Les Acides et les Bases

1 - Définitions

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.

 

1.1 Modèle général des réactions Acides et Bases 

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.

 

1.2 Acides et Bases de Brönsted (étudiés dans ce cours)

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)

 

2 - Notion de couple Acide / Base (selon la définition de Brönsted)

                        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  H2

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++ H2a  H3O+

                        Ainsi la dissolution du chlorure d'hydrogène HCl dans l'eau va se traduire par un transfert de proton selon la réaction 

HCl + H2a  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.

3 - Définition du pH

                        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. 

4 - Les solutions Tampons

4.1 Définitions 

                            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.

4.2 Exemples 

-
Glycine / ion glycinium : le pH est de 2
-
Acide éthanoïque / éthanoate : le pH est de 4.5
- Ion ammonium / ammoniac : le pH est de 9

5 - Les indicateurs colorés acido-basiques

5.1 Définitions 

                             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.

5.2 Caractéristiques de quelques indicateurs colorés

 a - Le bleu de thymol

                            Avant pH 1.6 : rouge

                            Entre pH 1.6 et pH 9.2: jaune

                            Après pH 9.2 : bleu                    

 b - Le jaune de méthyle

                            Avant pH 3.3 : rouge

                            Après pH 3.3 : jaune

 c - L'hélianthine

                            Avant pH 3.5 : rouge

                            Après pH 3.5 : jaune

 d - Le bleu de bromothymol

                            Avant pH 7.3 : jaune

                            Après pH 7.3 : bleu

 e - Le rouge de phénol

                            Avant pH 8.1 : jaune

                            Après pH 8.1 : rouge

 f - La phénol phtaléine

                            Avant pH 8.3 : incolore

                            Après pH 8.3 : rouge

 

5.3 Substances naturelles pouvant servir d'indicateurs de pH

 a - Le jus de tomate

                            Avant pH 7 : incolore

                            Entre pH 7 et pH 9 : jaune

                            De pH 9 à pH 12 : jaune sombre

 b - L'oignon jaune

                            Avant pH 6.5 : incolore

                            Après pH 6.5 : jaune

 c - La peau de pomme rouge

                           Avant pH 4 : orange

                            Entre pH 4 et pH 6 : rose

                            Après pH 6 : jaune vert

 d - Le jus de raisin

                            Avant pH 6 : rouge

                            Après pH 6 : vert

 e - Le jus de cerise

                            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

 f - Le choux rouge

                            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

 g - La myrtille

                           Avant pH 3.5 : rouge

                            Entre pH 4 et pH 5 : pourpre

                            Après pH 5 :  vert

 

Ivan