Module 2 Équilibres en solutions (acidobasiques et solubilité) Tro (Chapitres 3-4-5)

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1 Module 2 Équilibres en solutions (cidobsiques et solubilité) Tro (Chpitres 3-4-5) FASCICUE #5 Chpitre 5 : Équilibre ionique dns les solutions queuses 5.1 Dnger de l ntigel 5.2 Tmpons : solutions qui résistent à une vrition de 5.3 Efficcité des tmpons : zone tmpon et pouvoir tmpon 5.4 Préprtion de solutions tmpons à l ide des substnces disponibles 5.5 Titrges et courbes de 5.6 Constnte de réction d un mélnge d cide et de bse fibles 5.7 Clcul du des solutions contennt plusieurs cides et/ou plusieurs bses Numéros suggérés Exercices de fin de chpitre Section Numéros suggérés 5.1 à 5.3 # bc-11b # # # # Récpitultifs, défis et conceptuels #

2 2

3 3

4 Animtions intéressntes : A) es solutions tmpons (CH 3COOH / CH 3COO - ) Ajout H Ajout OH - B) es réctions de neutrlistion (Déterminer le volume u PE) 25 m HCl 0,10 mol/ pr NOH = 0,25 mol/ 25 m H 2SO 4 0,10 mol/ pr NOH = 0,25 mol/ C) Courbe de titrge cidobsique 60,0 m HCl 0,10 mol/ pr NOH 0,200 mol/ D) Courbe de titrge cide fort pr bse forte (Point de virge vec différents indicteurs) E) Courbe de titrge cide fible pr bse forte (Clculs du à différents volumes) 20,0 m CH 3COOH = 0,500 mol/ pr NOH = 0,400 mol/ Questionnire (Vidéo sur l lclinité) #1 Quels sont les principux minérux présents dns l eu près que celle-ci it ruisselé à l surfce du sol? Clcium, mgnésium et bicrbonte (C 2, Mg 2, HCO 3- ) #2 Quelle est l concentrtion pproximtive en ions dissous dns l eu de mer (g/)? 10g/ #3 Quel est le d une solution de bicrbonte (HCO 3- )? Alclin, bsique. > 7 #4 Qu est-ce que l lclinité? Somme des composés cpbles de régir vec les cides pour les neutrliser. #5 En dessous de quel l vie qutique est-elle mencée? En dessous de 5. #6 Qu est-ce qu une solution tmpon? Une solution cpble de résister à des ttques cides ou bsiques sns que le ne chnge beucoup. #7 Pourquoi doit-on jouter des composés qui ugmentent l dureté crbontée d un qurium régulièrement? Pour grder le constnt. Celui-ci diminue cr des H sont produits pr l respirtion des poissons et les bctéries nitrifintes. #8 Quel est le composé le plus utilisé comme nticide? Bicrbonte de sodium (NHCO 3) #9 Qu est qu une eu dure? [C 2 ] [Mg 2 ] élevée 4

5 Tmpons (5.2) Définition : Solution contennt des quntités importntes d un cide fible et de s bse conjuguée (ou d une bse fible et de son cide conjugué) qui résiste à une vrition de en neutrlisnt l quntité joutée d cide ou de bse. Quntités importntes et similires d un couple cidobsique (HA/A - ) et (BH /B) Exemple : régultion du snguin (H 2CO 3 / HCO 3- ) (HA / A - ) (Acide crbonique / bicrbonte) (Acide / bse conjuguée) Couple cidobsique cr différence d un H H 2CO 3(q) H (q) HCO 3- (q) Réction vec OH - (Bse forte) : Acide (HA) Réction vec H / H 3O (Acide fort) : Bse conjuguée (A - ) Exemple : (Système tmpon H 2CO 3/HCO 3- ) Attque bsique Attque cide Rx vec OH - OH - (q) H 2CO 3(q) H 2O(l) HCO 3- (q) Rx vec H / H 3O H (q) HCO 3- (q) H 2CO 3(q) Trnsformtion de OH - (bse forte) en HCO 3 - (bse fible). Augmenttion du...mis vrition moins importnte. Trnsformtion de H (cide fort) en H 2CO 3 (cide fible). Diminution du...mris vrition moins importnte. Principe de fonctionnement des solutions tmpons : Trnsformtion de l espèce forte (production à 100% H / OH - ) en espèce fible (production prtielle de H / OH - ). Animtion (A) 5

6 Deux systèmes tmpon : (HA/A - ) Acide et bse conjuguée (CH 3COOH/CH 3COO - ) (B/BH ) Bse et cide conjugué (NH 3/NH 4 ) Réctions fce ux ttques cide et bsique Attque cide: H 3O (q) CH 3COO - (q) CH 3COOH(q) H 2O(l) Réctions fce ux ttques cide et bsique Attque cide : H 3O (q) NH 3(q) NH 4 (q) H 2O(l) Attque bsique: OH - (q) CH 3COOH(q) H 2O(l) CH 3COO - (q) Attque bsique : OH - (q) NH 4 (q) NH 3(q) H 2O(l) 6

7 Éqution de Henderson-Hsselblch Fonctionne si les concentrtions de HA et A - sont u moins 100 fois supérieures u K. (Approximtion x est petit et négligeble pr rpport ux concentrtions initiles) HA(q) H 2O(l) H 3O (q) A - (q) I [HA] 0,00 [A - ] R -x x x E [HA]-x x [A - ] x Approx [HA] [H 3O ] [A - ] K [ H O ][ A ] [ HA] 3 = 3 [ HA] [ H O ] = K [ A ] [ HA] log[ H3O ] = log K [ A ] [ HA] = pk log [ A devient ] [ A ] [ bse] = pk log = pk log [ HA] [ cide] n Simplifiction de l éqution d Henderson-Hsselblch => = pk log bse n cide Démonstrtion : Rtio [ bse ] nbse = cr bse(a - ) et cide(ha) occupent le même volume DONC [ cide] n cide où n cide=nbr de moles d cide mol ncide = CcideVcide = m = mmol n n bse cide V V sln tmpon sln tmpon n = n bse cide 7

