Water is een vloeistof die we in het laboratorium heel vaak gebruiken. Het is een prima oplosmiddel voor allerhande verbindingen. Ook is water het product van de reactie tussen waterstof- en hydroxide-ionen:
Reactie 1
Water
In de reactie tussen en zien we eigenlijk alleen maar het product. Als er eenmaal water is gevormd is het verhaal klaar. Nou, nee. Er is meer aan de hand.
Hoewel een watermolecuul een heel stabiel deeltje is, gebeurt het soms dat een watermolecuul in twee stukken breekt. Bovenstaande reactie kan ook de andere kant uit!
Reactie 2
Uit elkaar
Je zou verwachten dat de twee stukken van het watermolecuul weer meteen met elkaar reageren, maar dat gebeurt niet altijd. Soms zwerven de twee deeltjes een tijdje tussen de watermoleculen. Op een gegeven moment zal een weer een tegenkomen en er mee reageren. In de tijd dat de ionen los van elkaar door de oplossing bewegen, is er dus zelfs in 'kaal' water een concentratie en een concentratie .
Aan elkaar
Op een bepaald moment zal de snelheid waarmee en -ionen gemaakt worden, even groot zijn als de snelheid waarmee ze verdwijnen. We zeggen:
In water heerst een evenwichtsreactie, het waterevenwicht: De concentraties veranderen niet, maar er zijn wel voortdurend andere en -ionen.
We noteren dat met een heen en teruggaande pijl in de reactie:
Verg. 3
Waterevenwicht
Omdat tijdens het uit elkaar vallen van watermoleculen evenveel en -ionen ontstaan, zijn de twee concentraties gelijk. Het blijkt dat de concentraties dan alletwee de ionen dan 10-7 mol.L-1 is.
Reactiesnelheid
De snelheid waarmee watermoleculen uit elkaar vallen en losse en -ionen produceren is bijna constant en wordt alleen een beetje door de temperatuur en het aantal watermoleculen beïnvloed. De reactiesnelheid kan weergegeven worden met een formule:
Verg. 4
Reactiesnelheid ontleding
is de snelheidsconstante. De snelheid vind je door de concentratie te vermenigvukdigen met deze constante.
Snelheidsconstante
De vergelijking voor de reactie van met is van meer dingen afhankelijk. Om met elkaar te reageren, moeten de ionen elkaar "tegenkomen".[1] Daarbij geldt de wet van aantal: Als er twee keer zoveel -ionen in een liter zijn, zal een -ion twee keer zo vaak een -ion tegenkomen en kunnen reageren. Zijn er tien keer zo veel, dan is de kans 10 keer groter dat een -ion kan reageren.
Het omgekeerde geldt natuurlijk ook voor -ionen. Zijn er 5 keer zoveel -ionen, dan is de kans dat een -ion er een treft, 5 keer zo groot.
In een formule wordt dat:
Verg. 5
Reactiesnelheid koppeling
In de evenwichtssituatie zijn de twee reactiesnelheden even groot dus kunnen vergelijking 4 en 5 met elkaar gecombineerd worden tot:
Verg. 6
Het stukje in vergelijking 6 hebben we eigenlijk niet nodig en kunnen we ook weglaten:
Verg. 7
[2]In vergelijking 7 staan aan weerskanten van het gelijkteken twee formules die hetzelfde waard zijn. Ze zijn niet gelijk, maar de waarde is hetzelfde. Je kunt het vergelijken met tien losse euromunten en twee briefjes van € 5.00. Ze zijn duidelijk niet hetzelfde, maar wel evenveel waard.
Als we links en rechts van het gelijkteken hetzelfde doen, blijft de gelijkheid waar: als je van de tien euromunten en van de twee briefjes van € 5.00 de helft uitgeeft houd je niet hetzelfde over (vijf munten is iets anders dan 1 briefje), maar de waarde is nog steeds gelijk.
