[Sven]

Goedenavond,

Ik had een vraag waar ik niet helemaal uitkwam met betrekking tot chemisch rekenen aan zuren en basen. Hopelijk zou iemand mij op weg kunnen helpen.

De vraag luidt als volgt: Je hebt een oplossing van natriumcarbonaat met een pH van 11,70 (T=298 K). Aan 50 mL van deze oplossing wordt 10 mL 0,10 M zoutzuur toegevoegd. Bereken de pH na toevoegen van het zoutzuur.

Ik ben begonnen bij de oplossing van natriumcarbonaat. Het carbonaation is een zwakke base met Kb = 2,1*10^-4 . Er stelt zich het volgende evenwicht in:
CO3^(2-) + H2O <–> HCO3^- + OH^-

Door de OH- ionen is de oplossing basisch: pH = 11,70.
Dit geeft pOH = 14,00-11,70 = 2,30 en [OH-] = 10^(-2,30) = 5,0..*10^-3 mol/L.
Hieruit volgt: 2,1*10^-4 = ((5,0..*10^-3)^2)/[CO3^(2-)]_evenwicht.
Dit geeft [CO3^(2-)]_evenwicht = 0,11.. mol/L, dus n(CO3^(2-)) = 0,11… mol/L *50*10^-3 L = 5,9..*10^-3 mol.

Daarna keek ik naar het zoutzuur. Hiervoor geldt dat n(H3O+) = 10*10^-3 L * 0,10 mol/L = 1,0*10^-3 mol.

Aangezien CO3^(2-) een zwakke base is, zal maar een klein deel van deze carbontaationen een H+ ion opnemen van een watermolecuul en dus is de kans dat een toegevoegd H3O+ ion een carbonaation tegenkomt groter dan de kans op het tegenkomen van een hydroxide of waterstofcarbonaation.
Daarom dacht ik dat de H3O+ ionen zullen reageren met de CO3^(2-) ionen.

Maar welke reactie treedt er dan op? Zal CO3^(2-) slechts 1 H+ ion opnemen, omdat H3O+ in ondermaat is?
En hoe kan hieruit de (nieuwe) pH berekend worden? De [CO3^(2-)] wordt immers verkleind door de reactie en daardoor zal de reactie naar links (CO3^(2-) + H2O <–> HCO3^- + OH^-) in het voordeel zijn om het evenwicht te herstellen, waardoor ook [OH-] en [HCO3^-] veranderen.

Ik zie graag een antwoord tegemoet. Alvast bedankt.

Met vriendelijke groet,
Sven

[Yvette van Rijckevorsel]

Beste Sven,
Kan het zijn dat dit geen vraag is uit een schoolboek?

De reactie die hier optreedt kunnen we veronderstellen vindt plaats tussen CO3(2-) en H3O(+) inderdaad omdat de hydroxide concentratie te laag is vanwege de ligging van het evenwicht.

Zoutzuur is een sterk zuur, waardoor we aan mogen nemen dat al het zoutzuur volledig weg reageert met het carbonaat, waardoor deze zuur-base reactie een aflopende reactie is.

Ik heb even de berekening van de carbonaat-oplossing doorgerekend en deze lijkt juist te zijn. Om aan de oorspronkelijke hoeveelheid carbonaat te komen moet er echter nog 5*10^-3 bij opgeteld worden van het carbonaat dat reeds omgezet is tot waterstofcarbonaat. Daarbij verwaarloos ik het tweede evenwicht omdat de hoeveelheid waterstofcarbonaat dat doorreageert verwaarloosbaar klein zal zijn gezien de ligging van dit evenwicht.

Totale start hoeveelheid carbonaat was dus 6,24 * 10^-3 mol.

De hoeveelheid zoutzuur is minder, 0,1 * 10^-3 mol. Dus inderdaad is hier sprake van een ondermaat. Echter omdat we hier te maken hebben met een sterk zuur en een ontwijkend gas (CO2) zou de aanname gedaan mogen worden dat er ook 0,1 * 10-3 mol carbonaat weg reageert.

Vanuit de nieuwe carbonaatconcentratie kan middels dezelfde evenwichtsvergelijking de nieuwe pH berekend worden door gebruik te maken van een BOE schema.