8 Exercice #1 : Clcul du d une solution tmpon ( où le rtio (A - /HA) =1 donc =pk ) Déterminer le d une solution CH 3COOH 0,100 mol/ et CH 3COON 0,100 mol/. A) Clcul vec le tbleu IRE Données : - CH 3COOH(q) H 2O(l) CH 3COO - (q) H 3O (q) (1) - On cherche le d une solution d cide fible/bse conjuguée. K = 1, pproximtion est sûrement vlide puisque K < (2) K = 1, [CH 3COOH] [H 3O ] [CH 3COO - ] I 0,100 0,00 0,100 R -x x x E (0,100-x) x (0,100x) Approximtion 0,100 x 0,100 (3) Résolution : K [ H3O ][ CH 3COO ] 0,100x = = = 1,8 10 [ CH COOH ] 0,100 0,100x = 1, x = [ H 3O ] = 1,8 10 mol = = = Vérifiction : 5 log[ H 3O ] log1,8 10 4, 74 5 x Vlidité de l pproximtion 5% [] 5 x 1, = 100 = 0, 02% [] 0,100 0 Ok tout juste. 0 (4) cide (ps trop) = pk cr rtio (bse/cide) de 1. B) Clcul vec l éqution d Henderson-Hsselblch Données : - CH 3COOH(q) H 2O(l) CH 3COO - (q) H 3O (q) (1) - On cherche le d une solution tmpon dont le pk est de 4,74 - es [cide] et [bse] sont u moins 100 fois supérieures u K pk = 4,74 [CH 3COOH] [H 3O ] [CH 3COO - ] (2) I 0,100 0,00 0,100 [ bse] [ CH COO ] 0,100 = pk = = = [ cide] [ CH COOH ] 0,100 3 log 4, 74 log 4, 74 log 4,

9 Exercice #2 - Clcul du d une solution tmpon (A - /HA vec un rtio <1) = plus d cide. Déterminer le d une solution HCN 0,250 mol/ et KCN 0,170 mol/. A) Clcul vec le tbleu IRE Données : - HCN(q) H 2O(l) CN - (q) H 3O (q) (1) - On cherche le d une solution d cide fible/bse conjuguée. K = 4, (pk =9,31) - pproximtion est sûrement vlide puisque K < (2) K = 4, [HCN] [H 3O ] [CN - ] I 0,250 0,00 0,170 R -x x x E (0,250-x) x (0,170x) Approximtion 0,250 x 0,170 (3) Résolution : K [ H O ][ CN ] 0,170x [ HCN ] 0, = = = 0,170x = 1, , x = [ H 3O ] = 7, mol = = = Vérifiction : 10 log[ H3O ] log 7, ,14 x Vlidité de l pproximtion 5% [] 10 x 7, = 100 = très très petit [] 0,170 0 Ok tout juste. 0 (4) < pk cr le rtio (A - /HA) est < 1. Il y plus d cide que de bse conjuguée. B) Clcul vec l éqution d Henderson-Hsselblch Données : - On cherche le d une solution d cide fible/bse conjuguée. K (1) = 4, (pk =9,31) - es [cide] et [bse] sont u moins 100 fois supérieures u K pk = 9,31 [HCN] [H 3O ] [CN - ] I 0,250 0,00 0,170 (2) [ bse] [ CN ] 0,170 = pk log = 9, 31 log = 9, 31 log = 9, 31 log 0, 68 = 9,14 [ cide] [ HCN ] 0, 250 Vérifiction : < pk cr le rtio (A - /HA) est < 1. Il y plus d cide que de bse conjuguée. 9

10 Exercice #3 - Clcul du d une solution tmpon (B/BH vec un rtio >1) = plus de bse Déterminer le d une solution NH 3 0,50 mol/ et NH 4Cl 0,20 mol/. A) Clcul vec le tbleu IRE - NH 4 (q) H 2O(l) H 3O NH 3(q) - On cherche le d une solution de bse fible/cide conjugué (B/BH ). 14 Keu 1, K ( NH4 ) = = = 5, (1) K ( NH ) 1,8 10 b 3 4 b 3 pk ( NH ) = 14 pk ( NH ) = 14 4, 74 = 9, 26 - pproximtion est sûrement vlide puisque K < (2) K = 5, [NH 4 ] [H 3O ] [NH 3] I 0,20 0,00 0,50 R -x x x E (0,20-x) x (0,50x) Approximtion 0,20 x 0,50 (3) Résolution : [ H 3O ][ NH 3] 0,50x K = = = 5, [ NH ] 0, 20 0, 50x = 1, x = [ H 3O ] = 2, mol = = = 10 log[ H 3O ] log 2, , 65 x Vlidité de l pproximtion 5% [] 10 x 2, = 100 = très très petit [] 0,20 0 Ok tout juste. 0 (4) Vérifiction : > pk cr le rtio (A - /HA) est > 1. Il y plus de bse que d cide conjugué. B) Clcul vec l éqution d Henderson-Hsselblch Données : - On cherche le d une solution de bse fible/cide conjugué. K (1) = 5, (pk =9,26) - es [cide] et [bse] sont u moins 100 fois supérieures u K pk = 9,31 [NH 4 ] [H 3O ] [NH 3] I 0,20 0,00 0,50 (2) [ bse] [ NH ] 0,50 = pk = = = = [ cide] [ NH ] 0, 20 3 log 9, 26 log 9, 26 log 9, 26 log 2,5 9, 66 4 Vérifiction : > pk cr le rtio (A - /HA) est > 1. Il y plus de bse que d cide conjugué. 10

11 Clculs des vritions de dns une solution tmpon (p-213) Soit une solution tmpon HA 0,100 mol/ et A - 0,100 mol/, déterminez le suite à l jout de 0,025 mol de H 3O et l jout de 0,025 mol de OH -. Mélnge d cides et de bses : Il se produit imméditement une réction de neutrlistion (à 100%) entre impliqunt les espèces fortes (cide forte ou bse forte). Ajout de 0,025 mol de H 3O (cide fort) H 3O (q) A - (q) HA(q) H 2O(l) Ajout de 0,025 mol de OH - (bse forte) OH - (q) HA(q) A - (q) H 2O(l) Une petite quntité d cide fort joutée à un tmpon convertit une quntité stœchiométrique de l bse (A - ) en cide conjugué (HA) et bisse légèrement le du tmpon. Une petite quntité de bse forte joutée à un tmpon convertit une quntité stœchiométrique de l cide (HA) en bse conjuguée (A - ) et ugmente légèrement le du tmpon. 11

