R01 - R02 Reacties van het niet-redoxtype - Elektronentransferreacties

Op het eerste gezicht beantwoordt aan de veelheid van chemische reacties een grote fundamentele verscheidenheid. Men zou inderdaad, naargelang van de criteria die men hanteert, chemische reacties kunnen indelen in : synthesereacties, ontbindingsreacties, dissociatiereacties, complexatiereacties, neerslagreacties, vervangingsreacties, zuur-basereacties, redox-reacties, en zo meer.
Sommigen zullen geneigd zijn om bepaalde van deze reactietypes niet als werkelijk chemische verschijnselen op te vatten, omdat zij niet gepaard zouden gaan met een verandering in de elektronenstructuur van de (geladen) atomen. Zo kan het uiteenvallen, bijvoorbeeld in water, van een ionenverbinding in de ionen waaruit zij samengesteld is, eventueel beschreven worden als een louter fysisch verschijnsel. Analoog voor het omgekeerde fenomeen : de vorming van een kristallijne neerslag uit opgeloste ionen.
Veronderstel echter dat wij ons ruim opstellen en ook de zojuist beschreven 'veranderingen' tot de chemische reacties rekenen.

Komt u nu even mee op ontdekkingstocht ?
Hiertoe voeren we enkele eenvoudige experimenten uit, te volgen op de illustraties R1 en R2.
Links op illustratie R1 wordt een kleurige met een kleurloze waterige oplossing gemengd. Een nieuwe kleur ontstaat die niet verklaard kan worden op basis van een louter fysische vermenging (verdunning). We durven te spreken van een chemisch verschijnsel. Maar van welk type is dergelijke chemische reactie ?

Dit is niet steeds in één twee drie uit te maken. Met meer concrete gegevens geraken we toch al verder.
Illustratie R1 links suggereert een waterige oplossing van een (zwak) zuur HA dat vermengd wordt met een waterige oplossing van NaOH, een éénwaardige base.
Om de gele kleur te krijgen, hebben we het zwakke zuur fenolrood (waarvan we hier slechts één dissociatie bekijken) in neutraal water overgebracht. Van NaOH is voldoende bekend dat, zoals van vele alkaliverbindingen, de waterige oplossing kleurloos is.
Dat het mengen van beide oplossingen niet resulteert in een gele oplossing, lichter van kleur dan de
HA-oplossing, wijst erop dat hier meer aan de hand is dan eeneenvoudige verdunning.
We kunnen genoegen nemen met de veronderstelling dat een gewone zuur-basereactie :

optreedt waarbij het anion A^- verantwoordelijk zou zijn voor de rode kleur. Dergelijke zuur-basereacties worden doorgaans ondergebracht onder de zogenaamde protonentransferreacties.

Het rechterdeel van illustratie R1 toont een analoge vermenging van een groene oplossing van nikkeldichloride in water met een kleurloze waterige oplossing van natriumsulfide.

Ook deze vermenging gaat gepaard met een kleurverandering die niet terug te brengen is tot een louter verdunningsfenomeen : in plaats van een lichtgroener mengsel ontstaat een zwarte kleur. Meer nog, het ontstane mengsel blijft niet homogeen. We spreken hier van een neerslagvorming die toe te schrijven is aan de geringe oplosbaarheid van NiS, een zout van het zeer zwakke zuur HS^-.

Aangezien de concrete bestanddelen NiCl₂ en Na₂S uit ionen opgebouwd zijn, kunnen we ons voorstellen dat, naarmate deze bestanddelen oplossen in water, deze ionen van elkaar loskomen :

De vraag is dan of er zich, tussen de opgeloste deeltjes, geen nieuwe 'combinaties' van kationen met anionen kunnen voordoen. Zo verwachten we dit van Na⁺-ionen met Cl^--ionen en van Ni²⁺-ionen met S^2--ionen. De eerste combinatie komt neer op een verbinding die goed opgelost blijft (dan opnieuw in de vorm van ionen). De tweede combinatie vertegenwoordigt een weinig oplosbare verbinding : de samenstellende ionen blijven bijeen, rangschikken zich in een massief rooster en vormen aldus een neerslag :

Reacties met dergelijke karakteristieken vermeldt men meestal onder de reacties van neerslagvorming.

Bij een uitgebreidere vergelijking van reacties die zich kunnen voordoen bij het mengen van zowel kleurige als kleurloze oplossingen, zal snel opvallen dat beslist niet alle reacties aan één van de voorgaande patronen beantwoorden.
Illustratie R2 illustreert zo'n geval.

