CHAPITRE C5 RÉACTIONS ACIDOBASIQUES I) PRODUIT IONIQUE DE L EAU I.1. ph et conductivité de l eau pure I.2. Autoprotolyse de l eau I.3. Produit ionique de l eau II) PRÉDOMINANCE D UNE ESPÈCE CHIMIQUE SUR UNE AUTRE II.1. Relation entre ph et pk A II.2. Diagramme de prédominance II.3. Applications III) DOSAGES ACIDOBASIQUES III.1. Définition III.2. Caractéristiques d une réaction de dosage III.3. Montage III.4. Dosage d une solution d acide chlorhydrique par une solution de soude III.5. Dosage d une solution d acide éthanoïque par une solution de soude Introduction Beaucoup de réactions sont du type acidobasique : corrosion des sols et objets calcaires par les pluies acides ; dosage de l acidité de produits alimentaires ( lait, fromages) ; changement de couleur d un indicateur coloré etc.. Une réaction acidobasique est un transfert de proton de l acide A 1 d un couple A 1 /B 1 sur la base B 2 d un autre couple A 2 /B 2 : A 1 + B 2 = A 2 + B 1 Chap. C5 1/6
I) PRODUIT IONIQUE DE L EAU I.1. ph et conductivité de l eau pure mesures précises à 25 C : ph =7,00 et σ = 5,50 µs.m 1 (très faible) conclusion : l eau pure contient donc des ions en faible quantité ( σ faible ), en particulier des ions oxonium H 3 O + : [ H 3 O + ] = 10 ph = 1,00 10 7 mol.l 1 I.2. Autoprotolyse (ou dissociation) de l eau On admet que l eau est très faiblement dissociée selon la réaction d autoprotolyse : transfert de proton H 2 O + H 2 O = H 3 O + + OH + H + H + L eau se comporte à la fois comme un acide et comme une base. C est une espèce amphotère. D après la stœchiométrie de la réaction, dans l eau pure : [ H 3 O + ] = [ OH ] = 1,00 10 7 mol.l 1 à 25 C I.3. Produit ionique de l eau La constante d uilibre associée à la réaction de dissociation de l eau (2H 2 O=H 3 O + +OH ) est appelée produit ionique de l eau : K e = [ H 3 O + ] x [ OH ] = 10 14 à 25 C [ ] en mol.l 1 Cette relation s applique pour toute solution aqueuse acide, basique ou neutre puisque l eau est présente dans ces solutions. acide éthanoïque ph = 3 [ H 3 O + ] = 10 3 mol.l 1 >> [ OH ] =. mol.l 1 soude ph = 11 [ H 3 O + ] = 10 11 mol.l 1 << [ OH ] =. mol.l 1 sang à 37 C : K e = 3,0 10 14 et ph = 7,3 [ H 3 O + ] = 5,0 10 8 mol.l 1 [ OH ] = 6,0 10 7 mol.l 1 II) PRÉDOMINANCE D UNE ESPÈCE CHIMIQUE SUR UNE AUTRE. II.1. Relation entre ph et pk A K + A = [ H 3O ] log K A = log [H 3 O + ] + log log [H 3 O + ] = log K A + log ph = pk A + log II.2.Diagramme de prédominance II.2.a. Condition de prédominance Une espèce X prédomine sur une espèce Y si [X] > 10 [Y] Chap. C5 2/6
1/10< II.2.b. Domaine de prédominance de l espèce A : > 10 donc log > 1 d où, d après la relation du II.1., II.2.c. Domaine de prédominance de l espèce AH : >10 donc < 1 10 et log < 1 d où. II.2.d. Coexistence des espèces AH et A : < 10 donc II.2.e. Diagramme de prédominance : pka 1 pka pka +1. AH prédomine sur A AH et A coexistent A prédomine sur AH ph II.3. Applications L aspirine (acide acétylsalicylique) noté AH a un pk A égal à 3,5 dans l estomac ( ph = 1) : l acide prédomine dans l intestin ( ph = 8) : la base prédomine Couleur d un indicateur coloré un indicateur coloré est constitué par un couple dont l acide et la base ont des couleurs différentes. exemple du BBT : couple HA / A pk a = 7,1 HA + H 2 O = H 3 O + + A jaune bleu On admet que l acide (la base) impose sa couleur si sa concentration est 10 fois plus grande que celle de la base (de l acide). pk a 1 = 6,1 [HA] = 10. [A ] pk a = 7,1 pk a + 1 = 8,1 [HA] = [A ] [A ] = 10. [HA] ph < 7,8 > 10.[A ] AH impose sa couleur jaune 6,1 7,1 8,1 ph > 7,8 [A ] > 10.[HA] A impose sa couleur bleue ph [HA] et [A ] sont du même ordre de grandeur 1 / 10 < [A ] / [HA] < 10 les couleurs de HA et A se superposent : c est la zone de virage de l indicateur coloré (couleur verte) Chap. C5 3/6
