Chemie Centraal/Zuren

Uit Wikibooks

Inhoud

1 Definitie volgens Arrhenius
2 Definitie volgens Brønsted en Lowry
3 Definitie volgens Lewis
4 Geleidbaarheid van een zure oplossing
5 Wanneer is een stof zuur
6 Sterkte van een zuur
7 pH
8 Enige zuren onder de loupe

Een zuur in de scheikunde is, populair gezegd, een stof die waterstofionen kan afstaan. Een zuur is in eerste instantie bekend van de smaak zuur in het normale spraakgebruik. Zuur als smaak is direct verbonden met zuur in de scheikunde. De tong in de mond heeft de mogelijkheid om zuur vast te stellen door de aanwezigheid van waterstofionen in het speeksel. De smaakreceptorcel wordt door de aanwezigheid van het waterstofion, dat positief geladen is, geactiveerd, waardoor de mens een smaak als zuur waarneemt.

[bewerken] Definitie volgens Arrhenius

Arrhenius was een Zweedse scheikundige en Nobelprijswinnaar uit de 19e eeuw. Een zuur is zo genoemd omdat men vroeger dacht dat er altijd zuurstof bij zuur-basereacties was betrokken. Arrhenius postuleerde dat een stof een zuur is als het minstens een waterstofatoom bevat en in staat is deze als positief ion af te geven in water. Bekende voorbeelden van dergelijke stoffen zijn azijnzuur (CH₃COOH), zwavelzuur (H₂SO₄) en zoutzuur (HCl).

Azijnzuur in water splitst (gedeeltelijk) als volgt:

CH₃COOH $\rightarrow$ H⁺ + CH₃COO⁻
azijnzuur $\rightarrow$ waterstofion + acetaat

Zwavelzuur kan splitsen volgens:

H₂SO₄ $\rightarrow$ H⁺ + HSO₄⁻
zwavelzuur $\rightarrow$ waterstofion + waterstofsulfaat

en zelfs nog verder volgens:

HSO₄⁻ $\rightarrow$ H⁺ + SO₄²⁻
waterstofsulfaat $\rightarrow$ waterstofion + sulfaat

Zoutzuur kan splitsen volgens:

HCl $\rightarrow$ H⁺ + Cl⁻
zoutzuur $\rightarrow$ waterstofion + chloride

Het acetaat, waterstofsulfaat, sulfaat en het chloride noemt men de zuurrest. Men noemt ze ook de "geconjugeerde base" van het oorspronkelijke zuur: omdat ze een opnieuw een waterstofatoom kunnen opnemen zijn ze basisch.

Let op: alle bovenstaande reacties zijn in feite vereenvoudigd en dus fout, omdat de reacties in water worden uitgevoerd en water eigenlijk deel uitmaakt van de reactie (zie verderop voor de uitleg).

[bewerken] Definitie volgens Brønsted en Lowry

Hydroxonium-ion

De Deense Brønsted en de Engelse Lowry waren twee scheikundigen die de definitie van Arrhenius te beperkt vonden en hebben deze uitgebreid.

Een Brønsted-zuur (B-zuur) is een molecuul dat een proton (H+) kan afstaan

Een dergelijke stof noemt men een protondonor.

Hydroxonium-ion

Het grote verschil is dat er geen water in een reactie betrokken moet zijn. Voorbeelden van dergelijke reacties waar geen water in voorkomt, zijn reacties tussen zuren en basen. Deze definitie is dus ruimer, en het betekent wel dat Arrhenius-zuren ook Brønsted-zuren zijn.

In feite is water in bovenstaande drie voorbeeldreacties betrokken in de reactie. Water treedt op als protonacceptor, want het reageert met het vrijkomende proton (waterstofion) volgens:

H₂O + H⁺ $\rightarrow$ H₃O⁺

water + waterstofion $\rightarrow$ hydroxonium-ion

[bewerken] Definitie volgens Lewis

Lewis was een Amerikaans scheikundige die de definitie van Arrhenius, maar ook die van Brønsted/Lowry, te beperkt vond. Hij vond dat het bij een zuur-basereactie niet ging om protonen maar om elektronen.

Een Lewis-zuur is een molecuul dat elektronen kan opnemen

Bij zuur-basereacties volgens Lewis worden er elektronenparen uitgewisseld.

