Réactions acido-basiques

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1 Réactions acidobasiques Matériel nécessaire à l'expèrience de cours : Un tube à essais bouchon De l'hélianthine Deux béchers de 25mL Du papier ph Une coupelle Un agitateur en verre NaH à 0,1 mol.l 1 HCl à 0,1 mol.l 1 Deux pipettes pasteur poires Activité expèrimentale : Dans un tube à essais introduire quelques ml d'eau distillée et quelques gouttes d'héliantine. Introduire également quelques gouttes d'hcl (0,1 mol.l 1 ). Quelle est la couleur du mélange? L'hélianthine est de couleur rouge. Ajouter maintenant quelques gouttes d'hydroxyde de sodium (0,1 mol.l 1 ). Quelle est la couleur du mélange? L'hélianthine est de couleur jaune orangée. Voici les formules de l'hélianthine en milieu acide et en milieu basique. En milieu acide : En milieu basique: Formule : HN 3 C 14 H 14 S 3 ou HIn Formule : N 3 C 14 H 14 S 3 ou In Quelle est la différence entre ces deux espèces chimiques? L'hélianthine en milieu acide possède un atome d'hydrogène supplémentaire et une charge positive de plus que l'hélianthine en milieu basique. 1)La réaction acidobasique 1.1)Réaction entre l'eau et le chlorure d'hydrogène L'oxygène de numéro atomique Z=8 possède la structure électronique suivante : (K) 2 (L) 6 Au sein de la molécule d'eau, l'oxygène est lié à deux atomes d'hydrogènes par deux liaisons covalentes. (ainsi il satisfait à la règle de l'octet) Il reste deux doublets non liants : En milieu acqueux le chlorure d'hydrogène est totalement dissocié selon l'équation de réaction suivante : HCl H Cl En réalité le proton H réagi avec l'eau selon la réaction suivante : H H 2 = H 3 H = La réaction de solvatation du chlorure d'hydrogène peux alors s'écrire : HCl H 2 H 3 Cl Le proton H initialement lié à l'atome de chlore est maintenant lié à la molécule d'eau. Il y a eu transfert de proton.

2 1.2)Application à l'hélianthine Ajout de HCl : Au début de la manipulation lorsqu'on rajoute de chlorure d'hydrogène c'est la couleur rouge qui apparaît. Il se produit la réaction suivante : In H 3 = HIn H 2 H 3 = H 2 jaune rouge Le proton H initialment présent sur l'ion oxonium est capturé par la molécule d'hélianthine qui prend alors sa couleur rouge. Ajout d'hydroxyde de sodium NaH : En milieu acqueux l'hydroxyde de sodium est totalement dissocié selon la réaction : NaH Na H La réaction entre les ions hydroxyde H et l'hélianthine est : HIn H = In H 2 H = H 2 rouge jaune Le proton H initialment présent sur la molécule d'hélianthine est capturé par l'ion hydroxyde et l'hélianthine prend alors sa couleur jauneorangée. Conclusion : Que ce soit pour l'ajout de HCl ou pour l'ajout de NaH les deux réactions sont le siège d'un échange de protons. Une réaction qui met en jeu un transfert de protons H entre ses réactifs est une réaction acidobasique. Exercice d'entraînement : Parmi les réactions suivantes dont les équations sont données cidessous, quelles sont celles qui sont des réactions acidobasiques? 1) H H 3 = 2 H 2 4) Ag H = AgH (s) 2) HC 3 H 2 = C 3 2 H 3 5) NH 2 H 3 = NH 3 H 2 3) HCN H 2 = CN H 3 6) Fe 3 3H = Fe(H)3 (s) Les réaction 1,2,3,5 sont des réactions qui sont le siège d'un échange de proton H ; ce sont donc des réactions acidobasiques.

