Kenmerken en valkuilen van opgave C2 in het Russische eindexamen scheikunde

taak C2 bij het eindexamen scheikunde. Kenmerken en valkuilen
Auteur van het artikel — professionele bijlesdocent O. V. Ovtsjinnikova.
De opgave C2 bij het eindexamen scheikunde — dat is een tekst waarin een reeks experimentele handelingen wordt beschreven. Deze tekst moet omgezet worden in reactievergelijkingen.
De moeilijkheid van een dergelijke opdracht is dat scholieren vaak een vaag beeld hebben van experimentele, niet „papieren” scheikunde. Niet iedereen begrijpt de gebruikte termen en de processen die plaatsvinden. Laten we proberen het uit te zoeken.
Heel vaak worden begrippen die voor de scheikundige volkomen duidelijk zijn, door kandidaten verkeerd geïnterpreteerd. Hier is een korte woordenlijst van zulke begrippen.
Woordenlijst van onduidelijke termen.
Navëska — gewoon een bepaalde portie stof van een specifieke massa (die is gewogen op een weegschaal). Het heeft niets te maken met „de overkapping boven een veranda” :-)
Prokálit’ — het verhitten van een stof tot hoge temperatuur en doorverwarmen tot de chemische reacties beëindigd zijn. Dit is niet „vermengen met kalium” en ook niet „doorboren met een spijker”.
„De gasmengsel is ontploft” — dit betekent dat de stoffen gereageerd hebben met een explosie. Meestal gebruikt men een elektrische vonk hiervoor. De kolf of het vat explodeert daarbij niet!
Filtreren — de vaste stof afscheiden van de oplossing.
Profiltreren — de oplossing door een filter leiden om de vaste stof af te scheiden.
Filtraat — de gefiltreerde oplossing.
Oplossen van een stof — de overgang van de stof in oplossing. Dit kan plaatsvinden zonder chemische reacties (bijv. bij oplossen in water van keukenzout NaCl ontstaat een NaCl‑oplossing, niet afzonderlijk zuur en base), of tijdens het oplossingsproces reageert de stof met water en vormt een oplossing van een andere stof (bij oplossen van bariummoxide ontstaat een oplossing van bariumhydroxide). Stoffen kunnen opgelost worden niet alleen in water, maar ook in zuren, basen enzovoort.
Verdampen — het verwijderen van water en vluchtige stoffen uit een oplossing zonder ontleding van de vaste stoffen die in de oplossing aanwezig zijn.
Inkoken — gewoon het verminderen van de massa van water in de oplossing door te koken.
Smelten / samensmelten — het gezamenlijk verhitten van twee of meer vaste stoffen tot een temperatuur waarbij smelten begint en interactie optreedt. Heeft niets te maken met varen over een rivier :-)
Neerslag en rest. Heel vaak worden deze termen verward, hoewel het totaal verschillende begrippen zijn. „De reactie verloopt met neerslagvorming” — dat betekent dat één van de gevormde stoffen weinig oplosbaar is. Zulke stoffen neerslaan op de bodem van het reactievat (proefbuis of kolf). „Rest” — de stof die overblijft, niet volledig is verbruikt of helemaal niet heeft gereageerd. Bijvoorbeeld: als een mengsel van verschillende metalen met zuur is behandeld, en één van de metalen niet heeft gereageerd — dan kan dat als rest worden genoemd.
Verzadigde oplossing — een oplossing waarin bij de gegeven temperatuur de concentratie van de stof maximaal mogelijk is en niet verder oplost.
Onverzadigde oplossing — een oplossing waarin de concentratie van de stof niet maximaal is; in zo’n oplossing kan nog extra hoeveelheid van die stof opgelost worden totdat hij verzadigd is.
Verdunde en „zeer verdunde” oplossing — dit zijn tamelijk voorwaardelijke begrippen, eerder kwalitatief dan kwantitatief. Er wordt bedoeld dat de concentratie van de stof klein is.
Voor zuren en basen gebruikt men ook de term ** geconcentreerde oplossing**. Dit is ook een voorwaardelijke karakterisering. Bijvoorbeeld: geconcentreerd zoutzuur heeft slechts ongeveer 40 % concentratie. En geconcentreerd zwavelzuur is de watervrije, 100 % zuur.
Om zulke opdrachten op te lossen, moet men nauwkeurig de eigenschappen kennen van de meeste metalen, niet-metalen en hun verbindingen: oxiden, hydroxiden, zouten. Men moet de eigenschappen van salpeterzuur en zwavelzuur herhalen, permanganaat en dichromaat van kalium, oxidatie‑reductie eigenschappen van verschillende verbindingen, elektrolyse van oplossingen en smelten van diverse stoffen, ontledingsreacties van verbindingen van verschillende klassen, amphoterie, hydrolyse van zouten en andere verbindingen, wederzijdse hydrolyse van twee zouten.
Bovendien moet men een idee hebben van de kleur en aggregatietoestand van de meeste bestudeerde stoffen — metalen, niet‑metalen, oxiden, zouten.
Juist daarom behandelen we dit type opgaven aan het einde van de studie van algemene en anorganische scheikunde.
Laten we een paar voorbeelden van zulke opgaven bekijken.

