Concentrations acides et basiques

Acides et bases

Un acide d’Arrhenius produit des ions hydrogène lorsqu’il est dissous dans l’eau :

HA + H_{2 O →}H⁺_(aq) + A^-_(aq)

Ici, HA est l’acide non dissocié, H⁺ est le cation hydrogène et A^- est l’anion solvaté - appelé base conjuguée. Une base Arrhenius produit des ions hydroxyde lorsqu’elle est dissoute dans l’eau :

BOH + H_{2 O →}B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

Ici, BOH est la base non dissociée, OH^- est l’ion hydroxyde et B⁺ est le cation solvaté - appelé acide conjugué. Une base conjuguée se forme lorsqu’un acide perd un ion hydrogène et a le potentiel de gagner de l’hydrogène. Il en va de même pour un acide conjugué, qui se forme lorsqu’une base perd un groupe hydroxyle et a le potentiel de le retrouver. Chaque acide a une base conjuguée, et chaque base a un acide conjugué.

pH

Le pH est le degré d’acidité de la solution et est une mesure de la quantité d’ions hydrogène dans une solution. L’échelle de pH est logarithmique et va de 0 à 14 ; Les solutions aqueuses dont le pH est inférieur à 7 sont décrites comme acides, et les solutions aqueuses dont le pH est supérieur à 7 sont décrites comme alcalines ou basiques. Les solutions à pH 7 sont considérées comme neutres.

Le pH d’une solution est égal au log base dix négatif de la concentration d’ions hydrogène dans la solution.

Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimie et réactivité chimique. Belmont, Californie : Brooks/Cole, Cengage Learning.

Un acide d’Arrhenius est une substance qui produit des ions hydrogène lorsqu’elle se dissout dans l’eau, tandis qu’une base produit des ions hydroxyde. Les ions hydrogène réagissent immédiatement avec l'eau pour former des ions hydronium, mais pour simplifier, nous continuerons à les considérer comme des ions hydrogène. Selon la quantité d’ions hydrogène ou d’ions hydroxyde dans la solution, elle est considérée comme acide ou basique.

Nous mesurons la quantité d’acidité ou de basicité à l’aide du pH, qui est calculé comme le logarithme négatif de la concentration d’ions hydrogène. Ainsi, les valeurs de pH inférieures à 7 sont acides et les valeurs de pH supérieures à 7 sont basiques. Le pH 7 est neutre.

Les acides et les bases sont également comparés en fonction de leur force, qui est différente de leur pH. La force d'un acide est liée à la facilité avec laquelle l'ion hydrogène se dissocie de l'anion, appelé base conjuguée. La même idée s’ensuit pour une base en référence à l’ion hydroxyde et à son acide conjugué. Nous pouvons attribuer une valeur à cette force en utilisant la constante de dissociation acide, ou K_a.

K_a est défini à l’aide des concentrations de l’acide non dissocié et des ions hydrogène dissociés et de la base conjuguée. Vous pouvez souvent voir cette relation représentée par pK_a, qui est simplement le log négatif du K_a. Plus le pK_a est petit, plus l’acide est fort.

Certains acides, comme l’acide chlorhydrique, sont monoprotiques, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent dissocier qu’un seul ion hydrogène. Les acides polyprotiques, comme l’acide phosphorique, peuvent dissocier plusieurs ions hydrogène. Chaque dissociation a son propre pK_a.

Alors, comment pouvons-nous déterminer pK_a ? L’une d’entre elles consiste à effectuer un titrage acide-base. Le titrage est effectué en ajoutant lentement une solution de concentration connue à une solution de concentration inconnue tout en observant la réaction entre elles. Dans ce cas, l’acide réagit avec la base dans une réaction de neutralisation pour former un sel et de l’eau.

Ainsi, si nous voulons mesurer la concentration d’ions hydrogène dans un acide, nous pouvons simplement titrer avec une base forte avec une concentration connue en ions hydroxyde jusqu’à ce que l’acide soit neutralisé. Pour effectuer un titrage avec précision, la base doit être normalisée, ce qui signifie que vous connaissez la concentration exacte des ions hydroxyde. Ce n’est pas toujours simple.

Par exemple, le NaOH, que vous utiliserez dans votre expérience, est très hygroscopique, c’est-à-dire qu’il absorbe l’eau de l’atmosphère. Cela arrive au NaOH à la fois en tant que solution solide et en solution. Ainsi, la concentration réelle d’une solution de NaOH peut être inférieure à ce à quoi vous vous attendriez.

Pour déterminer la concentration exacte de NaOH, nous devons d’abord effectuer un titrage acide-base. Pour ce faire, vous devez utiliser la base pour titrer un acide dont la concentration est connue. L’hydrogénophtalate de potassium, KHP, est un acide non hygroscopique, nous pouvons donc calculer avec précision sa concentration à partir de sa masse.

Nous pouvons voir quand le titrage est terminé – c’est-à-dire que l’acide est neutralisé – en utilisant un indicateur de pH comme la phénolphtaléine. La phénolphtaléine est neutre et incolore entre pH 0 et pH 8 environ.

Lorsque le pH augmente, deux ions hydrogène se dissocient. Cette forme anionique est rose. Ainsi, lorsque nous commençons le titrage, la solution de KHP est acide et la phénolphtaléine est incolore. Au fur et à mesure que nous ajoutons du NaOH et que les ions hydrogène sont neutralisés, le pH augmente.

Dans cette réaction, la solution est neutre lorsque des quantités égales d’acide et de base ont été mélangées. Après cela, l’ajout d’un peu plus de NaOH rend le pH basique et la solution devient rose. C’est ce qu’on appelle le point final. Si nous connaissons les moles de KHP et le volume de NaOH utilisé pour le neutraliser, nous pouvons calculer la concentration exacte de la base.

Une fois que nous avons une base standardisée, nous pouvons déterminer le pK_a d’un acide en titrant une concentration connue de l’acide avec notre base standardisée tout en surveillant le pH. Le graphique du pH en fonction du volume de base ajouté s’appelle une courbe de titrage. La courbe suit généralement une forme en S ou sigmoïdale, où le point d’inflexion de la partie la plus raide de la courbe désigne un point d’équivalence.

Ici, les moles d’ions hydroxyde et les ions hydrogène dissociés sont égales. Comme pK_a, nous verrons un point d'équivalence pour chaque ion hydrogène dissocié. Ainsi, un acide monoprotique n’a qu’un seul point d’équivalence, et un acide triprotique en a trois.

Lorsque nous effectuons le titrage, nous saurons que nous avons dépassé le point d’équivalence lorsque l’indicateur de pH passe à peine de l’incolore au rose. C’est ce qu’on appelle le critère d’évaluation du titrage. Comme lorsque nous standardisons la base, c’est lorsque la solution a un petit excès d’ions hydroxyde et est donc légèrement basique.

Un autre point d’inflexion dans le graphique se trouve à mi-chemin du point d’équivalence. Ici, les concentrations des acides dissociés et non dissociés sont égales. Ainsi, le pH à ce point est égal au pK_a. Ainsi, si nous effectuons un titrage et déterminons le volume du point d’équivalence, nous pouvons calculer pK_a comme le pH à la moitié de ce volume.

Dans cet atelier, vous allez d'abord normaliser votre base, puis effectuer un titrage à l'aide de cette base standardisée pour déterminer deux pK_a d'un acide polyprotique.