Chim N° 03 : Couples Acide / Base

Chim N° 03 :
Couple acide / Base
Cours

 

 

 
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I- Étude d'un acide faible : l'acide éthanoïque.

1)- L'acide éthanoïque pur.

2)- Étude de la solution aqueuse d'acide éthanoïque.

3)- pH des solutions aqueuses d'acide éthanoïque.

4)- ionisation et dilution.

5)- Récapitulatif.

II- Étude d'une base faible : l'ion éthanoate.

1)- L'éthanoate de sodium.

2)- Basicité de la solution aqueuse d'éthanoate de sodium.

3)- Composition de la solution aqueuse d'éthanoate de sodium.

III- Équilibre chimique de dissociation.

1)- Mise en évidence.

2)- Conséquences.

IV- Couples acide / Base.

1)- L'acide éthanoïque et l'ion éthanoate

2)- Récapitulatif :

3)- Couple acide / base.

4)- Les couples de l'eau.

5)- Mise en solution aqueuse d'un acide ou d'une base.

6)- Cas des acides forts et des bases fortes.

V- Applications.

 

I- Étude d'un acide faible : l'acide éthanoïque.

1)- L'acide éthanoïque pur.

-  L'acide éthanoïque dont le nom commun est acide acétique de formule CH3COOH

porte le groupement  — COOH caractéristique des acides carboxyliques.

-  Dans les conditions normales de températures et de pression, c'est un liquide incolore d'odeur piquante et  caustique.

-  il brûle la peau. Il ne conduit pas le courant.

-  Sa densité est voisine de celle de l'eau : d ≈ 1,049.

-  Il est miscible à l'eau en toutes proportions.

 

2)- Étude de la solution aqueuse d'acide éthanoïque.

-  La solution aqueuse d'acide éthanoïque conduit le courant électrique, en conséquence, elle contient des ions.

-  D'autre part, la solution est acide, elle fait virer au jaune le bleu de bromothymol.

-  La dissolution de l'acide éthanoïque dans l'eau est une réaction chimique.

3)- pH des solutions aqueuses d'acide éthanoïque.

-  Les solutions d'acide éthanoïque sont nettement moins acides que celle de l'acide chlorhydrique de même concentration.

-  tableau.

Coefficient de

dissociation de

l'acide

éthanoïque

α %

1,25

3,9

12

33

70

94

99

99,4

Concentration

C

mol / L

10 –1

10 –2

10 –3

10 –4

10 –5

10 –6

10 –7

10 –8

Acide

éthanoïque

pH

2,9

3,4

3,9

4,5

5,2

6

6,79

6,98

Acide

chlorhydrique

pH

1,1

2

3

4

5

6

6,79

6,98

 

– log C

1

2

3

4

5

6

7

8

 

-  Exploitation de la mesure du pH.

* Application 1 :

-  Déterminer la concentration des différentes espèces présentes pour C = 10–2 mol / L.

-  Donner les espèces majoritaires, minoritaires et ultra minoritaires.

-  Calculer le coefficient de dissociation ou d'ionisation ou le degré d'ionisation α :

 

α =

Quantité de matière de molécules dissociées

―———————————————————

Quantité de matière de molécules mises en solution

 

► Solution :

-  Inventaire des espèces présentes : CH3COOH ; CH3COO– ; H3O+ ; OH – et le solvant H2O.

-  Pour C = 1,0 × 10–2 mol / L, pH = 3,4.

-  On peut négliger la réaction d'autoprotolyse de l'eau devant la réaction de dissolution de l'acide éthanoïque.

-  Mesure du pH : pH = 3,4

-  Par définition :

-  pH = – log [H3O+] cette relation est équivalente à [H3O+] = 10 – pH mol.L–1

-  [H3O+] = 10– 3,4 mol.L–1

-  [H3O+] ≈ 4,0 × 10–4 mol / L.

-  produit ionique de l'eau :

-  pKe = 14 à 25 °C

-  [OH–]  = 10 pH – pKe mol.L–1

-  [OH–]  = 10 3,4 – 14 mol.L–1

-  [OH–]  ≈ 2,5 × 10–11 mol.L–1 

-  équation d'électroneutralité :

-  [H3O+] = [CH3COO–]  + [OH–] 

-  Or [H3O+] >> [OH–] 

-  (voir au-dessus : [H3O+] ≈ 4,0 × 10–4 mol / L et [OH –]  ≈ 2,5 × 10–11 mol.L–1) 

-  [H3O+] ≈ [CH3COO –] ≈ 4,0 × 10–4 mol / L

-  équation de conservation de la matière :

-  L'acide éthanoïque dissous, se trouve sous deux formes, soit sous forme de molécule d'acide éthanoïque, soit sous forme d'ion éthanoate.