12 Exemple 5.3 ) Déterminer l vrition de suite à l jout de 0,010 mol de NOH solide à 1,00 d eu pure. b) Déterminer l vrition de suite à l jout de 0,010 mol de NOH solide à 1,00 d une solution tmpon CH 3COOH 0,100 mol/ et CH 3COON 0,100 mol/ (exercice #1) NB. Fites bstrctions des légères vritions de volume que pourrit entrîner l jout de l bse. = fin initil ) Ajout 0,010 mol NOH à 1,00 d eu pure. initil = 7,00 fin = H 2O NOH ( s) N ( q) OH ( q) Donc [OH - ] = 0,010 mol/ poh=-log0,010=2,00 fin = 12,00 = = 12, 00 7, 00 = 5, 00 fin initil Forte ugmenttion du. Norml cr jout dns une solution non-tmponnée. b) Ajout 0,010 mol NOH à 1,00 d une solution tmpon CH 3COOH 0,100 mol/ et CH 3COON 0,100 mol/ initil= 4,74 pk = 4,74 [CH 3COOH] [H 3O ] [CH 3COO - ] I 0,100 0,00 0,100 [ bse] [ CH COO ] = pk = = = [ cide] [ CH COOH ] fin 3 log 4, 74 log 4, 74 log1 4, 74 pk = 4,74 [OH - ] [CH 3COOH] [CH 3COO - ] I 0,010 0,100 0,100 R -0,010-0,010 0,010 Étt finl 0 0,090 0,110 3 [ CH COO ] 0,110 = = = = [ CH COOH ] 0, , 74 log 4, 74 log 4, 74 log1, 222 4, 83 3 = = 4,83 4, 74 = 0, 09 fin initil égère ugmenttion du. Norml cr jout dns une solution tmponnée. 12

13 Efficcité des tmpons : zone tmpon et pouvoir tmpon (5.3) Zone tmpon : Zone d efficcité d un système tmpon qui est de une unité de de chque côté du pk. Zone tmpon = pk ± 1 Pouvoir tmpon (Cpcité tmpon) : Quntité d cide ou de bse que l on peut jouter à un tmpon sns en détruire l efficcité. *tmpon risonnblement efficce lorsque les concentrtions reltives d cide et de bse conjuguée diffèrent u plus d un fcteur 10. e rtio doit se situer entre 0,1 et 10. ÉTUDE DE DEUX (2) FACTEURS Évlution de l efficcité du système tmpon Fcteur #1 - Quntités reltives de l cide et de l bse conjuguée (Rtio A - /HA) Fcteur #2 - Concentrtions bsolues de l cide et de l bse conjuguée Fcteur #1 Rtio A - /HA efficcité d un tmpon est mximle lorsque les concentrtions d cide et de bse sont égles. *Efficcité = Cpcité tmpon mximle = Résistnce mximle ux vritions de suite à l jout d une espèce forte. Si rtio (A - /HA) >1 Si rtio (A - /HA) <1 Meilleure résistnce contre les ttques cides pour des jouts importnts. Meilleure résistnce contre les ttques bsiques pour des jouts importnts. Exemple : snguin vec le système tmpon (HCO 3- /H 2CO 3) [ ] 24,0 mmol bse Rtio 20 [ cide] = 1,2 mmol = H 2CO 3(q) H 2O(l) HCO 3- (q) H 3O (q) 1,2 mmol/ 24,0 mmol/ Rtio > 1 donc meilleure résistnce ux cides cr l pluprt des substnces introduites dns le sng sont des cides. Fcteur #2 Concentrtion bsolues en cide et en bse efficcité d un tmpon est mximle lorsque les concentrtions d cide et de bse sont les plus fortes. RÉSUMÉ : Un bon tmpon est constituée d un couple cidobsique (HA/A - ) dont les concentrtions sont élevées et sensiblement égles. 13

14 Démonstrtions (Fcteur #1 Rtio A - /HA) HA/A - dont le pk = 5,00 Vrition du (en %) suite à jout de 0,010 mol de NOH. fin initil % vr ition = 100 initil Solution I : HA 0,10 mol/ et A - 0,10 mol/ Rtio = 1 initil = 5,00 fin= [ A ] 0,110 fin = pk log = 5, 00 log = 5, 00 log1, 222 = 5, 09 [ HA] 0,090 fin initil 5,09 5,00 % vr ition = = 100 = 1,80% 5,00 initil Augmenttion du cr jout de OH - = 0,09 Solution II : HA 0,18 mol/ et A - 0,020 mol/ [ A ] 0,020 Rtio = = = 0,111 [ HA] 0,18 (Tmpon risonnblement efficce pr rtio entre 0,1 et 10) Rtio <1 donc bonne résistnce ntibsique mis déséquilibre A - /HA. initil = initil [ A ] 0,020 = pk log = 5, 00 log = 5, 00 log 0,111 = 4, 05 [ HA] 0,18 fin = [ A ] 0,030 fin = pk log = 5, 00 log = 5, 00 log 0,1765 = 4, 25 [ HA] 0,17 fin initil 4,25 4,05 % vr ition = = 100 = 4, 94% 4,05 initil Augmenttion du cr jout de OH -. Vrition plus importnte cr le rtio A - /HA n étit ps près de 1. = 0,20 RÉSUMÉ : efficcité d un tmpon est mximle lorsque les concentrtions d cide et de bse sont égles. (Rtio A - /HA 1) 14

