = −log(7·10⁻¹) = 0,2; pH = 14 − 0,2 = 13,8 d pOH = −log(2,7·10⁻¹¹) = 10,57; pH = 14 − 10,57 = 3,43 7 a [H₃O⁺] = 10^−8,1 = 8·10⁻⁹ M

b [H₃O⁺] = 10^−0,54 = 0,29 M c [H₃O⁺] = 10^−13,03 = 9,3·10⁻¹⁴ M 8 a [OH⁻] = 10−(14,00 − 2,15) = 1,4·10⁻¹² M

b [OH⁻] = 10−(14,00 − 7,5) = 3·10⁻⁷ M c [OH⁻] = 10−(14,00 − 14,78) = 6,0 M

9 a De pH zal dalen tot pH 7. Omdat zuiver water zelf pH 7 heeft, zal de pH niet dalen onder de 7.

b De pH zal stijgen tot pH 7. Omdat zuiver water zelf pH 7 heeft, zal de pH niet stijgen boven de 7.

O

(12)

10 a KOH(s) → K ⁺ (aq) + O H ⁻ (aq) 2,75

______

56,106 = 0,0490 mol KOH, dus ook 0,0490 mol OH⁻

[OH⁻] = ______ 0,04900,500 = 0,0980 M; pH = 14 − −log(0,0980) = 12,99 b CaO(s) + H ₂ O(l) → C a ²⁺ (aq) + 2 O H ⁻ (aq)

12·1 0 ⁻³

_______ 56,077 = 2,14·10⁻⁴ mol CaO, dus: 2 × 2,14·10⁻⁴ = 4,28·10⁻⁴ mol OH⁻ [OH⁻] = ________ 4,28·1 0 0,050 = 8,56·10⁻⁴ ⁻³ M; pH = 14 − −log(8,56·10⁻³) = 11,93 c HCl(g) + H ₂ O(l) → C l ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq)

Molair volume is 24,5 dm³ bij 298 K; p = p₀ 5,0

____

24,5 = 0,204 mol HCL, dus ook 0,204 mol H³O⁺ [H₃O⁺] = _____ 0,2042,00 = 0,102 M; pH = −log(0,102) = 0,99 11 a Er komen evenveel hydroxide-ionen in voor.

b 2 H ₂ O ⇄ H 3 O ⁺ + O H ⁻ c K_w = [H₃O⁺][OH⁻]

d Bij een hogere temperatuur is de K_w groter. Het evenwicht verschuift dus naar rechts bij een hogere temperatuur. Algemeen geldt dat als de temperatuur toeneemt, het evenwicht naar de endotherme kant verschuift. De zelfi onisatie van water is dus een endotherme reactie.

e Bij 373 K geldt: 5,1·10⁻¹³ = [H₃O⁺][OH⁻]. In zuiver water geldt: [H₃O⁺] = [OH⁻].

5,1·10⁻¹³ = [OH⁻]²; [OH⁻] = √ ^_______5,1·1 0 ⁻¹³ = 7,14·10⁻⁷ mol L⁻¹

12 Wanneer thymolblauw geel kleurt, ligt de pH van de oplossing tussen de 2,8 en 8,0 (twee omslag- trajecten!). Wanneer methylrood geel kleurt, moet de pH van de oplossing boven de 6,0 liggen. Fenol- rood kleurt geel bij een pH onder de 6,6. Dit betekent dat de pH van de oplossing tussen de 6,0 en 6,6 moet liggen. (Het gebruik van thymolblauw was niet nodig geweest.)

13 Geschikte indicatoren zijn broomkresolgroen en broomthymolblauw. Wanneer broomkresolgroen blauw kleurt, is de pH hoger dan 5,4. Bij een pH lager dan 6,0 kleurt broomthymolblauw geel. Met deze twee indicatoren kun je dus vaststellen dat de pH ergens tussen de 5,4 en 6,0 ligt.

