SOLUTION ÉQUILIBRES EN

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Réactions acide-base (transfert de protons)

Définitions

Acides et bases

Selon les concepts introduits par J. N. Brönsted, les acides sont des composés susceptibles de céder des protons : ce sont des donneurs de cette particule. Dans le même temps, les bases, composés à même d'en fixer, en sont des accepteurs. À tout acide correspond une base conjuguée et inversement ; par suite, un couple acide-base est défini par la relation :

Par exemple, l'anion F est la base conjuguée de l'acide HF :

de même, l'ion ammonium NH+4 est l'acide conjugué de la base ammoniac :

De nombreux composés organiques dont la molécule contient des atomes d'azote, d'oxygène ou de soufre, porteurs de doublets libres (≡−N, =−−O, =−−S), sont des bases ; c'est le cas de l'aniline :

De nombreux cations métalliques se comportent comme des acides en solution aqueuse, par suite de la formation de complexes hydroxyde :

Ce phénomène est connu sous le nom d'hydrolyse.

Certaines espèces, comme HCO-3, peuvent jouer le rôle d'acide dans un premier système, de base dans un autre système :

On les appelle des ampholytes. Ce sont des formes intermédiaires entre des polyacides, qui peuvent céder successivement plusieurs protons, et des polybases (dans l'exemple précédent CO2, H2O est un diacide, CO32- une dibase).

Les molécules des solvants peuvent elles-mêmes jouer le rôle d'acides et de bases ; ainsi, l'eau joue le rôle de base dans le couple :

et d'acide dans le couple :

Un solvant pouvant jouer aussi bien le rôle de base (solvant protophile) que d'acide (solvant protogène), comme l'eau dans les deux couples précédents, est dit amphiprotique.

Réactions acide-base

Le proton n'existant – pratiquement – pas à l'état libre en solution, un acide ne peut jouer son rôle de donneur de cette particule que s'il se trouve en présence d'une base appartenant à un autre couple, à même de la fixer. Entre deux couples acide-base notés 1 et 2 :

on observera une réaction de la forme :

Chaque réaction acide-base apparaît donc comme une réaction d'échange de protons, par exemple :

Prévision des réactions

Force des acides et des bases

Pour chaque réaction acide-base, l'important est d'en connaître le sens prédominant.

Si l'équilibre (1) est déplacé dans le sens 1 (réaction de Ac1 sur B2), l'acide 1 est dit plus fort que l'acide 2. Ainsi, plus un acide est fort, plus sa base conjuguée est faible et réciproquement.

Il suffit donc, pour permettre une prévision aisée des réactions, d'établir un classement de l'ensemble soit des acides, soit des bases. D'où l'idée, par exemple, dans le cas de la prévision des réactions en solution aqueuse, d'établir un classement des acides selon l'intensité de leur réaction avec l'eau, jouant le rôle de base dans le couple H3O+/H2O.

Classement des couples acide-base

Constante d'acidité

Considérons l'acide HA du couple HA/A- (on pourrait raisonner de même dans le cas du couple HB+/B).

La réaction d'échange de protons avec l'eau jouant le rôle de base s'écrit :

Cet équilibre est caractérisé par la constante :

ai désignant l'activité de l'espèce i ; avec les conventions (activité prise égale à 1 pour le solvant) et approximations usuelles (activité confondue avec la concentration pour toutes les espèces présentes diluées en solution), il vient :

La constante KA ainsi définie est appelée constante d'acidité dans l'eau du couple acide-base considéré. Les constantes KA étant généralement très petites devant 1, on utilise très souvent, à des fins de commodité d'écriture, une échelle logarithmique, introduisant la notation :

Par exemple, pour l'acide fluorhydrique en solution aqueuse et à 20 0C, les tables de constantes indiquent, pour HF/F- pKA = 3,2, correspondant à :

De même, dans le cas du cation ammonium NH4+/NH3, pKA = 9,2, correspondant à :

La réaction de transfert de protons entre l'eau jouant le rôle d'acide et elle-même jouant le rôle de base suivant :

est dite réaction d'autoprotolyse. Elle est caractérisée par la constante :

Quantitativité d'une réaction acide-base

La donnée des valeurs des pKA permet de comparer les forces respectives des acides et des bases, et de prévoir le sens prépondérant des réactions. Ainsi de deux couples acide-base de pKA différents, c'est l'acide correspondant à la plus petite valeur de pKA qui sera le plus fort, et c' [...]

Couples acide-base : constantes

Tableau : Couples acide-base : constantes

Constantes de quelques couples acide-base usuels dans l'eau. Les acides perchlorique (HClO4), chlorhydrique (HCl), nitrique (HNO3), sulfurique (H2SO4, pK2) sont des acides forts. La potasse (KOH), la soude (NaOH), les hydroxydes d'ammoniums quaternaires, les alcoolates sont des bases fortes (dans... 

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Acides et bases

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Couples acide-base : constantes

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Répartition de l'acide o-phosphorique

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Échelle de pH dans l'eau

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  • : docteur-ès-sciences maître-assistant de première classe
  • : docteur-ès-sciences maître-assistant de première classe à l'Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de Paris

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Pour citer l’article

Claude COLIN, Alain JARDY, « SOLUTION ÉQUILIBRES EN », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/equilibres-en-solution/