15 Fcteur #2 Concentrtion bsolues en cide et en bse HA/A - dont le pk = 5,00 Vrition du (en %) suite à jout de 0,010 mol de NOH. fin initil % vr ition = 100 initil Solution I : HA 0,50 mol/ et A - 0,50 mol/ Rtio = 1 initil = 5,00 fin= [ A ] 0,51 fin = pk log = 5, 00 log = 5, 00 log1, 041 = 5, 02 [ HA] 0, 49 fin initil 5,02 5,00 % vr ition = = 100 = 0, 40% 5,00 initil Augmenttion du cr jout de OH -. (Fible ugmenttion cr milieu fortement tmponné 0,500 mol/) = 0,02 Solution II : HA 0,050 mol/ et A - 0,050 mol/ Rtio = 1 initil = 5,00 fin = [ A ] 0,060 fin = pk log = 5, 00 log = 5, 00 log1, 50 = 5,18 [ HA] 0,040 fin initil 5,18 5, 00 % vr ition = = 100 = 3, 60% 5,00 initil Augmenttion du cr jout de OH -. (Augmenttion ssez importnte cr milieu fiblement tmponné 0,050 mol/) = 0,18 RÉSUMÉ : efficcité d un tmpon est mximle lorsque les concentrtions d cide et de bse sont les plus fortes. Plus un tmpon est concentré en HA/A - (cide et bse conjuguée), plus il peut neutrliser les jouts de H 3O et OH - et minimiser les vritions de. Bref, plus le pouvoir tmpon est mximl. 15

16 Exercice prtique 5.5 Préprtion d une solution méthode directe (HA/A - ) Prmi les cides suivnts, lequel est le meilleur choix pour préprer un tmpon de = 7,35? Quelle msse du sel de sodium de l bse conjuguée correspondnte devrez-vous jouter à 500,0 m d une solution à 0,10 mol/ de l cide pour préprer le tmpon (en supposnt qu il n y ps de vrition de volume)? Possibilités : HClO 2 - HNO 2 HCOOH HClO Données : m d une solution tmpons de = 7,35 pr préprtion directe (HA/ sel de sodium de A - ) - [HA] = 0,10 mol/ Choix du coupe cidobsique : zone tmpon = pk ± 1 HClO 2 Acide chloreux pk = 1,96 HNO 2 Acide nitreux pk = 3,34 HCOOH Acide formique pk = 3,74 HClO Acide hypochloreux pk = 7,54 Choix : HClO cr zone tmpon de 6,54 à 8,54. désiré = 7,35 OK HClO(q) H 2O(l) OCl - (q) H 3O (q) cide bse Rtio (A - /HA) = 1 donne un de 7,54. désiré de 7,35. On v devoir utiliser un rtio < 1 (surplus d cide) ) Détermintion du rtio requis b) Détermintion de l msse de sel de bse conjuguée requise [ bse] Bse conjuguée = A - = OCl - = pk log = [ cide ] Sel de sodium = NOCl [ bse] M NOCl = 74,44 g 7,35 = 7,54 log mol [ cide ] [ bse] [ OCl ] [ OCl ] = = = 0, 6457 [ bse] 7,35 7,54 = log [ cide] [ HOCl] 0,10 mol [ cide ] [ bse] [ OCl ] = [ NOCl] = 0,06457 mol log ( 7,357,54 ) [ cide] 10 = 10 0,06457 mol pour 1000 m 0,19 [ bse] 10 = = 0, 6457 Donc 0, mol de NOCl pour 500 m [ cide] Rtio < 1 (ogique plus d cide) 74, 44g mnocl = 0, mol = 2, 40g NOCl mol Autre fçon légèrement différente : ) Détermintion du rtio requis b) Détermintion de l msse de sel de bse conjuguée requise n bse nbse nnocl = pk log = = 0, 6457 n n n cide 0,19 nbse 10 = = 0, 6457 ncide Rtio < 1 (ogique plus d cide) n = n = C V cide HOCl HOCl HOCl ncide = 0,10 mol 0, 500 = 0, 050mol cide HOCl n = n 0, 6457 = 0, 05mol 0, 6457 = 0, mol NOCl HOCl 74, 44g mnocl = 0, mol = 2, 40g NOCl mol 16

17 Préprtion de solutions tmpons à l ide de substnces disponibles (5.4) Produits disponibles : - CH 3COOH 0,100 mol/ - CH 3COON 0,100 mol/ - HNO 2 0,100 mol/ - HCl 0,100 mol/ - NOH solide Données : - CH 3COOH/CH 3COO - vec pk = 4,74 - HNO 2/NO 2 - vec pk = 3,34 - HCl = Acide fort - NOH = Bse forte Clssifiction des exemples Exemple (numéro) Solution tmpon désirée Méthode de préprtion ,0 m d une solution tmpon de 5,00 Méthode directe : Tmpon vec HA/A - (Acide et sel de l bse conjuguée) CH 3COOH / CH 3COO - Très similire u problème (pge précédente) ,0 m d une solution tmpon de 5,00. NB. CH 3COOH non disponible Méthode indirecte : Même tmpon que 5.6 suf que l bse conjuguée n est ps disponible. Formtion pour neutrlistion vec HCl CH 3COO - H 3O CH 3COOH Méthode indirecte : ,0 m d une solution tmpon de 3,50 Tmpon vec HA/A - (Acide et sel de l bse conjuguée) HNO 2 / NO 2 - (Ps de NNO 2) Formtion pour neutrlistion vec NOH HNO 2 OH - NO 2-17

18 Exemple 5.6 On désire 250,0 m d une solution tmpon de 5,00. (Méthode directe) ) Choix du bon couple cidobsique et du bon rtio (A - /HA) CH 3COOH/CH 3COO - vec pk = 4,74 [ bse] [ bse] [ bse] = pk log = 5, 00 = 4, 74 log = 5, 00 4, 74 = log [ cide] [ cide] [ cide] [ bse] log 5,00 4,74 [ cide] ( ) 10 = 10 [ bse] [ cide] 0,26 10 = = 1,812 b) Détermintion du volume d cide et de bse conjuguée à utiliser. (V cide et V bse) IMPORTANT Rtio [ bse ] nbse Vbse b = = = cr bse(a - ) et cide(ha) occupent le même volume et même [ cide] n V cide concentrtion DONC cide ( C V ) ( ) ( 0,10 mol Vbse ) bse bse Vtmpon 250,0 m Vbse b = = = CcideVcide ( 0,10 mol Vcide ) Vcide Vtmpon 250,0 m Algèbre : V bse = b et V cide = REATION #1 V Ici [HA] = [A - b b ] = 0,10 mol/ et V tmpon= 250 m donc = pk log = pk log V DONC [ bse ] b = 1,812 = donne b = 1,812 [ cide] REATION #2 V V = 250,0m cide bse b = 250 On isole en remplçnt b=1,812 dns l reltion #2. b = 250 (1,812 ) = 250 2,812 = 250 = V = 88,90m cide b = V = ,90 = 161,10m bse Réponse : On mélnge 88,90 m de CH 3COOH 0,10 mol/ vec 161,10 m de CH 3COON 0,10 mol/ 18

