Objectifs d’apprentissage
- Définir un acide fort.
- Lister quelques acides forts.
- Définir un acide faible.
- Lister quelques acides faibles.
- Ecrire l’expression de la constante d’ionisation d’un acide.
- Définir les bases fortes et les bases faibles.
- Donner des exemples de bases fortes et de bases faibles.
- Ecrire l’expression de la constante d’ionisation des bases.
- Réaliser les calculs des constantes d’ionisation des acides et des bases.
Acides forts et faibles et constante d’ionisation des acides (Ka)
Comment gravent-ils le verre ?
La gravure du verre est un processus lent qui peut produire de magnifiques œuvres d’art. Traditionnellement, le verre est traité avec de l’acide fluorhydrique dilué qui dissout progressivement le verre sous lui. Les parties de la pièce qui ne doivent pas être gravées sont recouvertes de cire ou d’un autre matériau non réactif. Plus récemment, des composés tels que le bifluorure d’ammonium ont été utilisés. Quel que soit le produit chimique employé, l’artiste doit faire très attention à ne pas en mettre sur sa peau.
Acides forts et faibles et constante d’ionisation des acides
Les acides sont classés comme forts ou faibles, en fonction de leur ionisation dans l’eau. Un acide fort est un acide qui est complètement ionisé dans une solution aqueuse. Le chlorure d’hydrogène (HCl) s’ionise complètement en ions hydrogène et en ions chlorure dans l’eau.
Un acide faible est un acide qui ne s’ionise que légèrement dans une solution aqueuse. L’acide acétique (présent dans le vinaigre) est un acide faible très courant. Son ionisation est représentée ci-dessous.
L’ionisation de l’acide acétique est incomplète, et l’équation est donc représentée par une double flèche. L’étendue de l’ionisation des acides faibles varie, mais elle est généralement inférieure à 10 %. Une solution 0,10 M d’acide acétique n’est ionisée qu’à environ 1,3 %, ce qui signifie que l’équilibre favorise fortement les réactifs.
Les acides faibles, comme les acides forts, s’ionisent pour donner l’ion H + et une base conjuguée. Comme le HCl est un acide fort, sa base conjuguée (Cl – ) est extrêmement faible. L’ion chlorure est incapable d’accepter l’ion H + et de redevenir HCl. En général, plus l’acide est fort, plus sa base conjuguée est faible. De même, plus l’acide est faible, plus sa base conjuguée est forte.
| Acide | Base conjuguée |
| Acides forts | |
| HCl. (acide chlorhydrique) (le plus fort) | Cl – (ion chlorure) (le plus faible) |
| H 2 SO 4 (acide sulfurique) | HSO 4 – (ion hydrogénosulfate) |
| HNO 3 (acide nitrique) | NO 3 – (ion nitrate) |
| Acides faibles | |
| H 3 PO 4 (acide phosphorique) | H 2 PO 4 – (ion dihydrogène phosphate) |
| CH 3 COOH (acide acétique) | CH 3 COO – (ion acétate) |
| H 2 CO 3 (acide carbonique) | |
| HCN (acide cyanhydrique) (le plus faible) | CN – (ion cyanure). (le plus fort) |
Les acides forts sont ionisés à 100% en solution. Les acides faibles ne sont que légèrement ionisés. L’acide phosphorique est plus fort que l’acide acétique et est donc ionisé de manière plus importante. L’acide acétique est plus fort que l’acide carbonique, et ainsi de suite.
La constante d’ionisation de l’acide, Ka
L’ionisation pour un acide faible général, HA, peut être écrite comme suit :
Parce que l’acide est faible, une expression d’équilibre peut être écrite. La constante d’ionisation d’un acide (Ka) est la constante d’équilibre pour l’ionisation d’un acide.
L’ionisation de l’acide représente la fraction de l’acide initial qui a été ionisée en solution. Par conséquent, la valeur numérique de Ka est un reflet de la force de l’acide. Les acides faibles ayant des valeurs Ka relativement plus élevées sont plus forts que les acides ayant des valeurs Ka relativement plus faibles. Comme les acides forts sont essentiellement ionisés à 100 %, la concentration de l’acide dans le dénominateur est presque nulle et la valeur du Ka approche l’infini. Pour cette raison, les valeurs Ka sont généralement rapportées pour les acides faibles uniquement.
Le tableau ci-dessous est une liste des constantes d’ionisation des acides pour plusieurs acides. Notez que les acides polyprotiques ont une constante d’ionisation distincte pour chaque étape d’ionisation, chaque constante d’ionisation successive étant plus petite que la précédente.