Deze benadering zal ons niet de exacte pH opleveren maar wel een redelijke benadering. De exacte berekening van de pH valt buiten de examenstof die verwacht kan worden van een middelbare schoolleerling.
Indien een dergelijke vraag aan een middelbare school leerling gesteld wordt zal de opgave altijd expliciet vermelden in welke molverhouding het zuur met de base reageert en/of er een overmaat zuur gebruikt worden.

Ik hoop dat dit zo duidelijk is, zo niet dan hoor ik het graag.

Groeten,
Yvette

[Jan Wim Peters]

Beste Sven,

Een korte aanvulling op het antwoord van Yvette.
Er is dus 6,24 . 10^-3 mol CO3 2- aanwezig. Daaraan wordt toegevoegd 1,0 . 10^-3 mol H3O +(10 mL x 0,10 M)

BOE schema
——- CO3 2- + H3O + –>HCO3 – + H2O (aflopende reactie, want sterk zuur)
B 0,00624……..0,0010………… 0
O – 0,0010……..- 0,0010…………+ 0,0010
E ?……………………0……………………?
Hierna reken je de nieuwe molariteiten uit; denk aan totale volume. Deze molariteiten vul je in in de evenwichtsvoorwaarde(die je eerder gebruikte). Om de nieuwe pH te berekenen ga je ervanuit dat de veranderingen aan [CO3 2-] en [ HCO3 -] bij het opnieuw instellen van het evenwicht te verwaarlozen zijn.
Verwacht je een hogere of een lagere pH?

Succes en groet,

Jan Wim Peters

[Sven]

Beste mevrouw Rijckevorsel en meneer Peters,

Bedankt voor jullie antwoorden. Ik snap echter nog niet welke reactie er optreedt bij het toevoegen van het zoutzuur, want in het eerste gegeven antwoord gaf mevrouw Rijckevorsel aan dat er een gas ontwijkt (CO2). Dit zou dan betekenen dat CO3^(2-) en H3O+ zouden reageren in de molverhouding 1:2. In de aanvulling van meneer Peters is deze molverhouding 1:1. Treden beide reacties op of slechts 1 van beide? En welke molverhouding zou ik dan moeten gebruiken voor het benaderen van de pH?

Zou een dergelijke vraag, zoals die in mijn eerste bericht geformuleerd is (zonder de molverhouding zuur-base te vermelden en/of zonder de verwaarlozing van de veranderingen aan [CO3 2-] en [ HCO3 -] bij het opnieuw instellen van het evenwicht te vermelden) op een SE of CE kunnen komen? Of valt zo’n vraag buiten de examenstof voor een middelbare schoolleerling, zoals mevrouw Rijckevorsel al aangaf.

Graag hoor ik van u.

Met vriendelijke groet,
Sven

[Jan Wim Peters]

Hallo Sven,

Bedankt voor je duidelijke vraagstelling. Ik begrijp precies waar jouw probleem zit( denk ik).

– Bij deze vraag moet je eerst door hebben hoeveel carbonaat(zwakke base) aanwezig is( uitwerking van de evenwichtsvoorwaarde EV).
– Vervolgens bereken je hoeveel (sterk) zuur aanwezig is( H3O +).
– Als dan de base in overmaat is( zoals hier), krijg je een aflopende reactie tot het sterke zuur op is
– Daarna stelt het evenwicht zich opnieuw in. (Meestal mag je de verandering van de beginmolariteit van het zwakke zuur en de zwakke base verwaarlozen, Wel even controleren)
– Aan de hand van de nieuwe molariteiten( ingevuld in de EV) bereken je de nieuwe pH.

Samengevat: je moet eerst de hoeveelheden base en zuur weten om te kunnen beslissen welke reactie(s) gaan plaatsvinden.
Ik denk dat je zo’n vraag mag verwachten; het zijn bekende principes die je aangeleerd hebt. Het is wel een lastige opdracht, omdat je zelf je stappen moet bedenken. Overigens, komt deze vraag uit je leerboek of uit een andere bron?

Hopelijk kun je hiermee verder.

Succes en groet,

Jan Wim Peters

[Auteur]

Berichten