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Chapitre 7 : Acides, bases et sels
Objectifs
L’élève doit être capable
! d’énoncer les formules de quelques acides minéraux traités dans le cours,
! d’énoncer certains usages de ces acides, ! d’établir les équations des réactions de dissociation des acides dans
l’eau, ! d’établir les équations des réactions de dissociation des bases dans
l’eau, ! d’établir les équations des réactions entre un métal et un acide, ! de faire la distinction entre métal noble et métal non-noble, ! de citer les métaux nobles, ! d’établir l’équation de la réaction entre le carbonate de calcium et
l’acide chlorhydrique, ! d’établir les équations des réactions de neutralisation, ! de reconnaître un acide ou une base à l’aide de sa formule, ! d’identifier le caractère acide, basique ou neutre d’une solution à
l’aide de l’indicateur coloré bromothymol.
Mots clés
! acide ! métal noble ! base ! bromothymol ! proton ! indicateur coloré ! hydroxyde ! réaction de neutralisation ! métal non noble
128
Acides, baseset sels
7.1. Caractéristiques des acides
Les acides sont présents dans un grand nombre de fruits et de boissons qu’on consomme quotidiennement. Ils sont responsables du goût acide de ces aliments. Les acides constituent une classe de composés chimiques très importants.
Dans le présent chapitre, nous allons analyser les caractéristiques et les propriétés des acides minéraux.
Exemples d’acides
Nom Formule Etat naturel et usage acide chlorhydrique HCl contenu dans le suc gastrique,
décapage de dépôts calcaires, préparation des chlorures métalli-ques et du PVC.
acide sulfurique H2SO4 électrolyte dans les accumulateurs des voitures.
acide nitrique HNO3 fabrication d’engrais et d’explosifs. acide carbonique (all. : Kohlensäure)
H2CO3 contenu dans les boissons pétillantes.
Les molécules des acides contiennent un ou plusieurs atomes d’hydrogène.
produit détartrant
contenant de l’acide chlorhydrique
accumulateur contenant de
l’acide sulfurique
engrais fabriqué à l’aide d’acide
nitrique
eau minérale contenant de
l’acide carbonique
129
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
# voir Infos 7.1 page 141 : Préparation de l’acide chlorhydrique 2.6 page 61 : Le chlorure d’hydrogène
7.1.1. Dissociation des acides en solution aqueuse
En solution aqueuse, les molécules acides se dissocient en un ion H+ (proton) et un reste-acide.
Exemples
Réaction de dissociation de l’acide chlorhydrique dans l’eau : *
2H O
acide ion protonchlorhydrique chlorure
*l→
+ -H HCl + C
+2SO 2HH
Réaction de dissociation de l’acide sulfurique dans l’eau :
→2H O 2-44
acide ion protonsulfurique sulfate
+ SO
Les solutions acides contiennent des cations H+(protons).
7.2. Réactions entre l’acide chlorhydrique et les métaux
Analysons les réactions entre l’acide chlorhydrique et un ruban de magnésium, des copeaux de zinc et des clous de fer.
Lors de la réaction de cesmétaux avec l’acide chlorhy-drique, il y a dégagementd’un gaz. Ce gaz est recueillidans un deuxième tube àessais.
réaction entre HCl et Mg HCl et Zn HCl et Fe
Le gaz recueilli brûle avec un bruit sif-flant au contact de la flamme du brûleur Bunsen: c’est le dihydrogène (H2).
130
* H2O au-dessus de la flèche signifie que la réaction se déroule dans l’eau.
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
Après la réaction, l’eau de la solution
Étab chlor
Mg
2 Étab
magn
M
zinc
Zn
fer
Fe
En gé
Exce
Plaçocuivrde l’a Aucuentrel’acid
MgCl2
est évaporée. On obtient les sels suivants : chlorure de magnésium, chlorure de zinc(II) et chlorure delissons
ure de
Cl
1
lissons
ésium
g
chl
+
chlo
+
néral
mé
ptionns de, argecide c
ne réa cese chlo
ZnCl2
les fo
magnés
MgC
les é
ch
+
2acide
orhydr
HC
2acide rhydriq
HCl
tal + a
s es pint et
hlorhy
ction métrhydr
FeCl2
fer(II).