| Nom de l’acide | Équation d’ionisation | Ka |
|---|---|---|
| Acide sulfurique |
H2SO4 ⇌ H+ + HSO4- HSO4- ⇌ H+ + SO42- |
très grande 1.3 × 10-2 |
| Acide oxalique |
H2C2O4 ⇌ H+ + HC2O4- HC2O4- ⇌ H+ + C2O42- |
6,5 × 10-2 6.1 × 10-5 |
| Acide phosphorique |
H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4- H2PO4- ⇌ H+ + HPO42- HPO42- ⇌ H+ + PO43- |
7,5 × 10-3 6,2 × 10-8 4.8 × 10-13 |
Acide hydrofluorique | HF ⇌ H+ + F- | 7,1 × 10-4 | Acide nitreux | HNO2 ⇌ H+ + NO2- | 4.5 × 10-4 | Acide benzoïque | C6H5COOH ⇌ H+ + C6H5COO- | 6.5 × 10-5 |
| Acide acétique | CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO- | 1.8 × 10-5 |
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3- HCO3- ⇌ H+ + CO32- |
4.2 × 10-7 4,8 × 10-11 |
| Acide hydrocyanique | HCN ⇌ H+ + CN- | 4.9 × 10-10 |
Bases fortes et faibles et constante d’ionisation des bases (Kb)
L’ammoniac pour quoi faire ?
Toute l’électronique et les appareils complexes d’une navette spatiale génèrent de la chaleur, tout comme les astronautes. Les navettes ont un arrangement complexe de systèmes pour dissiper cette chaleur dans l’espace. L’un des composants de ce système est une série de serpentins remplis d’ammoniac qui sont situés à l’extérieur de la navette. L’ammoniac absorbe la chaleur et la libère ensuite dans l’espace lorsque le gaz circule dans les serpentins. Cette approche est à la fois peu coûteuse et efficace.
Bases fortes et faibles et constante d’ionisation des bases, Kb
Comme pour les acides, les bases peuvent être fortes ou faibles, selon leur degré d’ionisation. Une base forte est une base, qui s’ionise complètement dans une solution aqueuse. Les bases fortes les plus courantes sont des composés d’hydroxydes métalliques solubles tels que l’hydroxyde de potassium. Certains hydroxydes métalliques ne sont pas aussi forts simplement parce qu’ils ne sont pas aussi solubles. L’hydroxyde de calcium n’est que légèrement soluble dans l’eau, mais la partie qui se dissout se dissocie également en ions.
Une base faible est une base qui ne s’ionise que légèrement dans une solution aqueuse. Rappelons qu’une base peut être définie comme une substance, qui accepte un ion hydrogène d’une autre substance. Lorsqu’une base faible comme l’ammoniac est dissoute dans l’eau, elle accepte un ion H + de l’eau, formant l’ion hydroxyde et l’acide conjugué de la base, l’ion ammonium.
L’équilibre favorise grandement les réactifs et l’étendue de l’ionisation de la molécule d’ammoniac est très faible.
Une expression d’équilibre peut être écrite pour les réactions des bases faibles avec l’eau. Comme la concentration de l’eau est extrêmement importante et pratiquement constante, l’eau n’est pas incluse dans l’expression. Une constante d’ionisation de base (Kb) est la constante d’équilibre pour l’ionisation d’une base. Pour l’ammoniac, l’expression est:
La valeur numérique de Kb reflète la force de la base. Les bases faibles ayant des valeurs Kb relativement élevées sont plus fortes que les bases ayant des valeurs Kb relativement faibles. Le tableau ci-dessous est une liste des constantes d’ionisation des bases pour plusieurs bases faibles.
| Nom de la base | Equation de l’ionisation | . Equation | Kb |
|---|---|---|---|
| Méthylamine | CH3NH2 + H2O ⇌ CH3NH3+ + OH- | 5.6 × 10-4 | |
| Ammonia | NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- | 1.8 × 10-5 | Pyridine | C5H5N + H2O ⇌ C5H5NH+ + OH- | 1.7 × 10-9 | Ion acétate | CH3COO- + H2O ⇌ CH3COOH + OH- | 5,6 × 10-10 | Ion fluorure | F- + H2O ⇌ HF + OH- | 1.4 × 10-11 | Urée | H2NCONH2 + H2O ⇌ H2CONH3+ + OH- | 1.5 × 10-14 |
Notez que la base conjuguée d’un acide faible est aussi une base forte. Par exemple, l’ion acétate a une petite tendance à accepter un ion hydrogène de l’eau pour former de l’acide acétique et l’ion hydroxyde.
Calcul de Ka et Kb
Qui a inventé le pH-mètre ?
Le pH-mètre a été inventé parce que les producteurs d’oranges de Floride avaient besoin d’un moyen de tester l’acidité de leurs fruits. Le premier pH-mètre a été inventé par Arnold Beckman, qui a ensuite créé Beckman Instruments.
L’entreprise de Beckman était très prospère et il a utilisé une grande partie de sa fortune pour financer l’enseignement et la recherche scientifiques. La famille Beckman a fait don de 40 millions de dollars pour construire l’Institut Beckman à l’Université de l’Illinois.
Calcul de Ka et Kb
La valeur numérique de Ka ou Kb peut être déterminée à partir d’une expérience. On prépare une solution de concentration connue et on mesure son pH avec un instrument appelé pH-mètre .
Figure 1. Un pH-mètre est un appareil de laboratoire qui permet de mesurer rapidement et précisément le pH des solutions.
Problème type : calcul d’une constante d’ionisation acide
On prépare une solution 0,500 M d’acide formique et on mesure son pH à 2,04. Déterminez le Ka de l’acide formique.
