De sterkte van zuren en basen: de zuur- en baseconstante

Niet alle zuren vertonen dezelfde neiging om protonen af te geven en niet alle basen vertonen dezelfde neiging om protonen op te nemen. De sterkte van een zuur en een base kan worden afgeleid uit de evenwichtsconstante van de zuur-basereactie tussen het zuur en de base met water. Deze evenwichtsconstanten worden de zuur- en baseconstanten genoemd. Een sterk zuur en een sterke base worden gekarakteriseerd door een respectievelijk hoge zuur- en baseconstante.

• Het chemisch gedrag van zuren en basen
• Geconjugeerde zuren en basen
• Water, een amfolyt
• Protolysereacties
• De protolysereactie van een zuur (A)
• De protolysereactie van een base (B)
• Zuur(K_a of K_z)- en baseconstanten(K_b)
• De zuurconstante
• De baseconstante
• Verband tussen de K_z en de K_b van een geconjugeerd systeem
• pK_z en pK_z
• Overzichtstabel van geconjugeerde systemen

Het chemisch gedrag van zuren en basen

Zuren geven protonen af en basen nemen protonen op. Opdat een zuur een proton zou kunnen afgeven, moet er een base in de buurt zijn om dat proton op te nemen.

Zuur (HX): HX ↔ H⁺ + X^-
Voorbeeld: HCl (zoutzuur) ↔ H⁺ + Cl^-

Base (Y^-): Y^- + H⁺ ↔ HY
Voorbeeld: NH₃ (ammoniak) + H⁺ ↔ NH₄ ⁺

Zuur-basereactie: HX + Y^- ↔ X^- + HY
Voorbeeld: HCl + NH₃ ↔ Cl^- + NH₄ ⁺

Geconjugeerde zuren en basen

Met elk zuur correspondeert een geconjugeerde base en met elke base correspondeert een geconjugeerd zuur.

Wanneer een zuur een proton afgeeft, wordt het omgezet in zijn geconjugeerde base. Voorbeeld: H₂SO₄ ↔ H⁺ + HSO₄^-. HSO₄^- is de geconjugeerde base van H₂SO₄.

Wanneer een base een proton opneemt, wordt het omgezet in zijn geconjugeerd zuur. Voorbeeld: NaOH + H⁺ ↔ Na⁺(H₂O). Na⁺(H₂O) is het geconjugeerde zuur van NaOH.


Polyprotische zuren
Zwavelzuur (H₂SO₄) kan twee protonen afgeven. Je kan hiervoor dus twee reacties schrijven.

• H₂SO₄ ↔ H⁺ + HSO₄^-
• HSO₄^- ↔ H⁺ + SO₄^2-

In de eerste reactie is HSO₄^- de geconjugeerde base van zwavelzuur en in de tweede reactie is HSO₄^- het geconjugeerde zuur van SO₄^2-. HSO₄^- kan dus optreden als zuur en als base. Zulke stof wordt ook een amfolyt genoemd.

Water, een amfolyt

Indien een zuur wordt opgelost in water kan water optreden als base. Wanneer een base wordt opgelost in water, kan water optreden als zuur.

• Voorbeeld 1: reactie met een zuur (salpeterzuur): HNO₃ + H₂O ↔ NO₃^- + H₃O⁺
• Voorbeeld 2: reactie met een base (kaliloog): KOH + H₂O ↔ K⁺(H₂O) + OH^-

Protolysereacties

Protolysereacties zijn reacties waarbij protonen worden uitgewisseld tussen zuren en basen. Om de algemene protolysereactie van een bepaald zuur of een bepaalde base te schrijven, wordt water gekozen als de stof waarmee het zuur of de base reageert.

De protolysereactie van een zuur (A)

A + H₂O ↔ B + H₃O⁺

Je kan de protolysereactie ook schrijven zonder vermelding van water.
A ↔ H⁺ + B

De protolysereactie van een base (B)

B + H₂O ↔ A + OH^-

Je kan ook hier de protolysereactie ook schrijven zonder vermelding van water.
B ↔ OH^- + A

Zuur(K_a of K_z)- en baseconstanten(K_b)

De zuurconstante

Een zuurconstante kan voorgesteld worden met het symbool K_z (z = zuur) en met het symbool K_a (a = acid).

Voor de protolysereactie van een zuur (A) kan volgende evenwichtsconstante worden geschreven.
K_z = (c_H3O+ × c_B)/c_A = (c_H+ . c_B)/c_A

Bij een oplossing van een sterk zuur zullen (bijna) alle zuurmoleculen een proton afgeven. De evenwichtsconcentratie aan H⁺ en B is dus hoog. Een sterk zuur heeft dus een hoge zuurconstante K_z. Men stelt dat een sterk zuur gekarakteriseerd wordt door een K_z > 10³.

