L'acide citrique et le carbonate de calcium

-  L’acide citrique, contenu notamment dans le citron, porte bien son nom : c’est un acide.

-  Toutefois, les chimistes le qualifient de triacide.

►  Données :

-  Couple acide / base : H₂O / HO^–

-  Une solution qui contient beaucoup d’acide carbonique forme du dioxyde de carbone gazeux.

-  Un acide et une base sont dits conjugués s’ile forment un couple acide / base.

-  Schémas de Lewis :

►  Questions :

1.  L’acide citrique :

a.  Déterminer la formule brute de l’acide citrique, puis calculer son nombre d’électrons de valence.

Vérifier que ce nombre est bien cohérent avec le schéma de Lewis de l’acide citrique.

b.  Montrer que l’ion dihydrogénocitrate est la base conjuguée de l’acide citrique.

c.  Déterminer par une méthode de votre choix, la formule brute de la base conjuguée de l’ion dihydrogénocitrate.

Faire une hypothèse sur son nom.

d.  L’ion citrate est la base conjuguée de l’ion déterminé à la question précédente.

Déterminer sa formule brute, ainsi que son schéma de Lewis.

e.  L’acide citrique réagit avec l’ion hydroxyde pour former l’ion citrate.

Écrire l’équation de la réaction correspondant à cette transformation.

Expliquer pourquoi l’acide citrique est qualifié de « triacide ».

Proposer un qualificatif pour l’ion citrate.

2.  L’ion carbonate

a.  Par analogie avec les réponses aux questions précédentes,

déterminer le schéma de Lewis de l’ion hydrogénocarbonate et celui de l’acide carbonique.

b.  Proposer un qualificatif adapté pour l’ion hydrogénocarbonate, ainsi pour l’acide carbonique.

3.  Réaction entre l’acide citrique et l’ion carbonate

-  Certains comprimés effervescents contiennent de l’acide citrique et du carbonate de sodium.

Lors de l’introduction dans l’eau, il se forme du dioxyde de carbone gazeux.

-  Écrire les équations de réactions modélisant des transformations susceptibles

de se produire et expliquer l’effervescence.

►  Réponses :

1.  L’acide citrique :

a.  Formule brute de l’acide citrique,

-  Formule brute de la molécule d’acide citrique :

-  C₆H₈O₇

-  Valence d’un atome :

-  La valence d’un atome est égale au nombre d’électrons de valence de cet atome

-  Pour Z ≤ 18, les électrons de valence sont ceux qui occupent la couche électronique de nombre n le plus élevé.

-  Cette dernière est appelée couche électronique de valence, sa configuration électronique se nomme configuration électronique de valence

-  Configuration électronique de valence :

-  Elle permet de déterminer le nombre d’électrons de valence d’un atome :

-  Exemple :

-  Atome d’hydrogène : H : 1 électron de valence (première colonne)

-  Atome de carbone C : 4 électrons de valence ( Colonne 14 : 4 électrons de valence)

-  Atome d’azote N : 5 électrons de valence (Colonne 15 : 5 électrons de valence)

-  Atome d’oxygène O : 6 électrons de valence (Colonne 16 : 6 électrons de valence)

-  Atome de fluor F : 7 électrons de valence (Colonne 17 : 7 électrons de valence).

-  Nombre d’électrons de valence d’une molécule :

-  Le nombre d’électrons de valence N_v d’une molécule est égal

à la somme des nombres d’électrons de valence de tous les atomes qui constituent la molécule.

-  Dans le cas de la molécule d’acide citrique :

-  Cette molécule est constituée de

-  6 atomes de carbone C 

-  De 8 atomes d’hydrogène H

-  De 7 atomes d’oxygène O

-  Nombre d’électrons de valence de chaque atome :

-  Atome d’hydrogène : Z = 1

-  Configuration électronique : 1s¹

-  Configuration électronique de valence : 1s¹

-  L’atome d’hydrogène possède 1 électron de valence

-  Atome de carbone : Z = 6

-  Configuration électronique : 1s² 2s² 2p²

-  Configuration électronique de valence : 2s² 2p²

-  L’atome de carbone possède 4 électrons de valence

-  Atome d’oxygène :  Z = 8

-  Configuration électronique : 1s² 2s² 2p⁴

-  Configuration électronique de valence : 2s² 2p⁴

-  L’atome d’oxygène possède 6 électrons de valence.

