Chapitre n 5 TRANSFORMATIONS ASSOCIÉES À DES RÉACTIONS ACIDO-BASIQUES EN SOLUTION AQUEUSE

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Geoffroy Goudreau
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1 T ale S Chapitre n 5 TRANSFORMATIONS ASSOCIÉES À DES RÉACTIONS ACIDO-BASIQUES EN SOLUTION AQUEUSE I- L autoprotolyse de l eau 1 )L eau «pure» et son ph L eau de source est naturellement «impure», c est-à-dire qu elle Les traitements physico-chimiques les plus complexes conduisent à de l eau dont le ph est égal à, à 5 C : l eau contient donc encore des. Leur concentration est égale à )L autoprotolyse de l eau La présence malgré des traitements sophistiqués ne peut s expliquer que par une modification interne de la solution : l eau réagit pour former un cation,, et un anion pour respecter l électroneutralité de la solution : Cette réaction acido-basique entre les couples H 3 O + / H O et H O / HO - est appelée Déterminons le taux d avancement de cet équilibre à 5 C : Équation chimique Qté de matière dans l état initial Qté de matière dans l état final Dans l état initial : n o H O n o H O A.N. : n o H O Dans l état final : x f x f A.N. : x f Dans l état final, si la réaction était totale, nous aurions : x Max A.N. : x Max Le taux d avancement vaut donc : τ A.N. : τ La réaction d autoprotolyse de l eau est donc 3 )Le produit ionique de l eau La réaction d autoprotolyse de l eau conduit à un état d équilibre d'équation à laquelle est associée une constante d équilibre :Q r,éq Cette constante d équilibre est appelée, se note K e et vaut, à 5 C, K e Comme pour le ph, la constante pk e est définie par : pk e à 5 C Rq. : L augmentation de la température du milieu favorise la réaction dans le sens direct, et donc la valeur du K e, et par voie de conséquence, celle du pk e. 4 )L échelle de ph a) Les solutions aqueuses neutres Une solution aqueuse est neutre si les quantités d'ions oxonium et hydroxyde sont : pour un même volume de solution Or K e K e [H 3 O + ] mol.l -1 Or par définition : ph donc ph - 1 -

2 b) Les solutions aqueuses acides Une solution aqueuse est acide si la quantité d'ions oxonium est à celle d'ions hydroxyde :, pour un même volume de solution : c) Les solutions aqueuses basiques Une solution aqueuse est basique si la quantité d'ions oxonium est à celle d'ions hydroxyde : [HO - ] > mol.l -1 et [H 3 O + ] < mol.l -1 ph > et ph > d) Résumé ph < Solu ph > tion Solutions Solutions 0 7,0 14 ph [HO - ] mol.l -1 [H3O + ] mol.l -1 [H3O + ] [HO - ] [H3O + ] [HO - ] mol.l -1 [H3O + ] [HO - ] [H3O + ] [HO - ] e) Relation entre ph et pk e pour une solution aqueuse quelconque Le ph est défini par : ph Le produit ionique de l eau est défini par : K e Donc : ph - log ph ph - -

3 II- Les constantes d acidité K A et pk A 1 )Définition La constante d acidité K A est la constante d équilibre associée à l équation de la réaction d un acide (d un couple acide / base) avec l eau. K A Rq. 1 : Les concentrations molaires sont celles à l équilibre. Rq. : Comme toute constante d équilibre, la constante d acidité ne dépend pas de la composition initiale, mais que de la température du milieu. )Exemples a) Le couple acide benzoïque / ion benzoate (C 6H 5-COOH / C 6H 5-COO - ) À 5 C, K A et pk A b) Le couple ion ammonium / ammoniac (NH 4 + / NH 3) À 5 C, K A et pk A c) Les couples de l eau Le couple H 3 O + / H O À 5 C, K A et pk A Le couple H O / HO - À 5 C, K A et pk A d) Cas des acides réagissant totalement avec l eau Pour les acides HA réagissant totalement avec l eau, la forme HA n est pas détectable dans l eau, mais existe en infime quantité : sa concentration. La constante d acidité n est donc pas infiniment, mais dépend des acides. Exemple : La constante d acidité du couple HCl / Cl - vaut et son pk A vaut 3 )Relation entre ph et pk A La constante d acidité K A d un couple acide / base est définie par : K A - 3 -

