Chapitre 7 : Acides, bases et sels

Transcription

1 Chapitre 7 : Acides, bases et sels Objectifs L élève doit être capable! d énoncer les formules de quelques acides minéraux traités dans le cours,! d énoncer certains usages de ces acides,! d établir les équations des réactions de dissociation des acides dans l eau,! d établir les équations des réactions de dissociation des bases dans l eau,! d établir les équations des réactions entre un métal et un acide,! de faire la distinction entre métal noble et métal non-noble,! de citer les métaux nobles,! d établir l équation de la réaction entre le carbonate de calcium et l acide chlorhydrique,! d établir les équations des réactions de neutralisation,! de reconnaître un acide ou une base à l aide de sa formule,! d identifier le caractère acide, basique ou neutre d une solution à l aide de l indicateur coloré bromothymol. Mots clés! acide! métal noble! base! bromothymol! proton! indicateur coloré! hydroxyde! réaction de neutralisation! métal non noble 18

2 Acides, bases et sels 7.1. Caractéristiques des acides Les acides sont présents dans un grand nombre de fruits et de boissons qu on consomme quotidiennement. Ils sont responsables du goût acide de ces aliments. Les acides constituent une classe de composés chimiques très importants. Dans le présent chapitre, nous allons analyser les caractéristiques et les propriétés des acides minéraux. Exemples d acides Nom Formule Etat naturel et usage acide chlorhydrique HCl contenu dans le suc gastrique, décapage de dépôts calcaires, préparation des chlorures métalliques et du PVC. acide sulfurique H SO 4 électrolyte dans les accumulateurs des voitures. acide nitrique HNO 3 fabrication d engrais et d explosifs. acide carbonique (all. : Kohlensäure) H CO 3 contenu dans les boissons pétillantes. Les molécules des acides contiennent un ou plusieurs atomes d hydrogène. produit détartrant contenant de l acide chlorhydrique accumulateur contenant de l acide sulfurique engrais fabriqué à l aide d acide nitrique eau minérale contenant de l acide carbonique 19

3 Chapitre 7 : Acides, bases et sels # voir Infos 7.1 page 141 : Préparation de l acide chlorhydrique.6 page 61 : Le chlorure d hydrogène Dissociation des acides en solution aqueuse En solution aqueuse, les molécules acides se dissocient en un ion H + (proton) et un reste-acide. Exemples Réaction de dissociation de l acide chlorhydrique dans l eau : * H HO Cl H + C acide chlorhydrique * proton l + - ion chlorure Réaction de dissociation de l acide sulfurique dans l eau : H SO H 4 + SO HO acide ion proton sulfurique sulfate Les solutions acides contiennent des cations H + (protons). 7.. Réactions entre l acide chlorhydrique et les métaux Analysons les réactions entre l acide chlorhydrique et un ruban de magnésium, des copeaux de zinc et des clous de fer. réaction entre HCl et Mg HCl et Zn HCl et Fe Lors de la réaction de ces métaux avec l acide chlorhydrique, il y a dégagement d un gaz. Ce gaz est recueilli dans un deuxième tube à essais. Le gaz recueilli brûle avec un bruit sifflant au contact de la flamme du brûleur Bunsen: c est le dihydrogène (H ). * H O au-dessus de la flèche signifie que la réaction se déroule dans l eau. 130

4 Chapitre 7 : Acides, bases et sels MgCl ZnCl FeCl Après la réaction, l eau de la solution est évaporée. On obtient les sels suivants : chlorure de magnésium, chlorure de zinc(ii) et chlorure de fer(ii). Établissons les formules chimiques des chlorures obtenus : chlorure de magnésium chlorure de zinc(ii) chlorure de fer(ii) Mg Cl 1 MgCl Zn Cl 1 ZnCl Fe Cl 1 FeCl Établissons les équations correspondant aux réactions : Mg + HCl MgCl + H acide chlorure magnésium dihydrogène chlorhydrique de magnésium Zn + HCl ZnCl + H acide chlorure zinc dihydrogène chlorhydrique de zinc(ii) Fe + HCl FeCl + H acide chlorure fer dihydrogène chlorhydrique de fer(ii) En général métal + acide chlorhydrique sel + dihydrogène Exceptions Plaçons des pièces en cuivre, argent et or dans de l acide chlorhydrique. Cu Ag Au Aucune réaction n a lieu entre ces métaux et l acide chlorhydrique. 131