-  Nombre d’électrons de valence de l’acide citrique :

-  N_v = 6 × 4 + 8 × 1 + 7 × 6

-  N_v = 74

-  Cohérence avec le schéma de Lewis de l’acide citrique :

-  Schéma de Lewis de la molécule d’acide citrique :

-  Dans la molécule d’acide citrique, on dénombre :

-  23 doublets liants (─) et 14 doublets non liants (─)

-  N_v = 23 × 2 + 14 × 2

-  N_v = 74

-  Le nombre d’électrons de valence de l’acide citrique est bien en accord

avec le schéma de Lewis de sa molécule.

b.  Ion dihydrogénocitrate.

-  L’acide citrique et l’ion dihydrogénocitrate ne diffèrent que par l’ion hydrogène H⁺.

-  L’acide citrique : C₆H₈O₇

-  On le note H₃Cit

-  L’ion dihydrogénocitrate : C₆H₇O₇^–

ou

-  On le note H₂Cit^–

-  L’acide H₃Cit et sa base conjuguée H₂Cit^– forment un couple acide-base noté H₃Cit / H₂Cit^–.

-  Il est possible de passer d’un à l’autre par transfert d’un ion hydrogène H⁺.

-  Écriture de la demi-équation du couple acide-base :

-  L’ion dihydrogénocitrate est la base conjuguée de l’acide citrique

c.  Formule brute de la base conjuguée de l’ion dihydrogénocitrate.

-  La base conjuguée de l’ion dihydrogénocitrate provient d’un ion dihydrogénocitrate ayant perdu un proton H⁺.

-  Hypothèse sur son nom : Ion hydrogénocitrate

-  Formule brute : C₆H₆O₇^2–

-  HCit^2–

d.  Formule brute et schéma de Lewis de l’ion citrate

-  L’ion citrate : C₆H₅O₇^3–

-  On le note :  Cit^3–

-  Schéma de Lewis :

-  Il provient de l’ion hydrogénocitrate ayant perdu un proton H⁺.

►  Remarque :

-  Les espèces ion dihydrogénocitrate H₂Cit^– et hydrogénocitrate HCit^2– sont des espèces amphotères.

e.  Équation de la réaction correspondant à la transformation entre l’acide citrique et l’ion hydroxyde

-  Acide citrique : H₃Cit

-  L’ion hydroxyde : HO^–

-  L’acide citrique C₆H₈O₇ (aq) réagit totalement avec l’ion hydroxyde HO^– (aq) selon la réaction d’équation :

C₆H₈O₇ (aq) + 3 HO^– (aq) → C₆H₅O₇^3– (aq) + 3 H₂O (ℓ)

-  Les différentes courbes : Dosage de l’acide citrique par la soude

-  Les différentes réactions :

-  Réaction entre l’acide citrique et l’ion hydroxyde :

-  Les couples de départ :

-  Les couples : H₃Cit / H₂Cit^– et H₂O / HO^–

-  On verse une solution aqueuse de soude {Na⁺ (aq) + HO^– (aq)} dans une solution aqueuse d’acide citrique.

-  Les ions sodium Na⁺ (aq) ne participent pas aux différentes réactions chimiques (ions indifférents).

-  Ils assurent l’électroneutralité de la solution.

-  On souligne en rouge les espèces présentes dans la solution :

-  La réaction prépondérante 1 : (règle du gamma)

-  Réaction prépondérante 2 :

-  Réaction prépondérante 3 : l’espèce H₂Cit^– (aq) a disparue

-  Bilan de la réaction :

►  Résumé :

-  L'acide citrique est un triacide carboxylique dont les pK_A à 25 °C valent :

-  pK_A1 = 3,13 pour le couple H₃Cit / H₂Cit^–

-  pK_A2 = 4,76 pour le couple H₂Cit^– / HCit^2– et

-  pK_A3 = 6,40 pour le couple HCit^2– / Cit^3–

-  L’acide citrique est qualifié de « triacide ».

-  Il possède 3 groupes carboxyliques.

-  Chaque groupe carboxylique peut libérer un proton H⁺.

-  Un qualificatif pour l’ion citrate :

-  L’ion citrate Cit^3– possède 3 groupes ─ COO^–

-  Chaque groupe peut capter un proton H⁺.

-  L’ion citrate est une polybase.

