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Chimie
Cours : Chimie > Chapitre 10
Leçon 2: Équilibre acido-basiqueAcides et bases faibles dans l'eau
Réaction des acides et des bases faibles dans l'eau, constante d'équilibre Ka et Kb. Relation entre Ka, Kb et le pH. Calcul du pourcentage de dissociation.
Les points clés :
- Pour la dissolution d'un acide faible monoprotique de formule générique start text, H, A, end text avec une base conjuguée start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, la constante d'équilibre prend la forme :
- Cette constante de dissociation acide, ou constante d'acidité K, start subscript, start text, a, end text, end subscript montre à quel point la dissociation de l'acide faible est importante. Plus la valeur de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript est grande, plus l'acide est fort, et vice-versa.
- Pour la dissolution d'une base faible de formule générique start text, B, end text avec un acide conjugué start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, la constante d'équilibre prend la forme :
- Cette constante de dissociation basique (ou constante de basicité) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript montre à quel point la base faible est ionisée. Plus K, start subscript, start text, b, end text, end subscript est grande, plus la base est forte, et vice-versa.
Acides et bases forts ou faibles
Quand on parle d'acides ou de bases forts, il s'agit de substances qui se dissocient ou s'ionisent complètement en solution. À l'inverse, les acides et les bases faibles ne s'ionisent que partiellement. La réaction est donc réversible. Ainsi, dans les solutions d'acides ou de bases faibles, on trouve beaucoup de composés différents, chargés ou non, et en équilibre dynamique.
Dans cet article, nous étudions les réactions de dissociation des acides et des bases, forts ou faibles, et les valeurs typiques des constantes d'acidité K, start subscript, start text, a, end text, end subscript et de basicité K, start subscript, start text, b, end text, end subscript correspondantes.
Prélude : Comparer des acides grâce au start text, p, H, end text
Problème 1 : Acide faible par rapport à acide fort de même concentration
On a deux solutions : l'une d'acide fluorhydrique start text, H, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, de concentration 2, comma, 00, start text, M, end text, l'autre d'acide bromhydrique start text, H, B, r, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, de concentration 2, comma, 00, start text, M, end text également. Laquelle a le start text, p, H, end text le plus faible ?
Problème 2 : Acide faible par rapport à acide fort, concentrations différentes
Cette fois-ci nous avons une solution 2, comma, 0, start text, M, end text d'acide fluorhydrique, start text, H, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, et une solution 1, comma, 0, start text, M, end text d'acide bromhydrique, start text, H, B, r, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis. Quelle solution a le start text, p, H, end text le plus faible ?
Considérons qu'on ne connaît pas la valeur de la constante d'acidité de l'acide fluorhydrique
Acide faible et constante d'acidité K, start subscript, start text, a, end text, end subscript
Les acides faibles sont des acides qui ne se dissocient pas complètement en solution. Autrement dit, tout acide qui n'est pas fort est un acide faible.
La force d'un acide dépend de son degré de dissociation : plus il se dissocie, plus il est fort. Pour classer les acides faibles selon leur force, on examine leur constante d'acidité K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, qui est la constante d'équilibre de la réaction de dissociation acide.
Pour un acide faible monoprotique de formule générique start text, H, A, end text, la réaction de dissociation dans l'eau s'écrit :
L'expression de la constante d'équilibre K, start subscript, start text, a, end text, end subscript de cette réaction s'écrit :
La constante d'équilibre donne une mesure du rapport entre les produits et les réactifs. Plus l'acide start text, H, A, end text est fort, plus il se dissocie en start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript et en base conjuguée start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, plus les concentrations de ces produits augmentent, et plus K, start subscript, start text, a, end text, end subscript est grande. Or, comme le start text, p, H, end text est lié à open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, il dépendra de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, ainsi que de la concentration de l'acide : le start text, p, H, end text diminue quand la concentration de l'acide augmente et/ou quand K, start subscript, start text, a, end text, end subscript augmente.