Typische Lewiszuren zijn AlCl₃ (aluminiumtrichloride), BF₃ (boriumtrifloride) en SiF₄ (silicumtetrafluoride). Ook de ionen Co³⁺ en het Cu²⁺ zijn Lewiszuren (in feite zijn alle metaalionen die als centrum in een complex kunnen dienen een Lewiszuur).

Een typische reactie is bijvoorbeeld deze:

AlCl₃ + Cl⁻ $\rightarrow$ AlCl₄⁻

aluminiumtrichloride + chloride $\rightarrow$ aluminiumtetrachloride-ion

De binding die wordt aangegaan is een covalente binding.

Volgens de definitie van Lewis zijn alle zuren volgens de definitie van Brønsted en Lowry ook Lewis-zuren.

[bewerken] Geleidbaarheid van een zure oplossing

Bij het oplossen van een zuur in water zal het zuur opsplitsen in een positief waterstofion, dat met water een positief hydroxonium-ion vormt en een negatieve zuurrest. In het water bevinden zich dus ionen. De ionen zorgen ervoor dat stroom door water kan geleiden. Een oplossing van een zuur in water is dus geleidend.

[bewerken] Wanneer is een stof zuur

Niet alle stoffen die waterstof bevatten, zijn zuren. Enkel stoffen waarvan de zure vorm stabiel is, geven "gemakkelijk" een waterstofatoom af en zijn daarom zuur.

Een voorbeeld is HCl. Door de grote elektronegativiteit van chloor is de stof Cl^- stabiel: het chlooratoom bereikt namelijk een octetstructuur. Analoog voor alle zuren gevormd uit halogenen.

Andere voorbeelden zijn de carbonzuren CH₃COOH: het gevormde zuur is stabiel door resonantie.

Gewone koolstofverbindingen als methaan CH₄, ... daarentegen zijn niet zuur, omdat bij het verwijderen van een waterstofatoom een zeer onstabiele molecule ontstaat.

[bewerken] Sterkte van een zuur

Niet alle zuren in water dissociëren compleet; daarom spreken we van sterke en zwakke zuren.

Een sterk zuur is een stof die in water nagenoeg compleet dissocieert

Voorbeelden van sterke anorganische zuren zijn:

	zuur		zuurrest
HClO₄	perchloorzuur	ClO₄^-	chloraat
H₂SO₄	zwavelzuur	SO₄^2-	sulfaat
HI	waterstofjodide	I^-	iodide
HBr	waterstofbromide	Br^-	bromide
HCl	zoutzuur	Cl^-	chloride
HNO₃	salpeterzuur	NO₃^-	nitraat
H₃O⁺	het hydroxonium-ion	H₂O	water

Een zwak zuur is een stof die in water slechts gedeeltelijk ioniseert

Er stelt zich een evenwicht in, dat weergegeven wordt door een dubbele pijl:

HA_(aq) $\leftrightarrow$ H⁺_(aq) + A^-_(aq)

Voorbeelden van zwakke anorganische zuren zijn:

	zuur		zuurrest
H₃PO₄	fosforzuur	PO₄^3-	fosfaat
HF	waterstoffluoride	F^-	fluoride
HSO₃	zwaveligzuur	SO₃^-	sulfiet
HNO₂	salpeterigzuur	NO₂^-	nitriet
H₂S	waterstofsulfide	S^2-	sulfide

Voorbeelden van zwakke organische zuren zijn:

	zuur		zuurrest
CH₃COOH	azijnzuur	CH₃COO^-	acetaat
CH₂COOH	methaanzuur (mierenzuur)	CH₂COO^-	methanaat (formiaat)
C₂H₄COOH	propaanzuur (propionzuur)	C₂H₄COO^-	propanaat (propionaat)

[bewerken] pH

Wat is zuurder? Een sinaasappel (appelsien) of een citroen? Eigenlijk weten we dat allemaal wel: dat is een citroen. Dit kan je ook meten en wel door het bepalen van de concentratie van hydroxoniumionen in een oplossing.

In het begin van de 20e eeuw werd daarvoor het begrip pH (let op: kleine p en grote H) geïntroduceerd. De p staat voor potentie/kracht en de H staat voor waterstof. De pH is een maat voor de zuurgraad van een oplossing. Het is een logaritmische schaal.

