Chapitres 21-22-Réactions acido-basiques LES SAVOIR

Chapitres 21-22-Réactions acido-basiques
LES SAVOIR-FAIRE DU CHAPITRE- AUTOEVALUATION
Enoncés et compétences évaluées
Capacité 1-Savoir calculer une constante ‘équilibre
Calculer la constante d’équilibre de la réaction entre l’acide éthanoïque et l’ammoniac
NH3(aq). Pka : (CH3COOH/CH3COO- :pKa1= 4,8) ;(NH4+/NH3 : pKa2=9,2).
Equation bilan de la réaction : CH3COOH(aq) + NH3(aq) = CH3COO-(aq) + NH4+(aq)
La constante d’équilibre s’exprime par :
[𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂− ][𝑁𝐻4+ ]
𝐾=
[𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻][𝑁𝐻3]
Pour calculer K, on s’arrange pour l’exprimer en fonction de Ka1 et Ka2. Pour cela on
multiplie par [H3O+] au numérateur et au dénominateur :
[𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂− ][𝑁𝐻4+ ] [𝐻3𝑂+ ] 𝐾𝑎1 10−𝑃𝑘𝑎1
𝐾=
.
=
=
[𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻][𝑁𝐻3] [𝐻3𝑂+ ] 𝐾𝑎2 10−𝑝𝐾𝑎2
O N
𝐾 = 104,4 = 2,5. 104
Interprétation :
La réaction acide-base entre l’acide éthanoïque et l’ammoniac est une réaction favorisée
thermodynamiquement car la constante d’équilibre associée à cette réaction est telle que
K>1.
On peut dire de plus que cette réaction peut être considérée comme totale car K> 104.
Ces considération sont prévisibles avec une échelle d’acidité :
D’après la « règle du « gamma » », la réaction s’effectue entre l’acide le plus fort (acide du
couple de plus faible pKa) avec la base la plus forte (base du couple de pKa le plus fort).
Capacité 2-Savoir établir le diagramme de prédominance
O N
- 2Etablir le diagramme de prédominance des espèces H2S, HS , S pka1 (H2S/HS )= 7,0 et pka2
(HS-/S2-)= 13.
On rappelle qu’une espèce A prédomine sur une espèce B si [A] >[B].
[𝐴−]
Pour un couple acide-base AH/A- (pKa) on a 𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + log [𝐴𝐻]
L’espèce A-prédomine si pH>pka et AH prédomine si pH<pKa.
pour le couple H2S/HS-, H2S prédomine pour pH< 7,0 et HS- prédomine pour pH>7,0
Pour le couple HS-/S2-, HS- prédomine pour pH<13 et S2- prédomine pour pH>13.
Le diagramme de prédominance est donc :
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Capacité3- Savoir prévoir l’incompatibilité de deux espèces
On considère les espèces suivantes : CH3COOH,CH3COO-, NH4+ et NH3. Prévoir la réaction
possible.
Deux espèces acide et base, réagissent en donnant une réaction thermodynamiquement
favorisée, lorsque leur domaine de prédominance sont disjoints (c’est-à-dire que leurs
domaines de prédominance n’ont aucune zone de pH en commun).
On superpose les diagrammes de prédominance relatifs aux espèces acido-basiques en jeu
pour conclure :
Sachant que pKa (CH3COOH/CH3COO-)= 4,8 et pKa (NH4+/NH3)= 9,2 on a :
O N
Les espèces CH3COOH et NH3 ont des domaines de prédominance disjoints (elles ne
peuvent coexister : elles sont incompatibles).
Les espèces CH3COO- et NH4+ ont des domaines de prédominance conjoints (elles peuvent
coexister)
La réaction possible est celle mettant en jeu les réactifs CH3COOH et NH3 pour donner les
produits CH3COO- et NH4+ selon :
CH3COOH(aq) + NH3(aq) = CH3COO-(aq) + NH4+(aq)
Capacité 4-Savoir déterminer l’état final d’une transformation acido-basique
Déterminer la composition de la solution à l’équilibre, contenant initialement : Vo= 10,0mL
de CH3COOH à 10-3mol/L + V=10,0mL de soude à 1,0.10-2mol/L
Pour cela, on applique la méthode de la réaction prépondérante (RP) en suivant les étapes
de la méthode :
-On fait l’inventaire des espèces acido-basiques présentes dans le système
Sachant que Vtot=volume total du système = 20mL
CH3COOH tel que [CH3COOH]= 5,0.10-4mol/L ;
[Na+] = [HO-] = 5,0.10-3mol/L. (Na+ ion spectateur)
Les espèces acido-basiques présentes sont donc: CH3COOH; HO- ; H20.
