Zuren en basen: een moeilijk duo

Michiel VogelezangInstituut voor Leraar en School, Nijmegen

Woudschoten, 7 en 8 november 2008

Wat vinden uw leerlingen moeilijk?Maak een onderscheid tussen:

3 h/v4 h/v5 havo5/6 vwo

Een zuur base reactie in de praktijkHet reinigen van kranen en handdouche

Door kalk in het water slibben de douchekop en de straalbreker aan het uiteinde van de kraan dicht. U kunt dit euvel herkennen aan de onregelmatige en vaak schuine waterstralen. De oplossing in dit geval is ontkalken: schroef de douchekop of straalbeker los en leg deze enige tijd in een speciaal daarvoor in de handel verkrijgbaar ontkalkingmiddel of in azijn.

http://www.woonborg.nl/onderhoudstips

Wat moeten leerlingen hier allemaal kunnen en kennen

Een niet ongebruikelijke vraag: Stel de reactievergelijking op voor de

reactie die optreedt als je deze douchekop met kalkaanslag legt in een bakje met overmaat azijn.

Schrijf eens op wat de leerlingen dan allemaal moeten kunnen en kennen.

Vereiste kennis

Kalksteen = CaCO3

CaCO3 lost slecht op in water, dus niet geïoniseerdIn CaCO3 zit de base CO3

2-

Azijn = oplossing van azijnzuur = CH3COOHCH3COOH is een zwak zuur dus niet geïoniseerdEr is overmaat azijn, dus ontstaat er H2CO3dat uiteenvalt in H2O en CO2

De uiteindelijke reactievergelijking

CaCO3 + 2 CH3 COOH Ca2+ + 2 CH3 COO¯ + H2 O + CO2

Is het verbazingwekkend dat een leerling niet direct alles overziet en tot de gewenste uitkomst komt?

Waar zouden we op gericht moeten zijn bij dit onderwerp en wat leidt eigenlijk alleen maar af?

Inzicht

Inzicht toont zich als:adequaat wordt gehandeld ineen nieuwe situatie

(P.M. van Hiele, Begrip en Inzicht, Purmerend: Muusses)

Wat vindt u van de uitspraak “Een zuur is zuur” ?

A Goed want …………

B Fout want …………

C Ik kan niet beslissen want ………………

Onderbouw uw keuze met een voorbeeld.

Mogelijke antwoorden

A: goed, want azijn is een zuur en smaakt toch zuur.

B: fout want waterstofchloride is het zuur en in “is zuur” moet zuur een bijvoeglijk naamwoord zijn.

C: vanwege A en B kan ik toch niet beslissen?

Wat verstaat men onder zuur?

Zure smaak

Dat wat de zure smaak veroorzaakt

Is dit te herkennen in de uitspraak van zojuist: Een zuur is zuur?

Ontzuren 1

In de erlenmeyer zit citroenzuur- oplossing waaraan we suiker toevoegen.

We proeven de oplossing voor en nadat er suiker aan is toegevoegd.

Is de oplossing ontzuurd?

Ontzuren 2

In de erlenmeyer zit zoutzuur met fenolftaleïen waaraan we zoveel natronloog toevoegen totdat de kleur omslaat.

Is de oplossing in de erlenmeyer ontzuurd?

Inzicht en ervaringsbasis

Welke term kun je met een dergelijke proef van een chemisch gewenste betekenis voorzien? Welk begrip wordt hier van vulling op grond van een eigen ervaringsbasis voorzien?

En basen dan?Hebben we voor basen net als voor zuren directe ervaring met een gemeenschappelijke smaak?Met een of meer andere overeenkomstige eigenschappen?

Zuur en base in de chemische historie

Boyle (1627 – 1691)Zuur verandert de blauwe kleur van een aantal plantensappen in rood, een alkali kan er voor zorgen dat de oorspronkelijke kleur terugkomt. Zuren zijn ook in staat veel in water onoplosbare stoffen zoals marmer en metalen op te lossen.Alkali:verandert de blauwe kleur van veel plantensappen in groen. Een zuur kan ervoor zorgen dat de oorspronkelijke kleur terugkomt. Onder een alkali wordt vooral een carbonaat verstaan.

Welk verband tussen zuur en base?