rmules chimiques des chlorures obtenus :
ium chlorure de zinc(II) chlorure de fer(II)
l2 Zn
2
Cl
1 ZnCl2
Fe
2
Cl
1 FeCl2
quations correspondant aux réactions :
2 → 2 2
acide chlorure dihydrogènelorhydrique de magnésium
HCl MgCl + H
→ 2 2
chlorure dihydrogèneique de zinc(II)
l ZnCl + H
→ 2 2
chlorure dihydrogèneue de fer(II)
FeCl + H
cide chlorhydrique → sel + dihydrogène
èces en or dans drique.
n’a lieu aux et ique.
u
Cu Ag A131
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
En général
Les métaux qui ne réagissent pas avec l’acide chlorhydrique sont appelés métaux nobles. Les métaux nobles sont : le cuivre (Cu),
l’argent (Ag), l’or (Au) et le platine (Pt).
métal noble + acide chlorhydrique → pas de réaction
Remarque
Des réactions similaires aux réactions entre les métaux et l’acide chlorhydrique se déroulent entre les métaux non nobles et certains autres acides1.
Exemple
Lors de la réaction entre l’acide sulfurique et l’aluminium, il y a formation de sulfate d’aluminium et de dihydrogène.
sulfate d’aluminium 2 2 4 2 4 3 2
alumi - acide sulfate dihydro -nium sulfurique d'aluminium gène
Al + H SO Al (SO ) + 3 H3 → Al
3
SO4
2 Al2(SO4)3
# voir exercice 7.2 page 140
132
1 Quelques acides réagissent de façon différente avec des métaux donnés. Ce cas ne sera pas traité dans ces documents.
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
7.3. Réaction entre l’acide chlorhydrique et le carbonate de calcium
Le marbre est essentiellement constitué de carbonate de calcium. Lors de la réaction entre l’acide chlorhydrique et le marbre, il y a dégagement d’un gaz. Recueillons ce gaz dans un cylindre et plongeons-y une bougie allumée : la bougie s’éteint. Le gaz produit lors de la réaction n’entretient donc pas la combustion : c’est du dioxyde de carbone. En outre, il se forme de l’eau et du chlorure de calcium.
La bougie s’éteint
Équation de la réaction
3 2
carbonate de acide chlorure dioxyde de eaucalcium chlorhydrique de calcium carbone
CaCO + HCl CaCl + CO + H O2 → 2 2
carbonate de calcium chlorure de calcium
Ca
2
CO3
2 CaCO3
Ca
2
Cl
1 CaCl2
La même réaction se déroule lorsque l’acide chlorhydrique entre en contact avec une coquille d’œuf, la coquille d’un escargot ou la carapace d’un homard, qui contiennent toutes du carbonate de calcium.
action de HCl sur une
coquille d’œuf action de HCl sur une
coquille d’escargot action de HCl sur une carapace de homard
133
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
Cette réaction est aussi à base des propriétés détartrantes des acides : l’acide chlorhydrique est utilisé dans les produits anticalcaires (p.ex. celui de la photo à gauche)
Comme il serait dangereux d’utiliser de l’acide chlorhydrique pour détartrer une machine à café, on préfère prendre du vinaigre contenant de l’acide acétique ou un produit spécial disponible dans le commerce (p.ex. ceux de la photo à droite).
7.4. Réaction entre l’acide chlorhydrique et l’hydroxyde de sodium
7.4.1. Dissociation des réactifs en solution aqueuse
a) Dissociation de l’acide chlorhydrique (HCl) dans l’eau La dissociation de l’acide chlorhydrique a été étudiée au para-graphe 7.1.1. page 130.
b) Dissociation de l’hydroxyde de sodium (NaOH) dans l’eau L’hydroxyde de sodium (soude causti-que) est un composé chimique contenu dans la plupart des déboucheurs d’éviers. Il a la propriété de dissoudre des engorgements constitués de matière organique.
photo 1
photo 2
NaOH se présente sous forme de pastilles très hygroscopiques. Les pastilles de NaOH attirent avidement l’eau de l’air (photo 1), puis se dissolvent dans cette eau (photo 2).
Pour préparer une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium, on introduit les pastilles de NaOH dans l’eau. La dissolution des pastilles de NaOH dans l’eau est une réaction exothermique. Équation de la dissociation
+ −→ +2H O
hydroxyde cation anionde sodium sodium hydroxyde
Na NaOH OH
Na
1
OH
1 NaOH
134
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
On dit que les solutions contenant des ions OH- sont basiques. Les autres hydroxydes solubles dans l’eau se dissocient de façon analogue : Équation de la dissociation de l’hydroxyde de calcium
( ) −+→ +2O2
H 2
hydroxyde cation anionde calcium calcium hydroxyde
Ca 2OH Ca OH
Ca
1
OH
2 Ca(OH)2
Les solutions basiques contiennent des anions OH- (ion hydroxyde). # voir exercice 7.1 page 140
7.4.2. Indicateur coloré : le bromothymol
Ajoutons quelques gouttes de bromothy-mol à une solution d’acide chlorhydri-que : le bromothymol prend la couleur jaune.
