Term S - Chap 13 - Transformations associées à des réactions acido

TS-C13-1 /5
Term S - Chap 13 - Transformations associées à des réactions acido-basiques
I ) Le pH et sa mesure :
Le caractère acide d'une solution aqueuse est dû à la présence des ions oxonium H3O+ .
1) Définition du pH :
Le pH, grandeur sans dimension (sans unité) mesure l'acidité d'une solution aqueuse diluée.
Il est défini par la relation : pH = -log[H3O+] avec [H3O+] en mol.L-1 ([H3O+] < 0,05 mol.L-1
Le pH d'une solution permet de déterminer la concentration en ions oxonium: [H3O+] = 10 –pH
Exemple : pH = 4,5 ⇒ [H3O+] = 10-4,5 = 3,2.10-5 mol.L-1
[H3O+]
10-11 10-9 10-7
pH
10-5
10-3
10-1
1
mol.L-1
11
9
7
5
3
1
0
+
Plus pH est grand, plus [H3O ] est petit et inversement, plus pH est petit , plus [H3O+] est grand
A 25°C, la neutralité acido-basique correspond à pH=7,0, les solutions acides ont un pH inférieur
à 7,0 et que les solutions basiques ont un pH supérieur à 7,0.
0
acidité
[H3O+] > [HO-]
7
milieu
neutre
basicité
[H3O+] < [HO-]
14
pH à 25°C
2) Mesure du pH :
Le pH se mesure à l'aide d'un pH-mètre. C'est un millivoltmètre relié à deux électrodes.
Ces électrodes mettent en jeu deux couples rédox tels que la tension électrique entre ces deux
électrodes est proportionnelle au pH.
Il faut l'étalonner dans l'ordre avec des solutions tampon de pH 7 puis de pH 4.
L'incertitude de mesure d'un pH est de l'ordre de 0,05 unité. Cela correspond à une incertitude
relative pour [H3O+] assez grande voisine de 10%. [H3O+] s'exprime avec 2 chiffres significatifs.
pH = 3,18 ± 0,05 et [H3O+] = (6,6 ± 0,8) × 10-4 mol.L-1
II ) Equilibre chimique :
1) Réaction de l'acide éthanoïque avec l'eau :
On mesure le pH d'une solution d'acide éthanoïque (ou acide acétique) CH3-COOH noté AH de
concentration c = 1,0.10-2mol.L-1 et on trouve 3,4. n(AH)0 = c × V ( V = 100 mL = 0,100 L )
Equation chimique
Etat du système
Avanc.
Etat initial
0
En cours de transformation
x
Etat final
xf
CH3-COOH + H2O → CH3—COO- + H3O+
Quantité de matière en mol
n(AH)0 = c.V
excès
n(A-)0 = 0 n(H3O+ )0 = 0
n(AH) = c.V - x
excès
n(A-) = x
n(H3O+) = x
n(AH)f =c.V - xf
excès
n(A-)f = xf n(H3O+)f =xf
[H3O+]f = 10-pH = 10-3,4 ⇒ [H3O+]f = 4,0×10-4 mol.L-1
n(H3O+)f = [H3O+]f ×V = 4,0×10-4 × 0,100 = 4,0×10-5 = xf
Si la réaction était totale , n(AH)f = 0 ⇒ c ×V - xmax = 0 ⇒ xmax = c ×V ⇒ xmax = 1,0 ×10-3 mol
xf < xmax ⇒ la réaction n'est pas totale.
Le taux d'avancement final est : τ = xf / xmax = 4,0×10-5 / (1,0.10-3 ) = 4,0×10-2 = 4,0 %
TS-C13-2 /5
2) Questionnement :
L'exemple précédent de la réaction de l'acide éthanoïque avec l'eau suggère que seules 4% des
molécules d'acide réagissent avec l'eau. Pourquoi certaines molécules réagissent et pas d'autre ?
3) Etude expérimentale : (T.P.)
On verse dans deux béchers le même volume de solution
d'acide éthanoïque à la concentration c = 1,0.10-2 mol.L-1.
Une mesure du pH dans chaque bécher donne pH=3,4.
On ajoute alors dans le bécher 1 un peu d'acide éthanoïque
pur, et dans le bécher 2, des cristaux d'éthanoate de sodium.
Après agitation, pH1 = 3,0 et pH2 = 4,4.
un peu d'acide
éthanoïque pur
pH = 3,4
des cristaux
d'éthanoate de sodium
pH = 3,4
Interprétation :
Dans le bécher 1, le pH diminue, la concentration des ions
pH = 3,0
pH = 4,4
oxonium H3O+ augmente.
équation : CH3-COOH + H2O → CH3-COO- + H3O+
La réaction s'effectue dans le sens direct indiqué par la flèche (sens de production des ions H3O+)
Dans le bécher 2, le pH augmente, la concentration des ions oxonium H3O+diminue.
