Acidité, ph et stoechiométrie I. Acides bases et sels








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date de publication29.10.2016
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ACIDITÉ, pH ET STOECHIOMÉTRIE

I.   ACIDES BASES ET SELS



1.1) FONCTION ACIDE
Définition: Un acide est une substance ionique qui libère des protons (H+) en solution aqueuse. Le cation est un proton (H+) et  l'anion est différent de l'ion hydroxydes (OH-). Les propriétés qui déterminent la fonction acide sont dues au proton (H+) .

ion7.gif

Formule moléculaire: La formule moléculaire d'un monoacide renferme un atome d'hydrogène: HA ou H+A-
Exemple : HCl (acide chlorhydrique)
La formule moléculaire d'un diacide renferme deux atomes d'hydrogène. H
2A ou 2H+A2-
Exemple : H
2SO4 (acide sulfurique).

Nomenclature: Pour nommer un acide binaire, on utilise le suffixe «hydrique » : HCl : acide chlorhydrique

Pour nommer un acide ternaire, on utilise le suffixe «ique » : HClO3 : acide chlorique
Les acides possèdent un ensemble de propriétés qui définissent la FONCTION ACIDE
Dissociation et hydratation des ions: En solution dans l'eau un acide se dissocie pour donner des protons et un anion (A-) différent de l'ion hydroxyde (OH-). Les protons  se fixent sur les molécules d'eau et se transforment en ions (H3O+) qui s'entourent de molécules d'eau. Les anions s'entourent également de molécules d'eau. C'est le phénomène d'hydratation des ions; il s'accompagne toujours d'un dégagement de chaleur (réaction exothermique). Les ions hydratés sont appelés «IONS AQUEUX». Ainsi le chlorure d'hydrogène (HCl) se dissout dans l'eau pour donner l'acide chlorhydrique
Goût: Les acides possèdent en général un goût aigre. Conductibilité électrique: On plonge les deux électrodes d'un conductimètre dans une solution d'acide sulfurique; puis on recommence avec les solutions d'acide chlorhydrique et d'acide nitrique. Dans les trois cas on observe que l'ampoule électrique s'allume . Par conséquent les solutions aqueuses des acides contiennent des ions mobiles qui permettent le passage du courant.
Électrolyse: Plaçons dans un voltamètre à électrodes inattaquables une solution aqueuse d'acide chlorhydrique (HCl) et regardons ce qui se passe au bout de quelques minutes. Puis recommençons avec les  solutions aqueuses d'acide sulfurique (H2SO4) et d'acide nitrique (HNO3). Qu'observons-nous ?

ion2.gif

Dans les trois cas nous obtenons un dégagement de dihydrogène à la cathode et un dégagement de dioxygène à l'anode. Il peut se produire des réactions secondaires. Avec l'acide chlorhydrique nous obtenons aussi le dégagement de dichlore à l'anode, qui se dissout dans l'eau .  Le dihydrogène et le dioxygène sont facilement identifiables .
Actions sur les  indicateurs colorés: Nous ferons réagir sur les trois acides trois indicateurs colorés: le bleu de bromothymol, l'hélianthine, le bleu de thymol et le tournesol. Nous observons des résultats similaires avec les trois acides:

Les solutions acides font virer le bleu de bromothymol du vert au jaune .
Les solutions acides font virer l'hélianthine du jaune au rouge .Les solutions acides font virer le bleu de thymol du jaune  à l'orange.
Les solutions acides font virer au rouge le papier tournesol  .
Réactions avec les métaux: Dans une éprouvette qui contient de la grenaille de zinc, on ajoute quelques millilitres d'acide sulfurique.  Au bout de quelques instants un gaz se dégage : c'est du dihydrogène .De plus on peut remplacer le zinc par un autre métal (le fer par exemple) et on observe encore un dégagement de dihydrogène. Les acides réagissent en général sur les métaux pour donner un dégagement de dihydrogène.
Réaction avec  les bases: Versons dans un bécher quelques millilitres d'une solution d'acide chlorhydrique et ajoutons y quelques gouttes d'hélianthine. Nous observons une coloration rouge. Tout en maintenant un thermomètre à l'intérieur du bécher, versons goutte à goutte une solution d'hydroxyde de sodium de même concentration . A un moment donné une goutte fait passer la coloration de l'hélianthine du rouge au jaune, et en même temps le thermomètre nous indique un échauffement. La solution d'acide chlorhydrique a été neutralisée par la solution d'hydroxyde de sodium. Il se forme du chlorure de sodium et de l'eau. Cette réaction se fait avec un dégagement de chaleur. On observe  une réaction analogue avec l'acide nitrique et l'acide sulfurique. Un acide réagit sur une base pour donner un sel et de l'eau : c’est la réaction de neutralisation.
Réactions avec les sels: On peut obtenir un dégagement de gaz ou un précipité.

