FA1: Heterogene evenwichten

• Dynamisch evenwicht

  • Twee tegengestelde processen vinden evensnel plaats, waardoor er een evenwichtstoestand ontstaat.
  • r1 = r2

  
• Evenwichtsconstante K

  
  

  K geeft de verhouding aan tussen de concentraties van reagentia en producten tijdens chemisch evenwicht.

  
  

  Onthoud

  • Evenwicht wordt meestal snel en spontaan bereikt.
  • De concentraties zullen zich altijd aanpassen om aan K te voldoen.
  • Dit is analoog aan het principe van Le Chatelier.
• In oplossing zijn er verschillende dynamische evenwichten mogelijk

  
• Heterogeen: er zijn verschillende fasen te onderscheiden in het mengsel. Vb. Vast + vloeistof.
• Heterogeen evenwicht: de snelheden waarmee deeltjes in en uit een fase bewegen is gelijk.

  
• In het heterogeen mengsel van een vaste stof in vloeistof zijn er 2 fasen:

  • De vloeistof fase is de oplossing waarin een maximum aan vaste stof is opgelost
  • De vaste stof fase is de overmaat vaste stof die meestal op de bodem ligt = neerslag

  Merk de analogie op met “neerslag” in het weerbericht (= regen). Dit wordt ook precipitatie genoemd en is het proces waarbij vloeistof neerdaalt uit de gasfase.

  
• Oplossen: het proces waarbij vaste stof oplost en in de vloeistof fase gaat. Het vaste zout breekt chemische bindingen en de ionen gaan in oplossing.
• Precipiteren of neerslaan: het proces waarbij ionen in oplossing een chemische binding vormen tot vorming van een vaste stof.
• • Hoeveel zouten er oplossen in de vloeistof per seconde wordt gegeven door r(oplossing).
  • Hoeveel ionen er recombineren tot een zout en neerslaan per seconde wordt gegeven door r(precipitatie).
  • Wanneer r(oplossing) = r(precipitatie), is er dynamisch heterogeen evenwicht.

  
• De oplosbaarheid van een bepaalde stof geeft aan hoeveel van deze stof maximaal kan oplossen in een andere stof. Oplosbaarheid heeft het symbool S(van solubility).
• Oplossen= een homogeen mengsel vormen.
• In een homogeen mengsel zijn de verschillende stoffen niet meer te onderscheiden.
• • De opgeloste stof = Solvens
  • Het oplosmiddel = Solvent
  • Het mengsel (solvens + solvent) = Oplossing
• • De oplosbaarheid S wordt meestal uitgedrukt in g/L of mol/L.
  • S is dus het aantal mol of gram van een stof dat maximaal oplost in een liter solvent.

  
• Het oplossingsproces: mechanisme

  1. Zouten zijn neutrale metaalverbindingen die opsplitsen in ionen wanneer ze in oplossing gaan. Bindingen in het rooster breken en de ionen gaan in oplossing.
  2. Ogenblikkelijk worden de ionen omkapseld met watermoleculen. Er ontstaat dus een watermantel of “solvatatiemantel” rond de ionen.

  • Stap 1 en 2 gebeuren simultaan
  • Ionen lossen goed op in water door de polaire aard van H2O

  
• Waarom gebeurt het oplossingsproces?

  
  

  Het systeem van ionen met watermantel is energetisch gunstiger en daarom spontaan. Meer bewegingsvrijheid in oplossing = meer wanorde = meer entropie.
• • Een apolair of neutraal solvens lost goed op in een apolair solvent
  • Een polair of ionair solvens lost goed op in een polair solvent
• De watermantel blijft niet vastzitten rond het ion maar breekt en herstelt regelmatig.

  
• • Door de verhoogde vrijheid van beweging in een oplossing, kunnen de reagentia veel sneller met elkaar reageren door een verhoogde kans op interactie.
  • Oplossingen maken staat toe vele chemische reacties uit te voeren in een gecontroleerde omgeving (d.i. de oplossing).

  
• Verzadigingsgraden van de oplossing

  • Onverzadigde oplossing: er zijn nog vrije watermoleculen ter beschikking. Er kan nog meer stof oplossen.
  • Verzadigde oplossing: “Alle” solventmoleculen worden gebruikt om solvens te omkappen. Maximale hoeveelheidstof is opgelost.
  • Oververzadigde oplossing: bij overmaat zal een deel vaste stofoverblijven.