19 Exemple 5.7 On désire 250,0 m d une solution tmpon de 5,00. (On n ps de CH 3COOH) Méthode indirecte Ajout HCl liquide ) Choix du bon couple cidobsique et du bon rtio (A - /HA) IDEM (Exemple 5.6) CH 3COOH/CH 3COO - vec pk = 4,74 0,26 [ bse] 10 = = 1,812 [ cide] On ccès à CH 3COO - et on v générer le CH 3COOH pr réction de neutrlistion de l cétte bsique vec HCl. CH 3COO - (q) H 3O (q) CH 3COOH(q) H 2O(l) b) Détermintion du volume de CH 3COON et de HCl à utiliser. [cide] = V cide et [bse] = V bse puisque les concentrtions (0,10 mol/) et les volumes (250 m) sont les mêmes. HCl = réctif limitnt C V C V [ cide] = et[ bse] = V V cide cide bse bse tmpon tmpon [CH 3COO - ] [H 3O ] [CH 3COOH] I V bse V cide 0,00 R -V cide -V cide V cide Étt finl (V bse-v cide) (b-) 0,00 V cide Algèbre : V bse = b et V cide = REATION #1 DONC [ bse ] b = 1,812 = [ cide] donne b = 2,812 REATION #2 V V = 250,0m cide bse b = 250 On isole en remplçnt b=2,812 dns l reltion #2. b = 250 (2,812 ) = 250 3,812 = 250 = V = 65,6m cide b = V = , 58 = 184, 4m bse Réponse : On mélnge 184,4 m de CH 3COON 0,10 mol/ vec 65,6 m de HCl 0,10 mol/ 19

20 Exemple 5.8 On désire 250,0 m d une solution tmpon de 3,50. (On n que le HNO 2) Méthode indirecte Ajout NOH solide. c) Choix du bon couple cidobsique et du bon rtio (A - /HA) HNO 2/NO 2 - vec pk = 3,34 [ bse] [ bse] = pk log = 3,50 = 3,34 log [ cide] [ cide] [ bse] log 3,50 3,34 [ cide] ( ) 10 = 10 [ bse] [ cide] 0,16 10 = = 1, On ccès à HNO 2 et on v générer le NO 2 pr réction de neutrlistion de HNO 2 vec NOH. HNO 2(q) OH - (q) NO 2- (q) H 2O(l) d) Détermintion du volume de HNO 2 et l msse de NOH à utiliser. NOH = réctif limitnt [HNO 2] [OH - ] [NO 2- ] I 0,100 C 0,00 R -C -C C Étt finl (0,100-C) 0,00 C [ bse] C = 1, 4454 = [ cide] 0,100 C 0,14454 = 2, 4454C C = 0, mol = [ NOH ] Msse de NOH à utiliser : M NOH = 40,00 g mol 0, mol 40, 00g mnoh = CNOH VNOH M NOH = 0, 250 = 0,591g NOH mol Réponse : On joute 0,591g de NOH à 250m de HNO 2 0,10 mol/. 20

21 Titrges et courbes de (5.5) Titrge cido-bsique : Épreuve de lbortoire qui consiste à fire régir une solution bsique (ou cide) de concentrtion inconnue vec une solution cide (ou bsique) de concentrtion connue, pour déterminer l concentrtion inconnue. Point d équivlence : Point d un titrge où le réctif jouté régi complètement vec le réctif présent dns l solution. Point où l quntité d cide est stoechiométriquement égle à l quntité de bse dns l solution. On détecte le PE vec un indicteur (Chngement de couleur) ou en nlysnt l courbe de titrge ( versus volume de titrnt jouté = point d inflexion). n cide = n bse mole iquide = cide( q) = nbr moles d ' cide = ncide = C ' cidev = m = mmoles d cide cide Solide cide cide mg ( s) n m = = cide = mmoles d ' cide M = g cide = mole Pour voir une réction de neutrlistion ACIDE-BASE, les conditions suivntes sont nécessires : Présence d un cide et d une bse. Une des deux doit être une espèce forte (Rx à 100% ) ou les deux. Acide b Bse Sel Eu 2 possibilités : C V C V = b Deux liquides moles cide moles bse = b Un solide (en bs) et un liquide (solution titrnte) C V C V = b m1 M1 C = V b

22 Courbe de titrge : Un grphique du de l solution u cours de titrge. Acide fort pr bse forte Ex : HCl pr NOH Bse forte pr cide fort Ex : NOH pr HCl - Clcul du vec l espèce forte en excès - u PE (Point d équivlence) = 7,00 Acide fible pr bse forte Ex : CH 3COOH pr NOH Bse fible pr cide fort Ex : NH 3 pr HCl - Clcul du initil = espèce fible - 1 er segment = solution tmpon - u PE o >7 (bsique) si titrge d un cide fible (HA) puisque formtion à 100% de l bse conjuguée (A - ) o <7 (cide) si titrge d une bse fible (B) puisque formtion à 100% de l cide conjugée (HA). - 3 e segment = excès titrnte = espèce forte 22

23 Résumé (Clcul du d une courbe de titrge) Section de l courbe de titrge initil Titrges espèce forte / espèce forte (FORT / FORT) d une espèce forte (A) Titrge espèce fible / espèce forte (FAIBE / FORT) d une espèce fible (B) HA (cide fible) A - (bse fible) 1 er segment vrie très peu (A) vrie (C) Formtion d une solution tmpon (Mélnge HA/A - ) Éqution d Henderson-Hsselblch [ bse] nbse = pk log = pk log [ cide] n cide Acide fible / bse forte Bse fible / cide fort HA OH - A - Formtion de l bse conjuguée A- H HA Formtion de l cide conjuguée 2 e segment =7,00 Acide fible (B) Bse fible (B) (Demidistnce = PE ou dérivée mximle) Neutre cr 100% des H ou des OH - sont neutrlisés HA est trnsformé à 100% en A - supérieur à 7,00 cr clcul du d une bse fible A - est trnsformé à 100% en HA inférieur à 7,00 cr clcul du d un cide fible 3 e segment Excès de titrnt Surplus de l espèce forte. espèce forte. (A) vrie très peu Titrnt bse forte = segment presque linéire vec des très élevés Titrnt cide fort => segment presque linéire vec des très fibles 3 possibilités de clculs du - (A) espèce forte - (B) espèce fible - (C) solution tmpons e volume u point d équivlence (PE) ne dépend ps de l force de l cide titré, mis seulement de l quntité (en moles ou mmoles) d cide présent dns l solution vnt le début du titrge et de l concentrtion de l bse joutée. 23

