Chapitre 13 : réaction chimique par échange de proton H+

|COMPRENDRE: |Chapitre 13 : réaction chimique par échange de proton H+ |
|Lois et modèles | |
Animation
1. dosage conductimétrique, pHmétrique, courbes pHmétriques (M Gastebois)
2. effectuer un dosage conductimétrique Table des matières
I) pH d'une solution
1) définition du pH
2) mesure du pH II) notion d'équilibre chimique
1) réaction chimique partielle entre l'acide ascorbique et l'eau
2) l'équilibre chimique III) acide et base selon Brönsted
1) définition d'un acide est d'une base selon Brönsted
2) Qu'est-ce qu'une espèce amphotère?
3) réaction acido-basique / transfert de proton
4) acide faible, base faible
5) les acides [pic]-aminés IV) Constante d'acidité KA
1) produit ionique Ke de l'eau
2) solution neutre chimiquement, acide et basique
3) constante d'acidité Ka d'un couple acide base
4) Echelle de pKA
5) domaine de prédominance V) acide fort et base forte en solution aqueuse
1) pH et concentration apportée en acide fort ou base forte
2) réaction entre un acide et une base forte
3) solution tampon Programme officiel
I) pH d'une solution
1) définition du pH La fonction logarithme décimal (log) est la fonction inverse de la fonction
10n. Quelques propriétés de cette fonction: Log (a.b)= log (a)+log(b)
Log (a)n = n.log (a)
Log (10n) = n
Log (a/b) =log (a)-log (b)
Log (a+b)= Log (a+b)!
10log(a )= a Exemple:
Log(1) = 0
Log(104 ) = 4
Log(10-3) = -3
Le pH (potentiel Hydrogène) d'une solution aqueuse est définie en 1909 par
le chimiste danois Sorensen :
pH = - log[H3O+] unité: [H3O+] en mol.L-1, le pH est sans unité.
Cette relation n'est exacte que pour les concentrations [pic]
10log(a )= a
pH = - log[H3O+]
-pH = log[H3O+]
10-pH = [H3O+] A partir du pH, on peut déterminer la concentration en ions oxonium:
10-pH = [H3O+]
Exemple: le sang à un pH = 7,4; la concentration en ions oxonium dans le
sang est:
[H3O+] = 10-pH =10-7,4 = 4,0x10-8 mol.L-1 Remarque : plus la concentration en ion oxonium diminue plus le pH
augmente.
2) mesure du pH Pour mesurer le pH on peut utiliser soit:
- du papier pH (peu précis)
[pic]
-
un pH-mètre. Le pH-mètre est constitué d'une sonde
relié à un voltmètre. La sonde se compose d'une électrode de fer est d'une
électrode de référence. La tension U aux bornes de la sonde plongée dans
une solution est une fonction affine du pH:
U = a-b.pH
Avant toute mesure, il est nécessaire d'étalonner un pH-mètre avec deux
solutions étalons de pH connu (généralement 4 et 7). Cet étalonnage permet
de fixer avec précision les valeurs de 'a' et 'b'. Un pH mètre est précis à 0,05 unité pH environ.
L'incertitude relative sur la valeur de la concentration en ion oxonium est
donc de 10 % environ.
Exemple: le pHmètre affiche une valeur pH = 2,66 (+/- 0,05). La
concentration en ions oxonium est comprise entre: 10-(2,66 -0,05) = 1,95x10-3 mol.L-1 < [H3O+] = 10-2,66 = 2,19x10-3 mol.L-
1 < 10-(2,66+0,05) = 2,45x10-3 mol.L-1
Conclusion: on donnera le résultat de la concentration en ion oxonium avec
2 chiffres significatifs [H3O+] = 2,2x10-3 mol.L-1.
