Chapitre 9 : Les acides et les bases. GCI Chimie Hiver 2013

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1 Chapitre 9 : Les acides et les bases GCI Chimie Hiver 2013

2 Contenu Les acides et les bases de Bronsted-Lowry Les acides et bases fortes Les acides et bases faibles L équilibre acido-basique La neutralisation Les propriétés acido-basiques des sels et des oxydes Les solutions tampons Les acides et les bases de Lewis

3 Objectifs du chapitre Décrire les propriétés des acides/bases de Bronsted- Lowry; Les propriétés acido-basiques de l eau; La force des acides et des bases; Utiliser les concepts d équilibre pour déterminer le ph d une solution; Processus de neutralisation et la formation de sels; Comprendre l impact de sels sur le ph d une solution; Comprendre le pouvoir tampon; Comprendre la notion d acide/base de Lewis.

4 Lectures recommandées Chang et Papillon (2009) Chapitre 5 Les acides et les bases pp

5 Les acides et les bases de Bronsted-Lowry Malone et Dolter, 2010

6 Les acides et les bases Propriétés des acides Goût aigre et piquant; Réagissent avec certains métaux pour produire de l H 2 ; Changement de couleur de certains pigments végétaux; Réagissent avec les bases pour former des sels; Les solutions acides conduisent l électricité. Arrhenius 1884 Par ionisation, un acide en milieu aqueux libère des ions H + Malone et Dolter, 2010

7 Les acides et les bases Acides forts Acide chlorhydrique en solution HCl (aq) H + (aq) + Cl - (aq) Réagissent avec les métaux 2HCl (aq) +Mg (s) H 2(g) +MgCl 2 (aq)

8 Les acides et les bases Propriétés des bases Goût amer; Substances visqueuses; Changement de couleur de pigments végétaux; Les solutions basiques conduisent l électricité. Hydroxyde de sodium en solution NaOH (s) Na + (aq) + OH - (aq) Les bases sont des substances qui, une fois en solution, fournissent des ions OH -

9 Les acides et les bases de Bronsted-Lowry La définition des acides et des bases proposée par Arrhenius ne s applique qu aux solutions aqueuses. En ce sens, Bronsted ( ) Bronsted et Lowry ont proposé une définition plus générale Un acide est un donneur de protons (H + ) et une base un récepteur de protons

10 Les acides et les bases de Bronsted-Lowry Les acides de Bronsted-Lowry HCl (aq) H + (aq) + Cl - (aq) HCl (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + Cl - (aq) Malone et Dolter, 2010

11 Les acides de Bronsted-Lowry Monoacides : libération d un seul proton HNO 3(aq) H 3 O + (aq) + NO 3 - (aq) CH 3 COOH (aq) H 3 O + (aq) + CH3COO - (aq) Diacides : libération (potentielle) de 2 protons 1. H 2 SO 4(aq) H 3 O + (aq) + HSO 4 - (aq) 2. HSO 4 - (aq) H 3 O + (aq) + SO 4 2- (aq)

12 Les acides de Bronsted-Lowry Triacides : libération (potentielle) de 3 protons 1. H 3 PO 4(aq) H 3 O + (aq) + H 2 PO 4 - (aq) 2. H 2 PO 4 - (aq) H 3 O + (aq) + HPO 4 2- (aq) 3. HPO 4 2- (aq) H 3 O + (aq) + PO 4 3- (aq)

13 Les bases de Bronsted-Lowry Une base est un récepteur de protons NaOH (s) Na + (aq) + OH - (aq) (1) OH - (aq) + H 3 O + (aq) 2 H 2 O (l) (2) L ion hydroxyde peut accepter un proton NH 3(aq) + H 2 O (l) NH OH - (aq)

14 Les paires acides/bases La base résultante du don d un proton d un acide est la base conjuguée de l acide Malone et Dolter, 2010

15 Les paires acides/bases Malone et Dolter, 2010

16 Les propriétés acido-basique de l eau Capacité d agir comme un acide et une base (auto-ionisation) 2H 2 O (l) H 3 O + (aq) + OH - (aq) H 2 O (l) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + OH - (aq) A1 + B2 A2 + B1 Globalement, il y a une très faible proportion des molécules d eau qui s ionisent

17 Les propriétés acido-basique de l eau 5/FG15_01-02.JPG

18 Le produit ionique de l eau À l équilibre : K eau + 3 [ H O ][ OH ] = [ H O + ][ OH 3 [ H O] 2 2 ] Dans l eau pure, à 25 C, les concentration en ions sont égales = 1.0 X 10-7 M

