4.12: Acides, bases et réactions de neutralisation

Une réaction acido-basique est une réaction dans laquelle un ion hydrogène, H⁺, est transféré d'une espèce chimique à une autre. De telles réactions revêtent une importance majeure pour de nombreux processus naturels et technologiques, allant des transformations chimiques dans les cellules ou dans les lacs et les océans à la production à l'échelle industrielle d'engrais, de produits pharmaceutiques et d'autres substances essentielles à la société .

Il existe plusieurs façons de définir un acide. Dans le contexte des solutions aqueuses, un acide est une substance qui se dissout pour produire des ions hydrogène.

C'est la définition d'Arrhenius d'un acide, qui porte le nom du chimiste suédois Svante Arrhenius (1859–1927). Un ion hydrogène, représenté par le symbole H⁺, est appelé proton. En solution, les protons se combinent chimiquement avec des molécules d'eau, par le biais des doublets libres sur l'oxygène, pour former des ions hydronium, H₃O⁺.

L'équation chimique pour l'ionisation d'un acide est écrite comme

Les acides qui réagissent totalement avec l'eau de cette manière sont appelés des acides forts. HCl, HNO₃ et HBr en sont quelques exemples.

La plupart des acides rencontrés dans la vie quotidienne sont des acides faibles. L'acide citrique dans les fruits, l'acide acétique dans le vinaigre et l'acide lactique dans le lait en sont quelques exemples. L'acide acétique, principal ingrédient du vinaigre alimentaire, est un exemple familier d'acide faible. Lorsqu'elles sont dissoutes dans l'eau dans des conditions typiques, seulement 1 % des molécules d'acide acétique sont présentes sous la forme ionisée,  CH₃CO₂⁻.  

L'utilisation d'une double flèche dans l'équation ci-dessus indique l'aspect partiel de la réaction dans ce processus.

Une base est une substance qui se dissout dans l'eau pour produire des ions hydroxyde, OH^{&minus ;}. Les bases les plus courantes sont les composés ioniques composés de cations de métaux alcalins ou alcalino-terreux (groupes 1 et 2) combinés avec l'ion hydroxyde : par exemple, NaOH et Ca(OH)₂. Contrairement aux composés acides dont nous avons parlé précédemment, ces composés ne réagissent pas chimiquement avec l'eau ; au lieu de cela, ils se dissolvent et se dissocient, libérant des ions hydroxyde directement dans la solution. Par exemple, KOH et Ba(OH)₂ se dissolvent dans l'eau et se dissocient totalement pour produire des cations (K⁺ et Ba²⁺, respectivement) et des ions hydroxyde, OH⁻. Ces bases, ainsi que d'autres hydroxydes qui se dissocient totalement dans l'eau, sont considérées comme des bases fortes.

Prenons l'exemple de la dissolution de l'hydroxyde de sodium dans l'eau :

Cette équation confirme que l'hydroxyde de sodium est une base. Lorsqu'il est dissous dans l'eau, NaOH se dissocie pour produire des ions H⁺ et OH⁻. Cela est également vrai pour tout autre composé ionique contenant des ions hydroxyde. Puisque le processus de dissociation est essentiellement total lorsque les composés ioniques se dissolvent dans l'eau dans des conditions typiques, NaOH et d'autres hydroxydes ioniques sont tous classés comme des bases fortes.

Contrairement aux hydroxydes ioniques, certains composés produisent des ions hydroxyde lorsqu'ils sont dissous par réaction chimique avec des molécules d'eau. Dans tous les cas, ces composés ne réagissent que partiellement et sont donc classés comme des bases faibles. Ces types de composés sont également abondants dans la nature et sont des produits importants dans diverses technologies. Par exemple, la production mondiale de la base faible ammoniac dépasse généralement 100 tonnes métriques par an parce qu'elle est largement utilisée comme engrais agricole, une matière première pour la synthèse chimique d'autres composés, et un ingrédient actif dans les nettoyants ménagers. Lorsqu'il est dissout dans l'eau, l'ammoniac réagit de façon partielle pour produire des ions d'hydroxyde, comme illustré ci-dessous :

Il s'agit, par définition, d'une réaction acido-basique impliquant le transfert d'ions H⁺ des molécules d'eau aux molécules d'ammoniac. Dans des conditions typiques, seulement environ 1 % de l'ammoniac dissous est présent sous forme d'ions NH₄⁺.