O N
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-On place les couples mis en jeu (tous les couples faisant intervenir les espèces présentes)
sur une échelle de pKa et on entour les espèces effectivement présentes :
-On identifie la réaction prépondérante (RP) (c’est la réaction entre l’acide le plus fort
présent et la base la plus forte présente) puis on écrit son équation bilan et on calcule sa
constante d’équilibre.
Ici la RP est CH3COOH + HO- = CH3COO- + H2O 𝐾 =
𝐾𝑎
𝐾𝑒
= 10(𝑝𝐾𝑒−𝑝𝐾𝑎) = 109,2
-Si la RP est une réaction totale (Réaction prépondérante quantitative RPQ), faire le bilan
de matière pour déterminer la composition de la solution équivalente. Puis à partir de ce
nouveau système, reprendre les étapes précédentes jusqu’à être dans le cas d’une
réaction prépondérante limitée (K≤1) dite RPP (réaction prépondérante principale).
-Si la RP est très limitée, on fait l’hypothèse que c’est la RPP qui impose la composition du
système à l’équilibre et que son avancement est majoritaire devant l’avancement des
autres réactions acido-basiques (Réactions prépondérantes secondaires RPS) suivants dans
l’ordre décroissant des constantes d’équilibre susceptibles de se faire dans le mélange
réactionnel.
-On détermine ainsi la composition chimique du système dans l’état final à l’aide de la
constante d’équilibre de la réaction prise pour RPP.
-On vérifie ensuite les hypothèses, que l’avancement des réactions secondaires est bien
négligeable en utilisant un diagramme de prédominance ou en calculant les concentrations
des espèces minoritaires à l’aide des constantes d’acidité.
Ici la RP est totale, donc on fait un bilan de matière :
Mol/L
CH3COOH +
HO= CH3COO+ H2O
t=0
5,0.10-4
5,0.10-3
0
Excès
-3
-3
t
4,5.10
5,0.10
excès
On effectue de nouveau l’inventaire des espèces dans le nouveau système :
Le système contient H0-, CH3COO- et H2O :c’est un mélange de base forte et de base faible.
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La réaction prépondérante (RP) est la réaction entre H2O l’acide le plus fort présent et HOla base la plus forte présente selon :
H2O + HO- = H2O + HO- K=1
-Hypothèses :
Posons que cette réaction est la RPP et considérons que les réactions suivantes sont des
réactions prépondérantes secondaires négligeables :
(1) CH3COO- + H2O = CH3COOH + HO- K=10-9,2
(2) H2O + H2O = H3O+ + HO- K=Ke = 10-14
-Calcul de la composition du système et du pH
Donc la RPP ne modifie pas les concentrations. La composition de la solution est donc :
[HO-]= 4,5.10-3 mol/L et [CH3COO-] = 5,0.10-4mol/L.
Le pH final de la solution serait donc: pH= pKe + log [HO-] = 11,7
-Vérification de la validité des hypothèses faites :
pH > 7,5 donc APE (réaction (2)) est bien négligeable.
Pour pH de 11,7 on se trouve dans le domaine de majorité de CH3COO- donc la réaction
(1) est très peu déplacée donc son avancement peut être négligé.
Donc les hypothèses sont validées et pH= 11,7.
Pour trouver la composition de la solution, on exprime la constante d’équilibre de la
réaction (1) et on en tire [CH3COOH] :
[𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂− ][𝐻3𝑂+ ] 5,0. 10−4 . 10−11,7 7,0.10−11 𝑚𝑜𝑙
[𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻] =
=
=
𝐾𝑎
10−4,8
𝐿
Valeur effectivement négligeable devant [HO-] =4,5.10-3mol/L.