19 Le produit ionique de l eau À l équilibre : K = eau [ H 3 O + ][ OH ( ) ( ) 10. X X 10-7 = ] K = eau 10-14

20 Le produit ionique de l eau et les solutions acides/basiques Solutions acides : [H 3 O + ]>10-7 M; ph < 7 Solutions neutres : [H 3 O + ]= [OH - ] = 10-7 M; ph = 7 Solutions basiques : [H 3 O + ]<10-7 M; ph > 7 ph = -log [H 3 O + ] = -log [H + ]

21 Le produit ionique de l eau et les solutions acides/basiques Parallèlement, poh = -log [OH - ] En combinant, nous obtenons [ H 3 O + ][ OH (log([ H 3 O + ] = ]) + log([ OH log([ H 3 O + ][ OH ])) = ph + poh = 14 ]) = log(10 14 )

22 L échelle de ph Malone et Dolter, 2010

23 L échelle de ph Hubert Cabana, 5/FG15_13.JPG 2013

24 La force des acides et des bases Les acides ou bases forts sont des électrolytes forts qui s ionisent complètement (ou presque) dans l eau Les acides et les bases faibles sont des électrolyses faibles qui s ionisent très peu dans l eau Dans un couple acide/base conjugué si un acide est fort, sa base conjuguée est faible, et vice versa.

25 La force des acides et des bases Chang et Papillon, 2009

26 La force des acides et des bases Chang et Papillon, 2009

27 Force des acides et des bases Pour un acide fort (ou une base forte), il y a ionisation complète de la substance. Donc, la [H 3 O + ] (ou en OH - ) dépend de la stœchiométrie et de la concentration initiale de l acide (ou de la base)

28 Force des acides et des bases Constante d ionisation (constante d équilibre des acides/bases). Soit l acide suivant (HA) : HA (aq) H + (aq) + A - (aq) [ H + ][ A ] K a = [ HA]

29 Constantes d ionisation des acides faibles Chang et Papillon, 2009

30 Constantes d ionisation des polyacides Chang et Papillon, 2009

31 Structure et acidité Malone et Dolter, 2010

32 Relation entre les constantes d ionisation Il est possible de mettre en relation la constante d ionisation d un acide faible et de sa base conjuguée. Prenons par exemple l acide acétique : Dissociation de l acide CH 3 COOH (aq) + H 2 O CH 3 COO - (aq) + H + (aq) K a = + [ H ][ CH 3COO [ CH COOH ] 3 ]

33 Relation entre les constantes d ionisation La base conjuguée réagit avec l eau selon : CH 3 COO - (aq) + H 2 O CH 3 COOH (aq) + OH - (aq) K b = [ OH ][ CH 3COOH [ CH COO ] 3 ]

34 Relation entre les constantes d ionisation K a K b = + [ H ][ CH 3COO [ CH COOH ] 3 ] [ OH ][ CH 3COOH [ CH COO ] 3 ] K a K b [ H ][ OH + = = Keau ] = 10 14

35 La neutralisation des acides et des bases La réaction entre un acide et une base est appelée réaction de neutralisation Acide + base Sel + Eau HCl( ) + NaOH ( ) NaCl( ) + H aq aq aq 2 O H O + Cl + Na + OH Na + Cl + aq ( aq) ( ) ( ) ( ) 2 ( ) aq ( aq ) aq aq 2 ( l) H O

36 La neutralisation des acides et des bases Acide faible (HCN) + base forte (NaOH) HCN( ) + NaOH ( aq) NaCN( aq) + H aq 2 O HCN + Na + OH Na + CN + aq + + ( aq) ( aq) ( ) ( aq) ( aq) 2 ( l) H O Globalement : HCN + OH CN + aq aq) ( aq) H ( ( ) l 2 O ( )

37 Titrage acido-basique Soit la neutralisation d un acide par une base À ce point, =n acide =n base =V base *[base]

38 Titrage acido-basique Au point de demi-neutralisation, la moitié de l acide fort est consommé et il y a production d une quantité équivalente de base conjuguée; HA + OH - A - + H 2 O

39 Titrage acido-basique Partant de la définition du K A Transformons en pk A Transformons cette expression À la demineutralisation, ceci = 0

40 Titrage acido-basique

41 Les propriétés acido-basiques des sels Les sels sont formés par l action de neutralisation d un acide par une base. De ce fait, ils sont constitués d acide et de base conjugués Sels produisant des solutions neutres Sels produisant des solutions acides Sels produisant des solutions basiques

42 Les propriétés acido-basiques des sels Les sels sont des électrolytes forts; Dans certains cas, les ions réagissent avec les molécules d eau (réaction d hydrolyse) Influence sur le ph de la solution

