Chapitre 7 : Acides, bases et sels

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
!
!
!
!
!
128
acide
base
proton
hydroxyde
métal non noble
!
!
!
!
métal noble
bromothymol
indicateur coloré
réaction de neutralisation
Acides, bases
et 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
acide chlorhydrique
Formule Etat naturel et usage
contenu dans le suc gastrique,
HCl
acide sulfurique
H2SO4
acide nitrique
acide carbonique
HNO3
H2CO3
(all. : Kohlensäure)
décapage de dépôts calcaires,
préparation des chlorures métalliques et du PVC.
électrolyte dans les accumulateurs
des voitures.
fabrication d’engrais et d’explosifs.
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 :
*
HCl
H2O*

→
acide
chlorhydrique
H+
Cl-
+
ion
chlorure
proton
Réaction de dissociation de l’acide sulfurique dans l’eau :
H2SO4
H2O

→
acide
sulfurique
2 H+
proton
SO24
+
ion
sulfate
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 ces
métaux avec l’acide chlorhydrique, il y a dégagement
d’un gaz. Ce gaz est recueilli
dans un deuxième tube à
essais.
réaction entre
HCl et Mg
HCl et Zn
HCl et Fe
Le gaz recueilli brûle avec un bruit sifflant au contact de la flamme du brûleur
Bunsen: c’est le dihydrogène (H2).
* H2O au-dessus de la flèche signifie que la réaction se déroule dans l’eau.
130
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
Après la réaction, l’eau de la solution
est évaporée. On obtient les sels
suivants : chlorure de magnésium,
chlorure de zinc(II) et chlorure de
fer(II).
FeCl2
MgCl2
ZnCl2
Établissons les formules chimiques des chlorures obtenus :
chlorure de magnésium
Mg Cl
2
MgCl2
1
chlorure de zinc(II)
Zn
Cl
2
1
chlorure de fer(II)
ZnCl2
Fe
Cl
2
1
FeCl2
Établissons les équations correspondant aux réactions :
Mg
+
+
zinc
2 HCl
fer

→
acide
chlorhydrique
Fe +

→
acide
chlorhydrique
magnésium
Zn
2 HCl
2 HCl
MgCl2
chlorure
de magnésium
ZnCl2
+
chlorure
de zinc(II)

→
acide
chlorhydrique
+
FeCl2
chlorure
de fer(II)
H2
dihydrogène
H2
dihydrogène
+
H2
dihydrogène
En général
métal + acide chlorhydrique 
→ sel + dihydrogène
Exceptions
Plaçons des pièces en
cuivre, argent et or dans
de l’acide chlorhydrique.
Cu
Ag
Au
Aucune réaction n’a lieu
entre ces métaux et
l’acide chlorhydrique.
131
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.
2 Al
alumi nium
+
3 H2SO4
acide
sulfurique

→
Al2 (SO4 )3
sulfate
d'aluminium
+
3 H2
dihydro gène
sulfate d’aluminium
Al
SO4
3
2
Al2(SO4)3
# voir exercice 7.2 page 140
1
Quelques acides réagissent de façon différente avec des métaux donnés. Ce cas
ne sera pas traité dans ces documents.
132
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
CaCO3
+
carbonate de
calcium

→
2 HCl
acide
chlorhydrique
CaCl2
chlorure
de calcium
carbonate de calcium
Ca
2
CO3
2
CaCO3
+
CO2
dioxyde de
carbone
+ H2O
eau
chlorure de calcium
Ca
Cl
2
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.
a)
Dissociation des réactifs en solution aqueuse
Dissociation de l’acide chlorhydrique (HCl) dans l’eau
La dissociation de l’acide chlorhydrique a été étudiée au paragraphe 7.1.1. page 130.
b)
Dissociation de l’hydroxyde de sodium (NaOH) dans l’eau
L’hydroxyde de sodium (soude caustique) 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 2
photo 1
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
NaOH
hydroxyde
de sodium
134
H2O

→
Na +
cation
sodium
+
OH−
Na
OH
anion
hydroxyde
1
1
NaOH
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
Ca ( OH )2
H2O

→
hydroxyde
de calcium
Ca 2+
+
cation
calcium
Les solutions
hydroxyde).
basiques
2 OH−
anion
hydroxyde
contiennent
Ca
OH
2
1
des
anions
Ca(OH)2
OH-
(ion
# voir exercice 7.1 page 140
7.4.2.
Indicateur coloré : le bromothymol
Ajoutons quelques
gouttes de bromothymol à une solution
d’acide chlorhydrique : le bromothymol
prend la couleur
jaune.
En milieu acide, le bromothymol
se colore en jaune.
Ajoutons quelques
gouttes de bromothymol à une solution
d’hydroxyde de sodium : le bromothymol prend la couleur
bleue.
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
2
un milieu neutre n’est ni acide ni basique.
135
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
HCl
acide
chlorhydrique
+
NaOH
→
hydroxyde
de sodium
NaCl
+ H2O
chlorure
de sodium
Autre exemple
Réaction de neutralisation entre
! l’acide sulfurique (H2SO4) et
! l’hydroxyde de potassium
3
hydroxyde de potassium
K
OH
1
1
Les deux solutions ont la même concentration.
136
KOH
eau
Chapitre 7 : Acides, bases et sels
Lors de la réaction, il y a formation
!
!
de sulfate de potassium
d’eau
H2SO4
acide
sulfurique
+
2 KOH
sulfate de potassium
K
1
SO4
2
→
hydroxyde
de potassium
K2SO4
K 2SO4
sulfate
de potassium
+ 2 H2O
eau
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
magnésium
cuivre
calcium
or
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
12. Cocher les équations correspondant à des réactions de
neutralisation. Équilibrer toutes les équations. Nommer les
composés intervenant dans les équations.
H2SO4 +
Ca ( OH )2 →
H2CO3 →
HCl +
H2O +
HCl →
H2O
CO2
Mg ( OH )2 →
Al ( OH )3 +
CaSO4 +
?
MgCl2 +
AlCl3 +
H2O
H2O
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.
139
?
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.
!
!
!
140
hydroxyde de magnésium et acide sulfurique
hydroxyde de calcium et acide sulfurique
hydroxyde de potassium et acide carbonique
i
Info 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
H2SO4
acide
sulfurique
+
2 NaCl
chlorure
de sodium
→
2 HCl
chlorure
d'hydrogène
+
Na 2SO4
sulfate
de sodium
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
i
Info 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
i
Info 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
i
Info 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 :
la solution est acide,
0 ≤ pH < 7
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
144
la concentration indique la quantité d’acide ou de base par unité de volume.
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
0
146
détartrant
1
3
jus d'orange
4
jus de citron
vinaigre
2
coca
bière
5
vin
6
lait
7
8
dentifrice
9
solution
de lessive
10
savon
en solution
11
12
13
déboucheur
d'évier
14
i
Info 7.3 (suite)
L’échelle pH