1.2) FONCTION BASE  
Définition: Une base est une substance ionique qui libère des ions hydroxydes
(OH
-) en solution aqueuse. Le cation est différent du  proton (H+) et  l'anion est  l'ion hydroxyde (OH-). Les propriétés qui déterminent la fonction base sont dues aux ions hydroxydes (OH-).
ion8.gif

 Formule moléculaire: La formule moléculaire d'une monobase contient un groupement oxhydrile «OH» .

COH  ou C+OH-

Exemple : NaOH  (hydroxyde de sodium)  

Nomenclature: Pour nommer une base on utilise le préfixe «Hydroxyde» suivi du nom du cation.
Exemple KOH : Hydroxyde  de potassium

Les bases possèdent un ensemble de propriétés qui définissent la FONCTION BASE
Dissociation et hydratation des ions: En solution dans l'eau une base se dissocie pour donner des ions hydroxydes  (OH-) et un cation qui est différent du proton (H+). Ces ions s'entourent de molécules d'eau pour donner des  «IONS AQUEUX». Ainsi l'hydroxyde de sodium (NaOH) se dissocie en solution aqueuse pour donner des ions sodium (Na+) et des ions hydroxydes (OH-) qui s'entourent de molécules d'eau.
Goût: Elles possèdent en général un « goût amer » caractéristique .  
Conductibilité électrique: On plonge les deux électrodes d'un conductimètre dans une solution d'hydroxyde de sodium (NaOH) . Puis on recommence avec les solutions d'hydroxyde de potassium (KOH)  et d'ammoniaque (NH4OH)  . Dans les trois cas on observe que l'ampoule électrique s'allume et que l'ampèremètre indique le passage d'un courant électrique. Par conséquent les solutions aqueuses des bases  contiennent des ions mobiles.  

ion3.gif

Électrolyse: Plaçons dans un voltamètre à électrodes inattaquables une solution aqueuse solution d'hydroxyde de sodium (NaOH)  et regardons ce qui se passe au bout de quelques minutes. Puis recommençons avec la  solution aqueuse solution d'hydroxyde de potassium  (KOH) et l'ammoniaque (NH4OH). Qu'observons-nous ? Dans les trois cas nous obtenons des résultats analogues à ceux qui avaient été observés avec les solutions acides : dégagement de dioxygène à l'anode et dégagement de dihydrogène à la cathode Avec l'ammoniaque nous observons des réactions secondaires
Actions sur les  indicateurs colorés: Nous ferons réagir sur les trois bases (NaOH, KOH et NH3) quatre  indicateurs colorés: la phénolphtaléine, le bleu de bromothymol, l'hélianthine, le bleu de thymol et le tournesol. Nous observons des résultats similaires avec les trois bases:

Les solutions basiques  font virer le bleu de bromothymol du vert au bleu .
Les solutions basiques font virer la phénolphtaléine incolore au rose .
Les solutions basiques font virer le bleu de thymol du jaune  au bleu .
Les solutions basiques  font virer au bleu  le papier tournesol  .


 
Réactions avec les métaux: Dans une éprouvette qui contient de la grenaille de zinc, on ajoute quelques millilitres d'une solution d'hydroxyde de sodium. Qu'observons-nous? Aucune réaction ne se produit. En recommençant cette expérience avec la solution d'hydroxyde de potassium et l'ammoniaque, nous n'obtenons aussi aucune réaction. Les bases  ne  réagissent pas en général sur les métaux .
Actions sur les acides: Comme nous l'avons vu les bases réagissent avec les acides pour donner un sel et de l'eau.


Réactions avec les sels: Nous parlerons de la réaction de précipitation. Ajoutons quelques gouttes d'une solution d'hydroxyde de sodium à une solution de sulfate de cuivre. Nous observons la formation d'un précipité bleu d'hydroxyde de cuivre [Cu(OH)2]. L'hydroxyde de sodium(NaOH) réagit avec le sulfate de cuivre (CuSO4) pour donner de l'hydroxyde de cuivre [Cu(OH)2] et du sulfate de sodium (Na2SO4).


1.3) FONCTION SEL

Définition: Un sel est une substance ionique qui libère des ions  en solution aqueuse. Le cation est différent du  proton (H+) et  l'anion est différent de  l'ion hydroxydes (OH-). Les propriétés qui déterminent la FONCTION SEL sont celles des ions présents dans la solution.
Formule moléculaire: La formule moléculaire d'un sel peut s'écrire de la façon suivante .

CcAa ou cC+n aA-n'

Nomenclature: Pour nommer un sel binaire on applique la règle suivante : Préfixe de l'anion + ure + nom du cation

Exemple  :  KCl  (Chlorure  de potassium)



Pour nommer un sel ternaire on applique la règle suivante : Préfixe de l'anion + ate + nom du cation

Exemple  :  KClO (Chlorate  de potassium)  
Dissociation et solvatation des ions: En solution dans l'eau un sel se dissocie pour donner des anions différents des ions hydroxydes  (OH-) et des  cations  différents des protons (H+). Ces ions s'entourent de molécules d'eau pour donner des  «IONS AQUEUX».

ion9.gif

 Ainsi le chlorure de sodium (NaCl) se dissocie en solution aqueuse pour donner des ions sodium (Na+) et des ions chlorures  (Cl-).  

Électrolyse: La solution aqueuse d'un sel est électrolysable . On obtient des produits qui dépendent des ions en présence.  
Actions sur les indicateurs coloré: En général une solution saline est neutre.
Conductibilité électrique: On plonge les deux électrodes d'un conductimètre dans une solution de chlorure de sodium.  On observe que l'ampoule électrique s'allume. Par conséquent la solution aqueuse de chlorure de sodium contient des ions mobiles.  Électrolyse: Si l'on avait remplacé dans l'expérience précédente la solution aqueuse de chlorure de sodium par du chlorure de sodium solide, on aurait constaté que le courant ne passait pas. Pour obtenir un courant électrique, il faut faire fondre le chlorure de sodium. On peut  réaliser l'électrolyse du chlorure de sodium fondu au laboratoire. Le chlorure de sodium fond à 801 ° C. On place le chlorure de sodium dans une capsule en fonte et on chauffera de préférence avec une bec Mecker. La capsule de fonte est reliée au pôle positif et sert de cathode. Une tige centrale en fer plonge dans le chlorure de sodium fondu et est reliée au pôle négatif;  elle sert  de cathode. On observe la formation de sodium au voisinage de la cathode et un dégagement de dichlore au voisinage de l'anode.
ion9.gif

Le chlorure de sodium est formé des ions sodium (Na+) et des ions chlorure (Cl-) qui vibrent autour d'une position d'équilibre. Lorsqu'on chauffe l'agitation permet de les séparer, de telle sorte que les ions deviennent libres de se mouvoir. Le champ électrique provoqué par les deux électrodes sépare les cations (Na+) des anions (Cl-). Les cations (Na+) sont attirés par la cathode chargée négativement. Ils captent un électron et se transforment en atomes de sodium. Les anions  ( Cl-) sont attirés par l'anode chargée positivement. Ils libèrent un électron et se transforment en atomes de chlore. Puis deux atomes de chlore se réunissent pour donner la molécule de dichlore qui se dégage. Les électrons libérés à l'anode parcourent le circuit électrique extérieur et sont captés à la cathode par des ions Na+.
Actions sur les  indicateurs colorés:  Faisons réagir la solution de chlorure de sodium  sur trois  indicateurs colorés :le bleu de bromothymol,  le bleu de thymol et le tournesol.

Le bleu de bromothymol reste vert  .
Le bleu de thymol reste jaune  .
Le papier tournesol  reste violet .


Réactions avec  un métal: Plongeons un clou en fer dans une solution de sulfate de cuivre. Qu'observons-nous ? Le clou  se recouvre de cuivre:
Fe (s)    +     Cu2+ (aq)         Fe2+ (aq)    + Cu (s)   

 Réactions avec les acides les bases et les autres sels: Un sel réagit avec une base, un acide ou un autre sel, lorsque l'un des composés susceptibles de se former est un dégagement gazeux ou un précipité solide.

Ajoutons quelques gouttes d'une solution de nitrate d'argent à une solution de chlorure de sodium. Que voyons-nous ?

ion34.gif
Nous observons la formation d'un précipité blanc de chlorure d'argent. Le chlorure de sodium (NaCl) réagit avec le nitrate d'argent (AgNO3) pour donner un précipité de chlorure d'argent (AgCl).
AgNO3 (aq)    +     NaCl (aq)         AgCl (s) +  Na NO3 (aq)

Ag+ NO3-  (aq)    +     Na+Cl-   (aq)         AgCl (s) +  Na+ NO3- (aq)


Les ions Na+ et NO3-, qui ne réagissent pas sont des «IONS SPECTATEURS».
Les ions Ag+  et  Cl-  sont les «IONS RÉAGISSANTS .

Pour représenter le phénomène, il suffit d'écrire la réaction entre ions réagissants :

Ag+(aq) + Cl-(aq)  →   AgCl (s)

Examinons ce qui se passe dans cette réaction de précipitation. Les ions Na+ et NO3- , qui ne réagissent pas sont des «IONS SPECTATEURS». Les ions Ag+ et  Cl-  sont les «IONS RÉAGISSANTS». Pour représenter le phénomène, il suffit d'écrire la réaction entre ions réagissants :

Ag+(aq) + Cl-(aq) -----> AgCl (s)




Ag+

Argent

Al3+

Aluminium

Ca2+

Calcium

Cu2+

Cuivrique

Fe2+

Ferreux

Fe3+

Ferrique

Pb2+

Plomb

Cl-

Chlorure

Précipité

blanc

AgCl
















Précipité

blanc

PbCl2

OH-

Hydroxyde

Précipité

gris

AgOH

Précipité

blanc

Al(OH)3

Précipité

blanc

Cal(OH)2

Précipité

bleu

Cul(OH)2

Précipité

vert

Fe(OH)2

Précipité

rouille

Fe(OH)3

Précipité

blanc

Pb(OH)2

CO32-

Carbonate

Précipité

blanc

Ag2(CO3)3

Précipité

blanc

Al2(CO3)3

Précipité

blanc

CaCO3

Précipité

Bleu, vert

CuCO3

Précipité

blanc

FeCO3




Précipité

blanc

CO3

SO42-

Sulfate

Précipité

brun

Ag2SO4




Précipité

blanc

CaSO4










Précipité

blanc

PbSO4

S2-

Sulfure

Précipité

noir

Ag2S

Précipité

blanc

Al2S3




Précipité

noir

CuS

Précipité

noir

FeS

Précipité

noir

Fe2S3

Précipité

noir

PbS

NO3-

Nitrate






















N.B.  Les nitrates (NO3-) sont tous SOLUBLES.
 1.4) THÉORIE D'ARRHÉNIUS
Un électrolyte est un composé ionique, qui en solution aqueuse conduit le courant électrique à cause de la présence d'ions mobiles : les ions hydratés ou ions aqueux. Un électrolyte fort est pratiquement tout dissocié dans l'eau. Sa conductibilité électrique est très grande, à cause du nombre élevé d'ions aqueux. Un électrolyte faible  est peu dissocié dans l'eau. Sa conductibilité électrique est faible, car il y a peu d'ions aqueux. Selon ARRHÉNIUS un acide en solution aqueuse libère des ions hydronium H3O+. La concentration en ions hydronium est supérieure à celle des ions hydroxydes . Selon BRONSTED et LOWRY  un acide est un donneur de protons et une base est un accepteur de protons.


Les acides forts (l'acide chlorhydrique par exemple) sont totalement dissociés. Les acides faibles (l'acide acétique par exemple)  sont partiellement dissociés.

Acide fort : HCl (aq) → H+ (aq) +  Cl-  (aq) Base forte : NaOH (aq) → Na+ (aq) +  OH-  (aq)

Acide faible : CH3COOH (aq) ↔ H+(aq) +  CH3COO-(aq) Base faible : NH3(g) + H+(aq) ↔ NH+(aq)

Selon ARRHÉNIUS une base en solution aqueuse libère des ions OH- (Ions hydroxydes). La concentration en ions hydroxydes est supérieure à celle des ions hydronium . Les bases fortes (l'hydroxyde de sodium par exemple) sont totalement dissociées. Les bases faibles sont partiellement  dissociées.


Selon BRONSTED et  LOWRY 
une  base  est un accepteur  de protons. Dans les substances covalentes,  les atomes sont unis par des liaisons covalentes. Chaque atome prête un électron pour assurer la liaison. Il y a mise en commun d'un doublet électronique. C'est le cas par exemple de la molécule de dihydrogène .


Lorsqu'un solide covalent se dissout dans l'eau (sucre par exemple) les molécules de soluté s'entourent de molécules d'eau : hydratation des molécules de soluté.
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