Chapitre I : L eau solvant

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1 Chme Plan (Clquer sur le ttre pour accéder au paragraphe) ********************** I- L EAU SOLVANT...2 I-1 Pouvor d hydrataton... 2 a- Forces de Van der Walls... 2 b- Forces répulsves... 3 c- Interactons spécfques par lason hydrogène... 3 d- Exemple de l eau... 3 I-2 Pouvor onsant et dspersant de l eau... 3 a- Pouvor onsant... 3 b- Pouvor dspersant... 4 II REACTION DANS L EAU...4 II-1 Classement des réactons ayant leu dans l eau... 4 II-2 Constante d équlbre... 5 II-3 Réacton prépondérante... 6 a- Défnton... 6 b- Recherche d une réacton prépondérante... 6 c- Blan de matère... 6 ********************** Page 1 Claude ANIES EduKlub S.A. Tous drots de l auteur des œuvres réservés. Sauf autorsaton, la reproducton ans que toute utlsaton des œuvres autre que la consultaton ndvduelle et prvée sont nterdtes.

2 Chme Le but de ce chaptre est d explquer pourquo l eau solvate un auss grand nombre de solutés et permet ans aux réactons acdo-basques, d oxydoréducton de précptaton ou de complexaton d avor leu. Les dfférentes nteractons d orgne électrostatques solvant (eau) soluté sont exposées. I- L eau solvant L eau est un très bon solvant des composés onques. Dans ce paragraphe, nous allons llustrer les prncpales proprétés de l eau-solvant. I-1 Pouvor d hydrataton Un grand nombre de composés moléculares sont solubles dans l eau : le phénomène ms en jeu est nommé l hydrataton. Les phénomènes d hydrataton d un soluté sont explqués par les nteractons électrostatques qu se développent entre le soluté et le solvant. Ces nteractons sont dues prncpalement aux forces de Van der Walls et aux nteractons spécfques par lason hydrogène. a- Forces de Van der Walls Les forces de Van der Walls sont des forces entre : le moment dpolare permanent du solvant et celu du soluté : l s agt de force en 1 /r 7, nommées forces de Keesom, mas qu sont nversement proportonnelle à la température ; le moment dpolare permanent du solvant et le moment dpolare ndut du soluté : l s agt également de force en 1/r 7 nommées forces de Debye qu dépendent de la polarsablté du soluté ; le moment dpolare ndut du solvant et celu du soluté : l s agt de force en 1/r7 qu ne dépendent pas de la température mas de la polarsablté du solvant et de celle du soluté. Il peut s agr de forces partculèrement mportantes, nommées forces de London. Page 2 Claude ANIES EduKlub S.A. Tous drots de l auteur des œuvres réservés. Sauf autorsaton, la reproducton ans que toute utlsaton des œuvres autre que la consultaton ndvduelle et prvée sont nterdtes.

3 Chme b- Forces répulsves Il exste des forces répulsves qu s exercent à très courtes dstance en 1 /r12 en général, dues essentellement à la non pénétraton des nuages électronques des molécules et ben sûr des noyaux. c- Interactons spécfques par lason hydrogène Une lason hydrogène s établt dès qu un atome d hydrogène est lé à un atome plus électronégatf comme par exemple l oxygène, le fluor, le soufre, l azote. Et portant un doublet d électrons non lants : -δ +δ lason hydrogène A H A H H -δ +δ +δ A -δ Ces lason sont beaucoup plus fables qu une lason covalente (1à à 30 kj.mol -1 en général), mas permettent d explquer pourquo un certan nombre de molécules, telles que l acde fluorhydrque HF sont fortement assocées. Une nterprétaton de l orgne de ces lasons peut être la polarté du len A-H. d- Exemple de l eau L eau possède un fort moment dpolare dont la norme est de 1,85 Debye (avec un Debye, unté de moment dpolare adaptée dans les molécules : 1 D = 1/ C.m). L eau pourra donc engager avec des solutés moléculares des forces de type Keesom ou Debye. D autre part, l eau possède deux atomes d hydrogène lés à un oxygène, d où la possblté pour l eau d engager des lasons hydrogène avec un soluté présentant des atomes portant des doublets non lants, ou un hydrogène lé à un atome plus électronégatf. I-2 Pouvor onsant et dspersant de l eau a- Pouvor onsant L eau est capable d onser une molécule, c est-à-dre polarsé des lasons et fare apparaître des charges. Le pouvor onsant de l eau est dû à son fort moment dpolare. Page 3 Claude ANIES EduKlub S.A. Tous drots de l auteur des œuvres réservés. Sauf autorsaton, la reproducton ans que toute utlsaton des œuvres autre que la consultaton ndvduelle et prvée sont nterdtes.

