Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

17Ionen en ionenoplossingen

Op een bank in de gymzaal staan twee heldere drankjes: een fles sportdrank, verkocht om zijn “elektrolyten”, en een glas suikerwater. In een laboratorium worden twee metalen plaatjes, verbonden met een batterij en een lampje, om de beurt in elk drankje gedompeld. In de sportdrank gaat het lampje branden; in het suikerwater blijft het donker. Iets in de eerste vloeistof draagt elektrische lading, en de suiker niet. Dat iets zijn ionen.

Wat je al weet

Een atoom heeft een kern met $Z$ protonen, elk met lading $+e$ , en $Z$ elektronen eromheen, elk met lading $-e$ : het atoom is neutraal (Hoofdstuk 16). Een stof die in water opgelost is, geeft een waterige oplossing (Hoofdstuk 9). Een aantoningsreactie toont een stof aan door een zichtbaar resultaat (Hoofdstuk 10).

Een sportdrank en een glas water: in de drank zitten opgeloste ionen.

17.1 Atomen die elektronen opnemen of afstaan

Definitie 17.1 (Ion, kation, anion)

Een ion is een atoom, of een groep atomen, dat een of meer elektronen heeft afgestaan of opgenomen, en daardoor een elektrische lading draagt. Een ion met een positieve lading, dat elektronen heeft afgestaan, is een kation; een ion met een negatieve lading, dat elektronen heeft opgenomen, is een anion. De lading schrijf je rechtsboven de formule: $\ce{Na+}$ , $\ce{Cu^{2+}}$ , $\ce{Cl-}$ .

Voorbeeld 17.2 (Natrium en chloor)

Een natriumatoom, 11 protonen en 11 elektronen, staat één elektron af: het wordt het natriumion $\ce{Na+}$ , 11 protonen en 10 elektronen, lading $+1$ :

\ce{Na -> Na+ + e-}.

Een chlooratoom, 17 protonen en 17 elektronen, neemt één elektron op: het wordt het chloride-ion $\ce{Cl-}$ , 17 protonen en 18 elektronen:

\ce{Cl + e- -> Cl-}.

Een natriumatoom wordt een natriumion door een elektron af te staan; een chlooratoom wordt een chloride-ion door er een op te nemen. De protonen veranderen niet.

Propositie 17.3 (Enkele veelvoorkomende ionen)

Eenatomige ionen bestaan uit één atoom; samengestelde ionen uit een groep atomen die bij elkaar blijft:

kationen		anionen
natrium	$\ce{Na+}$	chloride	$\ce{Cl-}$
kalium	$\ce{K+}$	hydroxide	$\ce{OH-}$
calcium	$\ce{Ca^{2+}}$	nitraat	$\ce{NO3-}$
magnesium	$\ce{Mg^{2+}}$	carbonaat	$\ce{CO3^{2-}}$
koper(II)	$\ce{Cu^{2+}}$	sulfaat	$\ce{SO4^{2-}}$
ijzer(II), ijzer(III)	$\ce{Fe^{2+}}$ , $\ce{Fe^{3+}}$
zink	$\ce{Zn^{2+}}$
aluminium	$\ce{Al^{3+}}$
ammonium	$\ce{NH4+}$

17.2 Ionverbindingen en hun formules

Definitie 17.4 (Ionverbinding)

Een ionverbinding bestaat uit kationen en anionen in zulke aantallen dat het geheel geen lading draagt. De formule geeft de verhouding van de ionen, zonder hun ladingen: $\ce{NaCl}$ voor natriumchloride, één $\ce{Na+}$ op elk $\ce{Cl-}$ ; $\ce{CaCl2}$ voor calciumchloride, twee $\ce{Cl-}$ op elk $\ce{Ca^{2+}}$ .

Methode 17.5 (De formule van een ionverbinding opschrijven)

Schrijf de twee ionen op met hun lading, het kation eerst.
Zoek van elk het kleinste aantal waarbij de totale lading nul wordt.
Schrijf die aantallen als index; een samengesteld ion dat een index nodig heeft, komt tussen haakjes.

