Chemische reacties - Chemie - Theorie - Toelatingsexamens arts en tandarts

Chemische reacties

Chemische reacties

Voorwoord

Deze theoriehoofdstukken werden in eerste instantie samengesteld om in de theorie te voorzien die vereist is voor het afleggen van de toelatingsexamens arts en tandarts, maar heeft mettertijd een bredere bestemming gekregen, waardoor meer theorie voorzien is dan gekend moet zijn voor het toelatingsexamen. Toch is de theorie relatief beknopt gehouden: ze is vooral bedoeld voor wie het allemaal al eens gezien heeft en wil herhalen en daardoor zijn basis verstevigen. Ik denk dat ze daardoor nuttig kan zijn bij de voorbereiding van die toelatingsexamens, voor olympiades of voor een herhaling van leerstof voor het aanvangen van hogere studies. Maar als je besluit dit document te gebruiken voor welke test dan ook, check dan zelf welke leerstof gekend moet zijn op de officiële sites.
De auteur van dit document kan in geen enkel geval aansprakelijk gesteld worden voor eventuele gevolgen van of schade die kan ontstaan uit het gebruik van dit document.

Inleiding

Bij een fysisch proces blijven de stoffen gelijk, bijvoorbeeld het uitzetten door warmte van een ijzeren staaf.
Bij een chemisch proces worden stoffen omgezet in andere stoffen.
Men schrijft:
Reagentia -> reactieproducten
Bijvoorbeeld: N2 + H2 -> NH3 (1)
Nu is er de wet van het behoud van atomen. Daarom voegen we coëfficiënten toe.
(1) wordt dan: N2 + 3 H2 -> 2 NH3.

Chemisch rekenen

Chemisch rekenen noemt men ook stoïchiometrie.
We gaan hierbij de hoeveelheid bepalen van elke stof die bij de chemische reactie betrokken is.
Bijvoorbeeld:
Opmerking: er is niet enkel behoud van atomen, er is ook behoud van massa.

Vraag

Onder bepaalde omstandigheden kan suiker (glucose) vergisten tot methanol, waarbij koolstofdioxide ontstaat. De vraag is hoeveel kg suiker er nodig is voor de productie van 1 kg methanol.
De reactievergelijking is als volgt:
Oplossing:
Dus er is 1406 g glucose nodig oftewel 1,406 kg.
C6H12O6
2 CO2
4 CH3OH
1000 g
1406 g
X 1000/128

Vraag

Hoeveel liter zuurstof wordt er gevormd (bij normale omstandigheden van druk en temperatuur) als 340 g waterstofperoxide ontbindt?
De reactievergelijking: 2 H2O2 -> 2 H2O + O2
Dus 2 mol H2O levert 1 mol O2
Mr(H2O2) = 2(1) + 2(16) = 34 ,dus 340 g H2O2 = 10 mol
Bijgevolg wordt er 10/2 = 5 mol O2 gevormd.
Aangezien 1 mol gas onder normale omstandigheden = 22,4 l wordt er dus 5 x 22,4 l = 112 liter O2 gevormd.

Opmerking

Men zegt bij chemische berekeningen soms dat een reagens in overmaat aanwezig is.
Dit betekent dat er meer van aanwezig is dan van belang is voor de berekeningen.
Het zijn dan de andere reagentia die de hoeveelheden van de reactieproducten bepalen.
Daartegenover staat een limiterend reagens: dat wordt bij de reactie volledig opgebruikt.

Rendement

Bij industriële reacties wil men een bepaald product bekomen. Daarbij wordt er uitgegaan van een bepaald reagens.
Bijvoorbeeld:
1 X + … -> 2 Y + … (andere reagentia in overmaat aanwezig)
100% rendement is er als elke mol X in twee mol Y wordt omgezet.
Stel nu dat 1 mol X 50 g weegt en 1 mol Y 30 g.
En stel dat 25 g X 20 g Y oplevert. Wat is dan het rendement?
Wel, 25 g X is 0,5 mol X. Dit zou bij 100% rendement moeten opleveren: 1 mol Y, dus 30 g.
Het rendement is dan: 20/30 * 100% = 67%.