3 1) H H 3 = 2 H 2 4) Ag H = AgH (s) 2) HC 3 H 2 = C 3 2 H 3 5) NH 2 H 3 = NH 3 H 2 3) HCN H 2 = CN H 3 6) Fe 3 3H = Fe(H)3 (s) 2)Couple acide/base 2.1)Exemple avec l'hélianthine La molécule d'hélianthine peut présenter deux formules différentes : Formule : HN 3 C 14 H 14 S 3 ou HIn Lorsqu'elle présente cette structure elle peut céder le proton (réaction avec NaH) Formule : N 3 C 14 H 14 S 3 ou In Lorsqu'elle présente cette structure elle peut capturer un proton (réaction avec H 3 ) 2.2)Les acides au sens de Brönsted La forme HIn de l'hélianthine peut céder un proton. Cette transformation peut être shématisée par l'écriture suivante : HIn In H Un acide au sens de Brönsted est une espèce chimique (ionique ou moléculaire) susceptible de céder au moins un proton H. 2.3)Les bases au sens de Brönsted La forme In de l'hélianthine peut capturer un proton. Cette transformation peut être shématisée par l'écriture suivante : In H HIn Une base au sens de Brönsted est une espèce chimique (ionique ou moléculaire) susceptible de capter au moins un proton H. 2.4)Couple acide/base La forme HIn de l'hélianthine peut céder un proton. C'est un acide au sens de Brönsted. La forme In de l'hélianthine peut capter un proton. C'est une base au sens de Brönsted. Les deux espèces HIn/ In sont dites conjuguées et forment un couple acide/base. Par convention on note un couple acide/ base ainsi : HA/A ou HA est l'espèce acide et A l'espèce basique. La demi équation acidobasique s'écrit : Acide = Base H HA= A H Exemples : 1)Parmi les couples cidessous quelles sont les espèces chimiques acides? Quelles sont les

4 espèces chimiques basiques? HC 3 et C 3 2 NH 2 et NH 3 H 3 et H 2 HCN et CN H et H 2 2)Ecrire les demiéquations acidobasiques des couples suivants 1) Acides HC 3 Bases C 3 2 HCN CN NH 3 H 2 H 3 NH 2 H H 2 2) HC 3 = C 2 3 H HCN = CN H NH 2 H = NH 3 H H = H 2 H 3 = H 2 H 2.4)Caratère amphotère de l'eau Dans l'exemple cidessus, l'eau (H 2 ) peut être considérée comme un acide : H H = H 2 le couple acide base est donc : H 2 /H Dans l'exemple cidessus, l'eau (H 2 ) peut être considérée comme une base : H 3 = H 2 H le couple acide base est donc : H 3 /H 2 L'eau qui constitue une base dans le couple H 3 /H 2 et l'acide dans le couple H 2 /H est un ampholyte. n dit que l'eau est une espèce amphotère. 3)Réactions acidobasiques 3.1)Réaction entre l'acide d'un couple et la base d'un autre Exemple : Soit le couple NH 4 / NH 3(g) quelle est la demiéquation acidobasique qui lui est associée? NH 4 =NH 3 H L'ion hydroxyde H est une base car il peut capter un proton selon la réaction : H 2 = H H Important : Une réaction acidobasique est possible entre une espèce capable de céder un proton et une espèce capable d'en capter un.

