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Introduction :
Dès le XIXe siècle, des chimistes comme Arrhenius se sont intéressés à ces espèces chimiques au comportement spécifique que sont les acides et les bases. Comme pour toute théorie scientifique, les études se sont succédé pour cerner au plus vrai le comportement de ces entités. La théorie sur laquelle se base ce cours est celle de Brönsted-Lowry qui décrit le phénomène physico-chimique qui se produit dans toute réaction acido-basique.
Dans une première partie, ce cours introduira la théorie de Brönsted-Lowry puis définira la notion d’acide, de base et de couples acide/base, selon cette théorie. Une seconde partie sera consacrée aux réactions acido-basiques qui ont lieu lorsqu’un acide est mis en solution avec une base. Et finalement, une troisième partie traitera certains exemples concrets de couples acide/base et de réactions acidobasiques.
Un acide et une base
Suite à leurs travaux de recherches, deux chimistes, Thomas Lowry et Joannes Brönsted, ont énoncé une théorie sur les interactions acido-basiques dans un milieu réactionnel.
La théorie de Brönsted-Lowry, plus communément appelé théorie de Brönsted, décrit les réactions acido-basiques comme un échange de protons entre deux espèces : un acide et une base.
Acide :
Un acide est une espèce capable de céder un ou plusieurs proton(s) .
Base :
Une base est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs proton(s) .
Réaction acido-basique :
Une réaction acido-basique est donc décrite par Brönsted par l’équilibre suivant :
De plus, à chaque fois qu’un acide cède un proton, on obtient sa base conjuguée .
La demi-équation du couple acide/base doit être équilibrée par les lois de conservation vues en classe de seconde.
Prenons l’acide acétique : et l’ion acétate : .
Les deux espèces chimiques forment le couple acide/base suivant : .
Le passage de l’espèce acide à l’espèce basique est modélisé par la demi-équation suivante :
Prenons l’acide chlorhydrique : et l’ion chlorure : .
Les deux espèces forment le couple acide/base suivant : .
Le passage de l’espèce acide à l’espèce basique est modélisé par la demi-équation suivante :
Quand un acide est capable de céder au moins deux protons , une troisième espèce rentre en jeu et il nous faut écrire au moins deux demi-équations acido-basiques :
Demi-équation 1
Demi-équation 2
Ampholyte :
Une espèce chimique pouvant se comporter à la fois comme un acide ou comme une base selon la situation est dite : ampholyte.
L’acide carbonique est un acide capable de céder protons. Par conséquent, deux couples acide/base et deux demi-équations sont en jeu :
Couple 1
Couple 2
Demi-équation 1
Demi-équation 2
L'ion hydrogénocarbonate est une espèce ampholyte, parce qu’elle se comporte comme une base dans la réaction 1 et comme un acide dans la réaction 2.
Un ampholyte est capable à la fois de capter ou de céder un proton selon le milieu réactionnel.
Une réaction acido-basique
Ainsi, l’acide 1 d’un couple peut échanger un ou plusieurs proton(s) avec la base 2 d’un couple .
La réaction de ces deux espèces permettra de former la base 1 (base conjuguée de l’acide 1) et l’acide 2 (acide conjugué de la base 2) :
Quand l’acide chlorhydrique est mis en présence d’ammoniac une réaction acido-basique se produit.
Couple 1
Couple 2
Pour déterminer la réaction acido-basique, commençons par écrire les deux demi-équations acido-basiques des deux couples séparément :
Demi-équation 1
Demi-équation 2
La somme des deux demi-équations (1) et (2) :
Les protons s’équilibrent de façon à avoir le même nombre de protons cédés par que de protons captés par .
Ainsi, la réaction acido-basique équilibrée de l’acide chlorydrique avec l’ammoniac sera :
Les trois étapes à suivre pour écrire une réaction acido-basique sont :
Exemple de réactions acido-basiques
Le cas de l’eau
L’eau, , est un ampholyte. En effet, elle participe à deux couples acide/base.
Couple 1
Couple 2
Dans le couple 1, l’eau est un acide, tandis que dans le couple 2, l’eau est une base.
Demi-équation 1
Demi-équation 2
Le cas des acides carboxyliques
Tout acide carboxylique de formule semi-développée est un acide de Brönsted et peut donc céder un proton pour donner sa base conjuguée : l’ion carboxylate de formule semi-développée .
Formule semi-développée de l’acide carboxylique
Soient les deux couples acide/base suivants : acide propionique/propionate et acide acétique/ion acétate.
En utilisant les formules semi-développées, voici les deux demi-équations :
L’équation bilan de la réaction de l’acide propionique avec l’acétate est donc :
Cette réaction ne sert que d’exemple pour ce cours mais elle ne sera pas favorisée parce que les deux couples en jeu n’ont pas des propriétés physico-chimiques adéquates pour réagir entre eux.
Le cas des amines
Une amine est une fonction organique composée d’un atome d’azote trivalent (qui effectue trois liaisons simples). L’atome d’azote est lié à au moins un atome de carbone (, ou ).
Toute amine de formule semi-développée est une base de Brönsted et peut donc capter un proton pour donner son acide conjugué : l’ion ammonium de formule semi développée .
Demi-équation semi-développée de l’ion ammonium et d’une amine (ammoniac)
Soient les deux couples acide/base suivants : ion méthylammonium/méthylamine et l’ion ammonium/ammoniac.
Les deux demi-équations sont :
L’équation bilan de la réaction de l’ion méthyl ammonium avec l’ammoniac est donc :
Cette réaction ne sert que d’exemple pour ce cours mais elle ne sera pas favorisée parce que les deux couples en jeu n’ont pas des propriétés physico-chimiques adéquates pour réagir entre eux.
Conclusion :
La théorie de Brönsted-Lowry décrit les réactions acidobasiques comme un échange de protons. Par conséquence, les acides sont des espèces capables de céder des protons tandis que les bases sont des espèces capables de capter des protons.
Lorsqu’un acide cède un proton, sa base conjuguée est obtenue. Tout acide et sa base conjuguée forment un couple acide-base.
Il existe même des espèces capables de se comporter comme un acide ou comme une base, selon la situation : ceux sont les ampholytes.