Chapitre 2. Réactions acido-basiques Exemples de réactions acido- basiques : o Le contrôle de l acidité du sang par l organisme est basé sur des réactions acido- basiques ( toute variation peut provoquer la mort!) o Dans l industrie : les réactions acido- basiques sont utilisées lors de la fabrication des engrais et des polymères 2.1. Le ph et la réaction acido-basique a) Le ph Expérience : Mesurer le ph des différentes solutions : eau distillée, eau du robinet, acide chlorhydrique (HCl (aq)), acide éthanoïque (CH 3COOH (aq)), soude (NaOH (aq)), solution d éthanoate de sodium (CH 3CooNa (aq)) en déposant une goutte de solution sur un papier ph à l aide d une baguette en verre. Recommencer les mesures à l aide d un ph- mètre en plongeant la sonde dans un bécher de 100 ml contenant une quantité suffisante de solution. En général, toute solution aqueuse ayant un ph<7 est un acide. Les solutions aqueuses ayant un ph>7 sont des bases. Le ph d une solution aqueuse diluée (concentration inférieure à 0,1 mol.l - 1 ) est défini par : ph=- log[h 3O + ] où [H 3O + ] représente la valeur numérique de la concentration en ions oxonium lorsqu elle est exprimée en mol.l - 1. Le ph d une solution aqueuse est compris entre 0 et 14. b) La réaction acido- basique Expérience : dans un ballon fermé rempli de chlorure d hydrogène HCl (g), on insère un tube contenant quelques gouttes d eau. L autre extrémité du tube est immergée dans un cristallisoir contenant de l eau distillée et de l hélianthine. A température ambiante, le HCl est un gaz très soluble dans l eau. Suite à sa dissolution dans l eau, la pression baisse dans le ballon. L eau du cristallisoir est aspirée dans le flacon et forme un jet. Une solution acide est recueillie dans le flacon l hélianthine se colorie en rouge). Un test de mise en évidence des ions chlorure Cl - (aq) (test a u nitrate d argent AgNO 3) est effectué sur la solution recueillie dans le ballon. La réaction de dissolution a comme réactif le HCl (g) et l eau. Les produits identifiés suite à cette réaction sont les ions Cl - (aq) (test au AgNO 3) et oxonium (la solution devient acide) : 1
Le HCl (g) ( chlorure d hydrogène) réagit donc avec l eau en cédant un proton selon réaction ci- dessous. La solution aqueuse obtenue est appelée solution aqueuse d acide chlorhydrique, notée HCl (aq). Cette réaction est une réaction acido- basique. Toute réaction acido- basique est interprétée comme un transfert de proton (H + ) entre un acide (donneur de proton) et une base ( accepteur de proton). c) La théorie de Brönsted de l acido- basicité Plusieurs théories de l acido- basicité ont été proposées dans l histoire de la chimie (http://fr.wikipedia.org/wiki/acide). Dans ce cours on va utiliser la définition de l acide telle selon Bronsted et Lowry (1923). un acide est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs protons (H + ) lors d une réaction une base est une espèce chimique capable de fixer un ou plusieurs protons lors d une réaction chimique Observation : lors des réactions d oxydoréduction il y avait un transfert d électrons entre un donneur ( le réducteur) et un accepteur (l oxydant) : Red Ox+ne - Pour une réaction acido- basique il s agit d un transfert de protons : Acide Base + nh + Observation : En général n=1 (exemples HCl, HNO 3). Mais on connaît des espèces chimiques acides capables de céder 2 ou 3 H + (acide sulfurique H 2SO 4, acide phosphorique H 3PO 4). On parle en ce cas de polyacides. Comme dans le cas des réactions d oxydoréduction, le donneur et l accepteur sont réunis sous la forme d un couple acido- basique : acide/base écrit conventionnellement HA/A - ou BH + /B Une réaction acido- basique est donc une réaction lors de laquelle un transfert de H + se fait entre l acide d un couple et la base d un autre couple. Exemples : 1) CH 3COOH (aq) + NH 3(aq) CH 3COO - (aq) + NH + 4(aq) Les couples acido- basiques impliqués sont CH 3COOH (aq)/ CH 3COO - (aq) et NH + 4(aq)/ NH 3(aq) 2) H 3O + (aq) + CN - (aq) H 2O (l) +HCN (aq) Les couples acido- basiques impliqués sont H 3O + (aq)/ H 2O (l) et HCN (aq)/ CN - (aq) 3) La réaction d autoprotolyse de l eau Il s agit d une réaction acido- basique qui implique les deux couples de l eau H 3O + (aq)/h 2O (l) et H 2O (l)/ho - (aq). La réaction a lieu entre H 2O (l) en tant qu acide du couple H 2O (l)/ho - (aq) et H 2O (l) en tant que base du couple H 3O + (aq)/h 2O (l) : H 2O (l) + H 2O (l) H 3O + (aq) + HO - (aq) L eau est donc l acide d un couple et la base d un autre couple. Une telle espèce chimique s appelle ampholyte (ou espèce amphotère).! D autres espèces chimiques sont des ampholytes. Par exemple, l ion hydrogénocarbonate!!() qui est!!!! impliqué dans les couples H! O, CO!() /HCO!() et HCO!() /CO!() 2
