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Chimie

Cours : Chimie > Chapitre 8

Leçon 3: Les réactions acide-base

Acides et bases d’Arrhenius

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Définition d’Arrhenius des acides, des bases et des réactions acido-basiques

Points clés

Un acide selon Arrhenius est une espèce qui augmente la concentration des ions start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en solution aqueuse.
Une base selon Arrhenius est une espèce qui augmente la concentration des ions start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript en solution aqueuse.
En solution aqueuse, les ions start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript réagissent immédiatement avec les molécules d'eau pour former les ions hydronium, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.
Dans une réaction acido-basique ou réaction de neutralisation, un acide et une base d'Arrhenius réagissent habituellement pour former de l'eau et un sel.

Introduction

Du vinaigre de cuisine au savon pour la douche, les acides et les bases sont partout ! Mais que veut-on dire quand on dit qu'une substance est acide ou basique ? Pour répondre à cette question, on va étudier quelques unes des théories qui décrivent les acides et les bases. Dans cet article, on étudie la théorie d'Arrhenius.

Acides d'Arrhenius

La théorie d’Arrhenius des acides et des bases a été initialement proposée par le chimiste suédois Svante Arrhenius en 1884. Il a proposé de classer certains composés comme acides ou bases selon le type d’ions formés lorsque le composé est ajouté à l’eau.

Un acide d’Arrhenius est toute espèce qui augmente la concentration des ions start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 — ou protons — en solution aqueuse. Par exemple, regardons de plus près la réaction de dissociation du chlorure d'hydrogène, start text, H, C, l, end text, dans l’eau :

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Lorsqu'on prépare une solution aqueuse d’acide chlorhydrique, start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text se dissocie en ions start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 et start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript. Puisque cela se traduit par une augmentation de la concentration en ions start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 en solution, l’acide chlorhydrique est un acide d’Arrhenius.

Ions hydrogène (protons) ou ions hydronium ?

Lorsqu'on prépare une solution aqueuse à 2 mol/L d’acide bromhydrique,

\\text{HBr}

, qui est un acide d’Arrhenius, a-t-on 2 mol/L d'ions

\\text H^+

en solution ?

En fait, non. Dans la pratique, les protons chargés positivement réagissent avec les molécules d’eau environnantes pour donner des ions hydronium, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. L'équation bilan de la réaction est la suivante :

start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Même si on écrit souvent les réactions de dissociation d'acides en montrant la formation de start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, il n’y a aucun ion start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript libre en solution aqueuse. Au lieu de cela, il y a principalement des ions start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript , qui se forment immédiatement dès qu'un acide se dissocie dans l’eau. L’image suivante illustre la formation des ions hydronium à partir de l’eau et des ions hydrogène à l’aide des modèles moléculaires :

Quand un acide se dissocie dans l'eau en donnant des ions start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, ou protons, les ions start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript réagissent immédiatement avec l'eau pour former start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Ainsi, les chimistes parlent aussi bien de concentration en ions hydrogène (protons) ou en ions hydronium. Crédit Image : UC Davis Chemwiki, CC BY-NC-SA 3.0 US

Dans la pratique, la plupart des chimistes parlent indifféremment de la concentration en start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript ou de la concentration en start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Quand on veut être plus précis — et moins paresseux ! — on écrit la dissociation de l’acide bromhydrique en montrant explicitement la formation des ions hydronium et non celle des protons :

\begin{aligned}\text{HBr}(aq)+\text{H}_2\text{O}(l) &\rightarrow\text{H}_3\text{O}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~~~~~{\text{Écriture plus juste}}\\ \\ &\text{vs} \\ \\ \text{HBr}(aq) &\rightarrow\text{H}^+(aq)+\text{Br}^-(aq)~~~~\text{Écriture plus rapide !}\end{aligned}

En général, les deux façons d'écrire sont acceptables pour montrer la dissociation d’un acide d’Arrhenius.