III) DOSAGE ACIDOBASIQUE III.1.Définition d un dosage acidobasique Doser une solution aqueuse acide ou basique c est déterminer sa concentration molaire inconnue en utilisant une réaction acidobasique. remarque : il existe d autres types de réactions de dosage : oxydoréduction, précipitation (cf. spécialité), complexation (cf. spécialité) III.2. Caractéristiques d une réaction de dosage : La réaction support d un dosage doit être : totale : pour que l uivalence puisse être observée. rapide : pour qu après chaque volume versé de solution titrante, l expérimentateur n ait pas besoin d attendre pour faire une mesure de ph, de conductivité, ou pour observer un changement de coloration visible : changement de couleur ou apparition d une couleur différente, saut de ph, changement de sens de variation de la conductivité univoque : la réaction ne doit pas être perturbée par une autre réaction faisant intervenir l un des réactifs, titrant ou titré. III.3. Montage pour un suivi phmétrique. réactif titrant : dans la burette concentration connue réactif titré : dans le bécher concentration inconnue On verse progressivement le réactif titrant dans le bécher, en relevant la valeur du ph après chaque addition de réactif titrant. III.4. Dosage d une solution d acide chlorhydrique par une solution de soude : III.4.a. Expérience On dose v a = 20,0 ml d une solution d acide chlorhydrique par une solution de soude (hydroxyde de sodium) de concentration c b = 0,10 mol.l 1 par une méthode phmétrique. On veut déterminer la concentration c a de la solution acide. III.4.b. Courbe ph =f(v b ) E est le point d uivalence (défini cidessous au III.4.c.) v b est le volume de soude versé Chap. C5 4/6
III.4.c. Équivalence acidobasique uation de la réaction : H 3 O + + Cl + Na + + OH = 2 H 2 O + Na + + Cl uation simplifiée (Na + et Cl = ions spectateurs) : H 3 O + + OH = 2 H 2 O constante d uilibre : K = 1 + [ H ] 3O [ OH ] Cette réaction peut donc être utilisée comme support de dosage. tableau d avancement : = 10 14 donc la réaction est totale. état avancement H 3 O + + OH = 2 H 2 O EI x = 0 n 0 H3O+ = c a v a n 0 OH = (c b v b ) versé réaction en cours EF = E uivalence x c a v a x (c b v b ) versée x = 0 Tout ce qui est versé est consommé. Ce réactif est limitant. x = x E c a v a x E = 0 (c b v b ) versée à E x E = 0 ou c b v be x E = 0 À l uivalence : c a v a x E = c b v be x E = 0 x E = c a v a = (c b v b ) versé à E solvant en excès définition de l uivalence : À l uivalence, les réactifs ont été totalement consommés À l uivalence, on change de réactif limitant. À l uivalence, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques de la réaction de dosage. Dans l exemple étudié cidessus, la solution à l uivalence est de l eau salée (Na + + Cl ), de ph=7 car les ions Na + et Cl sont spectateurs, sans action sur l eau. On observe donc le ph de l eau pure. calcul de la concentration c a inconnue : cb vbe D après ce qui précède, on a la relation c a v a = c b v be ou c a = v a AN : c b = 0,10 mol.l 1, v a = 20,0 ml et v be = 20,0 ml alors c a = 0,10 mol.l 1 détermination du point d uivalence : par la méthode des tangentes (cicontre) par utilisation d un indicateur coloré (cicontre) Le point d uivalence E doit être situé dans la zone de virage de l indicateur. (dans l exemple, le «bon» indicateur est le BBT) par utilisation de la courbe dérivée au maximum de cette courbe dérivée. d(ph) =f(v b ) : le point uivalent correspond dvb Chap. C5 5/6
III.5. Dosage d une solution d acide éthanoïque par une solution de soude : III.5.a. Courbe ph = f(v b ) (cicontre) III.5.b. Équivalence acidobasique : uation de la réaction : CH 3 COOH + Na + + OH = H 2 O + CH 3 COO + Na + uation simplifiée (Na + ion spectateur) : CH 3 COOH + OH = H 2 O + CH 3 COO constante d uilibre (donnée : pk A = 4,8 ) + [ CH3COO ] 3 H O K K = [ + = CH3COOH] [ OH ] H3O K donc K = 10 9,2 >> 10 4. La réaction est totale : cette réaction peut donc être utilisée comme support de dosage. définition de l uivalence : à l uivalence, les réactifs sont introduits dans les proportions stœchiométriques de la réaction de dosage. On a donc la relation suivante : n OH versé = n 0 CH3COOH soit encore c a v a = c b v b E détermination du point d uivalence : par la méthode des tangentes (cicontre) par utilisation de la courbe dérivée d(ph) = f(v b ) dvb par utilisation d un indicateur coloré : l indicateur approprié est ici la phénolphtaléine. A e Chap. C5 6/6