Terminale générale Physique-chimie Modélisation des transformations acide-base par des transferts d'ion hydrogène

Connaître les couples acide-base de l'eau est important pour étudier les réactions acide-base pouvant avoir lieu en solution aqueuse et faisant intervenir d'autres couples.

I Les couples de l'eau

H₃O⁺/H₂O : l'ion oxonium H₃O⁺ est un acide, il est capable de céder un ion H⁺ et de donner sa base conjuguée, l'eau H₂O : H₃O⁺ $⇄$ H₂O + H⁺.

H₂O/HO^–: H₂O est un acide, il est capable de céder un ion H⁺ et de donner sa base conjuguée, l'ion hydroxyde HO^– : H₂O $⇄$ HO⁻ + H⁺.

Mot clé

L'eau H₂O est une espèce amphotère car elle peut jouer le rôle d'un acide ou d'une base.

II D'autres couples acide-base

Un acide carboxylique RCOOH possède un groupe carboxyle où la liaison OH est polarisée. Cette liaison se rompt : l'oxygène, plus électronégatif, récupère le doublet liant et un proton est cédé. L'anion résultant est appelé ion carboxylate.

La base ammoniac NH₃ est une entité capable d'accepter un proton grâce au doublet non liant de l'atome d'azote. L'azote est de ce fait déficitaire d'un électron d'où sa charge positive.

Les amines R–NH₂ comme l'ammoniac sont des bases et leurs acides conjugués sont des ions alkylammonium. Exemple : ${CH}_{3} {CH}_{2} {NH}_{3}^{+} / {CH}_{3} {CH}_{2} {NH}_{2}$ .

L'acide carbonique H₂CO₃ peut céder deux protons, c'est un diacide :

acide carbonique/ion hydrogénocarbonate : H₂CO₃/HCO⁻₃ ;

ion hydrogénocarbonate/ion carbonate : HCO₃⁻/ ${CO}_{3}^{2 -}$ .

L'ion ${HCO}_{3}^{-}$ est une espèce amphotère.

Méthode

Identifier des couples acide-base et une espèce amphotère

1. Identifier dans chacune des équations ci-dessous les deux couples acide-base mis en jeu. Préciser quelles sont l'espèce acide et l'espèce basique dans chaque couple.

a. HCOOH_(aq) + H₂O₍_ℓ₎ $⇄$ HCOO⁻_(aq) + H₃O⁺

b. H₂SO_3(aq) + C₂H₅NH_2(aq) $⇄$ C₂H₅NH₃⁺_(aq) + HSO₃⁻_(aq)

c. HSO₃⁻_(aq) + HO⁻_(aq) → SO₃²⁻_(aq) + H₂O₍_ℓ₎

2. L'espèce HSO₃⁻ est-elle une espèce amphotère ? Justifier.

Conseils

1. Pour chaque équation, identifiez l'espèce qui capte un proton (base) et celle qui en cède (acide). On écrit le couple acide-base en commençant toujours par l'acide.

Solution

1. a. • HCOOH cède un proton et donne sa base conjuguée HCOO⁻ :

HCOOH $⇄$ H⁺ + HCOO⁻

Un acide et sa base conjuguée forment un couple acide-base soit ici le couple HCOOH_(aq)/HCOO⁻_(aq).

Toute réaction acido-basique met en jeu deux couples acide-base : l'acide d'un couple réagit avec la base du second. Donc H₂O est une base qui capte un proton et donne son acide conjugué H₃O⁺, donc le second couple est H₃O⁺/H₂O.

b. • H₂SO₃ cède un proton (c'est un acide) et donne sa base conjuguée HSO₃⁻_(aq) :

H₂SO₃ $⇄$ H⁺ + HSO₃⁻

C₂H₅NH_2(aq) est une base car elle réagit avec l'acide H₂SO₃ et capte un proton. Son acide conjugué est C₂H₅NH₃⁺_(aq) :

C₂H₅NH₂ + H⁺ $⇄$ C₂H₅NH₃⁺

Les deux couples sont H₂SO₃/HSO₃⁻_(aq) et C₂H₅NH₃⁺_(aq)/C₂H₅NH_2(aq).

c. • HSO₃⁻_(aq) est un acide et donne sa base conjuguée SO₃²⁻_(aq) :

HSO₃⁻ $⇄$ H⁺ + SO₃²⁻

H₂O est l'acide conjugué de la base HO⁻_(aq) :

HO⁻ + H⁺ $⇄$ H₂O

Les deux couples sont HSO₃⁻_(aq)/SO₃²⁻_(aq) et H₂O₍_ℓ₎/HO⁻_(aq).

2. Dans les équations b. et c. intervient l'espèce HSO₃⁻, mais dans deux couples différents. Dans la réaction b., HSO₃⁻ est la base du couple H₂SO_3(aq)/HSO₃⁻_(aq) tandis que dans la réaction c., HSO₃⁻ est l'acide du couple HSO₃⁻_(aq)/SO₃²⁻_(aq).

Cette espèce appartient à deux couples, donc elle peut avoir soit un rôle d'acide, soit un rôle de base : c'est la définition d'une espèce amphotère.

Exemples de couples acide-base