I. Réactions entre les acides et les bases

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1 ---- I. Réactions entre les acides et les bases Si on mélange des solutions acides et basiques, il y a modification selon les activités ci-dessous : Activité 1 : Réaction entre l acide sulfurique et l hydroxyde de baryum 1) Verser environ 10 cm d une solution d acide sulfurique (H 2 SO 4 ) à 2 mol/dm dans un tube à essai et tester la conductivité de la solution. 2) Verser environ 20 cm d une solution d hydroxyde de baryum, Ba(OH) 2, à 1 mol/dm dans un bécher de 50 cm et tester la conductivité de la solution avec le montage fixe du conductimètre. ) En utilisant du compte-goutte, ajouter goutte à goutte la solution H 2 SO 4 de 2 mol/dm dans la solution de Ba(OH) 2 du n 2), agiter et compter le nombre de gouttes. Observer le changement de la solution et la luminosité de la lampe pendant l ajout de l acide jusqu à la luminosité de la lampe est constante. Figure 1 Test de la conductivité du mélange des solutions de Ba(OH) 2 et H 2 SO 4 Noter des observations dans le tableau ci-dessous Nombre de gouttes de la Changement solution de H 2 SO 4 Luminosité de la lampe Autres changements 107

2 - Les solutions d acide sulfurique et d hydroxyde de baryum conduisent de l électricité parce que : Quand l acide dissout dans l eau, il se forme ainsi : H 2 SO 4 (aq) + H 2 O(l) H O + (aq) + HSO 4 (aq) HSO 4 (aq) + H 2O(l) H O + (aq) + SO 2 4 (aq) Quand l hydroxyde de baryum se dissout dans l eau, il se dissocie ainsi : Ba(OH) 2 (aq) H 2 O Ba 2+ (aq) + 2 OH (aq) On a vu que dans ces deux solutions, chacune possède assez des ions pour que les solutions peuvent conduire de l électricité. En ajoutant quelques gouttes de la solution d acide sulfurique dans la solution d hydroxyde de baryum, il se produit un précipité blanc insoluble dans l eau, c est donc du sulfate de baryum selon l équation suivante : Ba 2+ (aq) + SO 2 4 (aq) BaSO 4(s) En même temps, l ion hydronium se réunit avec l ion hydroxyde pour former de la molécule d eau selon l équation suivante : H O + (aq) + OH (aq) 2 H 2 O(l) Puisque la quantité de tous les ions dans la solution diminue, la conductivité de la solution est réduite. Dans le cas où la solution d acide sulfurique et la solution d hydroxyde de baryum se réagissent totalement, c est donc le point que la lampe éteigne. Si on ajoute encore de l acide sulfurique, la lampe se rallume de nouveau parce que les ions dans la solution augmentent. Ces ions proviennent de la dissociation de l acide sulfurique ajouté. La réaction entre les ions hydronium de l acide et les ions hydroxyde de la base est appelée la neutralisation. II. Réaction entre un acide ou une base avec certaines substances Essai 1 : Réaction entre HCl et CaCO 1) Mettre environ 5 g de CaCO dans un tube à essai. 2) Ajouter 5 cm de la solution d acide HCl à 1 mol/dm, fermé immédiatement avec un bouchon en caoutchouc inséré du tube à gaz, passer ce gaz dans l eau de chaux, observer le changement. ) À la fin de la réaction, verser la suspension du tube de n 2 dans une coupelle en porcelaine, évaporé et noter. 108

