CHAPITRE C3 REACTION S'EFFECTUANT DANS LES DEUX SENS I) EXPÉRIENCE Déshydratation de CuSO 4, 5 H 2 O et réhydratation de CuSO 4 anhydre II) RAPPELS SUR LES ACIDES ET LES BASES II.1. Définitions de BRÖNSTED II.2. Exemples II.3. Comparaison entre réactions acidobasique et oxydantréducteur III) ph D UNE SOLUTION AQUEUSE DILUÉE III.1. Définition III.2. Propriétés du ph III.3. Mesure du ph IV) RÉACTIONS POUVANT S EFFECTUER DANS LES 2 SENS IV.1. Réaction limitée entre l acide éthanoïque et l eau IV.2. Réaction entre l ion éthanoate et l ion oxonium IV.3. Autre expérience V) ÉQUILIBRE CHIMIQUE V.1. Définitions V.2. Interprétation cinétique : équilibre dynamique La 1 ère partie a répondu à la question : «une réaction estelle toujours rapide?». Cette partie va répondre à la question : «une réaction estelle toujours totale?». La réponse à cette question peut intéresser les industriels, toujours à la recherche d une réaction rapide et totale. Chap. C3 1/7
I) EXPÉRIENCE déshydratation de CuSO 4, 5 H 2 O et réhydratation de CuSO 4 (CuSO 4, 5 H 2 O) (s) CuSO 4 (s) + 5 H 2 O (l) bleu blanc La réaction peut s effectuer dans les 2 sens. Elle est dite réversible. Beaucoup de réactions réversibles sont des réactions acidobasiques. Après l oxydoréduction, les réactions acidobasiques constituent une 2 ème grande catégorie de réactions chimiques. II) ACIDES ET BASES (THÉORIE DE BRÖNSTED) II.1. Définitions Un acide AH est une espèce chimique capable de libérer un proton H + selon la demiéquation AH = A + H + Une base B est une espèce chimique capable de capter un proton H + selon la demiéquation B + H + = BH + Un couple acide/base est un couple formé d un acide et de sa base conjuguée, noté AH/A (ou BH + /B) II.2. Exemples : acide réaction base conjuguée couple acide/base CH 3 COOH acide éthanoïque CH 3 COOH = H + + CH 3 COO CH 3 COO ion éthanoate CH 3 COOH / CH 3 COO HCO 3 ion hydrogénocarbonate HCO 3 = H + + CO 3 2 ion carbonate HCO 3 / CO 3 2 H 2 CO 3 ou CO 2,H 2 O acide carbonique.. acide benzoïque + NH 4 ion ammonium (CO 2,H 2 O) (l) = H + HCO 3 + HCO 3.. C 6 H 5 COOH = H + +C 6 H 5 COO C 6 H 5 COO ion benzoate NH 3 ammoniac H 2 O H 2 O = H + + OH HO H 3 O + ion oxonium ion hydroxyde CO 2,H 2 O/ HCO 3 C 6 H 5 COOH /C 6 H 5 COO NH 4 + / NH 3.. H 3 O + = H + + H 2 O H 2 O. Chap. C3 2/7
remarque : L eau peut se comporter comme un acide ou comme une base : c est un ampholyte ou une espèce amphotère. L ion hydrogénocarbonate est un ampholyte. II.3. Comparaison entre réactions acidobasique et oxydantréducteur réaction acidobasique réaction oxydantréducteur + CH 3 COOH + NH 3 = NH 4 + CH 3 COO Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+ acide 1 base 2 acide 2 base 1 red 2 ox 1 red 1 ox 2 + H + + 2 e H + 2 e L acide d un couple acide1/base1 réagit sur la base d un autre couple acide2/base2 transfert d un (ou de plusieurs) proton(s) H + de l acide d un couple sur la base d un autre couple réaction généralement rapide et limitée L oxydant d un couple Ox1/Réd1 réagit sur le réducteur d un autre couple Ox2/Réd2 transfert d un (ou de plusieurs) électron(s) du réducteur d un couple sur l oxydant d un autre couple réaction généralement lente et totale III) ph D UNE SOLUTION AQUEUSE DILUÉE III.1. Définition Le ph (potentiel hydrogène) d une solution aqueuse diluée caractérise son acidité. Il est donné par la relation : ph = log 1 [ H 3 O + ] [ H 3 O + ] = 1 ph Le ph n a pas d unité, [H 3 O + ] en mol.l 1 et log 1 est le logarithme décimal. Propriétés de la fonction log 1 : log 1 1 = 1 log 1 (a b ) = log 1 a + log 1 b log 1 x n a = n log 1 x log 1 = log 1 a log 1 b b Une solution diluée est une solution de concentration : c <,1 mol.l 1 Quelques valeurs de ph : solution suc gastrique citron Coca Cola eau Volvic eau distillée sang eau de Javel Destop ph 1 2,3 2,5 7 7 7,2 9 13 [ H 3 O + ] mol.l 1,1 5.1 3 3,2.1 3 1 7 1 7 6,3.1 8 1 9 1 13 Chap. C3 3/7
