Réactions acide-base en solution aqueuse

Table des matières Chapitre 21 Réactions acide-base en solution aqueuse Des réactions chimiques avec échange de protons 1 Réaction acide-base : une réaction chimique avec échange de protons 3 1.1 Acide et base selon Brönsted et Lowry (1923) : donneur ou accepteur de proton..... 3 1.2 L eau, une espèce amphotère................................ 4 1.3 Une réaction acidobasique : un échange de proton entre un acide et une base...... 4 2 Constante d acidité : la constante d équilibre de la réaction de dissociation d un acide dans l eau 5 2.1 Une acide fort : la réaction de dissociation est totale.................... 5 2.2 Hydrolyse complète d un acide fort dans l eau........................ 5 2.3 Une acide faible : un équilibre entre la forme acide et la forme basique.......... 5 2.4 La réaction d autoprotolyse de l eau............................ 6 2.5 Utilisation des constantes d acidité pour déterminer la constante d équilibre d une réaction acide-base.......................................... 6 2.6 Modèle de la réaction prépondérante et échelle d acidité.................. 7 3 Composition d une solution en fonction de l acidité du milieu 8 3.1 Une mesure du nombre d ions oxonium : le potentiel hydrogène.............. 8 3.2 Prépondérance de la forme acide ou basique en fonction du ph, le diagramme de prépondérance................................................ 8 3.3 Distribution des formes acides et basiques en fonction du ph, le diagramme de distribution 9

Les prérequis du lycée Concentration, avancement... Couple acide-base ph et constante d acidité Dosage par ph-métrie, dosage par conductimétrie, dosage par colorimétrie, recherche de l équivalence Les prérequis de la prépa Chapitre 7 : modèle de la réaction chimique, coefficient stœchiométrique algébrique, avancement et avancement volumique ; Activités, quotient de réaction, constante d équilibre, critère d évolution 2/10 19 février 2017

1 Réaction acide-base : une réaction chimique avec échange de protons 1.1 Acide et base selon Brönsted et Lowry (1923) : donneur ou accepteur de proton Un acide de Brönsted est une espèce moléculaire ou ionique susceptible de céder / donner un proton H + AH = A + H + BH + = B + H + acide = base + H + Une base de Brönsted est une espèce moléculaire ou ionique susceptible de capter un proton H + A + H + = AH B + H + = BH + base + H + = acide Le couple AH/A (donneur de protons / accepteur de proton) est appelé couple acide-base. Application 1 : Les couples acides bases au programme Donner l équation acido-basique de chacun des couples suivants. On donnera aussi le modèle de Lewis de chacune des espèces. acide sulfurique / ion hydrogénosulfate : H 2 SO 4 /HSO 4 : ion hydrogénosulfate / ion sulfate : HSO 4/SO 2 4 : acide nitrique / ion nitrate : HNO 3 /NO 3 : acide chlorhydrique / ion chlorure : HCl/Cl : acide phosphorique / ion dihydrogénosulfate : H 3 PO 4 /H 2 PO 4 : acide éthanoïque / ion éthanoate : CH 3 COOH/CH 3 COO : dioxyde de carbone / ion hydrogénocarbonate : CO 2(aq) /HCO 3 : ion hydrogénocarbonate / ion carbonate : HCO 3/CO 2 3 : ion ammonium / ammoniac : NH + 4 /NH 3 : Un acide pouvant libérer plusieurs protons est appelé polyacide. Sinon, c est un monoacide polyacide : AH n = A n + nh + 3/10 19 février 2017

Une base pouvant accepter plusieurs protons est appelé polybase. Sinon, c est une monobase. polybase : A n + nh + = AH n Exemple Une espèce qui est l acide d un couple acide / base AH/A et la base d un autre couple acide / base AH 2 /AH est un ampholyte (nm.) ou une espèce amphotère (adj.). ion hydrogénosulfate HSO 4 : ion dihydrogénophosphate H 2 PO 4 : ion hydrogénophosphate HPO 2 4 : eau H 2 O : ion hydrogénocarbonate HCO 3 : ion hydrogénosulfure HS : 1.2 L eau, une espèce amphotère L eau peut jouer à la fois le rôle d acide et de base : l eau est un ampholyte (ou une espèce amphotère). H 3 O + /H 2 O : H 3 O + (aq) = H 2O (l) + H + (aq) H 2 O/HO : H 2 O (l) = HO (aq) + H+ (aq) l ion H 3 O + est appelé ion oxonium (ou parfois hydronium) ; l ion HO est appelé ion hydroxyde. 1.3 Une réaction acidobasique : un échange de proton entre un acide et une base Une réaction acido-basique est une réaction d échange d un proton entre l acide d un couple acide-base 1 et la base d un second couple acide-base 2 A 1 H + A 2 = A 1 + A 2 H Application 2 : Réaction acide-base 4/10 19 février 2017