5 Chapitre 7 : Acides, bases et sels En général Les métaux qui ne réagissent pas avec l acide chlorhydrique sont appelés métaux nobles. Les métaux nobles sont : le cuivre (Cu), l argent (Ag), l or (Au) et le platine (Pt). métal noble + acide chlorhydrique pas de réaction Remarque Des réactions similaires aux réactions entre les métaux et l acide chlorhydrique se déroulent entre les métaux non nobles et certains autres acides 1. Exemple Lors de la réaction entre l acide sulfurique et l aluminium, il y a formation de sulfate d aluminium et de dihydrogène. Al + 3 HSO4 Al (SO 4) H alumi - acide sulfate dihydro - nium sulfurique d'aluminium gène sulfate d aluminium Al SO 4 3 Al(SO4)3 # voir exercice 7. page Quelques acides réagissent de façon différente avec des métaux donnés. Ce cas ne sera pas traité dans ces documents. 13

6 Chapitre 7 : Acides, bases et sels 7.3. Réaction entre l acide chlorhydrique et le carbonate de calcium Le marbre est essentiellement constitué de carbonate de calcium. Lors de la réaction entre l acide chlorhydrique et le marbre, il y a dégagement d un gaz. Recueillons ce gaz dans un cylindre et plongeons-y une bougie allumée : la bougie s éteint. Le gaz produit lors de la réaction n entretient donc pas la combustion : c est du dioxyde de carbone. En outre, il se forme de l eau et du chlorure de calcium. La bougie s éteint Équation de la réaction CaCO 3 + HCl CaCl + CO + HO carbonate de acide chlorure dioxyde de eau calcium chlorhydrique de calcium carbone carbonate de calcium Ca CO 3 CaCO 3 chlorure de calcium Ca Cl CaCl 1 La même réaction se déroule lorsque l acide chlorhydrique entre en contact avec une coquille d œuf, la coquille d un escargot ou la carapace d un homard, qui contiennent toutes du carbonate de calcium. action de HCl sur une coquille d œuf action de HCl sur une coquille d escargot action de HCl sur une carapace de homard 133

7 Chapitre 7 : Acides, bases et sels Cette réaction est aussi à base des propriétés détartrantes des acides : l acide chlorhydrique est utilisé dans les produits anticalcaires (p.ex. celui de la photo à gauche) Comme il serait dangereux d utiliser de l acide chlorhydrique pour détartrer une machine à café, on préfère prendre du vinaigre contenant de l acide acétique ou un produit spécial disponible dans le commerce (p.ex. ceux de la photo à droite) Réaction entre l acide chlorhydrique et l hydroxyde de sodium Dissociation des réactifs en solution aqueuse a) Dissociation de l acide chlorhydrique (HCl) dans l eau La dissociation de l acide chlorhydrique a été étudiée au paragraphe page 130. b) Dissociation de l hydroxyde de sodium (NaOH) dans l eau L hydroxyde de sodium (soude caustique) est un composé chimique contenu dans la plupart des déboucheurs d éviers. Il a la propriété de dissoudre des engorgements constitués de matière organique. photo 1 photo NaOH se présente sous forme de pastilles très hygroscopiques. Les pastilles de NaOH attirent avidement l eau de l air (photo 1), puis se dissolvent dans cette eau (photo ). Pour préparer une solution aqueuse d hydroxyde de sodium, on introduit les pastilles de NaOH dans l eau. La dissolution des pastilles de NaOH dans l eau est une réaction exothermique. Équation de la dissociation Na + OH HO Na + OH Na hydroxyde cation anion de sodium sodium hydroxyde 1 OH 1 NaOH 134

