Chimie Des Solutions - Chapitre 1

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CHAPITRE

Les ractions en milieu aqueux

tpr

. Les lectrolytes non-lectrolytes etles 1.2Lesractionsdeprcipitation. ......7 o Lasolubilit . Les quations molculaires, les quations ioniques etles quations ioniques nettes Chimie action Une en raction m deprcipitationindsirable..., ....12 1.3Lesractionsacido-basiques. .....12 . Les proprits gnrales acides des des et bases e Les acides les et bases Bronsted-Lowry de . Les ractionsneutralisation de o Les ractionsneutralisationformation de avec gaz d'un 1 . 4 L e sractionsd' oxydor duction ...,19 . Les nombres d'oxydation . Quelques ractions d'oxydorduction courantes 1 . 5 Laconcentration solutions ladilution. . . . . . 28 des et . o Laconcentration des solutions . Laprparation solution d'une o Ladilution solutions des 1 . 6 Lastchiomtrie enchimie dessolutions. . . . . . 33 ., r Lanalyse gravimtrique o Les titrages acido-basiques

proprits gnrales solutions 1 . 1 Les des aqueuses. . 5 .

en ligne ft Animation Les lectrolytes leslectrolytes et lesnon-lectrolytes forts, (1 ) faibles .1 (1.1) fhydratation Les ractions prcipitation (12) de Les ractionsneutralisation (1.3) de Les ractions (1 d'oxydorduction .4) (1.5) Laprparation solution d'une par Laprparation solution dilution (1.5) d'une Interaction f criture quation d'une ionique (1 nette .2)

se noires Des chemines (fumerolles) surchauffe, lorsque l'eau de forment jaillit la en minraux, travers riche sels Lesulfure sous-marin. lave volcan d'un alors (HrS) convertit d'hydrogne prsent de en lesmtaux prcipits sulfures Les noirs mtalliques etinsolubles,m0d'hydrogne, montrentsulfure du dles et u m d e si o n s t a l l i q u e s n s u l f u r e mtallique,

NOTIONS

CLS

aqueuse en Itrt Lesractions solution en seproduisent biochimiques toutes etpresque lesractions chimiques nombre ractions de Ungrand aqueux. milieu grandes peuvent classesdeux en tre qui (soluts) sedissolvent l'eau dans (solvant) Les substances qu'elles donnent (non selon conductrices), (conductrices) non-lectrolytes etles leslectrolytes catgories, d'lectricit. ounon conduclrices conductrices solutions des aqueux en de catgories ractions milieu IEr rlll Lestroisgrandes qui peu de d'un il y a raction prcipitation, formation produit soluble sespare la de Aucours d'une de ce le nette ionique quirsume mieux type raction. C'est solution, l'quation (H+) acide une vers base' d'un il y a raction acido-basique,transfert proton d'un d'une Aucours vers rductrice d'une d'lectrons substance il y a transfert raction d'oxydorduction, Aucours d'une oxydante. une substance et enchimie enbiochimie' les frquentes les sont trois de Ces sortes ractions parmi ractions plus et des IEI Laconcentration solutions la dilution molaire La plusieurs d'une laconcentration solution,concentration volumique manires d'exprimer ll existe (ou molaire Laconcentration volumique molarit) privilgiI'expression concentration. dela de le sera mode reposent le sur par de des de Les de de estlenombre moles solut litre solution. calculs dilution solutions principe laconservation de dunombre moles. de en aux applique ractions solution rret Lastchiomtrie les dterminerconcentrations il faut quantitatives en ractionssolution, pouvoir des faire tudes Pour des par analyses tudes Certaines sefont des d'analyse, mthodes ll existe diffrentes en des esoces solution. (bases par analyses volumtriques et (bases de gravimtriques surdes mesures masse) d'autres des d'une par o des dans mesures volumes), exemple lecas titrages laconcentration solution de surdes par cgnnue. de avec solution concentration est inconnue dtermineraction une

