PARTIE II : COMPRENDRE. Chapitre 3. Réaction chimique par échange de proton
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- Anne-Laure Raymond
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1 Sonde de température PRTIE II : COMPRENDRE Chapitre 3 Réaction chimique par échange de proton Pré requis: 3ème p (papier p, p mètre), acide, base Compétences: Mesurer le p d'une solution aqueuse. Reconnaître un acide, une base dans la théorie de Brönsted. Utiliser les symbolismes, et double flèche dans l écriture des réactions chimiques pour rendre compte des situations observées. Identifier l espèce prédominante d un couple acide-base connaissant le p du milieu et le a du couple. Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour déterminer une constante d acidité. Calculer le p d une solution aqueuse d acide fort ou de base forte de concentration usuelle. Mettre en évidence l'influence des quantités de matière mises en jeu sur l élévation de température observée. Extraire et exploiter des informations pour montrer l importance du contrôle du p dans un milieu biologique. I. Le p 1) Définition Une solution dont le solvant majoritaire est l eau est appelée solution aqueuse. Dans toute solution aqueuse il y a simultanément présence d ions hydroxyde O et d ions oxonium 3 O + (ou hydronium). La valeur du p d une solution aqueuse diluée (< 0.1 moll -1 ) est directement liée à la concentration des ions oxonium :(Sorensen danois en 1909) p sans unité p = -log [ 3 O + [ 3 O + = 10 p [ 3 O (aq) + en mol.l -1 Exemples : p de l'eau distillée à 5 C : [ 3 O (aq) + = 1, mol.l -1. Par définition : p = -log[ 3 O (aq) + donc p = - log (1, ) et p = 7,0. L'eau distillée est neutre à 5 C. Concentration en ions oxonium dans un soda de p = 3,5 : Par définition, [ 3 O (aq) + = 10 -p Donc pour ce soda [ 3 O (aq) + = 10-3,5 soit [ 3 O (aq) + = 3,.10-4 mol.l -1. Remarque : - La valeur du p d'une solution est sensible à sa température. En l'absence de précision, les valeurs seront celles que l'on mesure à 5 C. - Lorsque le p diminue (augmente) de 1, la concentration en ion oxonium est multipliée par 10 (est divisée par 10). ) Mesure du p Le p se mesure (voir TP) : - de manière rapide mais peu précise avec du papier p (à une unité de p près) - au dixième d unité, voire centième, avec un p-mètre étalonné. Figure : Papier p p-mètre 1/ 5
2 PRTIE II : COMPRENDRE II. Théorie de Brönsted-Lowry 1) Définitions Un acide au sens de Brönsted est une espèce chimique capable de céder un ion + (ou proton) Une base au sens de Brönsted est une espèce chimique capable de capturer un proton. Exemple d acide : Exemple de base : Cl + + Cl C 3 COO + + C 3 COO Un couple acido-basique noté / est constitué d un acide et d une base liés par l équation de l équilibre de Brönsted : + + L acide et sa base sont dits «conjugués». ) La réaction acido-basique Une réaction acido-basique se produit lorsqu un acide d un couple (couple 1) cède un proton à la base d un autre couple (couple ). Exemple : On mélange de l acide éthanoïque avec de la soude Na + + O (hydroxyde de sodium). L acide cède un proton à l ion hydroxyde : C 3 COO + + C 3 COO L ion hydroxyde capte alors ce proton : O + + O L équation bilan de cette réaction est donc : C 3 COO + O C 3 COO + O Lors de cette réaction, on considère donc les deux couples acido-basiques : - Couple 1 : C 3 COO / C 3 COO - Couple : O / O Questions : 1. Donner l acide conjugué des espèces chimiques suivantes : L ion benzoate C 6 5 COO ; L eau O ; L ion éthanolate C 3 C O +. L ion amidure est la base conjuguée de l ammoniac. Donner sa formule. III. cide fort et base forte Un acide est dit FORT s il réagit totalement sur l eau. p = - log c Une base est dite FORTE si elle réagit totalement sur l eau. p = 14+ log c IV. cide faible et base faible 1) Notion d équilibre Les réactions totales sont des réactions qui se poursuivent jusqu à élimination complète du réactif introduit en défaut. Ces réactions sont caractérisées par une flèche simple () entre les réactifs et les produits. + B C + D D autres réactions sont à un équilibre chimique. Ces réactions se caractérisent par une double flèche ( ) entre les réactifs et les produits. / 5