Bij een oplossing van een zwak zuur zal een groot deel van de zuurmoleculen zijn proton niet afgeven. Een zwak zuur wordt dus gekenmerkt door een lage K_z. Men stelt voor een zwak zuur dat K_z <10^-3.

De baseconstante

Voor de protolysereactie van een base (B) kan volgende evenwichtsconstante worden geschreven.
K_b = (c_OH- × c_A)/c_B

Bij een oplossing van een sterke base zullen (bijna) alle basemoleculen een proton opnemen. De evenwichtsconcentratie aan OH^- en A is dus hoog. Een sterke base heeft dus een hoge baseconstante K_b. Men stelt dat een sterke base gekarakteriseerd wordt door een K_b > 10³.

In een oplossing van een zwakke base zal een groot deel van de basemoleculen geen proton opnemen. Een zwakke base wordt gekenmerkt door een lage K_b. Men stelt voor een zwakke base dat K_b <10^-3.

Verband tussen de K_z en de K_b van een geconjugeerd systeem

Stel het koppel A/B waarbij A het geconjugeerde zuur is van B en B de geconjugeerde base is van A. We kunnen voor beide stoffen de protolysereactie met water schrijven.

A + H₂O ↔ B + H₃O⁺
Voor het zuur van het koppel kan volgende zuurconstante worden geschreven.
K_z = (c_B × c_H3O+)/c_A

B+ H₂O ↔ A + OH^-
Voor de base van het koppel kan de baseconstante worden geschreven
K_b = (c_A × c_OH-)/c_B

Indien de zuurconstante en de baseconstante van dit koppel met elkaar worden vermenigvuldigd, verkrijgt men de waterconstante.
K_z.K_b = ((c_B × c_H3O+)/c_A)×((c_A × c_OH-)/c_B) = c_H3O+ × c_OH- = 10^-14

Uit de zuurconstante van een zuur kan dus de baseconstante van de geconjugeerde base worden berekend en omgekeerd.

• K_z = 10^-14/K_b
• K_b = 10^-14/K_z

pK_z en pK_z

De p wordt algemeen gebruikt om een negatief logaritme te nemen (-log).

• pK_z = -log K_z
• pK_b = -log K_b

Met K_z × K_b = 10^-14

• -log(K_z × K_b) = -log(10^-14)
• -log K_z + (-log K_b) = 14
• pK_z + pK_b = 14

Uit de pK_z van een zuur kan dus de pK_b van de geconjugeerde base worden berekend en omgekeerd.

• pK_z = 14 - pK_b
• pK_b = 14 - pK_z

Overzichtstabel van geconjugeerde systemen

Bovenaan in de tabel staan de sterkste zuren. Hun geconjugeerde basen zijn uiterst zwak. Onderaan vind je de sterkste basen met hun uiterst zwakke geconjugeerde zuren.

Het amfolytkarakter van water komt in de tabel tot uiting daar het twee keer voorkomt in de tabel (de twee grijze balken).

• H₃O⁺ / H₂O: In dit koppel is water de base en H₃O⁺ zijn geconjugeerde zuur. De basen die hier boven water staan, zijn zwakkere basen dan water
• H₂O / OH^-: In dit koppel is water het zuur met OH^- zijn geconjugeerde base. De zuren die hier onder water staan, zijn zwakkere zuren dan water.

Zuren en basen zullen sowieso met elkaar reageren indien het betrokken zuur hoger in de tabel staat dan de betrokken base. Hoe verder deze zuren en basen in de tabel van elkaar verwijderd zijn, hoe beter de zuur-basereactie zal opgaan.
Indien een zuur lager in de tabel staat dan de base waarmee het wordt samengevoegd, zal de reactie slechts opgaan indien de afstand in de tabel niet te groot is. Deze zuur-basereacties zullen sowieso evenwichtsreacties zijn en dus nooit volledig aflopend zijn.

Stel 2 geconjugeerde systemen: Z₁/B₁ en Z₂/B₂. Op basis van de zuurconstanten van Z₁ (K_z1) en Z₂ (K_z2) kan worden voorspeld hoe volgende reactie zal verlopen.
Z₁ + B₂ ↔ B₁ + Z₂

• Indien K_z1 / K_z2 > 10³: De reactie zal aflopend zijn.
• Indien 10^-3 < K_z1 / K_z2 < 10³: Er zal zich een evenwicht instellen.
• Indien K_z1 / K_z2 < 10^-3: Er zal zich geen reactie voordoen.