2.2. Force des acides et des bases Manip. : On mesure le ph de deux acides, par exemple HCl (aq) et CH 3COOH (aq). Les deux solutions ont la même concentration en soluté apporté 1,00.10-2 mol.l - 1. On obtient : ph(hcl)=2,0 ph(ch 3COOH)=3,4 Cas du HCl : L équation de la réaction qui a permis d obtenir cette solution acide est : Le tableau d avancement associé est : 10-2 excès 0 0 10-2 - y max =0 excès y max y max=10 - ph =10-2 => HCl (g) est entièrement dissocié à la fin de la réaction. Cette réaction est une réaction totale. HCl (g) cède facilement son proton (H + ) à l eau. On dit qu il est un acide fort. Cas du CH 3COOH (aq) : L équation de la réaction qui a permis d obtenir cette solution acide est : CH 3COOH (l) + H 2O (l) CH 3COO - (aq) + H 3O + (aq) Le tableau d avancement associé est : CH 3COOH (l) + H 2O (l) H 3O + (aq) + CH 3COO - (aq) 10-2 excès 0 0 10-2 - y max =9,6.10-3 excès 10-3,4 y max=10 - ph =10-3,4 Très peu de CH 3COOH (l) a été dissocié. A la fin de la réaction aucun des réactifs n est entièrement consommé. On dit que la réaction est limitée. Le symbole doit être remplacé par pour signaler qu il s agit d un état d équilibre qui signifie que les deux réactions, celle directe (CH 3COOH (l) + H 2O (l) CH 3COO - (aq) + H 3O + (aq)) et l inverse (CH 3COOH (l) + H 2O (l) CH 3COO - (aq) + H 3O + (aq)) ont lieu au même temps et en permanence. L acide CH 3COOH est très peu dissocié (seulement 4%). C est un acide qui cède difficilement un proton lors d une réaction avec une base. On l appelle, par conséquent, acide faible. En conclusion : Un acide est d autant plus fort qu il cède facilement un proton. Le cas extrême est celui d un acide qui est entièrement dissocié dans l eau. On appelle : Acide fort = un acide entièrement dissocié dans l eau Acide faible = un acide partiellement dissocié dans l eau La dissolution d un acide faible dans l eau s accompagne d un équilibre : HA + H 2O (l) A - (aq) + H 3O + (aq) Cet équilibre est décrit par une grandeur nommée constante d acidité du couple HA/A -, définie par :!! =!!!!!! Toutes les concentrations sont exprimées en mol.l - 1.!!,!!!!, représentent les valeurs numériques de ces concentrations. K a n a pas de dimension est dépend que de la température. Plus la valeur de K a est grande, plus l acide est fort ( équilibre déplacé dans le sens de la dissociation de l acide). 3
Etant données les valeurs de K a, en pratique on utilise le cologarithme décimal de K a, c est- à- dire : pk a = - log K a Exemple : le couple CH 3COOH (l)/ CH 3COO - (aq) a pk a=4,8 2.3. Echelle de pka 2.4. Diagrammes de prédominance Un diagramme de prédominance donne l espèce acido- basique majoritaire en fonction de ph. Une espèce est dite prédominante si sa concentration est 10 fois supérieure à celle des autres espèces. Pour établir un diagramme de prédominance d un couple HA/A - on calcule le cologarithme décimal dans l expression de K a : K! = A! H! O! HA logk! = log A! HA log H!O! d où : Si l espèce A - est majoritaire,!! > pk a+1 pk! = log A! HA + ph =!!! + #!!!! > et log > log10 = 1 et l expression antérieure conduit à ph Si l espèce HA est majoritaire,!!!! < et log < log10 = 1 et la relation entre ph et pka conduit à ph < pk a+1 Ces résultats peuvent être mis sous forme du diagramme ci- dessous : Exemple 1: Le pk a du couple CH 3COOH (l)/ CH 3COO - (aq) est pk a=4,8. Le diagramme de prédominance pour ce couple est donc : 4
On peut aussi tracer un diagramme de prédominance simplifié : Exemple 2: Le bleu de bromothymol est un indicateur coloré obtenu par synthèse. Il permet la mesure de ph des eaux de piscine ou d'aquarium. C'est un couple acide / base, noté HInd/Ind -, la forme acide est jaune, la forme basique bleue. Son pka est 6,8. Le diagramme de prédominance de ce couple est : 2.5. Solutions tampon Une solution tampon est une solution dont le ph varie très peu lorsque l on ajoute des quantités modérées d acide et/ou de base, ou par dilution modérée. Une solution tampon peut être réalisée : par ajout d acide fort dans une solution de base faible par ajout de base forte dans une solution d acide faible par mélange direct d un acide et de sa base conjuguée Exemple : pouvoir tampon et ph sanguin La vie humaine n est compatible qu avec un ph sanguin compris entre 7,0 et 7,8. Pour assurer cet intervalle de ph, le sang possède 3 tampons : 1. le couple H 2CO 3(aq)/HCO - 3(aq) qui agit pour 55% du pouvoir tampon global (H 2CO 3(aq) représente la forme dissoute du CO 2(g) dans l eau et HCO - 3(aq) l ion hydrogénocarbonate) 2. le couple HbHO 2/HbO - (hémoglobine) (40% du pouvoir tampon global) 3. le couple H 2PO - 4(aq)/HPO 2-4(aq) (dihydrogénophosphate/hydrogénophosphate, 5% du pouvoir tampon global) La concentration de H 2CO 3(aq) est réglée par la respiration ( plus ou moins de CO 2 dissout dans le sang), HCO - 3(aq) est fourni et éliminé par les reins. Ce tampon est le plus actif et le plus rapide parmi les 3. 5