Objectifs - ppliquer la loi d action de masse aux réactions acide base. - ppliquer les conditions d évolution pour des systèmes contenant des acides et des bases. - Classer les acides et les bases en utilisant leur constante d acidité ou de basicité. - ph des solutions aqueuses d acides et de bases de rönshted.
Plan du cours I - Rappels Définitions des acides et des bases selon la theorie ronsted-lowry. Représentation conventionnelle d un couple acide/base et écriture de son équation électronique formelle. Relation entre la concentration des ions hydronium et le ph: [H 3 O ] 10 -ph. Produit ionique de l eau II- pplication de la loi d action de masse à la réaction d un acide H avec l eau.constante d acidité. III- Classification des acides IV- pplication de la loi d action de masse à la réaction d une base avec l eau. Constante de basicité. V- Classification des bases. VI- Relation et. VII- pplication de la loi d action de masse à une réaction acido-basique. Constante d équilibre d une réaction acide base. VIII- ph des solutions d acides et de bases - ph d une solution aqueuse d acide fort - ph d une solution aqueuse d acide faible - ph d une solution aqueuse de base forte - ph d une solution aqueuse de base faible
LES CIDES ET LES SES I - Rappels Définitions des acides et des bases selon la théorie ronsted-lowry. -Un acide est toute entité chimique qui libère un proton H au cours d une réaction chimique. -Une base est toute entité chimique qui capte un proton H au cours d une réaction chimique. Représentation conventionnelle d un couple acide/base et ecriture de son équation électronique formelle. - Toute entité chimique acide se transforme en sa base conjuguée en libérant un proton H. L ensemble entité acide et sa base conjuguée constituent un couple acide base noté forme acide /forme basique L écriture formelle de la réaction d un acide s écrit généralement de la forme H H/ - constitue un couple acide base Exemples de couples acides base H - CH 3 COOH/CH 3 COO - NH 4 /NH 3 HSO 4 - / SO 4 - - Toute entité chimique se transforme en son acide conjugué en captant
un proton H. L écriture formelle de la réaction d une base s écrit généralement de la forme H H Le couple s écrit H / Relation entre la concentration des ions hydronium et le ph: Le ph d une solution est donné par la relation ph- log [H 3 O ] ainsi que [H 3 O ]10 -ph Cette relation reste valable pour des solutions ni trop concentrées ni trop diluées ce qui va être le cas de toutes les solutions étudiées. II- pplication de la loi d action de masse à la réaction d un acide H avec l eau.constante d acidité. L équation de la réaction de la forme acide H d un couple avec l eau s écrit de la forme L eau dans ce cas est un solvant H H O H 3 O - ppliquons la loi d action de masse a cette réaction on a alors : H3O [ H] Cette constante est appelée constante d acidité du couple H/ -. Et ne dépend que de la température Exemples de constantes d acidité de quelques couples acide base 5 C.
1 ( CH 3 COOH / CH 3 COO - ) 10-4,8 ( HF / F - ) 10-3, 3 ( NH 4 /NH 3 ) 10-9,. 4 ( HS - / S - ) 10-13. 5 ( HCOOH / HCOO - ) 10-3,8. III- Classification des acides Un acide H est d autant plus fort que sa constante d acidité est plus grande. Pour des commodités de calculs on définit le p d un couple acide base par p -log ce qui donne aussi 10 -p Donc un acide est d autant plus fort que son est grand et son p est petit. Pour classer les acides précédents il suffit de comparer leurs valeurs de ou leurs valeurs de p. HS - NH 4 HCOOH p 13 9, 3,8 3, HF S - NH 3 HCOO - F- cidité croissante IV- pplication de la loi d action de masse à la réaction d une base avec l eau. Constante de basicité.
