Een neutralisatiereactie gecombineerd met wat diffusie gevisualiseerd

Datum: December 2015

Principe: Oplossingwarmte bepalen

Materiaal:

  • Citroenzuur
  • Natriumbicarconaat (Zuiverinsgzout)
  • Petrischaaltje
  • Spatel
  • Demi-water
  • Universeelindicator oplossing
   

Uitvoering:

  • Plaats de desksel of de onderbeker van de petrischaal op een vlakke ondergrond.
  • Vul met een bodempje water
  • Wacht even om eventuele wervelingen te laten uitdempen
  • Leg met een spatel aan de ene kant wat zuiverangzout neer tegen de rand aan.
  • Herhaal dit aan de andere kant met citroenzuur
  • Wacht en observeer
  • Herhaal dit experiment maar voeg nu eerst enkele druppels indicator oplossing aan het water toe alvorens

Resultaten:

Zonder indicator oplossing
Na korte tijd kan men belvorming waarnemen.
Met indicatoroplossing

Als men aan beide kanten de stoffen heeft toegevoegd kan men aan de linkerkant een rode kleur (zuur) en aan de rechterkant een gele kleur (basisch) waarnemen.

Na enige tijd kan men de vorming van de eerste belletjes waarnemen, waarvan het aantal in de tijd toeneemt en het rode front verder naar rechts schuift.

Discussie en conclusie:

Een heel eenvoudig experimentje waarbij men enkele fysische en chemische principes demonstreert.

Natriumbicarbonaat reageert met citroenzuur in water volgens de reacties:

  • NaHCO3 + H2O --> Na+ + HCO3
  • C5H7O5COOH + H2O --> C5H7O5COO- + H3O+
  • H3O+ + HCO3- --> 2H2O + CO2 (g)
Hierin zijn de eerste twee reacties dissociatie reactie die het oplossen van de vaste stof in water weergeven en de laatst de zuur-base reactie, ook wel neutralisatie reactie genoemd.

Aangezien het CO2 uit het water ontwijkt is het geen evenwichtsreactie maar een reactie van het type A --> B.

Het duurt enige tijd voordat we gasbelletjes kunne waarnemen. Daar zijn twee redenen voor:

  1. De concentratie van CO2 in het grensvlak waar de bicarbonaat en het zuur met elkaar reageren moet hoog genoegd opgebouwd zijn dat het CO2 niet meer in het water oplost maar als gas het water verlaat.
  2. Dat kan alleen maar gebeuren als door diffusie de concentratie van de reactanten voldoende hoog is opgebouwd om een waarneembare reactie (kleur/gas) waar te kunnen nemen.

Het grensvlak rood/geel, waar de neutralisatie reactie plaatsvindt is ook waarneembaar als er nog geen gasbellen waar te nemen. De kleuren geven een pH verschil aan, aan de linkerkant zuur, aan de rechterkant basisch.

Het verschuiven van het front naar de rechterkant wordt veroorzaakt door de diffusie van de ionen. Diffusie is de verspreiding van moleculen door een gasvormig of een vloeibaar medium. De moleculen van gassen en vloeistoffen bewegen. Door deze bewegingen kunnen de moleculen tegen elkaar op botsen en verplaatsen ze zich door de hele ruimte van het medium. Uiteindelijk zijn alle moleculen door het hele medium verspreid waardoor overal een gelijke concentratie ontstaat. Men zegt dan ook wel dat het concentratieverschil de drijvende kracht is achter dit mechanisme.

Opmerkingen:

  • Zoals men aan de foto kan zien heb ik beide grondstoffen bij een Toko kunnen kopen.
  • De universeelindicator die ik gebruikte besloeg een range van pH 3 tot 10.

Literatuur:

  • J.W. Storm van Leeuwen; 'Contexten'; Ceedata Chaam; 1996; ISBN 9071947300; p 111,112
  • Dr. G. den Boef; Theoretische grondslagen van de analyse in waterige oplossingen; Elsevier; 1977; ISBN 9010103730; 4de druk; p. 7-51.
  • J.M.M. Smith, E. Stammers; "Fysische Transportverschijnselen I"; Delftsche Uitgevers Maatschappij; 1973
  • Lars van der Kroon, Peter Lincklaen Arriens; 'Hoe snel diffunderen ionen in water?'; Natuur en Techniek; 2002 11; p.72-74.

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Zuur - base theorie

De moderne zuur base theorie is geformuleerd door Brønsted. Deze luidt samengevat als volgt:

zuur <=> base + proton

Deze reactievergelijking geeft een chemisch evenwicht weer: de reactie kan zowel naar links als naar rechts verlopen. De base en het zuur, die bij dit evenwicht zijn betrokken, noemt men geconjugeerd; dat wil zeggen ze zijn door protonenoverdracht gekoppeld. Uit een zuur ontstaat door afsplitsing van een proton de geconjugeerde base. Bv.

HCO3- <=> CO32- + H+

Het water H2O kan zich zowel zuur als basisch gedragen, omdat het zowel protonen kan afsplitsen als opnemen:

(1) H2O <=> H+ + OH- 
(2) H2O + H+ <=> H3O+
 ----------------------------------------------------------------------
(3) 2H2O <=> H3O+ + OH- (waterevenwicht)

Zuiver water is slechts voor een zeer klein gedeelte gesplitst in ionen, zodat er maar kleine hoeveelheden hydronium-ionen (H3O+) en hydroxylionen (OH- ) voorkomen. Protonen (H+) komen als vrije positieve ionen niet voor, doch zijn in water steeds gebonden aan H2O-moleculen. Het evenwicht (2) ligt zo sterk naar rechts dat praktisch alleen H3O+ voorkomt; het waterevenwicht moet dan ook feitelijk geschreven worden als in vergelijking (3).
 

Diffusie 

Componenten die zich binnen een fase bewegen doen dit onder invloed van een concentratieverschil. Er ontstaat dus een stroom als gevolg van een oorzaak, de “drijvende kracht”. Voor een korte lengte Dx kunnen we dan een debietvergelijking opstellen:

(kg.s-1)

Herdefiniëren we deze in termen van eendimensionaal stationair transport dan krijgen we de wet van Fick waarin we de fluxvergelijking opstellen:

(kg.m-2.s-1)

Volgens deze wet is de diffusiesnelheid rechtevenredig met het concentratieverval. Hierin is D de diffusiecoëfficiënt in m2s-1. Het is een temperatuurafhankelijke stofeigenschap en is een maat voor de snelheid waarmee in het betreffende medium stof diffundeert.
Voor de diffusiecoëfficiënten in vloeistoffen vindt men bij kamertemperatuur waarden in de orde van 10-8 a 10-9 m2s-1; voor andere temperaturen kan men een bij een temperatuur gegeven diffusiecoëfficiënt omrekenen met de relatie van Einstein-Nernst-Eyring: Dh/T (h is de viscositeit van het oplosmiddel).
Beschouwen we nu een materiaalbalans over een schijfje met dikte dx en met als oppervlak de eenheid van oppervlak (het volume van het schijfje is dus dx). 

 
De balans luidt:

in = uit + accumulatie

Hetgeen de tweede wet van Fick is die informatie geeft over de concentratieverandering in de tijd.

24-12-2015