Acides faibles courants
minus, start text, C, O, O, H, end text. L'acide malique left parenthesis, start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 5, end subscript, right parenthesis, un acide organique qui comporte deux groupements carboxyles, est responsable du goût acidulé des pommes et de certains fruits. Comme il comporte deux groupements carboxyles par molécule, il est capable de donner deux protons par molécule d'acide.
Les acides carboxyliques sont des acides organiques qui sont faibles. Ils contiennent le groupement carboxyle Le tableau ci-dessous présente quelques exemples d'acides faibles, ainsi que leur valeur de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript
Nom | Formule | K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, left parenthesis, 25, degrees, start text, C, end text, right parenthesis |
---|---|---|
Ammonium | start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript | 5, comma, 6, times, 10, start superscript, minus, 10, end superscript |
Acide chloreux | start text, H, C, l, O, end text, start subscript, 2, end subscript | 1, comma, 2, times, 10, start superscript, minus, 2, end superscript |
Acide fluorhydrique | start text, H, F, end text | 7, comma, 2, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript |
Acide acétique | start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text | 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript |
Vérification de la compréhension. D'après le tableau ci-dessus, quel acide est le plus fort : l'acide acétique ou l'acide fluorhydrique ?
Exemple 1 : Calcul du pourcentage de dissociation d'un acide faible
Pour décrire à quel point un acide faible est dissocié en solution, on peut calculer son pourcentage de dissociation. Il peut être calculé comme suit, pour un acide faible start text, H, A, end text :
Si l'acide nitreux left parenthesis, start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis a un K, start subscript, start text, a, end text, end subscript de 4, comma, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript à 25, degrees, start text, C, end text, quel est son pourcentage de dissociation dans une solution 0, comma, 400, start text, space, M, end text ?
Travaillons étape par étape !
Étape 1 : Écrire et équilibrer la réaction de dissociation de l'acide
D'abord, écrivons l'équation de dissociation du start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript dans l'eau. L'acide nitreux peut donner un proton à une molécule d'eau, et devenir du start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis :
Étape 2 : Écrire l'expression de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript
Avec l'équation trouvée à l'étape 1, on écrit l'expression de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript pour la dissociation de l'acide nitreux :
Étape 3 : Calculer open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket et open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket à l'équilibre
Ensuite, on utilise le tableau d'avancement de la réaction pour déterminer les expressions algébriques des concentrations à l'équilibre, que l'on insèrera dans l'expression de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript
start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis | \rightleftharpoons | start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript | start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript | |
---|---|---|---|---|
Initial | 0, comma, 400, start text, M, end text | 0 | 0 | |
Changement | minus, x | plus, x | plus, x | |
Équilibre | 0, comma, 400, start text, M, end text, minus, x | x | x |
En remplaçant, dans l'expression de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, les concentrations à l'équilibre par les expressions algébriques trouvées, on obtient :
Ce qui donne :
C'est une équation du second degré en x que l'on peut résoudre soit par la méthode classique du trinôme du second degré, soit en utilisant des approximations.
Les deux méthodes donnent x, equals, 0, comma, 0126, start text, space, M, end text. Et donc, open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, equals, 0, comma, 0126, start text, space, M, end text.
Étape 4 : Calculer le pourcentage de dissociation
Pour calculer le pourcentage de dissociation, on utilise les concentrations à l'équilibre trouvées à l'étape 3 :
Ainsi, 3, comma, 2, space, percent du start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript s'est dissocié en ions start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript et start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript dans la solution.
Bases faibles et K, start subscript, start text, b, end text, end subscript
Voyons maintenant la constante de dissociation basique (aussi appelée constante de basicité ou, plus rarement, constante d'ionisation basique) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript. Commençons par écrire la réaction d'ionisation d'une base générique, start text, B, end text, dans l'eau. Dans cette réaction, la base accepte un proton d'une molécule d'eau, ce qui fait apparaître un ion hydroxyde et l'acide conjugué, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript :
La constante d'équilibre de cette réaction K, start subscript, start text, b, end text, end subscript s'écrit :
Ce rapport montre que plus la base s'ionise pour former du start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, plus forte est la base, et plus grand est K, start subscript, start text, b, end text, end subscript. Et donc, le start text, p, H, end text de la solution dépendra à la fois de la valeur de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript et de la concentration de la base.