Links wordt getoond hoe een kleurloze oplossing van KI in water samengegoten wordt met een okerkleurige oplossing van FeCl₃ in water. Het eindresultaat is ook weer verrassend : niet een lichter gekleurde oplossing, maar een anders gekleurde oplossing, nl. roodbruin.
Denkend aan de deeltjes die we in de oplossing verwachten, kunnen we moeilijk de kleurwijziging verklaren in termen van een zuur-basepatroon. Nog minder in termen van een reactie van neerslagvorming.
De ionen die, in water, uit de opgeloste ionenverbindingen
vrijkomen, zijn :

Tenzij bij vrij hoge concentraties van deze ionen, zullen noch de combinatie van K⁺ met Cl^- , noch de combinatie van Fe³⁺ met 3 I^- een neerslag opleveren. Beide zouten zijn vrij goed oplosbaar.

We nemen dus aan dat er bij het mengen, in water, van KI met FeCl3 geen sprake is van protonentransfer noch van neerslagvorming. Welk ander chemisch fenomeen doet er zich dan wel voor ?

Het antwoord op deze vraag krijgen we door dezelfde bestanddelen in een andere opstelling met elkaar te laten reageren, zoals u kunt zien op de rechterkant van illustratie R2. De beide oplossingen worden hier niet (rechtstreeks) gemengd. Ze zijn wel verbonden via een zogenaamde zoutbrug, een U-vormig buisje opgevuld met een gel waarin veel KCl aanwezig is. In ieder van de oplossingen is een (inerte) geleidende platinastaaf gedompeld die telkens elektrisch verbonden is met een lampje, een ampèremeter of een voltmeter.

Het verrassende van deze opstelling is nu wel dat zij een lampje kan doen branden of op een ampèremeter enige stroomdoorgang aanduidt. De chemische bestanddelen brengen in deze opstelling een elektrische stroom voort.
We kunnen hier spreken van elektronentransfer tussen de reagerende chemische stoffen. Men classificeert dergelijke reacties dan ook als elektronentransfer-reacties.

Opgelet !
Het is gemakkelijker om een uitwijking te zien op een ampèremeter dan om het lampje te doen branden. Men kan de transfer van ladingshoeveelheid echter vermeerderen door elektroden te gebruiken met bv. Grotere contactoppervlaktes. Het lampje kan ten hoogste een fietslichtlampje zijn dat werkt onder geringe spanning en vooral met weinig stroomintensiteit.

Zulke verrassende elektriciteitsaspecten kunnen we niet aantonen indien dezelfde oplossingen rechtstreeks met elkaar reageren (links), ook al plaatsen we de elektroden enz. in het onderste bekerglas.
Dit betekent echter niet dat de elektronentransfer zich niet zou voordoen bij een rechtstreekse reactie van de KI-oplossing met de FeCl₃-oplossing. De elektronen worden niet op de elektroden afgezet, maar van stof (ion) tot stof (ion) overgedragen, volgens het schema

De samenstellende halfreacties (zie verder) schrijven we, de index _(aq) weglatend :

Alle elektronen die door de I^--ionen zijn afgestaan, worden door de Fe³⁺ -ionen opgenomen.
In de linkeropstelling, de rechtstreekse elektronentransferreactie, komen er geen elektronen in het water terecht. Zij worden rechtstreeks van deeltje (ion of molecule) tot deeltje (molecule of ion) uitgewisseld.
In geval van een opstelling zoals die rechts op transparant R2, worden de elektronen, langzamer dan in het eerste geval, van I^- naar Fe³⁺ overgebracht via de geleidende draden, doorheen de gloeilampdraad.
Doorheen de zoutbrug en in de oplossingen zelf gebeurt het ladingstransport door andere ladingsdragers: ionen (zowel kationen als anionen).
Meer hierover bij transparant R3.

Bovendien zorgt de zoutbrug ervoor dat de twee oplossingen niet in elkaar diffunderen.

Deze korte zoektocht leert ons dat er wel d egelijk zulke speciale en bijzonder interessante chemische reacties bestaan.
Mocht u dan weer denken dat alle chemische reacties tot dit ene type terug te brengen zijn, dan zijn controleproeven op andere reacties, zoals die op transparant R1 vermeld, uiterst noodzakelijk.
In opstellingen analoog met die op transparant R2 (rechts), kan men voor protonentransferreacties (links op R1) of voor neerslagreacties (rechts op R1) geen stroomdoorgang registreren.