Aluminiumoxide: $\ce{Al^{3+}}$ en $\ce{O^{2-}}$ ; $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ , dus $\ce{Al2O3}$ . IJzer(III)hydroxide: $\ce{Fe^{3+}}$ en drie $\ce{OH-}$ : $\ce{Fe(OH)3}$ .

Propositie 17.6 (Een ionaire vaste stof is een stapeling van ionen)

In een zoutkristal wisselen natriumionen en chloride-ionen elkaar af in een regelmatige driedimensionale stapeling, elk ion omringd door ionen met de tegengestelde lading, die het op zijn plaats houden. Een korrel keukenzout bevat er miljarden miljarden; zijn kubusvorm weerspiegelt de kubische stapeling.

Eén laag van een zoutkristal: natriumionen (paars, kleiner) en chloride-ionen (groen) wisselen elkaar af.

17.3 Ionenoplossingen geleiden

Notatie 17.7 (De toestandsaanduiding (aq))

Een ion of een molecuul dat in water opgelost is, krijgt (aq), van het Latijnse aqua, water: $\ce{Na+(aq)}$ , $\ce{Cl-(aq)}$ .

Propositie 17.8 (Ionenoplossingen geleiden elektrische stroom)

Als een ionverbinding in water oplost, raken de ionen los van elkaar en bewegen ze vrij door de oplossing: zout water bevat $\ce{Na+(aq)}$ en $\ce{Cl-(aq)}$ . Bewegende ionen dragen elektrische lading, dus een ionenoplossing geleidt elektrische stroom. Een suikeroplossing, waarvan de moleculen geen lading dragen, geleidt niet; heel zuiver water ook niet.

In het laboratorium — Welke vloeistoffen geleiden?

De docent verbindt twee metalen plaatjes, een batterij met een lage spanning en een lampje tot een stroomkring; de plaatjes worden om de beurt gedompeld in gedestilleerd water, suikerwater, zout water en een kopersulfaatoplossing, en tussendoor afgespoeld. Het lampje brandt alleen bij de twee ionenoplossingen.

De geleidbaarheidstest: met zout water dragen ionen de stroom en brandt het lampje; suikerwater bevat geen ionen en het lampje blijft donker.

17.4 Neerslagreacties om ionen aan te tonen

Definitie 17.9 (Neerslag)

Als je twee oplossingen mengt, kunnen een kation van de ene en een anion van de andere een ionverbinding vormen die niet oplost. Die verschijnt als een fijne vaste stof die de vloeistof troebel maakt en bezinkt: een neerslag. De reactie is een neerslagreactie.

Propositie 17.10 (Aantoningsreacties voor veelvoorkomende ionen)

Een paar druppels van een reagensoplossing tonen een ion aan door de kleur van de neerslag die het vormt:

gezocht ion	reagens	neerslag	kleur
koper(II) $\ce{Cu^{2+}}$	natriumhydroxide	$\ce{Cu(OH)2}$	blauw
ijzer(II) $\ce{Fe^{2+}}$	natriumhydroxide	$\ce{Fe(OH)2}$	groen
ijzer(III) $\ce{Fe^{3+}}$	natriumhydroxide	$\ce{Fe(OH)3}$	oranjebruin
zink $\ce{Zn^{2+}}$	natriumhydroxide	$\ce{Zn(OH)2}$	wit
aluminium $\ce{Al^{3+}}$	natriumhydroxide	$\ce{Al(OH)3}$	wit
chloride $\ce{Cl-}$	zilvernitraat	$\ce{AgCl}$	wit, kleurt donker in licht

Voorbeeld 17.11 (Een neerslagreactie opschrijven)

Je schrijft alleen de ionen op die de vaste stof vormen; de andere blijven opgelost en doen niet mee:

\ce{Cu^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Cu(OH)2(s)}, \qquad \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}.

Neerslagen gevormd met natriumhydroxide (eerste vijf buizen) en met zilvernitraat (laatste buis).