-  On peut qualifier l’ion citrate de « tribase ».

2.  L’ion carbonate

a.  Schéma de Lewis de l’ion hydrogénocarbonate et celui de l’acide carbonique.

-  Schéma de Lewis de l’ion carbonate :

-  Schéma de Lewis de l’ion hydrogénocarbonate :

-  L’ion hydrogénocarbonate HCO₃^– provient d’un ion carbonate CO₃^2– ayant capté un proton H⁺.

-  L’acide HCO₃^– et sa base conjuguée CO₃^2– forment un couple acide-base noté HCO₃^– / CO₃^2–.

-  Il est possible de passer d’un à l’autre par transfert d’un ion hydrogène H⁺.

-  Écriture de la demi-équation du couple acide-base :

-  L’ion carbonate est la base conjuguée de l’ion hydrogénocarbonate.

-  L’acide carbonique :

-  Schéma de Lewis de l’acide carbonique :

-  L’acide carbonique H₂CO₃ provient d’un ion hydrogénocarbonate HCO₃^– ayant capté un proton H⁺.

-  L’acide H₂CO₃ et sa base conjuguée HCO₃^– forment un couple acide-base noté H₂CO₃ / HCO₃^–.

-  Il est possible de passer d’un à l’autre par transfert d’un ion hydrogène H⁺.

-  Écriture de la demi-équation du couple acide-base :

-  L’ion hydrogénocarbonate est la base conjuguée de l’acide carbonique.

►  Autre écriture de l’acide carbonique :

-  (CO₂, H₂O)

b.  Qualificatif adapté pour l’ion hydrogénocarbonate, ainsi que pour l’acide carbonique.

-  Les différents couples :

H2CO3		HCO3–	+	H+
Acide carbonique		Ion hydrogénocarbonate		Ion hydrogène
HCO3– Ion hydrogénocarbonate		CO32– Ion carbonate	+	H+ Ion hydrogène

-  L’acide carbonique peut libérer deux protons H⁺.

-  C’est un polyacide : un « diacide ».

-  De même, l’ion carbonate peut capter deux protons H⁺.

-  C’est une polybase : une « dibase ».

-  Les pK_A des différents couples :

3.  Réaction entre l’acide citrique et l’ion carbonate

-  Comprimés effervescents :  l’acide citrique C₆H₈O₇ et carbonate de sodium CaCO₃.

-  Équations de réactions modélisant des transformations susceptibles de se produire :

-  Réactifs : l’acide citrique, le carbonate de sodium et l’eau.

-  Dissolution dans l’eau :

-  L’acide citrique monohydraté : poudre blanche

-  Le carbonate de calcium : présent principalement dans le calcaire

-  Dissolution dans l’eau :

-  Espèces présentes après dissolution : C₆H₈O₇ (aq) ; Ca²⁺ (aq) (ion spectateur) ; CO₃^2– (aq)

et l’eau H₂O (ℓ) le solvant.

►  On considère que les ions carbonate sont en excès.

-  Les espèces présentes sont soulignées en rouge.

-  Réaction prépondérante 1 :

-  Réaction prépondérante 2 :

-  Autre réaction chimique : Réaction 3

-  Autre réaction chimique :

-  Autre réaction :

-  Autre réaction :

H₂CO₃ (aq) → CO₂ (g) + H₂O (ℓ)

-  Lorsqu’il se forme de l’acide carbonique, comme la limite de solubilité du dioxyde da carbone dans l’eau

est vite atteinte, on observe une effervescence.

-  Il y a un dégagement de dioxyde de carbone.

►  Si l’acide citrique est en excès :

-  Réaction prépondérante 1 : la même que précédemment

-  Autre réaction :

►  Le dioxyde de carbone :

-  Le dioxyde de carbone est soluble dans l’eau.

-  Le dioxyde de carbone solvaté est noté : CO₂ (aq) ou (CO₂, H₂O)

-  La solvatation du dioxyde de carbone donne l’acide carbonique :

CO₂ (aq)+ H₂O (ℓ) = H₂CO₃ (aq)

-  En solution aqueuse, l’acide carbonique est un diacide :

-  L’acide carbonique est une molécule instable.

H₂CO₃ (aq) → CO₂ (g) + H₂O (ℓ)

-  Schéma de Lewis :

► Un autre polyacide : L'acide phosphorique :