3 Essai 2 : Réaction entre NaOH et FeCl 1) Verser cm de la solution de NaOH à 1,0 mol/dm dans un tube à essai. 2) Ajouter cm de la solution de FeCl à 1,0 mol/dm dans la solution du n 1, agiter, observer le changement et noter. ) Filtrer la substance du n 2 et évaporer le filtrat dans une coupelle en porcelaine et noter. - Écrire les équations des réactions des deux essais. - Dans les essais, y-a-t-il des sels qui se produisent? Lesquels? Sont-ils solubles dans l eau? De l essai 1, lorsque la solution d acide HCl réagit avec CaCO, il se forme un gaz donc on pourrait tester que c est du gaz CO 2 et l évaporation un peu de liquide dans le tube se produit un solide blanc qui est le CaCl 2 selon l équation : CaCO (s) + 2 HCl(aq) CaCl 2 (aq) + 2 H 2 O(l) + CO 2 (g) CaCl 2 (aq) t CaCl 2 (s) De l essai 2, lorsque la solution de NaOH réagit avec FeCl, il se forme un précipité brun, c est Fe(OH) et l évaporation un peu de liquide dans le tube se produit un solide blanc qui est le NaCl selon l équation : FeCl (aq) + NaOH(aq) Fe(OH) (aq) + NaCl(aq) NaCl(aq) t NaCl(s) En conclusion, les deux essais produisent des sels solubles dans l eau. III. Réaction d hydrolyse Pourquoi les composés des sels solubles dans l eau peuvent être acides, bases ou neutres, on va étudier dans les activités suivantes : Activité 2 : La mesure du ph de la solution avec des indicateurs universels. 1) Mettre dans chacun des tubes à essai, cm des solutions suivantes : NaCl, NH 4 Cl et CH COONa. 2) Ajouter dans chacun des trois tubes, gouttes de l indicateur universel, agiter, observer la couleur de la solution et comparer avec la couleur de l indicateur universel dans la solution de divers ph pour vérifier la valeur du ph de la solution étudiée. - laquelle de ces solutions représente le caractère acide, basique ou neutre, pour quelle raison? 109

4 Lorsqu on fait dissoudre les trois types de sel dans l eau et mesure la valeur du ph de la solution avec l indicateur universel, on a vu que la solution de NaCl a un ph environ 7, la solution du sel NH 4 Cl a un ph inférieur à 7 et la solution du sel CH COONa a un ph supérieur à 7. Les trois types de sel ont des ph différents, on pourrait expliquer ainsi : NaCl dissous dans l eau se dissocie en Na + et Cl, mais les ions Na + et Cl provenant de l acide fort et de base forte, ces deux ions ne réagissent pas avec l eau, donc la solution contient encore la quantité de H O + et OH provenant de l ionisation de l eau, c est pourquoi la solution de NaCl est neutre. NH 4 Cl dissous dans l eau se dissocie en NH 4 et Cl, l ion Cl provenant de l acide fort ne réagit pas avec l eau, mais l ion NH 4 provenant d une base faible peut réagir avec l eau, donc la solution possède plus d ion H O + que OH, ce qui donne à cette solution un ph inférieur à 7, la solution possède donc le caractère acide selon l équation : NH 4 Cl(s) H 2 O NH 4 (aq) + Cl (aq) NH 4 (aq) + H 2O(l) NH (aq) + H O + (aq) Cl (aq) + H 2 O(l) CH COONa dissous dans l eau se dissocie en Na + et CH COO, puisque l ion Na + provenant de la base forte, il ne réagit pas avec l eau, mais l ion CH COO provenant de l acide faible peut réagir avec l eau et produit des ions OH, la solution possède donc le caractère basique selon l équation : CH COONa (s) H 2 O Na + (aq) + CH COO (aq) CH COO (aq) + H 2 O(l) CH COOH(aq) + H O + (aq) Na + (aq) + H 2 O(l) La réaction qui se produit à partir des cations et anions provenant du sel pour donner H O + ou OH dans la solution est appelée réaction d hydrolyse. De l expérience, on peut conclure que NH 4 Cl et CH COONa peuvent produire la réaction d hydrolyse, tandis que NaCl ne se produit pas. En résumé : - Une solution du sel est neutre si le sel provient d un acide fort et d une base forte ou d un acide faible et d une base faible. - Une solution du sel est acide si le sel provient d un acide fort et d une base faible. - Une solution du sel est basique si le sel provient d un acide faible et d une base forte. 110