43 1. Sels solutions neutres Les sels constitués 1) d un métal alcalin ou alcalino-terreux (IA ou IIA) et 2) d une base conjuguée d un acide fort (ex : Cl -, Br -, NO 3-, etc.) ne subissent pas d hydrolyse NaOH + HNO 3 NaNO 3(s) +H 2 O NaNO 3(s) Na + (aq) + NO - 3(aq)

44 2. Sels solutions basiques La solution d un sel provenant de la réaction d une base forte et d un acide faible est basique NaOH + CH 3 COOH CH 3 COONa (s) + H 2 O CH 3 COONa (s) CH 3 COO - (aq) + Na + (aq)

45 2. Sels solutions basiques CH 3 COO - (aq) + H 2 O CH 3 COOH + OH - K b = [ OH ][ CH 3COOH ] 10 = [ CH 3COO ] Puis que la dissociation de l acétate de sodium génère des ions hydroxydes, le ph de la solution va augmenter. Ce sel est donc un sel basique.

46 3. Sels solutions acides La solution d un sel provenant de la réaction d un acide fort et d une base faible est acide HCl + NH 3 NH 4 Cl(s) + H 2 O NH 4 Cl(s) NH 4+ (aq) + Cl - (aq)

47 3. Sels solutions acides NH 4+ (aq) + H 2 O NH 3 (aq) + H + (aq) K a = + [ NH 3][ H3O ] 10 = [ NH 4 ] Puis que la dissociation du chlorure d ammonium génère des ions hydronium, le ph de la solution va diminuer. Ce sel est donc un sel acide.

48 Le comportement acido-basique des oxydes Les oxydes forment, une fois en solution, des composés acides ou basiques Chang et Papillon, 2009

49 Le comportement acido-basique des oxydes Les oxydes non métalliques = formation d acides en solution aqueuse CO 2 (g) + H 2 O (l) H 2 CO 3(aq) SO 3(g) + H 2 O (l) H 2 SO 4(aq) Les oxydes métalliques = formation de bases en solution aqueuse Na 2 O (s) + H 2 O (l) 2NaOH (aq) BaO (s) + H 2 O (l) Ba(OH) 2(aq)

50 Les solutions tampon Une solution tampon est une solution qui maintient approximativement le même ph malgré l'addition de petites quantités d'un acide, d'une base ou d'une dilution; En général les tampons sont composés d'un acide faible et de sa base conjuguée

51 Les solutions tampon Malone et Dolter, 2010

52 Les solutions tampon Soit la solution tampon suivante : HClO + H 2 O H 3 O + (aq) + ClO - (aq) [ H O 3 + ] = K a [ HClO] [ ] ClO

53 Les solutions tampon En réarrangeant : + log[ H O ] = log K log 3 a [ HClO] [ ] ClO ph = pk + log a [ ] ClO [ ] HClO

54 Les solutions tampon De façon générale : ph = pk + log a poh = pk + log b [ base conjuguée] [ ] acide [ acide] [ base conjuguée]

55 Les acides et les bases de Lewis Un acide de Lewis est une entité chimique dont un des atomes la constituant possède une lacune électronique, ce qui la rend susceptible d'accepter un doublet d'électrons, et donc de créer une liaison covalente avec une base de Lewis; Acide de Lewis : accepte un doublet d électrons Base de Lewis : donne un doublet d électrons Un réaction entre une base et un acide de Lewis ne produit pas d eau ni de sel.

56 Les acides et les bases de Lewis Chang et Papillon, 2009

57 Les acides et les bases de Lewis Réaction de l eau avec le dioxyde de carbone Chang et Papillon, 2009

58 Les acides et les bases de Lewis La notion d acide/base de Bronsted-Lowry est un cas particulier des acides/bases de Lewis Base de Bronsted-Lowry : accepteur de proton Base de Lewis : donneur d un doublet d électron

59 En résumé Notion d acide et de base de Bronsted-Lowry Acide : libération de proton(s) (H + ) Base : accepteur de proton(s) La force des acides/bases = F(K a,b ) K a *K b =K eau L eau peut s auto-ioniser et former des OH - et des H 3 O + La concentration de ces éléments dans l eau est fonction de la constante de dissociation de l eau (K eau = ) ph = -log[h 3 O + ]

60 En résumé Les sels et les oxydes peuvent être acides ou basiques Notion d acide/base de Lewis Acide : accepteur d un doublet d électrons Base : donneur d un doublet d électrons

61 Exercices suggérés Papillon et Chang (2009) Chapitre 5 : 5-3, 5-11; 5-25; 5-35; 5-43; 5-54; 5-72;