Zuren, basen en neutralisatiereacties
Een zuur-basereactie is een reactie waarbij een waterstofion, H+, wordt overgedragen van de ene chemische soort naar de andere. Dergelijke reacties zi…
De menselijke maag is een gespierd orgaan dat maagsappen bevat, waaronder zoutzuur, dat helpt bij het verteren van voedsel. Bepaalde soorten voedsel verhogen de zuurgraad van onze maag en veroorzaken zuur reflux. Het nuttigen van alkalisch voedsel, of een base zoals een antacidum, neutraliseert het overtollige zuur en verlicht het branderige gevoel.
Dit is een voorbeeld van een zuur-basereactie. De eenvoudigste zuren zijn stoffen die dissocieerbare waterstofatomen bevatten. In waterige oplossingen geven ze positief geladen waterstofionen of protonen af, samen met de overeenkomstige anionen.
De protonen reageren met watermoleculen om hydroniumionen te vormen. Een waterige oplossing van salpeterzuur bevat bijvoorbeeld waterstofionen en nitraationen. Andere algemeen bekende zuren zijn zoutzuur, zwavelzuur en fosforzuur.
Zuren zijn monoprotisch of polyprotisch, afhankelijk van het aantal dissocieerbare waterstof-atomen per molecuul. Zoutzuur en salpeterzuur, met elk één dissocieerbare waterstof, zijn beide voorbeelden van monoprotische zuren, terwijl zwavelzuur en fosforzuur polyprotisch zijn. Zwavelzuur is diprotisch en geeft zijn twee protonen achtereenvolgens vrij, terwijl fosforzuur triprotisch is en achtereenvolgens uiteenvalt in drie stappen.
De eenvoudigste basen zijn verbindingen die negatief geladen hydroxide-ionen opleveren in waterige oplossingen. Gemakkelijk identificeerbare basen bevatten hydroxylgroepen;bijvoorbeeld natriumhydroxide, kaliumhydroxide en calciumhydroxide. Dergelijke basen dissociëren, wanneer ze aan water worden toegevoegd, in hydroxide-ionen en de overeenkomstige metaalkationen.
Niet-hydroxide-basen zoals ammoniak reageren met water door protonen van watermoleculen te accepteren om ammoniumionen en hydroxide-ionen te produceren. Over het algemeen reageren een zuur en een base om water en een zout te vormen. Zuur-basereacties worden ook wel neutralisatiereacties genoemd als het aantal mol protonen dat door het zuur wordt geleverd en het aantal mol hydroxide-ionen dat door de base wordt geleverd, gelijk zijn.
Wanneer bijvoorbeeld gelijke hoeveelheden waterig salpeterzuur en waterig kaliumhydroxide worden gemengd, zijn de hoeveelheden hydronium-en hydroxide-ionen die aan de oplossing worden toegevoerd eveneens gelijk. De hydronium-en hydroxide-ionen neutraliseren elkaar daarom volledig door te combineren om water te vormen, waarbij geen hydronium-of hydroxide-ionen achterblijven. Bovendien vormen de nitraatanionen en kaliumkationen een paar om een zout te vormen kaliumnitraat.
Bepaalde neutralisatiereacties zijn gasontwikkelingsreacties. Zoutzuur en kaliumsulfiet reageren bijvoorbeeld om kaliumchloride, water en zwaveldioxidegas te vormen via het sulfide-bisulfide-evenwichtssysteem.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What happens when an acid dissolves in water?
When an acid dissolves in water, it releases positively charged hydrogen ions, or protons. These protons chemically combine with water molecules to form hydronium ions. For example, nitric acid in aqueous solution produces hydronium ions and nitrate ions. This ionization process is fundamental to understanding how acids behave in chemical reactions in aqueous solutions.
Q2: How do monoprotic and polyprotic acids differ?
Monoprotic acids contain one dissociable hydrogen atom per molecule, such as hydrochloric acid and nitric acid. Polyprotic acids contain multiple dissociable hydrogens; sulfuric acid is diprotic with two protons, while phosphoric acid is triprotic with three protons. Polyprotic acids release their protons sequentially in separate ionization steps.
Q3: What is the difference between strong and weak bases?
Strong bases like sodium hydroxide and potassium hydroxide completely dissociate in water, releasing hydroxide ions directly. Weak bases like ammonia react only partially with water by accepting protons from water molecules. Under typical conditions, only about one percent of dissolved ammonia exists as ammonium ions, demonstrating the incomplete ionization characteristic of weak bases.
Q4: What defines a neutralization reaction?
A neutralization reaction occurs when an acid and base react in equal molar amounts, with the protons from the acid completely neutralizing the hydroxide ions from the base. The products are typically water and a salt. For instance, when nitric acid and potassium hydroxide mix in equal amounts, hydronium and hydroxide ions combine to form water, while nitrate and potassium ions form potassium nitrate salt.
Q5: Why is antacid effective for treating acid reflux?
Antacids contain bases like magnesium hydroxide that neutralize excess hydrochloric acid in the stomach through an acid-base reaction. The hydroxide ions from the antacid combine with hydrogen ions from stomach acid to form water, reducing acidity and relieving the burning sensation. This neutralization reaction converts the acidic environment into a more neutral one.
Q6: What are spectator ions in acid-base reactions?
Spectator ions are ions present in a reaction that do not participate in forming the products. In the reaction between hydrochloric acid and sodium hydroxide, chloride and sodium ions are spectator ions because they remain unchanged throughout. The net ionic equation excludes spectator ions, showing only the species that actually react to form water.
Q7: How do gas-evolution reactions differ from typical neutralization reactions?
Gas-evolution reactions are a special type of acid-base reaction where one product is a gas instead of just water and salt. For example, hydrochloric acid reacting with potassium sulfite produces potassium chloride, water, and sulfur dioxide gas through the sulfite-bisulfite equilibrium system. This distinguishes them from standard neutralization reactions that yield only solid salts and water.