3 Sterk en zwak

14 HBr, CH₃COOH, H₂AsO₄⁻, HCN, C₆H₅OH 15 S²⁻, CO₃²⁻, CrO₄²⁻, C₂O₄²⁻, I⁻

16 a

(13)

10 a KOH(s) → K ⁺ (aq) + O H ⁻ (aq) 2,75

______

56,106 = 0,0490 mol KOH, dus ook 0,0490 mol OH⁻

[OH⁻] = ______ 0,04900,500 = 0,0980 M; pH = 14 − −log(0,0980) = 12,99 b CaO(s) + H ₂ O(l) → C a ²⁺ (aq) + 2 O H ⁻ (aq)

12·1 0 ⁻³

_______ 56,077 = 2,14·10⁻⁴ mol CaO, dus: 2 × 2,14·10⁻⁴ = 4,28·10⁻⁴ mol OH⁻ [OH⁻] = ________ 4,28·1 0 0,050 = 8,56·10⁻⁴ ⁻³ M; pH = 14 − −log(8,56·10⁻³) = 11,93 c HCl(g) + H ₂ O(l) → C l ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq)

Molair volume is 24,5 dm³ bij 298 K; p = p₀ 5,0

____

24,5 = 0,204 mol HCL, dus ook 0,204 mol H³O⁺ [H₃O⁺] = _____ 0,2042,00 = 0,102 M; pH = −log(0,102) = 0,99 11 a Er komen evenveel hydroxide-ionen in voor.

b 2 H ₂ O ⇄ H 3 O ⁺ + O H ⁻ c K_w = [H₃O⁺][OH⁻]

d Bij een hogere temperatuur is de K_w groter. Het evenwicht verschuift dus naar rechts bij een hogere temperatuur. Algemeen geldt dat als de temperatuur toeneemt, het evenwicht naar de endotherme kant verschuift. De zelfi onisatie van water is dus een endotherme reactie.

e Bij 373 K geldt: 5,1·10⁻¹³ = [H₃O⁺][OH⁻]. In zuiver water geldt: [H₃O⁺] = [OH⁻].

5,1·10⁻¹³ = [OH⁻]²; [OH⁻] = √ ^_______5,1·1 0 ⁻¹³ = 7,14·10⁻⁷ mol L⁻¹

12 Wanneer thymolblauw geel kleurt, ligt de pH van de oplossing tussen de 2,8 en 8,0 (twee omslag- trajecten!). Wanneer methylrood geel kleurt, moet de pH van de oplossing boven de 6,0 liggen. Fenol- rood kleurt geel bij een pH onder de 6,6. Dit betekent dat de pH van de oplossing tussen de 6,0 en 6,6 moet liggen. (Het gebruik van thymolblauw was niet nodig geweest.)

13 Geschikte indicatoren zijn broomkresolgroen en broomthymolblauw. Wanneer broomkresolgroen blauw kleurt, is de pH hoger dan 5,4. Bij een pH lager dan 6,0 kleurt broomthymolblauw geel. Met deze twee indicatoren kun je dus vaststellen dat de pH ergens tussen de 5,4 en 6,0 ligt.

3 Sterk en zwak

14 HBr, CH₃COOH, H₂AsO₄⁻, HCN, C₆H₅OH 15 S²⁻, CO₃²⁻, CrO₄²⁻, C₂O₄²⁻, I⁻

16 a

b

17 a HCl O ₄ + H ₂ O → Cl O 4 ⁻ + H ₃ O ⁺ [H₃O⁺] = 0,45 M; pH = −log(0,45) = 0,35 b C H ₃ C H ₂ O ⁻ + H ₂ O → C H 3 C H ₂ OH + O H ⁻ [OH⁻] = 84·10⁻³ M; pH = 14 − −log(84·10⁻³) = 12,92

18 a HF is een sterker zuur dan HCN. Een groter deel van de HF-moleculen heeft een H⁺-ion afgestaan aan water. Bij een gelijke concentratie is de [H₃O⁺] van de HF-oplossing hoger en de pH dus kleiner.

b IO₃⁻ is een zwakkere base dan NH₃. Een kleiner deel van de IO₃⁻-deeltjes heeft een H⁺-ion opgeno- men van water. Om de concentratie [OH⁻] evenveel te verhogen, zijn er meer IO₃⁻-deeltjes nodig dan NH₃-deeltjes. Bij een gelijke pH is de molariteit van een NaIO₃-oplossing groter dan die van een NH₃- oplossing.