8 Chapitre 7 : Acides, bases et sels On dit que les solutions contenant des ions OH - sont basiques. Les autres hydroxydes solubles dans l eau se dissocient de façon analogue : Équation de la dissociation de l hydroxyde de calcium H + ( ) O + Ca OH Ca OH Ca hydroxyde cation anion de calcium calcium hydroxyde OH 1 Ca(OH) Les solutions basiques contiennent des anions OH - (ion hydroxyde). # voir exercice 7.1 page Indicateur coloré : le bromothymol Ajoutons quelques gouttes de bromothymol à une solution d acide chlorhydrique : le bromothymol prend la couleur jaune. Ajoutons quelques gouttes de bromothymol à une solution d hydroxyde de sodium : le bromothymol prend la couleur bleue. En milieu acide, le bromothymol se colore en jaune. En milieu basique, le bromothymol se colore en bleu. Par leur couleur, les indicateurs colorés indiquent la présence d un acide ou d une base. Remarque En milieu neutre. le bromothymol présente une couleur verte (intermédiaire entre le jaune et le bleu). # voir aussi Info 7. page 14 : Indicateurs colorés naturels un milieu neutre n est ni acide ni basique. 135

9 Chapitre 7 : Acides, bases et sels Réaction entre HCl et NaOH Dans une solution d acide chlorhydrique, colorée en jaune par le bromothymol, introduisons une solution d hydroxyde de sodium, colorée en bleu par le bromothymol. Après avoir versé un volume identique 3 à celui de la solution de HCl, la solution résultante prend une couleur verte : la nouvelle solution est neutre. Une réaction entre un acide et une base est appelée réaction de neutralisation. En évaporant l eau de la solution, on obtient un sel blanc : c est le chlorure de sodium. Équation Autre exemple HCl + NaOH NaCl + HO acide hydroxyde chlorure chlorhydrique de sodium de sodium Réaction de neutralisation entre! l acide sulfurique (H SO 4 ) et! l hydroxyde de potassium hydroxyde de potassium K 1 OH 1 KOH eau 3 Les deux solutions ont la même concentration. 136

10 Chapitre 7 : Acides, bases et sels Lors de la réaction, il y a formation! de sulfate de potassium! d eau sulfate de potassium K SO 4 KSO4 1 H SO + KOH K SO + H O 4 4 acide hydroxyde sulfate eau sulfurique de potassium de potassium En général acide + base sel + eau # voir exercice 7.3 page 140 Pour en savoir plus : # voir Info 7.3 page 144 : L échelle ph 137

11 ? Questions de cours 1. Écrire les formules des acides suivants :! acide chlorhydrique! acide nitrique! acide sulfurique! acide carbonique. Établir les équations des réactions de dissociation des acides et bases suivants dans l eau. Nommer les ions obtenus :! acide chlorhydrique! hydroxyde de sodium! acide sulfurique! hydroxyde de calcium 3. Établir les équations des réactions qui se déroulent entre l acide chlorhydrique et les métaux suivants. Nommer les produits de la réaction.! magnésium! zinc! fer 4. Établir l équation de la réaction qui se déroule entre l acide sulfurique et l aluminium. Nommer les produits de la réaction. 5. Décrire les méthodes de mise en évidence des gaz suivants :! dihydrogène! dioxyde de carbone ( méthodes) 6. Énoncer une raison pour laquelle la soude caustique fait partie des déboucheurs d évier. 7. Indiquer la couleur du bromothymol! en milieu acide.! en milieu basique. Questions de compréhension 8. Cocher les métaux qui réagissent avec l acide chlorhydrique : aluminium magnésium cuivre calcium or fer 9. Indiquer la couleur du bromothymol en présence! d hydroxyde de calcium,! d acide sulfurique,! de H SO 3,! de NH 4 OH. Justifier la réponse. 10. Indiquer les noms généraux des réactifs d une réaction de neutralisation. 11. Indiquer les noms généraux des produits d une réaction de neutralisation. 138