3 PRTIE II : COMPRENDRE + B C + D exemple: C 3 COO + O C 3 COO + 3 O + ) Constante d acidité (voir TP Détermination d'une constante d'acidité) Les acides qui ne réagissent pas totalement avec l eau sont dits FIBLES. Leur réaction sur l eau conduit à l équilibre : + O + 3 O + On associe alors à cette équilibre une grandeur sans dimension nommée «constante d acidité du couple /» définie par la relation : [ [ [ [ O [ [ [ [Concentration en moll 1 sans dimension noter : L'eau est un solvant et n'intervient pas dans l'écriture La valeur de cette constante d acidité dépend de la température tout comme le p. chaque on associe une grandeur logarithmique, notée p, telle que : log K p sans dimension sans dimension Figure 3 : Force d un acide et de sa base conjuguée CIDE FORT 10 0 = 1 NO 3 / NO 3 0 Cl / Cl CIDE FIBLE Peu faible 3 O + / O COO / COO Très faible BSE FIBLE Très faible N 4 + / N 3 Peu faible ) Domaine de prédominance O / O 14 p BSE FORTE Pour tout couple / on a : [ [ [ log K et Questions : a. Montrer que l on peut alors écrire : p [ log [ b. Quelle relation a-t-on entre [ et [ si le p de la solution est égal au p de l acide? 3/ 5
4 PRTIE II : COMPRENDRE c. Quelle inégalité existe-t-il entre le p et le p si [ > [? d. Même question si [ < [. e. On considère une solution aqueuse d acide éthanoïque (p = 4,8). Indiquer sur le schéma cidessous qui, de la forme acide ou de la forme basique, prédomine en solution en fonction du p p 4) utoprotolyse de l eau Une espèce amphotère (ou un ampholyte) peut se comporter soit comme un acide, soit comme une base. exemples d espèces amphotères : L ion hydrogénosulfate SO 4 : SO 4 / SO 4 et SO 4 / SO 4 L ammoniac N 3 : N 4 + / N 3 et N 3 / N Les acides aminés sont des espèces amphotères. Elles sont donc caractérisées par deux p. 3 N + CR COO 3 N + CR COO + + couple 3 N + CR COO / 3 N + CR COO de p1 3 N + CR COO N CR COO + + couple 3 N + CR COO / N CR COO de p L eau est une espèce amphotère. On la retrouve dans deux couples acide / base : O / O et 3 O + / O insi l eau, espèce acide, peut réagir sur l eau, espèce basique, selon l équation : O + O 3 O + + O Cette réaction est appelée : autoprotolyse de l eau noter : Cette réaction fait que, quelque soit la solution aqueuse considérée, il y a toujours présence des ions hydroxyde et oxonium. Si l on considère le couple O / O, cette réaction est bien celle d un acide ( O) sur l eau ( O) O + O 3 O + + O On peut donc définir le de l eau avec cette équation bilan : [ O [ O [ O [ O [ O [ O 3 3 Cette constante s appelle «le produit ionique» de l eau et est noté K e : Par convention, la concentration du solvant (ici l eau) vaut 1 moll 1 14 K e [ O [ O à 5 C / 5
5 PRTIE II : COMPRENDRE V. pplications 1) Réaction entre un acide fort et une base forte On mélange une solution aqueuse d acide chlorhydrique (acide fort) avec une solution aqueuse de soude (base forte). On observe la réaction suivante : 3 O + + Cl + Na + + O O + Cl + Na + + O En supprimant les ions spectateurs, on aura alors : 3 O + + O O Comme tous les acides forts en solution aqueuse sont sous la forme 3 O + + et que toutes les bases fortes en solution aqueuse sont sous la forme B + + O, la réaction d un acide fort sur une base forte s écrira toujours : 3 O + + O O Une telle réaction est très exothermique ce qui peut engendrer lors du mélange des projections brûlantes et corrosives. (voir TP p et effet thermique d'une solution). ) Les solutions tampon La présence simultanée de l espèce et de l espèce en solution aqueuse empêche le p de varier sensiblement lors d un ajout modéré d acide fort ou de base forte, ou encore lors d une dilution. Une telle solution est appelée solution tampon. Elle est efficace pour l'intervalle [p 1, p % Zone tampon Exemple : On considère un couple / dont le p vaut 5,0. Si le p de la solution aqueuse contenant ces espèces est compris entre 4,0 (p 1) et 6,0 (p + 1), alors la solution est tampon. p Figure 4 : diagramme de prédominance Ex 11, 13 p 340 Ex 9,30,31 et 33 p344_346 5/ 5
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