Tranformation Acide-Base

ACTIVITES

A1 : Définir un acide et une base.

Il existe différentes définitions pour un acide et une base.

Suivant les réactifs utilisés et le milieu d'étude, une définition sera plus ou moins adaptée à la situation.

Doc1 : évolution de la définition.

• En quoi la définition de Boyle est-elle différente des autres définitions ?

• Écrire les équations qui selon Arrhenius se produisent lorsque l’on met l’acide nitrique $HNO_{ \ 3 (l)} ou de l’hydroxyde de calcium $Ca \left ( OH \right )_{2(s)}$ dans de l’eau.

• Donner un inconvénient de la définition d’Arrhenius.

• Quels sont les points communs et les différences entre les définitions d'Arrhenius et de Brønsted ?

• Écrire les équations qui selon Brønsted décrivent le comportement de l’acide ascorbique (ou vitamine C) $C_6H_8O_6$ et de l’ion carbonate $\ CO_{3\left ( aq \right )}^{2-} $

• Comment les définitions d’acides et de bases ont évoluer au cours du temps.

A2 : Réaction Acide-Base. (classe inversée).

Comment modéliser une transformation Acide-Base selon la définition de Brønsted ?

Doc 1 : Observations expérimentales.

Observation 1 :

Les vapeurs de chlorure d'hydrogène $HCl$ et d'ammoniac $NH_3$ sont incolores, mais lorsqu'elles se mélangent, elles forment du chlorure d'ammonium $NH_4Cl_{(s)}$, sous forme de fumée blanche.

Observation 2 :

Si l'on chauffe légèrement une solution obtenue en mélangeant des solutions de chlorure d'ammonium $\left ( \ NH_{4\left ( aq \right )}^{+} ; Cl^{-}_\left ( aq \right )\right )$? et d'hydroxyde de sodium $\left ( \ Na_{\left ( aq \right )}^{+} ; HO^{-}_\left ( aq \right )\right )$ , on constate l'apparition d'une odeur désagréable, celle de l'ammoniac NH₃.

• Un acide est une espèce capable de libérer un ion hydrogène $H^{ \ + } $.

En cédant un ion $H^{ \ + } $, un acide forme une base :

$\color{red}{Acide} \ \color{black}{\longrightarrow} \ \color{blue}{Base} \ \color{black}{ \ + \ H^{ \ + }}$

• Une base est une espèce capable de capter un ion hydrogène $H^{ \ + } $.

En captant un ion $H^{ \ + } $, une base forme un acide :

$\color{blue}{Base} \ \color{black}{ \ + \ H^{ \ + }} \ \color{black}{\longrightarrow} \color{red}{Acide}$

• Un couple acide-base est formé de deux espèces chimiques capables de se transformer l'une en l'autre par perte ou gain d'un ion hydrogène $H^{ \ + } $. Ces deux espèces forment un couple acide-base :

$ \color{red}{Acide} \ \color{black}{\overrightarrow{\longleftarrow}} \ \color{blue}{Base} \color{red}{Acide}$

• Une transformation acide-base met en jeu deux espèces chimiques appartenant à deux couples acide-base différents.

Pour établir l’équation d’une transformation acide-base , il faut écrire les deux demi-équations acide base des deux couples mis en jeu et les ajouter.

Observation n°1 :

• Quels sont les réactifs de la réaction décrite ? Préciser leur état physique et identifier l’espèce chimique qui joue le rôle d’acide et celle qui joue le rôle de base.

• Écrire les 2 couples acide-base mis en jeu et en déduire les 2 équations acide-base.

• Établir l’équation de la réaction acide-base décrite.

Observation n°2 :

• Sachant que les ions chlorure $\ Cl_{\left ( aq \right )}^{-} $ et les ions sodium $\ Na_{\left ( aq \right )}^{+} $ sont des ions spectateurs et que le produit obtenu se forme en phase aqueuse, reprendre les questions de l’observation n°1.

• Comment expliquer l’apparition de l’odeur d’ammoniac ?

Synthèse :

• Expliquer pourquoi la demi-équation acide-base s’écrit avec $ \overrightarrow{\longleftarrow}$.

• Comment modéliser une transformation acide-base .

A3 : Schéma de Lewis d'un couple Acide-Base.

Les deux formes Acide et Base sont reliées par une demi-équation acide-base.

$ Acide\space$$ \overrightarrow{\longleftarrow} \space$$Base\space$ $ + H^{+}$

L'acide et la base sont dits conjugués l'un de l'autre.

