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Transfert de proton - réactions acido basiques

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Objectif

En classe de 3^e, 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 H₂SO₄ : H₂SO₄ → SO4^2- + 2 H⁺.
- Le cation ammonium NH₄⁺ : NH₄⁺ → NH₃ + H⁺.
- L'anion hydrogénophosphate HPO₄^2- : HPO₄^2- → PO₄^3- + 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 HCO^3- → CO₃^2- + H⁺ ou base quand la réaction est HCO^3- + 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^- / SO₄^2-	HSO₄^–→ SO₄^2- + 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 2

base 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 2

base 1 + acide 2.

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