CH 12 (13) réaction chimique par échange de proton

CH 12 (13) réaction chimique par échange de proton
1. Définition et mesure du pH
Pour des solutions suffisamment diluées, le pH est défini
par:
𝒑𝑯 = −𝐥𝐨𝐠([𝑯𝟑 𝑶+ ])
Cette grandeur, sans unité, est introduite car les
grandeurs des concentrations en ion oxonium sont
souvent d’ordre de grandeur trop différentes pour être
placées sur un axe linéaire.
Comment mesure-t-on le pH d’une solution?
Pour mesurer le pH d’une solution on utilise un pHmètre,
étalonné au préalable.
Quelles sont les bornes du pH?
Le pH est compris entre 0 et 14. (solution neutre pH=7)
Donner l’expression de la concentration des ions
oxonium en fonction du pH.
Inversement, la concentration en ions oxonium
peut être exprimée par: 𝑯𝟑 𝑶+ = 𝟏𝟎−𝒑𝑯
Comment varie la concentration en ions oxonium,
en fonction du pH?
La concentration en ions oxonium diminue quand le
pH augmente.
2. Equilibre chimique
Réaliser TP Activités mesure de pH de solution p 324
Conclusion:
Lors qu’on mélange des réactifs, ils réagissent pour
donner des produits, mais cette réaction en sens
direct est limitée par la réaction inverse. Lorsque ces
deux réactions ont lieu avec la même vitesse, alors le
système chimique a atteint un équilibre chimique
(équilibre microscopique dynamique). Il faut donc
écrire la réaction avec une double flèche:
−
𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝐻2 𝑂(𝑙) ⇄ 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂(𝑎𝑞)
+ 𝐻3 𝑂+𝑎𝑞
3. Acide et base selon Brönsted
3.1. Définition
Un acide est une espèce chimique capable de céder
un proton ( ions hydrogène 𝑯+ ).
𝑯𝑨 → 𝐴− + 𝑯+
Une base est une espèce chimique capable de capter
un proton.
𝑩 + 𝑯+ → 𝐵𝐻+
3.2. Couple acide/base
Lors d’un transfert de proton dans une demi-équation
acido-basique, intervient toujours un couple
acide/base:
𝑯𝑨 → 𝑨− + 𝑯+
𝑩 + 𝑯+ → 𝑩𝑯+
−
Exemples: 𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑶𝑶𝑯/𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑶𝑶(𝒂𝒒)
−
𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑶𝑶𝑯 → 𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑶𝑶(𝒂𝒒) + 𝑯+
(Couples de l’eau): 𝑯𝟑 𝑶+ /𝑯𝟐 𝑶 ou 𝑯𝟐 𝑶/𝑯𝑶−
𝑯𝟑 𝑶+ → 𝑯𝟐 𝑶 + 𝑯+
ou
𝑯𝟐 𝑶 → 𝑯𝑶− + 𝑯+
L’eau est un ampholyte
3.3. Réaction acido-basique
Lors d’une réaction acido-basique, il y a transfert d’un
proton d’un acide d’un couple vers la base d’un autre
couple.
Exemple:
+
𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑶𝑶𝑯 → 𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑶𝑶−
+
𝑯
(𝒂𝒒)
𝑯𝟐 𝑶 + 𝑯+ → 𝑯𝟑 𝑶+
−
𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝐻2 𝑂(𝑙) ⇄ 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂(𝑎𝑞)
+ 𝐻3 𝑂+𝑎𝑞
acide 1
base 2
base 1
acide 2
RQ: si le transfert de proton est interne à l’espèce
chimique, on parle d’un amphion. Exemple doc p
332.
Exercices p 337 n° 1, 2, 3, 11, 13, 14, 24.
4. Constante d’acidité.
4.1. définitions
On appelle constante d’acidité d’un couple
acide/base HA/A- la valeur numérique du quotient:
𝑨− × 𝑯𝟑 𝑶+
𝑲𝑨 =
𝑯𝑨
[𝐴− ] : concentration de la forme basique à l’équilibre
[𝐻𝐴] : concentration de la forme acide à l’équilibre
[𝐻3 𝑂+ ] : concentration des ions oxonium à l’équilibre
On défini aussi: 𝒑𝑲𝑨 = − 𝐥𝐨𝐠 𝑲𝑨 𝑜𝑢 𝑲𝑨 = 𝟏𝟎−𝒑𝑲𝑨
Faire TP activité expérimentale p328
Conclusion: La constante d’acidité ne dépend pas de
l’état initial du système chimique.