III.2. Propriétés du ph solutions acides très concentrées [H 3 O + ] mol/l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 1 1 11 1 12 1 13 solutions basiques très concentrées ph ph solutions de plus en plus acides solutions de plus en plus basiques solutions acides ph < 7 solutions neutres ph = 7 solutions basiques ph > 7 Si le ph augmente de 1 unité, alors [ H 3 O + ] est divisé par 1 Si le ph diminue de 1 unité, alors [ H 3 O + ] est multiplié par 1 III.3. Mesure du ph On mesure le ph avec un phmètre : Un phmètre ne donne pas plus de 2 ou 3 chiffres significatifs. On peut avoir un ordre de grandeur du ph en utilisant du papier ph ou un indicateur coloré, Exemple : couleur du BBT en fonction du ph d une solution On verse une ou deux gouttes de BBT dans une solution dont on veut connaître le ph. Suivant la couleur prise par le BBT, on en déduit un ordre de grandeur du ph de la solution. 6, 7,5 ph IV) RÉACTIONS POUVANT S EFFECTUER DANS LES 2 SENS IV.1. Réaction limitée entre l acide éthanoïque et l eau IV.1.a. Expérience : Dans 1L d eau pure (ph i =7), on introduit,1 mol d acide éthanoïque sans variation de volume appréciable donc c a i =,1 mol.l 1. La réaction entre l acide et l eau est instantanée et on mesure : ph f 3,. IV.1.b. Exploitation de l expérience : Montrons qu il y a bien réaction entre CH 3 COOH et H 2 O : Le ph passe de 7 à 3, sans variation de volume. Cela signifie que [H 3 O + ] i =,,,,,,,, mol.l 1 et [H 3 O + ] f =,,,,,,,, mol.l 1 d où, comme V= 1L, n i H3O+ =,,,,,,,,,,, mol et n f H3O+ =,,,,,,,,,,, mol. Il s est donc formé des ions H 3 O + selon l équation H 2 O + H + = H 3 O +. Le proton capté par l eau est nécessairement fourni par l acide éthanoïque, il se produit donc bien une réaction acidobasique qui est CH 3 COOH + H 2 O = H 3 O + + CH 3 COO. Chap. C3 4/7
Montrons que la réaction entre CH 3 COOH et H 2 O est limitée : tableau d avancement de la réaction : état avancement CH 3 COOH + H 2 O = H 3 O + + CH 3 COO EI x i = réaction en cours n CH 3 COOH =,1 mol réactif limitant x,,,,,,,,,,,, EF x f,,,,,,,,,,,,,, Solvant en excès,,,,,,,,, f n H3 O + =,,,,,,,,,,,,,,,, n f CH3 COO =,,,,,,, n CH 3 COOH =,1 mol est la quantité maximale d acide qui peut réagir car l eau est en excès. f x f = n H3 O + = [H 3 O + ] f v a soit x f = 1 ph v a = 1 3 mol car v a = 1L et ph=3. La réaction est donc bien limitée puisque seulement 1 molécule d acide sur 1 réagit avec l eau. IV.2. Réaction entre l ion éthanoate et l ion oxonium La réaction entre CH 3 COOH et H 2 O (sens direct) est limitée. La réaction entre H 3 O + et CH 3 COO ( sens inverse ) estelle possible? Cela expliquerait le fait que la réaction directe est limitée. IV.2.a. Expériences : ph i = 3,4 ph f = 2,9 + qqes gouttes d acide éthanoïque pur ph i = 3,4 ph f = 5,3 + 1 pointe de spatule de CH 3 COO Na s acide éthanoïque à,1 mol.l 1 le ph diminue acide éthanoïque à,1 mol.l 1 le ph augmente le volume ne varie quasiment pas le volume ne varie quasiment pas IV.2.b. Interprétation : expérience : le ph diminue donc [H 3 O + ] augmente : il y a formation d ions H 3 O + expérience : le ph augmente donc [H 3 O + ] diminue : il y a consommation d ions H 3 O + sens direct CH 3 COOH + H 2 O = H 3 O + + CH 3 COO sens inverse Chap. C3 5/7
IV.3. Autre expérience : acide benzoïque et ion benzoate 1 g de C 6 H 5 COOH (sol) dans 5 ml d eau addition de 2 ml de soude 5M addition de 2 ml d acide chlorhydrique 6 M solution saturée dissolution précipitation de l acide benzoïque C 6 H 5 COOH (s) + OH (aq) = H 2 O + C 6 H 5 COO (aq) Na + est spectateur acide base + H + H + H 3 O + (aq) + C 6 H 5 COO (aq) = C 6 H 5 COOH (sol) + H 2 O Na + et Cl sont spectateurs acide base + H + H + V) ÉQUILIBRE CHIMIQUE V.1. Définitions V.1.a. Transformation chimique limitée : Une transformation limitée est une transformation au cours de laquelle le réactif limitant n est pas entièrement consommé. V.1.b. Équilibre chimique d une transformation : L équilibre chimique d une transformation est atteint lorsque les concentrations des espèces présentes (produits et réactifs) restent constantes. Toute transformation limitée conduit à un équilibre chimique. V.1.c. Taux d avancement final Le taux d avancement final d une réaction chimique est donné par la relation X f est l avancement final de la réaction X m est l avancement maximal de la réaction : c est l avancement que l on obtiendrait dans l état final si la réaction était totale (c est donc la quantité initiale du réactif limitant) τ n a pas d unité et s exprime souvent en %. τ = x x f m Chap. C3 6/7
exemple solution CH 3 COOH à,1 mol.l 1 (voir IV.1.b.) : τ 1 % càd que 1 % des molécules CH 3 COOH introduites ont réagi sur l eau. solution CH 3 COOH à,1 mol.l 1 : τ 4 % càd que 4 % des molécules CH 3 COOH introduites ont réagi sur l eau Pour une réaction totale, τ = 1 Pour une réaction limitée, τ < 1 V.2. Interprétation cinétique : équilibre dynamique. Un équilibre chimique résulte de 2 réactions s effectuant en sens inverses avec des vitesses égales. Même à l équilibre, les 2 réactions inverses continuent à se produire, mais les produits fabriqués par l une sont consommés par l autre. Chap. C3 7/7