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Transfert de proton - réactions acido basiques

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Objectif
En classe de 3e, l'étude de l'action de solutions acide ou basique sur des métaux a permis d'introduire la notion de pH. Une solution acide a un pH inférieur à 7 ; une solution basique a un pH supérieur à 7. Mais qu'est-ce qui différencie dans leur structure un acide et une base ? Est-ce qu'un acide et une base peuvent réagir ensemble ?
1. Les acides et les bases
Un acide est une espèce chimique (molécule ou ion) capable de libérer un (ou plusieurs) protons H+ ; on l'écrit généralement  HA.
La demi-équation correspondante à la libération du proton H+ s'écrit : HA → A- + H+.

Exemples d'acides :
- L'acide éthanoïque CH3-COOH (présent dans le vinaigre) : CH3-COOH → CH3-COO- + H+.
- L'eau H2O → HO- + H+.
- L'acide sulfurique H2SO4H2SO4 → SO42- +  2 H+.
- Le cation ammonium NH4+ : NH4+ → NH3 + H+.
- L'anion hydrogénophosphate HPO42- : HPO42- → PO43- + H+.

Une base est une espèce chimique (molécule ou ion) capable de capter un (ou plusieurs) protons H+ ; on l'écrit généralement B.
La demi-équation correspondante à la capture du proton H+ s'écrit B + H+ → BH+.

Exemples de bases :
- L'anion hydroxyde HO- (présent dans la soude) : HO- + H+H2O.
- L'eau H2O + H+ → H3O+.
- L'ammoniac NH3 : NH3 + H+ → NH4+.

Remarque : des espèces peuvent être capables à la fois de libérer ou de capter un proton selon les conditions expérimentales ; ces espèces sont appelées des ampholytes.

Exemples :

- l'eau : H2O → HO- + H+, l'eau est alors un acide. Ou H2O + H+ → H3O+, l'eau est alors une base.
- l'ion hydrogénocarbonate est un acide quand on a la réaction HCO3- → CO32- + H+ ou base quand la réaction est HCO3- + H+ → CO2 + H2O.
2. Couples acide/base
L'acide cation ammonium peut libérer un proton selon la demi-équation suivante : NH4+ → NH3 + H+. La base ammoniac peut capter un proton selon la demi-équation suivante : NH3 + H+ → NH4+.
Ces deux demi-équations sont inverses l'une de l'autre ; on peut écrire : NH4+NH3 + H+.

Pour passer de l'espèce acide NH4+ à l'espèce basique NH3, il y a eu échange (ou transfert) d'un proton H+ : on dit que NH4+ / NH3 forme un couple acide / base.
Un couple acide / base, noté AH / A-, est l'ensemble d'une espèce acide et d'une espèce basique entre lesquelles a lieu un transfert de proton pour passer de l'une à l'autre.
Un tel couple est caractérisé par la demi-équation acido-basique :

AH → A- + H+
Exemples :

couple acide / base demi-équation acido-basique associée
HSO4- / SO42- HSO4– → SO42- + H+
HNO3 / NO3- HNO3 → NO3- + H+
H2O / HO- H2O → HO- + H+
H3O+ / H2O H3O+ → H2O + H+

Remarque : un corps amphotère appartient à deux couples différents ; dans l'un, il est l'acide du couple, et dans l'autre, il est la base. C'est le cas de l'eau dans le tableau ci-dessus.
3. Les réactions acido-basiques
Un acide AH1 d'un couple (noté couple (1)) peut, dans certaines conditions, réagir avec la base A2- d'un couple (2). Lors de cette réaction, un échange de proton se fait entre A1H et A2 selon l'équation chimique : A1H + A2- → A1- + A2H.

Au cours d'une réaction acido-basique, aucun proton n'est formé ou consommé : il y a autant de protons libérés par l'acide A1H que de protons captés par la base A2-.

Exemple :
Lorsque sont mélangés de l'acide benzoïque C6H5-COOH et de la soude (Na+ + HO-) a lieu une réaction acido-basique entre l'acide benzoïque et l'ion hydroxyde :
- l'acide benzoïque est capable de libérer un proton H+ : C6H5-COOH → C6H5-COO- + H+.
- l'ion hydroxyde est une base capable de capter ce proton H+ :  H2O → HO- + H+.

Globalement a lieu la réaction d'équation-bilan :
C6H5-COOH + HO- → C6H5-COO- + H2O
=> De l'eau et des ions benzoate sont formés.

Remarque : une réaction acido-basique ne peut jamais avoir lieu entre un acide et une base d'un même couple.
L'essentiel
• Un acide est une espèce chimique susceptible de libérer un proton H+ alors qu'une base est une espèce chimique susceptible d'en capter.

• Un couple acide / base est formé par un acide et une base qui diffèrent l'un de l'autre, dans leur formule, par un proton H+.
Ce couple, noté AH / A-, est donc caractérisé par la demi-équation acido-basique suivante :
acide = base + H+ ou AH  A- + H+.

• Une réaction acido-basique a lieu entre un acide et une base appartenant à deux couples (1) et (2) différents :
acide 1 + base 2base 1 + acide 2

• Au cours de cette réaction, il y a un échange de proton entre les deux réactifs, acide 1 et base 2, selon les demi-équations suivantes :
acide 1 → base 1 + H+
base 2 + H+ → acide 2
dont la somme redonne bien : acide 1 + base 2base 1 + acide 2.

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