De pH is gelijk aan de negatieve logaritme (grondtal 10) van de concentratie waterstofionen (H⁺), uitgedrukt in mol/liter.

In formulevorm: $pH=-\log \left [ \mathrm{H_3O^+} \right ]$

[bewerken] Enige zuren onder de loupe

[bewerken] Zwavelzuur

Zwavelzuur is een sterk zuur. Het is daarom gevaarlijk omdat het etsend werkt. Contact tussen huid of ogen moet dan ook altijd worden vermeden.

Zwavelzuur wordt verkregen door zwavel te verbranden en het oxide op te lossen in water.

$\mathrm{S + O_2 \longrightarrow SO_2}$

Het SO₂ gaat een evenwichtsreactie aan met zuurstof:

$\mathrm{2 \ SO_2 + O_2 \ \rightleftharpoons \ 2 \ SO_3}$

Dit wordt in zwavelzuur (!) geleidt waarbij de volgende reactie optreedt:

$\mathrm{SO_3 + H_2SO_4 \longrightarrow H_2S_2O_7}$

En dat reageert weer verder met water volgens:

$\mathrm{H_2S_2O_7 + H_2O \longrightarrow 2 \ H_2SO_4}$

Er is een efficiëntere manier om SO₂ om te zetten in SO₃, namelijk met vanadiumoxide en dat gaat volgens:

$\mathrm{SO_2 + V_2O_5 \ \rightleftharpoons \ SO_3 + V_2O_4}$

Het V₂O₄ kan hergebruikt worden nadat het op eenvoudige wijze met zuurstof reageert.

Salpeterzuur is een van de belangrijkste grondstoffen in de procesindustrie. Het wordt onder andere ingezet bij de productie van andere zuren, fosfaten en voor de productie en extraheren van stoffen uit ertsen, in batterijen en voor het etsen van metalen en halfgeleiders.

[bewerken] Salpeterzuur

Salpeterzuur is een sterk zuur en heet officieel waterstofnitraat.

Het wordt voornamelijk geproduceerd met het Ostwald-proces dat verloopt met de volgende reacties:

$\mathrm{4 \ NH_3 + 5 \ O_2 \longrightarrow 4 \ NO + 6 \ H_2O }$

$\mathrm{2 \ NO + O_2 \longrightarrow 2 \ NO_2 }$

$\mathrm{3 \ NO_2 + H_2O \longrightarrow 2 \ H^+ + 2 \ NO_3^- + NO }$

Salpeterzuur wordt in de industrie veel gebruikt onder andere is het belangrijk voor het oplossen van metalen, waardoor het uit ertsen kan worden vrijgemaakt. Het kan ook gebruikt worden als oxidator, als grondstof (nitraat) voor springstof en kunstmeststof en in verfstoffen en desinfecterende stoffen.

Salpeterzuur gemengd met zwavelzuur in zo weinig mogelijk water heet nitreerzuur.

[bewerken] Zoutzuur

Zoutzuur is een oplossing van HCl in water. Puur waterstofchloride is gasvormig, maar lost goed op in water. Het is een sterke anorganisch zuur en is etsend. Ook voor dit zuur geldt dus dat men er erg mee moet oppassen en de veiligheidsvoorschriften in acht neemt.

In het laboratorium kan men zoutzuur als volgt maken:

$\mathrm{2\,NaCl + H_2SO_4 \longrightarrow Na_2SO_4 + 2\,HCl}$

In de industrie wordt het als volgt geproduceerd:

$\mathrm{Cl_2 + H_2 \longrightarrow 2\,HCl}$

Het gast wordt opgelost in water:

$\mathrm{HCl + H_2O \longrightarrow H_3O^{+} + Cl^{-}_{(aq)}}$

Zoutzuur kan ook ontstaan als afvalproduct bij de productie van andere chemicaliën.

Zoutzuur wordt gebruikt bij de verwerking en opwerking van ertsen en bij de metaalverwerking bijvoorbeeld voor het etsen. Bovendien wordt het voor analytische doeleinden in laboratoria ingezet.

Zoutzuur gemengd met salpeterzuur heet koningszuur: een heel agressief zuur.