Étape 1 : Dressez la liste des valeurs connues et planifiez le problème.
Connu
- initial = 0,500 M
- pH = 2,04
Inconnu
- Ka = ?
D’abord, on utilise le pH pour calculer le à l’équilibre. Un tableau ICE est mis en place afin de déterminer les concentrations de HCOOH et de HCOO – à l’équilibre. Toutes les concentrations sont ensuite substituées dans l’expression du Ka et la valeur du Ka est calculée.
Etape 2 : Résoudre.
Puisque chaque molécule d’acide formique qui s’ionise donne un ion H + et un ion formiate (HCOO – ), les concentrations de H + et de HCOO – sont égales à l’équilibre. Nous supposons que les concentrations initiales de chaque ion sont nulles, ce qui donne le tableau ICE suivant.
| Concentrations | |||
| Initiales | 0.500 | 0 | 0 |
| Changement | -9,12 × 10 -3 | +9,12 × 10 -3 | +9,12 × 10 -3 |
| Equilibre | 0.491 | 9,12 × 10 -3 | 9.12 × 10 -3 |
La substitution dans l’expression Ka donne:
Étape 3 : Réfléchissez à votre résultat .
La valeur de Ka est cohérente avec celle d’un acide faible. Deux chiffres significatifs sont appropriés pour la réponse, car il y a deux chiffres après la virgule dans le pH rapporté.
Des étapes similaires peuvent être suivies pour déterminer le Kb d’une base. Par exemple, une solution 0,750 M de la base faible éthylamine (C2H5 NH2) a un pH de 12,31.
Puisqu’un des produits de la réaction d’ionisation est l’ion hydroxyde, nous devons d’abord trouver le à l’équilibre. Le pOH est de 14 – 12,31 = 1,69. Le est alors trouvé à partir de 10 -1,69 = 2,04 × 10 -2 M. Le tableau ICE est alors établi comme indiqué ci-dessous.
| Concentrations | Initiale | 0.750 | 0 | 0 |
| Changement | -2,04 × 10 -2 | +2.04 × 10 -2 | +2,04 × 10 -2 |
| Équilibre | 0,730 | 2,04 × 10 -2 | 2.04 × 10 -2 |
Substituer dans l’expression du Kb permet d’obtenir le Kb de l’éthylamine.
Sommaire
- Les acides forts et faibles sont définis.
- La constante d’ionisation des acides (Ka) est définie.
- Les bases fortes et faibles sont définies.
- La constante d’équilibre des bases est énoncée.
- Les calculs de Ka et Kb sont décrits.
Pratique
Acides forts et faibles et constante d’ionisation des acides (Ka)
Lisez le matériel au lien ci-dessous et répondez aux questions suivantes :
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/acids.html
- Pourquoi le facteur n’est-il pas inclus dans l’expression du Ka ?
- Quand on écrit H+, de quoi parle-t-on réellement ?
- Quel est l’acide le plus faible : l’acide méthanoïque ou l’acide éthanoïque ?
Bases fortes et faibles et constante d’ionisation des bases (Kb)
Lisez le matériel au lien ci-dessous et répondez aux questions suivantes :
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/bases.html
- En présence d’ions hydroxyde, dans quel sens l’équilibre se déplace-t-il pour l’équation montrant la dissociation de l’eau ?
- Quel pourcentage d’ammoniac en solution produit réellement des ions hydroxydes ?
- Comment la position d’équilibre est-elle liée à la force d’une base faible ?
Calcul de Ka et Kb
Lisez le matériel au lien ci-dessous et répondez aux questions suivantes :
http://www.ausetute.com.au/kb.html
- Qu’est-ce qu’une base d’Arrhenius dissocie en ?
- Que forme une base de Brønsted-Lowry dans l’eau ?
- Comment détermine-t-on le pourcentage d’ionisation ?
Revue
Acides forts et faibles et constante d’ionisation des acides (Ka)
- Pourquoi l’ion chlorure est-il la base conjuguée la plus faible ?
- Quel est le pourcentage d’ionisation dans une solution de 0.1 M d’acide acétique ?
- Quel est l’acide le plus fort : HF ou acide benzoïque ?
Bases fortes et faibles et constante d’ionisation de la base (Kb)
- Définir une base forte.
- Définir une base faible.
- Quelle est la base la plus forte : la pyridine ou l’urée ?
Calcul de Ka et Kb
- Quelle est l’approche utilisée pour le calcul des constantes d’ionisation ?
- Quelles sont les hypothèses initiales ?
- Quelles hypothèses d’équilibre sont faites ?
Glossaire
- constante d’ionisation d’un acide
: La constante d’équilibre pour l’ionisation d’un acide. - Acide fort : Un acide qui est complètement ionisé en solution aqueuse.
- Acide faible : Un acide qui ne s’ionise que légèrement en solution aqueuse.
- constante d’ionisation d’une base
: La constante d’équilibre pour l’ionisation d’une base. - base forte : Une base qui s’ionise complètement en solution aqueuse.
- Base faible : Une base qui ne s’ionise que légèrement en solution aqueuse.
- Phonomètre : Un appareil permettant de mesurer précisément le pH.