H4 organische

# Proton-transferevenwichten en concepten van zuur en base Dit onderwerp introduceert de Brønsted-Lowry definitie van zuren en basen en onderzoekt de concepten van aciditeit en basiciteit, met een focus op de pKa-schaal en de invloed van oplosmiddelen. ### 1.1 De Brønsted-Lowry definitie van zuren en basen De Brønsted-Lowry definitie beschouwt zuren als deeltjes die een proton ($\text{H}^+$) kunnen afstaan, en basen als deeltjes die een proton kunnen opnemen. Proton-transferevenwichten zijn hierbij centraal, waarbij reacties in oplossing typisch een protonoverdracht tussen een zuur en een base omvatten, vaak met water als oplosmiddel. Een algemene evenwichtsreactie is [1](#page=1): $\text{HX} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{X}^-$ [1](#page=1). waarbij $\text{HX}$ het zuur, $\text{H}_2\text{O}$ de base, $\text{H}_3\text{O}^+$ het geconjugeerde zuur, en $\text{X}^-$ de geconjugeerde base is. De richting van de protonoverdracht wordt bepaald door de relatieve sterkte van de betrokken zuren en basen [2](#page=2) [3](#page=3) [4](#page=4). ### 1.2 Aciditeit en basiciteit #### 1.2.1 Zuurgraad en basiciteit in water In water wordt de zuurgraad van een oplossing gekenmerkt door de concentraties van $\text{H}^+$ (of $\text{H}_3\text{O}^+$) en $\text{OH}^-$ ionen [2](#page=2). * Een zure oplossing heeft een $\text{pH} < 7$ [2](#page=2). * Een neutrale oplossing heeft een $\text{pH} = 7$ [2](#page=2). * Een basische oplossing heeft een $\text{pH} > 7$ [2](#page=2). In water is $\text{H}_3\text{O}^+$ het sterkste zuur en $\text{OH}^-$ de sterkste base [3](#page=3). #### 1.2.2 De pKa-schaal De zuurgraad kan kwantitatief worden uitgedrukt met behulp van de zuurconstante ($\text{Ka}$) en de pKa-schaal. De pKa is gedefinieerd als [2](#page=2): $\text{pKa} = -\log(\text{Ka})$ [2](#page=2). * Een hogere $\text{Ka}$-waarde (en dus een lagere pKa-waarde) duidt op een sterker zuur [2](#page=2). * Een lage pKa-waarde (bv. < 0) betekent een sterk zuur dat volledig gedissocieerd is in water [2](#page=2). * Een hoge pKa-waarde (bv. > 50) betekent een uiterst zwak zuur [2](#page=2). De organische pKa-schaal is aanzienlijk breder dan de waterige pKa-schaal. In de organische chemie wordt basiciteit doorgaans geëvalueerd in termen van de aciditeit van de gepatoneerde vorm van de base, waarbij de pKb-terminologie zelden wordt gebruikt [3](#page=3). > **Tip:** Een lagere pKa betekent een sterk zuur, en de geconjugeerde base is dan stabieler. **Voorbeelden van pKa-waarden:** * $\text{HCl}$: $\text{pKa} < 0$ [2](#page=2). * $\text{CH}_3\text{COOH}$ (azijnzuur): $\text{pKa} = 4.76$ [2](#page=2). * $\text{NH}_3$ (ammoniak): $\text{pKa} = 9.23$ [2](#page=2). * $\text{N(CH}_2\text{CH}_3)_3$ (triethylamine): $\text{pKa} = 10.65$ [2](#page=2). De pKa-schaal voor waterige oplossingen loopt grofweg van -2 (voor $\text{H}_3\text{O}^+$) tot 16 (voor $\text{H}_2\text{O}$) [3](#page=3). ### 1.3 Factoren die de zuursterkte beïnvloeden De zuursterkte van een verbinding $\text{HA}$ hangt af van de stabiliteit van zowel het zuur $\text{HA}$ als zijn geconjugeerde base $\text{A}^-$ [4](#page=4). * De aciditeit van $\text{HA}$ neemt toe naarmate de stabiliteit van $\text{HA}$ afneemt [4](#page=4). * De aciditeit van $\text{HA}$ neemt toe naarmate de stabiliteit van de geconjugeerde base $\text{A}^-$ toeneemt [4](#page=4). * De basiciteit van een base $\text{B}$ neemt toe naarmate de stabiliteit van $\text{B}$ afneemt [4](#page=4). * De basiciteit van $\text{B}$ neemt toe naarmate de stabiliteit van zijn gepatoneerde vorm $\text{HB}^+$ toeneemt [4](#page=4). #### 1.3.1 Invloed van het element waaraan het proton gebonden is De zuurgraad van een $\text{X-H}$ binding wordt sterk beïnvloed door de aard van het element $\text{X}$ [4](#page=4). **Verticale invloed (in een groep):** * De zuurgraad neemt toe met de grootte van het element waaraan het proton gebonden is. Dit komt doordat de negatieve lading op de geconjugeerde base ($\text{X}^-$) beter gedelokaliseerd kan worden over een groter oppervlak, wat leidt tot een stabielere geconjugeerde base [4](#page=4). * Voorbeelden (pKa waarden): * $\text{CH}_4$: 50 * $\text{NH}_3$: 33 * $\text{H}_2\text{O}$: 15.7 * $\text{HF}$: 3.2 [4](#page=4). * $\text{PH}_3$: 29 * $\text{H}_2\text{S}$: 7.0 * $\text{HCl}$: -2.2 [4](#page=4). * $\text{H}_2\text{Se}$: 3.9 * $\text{HBr}$: -5 [4](#page=4). * $\text{HI}$: -(6-10) [4](#page=4). **Horizontale invloed (in een periode):** * De zuurgraad neemt toe naarmate de elektronegativiteit van het element toeneemt van links naar rechts in een periode. Een hogere elektronegativiteit stabiliseert de negatieve lading op de geconjugeerde base beter [5](#page=5). * Voorbeelden (pKa waarden): * $\text{CH}_4$ (pKa 50) < $\text{NH}_3$ (pKa 33) < $\text{H}_2\text{O}$ (pKa 15.7) < $\text{HF}$ (pKa 3.2) [4](#page=4) [5](#page=5). Deze effecten impliceren dat een alcohol $(\text{ROH})$ een sterker zuur is dan een amine $(\text{RNH}_2)$, dat weer sterker is dan een alkaan $(\text{R-H})$ [5](#page=5). #### 1.3.2 Oxyzuren Oxyzuren hebben de algemene structuur $\text{H-O-Z}$ [6](#page=6). * De zuurgraad van een oxyzuren stijgt naarmate de formele lading van het centrale element $\text{Z}$ positiever is [6](#page=6). * Alcoholen $(\text{ROH})$ en carbonzuren $(\text{RCOOH})$ zijn klassieke organische oxyzuren met een significant verschil in zuurgraad [6](#page=6). * Alcoholen zijn relatief zwakke zuren; de geconjugeerde base van ethanol, het ethoxide anion, is onstabiel omdat de negatieve lading geconcentreerd is op één zuurstofatoom [7](#page=7). * Het acetaat anion, de geconjugeerde base van azijnzuur, is stabieler door resonantie-delokalisatie over twee equivalente structuren [7](#page=7). * Fenol $(\text{pKa} \approx 10)$ is intermediair in zuurgraad; het is sterker dan ethanol omdat de negatieve lading in het fenolaat anion ook geresoneerd kan worden. Deze resonantie is echter minder effectief dan bij het acetaat anion, omdat de negatieve lading deels op het minder elektronegatieve koolstofatoom terechtkomt [7](#page=7) [8](#page=8). #### 1.3.3 Invloed van substituenten (Inductief effect) De zuurgraad kan ook variëren binnen dezelfde functionele groepen (bv. $\text{ROH}$, $\text{RCOOH}$, $\text{ArOH}$) door de aanwezigheid van polaire functionele groepen [8](#page=8). * Het substitueren van een waterstofatoom door een elektronegatief element, zoals chloor $(\text{Cl})$ of fluor $(\text{F})$, verhoogt de zuurgraad. Dit komt door het **inductief effect** [8](#page=8) [9](#page=9). * Het inductieve effect treedt op door de polaire $\text{C-Z}$ binding, waarbij het positieve einde van de dipool de negatieve lading op de geconjugeerde base (bijvoorbeeld op zuurstof) stabiliseert. Dit effect plant zich voort langs de bindingen [9](#page=9). **Voorbeelden van inductief effect op zuurgraad:** * Alcoholen: * $\text{ClCH}_2\text{CH}_2\text{OH}$: $\text{pKa} = 14.3$ * $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$: $\text{pKa} = 15.9$ * $\text{CF}_3\text{CH}_2\text{OH}$: $\text{pKa} = 12.4$ [8](#page=8). * Carbonzuren: * $\text{ClCH}_2\text{COOH}$: $\text{pKa} = 2.86$ * $\text{CH}_3\text{COOH}$: $\text{pKa} = 4.74$ * $\text{CF}_3\text{COOH}$: $\text{pKa} = 0.23$ [8](#page=8). Het inductieve effect is relevant voor alle organische zuren, waaronder carbonzuren [9](#page=9). --- # Invloed van elementstructuur op zuurgraad De aard van het element waaraan een proton is gebonden, heeft een significante invloed op de zuurgraad van een verbinding door middel van verticale en horizontale effecten binnen het periodiek systeem. De stabiliteit van de geconjugeerde base speelt hierbij een cruciale rol [4](#page=4). ### 2.1 Algemene principes De zuurgraad van een verbinding HA neemt toe naarmate de stabiliteit van HA afneemt, en eveneens naarmate de stabiliteit van de geconjugeerde base A⁻ toeneemt. Omgekeerd neemt de basiciteit van een base B toe indien de stabiliteit van B afneemt, en eveneens indien de stabiliteit van de geconjugeerde zuur HB⁺ toeneemt [4](#page=4). ### 2.2 Verticale invloed (grooteffect) Wanneer men verticaal een groep in het periodiek systeem afdaalt, stijgt de zuurgraad van de hydriden (pKa-waarden dalen) met de grootte van het element. Dit fenomeen is te wijten aan de toegenomen omvang van de geconjugeerde base (B⁻), waardoor deze de negatieve lading beter kan delocaliseren over een groter oppervlak. Deze delocalisatie leidt tot een stabielere geconjugeerde base [4](#page=4). **Voorbeelden van verticale invloed op zuurgraad (pKa):** * CH₄ (pKa ≈ 50) [4](#page=4). * NH₃ (pKa ≈ 33) [4](#page=4). * H₂O (pKa ≈ 15,7) [4](#page=4). * HF (pKa ≈ 3,2) [4](#page=4). * PH₃ (pKa ≈ 29) [4](#page=4). * H₂S (pKa ≈ 7,0) [4](#page=4). * HCl (pKa ≈ -2,2) [4](#page=4). * H₂Se (pKa ≈ 3,9) [4](#page=4). * HBr (pKa ≈ -5) [4](#page=4). * HI (pKa ≈ -(6-10)) [4](#page=4). ### 2.3 Horizontale invloed (elektronegativiteit) Wanneer men horizontaal een periode in het periodiek systeem doorloopt van links naar rechts, neemt de elektronegativiteit van het element toe. Deze toenemende elektronegativiteit leidt tot een grotere aciditeit van de hydriden. De hogere elektronegativiteit van het centrale atoom stabiliseert de negatieve lading op de geconjugeerde base effectiever [5](#page=5). **Voorbeelden van horizontale invloed op zuurgraad:** Een alcohol is een sterker zuur dan een amine, die op hun beurt sterker zijn dan alkanen, dit vanwege de toenemende elektronegativiteit van de atomen waaraan het waterstofatoom gebonden is (zuurstof > stikstof > koolstof) [5](#page=5). ### 2.4 Vergelijking van zuursterktes De gecombineerde effecten van