4

lJanalyse chimique la mche cheveux Napolon et de dep.Ct sa dfaite \Taterloo en 1815, Napolon fut dport l'le Sainte-Hlne, I \ une petite le de I'Atlantique, oit il passales six derniresannesde sa vie. Lanalyse d'une mche de sescheveux, effectue dans les annes 7960, rvlaune forte concentration d'arsenic. on mit alors l'hypothse que Napolon avait pu tre empoisonn soit par le gouverneur de Sainte-Hlne, avecqui il ne s'entendair pas, soir par la famille royale franaise, qui voulait empcher le retour de I'ex-empereur en France. Larsenic pur n'est pas trs dangereux.Le poison auquel on fait rfrencequand on parle d'arsenic est en fait I'oxyde d'arsenic(Ill), Asror. Ce compos blanc, soluble dans I'eau, ne gote rien et est difficile dtecter s'il est administr sur une longue priode. On raconre qu'on en ajoutait jadis au vin du grand-pre pour pouvoir toucher plus rapidement sa part d'hritage! En 7832, le chimiste anglais JamesMarsh mit au point une mthode, qui porte maintenant son nom, permeftant de dtecterI'arsenic. w Avec la mthode de Marsh, @s I'hydrogne, obtenu par la *.r\ raction du zinc avecI'acide Anneau brillant d'arsenic $l sulfurique, est mis en prsenced'un chantillon de As2O3 $-l .2-Solution du prsum poison. Si ce ,.""'-.'-,1, sffi\ dernier contienr bel et bien \Granules de zinc de l'oxyde d'arsenic(Ill), il pour Montage effectuer testdeMarsh le y a formation avec I'hydroDel'acide sulfuriquevers duzinc est sur mtallique une dans soluTion contenantgned'un gaz toxique, I'ardel'oxyde produit avec d'arsenic(lll). fhydrogne ragit As,O" donner pour de sine (AsHr). Quand I'arsine l'arsine, Par AsH,. chauffage, sedcompose l'arsine gris enarseic couleur de est chauffe, elle se dcomacrer enhydrogne. et pose en arsenic,qui se distingue par son lustre mtallique (uoir lafgure ci-dexu). Cette mthode de dpistageesr suffisantepour dissuader qui que ce soit de recourir au AsrO, pour ruer quelqu'un... Toutefois, elle fut invente trop tard en ce qui concerne Napolon - si I'on suppose,bien strr, qu il a effectivement t victime d'un empoisonnement.H2SOa Combustion de l'hydrogne

*i

&'\

On a mis des doutes au sujet de cette hypothse de l'empoisonnement au dbut des annes1990 quand on a trouv des traces d'arsnite de cuivre, un pigment vert utilis couramment l'poque de Napolon, dans un chantillon provenanr du papier peint de son salon. On penseque le climat humide aurait favorisle dveloppemenrde moisissures sur Ie papier peint. Celles-ci auraient mtabolisI'arsenicsous forme d'un compos volatil, le trimthylarsine, (CHr)y{s. Une exposition prolonge la vapeur de ce compos volatil et trs toxique aurait pu ruiner la sant de Napolon et pourrait expliquer Ia prsence d'arsenic dans son organisme, sansque cela ait t la principale causede sa mort. Cette thorie intressanteest tayepar le fait que les invits rguliers de Napolon souffraient de drglementsgastro-intestinaux et prsentaienr d'aurres symptmes relis I'empoisonnement I'arsenic; en outre, leur sant s'amlioraitquand ils passaient longues de heures travailler dans le jardin, leur principal passe-tempssur l'le. Nous ne saurons sans doute jamais si Napolon a t victime d'un empoisonnement I'arsenic, intentionnel ou accidentel, mais ce rype d'enqute historique est un exemple

Une mche cheveux Napolon de de

gnrales solutions aqueuses des 1.1 Lesproprits

5

fascinant de I'utilisation de I'analysechimique. Celle-ci joue un rle essentieldans bon nombre de domaines, autant en recherchefondamentale que dans des applications pratiques comme le contrle de la qualit des biens de consommation, les diagnosticsmdicaux et la mdecine lgale.

gnrales solutions proprits aqueuses des If,I LesBeaucoup de ractions chimiques et presque tous les processusbiologiques ont lieu en milieu aqueux. C'est pourquoi il est important de comprendre les proprits de difen ferentessubstances solution dans I'eau. D'abord, qu'est-cequ une solution ? Une soluou tion esr un mlange homogne de deux substances plus. La substanceprsenteen moins grande quantit s'appellesolut, tandis que la substanceprsenteen plus grande quantit est le solvant. Une solution peut tre gazeuse(comme I'air), solide (comme un alliage) ou liquide (comme I'eau de mer). Cette section n'abordera que les solutions aqueuses, c'est--direcellesdans lesquellesle solvant est I'eau. Aussi, le solut seratoujours, au dpart, un solide ou un liquide.

et Les lectrolyteslesnon-lectrolytesTous les soluts dissous dans I'eau entrent dans deux catgories: les lectrolytes et les qui, une fois dissoutedans l'eau, forme non-lectrolytes.lJn lectrolyte est une substance une solution conductrice d'lectricit; un non-lectrolyte, par contre, forme dans l'eau une solution qui n'est pas conductrice d'lectricit.La figure 1.1 montre une mthode simple et directe pour distinguer les lectrolytes des non-lectrolytes. Une paire d'lectrodes inerres (en cuivre ou en platine) est plonge dans un bcher rempli d'eau. Pour que l'ampoule s'allume, il faut que Ie courant lectrique passed'une lectrode l'autre, compltant ainsi le circuit. I-ieau pure, qui ne contient que trs peu d'ions, est un trs mauvais conducteur; cependant, si I'on y ajoute une petite quantit de chlorure de sodium (NaCl), I'ampoule brille aussitt que le sel est dissous.Le NaCl solide, un compos ionique, se spare en ions Na+ et Cl- en se dissolvant dans l'eau. Les ions Na+ sont alors attirs par l'lectrode ngative, et les ions Cl- par I'lectrode positive. Ce mouvement, quivalant au dplacement des lectrons dans un fil mtallique, cre un courant lectrique. .",tr. de la conductibilit de la solution de NaCl, on dit que Ie chlorure de sodium esr un lectrolyte. IJeau pure contient trs peu d'ions, elle est donc trs peu conductrice d'lectricit. 1.1 FrcuRE un distinguer lectrolyte Comment d'unnon-lectrolyte de solution non-lectrolyte 6 Une pas ne l'ampoule necontient d'ions; pas. s'allume faible d'lectrolyte solution @ Une peu l'ampoule claire contient d'ions; faiblement, foft d'lecirolyte solution @ Une d'ions beaucoup ; I'ampoule contient fortement. claire