19 a C H ₃ C H ₂ COOH(aq) + H ₂ O(l) ⇄ C H 3 C H ₂ CO O ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq)

b De H₃O⁺-concentratie wordt verhoogd. De reactie naar links kan dus tijdelijk sneller verlopen.

Het evenwicht verschuift naar links.

c Omdat het evenwicht naar links verschuift, nemen de concentraties van de stoffen rechts van de pijl af. De concentratie geïoniseerd propaanzuur (propanoaat) neemt dus af.

d Wanneer natronloog wordt toegevoegd, zal door de reactie tussen OH⁻ en H₃O⁺ de concentratie H₃O⁺ afnemen. Hierdoor verschuift het evenwicht naar rechts en zal de concentratie propanoaat toenemen.

+20 In een verzadigde Mg(OH)₂-oplossing heerst een evenwicht: Mg(OH ) ₂ (s) ⇄ M g ²⁺ (aq) + 2 O H ⁻ (aq) Dit evenwicht voldoet aan de volgende evenwichtsvoorwaarde: K_s = [Mg²⁺] × [OH⁻]² = 5,6·10⁻¹² (Binas tabel 46).

Omdat geldt [OH⁻] = 2 × [Mg²⁺], kan de [OH⁻] uitgerekend worden:

x ∙ (2x)² = 5,6·10⁻¹²; 4x³ = 5,6·10⁻¹²; x =

√

³ ^________^_________^{(5,6·1 0}⁴⁻¹²⁾ ; x = 1,12·10⁻⁴ mol L⁻¹

[OH⁻] = 2x = 2 × 1,12·10⁻⁴ = 2,24·10⁻⁴; pOH = −log(2,24·10⁻⁴) = 3,65 en pH = 14,00 − 3,65 = 10,35

4 Evenwichten bij zwakke zuren en basen

21 a H₂SO₄, H₂S, NH₄⁺, H₂O₂ b HSO₄⁻, HS⁻, NH₃, HO₂⁻

c HO₂⁻, NH₃, HS⁻, HSO₄⁻; de volgorde is precies omgekeerd aan de volgorde van de geconjugeerde zuren.

(14)

22 a 1 C O ₃ ²⁻ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ HC O 3 ⁻ (aq) + O H ⁻ (aq) 2 HF(aq) + H ₂ O(l) ⇄ F ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq) 3 Cl O ⁻ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ HClO(aq) + O H ⁻ (aq) 4 H ₂ C ₂ O ₄ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ H C 2 O ₄ ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq) b 1 [HC O ₃ ⁻ ][O H ⁻ ]

_____________ [C O ₃ ²⁻ ] = 2,1·1 0 ⁻⁴ 2 [ F ⁻ ][ H ₃ O ⁺ ]

__________ [HF] = 6,3·1 0 ⁻⁴

3 ____________ [HClO][O H [Cl O ⁻ ] ⁻ ] = 2,5·1 0 ⁻⁷ 4 [H C ₂ O ₄ ⁻ ][ H ₃ O ⁺ ]

______________ [ H ₂ C ₂ O ₄ ] = 5,6·1 0 ⁻²

23 a De [H₃O⁺] wordt groter. Hierdoor verschuift het evenwicht naar links en wordt de [CH₃COOH] groter.

b De [H₃O⁺] wordt kleiner. Hierdoor verschuift het evenwicht naar rechts en wordt de [CH₃COOH]

kleiner.

c De [CH₃COO⁻] wordt groter. Hierdoor verschuift het evenwicht naar links en wordt de [CH₃COOH]

groter.

d De [CH₃COOH], de [H₃O⁺] en de [CH₃COO⁻] worden kleiner. De concentratie water blijft nage- noeg gelijk. De reactie naar rechts is tijdelijk in het voordeel. Het evenwicht verschuift naar rechts.

24 a C N ⁻ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ HCN(g) + O H ⁻ (aq)

b Door de concentratie OH⁻ hoog te houden, ligt het evenwicht bij de vorming van blauwzuurgas uiterst links. Er wordt dan amper blauwzuurgas gevormd. Bij een lage pH is de concentratie OH⁻ zeer laag en loopt het evenwicht af naar rechts. Er wordt dan veel van het giftige gas gevormd.