1 Écrire les réactions acide-bases associées aux couples CH 3COOH/CH 3 COO et HClO/ClO. 2 En déduire la réaction acide-base entre l acide éthanoïque (ou acétique) CH 3 COOH et l ion hypochlorite ClO. 2 Constante d acidité : la constante d équilibre de la réaction de dissociation d un acide dans l eau 2.1 Une acide fort : la réaction de dissociation est totale 2.2 Hydrolyse complète d un acide fort dans l eau On appelle acide (resp. base) fort tout acide (resp. base) dont la réaction d hydrolyse (resp. protonation) est totale AH (aq) + H 2 O (l) A (aq) + H 3O + (aq) K a 1 (resp. B (aq) + H 2 O (l) BH + (aq) + HO (aq) K b 1) 2.3 Une acide faible : un équilibre entre la forme acide et la forme basique On appelle acide (resp. base) faible tout acide (resp. base) dont la réaction d hydrolyse (resp. protonation) n est que partielle AH (aq) + H 2 O (l) = A (aq) + H 3O + (aq) K a (resp. B (aq) + H 2 O (l) = BH + (aq) + HO (aq) K b ) Lorsque la réaction d hydrolyse d un acide est incomplète, on lui associe une constante d équilibre appelée constante d acidité, notée K a AH (aq) + H 2 O (l) = A (aq) + H 3O + (aq), K a ˆ= [A ][H 3 O + ] [AH]C. De même, la réaction de protonation d une base est incomplète, on lui associe une constante d équilibre appelée constante de basicité, notée K b B (aq) + H 2 O (l) = BH + (aq) + HO (aq), K b ˆ= [BH+ ][HO ] [B]C. 5/10 19 février 2017

2.4 La réaction d autoprotolyse de l eau La réaction spontanée d autoprotolyse de l eau est une réaction acide-base mettant en jeu l échange d un proton entre l acide du couple H 2 O/HO et la base du H 3 O + /H 2 O H 2 O (l) + H 2 O (l) = H 3 O + (aq) + HO (aq) La constante d équilibre K e associée à la réaction d autoprotolyse de l eau est appelée produit ionique de l eau K e = [H 3O + ][HO ] C 2 = 10 14 (à 25 C) Application 3 : Concentration en ions hydroxyde On solvate, dans 100 ml d eau pure, 10 3 mol d acide sulfurique H 2 SO 4. 1 En supposant la réaction d hydrolyse totale, donner la concentration en ions oxonium (notée h) et hydroxyde (notée ω) dans l eau. 2.5 Utilisation des constantes d acidité pour déterminer la constante d équilibre d une réaction acide-base (Démo à savoir refaire) Application 4 : Détermination de constante d équilibre Pour le mélange proposé, donner la réaction acide-base thermodynamiquement favorisée et déterminer sa constante d équilibre à 25 C. Donner la constitution du mélange final. Données : [NH 3 ] 0 = [CH 3 COOH] 0 = 0, 1 mol.l 1 NH + 4 /NH 3 CH 3 COOH/CH 3 COO pk A 9,2 4,8. 6/10 19 février 2017

2.6 Modèle de la réaction prépondérante et échelle d acidité Lorsque plusieurs réactions acide-base peuvent avoir lieu en même temps, la réaction possédant la plus grande constante d équilibre est appelée réaction prépondérante. On peut négliger les autres réactions devant la réaction prépondérante (avancement négligeable). Application 5 : Détermination de la réaction prépondérante Pour chaque mélange proposé, donner la réaction acide-base thermodynamiquement favorisée et déterminer sa constante d équilibre à 25 C. Donner la constitution du mélange final. 1 [NH 3 ] 0 = 0, 1 mol.l 1 ; 2 [NH 3 ] 0 = [NH + 4 ] 0 = 0, 1 mol.l 1 ; 3 [CH 3 COOH] 0 = [ClO ] 0 = 0, 1 mol.l 1 ; 4 [HS ] 0 = [CH 3 COOH] 0 = [NH + 4 ] 0 = 0, 1 mol.l 1. Données : NH + 4 /NH 3 CH 3 COOH/CH 3 COO HClO/ClO H 2 S/HS HS /S 2 pk A 9,2 4,8 7,5 7 13. 7/10 19 février 2017