Comment passer de la représentation de Lewis de la forme acide d'un couple à celle de la base conjuguée et inversement ?

Doc 1 : L'acide méthanoïque

Certaines espèces de fourmis attaquent et se défendent à l'aide d'un jet incolore d'acide méthanoïque (formique) de formule brute $CH_2O$.

Cet acide est le plus simple des acides carboxyliques. Il est un acide car son groupe carboxyle est capable de perdre un ion hydrogène $H^{ \ }$. Sa base conjuguée est l'ion méthanoate.

Doc 2 : Les amines.

Les amines sont des molécules azotées, obtenues par remplacement de 1, 2 ou 3 atome(s) d'hydrogène de l'ammoniac $NH_3$ par 1, 2 ou 3 groupe(s) alkyle(s) R.

Grâce au doublet non liant porté par l'atome d'azote $N$, les amines sont des espèces capables de capter un ion $H^{ \ + }$.

Doc 3 : La N-méthylméthanamine.

Cette molécule de formule $\left ( CH_{3} \right )_2NH$ appartient à la famille des amines.

Doc 4 : Extrait de la classification.

EXERCICES : 10,11,12,15,17, 19, 21, 23, 24, 26, 27, 29, 32, 35, 36, 40, 42 de la page 27 à la page 37.

Et réponses aux activités.

COURS

C1 :Les acides et les bases.

C11 : Selon Brønsted.

C11a : Acide.

Un acide est une espèce chimique capable de libérer au moins un ion hydrogène H ⁺.

L'acide AH se transforme alors en sa base conjuguée A ^-.

$\begin{matrix}
\color{blue}{AH_{(aq)}}& \longrightarrow & \color{#00ff00}{A^{-}_{(aq)}} & + & \color{red}{H^+}
\\
\color{blue}{Acide} & & \color{#00ff00}{Base} & & \color{red}{Ion \ Hydrogène}
\end{matrix}$

Exemple : En cédant un ion hydrogène $\space H^{+}$ l'acide éthanoïque CH₃CO₂H_(aq) se transforme en ion éthanoate $\color{#00ff00}{ CH_{3}CO_{2\left ( aq \right )}^{-}}$ :

$\begin{matrix}
\color{blue}{CH_3CO_2}\color{red}{H_{(aq)}} & \longrightarrow & \color{#00ff00}{CH_3CO^{-}_{2(aq)}} & + & \color{red}{H^+}
\\
\color{blue}{Acide} & & \color{#00ff00}{Base} & & \color{red}{Ion \ Hydrogène}
\end{matrix}$

C11b : Base.

Une base est une espèce chimique capable de capter au moins un ion hydrogène H ⁺.

La base A ^- se transforme alors en son acide conjugué AH.

$\begin{matrix}
\color{#00ff00}{A^{-}_{(aq)}}& + & \color{red}{H^+} & \longrightarrow & \color{blue}{AH_{(aq)}}
\\
\color{#00ff00}{Base} & & \color{red}{Ion \ Hydrogène} & & \color{blue}{Acide}
\end{matrix}$

Exemple : En captant un ion hydrogène $\space H^{+}$ , l'ion éthanoate $\color{#00ff00}{CH_{3}CO_{2\left ( aq \right )}^{-}}$ se transforme en acide éthanoïque CH₃CO₂H_(aq) :

$\begin{matrix}
\color{#00ff00}{CH_3CO^{-}_{2(aq)}}& + & \color{red}{H^+} & \longrightarrow & \color{blue}{CH_3CO_{2}}\color{red}{H_(aq)}
\\
\color{#00ff00}{Base} & & \color{red}{Ion \ Hydrogène} & & \color{blue}{Acide}
\end{matrix}$

C12 : Couple acide-base.

L'acide AH et la base conjuguée A^- forment un couple acide-base noté AH / A ^–.

Il y a transfert d'un ion hydrogène H ⁺.

La demi-équation du couple s'écrit :

$\begin{matrix}
\color{blue}{AH_{(aq)}}& \overrightarrow{\longleftarrow} & \color{#00ff00}{A^{-}_{(aq)}} & + & \color{red}{H^+}
\\
\color{blue}{Acide} & & \color{#00ff00}{Base} & & \color{red}{Ion \ Hydrogène}
\end{matrix}$

NB : le signe signifie que le transfert de l'ion hydrogène peut avoir lieu dans les deux sens.