La réaction précédente s'effectue dans le sens inverse de celui indiqué par la flèche (sens de
disparition des ions H3O+ ).
En fait, lorsqu'une réaction n'est pas totale, elle s'effectue dans les deux sens.
Il n'y a donc pas 4% des molécules d'acide éthanoïque qui réagissent avec l'eau.
Elles réagissent toutes mais la réaction inverse limite la réaction directe.
Les deux réactions inverses se font simultanément à la même vitesse.
Une telle réaction est réversible, elle s'écrit avec une double flèche
CH3-COOH + H2O
CH3-COO- + H3O+
.
4) Etat d'équilibre :
Un système chimique est en équilibre si les concentrations (ou les quantités de matière) de ses
constituants (réactifs et produits) restent constantes au cours du temps.
Cela correspond à l'état final où l'avancement est noté xf .
On définit le taux d'avancement final : τ = xf / x max
( xmax : avancement si réaction totale )
III ) Acide et base selon Brönsted :
1) Définitions :
Une réaction acido-basique consiste en un transfert de proton H+ entre un acide et une base.
Un acide est une espèce chimique capable de libérer un proton H+ .
Une base est une espèce chimique capable de capter un proton H+ .
exemple : NH4+ aq + HO- aq → NH3 (g) + H2O
libère un proton
capte un proton
Deux espèces chimiques constituent un couple acide / base s'il est possible de passer de l'un à
l'autre par perte ou gain d'un proton H+ : NH4+ / NH3 et H2O / HO- ( acide / base )
TS-C13-3 /5
2) Demi-équation acido-basique :
Soit AH / A- un couple acide / base .
Si AH est l'un des réactifs, il va donner sa base conjuguée : AH → A- + H+
Si A- est l'un des réactifs, il va donner son acide conjugué : A- + H+ → AH
La réaction peut se faire dans les deux sens, on donc écrit : AH
A- + H+
exemple : C6H5COOH
C6H5COO- + H+ ( couple acide benzoïque / ion benzoate )
3) Couple acide-base de l'eau :
L'eau a des propriétés acido-basiques :
* c'est un acide : H2O
HO- + H+
* c'est une base : H3O+
H2O + H+
couple H2O / HO- ( HO- ion hydroxyde )
couple H3O+ / H2O ( H3O+ ion oxonium )
Une espèce chimique qui appartient à deux couples acide / base en étant tantôt l'acide tantôt la
base est un ampholyte. L'eau est un ampholyte ( H3O+ / H2O et H2O / HO- )
On définit le produit ionique de l'eau, noté Ke.
Ke = [H3O+] × [HO-] = 10-14 et pKe = 14,0 ( à 25°C )
4 ) Equation chimique d'une réaction acide-base :
Une réaction acide – base fait intervenir deux couples acide/base A1H / A1- et A2H / A2- .
Si l'acide A1H réagit sur la base A2- , on écrit les demi-équations dans le sens où elles se font .
H+ + A1- et A2- + H+
A2H
A1H
équation de la réaction : A1H + A2
A1- + A2H
5) Acide faible et base faible :
H3O+ + AUn acide est faible si sa réaction avec l'eau n'est pas totale : AH + H2O
Les acides carboxyliques sont des acides faibles.
Une base est faible si sa réaction avec l'eau n'est pas totale : A- + H2O
HO- + AH
Les amines sont des bases faibles.
O
O
Les acides α -aminés R-CH(NH2)-COOH existe en
R–CH–C
R–CH–C
solution aqueuse sous forme d'ion appelé amphions
+
⊕
OH
O
R-CH(NH3 )-COO . L'amphion est un ampholyte.
NH2
NH3
Un acide α-aminé est un acide faible et une base faible.
6) Acide fort et base forte :
Si la réaction avec l'eau est totale, l'acide est fort. ( acide chlorhydrique : H3O+ , Cl- )
HA + H2O → A- + H3O+ Soit c la concentration en soluté apporté :
[H3O+] = xmax / V = (c × V) / V = c ; pH = - log [H3O+] = - log c
Si c = 1,0×10-2 mol.L-1 ; pH = - log 1,0×10-2 = 2,0
Si la réaction avec l'eau est totale, la base est forte ( soude ou hydroxyde de sodium : Na+ , HO- )
A- + H2O → HA + HO- Si c est la concentration en soluté apporté ( c = n(A- )0 / V )
[HO-] = xmax / V = (c × V) / V = c ; [H3O+] = Ke / [HO-] = Ke / c
pH = - log (Ke / c) = - ( log Ke – log c ) = pKe + log c = 14,0 + log c
Si c = 1,0×10-2 mol.L-1 ; pH = 14 + log 1,0×10-2 = 14 – 2 = 12
Une réaction entre un acide fort et une base forte libère de l'énergie, elle est exothermique.