On définit a constante de basicité d un couple acide base comme étant la constante d équilibre de la réaction de sa forme basique avec l eau ; La forme basique d un couple /H réagit avec l eau suivant la réaction d équation générale qui s écrit de la forme : H O H OH - En appliquant la loi d action de masse et prenant [H O]1 car c est un solvant, on a H OH [ ] Exemples de constantes de basicité de quelques couples acide base 5 C. 1 ( CH 3 COOH / CH 3 COO - ) 10-9, ( HF / F - ) 10-10,8 3 ( NH 4 /NH 3 ) 10-4,8. 4 ( HS - / S - ) 10-1. 5 ( HCOOH / HCOO - ) 10-10,. V- Classification des bases. Une base est d autant plus forte que sa constante de basicité est grande Pour des commodités de calcul on définit le p -log. Une base est d autant plus forte que sa constate de basicité est grande
et son p est petit. En comparant la basicité des couples acides base précédents. HF HCOOH p 10,8 10, NH 4 4,8 HS - 1 F- HCOO - NH 3 S - asicité croissante VI- Relation et. Sachant que 10 -p -p -p 10 et 10. En faisant le produit des valeurs de et de pour le couple CH 3 COOH / CH 3 COO - on remarque que. Le produit 1. 1 10-4,8.10-9, 10-14. Ceci est bien le cas de tous les couples acide/base On peut donc généraliser pour tous les couples acide /base, le produit de la constante d acidité par la constante de basicité est égal à 10-14 à 5 C. Cette valeur est bien particulière. En effet en replaçant et d un même couple par leurs expressions on trouve par exemple pour le cas du couple de l acide éthanoïque que [ ] - CH3COO H3O CH3 COOH OH 1. 1. H - 3O. OH [ CH3COOH] CH3COO Ce qui est égal au produit ionique de l eau, qui n est autre que la constante d équilibre de la réaction d autoprotolyse de l eau et égal à 10-14 à 5 C. La réaction d autoprotolyse de l eau est modélisée par l équation
H O H 3 O OH -. La constante d équilibre associée à cette réaction est notée e elle est égale à e [H 3 O ].[OH - ]e 10-14.à 5 C VII- pplication de la loi d action de masse à une réaction acido-basique. Constante d équilibre d une réaction acide base. Une réaction acide base met en jeu deux couples acide/base 1 / 1 et / dont l un fait réagir sa forme acide et l autre fait réagir sa forme basique. Les deux couples réagissent suivant une réaction d équation générale qui s écrit de la forme : 1 1. En appliquant la loi d action de masse, la constante d équilibre de cette réaction s écrit : [ 1] [ ] [ ] [ ] 1 Soit en multipliant au numérateur et au dénominateur par la concentration des ions hydronium on a : [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] H O [ ] [ ] [ ] H O [ ] H O 1 [ ] [ ] [ ]. Ce qui donne aussi 1 1 3 1 3 1 1 1 3 1 H 3O 10 10 p1 p1 1 (p1 p ) 1 (p1 p ) 10 10 p p 10 10 Cette réaction est déplacée dans le sens de la consommation de l acide le plus fort avec la base la plus forte.
On supposera que la réaction est totale ou quantitative quand la constante d équilibre dépasse la valeur de 10 4. VIII- ph des solutions d acides et de bases - ph d une solution aqueuse d acide fort Un acide est dit fort quand il se dissocie totalement dans l eau. Sa réaction avec l eau s écrit H H O - H 3 O H O H 3 O OH -. Toute réaction se produisant en milieu aqueux, est siège de l équilibre de l autoprotolyse de l eau En négligeant les ions provenant de l autoprotolyse de l eau on peut dire que n(h) introduit n(h 3 O ) en divisant par volume de la solution on a pour un acide fort n(h) n(h O ) V V int roduit 3 ph C H3O 10 Soit en appliquant la fonction logarithme décimal Log C log(10 -ph ) -ph On a alors pour un acide fort ph logc Tableau d avancement
Équation chimique H H O - H 3 O État du système vancement Quantités de matière État initial 0 n 0 (H)CV Excès 0 0 En cours de transformation x CV - x Excès x x État final x f CV - x f Excès x f x f CV-x Max 0 ; x Max CV La mesure de ph permet de calculer la valeur de la concentration des ions hydronium tels que [H 3 O ]10 -ph. Or d après le tableau d avancement on peut dire que x f n(h 3 O ) V. [H 3 O ]V.10 -ph. En calculant la valeur du taux d avancement final on trouve ph xf 3 3 10 τ 1 ; Max H O.V H O x CV C C Ce qui montre que la réaction est total. Exemple : Si on dissout du chlorure d hydrogène dans de l eau pour avoir une solution de concentration initiale C10 -, la mesure du ph donne ph - ph d une solution aqueuse d acide faible
Un acide est dit faible quand il se dissocie partiellement dans l eau. Sa réaction avec l eau s écrit H H O - H 3 O H O H 3 O OH -. Toute réaction se produisant en milieu aqueux, est siège de l équilibre de l autoprotolyse de l eau En négligeant les ions provenant de l autoprotolyse de l eau on peut dire que n(h) introduit >n(h 3 O ) En divisant par volume de la solution on a pour un acide fort n(h) n(h O ) V V H3O < C ; log( H3O ) < logc donc -log( H3O ) > logc int roduit 3 ph C > H3O 10 ph > logc Pour un acide faible Tableau d avancement Équation chimique H H O - H 3 O État du système vancement Quantités de matière État initial 0 n 0 (H)CV Excès 0 0 En cours de transformation x CV - x Excès x x État final x f CV - x f Excès x f x f
D après le tableau d avancement CV-x Max 0 ; x Max CV La mesure de ph permet de calculer la valeur de la concentration des ions hydronium tels que [H 3 O ]10 -ph. Or d après le tableau d avancement on peut dire que x f n(h 3 O ) V. [H 3 O ]V.10 -ph. En calculant la valeur du taux d avancement final on trouve ph xf 3 3 10 τ < 1 ; Max Ce qui montre que la réaction est limité. H O.V H O x CV C C D après le tableau d avancement on peut écrire aussi que [ - ] [H 3 O ]10 -ph. insi que [H] C - [H 3 O ] C - 10 -ph En remplaçant chaque terme par son expression dans l expression de la constante d acidité on trouve ph 3 3 H O H O 10 [ H] C H C 10 3O Dans le cas d un acide faible et faiblement dissocié On peut négliger la concentration des ions hydronium devant la concentration C, ce qui donne [ H]C- H3O C ph L expression de la constante d acidité s écrit ph 3 3 H O H O 10 H C C [ ] En appliquant la fonction logarithme on a 10 C ph
Exemple : ph 10 log( ) log( ) C p -.ph-logc 1 ph [ p logc] On a donc pour un acide faible et faiblement dissocié 1 ph [ p logc] Si on dissout de l acide éthanoïque dans de l eau pour avoir une solution de concentration initiale C10 -, la mesure du ph donne ph3,4. Ce qui montre que le ph3,4 est bien supérieur à logc-log(10 - ) - ph d une solution aqueuse de base forte Une base est dite forte quand elle réagit totalement avec l eau, son équation bilan s écrit de la forme H O H OH - H O H 3 O HO - D après l équation bilan et dans les proportions stœchiométriques on a n(oh - ) n() introduit. Soit en divisant par le volume de la solution on trouve - n(oh ) n() introduit. n() V V OH C - n(oh ) introduit La solution étant une solution aqueuse, la mesure du ph nous permet de déterminer la valeur de la concentration des ions hydronium H 3 O et puis en déduire la valeur de la concentration des ions hydroxydes OH -.