12 1. Cocher les équations correspondant à des réactions de neutralisation. Équilibrer toutes les équations. Nommer les composés intervenant dans les équations. ( ) H SO + Ca OH CaSO + H O 4 4 HCO 3 HO + CO HCl + Mg OH MgCl + H O ( ) ( ) Al OH HCl AlCl H O 3? Questions à choix multiple (QCM) - Une seule réponse est correcte. 13. Les molécules acides contiennent l élément hydrogène. contiennent le groupement hydroxyde. ne contiennent ni l élément hydrogène, ni le groupement hydroxyde. 14. Un acide introduit dans l eau libère des protons. des anions hydroxyde. ni des protons, ni des anions hydroxyde. 15. Une base introduite dans l eau libère des protons. des anions hydroxyde. ni des protons, ni des anions hydroxyde. 16. On peut mettre le dihydrogène en évidence par le test suivant : il trouble l eau de chaux. il brûle avec un bruit sifflant au contact d une flamme. il éteint la flamme d une bougie. 17. Lors des réactions entre un métal non noble et l acide chlorhydrique, il y a formation du gaz dioxygène. dihydrogène. dioxyde de carbone. 18. L argent ne réagit pas avec l acide chlorhydrique, l argent appartient à la classe des métaux inertes. métaux nobles. métaux non nobles. 139

13 ? Exercice 7.1 Établir les équations des réactions de dissociation des acides et bases suivants dans l eau. a) acide nitrique b) acide carbonique c) hydroxyde de potassium d) hydroxyde de baryum Exercice 7. a) Établir les équations des réactions qui ont lieu entre les métaux suivants et l acide chlorhydrique. Nommer les produits de la réaction.! potassium! calcium! étain (un produit résultant de la réaction est un sel d étain(ii)) b) Établir les équations des réactions qui ont lieu entre les métaux suivants et l acide sulfurique. Nommer les produits de la réaction.! magnésium! lithium! fer (un produit résultant de la réaction est un sel de fer(iii)) c) Dresser les formules des sels et indiquer les noms des sels formés par l action de l acide nitrique sur les métaux! magnésium! aluminium! zinc ( intervient avec la valence II) Exercice 7.3 Établir les équations des réactions de neutralisation entre les acides et les bases suivants. Nommer les produits de la réaction.! hydroxyde de magnésium et acide sulfurique! hydroxyde de calcium et acide sulfurique! hydroxyde de potassium et acide carbonique 140

14 i Info 7.1 Synthèse de l acide chlorhydrique On verse goutte à goutte de l acide sulfurique (H SO 4 ) sur du chlorure de sodium (NaCl) contenu dans un ballon. On observe une effervescence, ce qui indique la production d un gaz. Le gaz formé est recueilli dans un deuxième ballon : c est du chlorure d hydrogène. Équation de la réaction H SO + NaCl HCl + Na SO 4 4 acide chlorure chlorure sulfate sulfurique de sodium d'hydrogène de sodium On ferme le ballon contenant le chlorure d hydrogène à l aide d un bouchon percé d un tube en verre. À travers le tube, on introduit quelques gouttes d eau dans le ballon. Par la suite, on retourne le ballon sur une cuve remplie d eau. L eau gicle avec force dans le ballon. Si l on ajoute quelques gouttes de l indicateur bromothymol à la solution aqueuse dans le ballon, celle-ci se colore en jaune. La solution dans le ballon est acide. Explication Comme le chlorure d hydrogène est un gaz très soluble dans l eau (environ 500 L de chlorure d hydrogène se dissolvent dans 1 L d eau), tout le chlorure d hydrogène contenu dans le ballon s est dissous dans le peu d eau initialement introduite. Par conséquent, il s est créé un vide dans le ballon. La pression atmosphérique extérieure pousse l eau dans le ballon à travers le tube en verre. La solution résultant de la dissolution du chlorure d hydrogène gazeux dans l eau est appelée acide chlorhydrique. 141