elektronegativiteit en grooteffect verklaren de relatieve zuursterktes van verschillende verbindingen. Over het algemeen geldt dat hoe verder naar rechts en hoe hoger in het periodiek systeem het element staat waaraan het proton gebonden is, hoe sterker het zuur zal zijn [4](#page=4) [5](#page=5). **Relatieve zuursterktes:** * HI > HBr > HCl > HF [4](#page=4). * HCl > H₂S > PH₃ [4](#page=4). * HF > H₂O > NH₃ > CH₄ [4](#page=4). > **Tip:** Bij het beoordelen van zuursterkte is het altijd essentieel om te kijken naar de stabiliteit van de geconjugeerde base. Factoren die de negatieve lading op de geconjugeerde base beter verspreiden of aantrekken, zullen de zuursterkte verhogen. --- # Zuurtegraad van oxyzuren en stabilisatie-effecten Dit deel behandelt de zuurgraad van oxyzuren, waarbij de nadruk ligt op de stabiliteit van de geconjugeerde base door middel van resonantiestabilisatie en inductieve effecten, en hoe dit de zuursterkte beïnvloedt. ### 3.1 Algemene principes van oxyzuren De zuurgraad van een oxyz uur van het type H-O-Z neemt toe naarmate de formele lading van het centrale element Z positiever is. De meest voorkomende organische oxyzuren zijn alcoholen (ROH) en carbonzuren (RCOOH), die een significant verschil in zuurgraad vertonen [6](#page=6). ### 3.2 Stabilisatie van de geconjugeerde base #### 3.2.1 Resonantie Alcoholen zoals ethanol zijn weinig zure moleculen omdat hun geconjugeerde basen, zoals het ethoxide anion, instabiel zijn. Dit komt doordat de negatieve lading op één zuurstofatoom geconcentreerd is. In tegenstelling hiermee kan het acetaat anion, de geconjugeerde base van azijnzuur, de negatieve lading door middel van resonantie over twee equivalente resonantiestructuren verdelen. Fenol (pKa=10) heeft een intermediaire zuurgraad en is sterker zuur dan ethanol vanwege de delokalisatie van de negatieve lading op het zuurstofatoom in het fenolaat anion [7](#page=7). De resonantiestructuren van het fenolaat anion zijn echter minder belangrijk dan die van het acetaat anion. Dit komt doordat de negatieve lading in het fenolaat anion terechtkomt op een minder elektronegatief koolstofatoom en er geen aromatische stabilisatie meer plaatsvindt [8](#page=8). #### 3.2.2 Inductieve effecten De zuurgraad van oxyzuren kan variëren afhankelijk van de structuur, met name door de aanwezigheid van polaire functionele groepen [8](#page=8). > **Tip:** De substitutie van een waterstofatoom door een elektronegatief element zoals chloor (Cl) heeft een significante toename van de zuurgraad tot gevolg, resulterend in een pKa-verschil van ongeveer 1,5 tot 2 [8](#page=8). Wanneer Z een elektronegatief element is, zoals Cl of F, is de C-Z binding polair. Het inductieve effect treedt op doordat de afstand tussen het positieve uiteinde van de dipool en de negatieve lading op het zuurstofatoom van de geconjugeerde base kleiner is dan de afstand tussen het negatieve uiteinde van de dipool en de lading op het zuurstofatoom. Dit leidt tot stabilisatie [9](#page=9). Het inductieve effect is toepasbaar op alle organische zuren, waaronder carbonzuren [9](#page=9). **Voorbeelden van zuursterktevariatie:** * **Alcoholen:** * ClCH$_2$CH$_2$OH: pKa 14,3 * CH$_3$CH$_2$OH: pKa 15,9 * CF$_3$CH$_2$OH: pKa 12,4 [8](#page=8). * **Carbonzuren:** * ClCH$_2$COOH: pKa 2,86 * CH$_3$COOH: pKa 4,74 * CF$_3$COOH: pKa 0,23 [8](#page=8). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Proton-transferevenwichten | Dit zijn chemische reacties waarbij een proton (H+) wordt overgedragen van een zuur naar een base, resulterend in de vorming van nieuwe zuur-base paren. Deze evenwichten worden beschreven met behulp van evenwichtsconstanten. | | Aciditeit | De mate waarin een verbinding in staat is een proton te doneren. Een hogere aciditeit betekent dat een verbinding gemakkelijker een proton kan afstaan, wat vaak gepaard gaat met een lagere pKa-waarde. | | Basiciteit | De mate waarin een verbinding in staat is een proton te accepteren. Een hogere basiciteit betekent dat een verbinding gemakkelijker een proton kan binden, wat vaak geassocieerd wordt met een sterkere geconjugeerde zuur en een hogere pKb-waarde. | | Brønsted-Lowry concept | Een theorie die een zuur definieert als een deeltje dat een proton kan doneren, en een base als een deeltje dat een proton kan accepteren. Dit concept is cruciaal voor het begrijpen van zuur-base reacties in oplossing. | | Oplosmiddel | Een stof die in staat is andere stoffen (soluten) op te lossen en een homogene oplossing te vormen. In organische reactiviteit studies speelt water vaak een rol als oplosmiddel voor protonoverdrachtsreacties. | | Evenwichtsreactie | Een chemische reactie waarbij de reactanten en producten in een dynamische balans zijn, wat betekent dat de reactie zowel voorwaarts als achterwaarts plaatsvindt met gelijke snelheden. De toestand van evenwicht wordt gekenmerkt door constante concentraties van alle betrokken species. | | Ka | De zuurconstante, een kwantitatieve maat voor de sterkte van een zuur in waterige oplossing. Een hogere Ka-waarde duidt op een sterker zuur dat meer gedissocieerd is. | | pKa | De negatieve logaritme van de zuurconstante (Ka). De pKa-schaal is omgekeerd gerelateerd aan de zuursterkte: een lagere pKa-waarde betekent een sterker zuur. | | Geconjugeerde base | Het deeltje dat overblijft na afsplitsing van een proton van een zuur. De stabiliteit van de geconjugeerde base is een belangrijke factor voor de zuursterkte van het oorspronkelijke zuur. | | Geconjugeerd zuur | Het deeltje dat ontstaat wanneer een base een proton accepteert. De basiciteit van een base wordt vaak beoordeeld aan de hand van de sterkte van zijn geconjugeerde zuur. | | Inductief effect | Een elektronisch effect dat zich door sigma-bindingen voortplant, waarbij elektronen worden aangetrokken of afgestoten door een substituent. Dit effect kan de polariteit van bindingen en de stabiliteit van geladen deeltjes beïnvloeden. | | Resonantie | Een concept dat wordt gebruikt om de stabilisatie van moleculen of ionen te beschrijven wanneer een lading of dubbele binding kan worden gedelokaliseerd over meerdere atomen door middel van pi-elektronen. Dit leidt tot een stabielere structuur. | | Oxyzuren | Zuren die een proton bevatten dat gebonden is aan een zuurstofatoom, zoals alcoholen (ROH) en carbonzuren (RCOOH). Hun zuurgraad wordt beïnvloed door de aard van het atoom waaraan de hydroxylgroep is gebonden. |