TSChimiePartie B

Chimie
Partie B :
LA TRANSFORMATION D’UN SYSTEME CHIMIQUE
EST-ELLE TOUJOURS TOTALE ?
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RAPPELS
Dans une solution aqueuse diluée :
pH = - log [H3O+(aq)]
ou [H3O+(aq)] = 10 – pH
avec
[H3O+(aq)] : nombre égal à la valeur de la
concentration de la solution en ions oxonium
exprimée en mol.L-1
log : fonction logarithme décimal
pH : nombre sans dimension et sans unité
compris entre 0 et 14 à 25°C
couple Acide / Base
demi-équation protonique :
A = H+ + B
Lors d’une réaction acido-basique, l’ion hydrogène (ou proton) perdu
par l’acide A1 est gagné par la base B2 ; on obtient les espèces
conjuguées B1 et A2 .
Exemples de solutions aqueuses à connaître ♥ :
acide chlorhydrique (H3O+(aq) + Cl-(aq))
H3O+(aq) / H2O(l)
+
d’acide nitrique (H3O (aq) + NO3 (aq))
H3O+(aq) / H2O(l)
+
2d’acide sulfurique (2 H3O (aq) + SO4 (aq))
H3O+(aq) / H2O(l)
d’acide éthanoïque CH3COOH(aq)
CH3COOH(aq) / CH3COO-(aq)
+
d’hydroxyde de sodium (Na (aq) + HO (aq))
H2O(l) / HO-(aq)
+
d’hydroxyde de potassium (K (aq) + HO (aq))
H2O(l) / HO-(aq)
NH4+(aq) / NH3(aq)
d’ammoniac NH3(aq)
On utilise un indicateur coloré ou du papier-pH
pour estimer le pH d’une solution aqueuse.
On mesure le pH d’une solution aqueuse à l’aide
d’un pHmètre.
taux d’avancement final d’une transformation :
τf =
xf
x max
pH
0
τf = 1 : transformation totale
τf < 1 : transformation limitée : le système chimique est
3
5
14
10-5 mol.L-1 = 0,000 01 mol.L-1
10-3 mol.L-1 = 0,001 mol.L-1
à l’état d’équilibre (microscopiquement, deux réactions
inverses simultanées à la même vitesse ;
macroscopiquement, plus d’évolution apparente ; on
parle d’équilibre dynamique)
ex. CH3COOH(l) + H2O(l) = CH3COO-(aq) + H3O+(aq)
[H3O+(aq)]
Savoir relier τf et donc xf (ou xeq) à la mesure
de pH ou de σ à l’équilibre
En solution aqueuse : a R1 + b R2 = c P1 + d P2
quotient de réaction à l’instant t pour la transformation chimique considérée :
nombre sans dimension
Qr =
[P1]c [P2]d
[R1]a [R2]b
sans unité
(1): a R1 + b R2 = c P1 + d P2 ⇒ K1
(2): c P1 + d P2 = a R1 + b R2 ⇒ K2
avec [P] = [P(aq)] concentration effective de l’espèce dissoute P en mol.L-1
= 1 si P est solide ou si P est le solvant (eau en solution aqueuse) …..
K2 = K1-1 = 1 / K1
A l’équilibre : Qr , eq = K
constante d’équilibre de la réaction considérée,
dépendant de la température mais pas des concentrations initiales.
Savoir relier τf à K et aux n i ( )
Savoir déterminer K par la mesure
Pour une transformation donnée, τf dépend de la constante d’équilibre K de la
réaction et des concentrations initiales.
constante d’acidité KA du couple A/B :
constante d’équilibre de la réaction de l’acide A sur l’eau :
+
[ H 3 O ][ B]
+
A(aq) + H2O(l) = B(aq) + H3O (aq) K A =
[A]
à c fixé, τf croît avec KA
[H3O+]eq croît avec KA
pH décroît quand pKA = - log KA décroît
plus KA est grand, plus pKA est petit, et plus l’acide est fort
( plus la base conjuguée est faible )
• à KA fixé, τf croît quand c décroît
•
Réaction d’autoprotolyse de l’eau :
2 H2O(l) = HO-(aq) + H3O+(aq)
produit ionique de l’eau : Ke = 1,0.10-14 à 25°C
Dans toute solution aqueuse : [H3O+].[ HO-] = Ke
Une solution aqueuse est toujours électriquement neutre.
Lorsque son pH vaut 7, elle est neutre du point de vue
acido-basique et [H3O+] = [ HO-] = 1,0.10-7 mol.L-1 .
[H3O+] > [ HO-]
solution acide
7
[H3O+] < [ HO-]
solution basique
pH
Réaction acido-basique entre l’acide A1 (A1 / B1 : KA1 ) et la base B2 (A2 / B2 : KA2 ) :
A1 (aq) + B2 (aq) = B1 (aq) + A2 (aq)
⇒
K=
K A1
K A2
Couple acide /base A / B :
Domaines de prédominance :
pKA = pH – log
[ B]
[A]
[A] > [B]
A prédomine B
⇒ pH = pKA + log
pKA
[ B]
[A]
[B] > [A]
B prédomine devant A
pH
Diagramme de distribution, en
fonction du pH, des différentes
espèces chimiques des deux
couples acide/base proposés :
CO2, H2O / HCO3- et HCO3- /
CO32- :
pKA (CO2, H2O / HCO3-(aq) ) = 6,4
pKA (HCO3-(aq)/ CO32-(aq) ) = 10,3
Un indicateur coloré acido-basique est un couple acide/base dont les formes acide et basique conjuguées
n’ont pas la même couleur en solution aqueuse. La teinte sensible, due à la coexistence des deux formes,
s’obtient dans une zone de pH encadrant le pKA de l’indicateur (zone de virage).
Indicateurs colorés
Teinte
Zone de virage
Teinte
forme acide
forme basique
Hélianthine
rouge
3,1 – 4,4
jaune
Bleu de bromothymol
jaune
6,0 – 7,6
bleu
Phénolphtaléine
incolore
8,2 - 10
rose
Titrage acido-basique :
voir
réactif titrant : HO-(aq) si le réactif à titrer est un acide.
réactif titrant : H3O+(aq) si le réactif à titrer est une base.
conductimétrique : on observe l’évolution de G ou de σ en fct du volume de solution titrante versée ;
on détermine graphiquement le point d’équivalence.
colorimétrique : on observe le changement de couleur provoqué par le virage d’un indicateur coloré acido-basique
choisi de sorte que sa zone de virage contienne le pH à l’équivalence.
pH-métrique : on observe l’évolution du pH en fct du volume de solution titrante versée ;
on détermine graphiquement le point d’équivalence (saut de pH aux alentours de E) :
d pH
Méthode des tangentes
Extremum de la fonction dérivée
dv
Titrage acido-basique
14,00
14,00
12,00
12,00
10,00
10,00
8,00
pH
pH
Titrage acido-basique
E
pHE
8,00
6,00
6,00
4,00
4,00
2,00
2,00
0,00
E
pHE
0,00
0
5
10
15
Vb (m L)
20
25
30
0
5
10
15
Vb (m L)
20
25
30