Ajoutons quelques gouttes de bromothy-
mol à une solution d’hydroxyde de so-
dium : le bromothy-mol prend la couleur
bleue.
En milieu acide, le bromothymol se colore en jaune.
En milieu basique, le bromothymol se colore en bleu.
Par leur couleur, les indicateurs colorés indiquent la présence d’un acide ou d’une base. Remarque
En milieu neutre2. le bromothymol présente une couleur verte (intermédiaire entre le jaune et le bleu).
# voir aussi Info 7.2 page 142 : Indicateurs colorés naturels
135
2 un milieu neutre n’est ni acide ni basique.
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
7.4.3. Réaction entre HCl et NaOH Dans une solution d’acide chlorhydrique, colorée en jaune par le bromothymol, introduisons une solution d’hydroxyde de sodium, colorée en bleu par le bromothymol. Après avoir versé un volume identique3 à celui de la solution de HCl, la solution résultante prend une couleur verte : la nouvelle solution est neutre.
→
→
Une réaction entre un acide et une base est appelée réaction de neutralisation. En évaporant l’eau de la solution, on obtient un sel blanc : c’est le chlorure de sodium.
Équation
+ → + 2
hydroxyde chlorure eauchlorhydrique de sodium de sodium
Na NaClOH H O ac eid
ClH
Autre exemple
Réaction de neutralisation entre ! l’acide sulfurique (H2SO4) et ! l’hydroxyde de potassium
hydroxyde de potassium
KOH
K
1
OH
1 3 Les deux solutions ont la même concentration.
136
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
Lors de la réaction, il y a formation ! de sulfate de potassium ! d’eau
sulfate de potassium
K2SO4
K
1
SO4
2
+ → +4 2 4 2
hydr sulfate eausulfurique de potassium de potassixyde
umo
2 K K O2O HH SO
2
acide
SOH
En général
acide + base → sel + eau
# voir exercice 7.3 page 140 Pour en savoir plus :
# voir Info 7.3 page 144 : L’échelle pH
137
? Questions de cours
1. Écrire les formules des acides suivants : ! acide chlorhydrique ! acide nitrique ! acide sulfurique ! acide carbonique
2. Établir les équations des réactions de dissociation des acides et bases suivants dans l’eau. Nommer les ions obtenus : ! acide chlorhydrique ! hydroxyde de sodium ! acide sulfurique ! hydroxyde de calcium
3. Établir les équations des réactions qui se déroulent entre l’acide chlorhydrique et les métaux suivants. Nommer les produits de la réaction. ! magnésium ! zinc ! fer
4. Établir l’équation de la réaction qui se déroule entre l’acide
sulfurique et l’aluminium. Nommer les produits de la réaction.
5. Décrire les méthodes de mise en évidence des gaz suivants : ! dihydrogène ! dioxyde de carbone (2 méthodes)
6. Énoncer une raison pour laquelle la soude caustique fait partie des déboucheurs d’évier.
7. Indiquer la couleur du bromothymol ! en milieu acide. ! en milieu basique.
Questions de compréhension
8. Cocher les métaux qui réagissent avec l’acide chlorhydrique :
aluminium calcium magnésium or cuivre fer
9. Indiquer la couleur du bromothymol en présence ! d’hydroxyde de calcium, ! d’acide sulfurique, ! de H2SO3, ! de NH4OH. Justifier la réponse.
10. Indiquer les noms généraux des réactifs d’une réaction de neutralisation.
11. Indiquer les noms généraux des produits d’une réaction de neutralisation.
138
?
139
12. Cocher les équations correspondant à des réactions de neutralisation. Équilibrer toutes les équations. Nommer les composés intervenant dans les équations.
( )2 4 4 22H SO Ca OH CaSO H+ → + O
2 3 2H CO H O CO→ + 2
( ) 2 22HCl Mg OH MgCl H O+ → +
( ) 3 23Al OH HCl AlCl H O+ → +
Questions à choix multiple (QCM) - Une seule réponse est correcte.
