6.8: Zuur-base-eigenschappen van zoutoplossingen

Afhankelijk van de zuur-base-eigenschappen van de samenstellende ionen kan een zout echter in water oplossen tot een neutrale oplossing, een basische oplossing of een zure oplossing.

Wanneer een zout als NaCl in water oplost, ontstaan er Na^+ en Cl^- ionen. Met behulp van een Lewis-benadering kan het ion Na^+ worden beschouwd als een zuur omdat het een elektronenpaar-acceptor is, hoewel het door zijn lage lading en relatief grote radius een zeer zwak zuur is. Het Cl-ion is de geconjugeerde base van het sterke zuur HCl, dus het heeft in wezen geen basisch karakter. Bijgevolg heeft het oplossen van NaCl in water geen effect op de pH van een oplossing, en de oplossing blijft neutraal.

Laten we dit gedrag nu eens vergelijken met het gedrag van waterige oplossingen van kaliumcyanide en natriumacetaat. Ook hier hebben de kationen (K^+ en Na^+) in wezen geen zuur karakter, maar de anionen (CN^ en CH3CO2) zijn zwakke basen die met water kunnen reageren omdat zij de geconjugeerde basen zijn van respectievelijk de zwakke zuren HCN en azijnzuur.

Zoals geschreven verloopt geen van beide reacties erg ver naar rechts omdat de vorming van het zwakkere zuur-basenpaar wordt begunstigd. Zowel (HCN) als azijnzuur zijn sterkere zuren dan water, en hydroxide is een sterkere base dan acetaat of cyanide, dus in beide gevallen ligt het evenwicht naar links. Niettemin genereert elk van deze reacties voldoende hydroxide-ionen om een basische oplossing te produceren. Bijvoorbeeld, de pH van een 0,1 M oplossing van natriumacetaat of kaliumcyanide bij 25°C is respectievelijk 8,8 of 11,1. Uit de tabellen en figuren blijkt dat CN^- een sterkere base is (pK_b = 4,79) dan acetaat (pK_b = 9.24)), wat consistent is met het feit dat KCN bij dezelfde concentratie een basischere oplossing oplevert dan natriumacetaat.

Het geconjugeerde zuur van een zwakke base moet daarentegen een zwak zuur zijn (vergelijking \(pK_b = 9.2)). Zo zijn ammoniumchloride en pyridiniumchloride zouten die ontstaan door reactie van respectievelijk ammoniak en pyridine met HCl. Zoals je al weet, is het chloride-ion zo’n zwakke base dat het niet reageert met water. De kationen van de twee zouten zijn daarentegen zwakke zuren die als volgt met water reageren:

Vergelijking \(\ref{16.2) geeft aan dat H_3O^+ een sterker zuur is dan NH_4^+ of C_5H_5NH^+, en omgekeerd zijn ammoniak en pyridine beide sterkere basen dan water. Het evenwicht zal daarom in beide gevallen ver naar links liggen, ten gunste van het zwakkere zuur-base paar. De door de reacties geproduceerde concentratie H3O^+ is echter groot genoeg om de pH van de oplossing aanzienlijk te verlagen: de pH van een 0,10 M oplossing van ammoniumchloride of pyridiniumchloride bij 25°C is respectievelijk 5,13 of 3,12. Dit is in overeenstemming met de informatie in figuur 16.2, waaruit blijkt dat het pyridiniumion zuurder is dan het ammoniumion.

Wat gebeurt er met waterige oplossingen van een zout als ammoniumacetaat, waarbij zowel het kation als het anion afzonderlijk met water kunnen reageren en daarbij respectievelijk een zuur en een base produceren? Volgens figuur 16.10 zal het ammoniumion de pH verlagen, terwijl het acetaation volgens vergelijking 16.3 de pH zal verhogen. Dit specifieke geval is ongewoon, omdat het kation even sterk zuur is als het anion basisch is (pKa ≈ pKb). Bijgevolg heffen de twee effecten op en blijft de oplossing neutraal. Bij zouten waarin het kation een sterker zuur is dan het anion een base is, heeft de uiteindelijke oplossing een pH < 7,00. Omgekeerd, als het kation een zwakker zuur is dan het anion een base is, heeft de uiteindelijke oplossing een pH > 7,00.