3 Composition d une solution en fonction de l acidité du milieu 3.1 Une mesure du nombre d ions oxonium : le potentiel hydrogène Toute solution aqueuse contenant des ions oxonium H 3 O + peut être caractérisée par son potentiel hydrogène, noté ph, défini comme étant l opposé du logarithme à base 10 de la concentration en ion oxonium ph = log[h 3 O + ] 3.2 Prépondérance de la forme acide ou basique en fonction du ph, le diagramme de prépondérance Une espèce en solution est prédominante devant une autre si sa concentration est supérieure à celle de l autre A prédomine devant B [A] [B]. Une espèce A en solution est majoritaire devant une autre espèce B minoritaire si sa concentration est 10 fois supérieure à celle de l autre A majoritaire devant B [A] 10[B]. Une espèce C est ultraminoritaire si elle négligeable devant une espèce B elle même minoritaire C ultraminoritaire devant A [C] 1 10 [B] 1 100 [A]. (Démo à savoir refaire) Si ph > pk a la base est prédominante : sa concentration est plus importante que celle de l acide ; Si ph < pk a l acide est prédominant : sa concentration est plus importante que celle de la base ; Si ph = pk a Acide et base son en concentration égale ; Un calcul complet permet d obtenir l évolution de la concentration des différents ions. Application 6 : Diagramme de prédominance de l acide carbonique 8/10 19 février 2017

Lorsqu on dissout du dioxyde de carbone dans l eau, on obtient de l acide carbonique, un diacide de constante d acidité CO 2, H 2 O/HCO 3 : pk a = 6, 3 ; HCO 3/CO 2 3 : pk a = 10, 3. 1 Établir le diagramme de prédominance de l acide carbonique. 2 Le ph approximatif d une goutte de pluie est de 5, 5. Quelle est la composition en acide carbonique de cette solution? 3.3 Distribution des formes acides et basiques en fonction du ph, le diagramme de distribution Application 7 : Acide sulfhydrique Soit l acide suflhydrique H 2 S. C est un acide dont on donne la courbe de répartition des espèces. 1 Donner les deux couples acido-basiques et écrire les équations des réactions qui définissent le pk A. 2 Identifier les espèces numérotées 1,2 et 3 sur la courbe. 3 En déduire les valeurs des deux pk A de l acide. 4 On prépare une solution de 5, 0.10 2 mol.l 1 d acide sulfhydrique. Le ph vaut 4,15. Quelle est la composition de la solution? 5 Quelle serait sa composition à ph = 7,5 (si on suppose qu il n y a pas eu dilution). 6 Que doit valoir le ph pour que les concentrations de H 2 S et de la dibase conjuguée soit égales? 7 On prépare une solution de 5, 0.10 2 mol.l 1 de la dibase. Le ph vaut 12,6. Que peut-on dire de la force comparée du diacide et de la dibase? 8 Écrire les réactions qui se produisent lorsque la solution du 4) réagit avec de la soude. de l amoniac NH 3 dont le pk A du couple vaut 9,2 et donner la valeur numérique de la constante d équilibre. 9/10 19 février 2017

Le programme : ce qu il faut savoir faire Notions et contenus Capacités exigibles 1. Description d un système et évolution vers un état final Réactions acido-basiques constante d acidité ; diagramme de prédominance ; exemples usuels d acides et bases : nom, formule et nature ( faible ou forte ) des acides sulfurique, nitrique, chlorhydrique, phosphorique, acétique, de la soude, l ion hydrogénocarbonate, l ammoniac. Réactions de dissolution ou de précipitation constante de l équation de dissolution, produit de solubilité Ks ; solubilité et condition de précipitation ; domaine d existence ; facteurs influençant la solubilité. Déterminer la valeur de la constante d équilibre pour une équation de réaction, combinaison linéaire d équations dont les constantes thermodynamiques sont connues. (Paragraphe 2.5 ; applications 4, 5 et 7 ; exercices 3, 5, 7). Retrouver les valeurs de constantes d équilibre par lecture de courbes de distribution et de diagrammes de prédominance (et réciproquement). (Paragraphes 3.2 et 3.3 ; applications 7 ; exercices 1, 2, 6). Déterminer la composition chimique du système dans l état final, en distinguant les cas d équilibre chimique et de transformation totale, pour une transformation modélisée par une réaction chimique unique. (Paragraphe 2.5 ; applications 4 et 5 ; exercice 7). Utiliser les diagrammes de prédominance ou d existence pour prévoir les espèces incompatibles ou la nature des espèces majoritaires. (Paragraphes 3.2 et 3.3, applications 6 et 7 ; exercices 2, 3, 4, 5, 6 et 7). Prévoir l état de saturation ou de non saturation d une solution, en solide. Exploiter des courbes d évolution de la solubilité en fonction d une variable. Pratiquer une démarche expérimentale illustrant les transformations en solutions aqueuses. (TPs 14, 18...) Approche documentaire : à partir de documents autour du traitement d effluents, dégager par exemple les méthodes de détection d espèces (méthodes physiques ou chimiques), d évaluation des concentrations, ou les procédés et transformations mis en jeu pour la séparation des espèces et la dépollution. 10/10 19 février 2017