-  [CH3COOH] + [CH3COO–] = C

-  [CH3COOH] = C – [CH3COO–]

-  [CH3COOH] ≈ 1,0 × 10–2  – 4,0 × 10–4

-  [CH3COOH] ≈ 9,6 × 10–3 mol / L

-  Espèce majoritaire : CH3COOH; espèces minoritaires : CH3COO– ; H3O+;

-  Espèce ultra minoritaire : OH–.

► Coefficient de dissociation :

Équation

bilan

CH3COOH

+ H2O

→

CH3COO –

+ H3O+

À, t = 0 s

n

Solvant

 

0

0

Équilibre

chimique

n – n . α

Excès

 

n . α

n . α

 

 Coefficient de dissociation : 4 %

   

α =

Quantité de matière de molécules dissociées

―———————————————————

Quantité de matière de molécules mises en solution

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4)-  ionisation et dilution.

► Application  2 :

-  On dilue 100 fois une solution d'acide éthanoïque de concentration C = 1,0 × 10–2 mol / L ;

-  Le pH de la solution obtenue est égal à 4,5.

-  Calculer le coefficient d'ionisation de l'acide.

► Solution :

-  Inventaire des espèces présentes : CH3COOH ; CH3COO– ; H3O+ ; OH–

-  Pour C’ = 1,0 × 10– 4 mol / L, pH = 4,5.

-  On peut négliger la réaction d'autoprotolyse de l'eau devant la réaction de dissolution de l'acide éthanoïque.

-  Mesure du pH : pH = 4,5

-  Par définition :

-  pH  = – log [H3O+] cette relation est équivalente à [H3O+] = 10– pH mol.L–1

-  [H3O+] = 10– 4,5 mol.L–1

-  [H3O+] ≈ 3,2 × 10–5 mol / L.

-  produit ionique de l'eau :

-  pKe = 14 à 25 °C

-  [OH –]  = 10 pH – pKe mol.L–1

-  [OH–]  = 10 4,5 – 14 mol.L–1

-  [OH–]  ≈ 3,2 × 10–10 mol.L–1 

-  équation d'électroneutralité :

-  [H3O+] = [CH3COO–]  + [OH–] 

-  Or [H3O+] >> [OH –]  (voir au-dessus ) 

-  [H3O+] ≈ [CH3COO –] ≈ 3,2 × 10–5 mol / L

-  équation de conservation de la matière :

-  L'acide éthanoïque dissous, se trouve sous deux formes, soit sous forme de molécule d'acide éthanoïque, soit sous forme d'ion éthanoate.

-  [CH3COOH] + [CH3COO–] = C’

-  [CH3COOH] = C’ – [CH3COO –]

-  [CH3COOH] ≈ 1,0 × 10–4  – 3,2 × 10–5

-  [CH3COOH] ≈ 6,8 × 10–5 mol / L

-  Espèce majoritaire : CH3COOH; espèces minoritaires : CH3COO– ; H3O+;

-  Espèce ultra minoritaire : OH–.

-  Coefficient d'ionisation :

-   Coefficient d'ionisation : 32 %

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5)- Récapitulatif.

-  la réaction entre l'acide éthanoïque et l'eau est une réaction rapide mais limitée.

-  Une solution aqueuse d'acide éthanoïque contient les espèces suivantes :

-   Espèce majoritaire : CH3COOH ; espèces minoritaires : : CH3COO– ; H3O+;

-  Espèce ultra minoritaire : OH–

-  On donne à la solution aqueuse la formule de l'espèce majoritaire : CH3COOH

-  L'acide éthanoïque est un acide faible.

haut

II- Étude d'une base faible : l'ion éthanoate.

1)- L'éthanoate de sodium.

-  L'éthanoate de sodium est un solide ionique blanc de formule statistique CH3COONa.