24 Titrge d un cide fort pr une bse forte (p-226) Titrge de 25,0 m de HCl 0,100 mol/ pr du NOH 0,100 mol/. Trcer l'llure de l courbe Solution titrnte NOH 0,100 mol/ ,0 m HCl 0,100 mol/ Clcul du volume u PE et réction de neutrlistion: Moléculire : Stœchiométrie de l réction globle (Ps nécessirement l forme réelle des réctifs et des produits en solution. Ionique complète: es électrolytes forts sont représentés sous forme d ions. Ionique nette : es ions spectteurs ne sont ps indiqués. RÉACTION DE NEUTRAISATION (cide-bse) Éqution moléculire (complète) Acide bse Sel Eu HCl (q) NOH (q) NCl (q) H 2O (l) Ionique complète H (q) Cl - (q) N (q) OH - (q) N (q) Cl - (q) H 2O (l) Ionique nette H (q) OH - (q) H 2O (l) Clcul du volume u PE: n HCl NOH HCl HCl NOH NOH NOH = n C V = C V V 0,100 mol C 25, 0 HClV m HCl = = = 25,0m de NOH CNOH 0,100 mol A) initil HCl H Cl - Donc [HCl]=[H ]=0,100 mol/ =-log(0,100) = 1,00 24

25 B) près l'jout de 15 m de NOH HCl (q) NOH (q) NCl (q) H 2O (l) H OH - H 2O (l) ( 25 m 0,100 mol ) ( 15m 0,100 mol ) I 2,50 mmol 1,50 mmol R -1,50-1,50 E 1,00 mmol 0 mmol 1,00mmol [ H ] = = 0,0250 mol 40,0m C) à 25 m de NOH = point d'équivlence (PE) où n HCl = n NOH V sln= = 40 m =-log 0,0250 = 1,60 H OH - H 2O (l) ( 25 m 0,100 mol ) ( 25m 0,100 mol ) I 2,50 mmol 2,50 mmol R -2,50-2,50 E 0 mmol 0 mmol [ H ] = [ H ] de l dissocition de l ' eu V sln= = 50 m [H ]=1X10-7 =-log 1X10-7 = 7,00 D) près l'jout de 30 m de NOH H OH - H 2O (l) ( 25 m 0,100 mol ) ( 30m 0,100 mol ) I 2,50 mmol 3,00 mmol R -2,50-2,50 E 0,00 mmol 0,50 mmol 0,50mmol [ OH ] = = 0,00909 mol 55,0m V sln= = 55 m poh =-log 0,00909 = 2,04 = 14 poh = 14-2,04=11,96 25

26 Titrge d un cide fible pr une bse forte (p-230) Titrge de 25,0 m de HCOOH 0,100 mol/ pr du NOH 0,100 mol/. Trcer l'llure de l courbe Solution titrnte NOH 0,100 mol/ ,0 m HCOOH 0,100 mol/ A) initil Il n y que l cide formique. On procède u clcul du vec un tbleu IRE. Il s git du clcul du d une espèce fible. K (HCOOH) = 1, e est cide (2,37) mis plus élevé que pour un cide fort de l même concentrtion. B) près l'jout de 5,00 m de NOH HCOOH (q) OH - (q) HCOO - (q) H 2O (l) HCOOH OH - HCOO - ( 25 m 0,100 mol ) ( 5m 0,100 mol ) I 2,50 mmol 0,500 mmol 0,00 R -0,50-0,50 0,50 E 2,00 mmol 0 mmol 0,500 mmol nbse 0,500 (Formtion d une solution tmpon) = pk log = 3, 74 log = 3, 74 log 0, 25 = 3,14 ncide 2,00 Démonstrtion (Henderson-Hsselblch vec n bse et n cide) à l pge 7 des notes de cours. = 3,14 26

27 C) près l'jout de 12,5 m de NOH (demi-équivlence) HCOOH OH - HCOO - ( 25 m 0,100 mol ) ( 12,5m 0,100 mol ) I 2,50 mmol 1,25 mmol 0,00 R -1,25-1,25 1,25 E 1,25 mmol 0 mmol 1,25 mmol nbse 1,25 = pk log = 3, 74 log = 3, 74 log1 = 3, 74 n 1,25 cide NB. e u point de demi-équivlence = pk D) à 25,0 m de NOH = point d'équivlence (PE) où n HCOOH = n NOH Volume totl = 25,0 25,0 =50,0 m HCOOH OH - HCOO - ( 25 m 0,100 mol ) ( 25m 0,100 mol ) I 2,50 mmol 2,50 mmol 0,00 R -2,50-2,50 2,50 E 0 mmol 0 mmol 2,50 mmol Conversion à 100% de HA en A - (bse conjuguée HCOO - vec un bsique) Clcul espèce fible. n HCOO 2,50 mmol [ HCOO ] = = = 0,050 mol V 50,0m K ( HCOOH ) = 1, Keu 1,0 10 Kb ( HCOO ) = = = 5, K ( HCOOH ) 1,

28 E) près l'jout de 30 m de NOH Volume totl = 25,0 30,0 =55,0 m HCOOH OH - HCOO - ( 25 m 0,100 mol ) ( 30m 0,100 mol ) I 2,50 mmol 3,00 mmol 0,00 R -2,50-2,50 2,50 E 0 mmol 0,50 mmol 2,50 mmol Présence de deux bses : - OH - (Bse forte) - HCOO - (Bse fible) contribution en OH - de l bse fible est négligeble. e est déterminé uniquement vec l bse forte. n OH 0,50 mmol [ OH ] = = = 0,00909 mol V 55,0 m poh = log(0, 00909) = 2, 04 = 14 poh = 14 2, 04 = 11,96 Indicteurs : Couleurs dépendntes du Indicteurs : Couleur dont l couleur vrie selon le de l solution dns lquelle il est dissous. Utilistion pour détecter le point de virge d un titrge. Point de virge : Point de vrition de uquel un indicteur chnge de couleur. Exemple : Phénolphtléine vec pk = 9,4 HIn = Couleur #1 = Incolore In - = Couleur #2 = Rose HIn(q) H 2O(l) In - (q) H 3O (q) Incolore Rose 28