25 a

b C₄H₁₂NO₃⁺

c K_b × K_z = 1,0·10⁻¹⁴; K_z = ________ 1,17·1 0 1,0·1 0 ⁻¹⁴⁻⁶ = 8,5·10⁻⁹

26 a HSO₄⁻ is een zwak zuur. Niet alle HSO₄⁻-deeltjes hebben een H⁺-ion afgestaan.

b [H₃O⁺] = 20·10⁻³ M; pH = −log(20·10⁻³) = 1,70

c De werkelijke pH is hoger, omdat de H₃O⁺-concentratie lager is dan 20 mM.

27 a K _z = [ H ₃ O ⁺ ][ F ⁻ ]

__________ [HF] en K ^b = __________ [O H [ F ⁻ ][HF]⁻ ] b K _z × K _b = [ H ₃ O ⁺ ] · [ F ⁻ ]

___________ [HF] × ___________ [O H ⁻[ F ] · [HF]⁻ ] K _z × K _b = [ H ₃ O ⁺ ] · [ F ⁻ ]

___________ [HF] × ___________ [O H ⁻[ F ] · [HF]⁻ ] = [ H ₃ O ⁺ ] · [O H ⁻ ]

_____________ 1 = [ H ₃ O ⁺ ] · [O H ⁻ ] = 1,0·1 0 ⁻¹⁴ +28 a pK_z = −log K_z

b pK_z + pK_b = 14,00

c K_z × K_b = [H₃O⁺] × [OH⁻] = 1,0·10⁻¹⁴ p(K_z × K_b) = p([H₃O⁺] × [OH⁻]) = p(1,0·10⁻¹⁴) pK_z + pK_b = pH + pOH = 14,00

d Bij 273 K geldt: pK_w = 14,94, dus: pK_z + pK_b = 14,94

CH2 C CH2

NH2

CH₂ OH

OH HO

(15)

22 a 1 C O ₃ ²⁻ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ HC O 3 ⁻ (aq) + O H ⁻ (aq) 2 HF(aq) + H ₂ O(l) ⇄ F ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq) 3 Cl O ⁻ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ HClO(aq) + O H ⁻ (aq) 4 H ₂ C ₂ O ₄ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ H C 2 O ₄ ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq) b 1 [HC O ₃ ⁻ ][O H ⁻ ]

_____________ [C O ₃ ²⁻ ] = 2,1·1 0 ⁻⁴ 2 [ F ⁻ ][ H ₃ O ⁺ ]

__________ [HF] = 6,3·1 0 ⁻⁴

3 ____________ [HClO][O H [Cl O ⁻ ] ⁻ ] = 2,5·1 0 ⁻⁷ 4 [H C ₂ O ₄ ⁻ ][ H ₃ O ⁺ ]

______________ [ H ₂ C ₂ O ₄ ] = 5,6·1 0 ⁻²

23 a De [H₃O⁺] wordt groter. Hierdoor verschuift het evenwicht naar links en wordt de [CH₃COOH] groter.

b De [H₃O⁺] wordt kleiner. Hierdoor verschuift het evenwicht naar rechts en wordt de [CH₃COOH]

kleiner.

c De [CH₃COO⁻] wordt groter. Hierdoor verschuift het evenwicht naar links en wordt de [CH₃COOH]

groter.

d De [CH₃COOH], de [H₃O⁺] en de [CH₃COO⁻] worden kleiner. De concentratie water blijft nage- noeg gelijk. De reactie naar rechts is tijdelijk in het voordeel. Het evenwicht verschuift naar rechts.

24 a C N ⁻ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ HCN(g) + O H ⁻ (aq)

b Door de concentratie OH⁻ hoog te houden, ligt het evenwicht bij de vorming van blauwzuurgas uiterst links. Er wordt dan amper blauwzuurgas gevormd. Bij een lage pH is de concentratie OH⁻ zeer laag en loopt het evenwicht af naar rechts. Er wordt dan veel van het giftige gas gevormd.

25 a

b C₄H₁₂NO₃⁺

c K_b × K_z = 1,0·10⁻¹⁴; K_z = ________ 1,17·1 0 1,0·1 0 ⁻¹⁴⁻⁶ = 8,5·10⁻⁹

26 a HSO₄⁻ is een zwak zuur. Niet alle HSO₄⁻-deeltjes hebben een H⁺-ion afgestaan.

b [H₃O⁺] = 20·10⁻³ M; pH = −log(20·10⁻³) = 1,70

c De werkelijke pH is hoger, omdat de H₃O⁺-concentratie lager is dan 20 mM.

