Van citroensap tot ontstopper: een logaritmische schaal, een kleurstof uit rode kool en een druppel die alles verandert
Je begint met de pH-schaal: indelen, rekenen, verdunnen, een indicator kiezen en neutralisaties schrijven. In de tweede trede titreer je in het labo, reken je aan mengsels, lees en teken je titratiecurves, ijk je een pH-meter, programmeer je, reken je aan de oceaan en aan een maagtablet. In de uitdagingen stel je de pH-bewaking van Habitat op (opdracht 15.14), onderzoek je waar verdunnen ophoudt en ontwerp je een automatische pH-dosering.
Eén kleurstof uit rode kool, acht kleuren: van zuur (rood) tot sterk basisch (geel).
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenenToepassenUitdagen
Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).
De StemExpert-schaal5
Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.
Welke zijn zuur, welke basisch? Welke is het meest zuur, welke het meest basisch?
b
Hoeveel keer meer oxoniumionen bevat tomatensap dan melk? En maagsap dan koffie?
c
Een leerling zegt: 'Melk is bijna neutraal, dus bevat ze geen H3O+.' Klopt dat?
15.2
Van concentratie naar pH en terug
Oefenen3Rekenen15 min
Alle zuren en basen hier zijn sterk. Gebruik pH=−log[H3O+] en pH + pOH = 14 (25 °C).
a
Bereken de pH.
oplossing
berekening
pH
zoutzuur 0,10 mol/L
salpeterzuur 0,0030 mol/L
zoutzuur 2,5 · 10⁻⁴ mol/L
natronloog 0,010 mol/L
kaliloog 4,0 · 10⁻³ mol/L
b
Bereken [H3O+] en [OH−] in een oplossing met pH 4,70 en in een oplossing met pH 11,20.
15.3
Tien keer verdunnen
Oefenen4Rekenen12 min
Je verdunt oplossingen van sterke zuren en basen met water.
a
250 mL zoutzuur met pH 2,00 wordt aangevuld tot 2,5 L. Welke pH krijg je?
b
20 mL salpeterzuur met pH 1,30 wordt aangevuld tot 500 mL. Welke pH?
c
Natronloog met pH 12,6 wordt honderd keer verdund. Welke pH?
d
Hoeveel keer moet je zoutzuur met pH 1,0 verdunnen om pH 5,0 te krijgen? Hoeveel water is dat voor 1 mL zuur?
15.4
Welke indicator?
Oefenen4Begrijpen12 min
Gebruik de tabel met omslaggebieden uit het handboek.
De omslaggebieden van vier indicatoren.
a
Welke kleur heeft broomthymolblauw in regenwater (pH 5,6), in bloed (pH 7,4) en in zeepsop (pH 10)?
b
Een oplossing is kleurloos met fenolftaleïne en geel met methyloranje. Tussen welke pH-waarden ligt ze?
c
Welke indicator gebruik je om te controleren of de voedingsoplossing van Habitat tussen 5,5 en 6,5 ligt? Waarom is een pH-meter toch beter?
15.5
Neutralisaties schrijven
Oefenen4Rekenen15 min
Schrijf de kloppende reactievergelijking en geef de naam van het zout.
a
(a) salpeterzuur + natronloog; (b) zoutzuur + kaliloog; (c) zwavelzuur + natronloog; (d) zoutzuur + calciumhydroxide Ca(OH)2; (e) fosforzuur H3PO4 + kaliloog, tot alle drie de protonen weg zijn.
b
Schrijf de ionenvergelijking die in alle vijf reacties hetzelfde is. Welke ionen zijn in (a) toeschouwers?
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
15.6
Labo: hoeveel zuur zit er in ontkalker?
Toepassen5Labo50 min
Je bepaalt met een titratie de concentratie van een ontkalker op basis van citroenzuur (drie protonen per molecule, M=192,12 g/mol) of van azijn. Je krijgt natronloog van 0,100 mol/L, fenolftaleïne, een buret, een volumepipet van 25 mL en een maatkolf van 100 mL.
a
Maak een werkplan: welke verdunning kies je en waarom? Hoeveel mL natronloog verwacht je ongeveer?
b
Titreer minstens drie keer en noteer.
titratie
beginstand (mL)
eindstand (mL)
verbruikt (mL)
c
Bereken de concentratie in mol/L en in g per 100 mL. Vergelijk met het etiket.
d
Noem twee foutbronnen en zeg of ze je resultaat te hoog of te laag maken.
Zo wordt dit beoordeeld
Veiligheid
Bril, pipetteerballon (nooit met de mond), spatten afspoelen, afval geneutraliseerd.
Werkplan
Verdunning gekozen zodat het verbruik tussen 15 en 45 mL ligt; verwachting berekend.
Meting
Buret correct afgelezen tot op 0,05 mL; drie titraties binnen 0,10 mL.
Berekening
Molverhouding juist (1 : 3 bij citroenzuur, 1 : 1 bij azijnzuur), verdunning verrekend, eenheden.
Kritisch
Foutbronnen met hun richting (overtitreren: te hoog; lucht in de buret; verkeerd pipetteren).