Exemple 2 : Calcul du start text, p, H, end text d'une solution de base faible
Quel est le start text, p, H, end text d'une solution 1, comma, 50, start text, space, M, end text d'ammoniac, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript? left parenthesis, K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, 1, comma, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, right parenthesis
Ceci est un simple problème à l'équilibre, avec une étape supplémentaire : déduire de la open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket le start text, p, H, end text de la solution. Allons-y, étape par étape.
Étape 1 : Écrire et équilibrer la réaction d'ionisation
Premièrement, réfléchissons à ce qui se passe. L'ammoniac est une base, elle va accepter un proton de la part de l'eau et formera donc l'ion ammonium, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript :
Étape 2 : Écrire l'expression de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript
À partir de cette équation équilibrée, nous pouvons écrire l'expression de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript :
Étape 3 : Calculer open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, close bracket et open bracket, start text, 0, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket à l'équilibre
Pour déterminer les concentrations à l'équilibre, utilisons le tableau d'avancement de la réaction :
start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis | \rightleftharpoons | start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript | start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript | |
---|---|---|---|---|
Initial | 1, comma, 50, start text, M, end text | 0 | 0 | |
Changement | minus, x | plus, x | plus, x | |
Équilibre | 1, comma, 50, start text, M, end text, minus, x | x | x |
En insérant les concentrations à l'équilibre dans l'expression de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, on trouve :
Autrement dit :
C'est une équation du second degré que l'on résout, soit en utilisant le discriminant, soit en effectuant une approximation. Les deux méthodes mènent à la solution :
Étape 4 : Calculer le start text, p, H, end text à partir de open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket
Maintenant que l'on connait la concentration en ions hydroxyde, on trouve le start text, p, O, H, end text :
Or, on se souvient qu'à 25, degrees, start text, C, end text, start text, p, H, end text, plus, start text, p, O, H, end text, equals, 14. En isolant le start text, p, H, end text dans cette dernière équation, on a :
Et en remplaçant start text, p, O, H, end text par la valeur trouvée :
Ainsi, le start text, p, H, end text de la solution est 11,72.
Bases faibles courantes
Des savons aux produits d'entretien, nous sommes entourés de bases. Les amines, qui comportent le groupement fonctionnel constitué d'un atome d'azote lié à trois atomes (souvent carbone ou hydrogène) sont en général des bases faibles, organiques.
Les amines se comportent comme des bases à cause du doublet non liant de l'azote, qui peut accepter un start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. L'ammoniac start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript est aussi une base amine. La pyridine, de formule start text, C, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, N, end text, est un autre exemple de base contenant de l'azote.
À retenir
- Pour la dissolution d'un acide faible monoprotique de formule générique start text, H, A, end text avec une base conjuguée start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, la constante d'équilibre prend la forme :
- La constante de d'acidité K, start subscript, start text, a, end text, end subscript montre à quel point la dissociation de l'acide faible est importante. Plus la valeur de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript est grande, plus l'acide est fort, et vice-versa.
- Pour la dissolution d'une base faible de formule générique start text, B, end text avec un acide conjugué start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, la constante d'équilibre prend la forme :
- La constante de basicité K, start subscript, start text, b, end text, end subscript montre à quel point l'ionisation de la base faible est importante. Plus la valeur de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript est grande, plus la base est forte, et vice-versa.
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- svp, pourqoui [OH−] = x = 5.05×10−5M ?, comment la quantité de matière x égale la concentration [OH−]?(4 votes)
- On calcule [OH-] à partir du pOH, lui-même calculé à partir du pH
Ta deuxième question est plus importante : dans un tableau d'avancement, on doit indiquer, non pas les concentrations, mais les quantités de matière.
Et souvent, on mixe les deux, on passe de l'un à l'autre comme si de rien n'était. C'est parce que souvent, le volume de solution n'est pas spécifié. Alors on considère qu'on travaille dans 1L de solution, et ces deux grandeurs ont les mêmes valeurs. Ca reste correct.(1 vote)