5 Avec quelle espèce chimique du couple H 3 /H 2 l'ion amonium NH 4 peutil réagir? L'ion NH 4 est un acide, il ne peut céder son proton qu'à une base. Il va donc réagir avec la base du couple H 3 /H 2, soit : H 2 Ecrire l'équation de la réaction entre l'ion amonium et cette espèce chimique. NH 4 H 2 (l) = NH 3(g) H 3 De manière générale lors d'une réaction acidobasique on peut écrire : Acide 1 = Base 1 H A 1 H = A 1 H Base 2 H = Acide 2 A 2 H = A 2 H Acide 1 Base 2= Base 1 Acide 2 A 1 H A 2 = A 1 A 2 H 3.1)Dosage d'un acide par une base par condutimétrie Pour déterminer la concentration Ca d'un l'acide chlorhydrique, on peut utiliser une méthode condutimétrique. Pour cela on place dans un erlenmayer un volume Va connu d'acide. Dans une burette on place une solution de soude (NaH) de concentration Cb connue. n mesure la conductimétrie du contenu de l'erlenmayer à chaque ajout de soude. 1)Ecrire l'équation de la réaction entre l'acide chlohydrique et l'eau HClH 2 =H 3 Cl 2)Ecrire l'équation de solvatation de la soude dans l'eau NaHNa H 3)Ecrire la réaction qui se produit dans l'erlenmayer lors de l'ajout de soude. H 3 Cl Na H = Cl Na 2H 2 4)Exprimer la quantité d'acide na introduite dans l'erlenmayer en fonction de Ca et Va na=ca.va 5)Exprimer la quantité d'ions hydroxyde introduits à l'aide de la burette en fonction de Cb et Vb (volume de soude introduit) nb=cb.vb 6)Complèter le tableau d'avancement suivant : H 3 H = 2H 2 Etat initial na=ca.va 0 Exces Etat intermédiaire Ca.Va X Cb.VbX Exces A l'équivalence Ca.Va Xeq Cb.VbXeq Exces 7)Quel est le réactif limitant avant l'équivalence? Avant l'équivalence la soude est l réactif limitant. 8)A l'équivalence, quelle relation existetil entre Ca,Va,Cb et Vb? A l'équivalence les réactif ont été introduits dans les proportions stoechiométriques.

6 Ca.Va Xeq=0 donc Xeq=Ca.Va Cb.VbXeq=0 donc Xeq=Cb.Vb n en déduit : Ca.Va=Cb.Vb 9)Après l'équivalence, quel est le réactif limitant? Après l'équivalence, tout l'acide a réagi avec la soude. L'acide est donc le réactif limitant. Conclusion : L'équivalence lors d'un dosage est atteinte lorsque les réactif sont mélangés dans les proportions stoechiométriques. Lors du dosage d'un acide par une base l'équivalence est atteinte lorsque : Ca.Va=Cb.Vb Exercice : n réalise dans cet exercice le dosage d'une solution d'acide chlorhydrique de concentration inconnue notée Ca. Pour cela on introduit une quantité Va=10mL d'acide dans un erlenmayer. Dans un burette on introduit de l'hydroxyde de sodium de concentration Cb=0,1 mol.l1. Le suivi de ce dosage est effectué à l'aide d'un conductimètre. n introduit l'hydroxyde de sodium ml par ml en mesurant la conductivité de la solution à chaque ajout. La courbe cidessous est représente la conductivité de la solution en fonction du volume de soude ajouté. Données : λ(h 3 ) = 35mS.m².mol 1 ; λ(h ) = 20mS.m².mol 1 ; λ(na ) = 5mS.m².mol 1 ; λ(cl ) = 8mS.m².mol 1 ; 1)Ecrire l'équation de la réaction de dosage H 3 Cl Na H = Cl Na 2H 2 (dans une équation de réction, on ne fait pas figurer les ions spectateurs) H 3 H = 2H 2 2)Expliquer l'allure de cette courbe de dosage s'explique ainsi : La quantité d'ions chlorures (spectateurs) reste constante. L'évolution de la conductivité de la solution ne dépent pas de ces ions. La quantité d'ions sodium (eux aussi spectateurs) croit avec les volume de solution d'hydroxyde de sodium ajouté. Avant l'équivalence les ions oxonium (H 3 ) sont progressivement remplacés par des ions sodium (Na ) dont la conductivité molaire ionique est plus faible. La conductivité générale de la solution diminue. Après l'équivalence les ions oxonium ont totalement été consommés. La conductivité de la solution augmente en même temps que l'ajout d'ions H et Na 3)Déterminer à l'aide du graphique le volume à l'équivalence. Veq=6,5mL 4)En déduire la concentration de l'acide A l'équivalence, on a la relation : Ca.Va=Cb.Vb

7 d'ou Ca= Cb.Vb Va = 0,1 x 6, = 6, mol.l 1