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:

1. Een zout wordt opgelost in water, waarbij een metaalion vrijkomt.
2. 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.
3. Die stabilisatie leidt tot neutralisatie van het complex, waardoor het zich als het ware als een neutraal geladen molecuul gedraagt, zoals azijnzuur (CH₃COOH).
4. Door deze neutralisatie kan het complex nu een H⁺ afstaan, en fungeert het als een zuur.

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

Theorie

Op het moment dat een dergelijke chemische stof in water wordt opgelost vormt er zich een complex. Dit houdt in dat het positief geladen metaalion om zich heen een aantal watermoleculen heeft. Bij het oplossen zullen de watermoleculen zich met het zuurstof naar het metaalion oriënteren. Dit proces heet hydratatie en gebeurt bij meerdere metaalionen. Zo kan calcium bijvoorbeeld ook watermoleculen om zich heen hebben; dit gebeurt met twee watermoleculen. De watermoleculen die om zo'n ion georiënteerd zijn worden liganden genoemd.

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.