Les deux sens d une réaction chimique

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1 LC 2 Les deu sens d une réaction chimique I / Acides et bases : Rappels 1. Déinitions de Br nsted Ces déinitions ont été données en 1923 par le chimiste danois Johannes Bronsted. Auparavant un acide était déini comme un composé chimique ayant une saveur aigre et une base comme ayant une saveur amère! Un acide est une espèce chimique capable de libérer un proton H selon une réaction du type : AH = A H. e : H 2 CO 3 = HCO 3 H NH 4 = NH 3 H HCOOH = HCOO H Une base est une espèce chimique capable de ier un ion H selon une réaction du type : B H = BH e : HO H = H 2 O CO 2 3 H = HCO 3 NH 3 H = NH 4 2. Couples acide / base et réaction associée Soit AH un acide. Il libère un ion H pour devenir A. L espèce A est alors une base puisqu elle peut ier à nouveau l ion H qui vient d être libéré. A est appelée base conjuguée de l acide AH. Le couple acide / base est noté AH / A. A tout couple acide / base on associe une équation de réaction du type : AH = A H. Celle-ci est parois appelée demi-équation protonique. Le signe = rend compte de la possibilité que la réaction s eectue dans un sens ou dans l autre. En général on écrit les demi-équations protoniques dans le sens où elles ont réellement lieu au cours de la transormation étudiée. 3. Transormation acidobasique Une réaction acidobasique n est envisageable qu en présence de 2 couples acide/base diérents et à condition d introduire l acide d un couple et la base de l autre couple. E : réaction entre l acide éthanoïque et l ammoniac. Couples : CH 3 COOH / CH 3 COO et NH 4 / NH 3 (sont soulignées les espèces qui jouent le rôle de réacti : acide éthanoïque CH 3 COOH et ammoniac NH 3 ) Demi-équations protoniques : CH 3 COOH = CH 3 COO H NH 3 H = NH 4 Transert d un H Soit : CH 3 COOH NH 3 = CH 3 COO NH 4 Il y a transert d un ion H de l acide du premier couple vers la base du second.

2 4. Couples de l eau L eau intervient dans 2 couples acide/base qui sont : H 2 O / HO et H 3 O / H 2 O. Remarque : l ion H est appelé ion hydrogène (ou proton) ; l ion H 3 O est un ion H hydraté, on l appelle ion oonium. L ion HO est l ion hydroyde. Elle peut donc jouer un rôle d acide ou de base dans certaines transormations. Une telle espèce est appelée ampholyte. Autre eemple d ampholyte : l ion hydrogénocarbonate : HCO 3 qui intervient comme acide du couple : HCO 3 /CO 3 2 et comme base du couple H 2 CO 3 / HCO 3 II / Notion de ph d une solution aqueuse 1. Déinition Le ph est lié à la concentration molaire des ions oonium H 3 O par les relations : ph= log H3O ou sa réciproque : HO 3 = 10 ph Remarques : En réalité, pour des raisons d homogénéité des unités on doit déinir C 0 = 1 mol.l -1. Comme le rapport HO 3 C0 ph= HO 3 log C0 où n a pas d unité, le ph non plus. On utilisera en pratique la déinition «simpliiée» du ph écrite plus haut, qui donne les mêmes valeurs. Cette déinition n est valable que pour des solutions diluées ([H 3 O ] < 10-1 mol.l -1 et [HO ] < 10-1 mol.l -1 ) La valeur du ph varie avec la température. On indique à quelle température a été relevé un ph. A 25 C, une solution neutre a un ph = 7,0. Donc [H 3 O ] = 10-7 mol.l -1. Si ph < 7, alors - ph > ph > 10-7 car la onction 10 est croissante. [H 3 O ] > 10-7 mol.l -1 De même, si ph > 7 on montre que [H 3 O ] < 10-7 mol.l -1 [H 3 O ] > 10-7 mol.l -1 [H [H 3 O ] < 10-7 mol.l -1 3 O ] = acide 7 basique 14 neutre ph

3 III / La réaction entre un acide et l eau est-elle toujours totale? Les valeurs utilisées dans ce paragraphe proviennent du TPC 3 (relation entre ph et concentration pour les acides) Lorsqu on dissout un acide dans l eau, une transormation chimique se produit entre l acide et l eau. La molécule d eau joue alors nécessairement le rôle d une base. 1. Cas de l acide chlorhydrique Considérons la solution S 3 du TP : C A = 5, mol.l -1 ; V A = 50 ml et ph mesuré = 3,3. a) Quelle est la réaction de mise en solution du soluté dans l eau? Lorsqu on prépare une solution d acide chlorhydrique, on met en solution un soluté gazeu : le chlorure d hydrogène HCl (epérience du jet d eau vue en 1 ère ) Le chlorure d hydrogène se dissocie alors dans l eau selon : HCl (g) H Cl Puis les ions ormés s hydratent, en particulier H selon : H H 2 O (l) = H 3 O Finalement la réaction de HCl avec H 2 O s écrit : HCl (g) H 2 O (l) = H 3 O Cl (aq) b) Bilan de matière Pour savoir si la réaction écrite précédemment est totale nous allons comparer la quantité de matière de soluté introduit (HCl) et la quantité de produit ormé (H 3 O par eemple). Quantité de HCl introduit La solution étudié a une concentration en soluté apporté C A. C est aussi la concentration initiale de HCl avant qu il n ait réagit avec l eau. Par conséquent : n(hcl) ini = C A V A = = 2, mol. Quantité d ions H 3 O ormés : On a accès à [H 3 O ] par la relation : [H 3 O ] = 10 -ph = 10-3,3 = mol.l -1. D où n(h 3 O ) inal = [H 3 O ] V A = = 2, mol. Conclusion : n(hcl) ini = n(h 3 O ) inal donc toute les molécules de soluté HCl ont été transormées en H 3 O et Cl. La réaction étudiée est totale. Un acide qui réagit de açon totale avec l eau est appelé acide ort. Toutes les molécules d acide sont transormées et par conséquent la concentration en soluté de cet acide (C A ) devient sa concentration en ions oonium [H 3 O ]. Pour ces acides on peut alors écrire ph = log C A. C est ce qui a été vériié en TP. 2. Cas de l acide éthanoïque Considérons la solution S 3 du TP : C A = 5, mol.l -1 ; V A = 50 ml et ph mesuré = 4. a) Réaction de mise en solution du soluté dans l eau : b) Bilan de matière : CH 3 COOH (aq) H 2 O (l) = CH 3 COO (aq) H 3 O Quantité de soluté CH 3 COOH introduit : n(ch 3 COOH) ini = C A V A = = 2, mol. Quantité d ions H 3 O ormés : [H 3 O ] = 10 -ph = 10-4 mol.l -1. D où n(h 3 O ) inal = [H 3 O ] V A = = mol. Conclusion : n(ch 3 COOH) ini > n(h 3 O ) inal donc toute les molécules de soluté n ont pas été transormées en H 3 O et CH 3 COO. La réaction étudiée n est pas totale.