5 IV. Le titrage acido-basique Le titrage acide / base consiste en la détermination de la quantité d acide (ou de base) présente dans une solution inconnue (appelée espèce titrée), en la neutralisant au moyen d une solution de base (ou d acide) de titre connu (appelée espèce titrante). Il s agira de détecter de manière sensible et précise le terme du titrage en mettant en évidence le saut du ph survenant au terme de la neutralisation. Ce but sera atteint grâce à l addition d une faible quantité d un indicateur coloré approprié, dont la zone de virage correspond au ph de neutralisation. Le titrage acide base est basé sur les réactions acido-basiques. Tous les acides et les bases peuvent être titrés avec des solutions de bases fortes ou d acides forts respectivement. Ce sont les titrages volumétriques les plus répandus. Selon le type d agent titrant, on parle de : - titrage acidimétrique ou titrage acide-base : l opérateur fait couler goutte à goutte un acide dans un volume déterminé de base ; - titrage alcalimétrique ou titrage base-acide : l opérateur fait couler goutte à goutte un acide dans un volume déterminé d acide. Le pont d équivalence est connu entre autres, grâce à un indicateur coloré ajouté dans la solution inconnue ou grâce à une variation du ph. Avant l équivalence, la solution titrante, immédiatement consommée, est limitante. Il y a diminution de la concentration en ions titrés, et augmentation de la concentration en ions témoins de la solution titrante, ce qui entraîne une diminution ou une augmentation de la conductivité de la solution. À l équivalence, la solution titrante et la solution titrée ont réagi dans les proportions stœchiométriques. Les deux réactifs sont limitants et entièrement consommés (à l exception des ions témoins). Après l équivalence, l espèce dont on cherche le titre, totalement consommée, devient limitante. Par conséquent, si l on continue d ajouter de la solution titrante, le réactif titrant n est pas consommé : cela permet de savoir que l équivalence a été dépassée. L équivalence est donc le changement de réactif limitant. 111

6 Quelques exemples de choix d indicateurs colorés appropriés à la variation de ph sur laquelle il change de couleur. Titrage acidebase Titrage d un acide fort par une base forte Titrage d un acide faible par une base forte Titrage d un acide fort par une base faible Titrage d un acide faible par une base faible ph de la solution des produits Zone de virage (variation de ph sur laquelle il change de couleur) ph = 7 ph = -11 ph > 7 ph = 7-11 ph < 7 ph = -7 Impossible de dire, cela dépend de l acide et la base Indicateur coloré au choix pour le titrage - Méthyl orange (intervalle de ph =,1-4,4) - Bleu de bromothymol, BBT (intervalle de ph =,1-4,4) - Phénolphtaléine (intervalle de ph = 8,- 10,0) Phénolphtaléine (intervalle de ph = 8,-10,0) Méthyl orange (intervalle de ph =,1-4,4) Dans le cas de l acide faible et de base faible, il y a très peu de variation de la valeur de ph puisque l acide faible et la base faible sont très peu réagir donc l utilisation de l indicateur coloré dans laquelle il change de couleur du point d équivalence peut provoquer des erreurs ou ne pourrait pas observer, donc on doit se faire avec beaucoup de précaution. Le titrage entre un acide et une base 1) Verser un volume précis de NaOH de concentration connu dans une burette. Ajuster le liquide jusqu à la marque zéro de la burette. 2) Le volume de la solution de HCl de concentration inconnue est prélevé au moyen d une pipette de volume déterminé et est placé dans un erlenmeyer de 200 cm, ensuite y ajouter 2- gouttes de phénolphtaléine. 112

7 ) Verser peu à peu la solution de NaOH de la burette dans la solution de HCl dans l erlenmeyer en agitant jusqu à ce que couleur de la solution dans l erlenmeyer se transforme en rose, cela veut dire que la solution atteint le point d équivalence, noter le volume de NaOH. 4) Recommencer le processus encore deux fois avec le même inconnu acide. Si vos valeurs ont une différence de 0,1 ml ou 0,2 ml, vos données sont bonnes. Si la différence est plus élevée recommencez une troisième fois ou jusqu à ce que vos données aient une différence de 0,1 ml ou 0,2 ml. 5) Déterminer la quantité moyenne de la solution de NaOH utilisée dans la réaction avec la solution de HCl et calculer la concentration de HCl par la formule C V C V. a a b b Le point d équivalence du titrage de la solution de NaOH avec la solution de HCl devrait être la réaction entre l acide forte et la base forte pour donner du sel neutre d où le ph = 7. Montage pour faire un titrage. La burette contient une solution titrante, et l erlenmeyer la solution à titrer. 11