Oplossingen van enkelvoudige zouten van metaalionen kunnen ook zuur zijn, hoewel een metaalion niet rechtstreeks een proton aan water kan afstaan om een pH van 7,00 te produceren. In plaats daarvan kan een metaalion fungeren als een Lewiszuur en een wisselwerking aangaan met water, een Lewisbasisch, door een coördinatie met een alleenstaand elektronenpaar op het zuurstofatoom om een gehydrateerd metaalion te vormen (deel (a) in figuur \(\PageIndex{1})\). Een watermolecuul gecoördineerd met een metaalion is om twee redenen zuurder dan een vrij watermolecuul. Ten eerste maken de afstotende elektrostatische interacties tussen het positief geladen metaalion en de gedeeltelijk positief geladen waterstofatomen van het gecoördineerde watermolecuul het gemakkelijker voor het gecoördineerde water om een proton te verliezen.

Ten tweede trekt de positieve lading van het Al-ion elektronendichtheid aan van de zuurstofatomen van de watermoleculen, waardoor de elektronendichtheid in de Al-H-bindingen afneemt, zoals te zien is in deel (b) in figuur (\PageIndex{1}}). Met minder elektronendichtheid tussen de O-atomen en de H-atomen zijn de H-atomen zwakker dan in een vrij H2O-molecuul, waardoor het gemakkelijker is om een H^+-ion te verliezen.

De grootte van dit effect hangt af van de volgende twee factoren (figuur:):

1. De lading van het metaalion. Een tweewaardig ion (M^{2+})) heeft ongeveer twee keer zo’n sterk effect op de elektronendichtheid in een gecoördineerd watermolecuul als een monovalent ion (M^+) met dezelfde straal.
2. De straal van het metaalion. Voor metaalionen met dezelfde lading geldt: hoe kleiner het ion, hoe korter de internucleaire afstand tot het zuurstofatoom van het watermolecuul en hoe groter het effect van het metaal op de verdeling van de elektronendichtheid in het watermolecuul.

Zo zijn waterige oplossingen van kleine, sterk geladen metaalionen, zoals ^(Al^{3+}) en ^(Fe^{3+}), zuur:

^{3+}_{(aq)} \rightleftharpoons ^{2+}_{(aq)}+H^+_{(aq)}

Het ion heeft een pK(pK_a) van 5,0 en is daarmee bijna net zo sterk als azijnzuur. Vanwege de twee eerder beschreven factoren is de belangrijkste parameter voor het voorspellen van het effect van een metaalion op de zuurgraad van gecoördineerde watermoleculen de verhouding lading/radius van het metaalion. Een aantal paren van metaalionen die op een diagonale lijn in het periodiek systeem liggen, zoals Li en Mg, of Ca en Y, hebben verschillende groottes en ladingen, maar vergelijkbare lading/radius verhoudingen. Bijgevolg hebben deze paren metaalionen gelijkaardige effecten op de zuurtegraad van gecoördineerde watermoleculen, en vertonen ze ook vaak andere belangrijke gelijkenissen in de chemie.

Oplossingen van kleine, sterk geladen metaalionen in water zijn zuur.

Reacties zoals die welke in deze paragraaf worden besproken, waarbij een zout met water reageert om een zure of basische oplossing te geven, worden vaak hydrolysereacties genoemd. Het gebruik van een aparte naam voor dit soort reacties is ongelukkig, omdat het suggereert dat ze op de een of andere manier verschillend zijn. In feite, zijn de hydrolysereacties enkel zuur-base reacties waarin het zuur een kation of de basis een anion is; zij gehoorzamen dezelfde principes en regels als alle andere zuur-base reacties.

Een hydrolysereactie is een zuur-basereactie.