4 Un acide qui réagit de açon limitée avec l eau est appelé acide aible. Toutes les molécules d acide ne sont pas transormées. Le ph d une de ses solutions est supérieur au ph d une solution de même concentration d un acide ort. C est ce qui a été vériié en TP. IV / Avancement inal et avancement maimal Pour rendre compte des situations où la réaction n est pas totale, on dresse un tableau d avancement particulier dans lequel une nouvelle ligne vient s insérer. Celle-ci correspond à l état inal dans lequel arrive le milieu réactionnel qui n a pas atteint son avancement maimal puisque la réaction n est pas totale. 1. Cas général d un acide AH qui réagit avec l eau avancement AH H 2 O = A H 3 O Etat initial 0 n 0 Solvant 0 0 Etat transitoire n 0 " epérimental théorique ou éq n 0 " ma n 0 ma = 0 " ma ma L état inal epérimental est un état d équilibre puisque la réaction s arrête d évoluer du ait de l eistence d un équilibre entre la réaction dans le sens direct et la réaction inverse. On note indiéremment son avancement dans cet état ( pour inal) ou éq (éq pour équilibre). Dans cet état le réacti limitant n a pas totalement disparu donc n 0 0. L état inal théorique est l état qu atteindrait le système chimique si la transormation était totale, donc si le réacti limitant était totalement consommé. D où n 0 ma = 0 L étude de l état inal théorique permet de calculer l avancement maimum : ma = n 0. L étude de l état inal epérimental permet de calculer l avancement inal. En eet, d après le tableau n(h 3 O ) =. Or n(h 3 O ) = [H 3 O ] V A = 10 - ph V A Par conséquent = 10 - ph V A La connaissance du ph permettra donc d obtenir l avancement inal. 2. Eemple d une solution d acide éthanoïque (solution S 3 du TP) On a n 0 = C A V A = = 2, mol C A = = 5, mol.l -1 V A = 50 ml ph mesuré = 4. avancement CH 3 COOH H 2 O = CH 3 COO H 3 O Etat initial 0 2, Solvant 0 0 Etat transitoire 2, " epérimental théorique ou éq 2, " ma 2, ma = 0 " ma ma ma = 2, mol et = 10 - ph V A = = mol. On constate que l avancement inal n est que de mol alors qu il devrait atteindre sa valeur maimum de 2, qui est 5 ois plus élevée. Puisque < ma on peut conclure que la réaction n est pas totale.

5 V / Etat d équilibre d un système chimique 1. Equilibre dynamique d un système chimique Lorsqu une réaction a lieu entre deu espèces A et B pour ormer C et D selon A B C D, il arrive souvent que C et D puissent réagir également pour redonner A et B selon C D A B. Le système contenant à la ois A, B, C et D est le siège de 2 réaction simultanées et concurrentes traduites par l écriture : A B = C D. Même lorsque l avancement inal est atteint et que le système n évolue plus à l échelle macroscopique, les deu réactions ont toujours lieu mais elles se compensent car elles ont alors la même vitesse. On dit que le système a atteint son état d équilibre. Remarques : - Si l on ajoute une certaine quantité d un des réactis (A ou B), la réaction est avorisée dans le sens direct ( ) puisqu en augmentant la concentration des réactis on accélère la réaction. Cet ajout va alors déplacer l équilibre vers une quantité plus importante de produits C et D. - A contrario, si l on ajoute un peu d un des produits (C ou D) on avorise la réaction dans le sens inverse ( ) puisqu on augmente la concentration des réactis de la réaction inverse. Cet ajout va alors déplacer l équilibre vers une quantité plus importante de réactis A et B. 2. Tau d avancement inal τ Il est déini par τ = donc 0 τ 1. ma On l eprime parois en pourcentage : τ = 100 ma Eemple de la solution d acide éthanoïque S 3 du TP : ma = 2, mol et = mol donc τ = 100 = 20 % -5 2,5.10 Cela signiie que seulement 20 % des molécules d acide éthanoïque ont été transormées pour donner leur base conjuguée et H 3 O. Pour un acide ort on aura toujours τ = 100 %. Eercices d application : P. 96 e n 11, 16, 17, 18, 21