Lycée Joliot Curie à 7 Chimie - Chapitre XII Classe de Ter S
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- Adèle Grenier
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1 Lycée Joliot Curie à 7 Chimie - Chapitre XII Classe de Ter S Thème : Comprendre Cours n 12 «Réactions chimiques par échange de protons» La couleur des hortensias est déterminé à la fois génétiquement et en fonction de facteurs environnementaux. Ils peuvent être bleus, roses et mauves. Un pied d'hortensias bleu ne pourra devenir rouge pour la simple est bonne raison qu'il possède dans son génome 2 gène qui détermine la couleur, un bleu et un rouge, ce qui lui permet d'obtenir soit une couleur bleu, soit rouge, soit violette, soit blanche. A partir de là, on peut faire sensiblement varier la couleur des hortensias en fonction du sol ou ils sont plantés: un sol à ph >; 7 (calcaire) un hortensia bleu deviendra bleu clair, un sol ph <; 6 (alumine) un hortensia rose deviendra bleu et dans ce même sol un rouge deviendra mauve foncé! Il faut donc faire varier à la fois la nature du sol et à la fois la concentration de minéraux de ce sol. I Réaction d autoprotolyse de l eau : 1- D où vient-elle? L eau pure est de l'eau ne comportant que des molécules d'eau. Elle n'est pas présent naturellement dans la nature et doit être obtenue par des processus physiques. Si l on mesure le ph d une eau pure. On trouve ph = 7 à 25 C. Ceci signifie que la concentration des ions oxonium dans cette eau est de : [H 3 O + (aq)] = D où proviennent-ils? Puisqu il n y a que des molécules d eau dans une eau pure, ce sont ces molécules d eau qui ont donnés naissance aux ions oxonium H 3 O +. De plus, la solution est neutre électriquement, il y a présence d anions HO - en même quantité que les cations oxonium H 3 O +. On explique cet équilibre par le fait qu un ion oxonium H 3 O + est créé par une molécule d eau qui un proton à une autre molécule d eau, qui elle, à son proton pour donner naissance à l ion hydroxyde HO -. On note donc que [H 3 O + ] = 2- Equation de la réaction et produit ionique K e : a- L eau, espèce amphotère : - L eau H 2 O peut capter un proton H + donc, d après LEWIS, elle se comporte comme une formant le couple acido-basique : / suivant la demi équation : - L eau H 2 O peut aussi céder un proton H + donc, d après LEWIS, elle se comporte comme un acide formant le couple acido-basique : / suivant la demi équation : L eau se comporte soit comme une base soit comme un acide, on dit que c est une espèce L équation d autoprotolyse de l eau s écrit : 3- Constante d équilibre associée à cette réaction : Ke L autoprotolyse de l eau est caractérisée par sa constante d équilibre 1
2 Cette constante d équilibre est appelé. et noté Ke = Qu elle est sa valeur? On a dit que ph = 7 à 25 C donc [H 3 O + ] Eq = = mol/l. Donc à 25 C, Ke = = <=> Ke = à 25 C Exercice : Le ph d une solution aqueuse est égal à 3,5. Calculer [H 3 O + ] et [OH - ] 4- Le ph des solutions aqueuses : a- Le pke: On rappelle que le ph est défini par la relation: ph= - log [H 3 O + ] ou [H 3 O + ] = 10 -ph De la même façon, on définit pke pke= = ou Ke = b- Généralisation aux solutions aqueuses : En général, dans les solutions aqueuses, les concentrations en ions oxonium H 3 O + et hydroxyde OH - sont différentes de 10-7 mol / L mais leur produit reste égal à (à 25 C). Le produit [H 3 O + ]x[oh - ] = Ke est constant à température donnée. Ke si la température (comme pour toutes les constantes d équilibre). A 25 C, on a [H 3 O + ] eq. [OH - ] eq = Ke = dans toute solution aqueuse. c- L échelle de ph : Une solution est neutre si elle contient d'ions oxonium H 3 O + que d'ions hydroxyde HO - c'est à dire [H 3 O + ] [HO - ] donc d'où à 25 [H 3 O + ].[HO - ]= = = [H 3 O + ] = = = mol.l -1 ph = Une solution est dite acide si elle contient d'ions oxonium H 3 O + que d'ions hydroxyde HO - : [H 3 O + ] [HO - ] donc [H 3 O + ].[HO - ] [H 3 O + ].[H 3 O + ] d où [H 3 O + ] 2 à 25 [H 3 O + ] Ke [H 3 O + ] ph Une solution est dite basique si elle contient d'ions oxonium H 3 O + que d'ions hydroxyde HO - : [H 3 O + ] < [HO - ] donc [H 3 O + ].[HO - ] > [H 3 O + ].[H 3 O + ] d où [H 3 O + ] 2 à 25 [H 3 O + ] Ke [H 3 O + ] ph [H 3 O + ] [HO - ] [H 3 O + ] [HO - ] [H 3 O + ] [HO - ] ph < 7 ph = 7 ph > 7 Solution acide solution neutre solution basique Application : Soit une solution d hydroxyde de sodium de concentration c=5.0*10-2 mol/l. Quelle est nature acido-basique de cette solution et quelle est la valeur de son ph? ph 2
