Aquazuren - theorie en voorbeelden
De pH van een oplossing is afhankelijk van de concentratie van de vrije waterstofionen in een oplossing. Het is dus logisch dat de oplossing zuur wordt als er waterstofchloride in wordt opgelost. Bij andere chemische samenstellingen, zoals koper(II)chloride, wordt bij het oplossen de oplossing ook zuur terwijl er geen waterstof in de chemische stof zit, en een voorwaarde van een zure oplossing is dat er vrij waterstof in de oplossing zit. Hoe zit dit in elkaar?Aquazuren
Aquazuren zijn, kort gezegd, zuren die pas vormen zodra ze in aanraking komen met water. Een metaalion van de 3dn-groep (scandium tot en met zink) in een oplossing kan een aquazuur vormen, alleen is dit afhankelijk van welk metaalion er sprake is. Het mechanisme zit zo:[OLIST]Een zout wordt opgelost in water, waarbij een metaalion vrijkomt.
Om de positieve lading van het metaalion te stabiliseren zullen de watermoleculen georiënteerd staan met hun zuurstofatomen naar het metaalion toe. Het water om het ion heen heet de watermantel.
Die stabilisatie leidt tot neutralisatie van het complex, waardoor het zich als het ware als een neutraal geladen molecuul gedraagt, zoals azijnzuur (CH3COOH).
Door deze neutralisatie kan het complex nu een H+ afstaan, en fungeert het als een zuur.
[/OLIST]
Niet alle metaalionen kunnen een complex vormen. Natrium- en kaliumionen zullen bijvoorbeeld geen watermantel krijgen, maar andere metalen wel. In onderstaande tabel staan gegevens van enkele metaalionen met hun watermantel:
Tabel 1: Metaalionen en hun watermantel
| Metaalion | Zuur | Base | Kz |
|---|---|---|---|
| Fe3+ | Fe(H2O)63+ | FeOH(H2O)52+ | 1,5 * 10-3 |
| Al3+ | Al(H2O)63+ | AlOH(H2O)52+ | 9,8 * 10-6 |
| Fe2+ | Fe(H2O)62+ | FeOH(H2O)5+ | 1,8 * 10-7 |
| Pb2+ | Pb(H2O)n2+ | PbOH(H2O)n-1+ | 1,6 * 10-8 |
| Cu2+ | Cu(H2O)62+ | CuOH(H2O)5+ | 1,0 * 10-8 |
| Zn2+ | Zn(H2O)62+ | ZnOH(H2O)5+ | 1,1 * 10-9 |
Theorie
Figuur 1: schaal met een mengsel van watervrij- en kopersulfaat pentahydraat. Op het blauwe gedeelte werden druppels water laten vallen, waardoor het blauw kleurde. / Bron: Benjah-bmm27, Wikimedia Commons (Publiek domein)Liganden en eigenschappen
Afhankelijk van de ligande zullen de metaalionen in de oplossing een andere kleur geven; in een beschouwing van een koper(II)-rijke oplossing is de kleur lichtblauw, in ammoniak is een dergelijke oplossing blauw tot paars, en in geconcentreerd zoutzuur zal de oplossing groen kleuren. Dit hoeft niet enkel in oplossing te gebeuren: ook in het kristalrooster is het mogelijk om H2O-liganden te hebben, waardoor het kristal een kleur zal geven. Zo bestaan er variaties in het kristal van koper(II)sulfaat: droog of watervrij koper(II)sulfaat (CuSO4) en koper(II)sulfaat pentahydraat (CuSO4 · 5 H2O), waarbij de watervrije stof een wit poeder is en de stof waarbij water in het kristalrooster zit een blauw poeder. In theorie is het mogelijk om de waterliganden te vervangen voor ammoniakliganden (NH3). Dit vormt een blauw tot paars kristal, maar deze kristallen zijn instabiel; in aanraking met lucht zal ammoniak ontsnappen. Bij water gebeurt dit niet.
Kristalveldsplitsing
Aquazuren kunnen zodoende stabiele kristallen vormen. Een druppel water laten vallen op een laagje watervrij kopersulfaat zal een mengsel geven van het watervrije en het gehydrateerde kristalstructuur van kopersulfaat, waarbij een mooi mengsel ontstaat van wit en blauw poeder. Het is ook mogelijk om het water uit het kristalrooster te halen door te verhitten. Hierbij zal de blauwe kleur langzaam verloren gaan tot het kristal nagenoeg watervrij is en wit kleurt. Daarnaast bestaan er nog andere liganden die een andere kristalveldsplitsing hebben; kort gezegd is dit het verschil in de energieniveaus van een metaalion. Hoe hoger de kristalveldsplitsing, hoe hoger de energie en dus zal de kleur verschuiven van een Van lage naar hoge kristalveldsplitsing zijn deze liganden I-<Br-<Cl-<F-<H2O, OH-< NH3<CN-. Zo zal bijvoorbeeld een oplossing van koper(II)nitraat, wat blauw is in water, groengeel worden als er zoutzuur aan de oplossing wordt toegevoegd.
Voorbeeld: CuCl2 in water
29,7 gram koper(II)chloride wordt opgelost in 350 mL water. Bereken de pH van de oplossing.
- 29,7 gram is 29,7/134,45 = 0,2208999628 mol
- Per 1 mol CuCl2 komt ook 0,2208999628 mol Cu2+ vrij.
- Per liter is er 0,2208999628 mol / 0,350 L = 0,6311427509 mol Cu(H2O)62+
- Vul concentratiebreuk in: Kz = ([CuOH(H2O)5+] * [H3O+]) / Cu(H2O)62+
- 1,0 * 10-8 = x2 / 0,6311427509 - x
- Oplossen (volgens abc-formule of grafiekinterceptie) geeft x = 7,94394934 * 10-5 mol L-1
- De pH is dan - log (7,94394934 * 10-5) = 4,10