13. Les molécules acides
contiennent l’élément hydrogène. contiennent le groupement hydroxyde. ne contiennent ni l’élément hydrogène, ni le groupement hydroxyde.
14. Un acide introduit dans l’eau libère
des protons. des anions hydroxyde. ni des protons, ni des anions hydroxyde.
15. Une base introduite dans l’eau libère
des protons. des anions hydroxyde. ni des protons, ni des anions hydroxyde.
16. On peut mettre le dihydrogène en évidence par le test
suivant : il trouble l’eau de chaux. il brûle avec un bruit sifflant au contact d’une flamme. il éteint la flamme d’une bougie.
17. Lors des réactions entre un métal non noble et l’acide
chlorhydrique, il y a formation du gaz dioxygène. dihydrogène. dioxyde de carbone.
18. L’argent ne réagit pas avec l’acide chlorhydrique, l’argent
appartient à la classe des métaux inertes. métaux nobles. métaux non nobles.
?
Exercice 7.1
Établir les équations des réactions de dissociation des acides et bases suivants dans l’eau. a) acide nitrique b) acide carbonique c) hydroxyde de potassium d) hydroxyde de baryum
Exercice 7.2
a) Établir les équations des réactions qui ont lieu entre les métaux suivants et l’acide chlorhydrique. Nommer les produits de la réaction. ! potassium ! calcium ! étain (un produit résultant de la réaction est un sel d’étain(II))
b) Établir les équations des réactions qui ont lieu entre les métaux
suivants et l’acide sulfurique. Nommer les produits de la réaction. ! magnésium ! lithium ! fer (un produit résultant de la réaction est un sel de fer(III))
c) Dresser les formules des sels et indiquer les noms des sels formés
par l’action de l’acide nitrique sur les métaux ! magnésium ! aluminium ! zinc ( intervient avec la valence II)
Exercice 7.3
Établir les équations des réactions de neutralisation entre les acides et les bases suivants. Nommer les produits de la réaction. ! hydroxyde de magnésium et acide sulfurique ! hydroxyde de calcium et acide sulfurique ! hydroxyde de potassium et acide carbonique
140
iInfo 7.1
Synthèse de l’acide chlorhydrique On verse goutte à goutte de l’acide sulfurique (H2SO4) sur du chlorure de sodium (NaCl) contenu dans un ballon. On observe une effervescence, ce qui indique la production d’un gaz. Le gaz formé est recueilli dans un deuxième ballon : c’est du chlorure d’hydrogène. Équation de la réaction
2 4 2 4
acide chlorure chlorure sulfate sulfurique de sodium d'hydrogène de sodium
2 2H SO NaCl HCl Na SO+ → +
On ferme le ballon contenant le chlorure d’hydrogène à l’aide d’un bouchon percé d’un tube en verre. À travers le tube, on introduit quelques gouttes d’eau dans le ballon. Par la suite, on retourne le ballon sur une cuve remplie d’eau. L’eau gicle avec force dans le ballon. Si l’on ajoute quelques gouttes de l’indicateur bromothymol à la solution aqueuse dans le ballon, celle-ci se colore en jaune. La solution dans le ballon est acide.
Explication
Comme le chlorure d’hydrogène est un gaz très soluble dans l’eau (environ 500 L de chlorure d’hydrogène se dissolvent dans 1 L d’eau), tout le chlorure d’hydrogène contenu dans le ballon s’est dissous dans le peu d’eau initialement introduite. Par conséquent, il s’est créé un vide dans le ballon. La pression atmosphérique extérieure pousse l’eau dans le ballon à travers le tube en verre. La solution résultant de la dissolution du chlorure d’hydrogène gazeux dans l’eau est appelée acide chlorhydrique.
141
iInfo 7.2
Indicateurs colorés naturels Dans un laboratoire de chimie, on trouve normalement plusieurs indicateurs colorés permettant de déterminer le caractère acide ou basique d’une solution aqueuse. Le bromothymol, présenté dans ce chapitre, est un exemple d’un tel indicateur. Ces indicateurs sont synthétisés dans les laboratoires à partir de composés provenant de l’industrie chimique. Toutefois, il existe des indicateurs colorés naturels faciles à extraire à partir de certains végétaux.
a) Jus de chou rouge – Expérience à réaliser à la maison ! ! Chauffe quelques feuilles de chou rouge dans un peu d’eau. ! Après quelques minutes, l’eau devient violette. ! Répartis l’eau colorée ainsi obtenue dans deux verres. ! Ajoute quelques gouttes de jus de citron ou de vinaigre (tous les
deux à caractère acide) dans le premier verre et remue. ! Compare la couleur de la solution ainsi obtenue à la couleur de la
deuxième solution, gardée comme solution de référence (à caractère neutre).
jus de chou rouge en solution
acide – neutre
Remarque :
On peut aussi ajouter une solution basique (p.ex. une solution d’eau savonneuse) dans un troisième verre de jus de chou rouge. La couleur du jus vire alors au vert. Toutefois, on n’ajoute jamais des produits basiques au chou rouge en faisant la cuisine ; pour cette raison, la couleur verte du jus de chou rouge est beaucoup moins connue.
142
iInfo 7.2 (suite)
b) Thé noir – Expérience à réaliser à la maison ! ! Prépare du thé noir selon les instructions sur le sachet et
répartis-le dans deux verres. ! Dans l’un des verres, ajoute quelques gouttes de jus de citron. ! Compare la teinte des deux solutions obtenues.
Thé noir en solution
acide (à gauche) – neutre (à droite) Le jus de chou rouge et le thé noir peuvent donc servir à mettre en
évidence le caractère acide d’une solution aqueuse.
143
iInfo 7.3
L’échelle pH
Sur les étiquettes de beaucoup de boissons et de nombreux produits de nettoyage, on trouve une indication sur la valeur du pH (lat. : potentia Hydrogenii) du liquide. Le pH est une notion qui intervient dans notre vie quotidienne.
Indication du pH sur une bouteille d’eau minérale
Indication du pH sur un gel de douche
Le pH permet de caractériser l’acidité ou la basicité d’une solution aqueuse.
Le pH dépend de deux facteurs : ! la concentration4 de l’acide ou de la base, ! la force de l’acide ou de la base concerné.
Pour les solutions aqueuses, le pH varie entre 0 et 14.
0 7 14
On distingue trois domaines : 0 ≤ pH < 7 la solution est acide,
plus le pH est faible, plus la solution contient d’ions H+, donc plus elle est acide, une diminution du pH d’une unité correspond à une multiplication par 10 du nombre d’ions H+.
pH = 7 la solution est neutre
7 < pH ≤ 14 la solution est basique, plus le pH est élevé, plus la solution contient d’ions OH-, donc plus elle est basique, une augmentation du pH d’une unité correspond à une multiplication par 10 du nombre d’ions OH-.
4 la concentration indique la quantité d’acide ou de base par unité de volume.
144
i Info 7.3 (suite)
Le pH peut être évalué à l’aide d’un mélange d’indicateurs colorés connu sous le nom d’indicateur universel. La teinte de cet indicateur universel dépend du pH de la solution ; elle peut être comparée à une échelle colorée fournie avec l’indicateur pour évaluer le pH.
La détermination du pH peut aussi se faire à l’aide de papier indicateur imbibé d’indicateur universel. Le principe de mesure est le même que pour l’indicateur universel liquide, mais permet de déterminer le pH sans colorer la solution. Les liquides biologiques ont des valeurs de pH caractéristiques dont dépend souvent l’état de santé ou la survie des organismes. Ainsi le pH du sang de l’homme doit être compris entre 7,3 et 7,5. Le suc gastrique sécrété par l’estomac a un pH très faible compris entre 1 et 3. L’acide chlorhydrique y présent tue les bactéries ingérées avec les aliments. Les sécrétions qui humidifient la peau ont un pH variant entre 5 et 6. Ce caractère acide de la peau protège le corps contre la pénétration de microorganismes. Il est donc à déconseiller de se laver trop souvent avec des savons (basiques), car le savon neutralise la couche protectrice acide de la peau. Pour cette raison, il existe des produits pour se laver dont le pH est à peu près égal à celui de la peau. Les poissons ont besoin d’une eau à pH déterminé. Ainsi les poissons d’eau douce ne peuvent survivre que si le pH est compris entre 6,5 et 7,5 tandis que les poissons vivant dans la mer sont adaptés à un pH compris entre 8 et 9.
145
iInfo 7.3 (suite)
L’échelle pH
01
23
45
67
89
1011
1213
14
vin
aigr
ela
it
coca
jus
de c
itro
n
jus
d'or
ange
vin
den
tifr
ice
bièr
e
savo
nen
sol
utio
n
solu
tion
de le
ssiv
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tart
ran
t
146