Fiche de physique - chimie
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MODÉLISATION DES TRANSFORMATIONS ACIDO-BASIQUES

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I. Acides et bases

* D'après la théorie de Brönsted (J. Brönsted, 1879-1947) :

Acide et base
Un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H+.
Une base est une espèce chimique capable de capter un proton H+.
Une espèce indifférente (ou spectatrice) est une espèce chimique qui ne réagit pas en solution aqueuse : elle ne peut donc ni céder, ni capter un proton H+ (par exemple : Na+, Cl-).

2. Couples acide-base

Couple acide/base
Un couple acide/base est l'ensemble de l'acide A et de la base B qui se correspondent par transfert d'un proton H^+ suivant la demi-équation :

\boxed{AH_{(aq)} = A^-_{(aq)} + H^+}

* Exemple : couple acide éthanoïque (ou acétique) / ion éthanoate (ou acétate) CH3COOH/CH3-COO- : CH3COOH = CH3-COO- + H+.

3. Transformation acido-basique

Transformation acido-basique
Une réaction acido-basique est un transfert d'un proton H+ entre un acide et une base de deux couples différents. Les produits sont les formes conjuguées des réactifs.

* Soit un couple acide-base (AH/A-). On passe de l'un à l'autre par gain ou perte d'un proton.
   Si l'acide est le réactif alors la demi-équation sera AH_{(aq)} \rightarrow  A^-_{(aq)} +H^+.
   Si la base est le réactif alors la demi-équation sera A^-_{(aq)} + H^+ \rightarrow AH_{(aq)}.

* Lors d'une réaction acido-basique, il y a deux couples acide-base qui interviennent, (AH/A-) et (BH/B-). L'acide d'un couple réagit avec la base du deuxième couple.

* On fait réagir l'acide AH avec la base B- :
en écrivant les 2 demi-équations acido-basiques, on obtient : AH_{(aq)} \rightarrow  A^-_{(aq)} + H^+ ;
l'acide AH va donc libérer un proton H+ et la base B- va récupérer ce proton.
il va donc y avoir formation de la base A- et de l'acide BH.
Donc l'équation de la réaction sera : AH_{(aq)} + B^-_{(aq)} \rightarrow  A^-_{(aq)} + BH_{(aq)} (on ne fait pas figurer le proton transféré dans l'équation)

* Exemple : réaction de l'acide acétique avec l'eau ;
Les couples en jeu sont CH3COOH/CH3-COO- et H3O+/H2O ;
L'équation de cette réaction est CH3COOH + H2O = CH3-COO- + H3O+.

II. Structure et caractère acide ou basique

1. Libération d'un proton H+

* Pour libérer un proton H+, la liaison entre un atomes d'hydrogène et le reste de l'espèce chimique doit être fortement polarisée. En outre, l'atome d'hydrogène doit porter une charge partielle positive.

* Exemples de liaisons polarisées : H-O ; H-N ; H-Cl ; H-Br ou encore H-I.

* Pour plus de détails, il est recommandé de réviser la fiche suivante :

fiches De la structure à l'électronégativité des entités et à la polarité des molécules

* En particulier, il est nécessaire de savoir représenter le schéma de Lewis et la formule semi-développée des espèces chimiques suivantes :
Les acides carboxyliques, dont le groupe carboxyle confère un caractère acide ;
Les amines et notamment l'ion ammonium.

2. Les ampholytes (ou espèces amphotères)

Définition
On dit d'une espèce chimique qu'elle est amphotère si elle peut jouer à la fois le rôle d'acide et le rôle de base.

* Exemples :
l'eau est un ampholyte car il appartient, en tant qu'acide, au couple (H_2O/HO^-) et en tant que base au couple (H_3O^+/H_2O) ;
il en existe d'autres comme l'hydrogénocarbonate (acide du couple (HCO_3^-/CO^{2-}_3) et la base du couple (CO_2,H_2O/HCO_3^-)), etc.

3. Un indicateur coloré : le BBT

* Le bleu de bromothymol forme un couple acide-base particulier car l'acide et la base conjuguée n'ont pas la même couleur.

* Le BBT sert à savoir si l'on a affaire à une solution acide ou basique :
Si la solution est acide alors le BBT aura une couleur jaune.
Si la solution est basique alors le BBT aura une couleur bleu.

* Le couple d'un indicateur coloré est noté (InH/In-), InH pour la couleur jaune et In- pour la couleur bleue.
Si le BBT rencontre un acide, l'équation de la réaction sera AH+In^- \rightarrow A^-+InH.
Si le BBT rencontre une base, l'équation de la réaction sera A^-+InH \rightarrow AH+In^-.