In vergelijking 7 gaan we iets vergelijkbaars doen: links en rechts delen door . We weten niet hoe groot dit getal is, maar we kunnen in de formule wel aangeven dat we links en rechts door delen:
Verg. 8
In vergelijking 8 zie je aan de rechterkant nu dat je eerst met moet vermenigvuldigen en daarna erdoor moet delen. Dat kun je net zo goed allebei weglaten. De formule wordt dan:
Verg. 9
Boven en onder de streep wegdelen
De linkerkant van de formule kan ook eenvoudiger: en hebben steeds dezelfde waarde. Ook de concentratie van watermoleculen in een liter water is praktisch constant. In 'kaal' water gaat er 10-7 mol.L-1 af, maar dat is verwaarloosbaar ten opzichte van de 55.55 mol.L-1 in water. Dat wil dus zeggen dat aan de linkerkant van vergelijking 9 eigenlijk drie getallen staan die steeds dezelfde waarde hebben. Deze drie getallen worden, als je ze uitrekent, samen de waterconstante genoemd, aangeduid met of . Vergelijking 9 wordt dan:
Verg. 10
Waterconstante
Waterevenwicht
Vergelijking 10 zegt niets over de grootte van of , alleen dat als je ze met elkaar vermenigvuldigt, er steeds hetzelfde uitkomt. In 'kaal' water zijn de concentraties 10-7 mol.L-1 zodat geldt:
Verg. 11
Kw = 10-14
In de paragraaf pH en pOH wordt nog verder op dit onderwerp ingegaan.
↑Antropomorfisme is in de wetenschap weliswaar niet toegestaan, maar deze tekst is niet geschreven voor wetenschappers, maar voor aankomende technici van 16 en 17 jaar.
↑Voor veel VMBO-leerlingen in Nederland is "rekenen met letters", algebra, nog niet aan de orde geweest als ze naar het MBO gaan. Deze paragraaf beschrijft de manier voor het overbrengen van rechts naar links van een factor, zonder de routine die daarvoor gebruikt kan worden paraat te veronderstellen.
![{\displaystyle {\ce {v_{heen}\ =\ k_{heen}\ *\ [H2O]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/90e9eadf0c9a6ec4ec2cc6672f98868db7eb5fb9)
![{\displaystyle {\ce {v_{terug}\ =\ k_{terug}\ *\ [H+]\ *\ [OH^{-}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5458151057cc3e3fa14be7dc0857a9de689995ca)
![{\displaystyle {\ce {k_{heen}\ *\ [H2O]\ =\ v_{heen}\ =\ v_{terug}\ =\ k_{terug}\ *\ [H+]\ *\ [OH^{-}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/89dc3e61c43df878775ad5f6325de4b8ec1ecb47)
![{\displaystyle {\ce {k_{heen}\ *\ [H2O]\ =\ k_{terug}\ *\ [H+]\ *\ [OH^{-}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e4b15aa379f4dac51cdbfb7405f3656f9d3dc0de)
![{\displaystyle {\ce {{\frac {k_{heen}\ * \ [H2O]}{k_{terug}}}\ = \ {\frac {k_{terug}\ * \ [H+] \ * \ [OH^{-}]}{k_{terug}}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b6854708e2426c7b7f34059c298c2d3061ba4c87)
![{\displaystyle {\ce {{\frac {k_{heen}\ * \ [H2O]}{k_{terug}}}\ = \ [H+] \ * \ [OH^{-}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4f94bce919f5d6e92113495c2716a6ed26991788)
![{\displaystyle {\ce {K_{w}\ = \ [H+] \ * \ [OH^{-}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9d0729dbd5914d2a2aac262892d268b12c249633)
![{\displaystyle {\ce {[H+]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2f6781ee107d64f14c7da0bb7d25c3a8e3c4235f)
![{\displaystyle {\ce {[OH^{-}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/125fb7165b6c82998e782ceb2fc48fe797c4fe87)
![{\displaystyle {\ce {K_{w}\ = \ [H+] \ * \ [OH^{-}] \ = \ 10^{-7}\ * \ 10^{-7}\ = \ 10^{-14}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ce11ecc47661a024cac24df7dd5b7701dd3645bf)