Bij de reactie van nitriden met water ontstaat ammoniak:

Ammoniak reageert met zuren en vormt normale en zure zouten. De woorden in de tekst „tot de chemische reacties ophielden” betekenen dat een normaal zout wordt gevormd, want de aanvankelijk gevormde zure zout zal verder reageren met ammoniak en uiteindelijk in oplossing zal de ammoniumsulfaat aanwezig zijn:

De uitwisselingsreactie tussen ammoniumsulfaat en bariumchloride verloopt met de vorming van een barium­sulfaat­neerslag:

Na verwijdering van de neerslag bevat het filtraat ammoniumchloride; bij de reactie daarvan met natriumnitriet wordt stikstof gevormd; deze reactie verloopt bij ca. 85 °C:
Voorbeeld 2: Een navëska aluminium werd opgelost in verdund salpeterzuur, waarbij een gasvormige eenvoudige stof vrijkwam. Aan de verkregen oplossing werd natriumcarbonaat toegevoegd totdat het gas definitief ophield vrij te komen. De gevormde neerslag werd gefiltreerd en gekalcieerd, het filtraat werd ingekookt, het verkregen vaste restant werd gesmolten met ammoniumchloride. Het vrijgekomen gas werd gemengd met ammoniak en het verkregen mengsel verhit.
Oplossing:

Als aan de oplossing van aluminium­nitraat natriumcarbonaat wordt toegevoegd, vindt wederzijdse hydrolyse plaats (aluminiumcarbonaat bestaat niet in waterige oplossing, dus het aluminiumkation en het carbonaat‑anion reageren met water). Er ontstaat een neerslag van aluminiumhydroxide en kooldioxide komt vrij:

De neerslag — aluminiumhydroxide — ontleedt bij verhitting tot het oxide en water:
In oplossing blijft natriumnitraat over. Bij de fusie met ammoniumzouten treedt een redoxreactie op en oxide van stikstof(I) komt vrij (een dergelijke reactie treedt ook op bij verhitting van ammoniumnitraat):

Stikstofoxide(I) is een actief oxidator, reageert met reductoren en vormt stikstof:

Natriumalinaat bij oplossing in water vormt een hydroxo­complex:

Oplossingen van hydroxo­complexen reageren met zuren en zure oxiden in oplossing en vormen zouten. Echter, aluminiumsulfiet bestaat niet in waterige oplossing; daarom zal een neerslag van aluminiumhydroxide vallen. Let op dat in de reactie een zuur zout ontstaat — kaliumhydrosulfiet:

Kaliumhydrosulfiet is een reductor en wordt geoxideerd door broomwater tot hydrosulfaat:

De verkregen oplossing bevat kaliumhydrosulfaat en broomwaterstofzuur. Bij toevoeging van base moet men rekening houden met de interactie met beide stoffen:

Waterstofsulfide — in een waterige oplossing — reageert met basen en vormt zure en normale zouten. Aangezien in de opgave sprake is van een overmaat natriumhydroxide, wordt dus een normaal zout gevormd — natriumsulfide:

Natriumsulfide reageert met ijzer(II)chloride en vormt een neerslag van ijzer(II)sulfide:

Verbranden — de interactie van vaste stoffen met zuurstof bij hoge temperatuur. Bij het verbranden van sulfiden komt zwaveldioxide vrij en ontstaat ijzer(III)oxide:

Zwaveldioxide reageert met zuurstof in aanwezigheid van een katalysator en vormt zwavelanhydride:
Voorbeeld 5: Siliciumoxide werd gekalcieerd met een grote overmaat magnesium. Het verkregen mengsel werd behandeld met water. Hierbij kwam gas vrij dat in zuurstof werd verbrand. Het vaste verbrandingsproduct werd opgelost in geconcentreerde cesiumhydroxideoplossing. Aan de verkregen oplossing werd zoutzuur toegevoegd.
Oplossing:
Bij de reductie van siliciumoxide door magnesium ontstaat silicium, dat reageert met overmaat magnesium. Hierbij ontstaat magnesiumsilicide:

Men kan — bij grote overmaat magnesium — de somreactie opschrijven:

Bij oplossen in water lost het magnesiumsilicide op, waarbij magnesiumhydroxide en silaan ontstaan (magnesiumoxide reageert met water alleen bij koken):

Silaan bij verbranding vormt siliciumoxide:

Siliciumoxide — een zuur oxide — reageert met basen en vormt silikaten:

Bij handelen van zuren die sterker zijn dan siliciumzuur op silikaatoplossingen wordt het neergeslagen als siliciumoxide:
Opgaven C2 uit eindexamenversies scheikunde voor zelfstandige oefening.
Koper­nitraat werd gekalcieerd, het verkregen vaste neerslag werd opgelost in zwavelzuur. Door de oplossing werd waterstofsulfide geleid; het gevormde zwarte neerslag werd verbrand, en het vaste restant werd opgelost bij verhitting in geconcentreerd salpeterzuur.