La concentration [H3O+] calculée à partir d'une mesure de pH sera donnée
avec 2 chiffres significatifs. II) notion d'équilibre chimique
1) réaction chimique partielle entre l'acide ascorbique et l'eau On dissout 0,22 g d'acide ascorbique (C6H8O6) dans un volume V = 250mL
d'eau. La solution à un pH de 3,2.
Equation bilan de la réaction est: C6H8O6(aq) + H20 C6H7O6-(aq) + H3O+(aq) La masse molaire de l'acide ascorbique est M = 176 g.mol-1. Déterminer
l'avancement final de la réaction. En déduire la concentration des espèces
suivantes en fin de réaction: H3O+, C6H8O6 , C6H7O6-. La réaction est-elle
totale?
Réponse (pour voir la correction vidéo clique ici).
La concentration C1 en acide ascorbique avant réaction avec l'eau est:
[pic]
La concentration en ions |équatio|C6H8O6(aq) + H20 C6H7O6-(aq) + |
|n |H3O+(aq) |
|état |C1 |solvan|0 |0 |
|initial| |t | | |
| | | | | |
|x = 0 | | | | |
|état |C1-xf/V |solvan|xf/V |xf/V |
|final | |t | | |
|x = xf | | | | |
|état |C1-xmax/|solvan|xmax/V |xmax/V|
|final |V=0 |t | | |
|si la | | | | |
|réactio| | | | |
|n est | | | | |
|totale | | | | |
|x = | | | | |
|xmax | | | | |
Après calcul:
[H30+]f = [C6H7O6- ]f = 10-pH = xf/V = 6,3 x 10-4 mol.L-1
[C6H8O6]f= C1-xf/V =4,4 x 10-3 mol.L-1 . Conclusion: la concentration finale en acide ascorbique C6H8O6 n'est pas
nulle, la réaction n'est pas totale, elle est partielle xf < xmax
Pourquoi? La réaction inverse est possible! A l' instant où l'équilibre
chimique est atteint, les concentrations en réactifs et produits n'évoluent
plus. Par contre au niveau microscopique (des molécules) la réaction
continue. A chaque fois qu'une molécule d'acide C6H8O6 rencontre une
molécule d'eau, un ion ascorbate C6H7O6-(aq) + et un ion H3O+ est
produit. Simultanément un ion C6H7O6-(aq) + réagit avec un ion H3O+ pour
redonner une molécule C6H8O6 et une molécule d'eau. Les concentrations
globales en réactifs et produit n'évoluent pas.
2) l'équilibre chimique
Soit l'équation chimique de la réaction suivante: A + B [pic] C + D La réaction effectuée dans le sens direct (1) (lue de gauche à droite)
n'est pas totale, car une réaction a lieu également dans le sens inverse
(2) (lue de droite à gauche). Une fois l'équilibre chimique obtenu, les
proportions en réactifs et produits ne varient plus: on se trouve à l'état
d' équilibre du système chimique.
En revanche à l'état microscopique à chaque fois qu'une réaction se fait
dans le sens 1 une autre se produit dans le sens 2, laissant les
concentrations en réactifs et produits constantes.
Remarque: La double flèche traduit le fait que la réaction peut se faire simultanément dans les 2 sens. Lorsqu'une réaction
ne peut s'effectuer que dans un seul sens on n'écrit qu'une seul flèche
[pic].
III) acide et base selon Brönsted
1) définition d'un acide est d'une base selon Brönsted
Selon Brönsted, un acide est une espèce chimique susceptible de céder un ou
plusieurs protons H+ ;une base est susceptible de capter un ou plusieurs
protons H+.
À chaque acide correspond une base conjuguée, le tout formant un couple
acide / base
Exemple de couple acide / base:
Acide benzoïque / ion benzoate: C6H5CO2H / C6H5CO2-
C6H5CO2- (aq) + H+ (aq) [pic]C6H5CO2H La base C6H5CO2- capte un proton H+ pour donner son acide conjugué C6H5CO2H
2) Qu'est-ce qu'une espèce amphotère?