Exemples à connaître :

· acide carboxylique / ion carboxylate : $RC_2OH_{(aq)} / RCO^-_{2(aq)}$

· ion ammonium / amine : $RNH^+_{3(aq)} / RNH_{2(aq)}$

· acide carbonique /ion hydrogénocarbonate : $CO_2,H_2O_{(aq)} / HCO^-_{3(aq)} $

· ion hydrogénocarbonate / ion carbonate : $HCO^-_{3(aq)} / CO^{2-}_{3(aq)}$

C13 : Notation.

Le passage d'un acide à sa base conjuguée, et inversement se fait par transfert d'un ion hydrogène.

AH représente un acide et A ^- la base conjuguée.

ou bien :

C14 : Espèce amphotère.

C'est une espèce à la fois l'acide d'un couple et la base d'un autre couple.

Exemple fondamental : L'eau.

• En tant que base : $H_3O^+_{(aq)} / H_2O_{(l)} \ , \ H_2O_{(l)} + H^+ \overrightarrow{\longleftarrow} H_3O^+_{(aq)}$

• En tant qu'acide : $H_2O_{(l)} / HO^-_{(aq)} \ , \ H_2O_{(l)} \overrightarrow{\longleftarrow} HO^-_{(aq)} + H^+ $

C15 : Lien avec la représentation de Lewis.

La formule semi-développée ou bien le schéma de Lewis de l'entité acide ou basique permet de comprendre son processus de formation.

acide carboxylique / ion carboxylate : $RCO_2H_{(aq)} / RCO^-_{2(aq)} $

ion ammonium / amine : $RNH^+_{3(aq)} / RNH_{2(aq)} $

C2 :La réaction acide-base.

Au cours d'une réaction acide-base, l'acide d'un couple réagit avec la base d'un autre couple.

L'équation s'écrit avec une double flèche si la réaction n'est pas totale.

L'équation s'écrit avec une simple flèche

si la réaction est totale.

Considérons deux couples $A_1\color{red}{H}_{(aq)} / A^-_{1(aq)} \ \ et \ \ A_2\color{red}{H}_{(aq)} / A^-_{2(aq)} $ :

$\underline{ \begin{matrix} A_1\color{red}{H_{(aq)}} \ \ \ \ \ \overrightarrow{\longleftarrow} A^{-}_{1(aq)} + \color{red}{H^+} \\ A^{-}_{2(aq)} \color{red}{H^+} \overrightarrow{\longleftarrow} A_2\color{red}{H_{(aq)}} \end{matrix} } $

$\begin{matrix} A^{-}_{2(aq)} + A_1\color{red}{H}_{(aq)} \overrightarrow{\longleftarrow} A^{-}_{1(aq)} + A_2 \color{red}{H_{(aq)}} \end{matrix}$

NB : La réaction peut être considérée comme un échange d'ion H⁺.

Exemple: Action de l'acide éthanoïque du couple $\color{red}{CH_3CO_2H_{(aq)}} / CH_3CO^-_{2(aq)}$ sur l'ammoniac du couple $NH^+_{4(aq)} / \color{blue}{NH_{3(aq)}}.$

$\underline{ \begin{matrix} & &\color{red}{CH_3CO_2H{(aq)}}& \overrightarrow{\longleftarrow} & CH_3CO^{-}_{2(aq)} & + & \color{red}{H^+} \\ \color{blue}{NH_{3(aq)}} & + & \color{red}{H^+} & \overrightarrow{\longleftarrow} & NH^+_{4(aq)} & & \end{matrix}} \\ \begin{matrix} \color{blue}{NH_{3(aq)}} & + & \color{red}{CH_3CO_2H{(aq)}} &\overrightarrow{\longleftarrow} & CH_3CO^{-}_{2(aq)} & + & NH^+_{4(aq)} \end{matrix} $

C3 : Le pH d'une solution.

Le pH d'une solution (potentiel Hydrogène) est un indicateur d'acidité lié à la présence des ions oxonium $ H_3O^+_{(aq)}$ en solution.

$ \ pH=-log \left ( \dfrac {\left [ H_3O^+_{(aq)} \right ]}{c_0} \right ) $?

pH sans unité

$\left [ H_3O^+ \right ] $ en mol.L^-1

c₀ en mol.L^-1

• c₀ est la concentration standard : c₀ = 1 mol.L^-1

• le pH se mesure avec un pH-mètre.

• le pH augmente si $\left [ H_3O^+ \right ] $ diminue et inversement.

• le pH permet de déterminer la concentration en ions oxonium :

$ \left [ H_3O^+ \right ] = c_0 \times 10^{-pH} $?