29 Point de virge lors d un titrge d une solution de CH 3COOH pr NOH vec l indicteur phénolphtléine. Autres possibilités d indicteurs Vleurs des pk des indicteurs (Voir T5.6) Aide-mémoire 29

30 Exemple de l utilistion inpproprié d un indicteur - Vert de méthyle pour le point de virge du titrge de NH 3 pr HCl - Bleu de bromothymol (OK) Allure des courbes de titrge d espèces fibles et choix d un indicteur. Grphique #1 Grphique #2 Vrition de l force de HA Vrition de l [HA] Plus l cide est fible (k ou pk ) plus le choix d un bon indicteur est restreint. Plus [HA], plus le volume requis pour obtenir le PE est. N.B. Pour un titrge fort-fort, il y plusieurs possibilités d utilistion d un indicteur puisque le sut de u PE est très importnt. 30

31 Titrge cides polyprotiques Titrge : 25 m H 2SO 4 0,10 mol/ pr NOH 0,25 mol/ Déterminer le volume de NOH à jouter pour tteindre neutrliser complètement l cide. Acide H 2SO 4 C 1= 0,10 mol/ V 1= 25 m Bse NOH C 2= 0,25 mol/ V 2= Réction chimique 1 mole 2 moles H 2SO 4(q) 2 NOH (q) N 2SO 4(q) =1 b=2 2 H 2O (l) n cide n b bse = Donne C V = C V donne C C V cidevcide = b 2 cide cide bse bse bse bse C V 0,10 mol 25m = 2 2 = = 20 m 0, 25 mol H 2SO4 H 2SO4 Donc VNOH C NOH Réponse : 20 m de NOH 31

32 Constnte de réction d un mélnge cide fible et bse fible (5.6) K Rn KKb KKb = = K 14 eu 1,0 X10 mole 2 2 Démonstrtion K Rn( HAseul ) = K (Acide) HA(q) H 2O(l) H 3O (q) A - (q) (Bse) H 2O(l) H 2O(l) H 3O (q) OH - (q) Acide (HA) Bse (H 2O) K Rn( HA) K K K K [ H3O ][ A ] = [ HA] K = [ H O ][ OH ] = 1,0 10 eu eu = = eu K 3 14 Exemple : Présence d un cide et d une bse et ps un couple cidobsique. Déterminer l constnte de réction (K Rn) d un mélnge d cide cétique (CH 3COOH) et d niline (C 6H 5NH 2). Acide : K (CH 3COOH) = 1, Bse : K b (C 6H 5NH 2) = 3, CH 3COOH(q) C 6H 5NH 2(q) CH 3COO - (q) C 6H 5NH 3 (q) K Rn ( 5 1,8 10 )( 3, ) KKb = = = 0, K 1,0 10 eu éger vntge pour les réctifs Clcul du de solutions d cide fible et de bse fible dont l concentrtion est identique et espèce mphotère comme HCO Ps besoin d utiliser le K Rn pk1 pk2 - = si [bse]=[cide] Démonstrtion p-33 2 Exemple #1 : Déterminez le d une solution de NH 4CN 0,100 mol/. pk ( NH ) = 9, 26 et pk ( HCN) = 9,31 4 pk1 pk2 9,26 9,31 = = = 9, e ser de 9,29 si [NH 4 ] = [CN - ] peu importe l vleur numérique de l concentrtion. Exemple #2 : Déterminer le d une solution de NHCO 3 0,050 mol/ pk ( HCO ) = 10, 25 et pk ( H CO ) = 6,37 pk pk 10, 25 6, = = = 8,31 32

33 Démonstrtion pk pk = si [bse]=[cide] vec d une solution NH 4CN 0,100 mol/ Acide : pk ( ) 9,26 NH 4 = Bse : pkb( CN ) = 4,69 NH 4 (q) CN - (q) NH 3(q) HCN(q) 0,100 0, x -x x x (0,100-x) (0,100-x) x x e devrit être bsique puisque CN - est plus fort que NH 4 H2O Sel : ( ) NH ( ) 4 CN( s) NH 4 q CN q [NH 4 ] = [CN - ] = 0,100 mol/ et [NH 3] = [HCN] = x Reltion #1 : K ( NH4 ) [ NH ][ H O ] = Réorgnistion [ ] 3 3 NH 4 K [ NH ] [ H O ] [ ] ( NH4 ) 3 = 3 NH4 Reltion #2 : K ( HCN ) ( HCN ) Keu Keu Keu [ CN ] = = = Kb( CN ) [ HCN][ OH ] [ HCN][ OH ] [ CN ] Keu [ HCN ] = K [ OH ] [ CN ] On remplce dns l reltion #1. [NH 3] = [HCN] et [NH 4 ] = [CN - ] Reltion #1 (modifiée) : K [ HCN] [ H O ] [ ] ( NH4 ) = 3 CN Addition (reltion #1 modifiée et #2) : K K K = où [ OH ] = eu K OH H O [ H O ] eu ( NH4 ) ( HCN )[ ] [ 3 ] 3 Réorgnistion : K ( NH4 ) Keu [ H3O ] = [ H O ] K K 3 ( HCN ) K K = [ H O ] 4 ( NH ) 4 ( NH ) 4 ( NH ) eu ( HCN ) 3 K K = [ H O ] ( HCN ) 3 K K = [ H O ] ( HCN ) log de chque côté : = pk pk