Bases d'Arrhenius

Une base d’Arrhénius est définie comme toute espèce qui augmente la concentration en ions hydroxyde, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, en solution aqueuse. Un exemple de base d’Arrhenius est l’hydroxyde de sodium très soluble, start text, N, a, O, H, end text. L'hydroxyde de sodium se dissocie dans l’eau comme suit :

start text, N, a, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Dans l'eau, l'hydroxyde de sodium se dissocie entièrement pour former des ions start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39 et start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, entraînant une augmentation de la concentration des ions hydroxyde. Donc, start text, N, a, O, H, end text est une base d'Arrhenius. Les bases d'Arrhenius courantes incluent les hydroxydes de cations issus des deux premières colonnes de la classification périodique comme par exemple start text, L, i, O, H, end text et start text, B, a, left parenthesis, O, H, right parenthesis, end text, start subscript, 2, end subscript.

[Attendez, la plupart des hydroxydes métalliques ne sont-ils pas insolubles ?]

Certains manuels et certains enseignants ne classent pas les bases qui ne comportent pas d'hydroxyde parmi les bases d'Arrhenius. Leur définition des bases d'Arrhenius est plus restrictive : c'est une substance qui non seulement accroît la concentration en ions

\\text{OH}^-

en solution aqueuse, mais en plus qui contient au moins une unité de

\\text{OH}^-

dans la formule chimique. Même si cela ne change pas la classification des hydroxydes de cations des deux premières colonnes de la classification périodique des éléments, cela peut devenir un peu troublant avec des composés comme la méthylamine,

\\text {CH}_3 \\text {NH}_2

Lorsque la méthylamine est ajoutée à l’eau, la réaction suivante se produit :

start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Selon la première définition, la méthylamine serait une base d'Arrhenius puisque la concentration en ions start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript augmente dans la solution. Selon la seconde définition, cependant, elle n'est pas considérée comme une base d'Arrhenius puisque la formule chimique ne contient pas d'hydroxyde.

Réactions acido-basiques : Acide d'Arrhenius + base d'Arrhenius = eau + sel

Lorsqu’un acide d’Arrhenius réagit avec une base d’Arrhénius, les produits sont généralement de l'eau et un sel. Ces réactions sont parfois appelées réactions de neutralisation. Par exemple, que se passe-t-il lorsqu'on mélange une solution aqueuse d’hydroxyde de lithium, start text, L, i, O, H, end text, et une solution aqueuse d’acide fluorhydrique, start text, H, F, end text ?

Si on considère séparément la solution d’acide et la solution de base, on sait que :

Un acide d'Arrhenius augmente la concentration en ions start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis :

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, \rightleftharpoons, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, F, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Une base d'Arrhenius augmente la concentration en ions start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis :

start text, L, i, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, L, i, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Quand l'acide et la base sont mélangés en solution, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text est produit par la réaction entre les ions hydrogène et les ions hydroxyde, tandis que les autres ions forment le sel start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis :

\begin{aligned} \greenD{\text H^+}(aq)+\redD{\text{OH}^-}(aq) &\rightarrow \text{H}_2 \text O(l)\quad&&\text{Formation d'eau} \\\\ \text{Li}^+(aq)+\text{F}^-(aq) &\rightarrow\text{LiF}(aq)&&\text{Formation de sel} \end{aligned}

En ajoutant les équations bilans de la formation d'eau et de la formation de sel, on obtient la réaction de neutralisation entre l'acide fluorhydrique et l'hydroxyde de lithium :

start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, plus, start text, L, i, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, q, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, plus, start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, q, right parenthesis

Limites de la définition d’Arrhenius

La théorie d’Arrhenius est limitée car elle ne décrit que la chimie des acides et des bases en solution aqueuse. Cependant, des réactions semblables peuvent également se produire dans des solvants non aqueux, ainsi qu’entre des molécules en phase gazeuse. En conséquence, les chimistes modernes préfèrent généralement la théorie de Brønsted-Lowry, qui est applicable à un plus large éventail de réactions chimiques. La théorie de Brønsted-Lowry des acides et des bases sera discutée dans un article séparé !

À retenir

Un acide d'Arrhenius est une espèce qui augmente la concentration en ions start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en solution aqueuse.
Une base d'Arrhenius est une espèce qui augmente la concentration en ions start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript en solution aqueuse.
En solution aqueuse, les ions start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript réagissent immédiatement avec les molécules d'eau pour former les ions hydroniums, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.
Dans une réaction acido-basique ou réaction de neutralisation, un acide et une base d'Arrhenius réagissent pour former, en général, de l'eau et un sel.

[Sources et références]

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