4 pk A III- Comparaison de deux acides ou de deux bases : notion de force d un acide et d une base 1 )Comparaison de deux acides a) Force relative de deux acides Un acide A 1 est plus fort qu un acide A si, à concentration égale, le taux d avancement final de sa réaction avec l eau est plus : τ 1 τ (un acide A 1 cède alors plus un proton qu un acide A ). b) Comparaison de deux acides grâce à la valeur du ph Cette méthode, expérimentale, consiste à mesurer la valeur du ph de deux solutions d acides (pour lesquels on veut comparer la force) de même concentration : la solution ayant le ph le plus comporte l acide le plus fort. c) Comparaison de deux acides grâce à la valeur de la constante d acidité Considérons la réaction de mise en solution d un acide A dans l eau : La constante d équilibre associée à cette équation est : K Le tableau d avancement associé à cette réaction s écrit : Équation chimique Qté de matière dans l état initial Qté de matière dans l'état final Dans l état initial, nous avons : [A (aq) ] i Dans l état final, nous avons : [A (aq) ] f et [B (aq) ] f Or le taux d avancement est défini par : τ Si la réaction est totale, l acide est entièrement consommé, : Donc : [A (aq) ] f ; [B (aq) ] f [A (aq) ] f ; [B (aq) ] f La constante d équilibre s écrit donc : En posant c 0,1 mol.l -1, nous obtenons la fonction suivante : K Puisque K est une fonction de τ, nous pouvons conclure, en 1 utilisant la définition de la force relative d un acide (τ 1 > τ ), qu un acide 1 est plus fort qu un acide si, τ 0. 1 )Comparaison de deux bases a) Force relative de deux bases Une base B 1 est plus forte qu une base B si, à concentration égale, le taux d avancement final de sa réaction avec l eau est plus : τ 1 τ (une base B 1 capte alors plus un proton qu une base B )

5 b) Comparaison de deux bases grâce à la valeur du ph Cette méthode, expérimentale, consiste à mesurer la valeur du ph de deux solutions de bases (pour lesquels on veut comparer la force) de même concentration : la solution ayant le ph le plus élevé comporte la base la plus forte. c) Comparaison de deux bases grâce à la valeur de la constante d acidité Considérons la réaction de mise en solution d une base B dans l eau : La constante d équilibre associée à cette équation est : Le tableau d avancement associé à cette réaction s écrit : Équation chimique Qté de matière dans l état initial Qté de matière dans l'état final Dans l état initial, nous avons : [B (aq) ] i Dans l état final, nous avons : [B (aq) ] f et [A (aq) ] f Or le taux d avancement est défini par : Si la réaction est totale, la base est entièrement consommée, : Donc : [B (aq) ] f ; [A (aq) ] f [B (aq) ] f ; [A (aq) ] f La constante d équilibre s écrit donc : Nous avons montré que K est une fonction croissante de τ. Mais cette constante d équilibre peut s écrire : Puisque K est une fonction de τ alors K A est une fonction de τ. Conclusion : une base 1 est plus forte qu une base si,,. 3 )Application aux réactions entre un acide et une base a) Expression de la constante d équilibre Considérons une réaction chimique entre un acide HA 1 et une base A - dont l équation est : La constante d équilibre associée s écrit : - 5 -

6 b) Sens et nature de la transformation La réaction est favorisée dans le sens direct ( ) lorsque K 1,, La réaction est favorisée dans le sens indirect ( ) lorsque K 1,, La réaction peut être considérée comme une réaction totale et non une réaction réversible lorsque K > (cf. chap.4), lorsque IV-Diagrammes de prédominance et de distribution des espèces acido-basiques 1 )Notion de domaine de prédominance a) Définition Une espèce est prédominante devant une autre espèce si sa concentration dans la solution est supérieure à celle de cette autre espèce. b) Les domaines de prédominance au sein d un couple acide / base Rappel : Les concentrations des deux espèces conjuguées d un couple sont liées par la relation : La forme acide A prédomine sur la forme basique B si La forme basique B prédomine sur la forme acide A si Aucune espèce ne prédomine sur l autre si c) Le diagramme de prédominance Résumons les informations précédentes sous la forme d un schéma : le diagramme de prédominance : ph d) Application aux indicateurs colorées Un indicateur coloré acido-basique est constitué par les deux espèces conjuguées d un couple acide / base (noté ), dont les deux couleurs sont différentes. On considère que l indicateur prend la teinte de la forme prépondérante acide lorsque On considère que l indicateur prend la teinte de la forme prépondérante basique si - 6 -

7 Dans la zone comprise entre (pk A 1) et (pk A + 1), appelée, l indicateur coloré prend une teinte intermédiaire dite )Diagramme de distribution des espèces acido-basiques a) Définition Le diagramme de distribution des espèces conjuguées d un couple acido-basique est le graphique donnant le pourcentage en concentration des deux espèces en fonction du ph b) Expression Considérons une solution de concentration c contenant les deux espèces conjuguées A (aq) et B (aq). La loi de conservation de la matière nous permet d écrire : La constante d équilibre de ce couple est définie par : ph De même, nous pouvons écrire : Le diagramme de distribution des espèces s obtient grâce à un logiciel de simulation, les pourcentages en concentration étant définis par : Pourcentage ph Rq. : Le diagramme confirme les informations suivantes : La forme acide A est prédominante dans la zone La forme basique B est prédominante dans la zone Aucune espèce ne prédomine lorsque : le point d intersection des deux courbes a pour abscisse et pour ordonnée - 7 -

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