15.7
Mengsels van zuur en base
Toepassen5Rekenen20 min
Bereken de pH na het mengen. Het volume van het mengsel is de som van de volumes.
a
(a) 25,0 mL zoutzuur 0,200 mol/L + 25,0 mL natronloog 0,100 mol/L
b
(b) 40,0 mL zoutzuur 0,0500 mol/L + 20,0 mL natronloog 0,100 mol/L
c
(c) 30,0 mL salpeterzuur 0,100 mol/L + 50,0 mL kaliloog 0,0800 mol/L
15.8
Een titratiecurve lezen
Toepassen5Analyseren15 min
Een leerling titreert 20,0 mL zoutzuur met onbekende concentratie met natronloog van 0,100 mol/L en meet de pH.
De gemeten titratiecurve (afgevlakt).
a
Lees het equivalentievolume af. Bereken de concentratie van het zoutzuur.
b
Controleer je antwoord met de begin-pH.
c
Welke van de drie indicatoren (methyloranje, broomthymolblauw, fenolftaleïne) zijn hier bruikbaar? Waarom?
15.9
Een titratiecurve tekenen
Toepassen5Tekenen20 min
Nu omgekeerd: in de erlenmeyer zit 25,0 mL natronloog van 0,100 mol/L, in de buret zoutzuur van 0,100 mol/L.
a
Bereken de pH bij 0; 10,0; 20,0; 24,9; 25,0; 25,1; 30,0 en 50,0 mL zoutzuur.
V zoutzuur (mL)
overmaat (mmol)
pH
b
Teken de titratiecurve op millimeterpapier. Duid het equivalentiepunt aan.
c
Welke kleurverandering zie je bij het eindpunt als je fenolftaleïne gebruikt?
15.10
Een pH-meter ijken
Toepassen5Rekenen20 min
Een labo-pH-meter kan ook de ruwe spanning van de elektrode tonen. Bij 20 °C lees je in buffer pH 7,00 −4 mV en in buffer pH 4,00 +165 mV.
a
Bereken de helling in mV per pH-eenheid.
b
De ideale helling bij 20 °C is 58,17 mV. Hoeveel procent daarvan haalt de elektrode? Is ze nog bruikbaar?
c
Een monster geeft +62 mV, een ander −120 mV. Bereken hun pH.
d
Voor welk van de twee monsters vertrouw je de uitkomst het minst? Wat zou je doen?
15.11
Python: hoe breed is de sprong?
Toepassen6Programmeren30 min
Gebruik de functie ph_mengsel uit het handboek. De 'sprong' definiëren we als het volumegebied waarin de pH van 4,0 naar 10,0 gaat.
a
Schrijf een functie volume_bij_ph(doel, c_zuur, v_zuur, c_base) die met kleine stapjes (0,001 mL) zoekt bij welk volume base de pH voor het eerst boven doel komt.
b
Bereken de breedte van de sprong (pH 4 tot 10) voor 25,0 mL zoutzuur met natronloog van dezelfde concentratie: 0,100 mol/L, 0,0100 mol/L en 0,00100 mol/L.
concentratie (mol/L)
V bij pH 4 (mL)
V bij pH 10 (mL)
breedte (mL)
c
Wat betekent dat voor een titratie met heel verdunde oplossingen? Welke indicator kies je dan?
15.12
Oceaanverzuring in cijfers
Toepassen5Analyseren15 min
Metingen ten noorden van Hawaï gaven in 1988 een oppervlakte-pH van ongeveer 8,11 en rond 2020 ongeveer 8,05. Voor 1850 rekenen we met een geschatte 8,18.
a
Bereken [H3O+] in nmol/L voor 8,18 en 8,05.
b
Met hoeveel procent steeg de concentratie oxoniumionen tussen 1850 en 2020?
c
Hoeveel pH-eenheid per tien jaar daalde de pH tussen 1988 en 2020? Welke pH verwacht je in 2100 als dat tempo blijft? Waarom is dat waarschijnlijk te optimistisch bij een hoge uitstoot?
15.13
Een maagtablet
Toepassen5Rekenen15 min
Een maagtablet tegen brandend maagzuur bevat 680 mg calciumcarbonaat en 80 mg magnesiumcarbonaat MgCO3. Maagsap bevat ongeveer 0,1 mol/L zoutzuur.
a
Schrijf de kloppende vergelijkingen van beide carbonaten met zoutzuur (er ontstaan een zout, water en koolstofdioxide).
b
Hoeveel mmol zoutzuur neutraliseert één tablet? Met hoeveel mL maagsap komt dat overeen?
c
Waarom boeren mensen soms na zo'n tablet?