Une réaction de neutralisation est un type particulier de réaction acido-basique dans lequel les réactifs sont un acide et une base (mais pas de l'eau), et les produits sont souvent un sel et de l'eau :  

Pour illustrer une réaction de neutralisation, réfléchissez à ce qui se passe lorsqu'un antiacide typique, comme le lait de magnésie (une suspension aqueuse de Mg(OH)₂ solide), est ingéré pour soulager les symptômes associés à l'excès d'acide gastrique (HCl) :

Notez qu'en plus de l'eau, cette réaction produit un sel, le chlorure de magnésium. Le H⁺ (aq) de l'acide (fort ou faible) se combine avec le OH⁻ (aq) de la base (ou produit par la réaction d'une base faible avec l'eau) pour former H₂O (l). Par exemple, la réaction entre les solutions aqueuses de HCl (acide fort) et de NaOH (base forte) est écrite comme suit :

HCl et NaOH subissent tous les deux une ionisation à 100 %. L'équation ionique complète, par conséquent, peut être écrite comme suit :

Les ions Cl^- et Na⁺ sont appelés des ions spectateurs, qui s'annulent, ce qui donne l'équation ionique nette comme suit :  

Ce texte est adapté de OpenStax Chemistry 2e, Section: 4.2 : Classer les réactions chimiques.

L'estomac humain est un organe musculaire contenant des sucs gastriques, y compris l'acide chlorhydrique, qui aident à digérer les aliments. Certains types d'aliments augmentent les niveaux d'acidité de l'estomac, provoquant le reflux acide. Consommer des aliments alcalins, ou une base comme un antiacide, neutralise les acides en excès, soulageant ainsi la sensation de brûlure.

Ceci est un exemple de réaction acide-base. Les acides les plus simples sont des substances qui contiennent des atomes d'hydrogène dissociables. Dans les solutions aqueuses, ils libèrent des ions hydrogène chargés positivement, ou des protons, avec les anions correspondants.

Les protons réagissent avec les molécules d'eau pour former des ions hydronium. Par exemple, une solution aqueuse d'acide nitrique contient des ions hydronium et des ions nitrate. D'autres communément appelés acides de l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique et l'acide phosphorique.

Les acides sont monoprotiques ou polyprotiques en fonction du nombre d'atomes d'hydrogène dissociables par molécule. L'acide chlorhydrique et l'acide nitrique, avec un hydrogène dissociable chacun, sont tous deux des exemples d'acides monoprotiques, tandis que l'acide sulfurique et l'acide phosphorique sont polyprotiques. L'acide sulfurique est diprotique et libère ses deux protons séquentiellement, tandis que l'acide phosphorique est triprotique et se dissocie séquentiellement en trois étapes.

Les bases les plus simples sont des composés qui produisent des ions hydroxyde chargés négativement dans des solutions aqueuses. Les bases facilement identifiables contiennent des groupes hydroxyles;par exemple, l'hydroxyde de sodium, l'hydroxyde de potassium et l'hydroxyde de calcium. De telles bases, lorsqu'elles sont ajoutées à l'eau, se dissocient en ions hydroxyde et en cations métalliques correspondants.

Les bases non hydroxydes comme l'ammoniac réagissent avec l'eau en acceptant les protons des molécules d'eau pour produire des ions ammonium et des ions hydroxydes. En général, un acide et une base réagissent pour former de l'eau et un sel. Les réactions acide-base sont également appelées réactions de neutralisation lorsque les moles des protons fournis par l'acide et les moles des ions hydroxyde fournis par la base sont égaux.

Par exemple, lorsque des quantités égales d'acide nitrique aqueux et d'hydroxyde de potassium aqueux sont mélangées, les quantités d'ions hydronium et d'hydroxyde fournis à la solution sont eux aussi égales. Les ions hydronium et hydroxyde, par conséquent, se neutralisent complètement en se combinant pour former de l'eau, ne laissant aucun ion hydronium ou hydroxyde derrière. En outre, les anions de nitrate et les cations de potassium se couplent pour former un sel nitrate de potassium.

Certaines réactions de neutralisation sont des réactions d'évolution des gaz. Par exemple, l'acide chlorhydrique et le sulfite de potassium réagissent pour former du chlorure de potassium, de l'eau et du dioxyde de soufre gazeux à travers le système d'équilibre sulfite-bisulfite.