Cela peut être dangereux. Ils doivent être manipulés avec précaution lorsqu'ils sont concentrés.
On ne doit jamais vers d'eau dans un acide car cela peut provoquer des projections dangereuses.
TS-C13-4 /5
II) Constante d'acidité KA et pKA :
1) Définition :
La constante d'acidité KA est la constante d'équilibre de la réaction d'un acide avec l'eau.
équation : AH(aq) + H2O(l) = A-(aq) + H3O+(aq)
constante d'acidité : KA = [A-]éq × [H3O+]éq / [AH]éq
pKA est défini par la relation : pKA = - log KA ou KA = 10-pKA
* Couple acide éthanoïque / ion éthanoate :
équation de la réaction avec l'eau : CH3-COOH + H2O = CH3-COO- + H3O+
KA = [CH3-COO- ]éq× [H3O+]éq / [CH3-COOH]éq KA = 1,58.10-5 et pKA = 4,80
* Couple ion ammonium / ammoniac :
équation de la réaction avec l'eau : NH4+ + H2O = NH3 + H3O+
KA = [NH3]éq× [H3O+]éq / [NH4+]éq KA = 6,30.10-10 et pKA = 9,20
* Couples de l'eau. :
L'eau fait partie de deux couples acido-basiques : H2O / HO- et H3O+ / H2O
- 1er couple : H2O / HO- l'eau est l'acide du couple
équation de la réaction avec l'eau : H2O + H2O = H3O+ + HO- autoprotolyse de l'eau
KA1 = [H3O+] × [HO-] = Ke
KA1 = Ke =1,0.10-14 et pKA1 = 14 = pKe
- 2ème couple : H3O+ / H2O l'eau est la base du couple.
équation de la réaction avec l'eau : H2O + H3O+= H3O+ + H2O transfert d'un proton H+
KA2 = [H3O+] / [H3O+]
KA2 = 1 et pKA2 = 0
force croissante
force croissante
pK
A
de la base
de l'acide
2) Echelle des pKA :
H2O 14 HOLe pKA caractérise l'aptitude d'un acide à céder un proton
NH4+ 9,2 NH3
ou celle d'une base à accepter un proton.
HClO 7,5 ClOUne base est d'autant plus forte que la constante d'acidité
acides
bases
KA du couple acide/base est plus petite ou que le pKA est
plus grand.
CH3CO2H 4,8 CH3CO2NH
Ainsi, plus un acide est plus fort, plus sa base conjuguée
HCO2H 3,8 HCO2est faible et inversement.
NH
H3O+ 0,0 H2O
HOIII ) Diagramme de prédominance :
* Définition. : Une espèce A est prédominante par rapport à une espèce B si : [A] > [B]
* Pour déterminer les domaines de prédominance en fonction du pH, on cherche la relation
donnant le pH d'une solution aqueuse contenant un acide A et sa base B :
KA = [B]éq.[H3O+]éq / [A]éq ⇒ [H3O+]éq = KA.[A]éq / [B]éq
⇒ - log[H3O+]éq = - logKA - log([A]éq/[B]éq) = - logKA + log([B]éq/[A]éq)
⇒ pH = pKA + log([B]éq/[A]éq)
⇒ log([B]/[A]) = pH - pKA
TS-C13-5 /5
* Il y a trois situations possibles :
A prédomine par rapport à B : [A] > [B] ⇒ [B] / [A] < 1
⇒ pH - pKA < 0 ⇒ pH < pKA
⇒ log([B]/[A]) < 0
B prédomine par rapport à A : [A] < [B] ⇒ [B] / [A] > 1 ⇒ log([B]/[A]) > 0
⇒ pH - pKA > 0 ⇒ pH > pKA
A et B à concentrations égales : [A] = [B] ⇒ [B] / [A] = 1 ⇒ log([B]/[A]) = 0
⇒ pH - pKA = 0 ⇒ pH = pKA
* Diagramme de prédominance :
[A] > [B]
[A] = [B]
[A] < [B]
prédominance de A
pKA
prédominance de B
* cas d'un acide α-aminé : la glycine
couple A / B : NH3+-CH2-COOH / NH3+-CH2-COOcouple B / C : NH3+-CH2-COO- / NH2-CH2-COOH
[A] > [B]
pH
pKA1 = 9,8
pKA2 = 2,4
2,4 [A] < [B] et [C] < [B] 9,8
prédominance de A
prédominance de B
[B] < [C]
pH
prédominance de C
IV ) Contrôle du pH, Solution tampon :
Une solution tampon a une composition telle que le pH varie peu par ajouts de petites quantités
d'acide ou de base ; ou par dilution.
Elles sont utilisées pour étalonner un pH-mètre.
Les solutions biologiques des organismes vivants ont un pH maintenu constant grâce à des
systèmes tampons. Le pH du sang doit être .