III. Le pH et sa mesure

1. Définition et mesure du pH

Notion de pH
Le pH d'une solution est un nombre lié à la concentration des ions oxonium H_3O^+ (ou hydronium) de cette solution par la relation :

\boxed{ pH = -log \(\dfrac{[H_{3}O^+]}{c^o}\) \Leftrightarrow [H_{3}O^+] = c^o \times 10^{-pH}}

avec :
[H_{3}O^+] la concentration en ion oxonium ou hydronium (en mol.L^{-1}) ;
c^o = 1,0 ~ mol.L^{-1} la concentration standard.

* Remarque : la formule fournie n'est valide qu'en solutions diluées (0,01 mol/L au plus).

* Mesure du pH :
on utilise un pH-mètre correctement étalonné ;
on obtient une valeur de pH à 0,05 près.

2. Sécurité de manipulation pour les acides et les bases

* La transformation entre un acide et une base est exothermique.

* Ainsi, pour éviter les projections, il est préférable de commencer par verser le solvant (l'eau par exemple) puis l'acide ou la base concentrée.

IV. Quelques acides et Bases

1. Quelques acides

* Le chlorure d'hydrogène HCl :
il réagit totalement avec l'eau selon la réaction HCl + H_2O  = H_3O^+ + Cl^-.
La solution s'appelle acide chlorhydrique et contient H_3O^+ et Cl^- (et non HCl). En effet, Cl^- est un ion spectateur (= ne réagit pas sur l'eau) : c'est l'ion chlorure.

* L'acide nitrique HNO_3 :
C'est un acide fort : il réagit totalement avec l'eau selon la réaction HNO_3 + H_2O = H_3O^+ + NO_3^-.
Une solution d'acide nitrique contient H_3O^+ et NO_3^- et non HNO_3. En effet, NO3^- est un ion spectateur (= ne réagit pas sur l'eau) : c'est l'ion nitrate.

* L'acide sulfurique H_2SO_4 :
Au lycée, on peut considérer l'acide sulfurique comme un diacide fort.
Il réagit totalement avec l'eau selon la réaction H_2SO_4 + 2H_2O = 2H_3O^+ + SO_4^{2-}.
Une solution d'acide sulfurique contient H_3O^+ et SO_4^{2-} et non H_2SO_4.

Attention : une mole de H_2SO_4 produit 2 moles de H_3O^+ et SO_4^{2-} est l'ion sulfate.

* Remarque : le couple acide base correspondant à une solution d'acide fort dans l'eau est H_3O^+/H_2O.

L'acide éthanoïque CH_3COOH :
CH_3COOH est l'acide du couple CH_3COOH/CH_3COO^-.
C'est un acide faible : il réagit ne réagit pas totalement avec l'eau. L'équation de la réaction est CH_3COOH + H_2O = CH_3COO^- + H_3O^+.
Une solution d'acide éthanoïque contient H_3O^+ ,CH_3COOH, CH_3COO^- et CH_3COO^- est l'ion acétate.

* L'acide benzoïque C_6H_5COOH :
C_6H_5COOH est l'acide du couple C_6H_5COOH/C_6H_5COO^-.
C'est un acide faible : il réagit ne réagit pas totalement avec l'eau. L'équation de la réaction s'écrit C_6H5COOH + H_2O = C_6H_5COO^- + H_3O^+.

Une solution d'acide benzoïque contient H_3O^+, C_6H_5COOH, C_6H_5COO^- et C_6H_5COO^- est l'ion benzoate.

2.Quelques bases


* Les hydroxydes de sodium (NaOH) ou de potassium (KOH) :
Les hydroxydes se dissocient totalement dans l'eau.
Ces solutions ne contiennent que Na^+ et HO^- ou K^+ et HO^-, où Na^+ et K^+ sont des ions indifférents.
Le couple acide base correspondant à une solution de base forte dans l'eau est H_2O/HO-.

* L'ammoniac NH_3 :
Le gaz ammoniac se dissout dans l'eau selon la réaction NH_3 + H_2O = NH_4^+ + HO^-.
La réaction n'est pas totale avec l'eau car l'ammoniac est une base faible.
Le couple acide/base correspondant est NH_4^+/NH_3.
Une solution d'ammoniac dans l'eau contient NH_3, NH_4^+ et NH_4^+ est l'ion ammonium.

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