Er is een derde buitenstaande stof nodig als relatiegrootheid: de kleurstof die kan worden teruggekleurd

Basen komen tevoorschijn

De Franse chemicus G. F. Rouelle generaliseert in 1754 de reactie tussen een zuur en alkali: Zuur en base zoutBase vormt het vaste bestanddeel van de vaste zouten en omvat nu ook metalen en oxiden. Men dacht toentertijd aan behoud van eigenschappen.

Zuurstof

Lavoisier (1743 – 1794)Een zuur ontstaat bij de verbranding van een niet-metaal, vandaar de naam zuurstof!! Hiermee is zuurstof het zuurmakende principe.

Dit leidt tot problemen als zuurstofloze zuren zoals waterstofchloride en blauwzuur worden ontdekt.

Zuur als waterstof-relatie

Justus von Liebig (1803 – 1873) definieert in 1838 pragmatisch: zuren zijn stoffen die waterstof bevatten dat door een metaal kan worden vervangenGerhardt stelt in 1852 onomstotelijk vast: een organisch zuur bevat door een metaal vervangbaar waterstof.Dit maakt de weg vrij om zuren niet meer weer te geven als anhydriden (bijv. SO3), maar als waterstofderivaten (bijv. H2SO4)

Zuren en basen als ionenleveranciers

Arrhenius (1859 - 1927) stelt in 1887:Een zuur is een stof die in water dissocieert in H+ ionen en negatieve zuurrestionen.Een base is een stof die in water dissocieert in OH¯ ionen en positieve metaalionen.De neutralisatiereactie is H+ + OH¯ H2O

Overgang van concrete verschijnselen naar een theoretische modelbeschrijving van vooral toestanden, namelijk de oplossingen.

Brønsted & Lowry (1923)

Brønsted (1879 – 1947) enLowry (1874 – 1936) :

Een zuur is een deeltje dat een proton kan afstaan aan de moleculen van het oplosmiddel.

Een base is een deeltje dat van het oplosmiddel een proton kan opnemen.

Later wordt dit veralgemeniseerd tot de gangbare omschrijving. Het gaat dus expliciet om zuren en basen in reacties!!

Lewis: Elektronenpaarvorming

Lewis (1875 – 1946) formuleert ook in 1923 : een base is deeltje dat een vrij elektronenpaar heeft en hiermee met een zuur, dat een elektronentekort heeft, een atoombinding kan vormen.

Dit concept is ook duidelijk gericht op het modelmatig beschrijven van een veelheid aan reacties.

Wat verbindt zure oplossingen met basische?

Kunt u een dergelijke eigenschap noemen?

Een zure oplossing kan een basische oplossing ontbasischen en omgekeerd geformuleerd kan een basische oplossing een zure oplossing ontzuren. Dit is te zien aan de hand van een kleurindicator.

Waarom één begrip pH voor zuren en basen, oh pardon voor zure en basische oplossingen?

Welke reden zou er kunnen zijn voor een leerling in klas drie of vier om zulke verschillende soorten oplossingen aan te duiden met hetzelfde begrip pH?Kunt u een andere eigenschap noemen die zure en basische oplossingen gemeenschappelijk hebben?

Waarom alleen pH?

Wanneer wordt het gebruik van het begrip pH problematisch?

Hoe zou dit kunnen worden opgelost?

Zouden we pH voor de leerlingen in klas 4 ook mogen zien als een maat voor de mogelijkheid om te ontzuren dan wel te ontbasischen?

Wel of niet aflopend?

0,1000 M zoutzuur

25,00 mL x M ammonia

a. Wat is de pH in het equivalentiepunt:7 of hoger of lager?

b. Er was 20,00 ml zoutzuur nodig.Bereken x.

c. Zag u bij a en/of bij b de reactie tijdens de titratie als aflopend of niet?

Een vuistregel

Als we hoeveelheden bij een titratie moeten berekenen dan zien we de reactie als aflopend.Als we de pH van een ontstane of verkregen oplossing moeten uitrekenen dan zien we de reactie als een evenwicht.

Hoe consequent zijn we zelf?

H3O+ maar bij redoxreacties wel H+, dus Brønstedt naast ArrheniusWater dat vrijwel niet is geïoniseerd beschrijven we soms met H2O en soms juist met het waterevenwichtAls we een oplossing van een zwak zuur beschrijven met HZ(aq) hoe zie je dan dat de pH kleiner dan 7 is?

Bedankt voor uw bijdrage!

Voor op – en aanmerkingen en verdere discussie:

m.vogelezang@ils.ru.nl