4.2. Cas de l’autoprotolyse de l’eau
L’eau étant un ampholyte, il existe une réaction acide
base entre l’acide 𝐻2 𝑂 et la base 𝐻2 𝑂.
+
−
𝑯𝟐 𝑶(𝒍) + 𝑯𝟐 𝑶(𝒍) ⇆ 𝐻3 𝑂(𝑎𝑞)
+ 𝐻𝑂(𝑎𝑞)
Cette réaction est extrêmement limitée vers la droite
et la constante d’acidité associée est le produit
ionique de l’eau:
−
𝑲𝒆 = 𝑯𝟑 𝑶+
×
𝑯𝑶
(𝒂𝒒)
(𝒂𝒒)
𝐾𝑒 = 1,0 × 10−14 soit 𝑝𝐾𝑒 = 14
4.3. Domaines de prédominance
Par définition: 𝑝𝐾𝐴 = − log 𝐾𝐴
𝐾𝐴 =
𝐴− × 𝐻3 𝑂+
𝐻𝐴
Et
𝑝𝐻 = −log([𝐻3 𝑂+ ])
En déduire une relation entre le 𝑝𝐾𝐴 et le pH.
𝑨−
𝒑𝑯 = 𝒑𝑲𝑨 + 𝒍𝒐𝒈(
)
𝑯𝑨
En déduire les domaines de prédominance des formes
acide et basique d’un couple en fonction du pH.
Si le 𝒑𝑯 = 𝒑𝑲𝑨 alors 𝑨− = 𝑯𝑨 pas de prédominance
Si le 𝒑𝑯 < 𝒑𝑲𝑨 alors 𝑨− < 𝑯𝑨 l’acide prédomine
Si le 𝒑𝑯 > 𝒑𝑲𝑨 alors 𝑨− > 𝑯𝑨 la base prédomine
5. Force des acides et des bases
5.1. Acides et bases faibles
Lorsqu’un acide ou une base a une réaction limitée
avec l’eau on dit qu’il s’agit d’un acide faible ou d’une
base faible. La réaction avec l’eau doit s’écrire avec
une flèche double.
+
−
𝐻𝐴(𝑎𝑞) + 𝐻2 𝑂(𝑙) ⇄ 𝐴(𝑎𝑞) + 𝐻3 𝑂 𝑎𝑞
−
𝐴−
+
𝐻
𝑂
⇄
𝐻𝐴
+
𝐻𝑂
2 (𝑙)
(𝑎𝑞)
(𝑎𝑞)
𝑎𝑞
5.2. Acides et bases fortes
Lorsqu’un acide ou une base a une réaction totale
avec l’eau on dit qu’il s’agit d’un acide fort ou d’une
base forte. La réaction avec l’eau peut s’écrire avec
une flèche simple. Ces réactions sont exothermiques.
+
−
𝐻𝐴(𝑎𝑞) + 𝐻2 𝑂(𝑙) → 𝐴(𝑎𝑞) + 𝐻3 𝑂 𝑎𝑞
−
𝐴−
+
𝐻
𝑂
→
𝐻𝐴
+
𝐻𝑂
2 (𝑙)
(𝑎𝑞)
(𝑎𝑞)
𝑎𝑞
Exprimer le pH d’une solution diluée d’un acide fort
de concentration en soluté apporté 𝑐𝑎 .
Le 𝑝𝐻 = −log([𝐻3 𝑂+ ]) et d’après l’équation de la
réaction et cette réaction étant totale:
𝑝𝐻 = −log([𝐻𝐴(𝑎𝑞) ])
Donc le 𝒑𝑯 = −𝒍𝒐𝒈(𝒄𝒂 )
Exprimer le pH d’une solution diluée d’une base forte
de concentration en soluté apporté 𝑐𝑏 .
+
Le 𝑝𝐻 = −log([𝐻3 𝑂 ]) soit aussi 𝑝𝐻 = −log(
d’après l’équation de la réaction:𝑝𝐻 = −log(
𝐾𝑒
𝐻𝑂−
𝐾𝑒
𝐻𝐴
)
La réaction étant totale: 𝐻𝐴 = 𝑐𝑏
Donc le 𝑝𝐻 = − log 𝐾𝑒 + log 𝑐𝑏
Soit aussi:
𝒑𝑯 = 𝟏𝟒 + 𝒍𝒐𝒈(𝒄𝒃 )
Exercices p 337 n° 4 , 5, 19, 21, 26, 27, 29, 31, 33.
)