8 V. Calculs à partir du titrage acido-basique 1) Déterminer en utilisant le nombre de moles d acide ou de base lié avec l équation de la réaction. 2) Déterminer en utilisant la formule a CaVa b CbVb C a, C b sont les concentrations des solutions acides et bases respectivement, les unités sont en mol/dm. V a, V b sont les volumes des solutions acides et bases respectivement, les unités sont en ml. a représente le nombre d ions H + dissocié par l acide tel que : HCl a = 1, CH COOH a = 1, H 2 SO 4 a = 2. b représente le nombre d ions OH dissocié par la base telle que : dans NaOH b = 1, Ca(OH) 2 a = 2. Exemple 1 : On réalise le titrage de 20 cm d une solution d acide nitrique (HNO ) à 0,1 mol/dm avec 0 cm d une solution d hydroxyde de sodium (NaOH). Quelle est la concentration de la solution d hydroxyde de sodium? Méthode de résolution 1 : Déterminer à partir de l équation HNO (aq) + NaOH(aq) NaNO (aq) + H 2 O(aq) 0,1 mol/dm X mol/dm 20 cm 0 cm 0, mol = 2 10 D après l équation : X NaOH mol HNO mol X La concentration de NaOH = Méthode de résolution 2 : = X mol 2 X = 6,67 10 mol/dm 10 Déterminer à partir de la formule Remplacer par la valeur 1 cm 0,1 mol / dm 20 = 6,67 10 mol / dm a C V b C V a 1 0,1 C b 0 cm a b b 114

9 C b ,67 10 IV. Théorie de la dissociation des substances électrolytiques La concentration de NaOH = mol / dm 6,67 10 mol / dm Le titrage acide base n est pas à l équivalence, c est-à-dire qu après le titrage, il reste de l acide ou de la base. La méthode de déterminer, il faut écrire l équation bilan équilibrée, ensuite chercher le nombre de moles d acide ou de base et considérer quel acide ou quelle base est limitant et d utiliser le réactif limitant pour calculer la suite. Exemple 1 : On fait réagir 100 cm d une solution d acide chlorhydrique (HCl) à 0,4 mol/dm avec 50 cm d une solution d hydroxyde de sodium (NaOH) à 0,2 mol/dm. Quel est le ph de la solution mélangée et dite si cette solution est acide, basique ou neutre? Solution Déterminer le nombre de moles des deux réactifs pour savoir quel réactif est limitant. - Nombre de mole de 100 cm (= 0,1 dm ) d une solution HCl à 0,4 mol/dm : D après la formule : C = V n n (HCl) = CV = 0,4 mol/dm 0,1 dm n (HCl) = 0,04 mol = 410 mol - Nombre de mole de 50 cm (= 0,05 dm ) d une solution NaOH à 0,2 mol/dm : n (NaOH) = CV = 0,2 mol/dm 0,05 dm n (NaOH = 0,01 mol = 110 mol - D après l équation de titrage : NaOH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) n (NaOH) = n (HCl) mais dans l énoncé n (HCl) n (NaOH) donc n (HCl) reste = 410 mol 110 mol = 10 mol et le volume de la solution finale étant = 150 cm = 1510 dm - Concentration de la solution après le titrage : n V mol dm C (HCl) = [H O + ] = = 0,2 = mol/dm - ph de solution mélangée : ph = log [H O + ] 115

10 ph = log ph = log 2 log 10 1 ph = 0, = 0,699 ph = 0,699 ph 7 la solution est donc acide Écrire l équation de la réaction entre des acides et des bases suivants : a) HCl et Ca(OH) 2. b) H 2 CO et KOH. c) HCl et Ba(OH) 2. d) HNO et NaOH. 2. Les sels suivants proviennent de quel acide et quelle base? a) KBr. b) NaNO. c) MgSO 4. d) K 2 CO. e) NaHSO 4. f) CH COONa. g) CH COONH 4. h) CaCO.. Les solutions qui contiennent les sels énumérés ci-dessous sont-elles acides, basiques ou neutres? a) NaHCO. b) K 2 S. c) Al 2 (SO 4 ). d) K 2 CO. e) NaI. f) Na PO Quels ions dans les solutions des sels suivant peuvent donner des réactions d hydrolyse? a) KCN. b) CH COOLi. c) NaClO 4. d) (NH 4 ) PO 4. e) Na 2 CO. f) KNO. 5. On fait réagir 18 cm d une solution de NaOH avec 25 cm d une solution de CH COOH à 0,1 mol/dm. Quelle est la concentration de NaOH? 6. Le titrage de 50 cm d une solution HCl à 0,1 mol/dm en ajoutant 45 cm de solution NaOH à 0,1 mol/dm. Quel est le ph de la solution après le titrage? (log 5, = 0,724)