Soorten reacties

We onderscheiden hier:
Neerslagreacties
Gasontwikkelingsreacties
Neutralisatiereacties
Redoxreacties

Neerslagreacties

Een neerslagreactie vindt plaats als twee oplossingen van goed oplosbare elektrolyten samen een slecht oplosbaar zout vormen.
Dit zijn ionenverbindingsreacties:
Stel dat we AB en CD samen oplossen:
A+ + B- + C+ + D- -> AD↓ + C+ + B-
Bijvoorbeeld:
Na2SO4 (opl) + BaCl2 (opl) --> BaSO4 (v)↓ + 2 NaCl (opl)
Bij het toevoegen van zilver(I)nitraat aan een zoutzuur-oplossing, slaat het witte zilver(I)chloride neer.

Oplosbaarheid van ionenverbindingen

Zijn goed oplosbaar:
Verbindingen met Na+, K+ en NH4+
Nitraten en acetaten
Chloriden en bromiden (behalve die van Ag+, Hg+, Pb2+)
Jodiden (behalve die van Ag+, Hg+, Hg2+, Pb2+)
Sulfaten (behalve die van Ba2+, Ca2+, Pb2+)
Zijn slecht oplosbaar:
Fosfaten (behalve die van Na+, K+ en NH4+)
Hydroxiden (behalve die van Na+, K+ en Ba2+)

Oplosbaarheid

Oplosbaarheid S wordt uitgedrukt in massa op te lossen stof per volume-eenheid oplosmiddel bij een verzadigde oplossing.
Dus in kg/liter of g/liter.
Oplosbaarheid is temperatuursafhankelijk: hoe hoger de temperatuur, hoe groter de oplosbaarheid.
Verandering van druk heeft nagenoeg geen effect.

Oplosbaarheidsproduct

Voor een slecht oplosbaar zout MaXb dat in water dissocieert in a ionen Mb+ en b ionen Xa-, is het oplosbaarheidsproduct Ks gegeven door:
De ionenconcentraties zijn deze in een verzadigde oplossing.
Voorbeeld: voor kwikjodide (HgI2) is het oplosbaarheidsproduct [Hg2+][I-]2 = 1,2 x 10-28.
Een lage Ks betekent dat het zout slecht oplosbaar is. 
Deze worden in een tabel gegeven bij een standaardtemperatuur. Bij een hogere temperatuur hoort een hogere Ks.
Ks = [Mb+]a[Xa-]b

Oplosbaarheidsproduct

Er ontstaat slechts een neerslag in een oplossing wanneer het oplosbaarheidsproduct van de ionen ‘overschreden’ wordt; de overmaat aan aanwezige ionen combineert ter vorming van neerslag.

Voorbeeld

De Ks van zilverchloride (AgCl) is 1,56 . 10-10.
Wat zijn de opgeloste concentraties in een verzadigde oplossing?
Wel Ks = [Ag+].[Cl-] en aangezien [Ag+] = [Cl-] = x, is:
x2 = 1,56 x 10-10
En dus [Ag+] = [Cl-] = x = 1,25 . 10−5 mol/l
Voor kwikjodide (HgI2) is Ks = [Hg2+][I-]2 = 1,2 . 10-28
Voor elke HgI2 is er één Hg2+ en 2 I-
Stel [Hg] = x dan is [I-] = 2x en dus:
x.(2x)2 = 1,2.10-28 4x3 = 1,2.10-28 x = 3,1 . 10−10
Dus [Hg2+] = 3,1 . 10−10 mol/l en [I-] = 2. [Hg2+] = 6,2 . 10−10 mol/l

Gasontwikkelingsreacties

Hier vormen de reagentia een nieuwe combinatie die aanleiding geeft tot gasbelletjes.
Dit zijn ionenverbindingsreacties:
A+ + B- + C+ + D- --> AD ↑ ­ ­ + C+ + B-
Bijvoorbeeld:
CaCO3 + 2 HCl -> CO2­ ↑ + CaCl2 + H2O

Neutralisatiereacties

Neutralisatiereacties zijn zuur-basereacties.
Ook dit zijn ionenverbindingsreacties:
A+ + OH- + H+ + D- -> AD + H2O
Bijvoorbeeld:
HNO3 + NaOH -> NaNO3+ H2O
De zuur-basereacties worden in een later hoofdstuk uitvoeriger behandeld.

Redoxreacties

Bij redoxreacties is er een uitwisseling van elektronen: bij bepaalde atomen daalt het oxidatiegetal hierdoor, bij andere atomen stijgt het oxidatiegetal.
Bijvoorbeeld: 2 Na + Cl2 -> 2 NaCl
Hier gaat het oxidatiegetal van Na van 0 naar +I.
Hier gaat het oxidatiegetal van Cl van 0 naar -I.
Redoxreacties worden uitvoerig besproken in een later hoofdstuk.