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
15.14
Habitat: de pH-bewaking van het voedingsreservoir
Uitdagen6Habitat50 min
Het reservoir (60 L, recept uit hoofdstuk 12, EC-streefwaarde 1,4 mS/cm) krijgt een pH-module op de microcontroller. Streefwaarde pH 5,8, werkgebied 5,5 tot 6,5. pH-min: salpeterzuur 0,50 mol/L. De pomp zet het reservoir in 12,5 minuten één keer rond. De planten verbruiken tot 6 L water per warme dag.
a
Waarom stijgt de pH van deze voedingsoplossing vanzelf? Waarom kan je de nodige hoeveelheid pH-min niet uitrekenen met de pH alleen?
b
Stel een onderhoudsplan op: hoe vaak meet je, hoe vaak ijk je, met welke buffers, en hoe bewaar je de sonde?
c
Na 4 dagen: 52 L, pH 6,7, EC 1,55 mS/cm. Een proefje op 1,0 L vraagt 1,8 mL pH-min tot pH 5,8. Beschrijf in volgorde wat je doet (bijvullen, pH, EC), met getallen.
d
De sensor meet drie dagen na elkaar exact 7,00, terwijl pH-papier 6 geeft. Wat is er vermoedelijk aan de hand? Hoe laat je de microcontroller zo'n fout zelf opmerken?
Zo wordt dit beoordeeld
Chemie
Nitraatopname → wortels geven OH⁻/HCO₃⁻ af; buffer in de oplossing, dus dosis via een proefje.
Onderhoud
Dagelijks meten, om de twee weken ijken met pH 7 en 4, sonde in KCl-bewaarvloeistof, spoelen tussen buffers.
Volgorde
Eerst bijvullen met regenwater, dan pH bijsturen (dosis herschaald naar 60 L, in twee keer), dan EC.
Foutdetectie
Een waarde die niet verandert of buiten een fysisch plausibel bereik ligt, is verdacht; controle met papier of buffer.
15.15
Kan je een zuur basisch verdunnen?
Uitdagen6Analyseren25 min
Een leerling redeneert: 'Zoutzuur van 0,10 mol/L heeft pH 1. Elke keer tien keer verdunnen geeft één eenheid meer. Na acht keer verdunnen heb ik dus pH 9: basisch!'
a
Waar zit de denkfout? Leg uit met de waterconstante.
b
Bereken de pH van zoutzuur van 1,0⋅10−8 mol/L. Gebruik de ladingsbalans h−10−14/h=c (met h=[H3O+]), of de functie uit het handboek.
c
Vanaf welke concentratie mag je de regel 'pH = −log c' niet meer gebruiken, als je een fout van hoogstens 0,01 aanvaardt? Probeer 10−5, 10−6 en 10−7 mol/L.
15.16
Ontwerp: een automatische pH-dosering
Uitdagen7Ontwerpen60 min
Habitat wil de pH van het reservoir automatisch op 5,8 houden met een kleine peristaltische doseerpomp (1,0 mL per seconde) die pH-min (0,50 mol/L) in de stroming bij de circulatiepomp druppelt. Een verkeerde dosering kan in één keer de hele teelt vernietigen.
a
Ontwerp de regellogica: wanneer doseert de pomp, hoeveel per keer, en hoe lang wacht ze voor ze opnieuw meet? Motiveer met de rondpomptijd van 12,5 minuten en met de buffer.
b
Bereken: als het proefje 1,6 mL per liter vraagt, hoeveel doseerbeurten van 5 s zijn er dan nodig voor 60 L van 6,6 naar 5,8? Hoe lang duurt de correctie minstens?
c
Bedenk minstens drie veiligheden tegen overdosering (bv. een maximum per dag) en wat de installatie doet bij een sensorfout.
d
Teken een blokschema: sensor, microcontroller, doseerpomp, reservoir, circulatiepomp, en de terugkoppeling.
Zo wordt dit beoordeeld
Regellogica
Kleine dosissen met een wachttijd van minstens één rondpompbeurt; hysterese (bv. pas doseren boven 6,0).
Berekening
96 mL, 20 beurten van 5 s, met 15 min wachten minstens 5 uur (of grotere eerste stappen, met argument).
Veiligheid
Maximum per beurt en per dag, alarm bij een onveranderlijke of onmogelijke meting, noodstop, handmatige bevestiging bij een grote afwijking.
Blokschema
Gesloten lus met sensor, regelaar, actuator en proces; de circulatie als menging.
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet
Ik kan zuren en basen uit het dagelijks leven herkennen, hun eigenschappen noemen en er veilig mee werken.
Ik kan met de theorie van Arrhenius (en kort Brønsted) uitleggen wat een stof zuur of basisch maakt, en het verschil tussen sterk en geconcentreerd.
Ik kan de pH berekenen uit de concentratie van H3O+ of OH− (sterke zuren en basen) en omgekeerd, en uitleggen waarom de schaal logaritmisch is.
Ik kan voorspellen wat verdunnen met de pH doet, en waarom een zuur door verdunnen nooit basisch wordt.
Ik kan een indicator kiezen bij een omslaggebied en de kleur voorspellen.
Ik kan een neutralisatie als reactievergelijking schrijven en uitrekenen welke stof overblijft na mengen.
Ik kan een titratie uitvoeren, een titratiecurve lezen en er de concentratie van een zuur mee bepalen.
Ik kan een pH-meter ijken met bufferoplossingen en uit een ijking de pH van een monster berekenen.
Ik kan uitleggen waarom de pH belangrijk is in de bodem, in de hydroponie en in de oceaan, en de pH van de voedingsoplossing bewaken en bijsturen.