34 Clcul du des solutions contennt plusieurs cides et/ou plusieurs bses (5.7) IMPORTANT : TOUJOURS EFFECTUER ES RÉACTION DE NEUTRAISATION ACIDE-BASE AVANT DE PROCÉDER AU CACU DU. Réction de neutrlistion Acide fible (HA ou BH ) Bse forte (OH - ) bse fible conjuguée (A - ou B) HA OH - A - BH OH - B Bse fible (A - ou B) Acide forte (H 3O ) cide fible conjuguée (HA ou BH ) A - H 3O HA H 2O B H 3O BH H 2O Situtions (A) Espèce forte et fible en quntité stœchiométrique (B) Espèce forte en tnt que réctif limitnt (C) Espèce forte en excès Espèce(s) en présence suite à l neutrlistion Formtion de l'espèce fible conjuguée Formtion d'une solution tmpon cr présence d'un couple cide/ bse conjuguée Espèce forte et espèce fible conjuguée Clcul du de l solution résultnte Clcul du vec cette espèce fible Clcul du vec l'éqution de Henderson- Hsselblch nbse [ bse] = pk log = pk log n [ cide ] cide e est déterminé uniquement vec l'espèce forte Sitution (A) : Clcul du d espèce fible. Exemple u point d équivlence d un titrge Sitution (B) : Clcul du d une solution tmpon Sitution (C) : Clcul du de l espèce forte uniquement Exemple : Titrge CH 3COOH pr NOH. Au 3 e segment présence OH - et CH 3COO - (e est déterminé uniquement pr l excès de OH - ) Voici d utres situtions possibles (Sns ou vec réction de neutrlistion prélble) Situtions (C1) Acide fort et cide fible (C2) Bse forte et bse fible (D1) Deux cides fibles (D2) Deux bses fibles Clcul du de l solution e est déterminé uniquement vec l'espèce forte. e est déterminé uniquement vec l'espèce fible l plus forte. (E) Acide fible et bse fible (F) Substnce mphotère pk1 pk2 = 2 Clculez K Rn Clculez concentrtions des espèces en présence et déterminez le vec l'espèce fible l plus forte. pk1 pk2 Ou = si [bse]=[cide] 2 34

35 Sitution C1 et C2 : Clcul du de l espèce forte - pport d ion H 3O ou OH - pr l espèce fible est négligeble et n influe ps sur le. (Exception H 2SO 4) Sitution D1 et D2 : Clcul du de l espèce fible l plus forte - pport d ion H 3O ou OH - pr l espèce l plus fible est négligeble et n influe ps sur le puisque l constnte d équilibre de cette espèce est très petite et l effet d ion commun réduit de beucoup l contribution en H 3O ou OH -. Sitution E : Acide fible et bse fible - Clculez K Rn - Clculez concentrtions des espèces en présence et déterminez le vec l'espèce fible l plus forte. pk1 pk2 - Ou = si [bse]=[cide] 2 Sitution F : Substnce mphotère pk1 pk2 - = 2 Exemples Clssifiction Acide fort et cide fible (Sitution C1) Bse forte et bse fible (Sitution C2) Deux bses fibles et un cide fible (Sitution E) Réction de neutrlistion (Sitution C où espèce forte est en excès) Réction de neutrlistion (Sitution B où espèce forte est le réctif limitnt) - Réction de neutrlistion (Sitution A en proportion stœchiométrique Sitution F mphotère) d espèce fible (sel) Double neutrlistion et Sitution E 35

36 Exemple 5.13 (Autre méthode possible) Déterminez le d une solution composée de CH 3COOH 0,100 mol/ et de C 5H 5N 0,100 mol/ et de C 6H 5NH 2 0,10 mol/. 1) Clssifier les espèces en présence. (Acide-bse-mphotère) Acide : pk ( ) 4,74 CH3COOH = Bse : Pyridine = pk ( C H N ) = 8,77 b 5 5 Aniline = pk ( C H NH ) = 9, 41 b pyridine est l bse fible l plus forte. 2) Clculer le [cide] = [bse] possible d utiliser = pk pk pk pk ( CH COOH ) = 4, ( C H NH ) = 5, pk pk 4,74 5, = = = 4,99 Vérifiction : e est cide puisque l cide fible est plus fort que l bse fible impliquée. Exemple 5.15 (Autre méthode possible) Déterminez le d une solution composée de HCl 0,10 mol/ et de CH 3NH 2 0,30 mol/. 1) Clssifier les espèces en présence. (Acide-bse-mphotère) Acide fort : HCl = H 3O Bse : méthylmine = pkb( CH3NH 2) = 3,36 2) Réction de neutrlistion possible 3) Clcul du Solution tmpon cr (CH 3NH 3 / CH 3NH 2) vec un pk = 10,64 [CH 3NH 3 ] = [cide] = 0,10 mol/ [CH 3NH 2] = [bse] = 0,20 mol/ [ bse] 0,20 = pk log = 10, 64 log = 10, 64 log 2 = 10,94 [ cide] 0,10 36

37 Exemple 5.16 (Autre méthode possible) Déterminez le d une solution composée de H 2CO 3 0,100 mol/ et de KOH 0,100 mol/ 1) Clssifier les espèces en présence. (Acide-bse-mphotère) Acide : pk ( H ) 6,37 2CO 3 = Bse forte : KOH = OH - 2) Réction de neutrlistion possible 3) Clcul du Espèce mphotère : HCO 3 - e est le même peu importe l concentrtion soit de 8,31 pk ( HCO ) = 10, 25 et pk ( H CO ) = 6,37 pk pk 10, 25 6, = = = 8,31 Exemple 5.18 (Autre méthode possible) Déterminez le d une solution composée de H 3PO 4 0,10 mol/, de NOH 0,20 mol/ et de HNO 2 0,10 mol/ 1) Clssifier les espèces en présence. (Acide-bse-mphotère) Acides : pk ( HNO ) = 3,34 pk 2 ( H PO ) = 2, Bse forte : NOH = OH - Acide phosphorique le plus fort des deux cides fibles (Réction vec OH - en premier) 2) Réction de neutrlistion possible Réction de neutrlistion #1 Réction de neutrlistion #2 Étt de l sitution : [OH - ] = 0,00 mol/ [H 2PO 4- ] = 0,10 mol/ et [NO 2- ] = 0,10 mol/ 37

38 3) Clcul du Acide fible (H 2PO 4- ) et bse fible (NO 2- ) pk = 7,21 pk b = 10,66 pk ( H PO ) = 7, 21 et pk ( HNO ) = 3, pk pk 7, 21 3, = = = 5, 28 Vérifiction : e doit être cide puisque l cide fible est plus fort que l bse fible. 38