  
• Goed oplosbare zouten: het zout lost in grote mate op in het oplosmiddel (> 0.1 mol/L). In een verzadigde oplossing solvateren alle watermoleculen.
• Matig tot slecht oplosbare zouten: het zout lost beperkt op in het oplosmiddel (< 0.1 mol/L). In een verzadigde oplossing zijn er nog steeds vrije watermoleculen
• • Alleen de oververzadigde oplossing kan een heterogeen dynamisch evenwicht creëren.
  • Alleen in de oververzadigde oplossing is er zowel een vloeistof- als vaste fase aanwezig
• Dissolutie (oplossen): de vaste-stof-moleculen dissociëren en gaan in oplossing.

  Precipitatie (uit vloeistof terug naar vast): de opgeloste ionen recombineren en vormen terug vaste stof (neerslag).

  
• Het oplossingsmechanisme van gas in een vloeistof is zeer analoog aan dat van een vast solvens in een vloeistof. Er vindt geen neerslagvorming maar verdamping plaats.

  • Verdamping (uit vloeistof terug naar gas): de gasmoleculen aan de oppervlakte breken de solventmantel en keren terug naar de gasfase.
  • Dissolutie (van een gas): de gasmoleculen diffunderen in de vloeistof en worden ommanteld.

  
• Factoren die de oplosbaarheid beïnvloeden

  • Temperatuur
  • Druk
  • Solvent
  • Zuurtegraad (pH)
  • Eigen ionen (het gemeenschappelijk ion effect)
  • Andere evenwichtsreacties
  • Ionische sterkte
  • Complexatie door eigen ionen
• Temperatuur

  Voor een vast solvens in een vloeibaar solvent

  • Als T stijgt, dan stijgt de oplosbaarheid ook.
  • Stijgt T, dan stijgen meestal ook de snelheidconstante k(oplossing).
  • Een hogere T zorgt voor meer beweeglijkheid (Ekin) van de moleculen zodat het omkapselen eerder bevorderd wordt dan neerslagvorming.

  
• Temperatuur

  Voor een gas in een vloeibaar solvent

  • Als T stijgt, dan daalt de oplosbaarheid.
  • Stijgt T, dan hebben de opgeloste gasdeeltjes meer neiging om te verdampen.
  • Stijgt T, dan hebben de deeltjes in oplossing een hogere kinetische energie en is het gemakkelijker voor de opgeloste gasdeeltjes om de solventmantel te breken en zich naar de gasfase over te brengen. Oplosbaarheid daalt dus.

  
• Druk

  • De druk P heeft geen effect op de oplosbaarheid van een vaste stof in een vloeistof.
  • Een vloeistof is weinig of niet samendrukbaar waardoor P geen invloed heeft.
  • Voor een gas opgelost in een vloeibaar solvens geldt er: als P stijgt, dan stijgt de oplosbaarheid.
  • Stijgt P, dan stijgt de gasconcentratie en dan ook die in de oplossing.

  
• Solvent

  • De mate waarin het solvent het solvens omkapselt, volgt meestal het principe: Like dissolves like.
  • Polaire stoffen lossen goed op in polaire solventen.
  • Apolaire solventen stoffen lossen goed op in apolaire solventen.
• Zuurtegraad (pH)

  
  

  Sommige zouten lossen beter of slechter op in zuur of basich waterig milieu.

  • Als het kation van het zout weg reageert met -OH, stijgt de oplosbaarheid.
  • Als het anion van het zout weg reageert met H+, stijgt de oplosbaarheid.
  • zie dia 26-28!
• Eigen ionen (Het gemeenschappelijk ion effect)

  • De aanwezigheid in de oplossing van ionen van dezelfde soort als die afkomstig van het zout, onderdrukken het oplossingsproces en verlagen de oplosbaarheid.
  • Zie dia 29-31!
• Andere evenwichtsreacties

  Hoe meer andere reacties, hoe hoger de oplosbaarheid.
• Ionische sterkte

  Hoe groter de ionische sterkte, hoe hoger de oplosbaarheid
• Complexatie door eigen ionen

  Hoe meer complexatie, hoe hoger de oplosbaarheid (bij overmaat anionen, kunnen de kationen complexen vormen).
• Scheiding door selectieve precipitatie

  • Ionen in oplossing kunnen soms selectief verwijderd worden uit de oplossing via neerslagvorming.
  • Door filtratie van de neerslag kan zo scheiding plaatsvinden.
  • Vuistregel: als de Ksp’s minstens 10^6 verschillen, is scheiding meestal mogelijk.
  • zie dia 33-36!
• • Kwantitatief scheiden= Volledig de ene stof scheiden van de andere.
  • Merk op dat het onmogelijk is om een stof “tot op het atoom ”te verwijderen uit een oplossing. De concentraties kunnen nooit herleid worden tot absoluut nul.
  • We spreken daarom af: Een stof is kwantitatief geprecipiteerd als de overblijvende concentratie in oplossing maximaal 10^-6M is.
• Waarde voor Ksp = [A] * [B]