4 Chme b- Pouvor dspersant L eau est capable de séparer un caton d un anon, les solvants séparément par nteractons d orgne électrostatques de type dpôle permanent de l eau et charge de l on ou par nteractons spécfques par lason hydrogène avec l anon. Le pouvor dspersant de l eau est dû à sa permttvté relatve ε r élevée, de l ordre de 80. Les forces attractves caton-anon sont donc 80 fos plus fables dans l eau que dans le vde! II Réacton dans l eau II-1Classement des réactons ayant leu dans l eau Les dverses réactons ayant leu dans l eau sont classés selon les partcules échangées entre un donneur et un accepteur de partcules. Ans on dstngue les réactons suvantes dans l eau : acdo-basques ; les réacton d oxydoréducton ; les réactons de complexaton ; les réactons de précptaton selon que la partcule échangée est respectvement : un proton entre un acde (donneur) et une base (accepteur) : BH = B - + H + un électron entre un réducteur (donneur) et un oxydant (accepteur) : Red = Ox + n e - un lgand entre un complexe (donneur) et un on métallque : ML = M z+ + L un lgand entre un précpté solde et un on métallque : ML (s) = M z+ + L Page 4 Claude ANIES EduKlub S.A. Tous drots de l auteur des œuvres réservés. Sauf autorsaton, la reproducton ans que toute utlsaton des œuvres autre que la consultaton ndvduelle et prvée sont nterdtes.

5 Chme II-2Constante d équlbre Les dvers équlbres ayant leu dans l eau sont caractérsés par une constante d équlbre, notée K (T). Celle-c ne dépend que de la température. Pour un équlbre, noté : υ A = 0 avec υ coeffcent stœchométrque algébrque, postf pour les produts et négatfs pour les réactfs et A consttuant actf La constante d équlbre s exprme en foncton des actvtés à l équlbre des espèces A, notée éq a : l s agt de la relaton de Gulberg et Waage ou de la lo d acton de masse (cette formule A est démontrée dans le cours de thermodynamque de spécale) : K éq ( T) ( a ) = A ν L'actvté de A, grandeur sans dmenson, ntrodute dans le cours de thermodynamque de Spécal pour exprmer le potentel chmque d un consttuant A, s exprme de la manère suvante selon la nature de l espèce A : pour un consttuant A en phase gazeuse, assmlé à un gaz parfat l actvté est le rapport de la presson partelle de A sur une presson de référence, appelée presson standard (P = 1 bar auquel cas la presson partelle est prse en bar) : a A PA = P pour un soluté A en soluton aqueuse, supposée nfnment dluée, l actvté du soluté est le rapport de la concentraton de A sur une concentraton de référence, appelée concentraton standard (c = 1 mol.l -1 auquel cas la concentraton en soluté est prse en mol.l -1 ) : a A [ A ] = c pour un consttuant A, solde et seul dans sa phase, l actvté de ce solde est égale à 1 ; pour un consttuant A, solvant, l actvté du solvant est égale à 1. Page 5 Claude ANIES EduKlub S.A. Tous drots de l auteur des œuvres réservés. Sauf autorsaton, la reproducton ans que toute utlsaton des œuvres autre que la consultaton ndvduelle et prvée sont nterdtes.

6 Chme La valeur numérque de la constante d équlbre d un équlbre (r), combnason lnéare de dfférents équlbres (r ), selon (r) = λ ( r ), peut être calculée à partr des constantes d équlbre des dfférents équlbres (r ) : pk () r = λ pk( r ) avec l opérateur p = - log 10 Ce résultat est démontré dans le cours de thermodynamque de Spécal. II-3Réacton prépondérante a- Défnton On appelle réacton prépondérante, une réacton ayant leu entre espèces majortares et de constante d équlbre supéreur d un facteur 10 3 vore 10 4 aux autres constantes d équlbre possbles. Ans les ons hydronums, H 3 O+ ou les ons hydroxydes, HO -, ne peuvent ntervenr dans une réacton prépondérante s ls ne provennent que de l équlbre d autoprotolyse de l eau. b- Recherche d une réacton prépondérante La recherche d une réacton prépondérante se fat à partr des dagrammes de prédomnance des espèces en soluton aqueuse et d une échelle de constante d équlbre. Il ne s agt que d une prévson standard, ne tenant pas compte des concentratons des espèces en soluton. Celles-c n ntervennent pas s les réactons mettent en jeu des espèces majortares, c est-àdre de concentraton vosne. c- Blan de matère Lorsque la réacton prépondérante a une constante s équlbre standard de valeur numérque supéreure à 10 3 vore 10 4, la réacton peut être consdérée comme totale. On effectue un blan de matère et on obtent un nouveau système après cette 1 ère réacton prépondérante RP 1. On recherche alors une nouvelle réacton prépondérante. On peut donc avor une successon de réactons prépondérantes. Page 6 Claude ANIES EduKlub S.A. Tous drots de l auteur des œuvres réservés. Sauf autorsaton, la reproducton ans que toute utlsaton des œuvres autre que la consultaton ndvduelle et prvée sont nterdtes.

7 Chme Dès qu on obtent une réacton prépondérante dont la constante d équlbre est nféreure à 10-3 vore 10-4, on peut alors supposer que les concentratons des dfférentes espèces n évoluent plus. Il est alors possble de calculer le ph de la soluton, son potentel ans que les concentratons des dfférentes espèces. Page 7 Claude ANIES EduKlub S.A. Tous drots de l auteur des œuvres réservés. Sauf autorsaton, la reproducton ans que toute utlsaton des œuvres autre que la consultaton ndvduelle et prvée sont nterdtes.