27 a K _z = [ H ₃ O ⁺ ][ F ⁻ ]

__________ [HF] en K ^b = __________ [O H [ F ⁻ ][HF]⁻ ] b K _z × K _b = [ H ₃ O ⁺ ] · [ F ⁻ ]

___________ [HF] × ___________ [O H ⁻[ F ] · [HF]⁻ ] K _z × K _b = [ H ₃ O ⁺ ] · [ F ⁻ ]

___________ [HF] × ___________ [O H ⁻[ F ] · [HF]⁻ ] = [ H ₃ O ⁺ ] · [O H ⁻ ]

_____________ 1 = [ H ₃ O ⁺ ] · [O H ⁻ ] = 1,0·1 0 ⁻¹⁴ +28 a pK_z = −log K_z

b pK_z + pK_b = 14,00

c K_z × K_b = [H₃O⁺] × [OH⁻] = 1,0·10⁻¹⁴ p(K_z × K_b) = p([H₃O⁺] × [OH⁻]) = p(1,0·10⁻¹⁴) pK_z + pK_b = pH + pOH = 14,00

d Bij 273 K geldt: pK_w = 14,94, dus: pK_z + pK_b = 14,94

CH2 C CH2

NH2

CH₂ OH

OH HO

29 a

Van lysine zal bij pH 6 ook voor een deel de tweede aminegroep geprotoneerd zijn. Van glutamine- zuur zal bij pH 6 voor een deel ook de tweede carbonzuurgroep gedeprotoneerd zijn.

b

c Midden tussen de iso-elektrische punten van glycine en serine: pH ≈ 5,85.

5 Bijzondere zuren en basen

30 In een ijzer(III)nitraatoplossing bevinden zich gehydrateerde ijzer(III)ionen. Deze reageren als een zuur:

Fe( H ₂ O ) ₆ ³⁺ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ FeOH( H 2 O ) ₅ ²⁺ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq) 31 a zwaveligzuur, H₂SO₃

b H ₂ S O ₃ (aq) ⇄ H 2 O(l) + S O ₂ (g)

c H ₂ S O ₃ (aq) + H ₂ O(l) ⇄ HS O 3 ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq) d K _z = [HS O ₃ ⁻ ][ H ₃ O ⁺ ]

_____________ [ H ₂ S O ₃ ] 32 a waterstofsulfi et

b K_z = 6,2·10⁻⁸ en K_b = 7,1·10⁻¹³

c K_z × K_b ≠ 1,0·10⁻¹⁴. Dit geldt alleen voor zuur-basekoppels, niet voor de zuur- en baseconstante van een amfolyt.

d natriumwaterstofsulfi et, NaHSO₃ e K_z > K_b; de pH is dus lager dan 7

33 HCO₃⁻ K_z = 4,7·10⁻¹¹ en K_b = 2,2·10⁻⁸; K_b > K_z een basische oplossing H₂PO₄⁻ K_z = 6,2·10⁻⁸ en K_b = 1,4·10⁻¹²; K_z > K_b een zure oplossing HPO₄²⁻ K_z = 4,8·10⁻¹³ en K_b = 1,6·10⁻⁷; K_b > K_z een basische oplossing HC₆H₆O₆⁻ K_z = 1,8·10⁻¹² en K_b = 1,1·10⁻¹⁰; K_z < K_b een basische oplossing HC₂O₄⁻ K_z = 1,6·10⁻⁴ en K_b = 1,8·10⁻¹³; K_z > K_b een zure oplossing 34 a 1 CH₃-CH₂-COOH

2 C₆H₅-OH 3 CH₂Cl-COOH 4 C₆H₅-NH₂ b 1 K_z = 1,4·10⁻⁵

2 K_z = 1,0·10⁻¹⁰ 3 K_z = 1,3·10⁻³ 4 K_b = 7,4·10⁻¹⁰

H₂N CH C CH2

O O CH₂ C OH

O H2N C C

H

OH O H

H3N CH C CH₂

OH O CH2

CH₂ CH2

NH2

H3N CH C CH2

O O OH