Veiligheid

Natriumhydroxide: veroorzaakt ernstige brandwonden en oogletsel, en kan bijtend zijn voor metalen (GHS05); verdund irriterend voor huid en ogen (GHS07). Zilvernitraat, het reagens op chloride, is oxiderend, bijtend en zeer giftig voor in het water levende organismen. Veiligheidsbril, handschoenen; de docent geeft de reagentia druppelsgewijs uit.

Methode 17.12 (Een ion aantonen)

Giet een beetje van de te testen oplossing in een reageerbuis.
Voeg het reagens druppel voor druppel toe.
Noteer de kleur van een eventuele neerslag en vergelijk met de tabel.
Trek je conclusie, en onthoud dat een test een ion aantoont, geen verbinding: een oplossing van ijzer(III)chloride geeft zowel de test op $\ce{Fe^{3+}}$ als de test op $\ce{Cl-}$ .

17.5 Oefeningen

Oefening 17.1 ★

Wat is een ion? Wat is het verschil tussen een kation en een anion?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.1.

Een atoom of een groep atomen die elektronen heeft afgestaan of opgenomen en een lading draagt. Een kation is positief (elektronen afgestaan), een anion negatief (elektronen opgenomen).

Oefening 17.2 ★

Een magnesiumatoom (12 protonen) staat twee elektronen af. Schrijf de formule op van het ion dat ontstaat, en geef zijn aantal protonen en elektronen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.2.

$\ce{Mg^{2+}}$ : 12 protonen, 10 elektronen.

Oefening 17.3 ★

Schrijf de formules op van kaliumchloride, magnesiumchloride en calciumoxide (oxide-ion: $\ce{O^{2-}}$ ).

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.3.

$\ce{KCl}$ , $\ce{MgCl2}$ , $\ce{CaO}$ .

Oefening 17.4 ★

Waarom geleidt zout water elektrische stroom en suikerwater niet?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.4.

Zout water bevat ionen, $\ce{Na+(aq)}$ en $\ce{Cl-(aq)}$ , die bewegen en lading dragen. Suikermoleculen dragen geen lading.

Oefening 17.5 ★★

Schrijf de formules op van koper(II)sulfaat, aluminiumchloride en natriumcarbonaat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.5.

$\ce{CuSO4}$ , $\ce{AlCl3}$ , $\ce{Na2CO3}$ .

Oefening 17.6 ★★

Natriumhydroxide geeft met een oplossing een oranjebruine neerslag. Welk ion bevat de oplossing? Schrijf de vergelijking van de neerslagreactie op.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.6.

IJzer(III), $\ce{Fe^{3+}}$ : $\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}$ .

Oefening 17.7 ★★

Hoeveel elektronen draagt het sulfaation $\ce{SO4^{2-}}$ meer dan het protonen heeft? En het nitraation $\ce{NO3-}$ ?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.7.

Sulfaat: 2 elektronen te veel. Nitraat: 1.

Oefening 17.8 ★★

Een oplossing geeft een witte neerslag met zilvernitraat en een blauwe met natriumhydroxide. Geef de naam van de opgeloste ionverbinding en schrijf haar formule op.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.8.

Wit met zilvernitraat: $\ce{Cl-}$ . Blauw met natriumhydroxide: $\ce{Cu^{2+}}$ . Koper(II)chloride, $\ce{CuCl2}$ .

Oefening 17.9 ★★

Kijk naar de figuur van de laag van het zoutkristal. Hoeveel buren met een tegengestelde lading heeft een ion midden in de laag binnen die laag?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.9.

Vier: aan elke kant één (links, rechts, boven, onder).

Oefening 17.10 ★★

Schrijf de vergelijking op van de neerslagreactie van ijzer(II)hydroxide uit $\ce{Fe^{2+}}$ - en $\ce{OH-}$ -ionen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.10.

$\ce{Fe^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Fe(OH)2(s)}$ .

Oefening 17.11 ★★★

Een wit poeder kan zinkchloride of natriumchloride zijn. Opgelost in water geeft het een witte neerslag met natriumhydroxide. Welke stof is het? Schrijf de vergelijking op.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.11.

Zinkchloride. Natriumionen geven met natriumhydroxide geen neerslag; zinkionen geven een witte neerslag volgens $\ce{Zn^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Zn(OH)2(s)}$ .