Une espèce pouvant être à la fois une base est un acide est une espèce
ampholyte (adjectif amphotère).
Exemple: l'eau H2O est une espèce amphotère. En effet elle est une base
dans le couple acide base Ion oxonium, eau H3O+ / H2O
H3O+ (aq) [pic] H2O (L) + H+ (aq)
L'eau est également un acide dans le couple acide base eau / anion
hydroxyde H2O / HO-
H2O(L) [pic] HO- (aq)+ H+ (aq) 3) réaction acido-basique / transfert de proton
Une réaction acido-basique a lieu entre deux couples acide/base AH(1)/A-(1)
et AH(2)/A-(2).
L'acide du couple 1 fournit un proton à la base du couple 2 pour donner la
base du couple 1 et l'acide du couple 2:
AH(1) + A-(2) [pic] A-(1) + AH(2) La double flèche signifie que la réaction peut avoir lieu dans les 2 sens. Exemple : écrire la réaction acido-basique entre l'acide éthanoïque et
l'eau:
Couple acide base: acide éthanoïque / ion éthanoate (CH3CO2H/CH3CO2- ) et
ion oxonium / eau (H3O+ / H2O)
Réaction acido-basique :
CH3CO2H(aq) + H2O (L) [pic]CH3CO2- (aq) + H3O+ (aq) 4) acide faible et fort, base faible et forte
Un acide AH est un acide faible si sa réaction avec l'eau n'est pas totale.
L'équation chimique est:
AH(aq) + H2O (L) [pic]A- (aq) + H3O+ (aq)
Exemple: l'acide méthanoïque (HCOOH) est un acide faible car sa réaction
avec l'eau n'est pas totale. Sa réaction conduit à un équilibre chimique :
HCO2H(aq) + H2O (L) [pic]HCO2- (aq) + H3O+ (aq) Un acide est fort si sa réaction avec l'eau est totale. Exemple :l'acide nitrique (HNO3)
HNO3(aq) + H2O (L) [pic]NO3-(aq) + H3O+(aq)
On écrit une flèche simple car la réaction est totale
Une base A- est faible si sa réaction avec l'eau n'est pas totale. Son
équation chimique est:
A-(aq) + H2O (L) [pic]AH (aq) + HO- (aq)
Exemple: l'ion chlorate (ClO-) est une base faible car sa réaction avec
l'eau n'est pas totale. Sa réaction conduit à un équilibre chimique :
ClO- (aq) + H2O (L) [pic]HClO (aq) + HO- (aq) Une base est forte si sa réaction avec l'eau est totale. Exemple : l'ion méthylate (CH3O-)
CH3O- (aq) + H2O (L) [pic]CH3OH(aq) + HO-(aq)
On écrit une flèche simple car la réaction est totale.
5) les acides [pic]-aminés
Un acide [pic]-aminés contient les groupes carboxyle -CO2H et amine -NH2
portés par le même atome de carbone. Formule générale:
[pic] [pic]
R: chaîne carbonée ou un hydrogène. En solution aqueuse on observe une auto-protonation de la molécule. Ce
transfert est une réaction acido-basique intramoléculaire. Elle donne
naissance à un ion dipolaire appelé amphion ou zwitterion: [pic]Amphion
L'amphion est un ampholyte car il est à la fois une base et un acide:
- l'acide dans le couple amphion / anion
H3N+-CHR-COO- (aq) [pic] H2N-CHR-COO-(aq) + H+(aq)
- une base dans le couple cation / amphion
H3N+-CHR-COOH(aq) [pic] H3N+-CHR-COO-(aq) + H+(aq)
IV) Constante d'acidité KA
1) produit ionique Ke de l'eau
La réaction d'autoprotolyse de l'eau est :
H2O (L) +H2O (L) [pic] H3O+ (aq) + HO-(aq) L'eau pure possède un pH = 7 à 25 degrés Celsius.
Par conséquen