15 i Info 7. Indicateurs colorés naturels Dans un laboratoire de chimie, on trouve normalement plusieurs indicateurs colorés permettant de déterminer le caractère acide ou basique d une solution aqueuse. Le bromothymol, présenté dans ce chapitre, est un exemple d un tel indicateur. Ces indicateurs sont synthétisés dans les laboratoires à partir de composés provenant de l industrie chimique. Toutefois, il existe des indicateurs colorés naturels faciles à extraire à partir de certains végétaux. a) Jus de chou rouge Expérience à réaliser à la maison!! Chauffe quelques feuilles de chou rouge dans un peu d eau.! Après quelques minutes, l eau devient violette.! Répartis l eau colorée ainsi obtenue dans deux verres.! Ajoute quelques gouttes de jus de citron ou de vinaigre (tous les deux à caractère acide) dans le premier verre et remue.! Compare la couleur de la solution ainsi obtenue à la couleur de la deuxième solution, gardée comme solution de référence (à caractère neutre). Remarque : jus de chou rouge en solution acide neutre On peut aussi ajouter une solution basique (p.ex. une solution d eau savonneuse) dans un troisième verre de jus de chou rouge. La couleur du jus vire alors au vert. Toutefois, on n ajoute jamais des produits basiques au chou rouge en faisant la cuisine ; pour cette raison, la couleur verte du jus de chou rouge est beaucoup moins connue. 14

16 i Info 7. (suite) b) Thé noir Expérience à réaliser à la maison!! Prépare du thé noir selon les instructions sur le sachet et répartis-le dans deux verres.! Dans l un des verres, ajoute quelques gouttes de jus de citron.! Compare la teinte des deux solutions obtenues. Thé noir en solution acide (à gauche) neutre (à droite) Le jus de chou rouge et le thé noir peuvent donc servir à mettre en évidence le caractère acide d une solution aqueuse. 143

17 i Info 7.3 L échelle ph Sur les étiquettes de beaucoup de boissons et de nombreux produits de nettoyage, on trouve une indication sur la valeur du ph (lat. : potentia Hydrogenii) du liquide. Le ph est une notion qui intervient dans notre vie quotidienne. Indication du ph sur une bouteille d eau minérale Indication du ph sur un gel de douche Le ph permet de caractériser l acidité ou la basicité d une solution aqueuse. Le ph dépend de deux facteurs :! la concentration 4 de l acide ou de la base,! la force de l acide ou de la base concerné. Pour les solutions aqueuses, le ph varie entre 0 et On distingue trois domaines : 0 ph < 7 la solution est acide, plus le ph est faible, plus la solution contient d ions H +, donc plus elle est acide, une diminution du ph d une unité correspond à une multiplication par 10 du nombre d ions H +. ph = 7 la solution est neutre 7 < ph 14 la solution est basique, plus le ph est élevé, plus la solution contient d ions OH -, donc plus elle est basique, une augmentation du ph d une unité correspond à une multiplication par 10 du nombre d ions OH -. 4 la concentration indique la quantité d acide ou de base par unité de volume. 144

18 i Info 7.3 (suite) Le ph peut être évalué à l aide d un mélange d indicateurs colorés connu sous le nom d indicateur universel. La teinte de cet indicateur universel dépend du ph de la solution ; elle peut être comparée à une échelle colorée fournie avec l indicateur pour évaluer le ph. La détermination du ph peut aussi se faire à l aide de papier indicateur imbibé d indicateur universel. Le principe de mesure est le même que pour l indicateur universel liquide, mais permet de déterminer le ph sans colorer la solution. Les liquides biologiques ont des valeurs de ph caractéristiques dont dépend souvent l état de santé ou la survie des organismes. Ainsi le ph du sang de l homme doit être compris entre 7,3 et 7,5. Le suc gastrique sécrété par l estomac a un ph très faible compris entre 1 et 3. L acide chlorhydrique y présent tue les bactéries ingérées avec les aliments. Les sécrétions qui humidifient la peau ont un ph variant entre 5 et 6. Ce caractère acide de la peau protège le corps contre la pénétration de microorganismes. Il est donc à déconseiller de se laver trop souvent avec des savons (basiques), car le savon neutralise la couche protectrice acide de la peau. Pour cette raison, il existe des produits pour se laver dont le ph est à peu près égal à celui de la peau. Les poissons ont besoin d une eau à ph déterminé. Ainsi les poissons d eau douce ne peuvent survivre que si le ph est compris entre 6,5 et 7,5 tandis que les poissons vivant dans la mer sont adaptés à un ph compris entre 8 et

19 i Info 7.3 (suite) L échelle ph coca jus de citron vin dentifrice savon en solution vinaigre jus d'orange bière lait solution de lessive déboucheur d'évier 0 détartrant 146