3 II- Constante d acidité Ka d un couple acide/base : 1- Définition : Constante d équilibre Ka associée à la réaction entre un acide et l eau est appelée constante d acidité du couple (mais attention la réaction doit être dans le bon sens) Cette constante d équilibre Ka est caractéristique du couple HA/A - Tous les couples acido-basiques sont classés en fonction de leur Ka par rapport à l eau. On définit le pka =. Remarque, si l on considère la réaction inverse : Exemples de réaction d un acide sur l eau: Acide éthanoïque CH 3 COOH/CH 3 COO ion éthanoate Ka 1 = 10-4,75 = => pka 1 = -log Ka 1 = Ion ammonium NH 4 + /NH 3 ammoniac Ka 2 = 10-9,20 => pka 2 = -log Ka 2 = Acide benzoïque C 6 H 5 COOH/C 6 H 5 COO ion benzoate Ka 3 = 10-4,20 => pka 3 = -log Ka 3 = Attention : Ka 1 définit bien l action de l acide NH 4 + sur l eau. Supposons maintenant l action de la base NH 3 sur H 3 O +. Ecrire l équation de la réaction, donner l expression de sa constante d équilibre K et la calculer. 2- Que dire de la valeur d une constante d acidité Ka d un couple HA/A -? Ka= HA+H 2 O = H 3 O + +A - Si Ka est élevé alors le produit [H 3 O + ] eq. eq bien plus grand que eq donc : - le taux d avancement est - la [H 3 O + ] eq est donc le ph (=-log[h 3 O + ] eq est et donc la solution est. Application : Classez les 3 acides précédents de l acide le plus fort à l acide le plus faible dans le cas où ils ont les mêmes concentrations: On a Plus le Ka du couple est faible et plus l acide est. 3
4 Remarque : Plus un acide est faible donc son Ka est ( ou son pka est ) et plus sa base conjuguée est. Plus le Ka du couple est élevé et plus la base est. 3- Acide fort et base fort : a- Acide fort dans l eau. Certains acides appelés acides forts réagissent avec l eau : AH + H 2 O A - + H 3 O + L acide AH n existe donc pas dans l eau (exemple du chlorure d hydrogène). Comment déterminer le ph d une solution d acide fort? Une solution de volume Vsol=0,500 L contient n i HCl=0,025 moles de chlorure d hydrogène. Calculer son ph b- Base forte dans l eau : Certaines bases appelées bases fortes réagissent avec l eau : A - + H 2 O AH + HO - La base n existe donc pas dans l eau (ion méthylate CH3O-). Comment déterminer le ph d une solution de base forte? Une solution de V sol =0,500 L contient n i (A-)=0,025 moles de base forte à 25 C. Réaction entre un acide fort et une base forte. La réaction entre un acide fort et une base forte est une réaction, la réaction inverse étant la réaction d autoprotolyse de l eau. La réaction de l énergie, elle donc dite... H 3 O + + HO - -> 2 H 2 O 4- Le ph d une solution contenant un couple acide/base Soit un couple acido-basique HA/A - de Ka= Prenons le log : IV Domaines de prédominance 1-Cas général : Considérons une solution contenant un couple acide/base caractérisé par son pka. On a alors la relation : ph = pka + log( ). Mathématiques: log (a x b) = log a + log b log (a/b) = log a - log b log (10 a ) = a 10 log a = a 4
5 On considère qu une espèce prédomine sur une autre si elle est. fois plus importante. Si ph = pka Si ph = pka + 1 log( ) = ] log( ) = = [A - = = Mathématique : log 1 = log 10 0 = 0 log 10= log 10 1 = 1 Si ph = pka + 2 log( ) = = = = L espèce A - sur l espèce HA. En terme de quantité, n(ha) est devant n(a - ). Si ph = pka 1 Si ph = pka - 2 log( ) = = = = log( ) = = = = L espèce A - sur l espèce HA. En terme de quantité, n(a - ) est devant n(ah) On peut tracer le diagramme prédominance de l acide et de la base. Remarque : Si pka 1 < ph< pka +1 alors les deux espèces acide et base cohabitent dans des quantités du même ordre de grandeur. On peut également représenter le pourcentage de l'espèce acide et de l'espèce conjuguée basique en fonction du ph. On trouve ci-dessous ce diagramme de distribution : 2- Application aux indicateurs colorés : zone de virage d un indicateur coloré : a. Définition : = ph = pk b. Réaction avec l eau : Un indicateur est souvent noté HInd / Ind - HInd+ H 2 O= Ind - + H 3 O + Au couple HInd/Ind - est associé un pk a. c. Zone de virage : Selon la valeur du ph par rapport au pka, c est l une ou l autre des formes de l indicateur coloré, donc une couleur qui va prédominer. Lorsque ph = pka, on obtient une couleur qui est un mélange des deux couleurs de HInd et Ind - : on appelle cette couleur la teinte. Sinon au dessus et en dessous de ce point, on observe la teinte acide ou la teinte basique. On appelle zone de virage la zone de ph autour du pk A où on observe la teinte sensible. d. Intérêt d un indicateur coloré : Un indicateur serve à suivre l évolution d un titrage acido-basique. On connaît, grâce à sa couleur (teinte sensible), le moment où l on passe au niveau de son pka. On obtient alors environ le ph de l équivalence : ph = pk A. Il suffira de choisir le bon indicateur coloré. 5
K W = [H 3 O + ] [OH - ] = 10-14 = K a K b à 25 C. [H 3 O + ] = [OH - ] = 10-7 M Solution neutre. [H 3 O + ] > [OH - ] Solution acide
La constante d autoprotolyse de l eau, K W, est égale au produit de K a par K b pour un couple acide/base donné : En passant en échelle logarithmique, on voit donc que la somme du pk a et du pk b d un
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