Soit en appliquant la fonction logarithme OH C 14 e 10 ph H 10 3O 14 ph 10 C 14 ph 10 C 14 ph 10 C 14 ph ( ) log 10 logc 14 ph logc ph 14 logc Le ph d une solution aqueuse de base forte vérifie la relation ph 14log C Exemple Pour une solution de base forte de concentration C10 - mol.l -1 la mesure du ph donne ph14-log(10 - )1 Tableau d avancement de la réaction d une base forte avec l eau Équation chimique H O H OH - État du système vancement Quantités de matière État initial 0 n 0 ()CV Excès 0 0 En cours de transformation x CV - x Excès x x État final x f CV - x f Excès x f x f La valeur de avancement maximal est telle que CV-x Max 0 ; x Max CV. D après le tableau d avancement ci-dessus n(oh - )x f [OH - ].V La mesure de ph permet de déterminer la valeur de [OH - ] La valeur du taux d avancement final donne
14 ph 10 C 14 ph ( ) 14 ph 14 ph xf n(oh ) V.10 10 τ Max log 10 logc 14 ph logc ph 14 logc V. OH x CV CV CV C La réaction de la base forte avec l eau est totale - ph d une solution aqueuse de base faible Une base est dite faible si sa réaction de protonation avec l eau n est pas totale n(oh - ) f <n() introduit. H O H OH - H O H 3 O HO - Soit en divisant par le volume [OH - ]<C En appliquant la fonction logarithme, on a Pour une base faible Log [OH - ] < log C 1 En effet [ OH - ] 10-14pH En appliquant la fonction logarithme décimal on a : Log ([ OH - ] 10-14pH )-14pH<log C Ce qui permet de dire ph<14log C Pour une solution aqueuse d une base faible de concentration initiale C, le ph<14log C Tableau d avancement de la réaction d une base avec l eau.
Équation chimique H O H OH - État du système vancement Quantités de matière État initial 0 n 0 ()CV Excès 0 0 En cours de transformation x CV - x Excès x x État final x f CV - x f Excès x f x f - La valeur de l avancement maximal est telle que CV x Max 0 ce qui donne x Max CV. - La valeur de l avancement final est déterminée à partir de la valeur du ph de la solution. Sachant que [OH-] 10-14pH Or d après le tableau d avancement on voit que ce qui donne aussi x f n(oh - ) - - -14pH x f n(oh )[OH ].V10.V Calculons le taux d avancement final de la réaction -14pH -14pH xf 10.V 10 τ < 1 x CV C Max Ce qui nous permettons de dire que la réaction de la basse faible avec l eau est une réaction limitée Loi d action de masse pour la réaction d une base faible avec l eau La réaction de protonation d une base faible avec l eau s écrit de la forme L eau étant un solvant H O H OH - H O H 3 O HO -
L expression de la constate d acidité du couple H / est [ ] 3 H O H Équation chimique H O H OH - État du système vancement Quantités de matière État initial 0 n 0 ()CV Excès 0 0 En cours de transformation x CV - x Excès x x État final x f CV - x f Excès x f x f - La valeur de l avancement maximal est telle que CV- x Max 0 ce qui donne x Max CV. - La valeur de l avancement final est déterminée à partir de la valeur du ph de la solution. Sachant que [OH-] 10-14pH Or d après le tableau d avancement on voit que : x f n(oh - )[OH-].V V.10-14pH [OH - ] [H ] [H ]C-[OH - ] En remplaçant dans l expression de Dans le cas d une base qui réagit faiblement avec l eau [ ] 3 3 3 H O C. H O C. H O H OH e L expression s écrit alors C.pH. H3O C.10 pe e 10
Soit en appliquant la fonction logarithme décimal on obtient pe ph OH 10 C C C.pH. H3O C.10 pe e 10 log logc ph pe 1 ph p pe logc [ ] 1 ph pe p logc [ ]