-  équation bilan de la réaction de dissolution de l'éthanoate de sodium dans l'eau :

 

 

eau

 

 

Équation

bilan

CH3COONa

→

CH3COO –

+ Na+

 

-  Cette réaction est totale tant que la solution n'est pas saturée ce qui est le cas en terminale car :

1,0 × 10–1 mol / L < C < 1,0 × 10–6 mol / L.

2)- Basicité de la solution aqueuse d'éthanoate de sodium.

-  Tableau de valeurs :

 Coefficient de

 protonation

 l'ion

éthanoate

 α %

 0,0079

 0,025

 0,078

 0,23

 0,49

 0,61

 0,63

 0,67

Concentration

C mol / L

 10 –1

 10 –2

 10 –3

 10 –4

 10 –5

 10 –6

 10 –7

 10 –8

Éthanoate

de sodium

pH

 8,9

 8,4

 7,9

 7,4

 7,1

 8

 7

 7

Soude

pH

 12.9

 12

 11

 10

 9

 8

 7,2

 7

14 +  log C

 13

 12

 11

 10

 9

 8

 7

 6

 

-  Exploitation du tableau :

-  Les solutions d'éthanoate de sodium sont basiques mais moins basiques que les solutions de soude de même concentration.

-  La réaction de l'ion éthanoate sur l'eau est très limitée.

-  L'ion éthanoate est une base faible.

3)- Composition de la solution aqueuse d'éthanoate de sodium.

► Application 3 :

-  Une solution d'éthanoate de sodium de concentration C = 1,0 × 10–2 mol / L a un pH = 8,4.

-  Calculer la concentration des différentes espèces présentes et les qualifier.

-  Que peut-on dire de la réaction entre l'ion éthanoate et l'eau ?

-  Calculer le coefficient de protonation α de l'ion éthanoate.

► Solution :

-  Inventaire des espèces présentes : CH3COOH ; CH3COO – ; H3O+ ; OH – ; Na+ et le solvant H2O.

-  Pour C = 1,0 × 10–2 mol / L, pH = 8,4.

 

-  On peut négliger la réaction d'autoprotolyse de l'eau devant la réaction entre l'ion éthanoate et l'eau.

-  Équation bilan de la réaction : on met le signe égal : = car la réaction avec l'eau n'est pas totale, elle est limitée.

Équation bilan

CH3COO –

+ H2O

=

CH3COOH

+  OH–

-  Concentration des ions sodium :

-  [Na+] = C = 1,0 × 10–2 mol / L

-  Mesure du pH : pH = 8,4

-  Par définition :

-  pH  = – log [H3O+] cette relation est équivalente à [H3O+] = 10 – pH mol.L–1

-  [H3O+] = 10– 8,4 mol.L–1

-  [H3O+] ≈ 4,0 × 10–9 mol / L.

-  produit ionique de l'eau :

-  pKe = 14 à 25 °C

-  [OH–]  = 10 pH – pKe mol.L–1

-  [OH–]  = 10 8,4 – 14 mol.L–1

-  [OH–]  ≈ 2,5 × 10–6 mol.L–1 

-  équation d'électroneutralité :

-  [H3O+] + [Na+] = [CH3COO –]  + [OH –] (1)

-  Or [H3O+] << [OH –] << [Na+]  (voir au-dessus ) 

-  On peut négliger la concentration des ions hydroxyde et des ions hydronium devant la concentration des ions sodium.

-   [Na+] ≈ [CH3COO–]  ≈ 1,0 × 10 –2 mol / L

-  équation de conservation de la matière :

-  [CH3COOH] + [CH3COO–] = C

-  [CH3COO –] = C - [CH3COOH] (2)

-  En combinant (1) et (2).

-  [H3O+] + [Na+] ≈ C – [CH3COOH] + [OH–] or [Na+] = C = 1,0 × 10–2 mol / L

-  [H3O+] ≈ [OH–] – [CH3COOH]

-  [CH3COOH] ≈ [OH–] – [H3O+]

-  [CH3COOH] ≈ 2,5 × 10–6  – 4,0 × 10–9

-  [CH3COOH] ≈ 2,5 × 10–6 mol.L–1 

 

-  Coefficient de protonation α :

Équation

bilan

CH3COO –

+ H2O

→

CH3COOH

+ OH–

À, t = 0 s

n

solvant

 

0

0

Équilibre

 chimique

n – n . α

excès

 

n . α

n . α

  

   Coefficient d'ionisation : 0,025 %

-  Espèces majoritaires : CH3COO– ; Na+ ; espèces minoritaires : CH3COOH ; OH–; espèce ultra minoritaire : H3O+

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III- Équilibre chimique de dissociation.