Oefening 17.12 ★★★

Hoeveel chloride-ionen zijn er in een kristal calciumchloride op 1000 calciumionen? Controleer dat het kristal neutraal is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.12.

$\ce{CaCl2}$ : 2000 chloride-ionen. Ladingen: $1000 \times (+2) + 2000 \times (-1) = 0$ .

17.6 Probleem: De roestige put

Probleem 17.1

Weekendprobleem — oranje vlekken in de gootsteen van een boerderij, twee tests, en het aantal ijzerionen in een liter putwater

Het water uit de put van een boerderij laat oranje vlekken achter in de gootsteen. Een laboratorium krijgt een monster. Vers opgepompt is het water helder; met natriumhydroxide geeft het een groene neerslag, die binnen een uur aan het oppervlak, waar hij met de lucht in aanraking komt, oranjebruin wordt. Het laboratorium meet $0.30\,\mathrm{mg}$ ijzer, in de vorm van ijzerionen, per liter. Neem voor de massa van een nucleon $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ , en 56 nucleonen voor een ijzeratoom.

Deel I — De tests.

Welk ion toont de groene neerslag aan? Geef de formule van de neerslag.
Welk ion toont de oranjebruine neerslag aan? Geef de formule.
Een ijzer(II)ion en een ijzer(III)ion verschillen één elektron. Welk van de twee heeft meer elektronen? Hoeveel elektronen heeft elk (ijzer: $Z = 26$ )?
Schrijf de vergelijking op van de neerslagreactie van ijzer(III)hydroxide.

Deel II — De vlekken.

In de gootsteen wordt het heldere water langzaam troebel en oranje. Welk ion bevat het water als het uit de put komt, en welk bevat het uiteindelijk?
Schrijf de formule op van de ionverbinding die ijzer(III)ionen en hydroxide-ionen vormen, en controleer dat ze neutraal is.
Kun je het ijzer uit het water halen door het water te filtreren zodra het uit de put komt? En nadat het oranje is geworden? Leg uit.
Is water dat ijzerionen bevat een zuivere stof? Een homogeen mengsel?

Deel III — De ionen tellen.

Bereken de massa van een ijzeratoom, in kilogram.
Reken $0.30\,\mathrm{mg}$ om naar kilogram.
Waarom mag je de massa van een ijzerion gelijk nemen aan die van een ijzeratoom?
Bereken het aantal ijzerionen in een liter putwater.

Oplossing

Oplossing van Probleem 17.1.

1. IJzer(II), $\ce{Fe^{2+}}$ : $\ce{Fe(OH)2}$ .

2. IJzer(III), $\ce{Fe^{3+}}$ : $\ce{Fe(OH)3}$ .

3. $\ce{Fe^{2+}}$ heeft er één meer: $26 - 2 = 24$ elektronen, tegen $26 - 3 = 23$ voor $\ce{Fe^{3+}}$ .

4. $\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}$ .

5. Het komt uit de put met ijzer(II)ionen; in contact met de lucht worden die ijzer(III)ionen, die de oranje vaste stof vormen.

6. $\ce{Fe(OH)3}$ : $(+3) + 3 \times (-1) = 0$ .

7. Niet als het uit de put komt: de ijzerionen zijn opgelost en gaan door een filter heen. Zodra de oranje vaste stof gevormd is, wel: het is een neerslag, die door een filter wordt tegengehouden.

8. Nee: een mengsel (water en opgeloste ionen). Vers opgepompt en helder is het homogeen.

9. $56 \times 1.67 \times 10^{-27} = 9.35 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}$ .

10. $0.30\,\mathrm{mg} = 0.30 \times 10^{-6}\,\mathrm{kg} = 3.0 \times 10^{-7}\,\mathrm{kg}$ .

11. Een ion verschilt van het atoom door twee of drie elektronen, waarvan de massa verwaarloosbaar is naast de kern.

12. $3.0 \times 10^{-7} / 9.35 \times 10^{-26} \approx 3.2 \times 10^{18}$ ijzerionen per liter.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst