Un nombre infini de réactions, tant au laboratoire que dans l'industrie ou la vie courante, ont lieu en solution. La notion de solution implique obligatoirement une phase liquide en excès, dans laquelle est dissous le soluté solide, liquide ou gazeux.
Différents types de réactions sont regroupés sous le vocable "acide-base". Suivant le milieu d'étude et les composés en présence, une définition sera plus pratique qu'une autre.
Un acide est un donneur d'entités chargées positivement ou accepteur d'espèces chargées négativement, tandis qu'une base est un accepteur d'entités chargées positivement ou donneur d'entité chargées négativement.
Les réactions considérées concernent l'échange de protons entre l'acide qui est le donneur et la base qui est l'accepteur.
Exemple
CH3COOH c H+ + CH3CO2-
Acide Acétique (dans l'eau) c Proton + ion acétate (Base)
Ces réactions mettent en jeu le transfert d'un proton d'une substance à une autre. Un acide est une substance susceptible de donner un proton et une base est une substance susceptible de capter un proton. Ainsi, en solution aqueuse, le chlorure d'hydrogène (HCl) cède un proton à l'eau, c'est un acide. La soude (NaOH), le carbonate de sodium (NaCO3) et l'ammoniac (NH3) sont des bases parce que, en solution aqueuse, elles captent un proton de l'eau. Corrélativement, l'eau apparaît alors comme un acide bien qu'aucun proton supplémentaire ne soit libéré. Des réactions acide/base peuvent avoir lieu ne mettant en cause aucun proton libre mais seulement un transfert de proton. Par exemple dans le réaction en solution aqueuse
CO32- + NH4+ c HCO3- + NH3
L'ion CO32- est une base car il capte un proton pour donner HCO3- . NH4+ est un acide car il donne un proton à CO32- . Si on considère la réaction dans l'autre sens, on remarque que HCO3- peut céder un proton (c'est donc un acide) à NH3 qui peut l'accepter (c'est donc une base).
Regardons maintenant le comportement d'une seule espèce vis-à-vis du solvant l'eau. Prenons par exemple le cas de l'ion ammonium NH4+. Le bilan de la réaction peut être considéré comme résultant des deux équilibres suivant :
H2O ^a H++ OH- (1)
NH4+ ^a NH3+ H+ (2)
Lorsque les ions ammonium NH4+sont ajoutés au solvant, ils cèdent des protons à des molécules d'eau tendant à augmenter la teneur en H+ . L'équilibre (1) tend à déplacer vers la gauche, donc la concentration en ion OH- va diminuer. Par contre, si NH3 est ajouté, il capte des protons de l'eau, l'équilibre (1) tend à se déplacer alors vers la droite, donc la concentration en ion OH- va augmenter.
L'acide NH4+ et la base NH3 liés entre eux par l'échange d'un proton sont appelés acide et base conjugués. Ils forment un couple acide-base conjugués.
Par convention, on écrit toujours la réaction dans le sens : acide a base + H+ . Le couple sera noté dans le même sens : NH4+ / NH3 .
Selon le modèle de Brönsted, nous avons vu que suivant l'entité dissoute, l'eau solvant va céder ou capter un proton à l'espèce en solution. L'eau se comporte donc elle-même comme un acide ou comme une base. La réaction
H++ OH- a H2O
ne traduit pas de manière évidente cette propriété. On a donc imaginé une écriture qui permette d'en rendre compte. On suppose qu'un proton interagit fortement sur une seule molécule d'eau pour former un ion H3O+ (ion hydronium) selon la réaction
H++ H2O a H3O+
Ainsi la dissolution du chlorure d'hydrogène HCl dans l'eau va se traduire par un transfert de proton selon la réaction
HCl + H2O a H3O+ + Cl-
En solution dans l'eau, la soude est totalement dissociée :
NaOH a Na+ + OH-
L'addition d'une solution d'acide chlorhydrique à cette solution de soude (hydroxyde de sodium) se traduira par la réaction :
H3O+ + OH- a H2O + H2O
On voit que l'eau peut avoir un double rôle : soit acide soit base. C'est se qu'on appelle une substance ampholyte.
Pour caractériser la solution HCl, on doser les ions Cl- et en déduire la concentration en ions H3O+ . Cependant, cette mesure est indirecte vis-à-vis du type de réaction considéré : échange de protons. On a donc introduit une grandeur directement mesurable expérimentalement et liée à la spécificité des réaction envisagées. Cette grandeur appelée pH est telle que :
pH = - Log [H3O+]
où [H3O+] est la concentration en ions H3O+ .
L'échelle des pH va de 1 à 14. On appelle une solution Acide, une solution dont le pH est compris entre 1 et 6. On appelle une solution Basique, une solution dont le pH est compris entre 8 et 14. Une solution dite neutre à un pH de 7.
Les solutions tampons (ou tampons) sont des système dont le pH reste remarquablement stable quand d'autres substances leur sont ajoutées. La solution tampon doit résister au changement de pH non seulement sous l'influence d'un acide ou d'une base, ou d'une dilution par addition de solvant, mais encore sous l'effet d'un changement de température ou d'une addition de sels neutres.
Pour réaliser une solution tampon, il suffit de mélanger un acide faible avec sa base conjuguée en quantités voisines.
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Glycine / ion glycinium : le pH est de 2 |
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Acide éthanoïque / éthanoate : le pH est de 4.5 |
- | Ion ammonium / ammoniac : le pH est de 9 |
Les indicateurs colorés acido-basiques sont des substances dont la couleur dépend du pH de la solution dans laquelle ils se trouvent . Ce sont des acides faibles ou des bases organiques faibles.
Avant pH 1.6 : rouge
Entre pH 1.6 et pH 9.2: jaune
Après pH 9.2 : bleu
Avant pH 3.3 : rouge
Après pH 3.3 : jaune
Avant pH 3.5 : rouge
Après pH 3.5 : jaune
Avant pH 7.3 : jaune
Après pH 7.3 : bleu
Avant pH 8.1 : jaune
Après pH 8.1 : rouge
Avant pH 8.3 : incolore
Après pH 8.3 : rouge
Avant pH 7 : incolore
Entre pH 7 et pH 9 : jaune
De pH 9 à pH 12 : jaune sombre
Avant pH 6.5 : incolore
Après pH 6.5 : jaune
Avant pH 4 : orange
Entre pH 4 et pH 6 : rose
Après pH 6 : jaune vert
Avant pH 6 : rouge
Après pH 6 : vert
Avant pH 3.5 : rouge
Entre pH 3.5 et pH 6 : orange
Entre pH 6 et pH 8.5 : brun
Après pH 8.5 : vert
Avant pH 3.5 : rouge
Entre pH 3.5 et pH 4.5 : rose
Entre pH 4.5 et pH 6.5 : pourpre
Entre pH 6 et pH 8.5 : bleu
Après pH 8.5 : vert
Avant pH 3.5 : rouge
Entre pH 4 et pH 5 : pourpre
Après pH 5 : vert