1)- Mise en évidence.

* Application 4 :

-  On réalise l'expérience suivante

expérience 01

expérience 02

► Interprétation du phénomène :

-  Quelles sont les espèces présentes dans les solutions A et B ?

-  Calculer la concentration des différentes espèces dans les deux solutions A et B. Les qualifier.

-  Que se passe-t-il au cours de la réaction I ? écrire l'équation bilan de la réaction.

-  Que se passe-t-il au cours de la réaction II ? écrire l'équation bilan de la réaction.

-  Conséquences.

► Solution :

-  Inventaire des espèces présentes :

-  CH3COOH ; CH3COO– ; H3O+ ; OH –; Na+; Cl–.

-  Les solutions A et B contiennent les mêmes espèces chimiques.

-  Concentration des différentes espèces chimiques.

  Attention : il faut tenir compte de l'augmentation du volume de la solution.

-  C (Na+) = 5 E-3 mol / L ; C (Cl-) = 5 E-3 mol /  

-  Mesure du pH : pH = 3,5

-  Par définition :

-  pH = – log [H3O+] cette relation est équivalente à [H3O+] = 10– pH mol.L–1

-  [H3O+] = 10– 3,5 mol.L–1

-  [H3O+] ≈ 3,2 × 10–4 mol / L.

-  produit ionique de l'eau :

-  pKe = 14 à 25 °C

-  [OH –]  = 10 pH – pKe mol.L–1

-  [OH –]  = 10 3,5 – 14 mol.L–1

-  [OH –]  ≈ 3,2 × 10–11 mol.L–1 

-  équation d'électroneutralité :

-  [H3O+] + [Na+] = [CH3COO–]  + [OH–] + [Cl–]  (1)

-  Or + [Na+] = [Cl–] et [H3O+] >> [OH–]  (voir au-dessus ) 

-  On peut négliger la concentration des ions hydroxyde devant la concentration des ions hydronium.

-   [H3O+] ≈ [CH3COO –]  ≈ 3,2 × 10–4 mol / L

-  équation de conservation de la matière

-  conservation de la matière  

-  Qualificatifs :

-  Espèces majoritaires : CH3COOH ; CH3COO– ; H3O+ ; Na+; Cl–.  

-  Espèce ultra minoritaire : OH–

-  Équation bilan de la réaction I :

-  Au cours de la réaction, des ions hydronium ont disparu.

-  Les ions sodium et les ions chlorure ne participent pas à la réaction, ce sont des ions spectateurs.

-   Les ions hydronium réagissent avec les ions éthanoate :

 

 

(2)

 

 

CH3COO–

+  H3O+

→

CH3COOH

+  H2O

 

-  équation bilan de la réaction II :

-  c'est une dilution, elle favorise l'ionisation de l'acide éthanoïque.

-  Les ions sodium et les ions chlorure ne participent pas à la réaction, ce sont des ions spectateurs.

 

 

(1)

 

 

CH3COOH

+  H2O

→

CH3COO–

+  H3O+

 

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2)- Conséquences :

-  Les réactions (1) et (2) sont inverses l'une de l'autre et se produisent simultanément.

-  Elles limitent leurs effets.

-  On est en présence d'un équilibre chimique dynamique.

-  En conséquence, on écrit :

CH3COOH

+  H2O

=

CH3COO –

+  H3O+

 

-  Cet équilibre existe : quel que soit le pH, quelles que soient les autres espèces présentes dans la solution.

-  On peut déplacer l'équilibre dans le sens direct  en ajoutant de l'eau.

-  On peut déplacer l'équilibre dans le sens inverse si l'on verse des ions hydronium.

 

IV- Couples acide / Base.