[bewerken] Fosforzuur

Fosforzuur is een zwak zuur dat dissocieert in 4 verschillende toestanden afhankelijk van de heersende pH in de oplossing. Het kan zich in de toestand fosfaat (PO₄^3-), monowaterstoffosfaat (HPO₄^2-), diwaterstoffosfaat (H₂PO₄^-) en triwaterstoffosfaat (H₃PO₄)bevinden.

Het fosforzuur wordt gemaakt door fosfaaterts (meestal apatiet) te laten reageren met zwavelzuur, waarbij fosforzuur en gips wordt gevormd (alternatief met zoutzuur of salpeterzuur). Ook kan men puur fosfor verbranden en hydrolyseren in water.

[bewerken] Koolzuur

Koolzuur is een oplossing van koolstofdioxide (CO₂) in water. Het koolstofdioxide vormt een molekuul met water dat eigenlijk diwaterstofcarbonaat heet. Koolzuur is een zwak zuur dat 1 of 2 H⁺-ionen kan afsplitsen.

$\mathrm{H_2CO_3 + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + HCO_3^- }$

$\mathrm{HCO_3^- + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + CO_3^{2-} }$

Koolzuur (en bicarbonaat) wordt veelgebruikt in de voedingsmiddelenindustrie. Denk daarbij bijvoorbeeld aan cola of sinas, waar de CO₂ vrijkomt als belletjes in het glas limonade. Een bruistablet is ook een mooi voorbeeld, daar bevindt zich bicarbonaat en citroenzuur als vaste stof (dat niet met elkaar reageert) in de tablet. Los je dit op in water dan reageert de bicarbonaat met het citroenzuur en vormt daarbij volgens bovenstaande reactie (maar dan van rechts naar links) koolstofdioxide; en dat bruist. Ook bakpoeder werkt op de manier zoals beschreven bij het bruistablet en zorgt er dus voor dat het deeg rijst.

[bewerken] Azijnzuur

Azijnzuur is een zwak organisch zuur. Het bekendste voorbeeld van azijnzuur is de tafelazijn.

Een bekende bereidingswijze van azijnzuur is het fermenteren van alcohol; bijvoorbeeld wijn die te lan staat (of waar een bacterie bij is gekomen) zal bederven en ruikt en smaakt dan zuur.

Industrieel wordt het echter op een andere wijze geproduceerd:

In aanwezigheid van een katalysator en met verhoogde druk laat men methanol reageren met koolstofmonoxide

$\mathrm{CH_3OH + CO \longrightarrow CH_3COOH}$

Azijnzuur wordt gebruikt als grondstof voor ethylacetaat dat een belangrijk oplosmiddel is. Met salicylzuur reageert azijnzuur tot acetylsalicylzuur; het belangrijkste bestanddeel van aspirine.

Azijnzuur wordt veel ingezet als smaakstof een zuurmiddel in de voedingsmiddelenindustrie, evenals de acetaten kaliumacetaat, natriumacetaat en calciumacetaat. Azijnzuur is ook bestanddeel van cosmetica als crème en zeep.

[bewerken] Citroenzuur

Citroenzuur is ook een zwak organisch zuur. Het heet eigenlijk 2-hydroxypropaan-1,2,3-tricarbonzuur. Citroenzuur heet zo omdat het door zijn ontdekker uit het sap van citroenen werd gewonnen.

Citroenzuur is belangrijk omdat het een belangrijke rol speelt in de citroenzuurcyclus, een biochemisch proces dat deel is van het metabolisme van mens en dier. Daarnaast wordt het gebruikt als zuurteregelaar in de voedingsmiddelenindustrie en als schoonmaakmiddel (dat dan ook lekker ruikt) en zoals je al hebt kunnen lezen in bruistabletten.

Structuur van citroenzuur

Citroenzuur vindt men ook veel in planten, zoals je reeds hebt gelezen in citroenen maar ook in andere citrusvruchten.

De industriële winning van citroenzuur maakt gebruik van citrusvruchten als grondstof. Ook kan men citroenzuur op biochemische wijze produceren met een speciale bacterie uit glucose en zuurstof.

[bewerken] Zure reinigingsmiddelen

← Vorige • Chemie Centraal • Volgende →