1)- L'acide éthanoïque et l'ion éthanoate

CH3COOH

+ H2O

=

CH3COO–

+ H3O+

-  L'acide éthanoïque est un acide faible et l'ion éthanoate est une base faible dans l'eau

-  L'espèce CH3COOH peut libérer un proton : c'est un acide

-  l'espèce CH3COO– peut capter un proton : c'est une base

-  C'est deux espèces CH3COOH / CH3COO– constituent un couple acide / base conjuguée

 

 

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2)- Récapitulatif :

► Acide :

-  Un acide est une espèce chimique capable de céder au moins un proton

-  AH  →  H+ + A –

-  Un acide est fort en solution aqueuse si sa réaction avec l'eau est totale :

-  AH  +  H2O →  H3O+  + A– 

-  Et pH = – log C si 1,0 × 10– 6 mol / L < C < 5,0 × 10– 2 mol / L

-  Un acide est faible en solution aqueuse si sa réaction avec l'eau est limitée : équilibre chimique :

-  AH +  H2O =  H3O+  + A–  et pH > – log C si 1,0 × 10– 6 mol / L < C < 5,0 × 10– 2 mol / L

 

► Base :

-  Une base est une espèce chimique capable de capter au moins un proton

-  H+ + A –  →  AH

-  Une base est forte en solution aqueuse si sa réaction avec l'eau est totale :

-  A–  + H2O →  OH–  + AH 

-  Et pH = 14 + log C si 1,0 × 10– 6 mol / L < C < 5,0 × 10– 2 mol / L

-  Une base est faible en solution aqueuse si sa réaction avec l'eau est limitée : équilibre chimique :

-  A–  +  H2O =  OH –  + AH 

-  Et pH < 14 + log C si 1,0 × 10– 6 mol / L < C < 5,0 × 10– 2 mol / L

 

3)- Couple acide / base.

-  Un couple acide / base est noté : acide / base :

-  Schéma formel : Acide  =  base  +  H+

-  Exemples : 

-  AH  =  H+ + A–  Couple  AH / A– 

-  B  +  H+ =  BH+  Couple  BH+/ B

4)- Les couples de l'eau.

-  l'eau est une base, elle peut capter un proton :

-  H2O  + H+ = H3O+ Couple H3O+ / H2O

-  l'eau est un acide, elle peut céder un proton :

-  H2O  =  OH –  + H+ Couple H2O / OH – 

-  L'eau est l'espèce basique du couple H3O+ / H2O et l'eau est l'espèce acide du couple H2O / OH –.

-  On dit que l'eau est un amphotère ou ampholyte.

  Toute espèce qui est l'acide d'un couple et base d'un autre couple est dite amphotère ou ampholyte.

5)- Mise en solution aqueuse d'un acide ou d'une base.

-  Exemple : mise en solution aqueuse de l'acide éthanoïque.

CH3COOH

+  H2O

=

CH3COO–

+  H3O+

-  Les couples acide / base qui interviennent sont :

-  Couple 1 : CH3COOH / CH3COO –

-  Couple 2 : H3O+ / H2O

 

 

 

CH3COOH

=

H+

+  CH3COO–

;

 

acide 1

   

    

base 1

H2O

+  H+

=

H3O+

 

;

base 2

 

 

acide 2

 

————————————————————————

Bilan :

base 2

+ acide 1

=

acide 2

+  base 1

    

-  Il y a eu un transfert de proton entre le couple 1 et le couple 2.

-  Une réaction acido-basique est une interaction entre deux couples acide / base. Cette réaction se traduit par un transfert de protons.

6)- Cas des acides forts et des bases fortes.

-  Acide fort :

HCl

+  H2O

→

H3O+

+  Cl – 

  

-  L'ion chlorure Cl– est la base conjuguée de HCl (acide fort) c'est une base indifférente, elle ne réagit pas avec l'eau.

-  Dans l'eau la base conjuguée d'un acide fort est une base indifférente, elle ne réagit pas avec l'eau.

-  Base forte :

-  L'ion éthanolate

C2H5O –  

+  H2O

→

C2H5OH

+  OH – 

 

-  L'éthanol est l'acide conjugué d'une base forte, c'est un acide indifférent, il ne réagit pas avec l'eau.

-  Dans l'eau l'acide conjugué d'une base forte est un acide indifférent, il ne réagit pas avec l'eau.

-  Remarque importante :

-  Dans une solution d'acide fort ou de base forte, le seul équilibre qui intervient et celui entre les ions : H3O+ et OH – 

-  H3O+ + OH –  =  2 H2O  pKe = 14

-  On dit que l'eau a un effet nivelant.

-  Dans l'eau, il n'existe pas d'acide plus fort que H3O+ et de base plus forte que OH –

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V- Applications.

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