Animation ,, Les forts, lectrolytes les faibles lectrolytes etles non-lectrolytes

6

Chapitre1 . Les ractions milieuaqueux en

En prsencede la mme qaantit molaire de difFerentessubstances,l'ampoule mettra une lumire d'intensit variable: on peut ainsi differencier les lectrolytes forts etles lectrolytes Les lectrolytes forts, une fois dissous dans I'eau, se dissocient en ions faibles. 100 %. (Par dissocier, veut dire que le compos se fragmente en carions er en anions on pour se disperser dans I'eau.) Ainsi, on peut reprsenter la dissolution du chlorure de sodium dans l'eau de la facon suivanre:

N a C I ( s )i

H

Nat(aq) -r Cl (aq)

Ce que l'quation dit, c'est que le chlorure de sodium qui entre dans la solution se dissocie entirement en ions Na+ et CI Le tableau 1.1 donne des exemples d'lectrolytes forts, d'lectrolyres faibles et de non-lectrolytes.Les compossioniques, comme le chlorure de sodium, I'iodure de potassium (KI) et le nitrate de calcium [Ca(NO^),], sont des lectrolytes forts. Il est intressant de noter que les liquides corporels huriains contiennenr b.",r.o.rp d'lectrolytes forts et faibles. Leur prsenceest essentielleau bon fonctionnemenr de l'organisme. memnu 1.1 Classification desoluts solution en aqueuse

L3

+

HCI HN03 HCl04 H2S04. Na0H Ba(0H), Composs ioniques

cH3c00H HF HN02 NH,

Hro..

(NHr)rCO (ure) (mthanol) CHrOH (thanol) CrHuOH (glucose) CuH,r0u C, rr0,,(sacc harose) rH

HzoNOTE L'eau est globalementneutre lectriquement. chargepartielle du La ct de I'oxygneest gale au total des deux chargesparliellesportes de I'autre ct par chacun des hydrognes, symbolis par +. total ici

. HrSOo Hionisables. a deux *. feau est lectrolltefaible, pure un trs Leau est un solvant trs efficace pour les compossioniques. Bien que la molcule d'eau soit lectriquement neutre, elle comporte une rgion de chargepartielle ngative(ple ngatif ) du ct de I'atome d'oxygne, et une autre rgion de charge partielle positive + (ple positif ) du ct des deux atomes d'hydrogne. Leau esrdonc une molcule polaire (uoir la section8.2, Chimie gnrale),d'o son appellation de soluantpokire. Quand un compos ionique comme Ie chlorure de sodium se dissour dans I'eau, l'arrangement tridimensionnel des ions (rseaucristallin) du solide est dtruit: les ions Na+ et Cl- sont spars uns des autres. Chaque ion Na+ est alors entour de nombreuses molcules les d'eau orientant leur ple ngatif vers le cation. De mme, chaque ion Cl- esr entour de molcules d'eau qui orientent leur ple positif vers I'anion (uoir lafgure 1.2). on appelle hydratation le processuspar lequel des molcules d'eau sont disposesd'une manire particulire autour des ions. Lhydratation permer la stabilisation des ions dans la solution et prvient la combinaison entre cations et anions.

F|GURE 1.2 Hydratation ionsNa+et Cl des

t qrh

!#i

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ffir

de 1.2 Lesractions prcipitatio.ffi

Les acides et les basessont galement des lectrolytes.Certains acides,dont I'acide chlorhydrique (HCl) et I'acide nitrique (HNO3), sont des lectrolytes forts' Ces acides s'ionisent cmpltement dns l'eau; par exemple, quand le chlorure d'hydrogne gazeLtx se dissout d"n, l'."u, il y a formation d'ions H.O* et Cl- hydrats:

HCI(g) + HrO(/) -'H3O*(aq)

+ Cl-(aq)

En d'autres termes, dans la solution, toutesles molcules HCI se sont ionises en ions HrO+ et Cl- hydrats. Ainsi, quand on crit HCI(aq), cela signifie q".'9" 11 + ,olutioi, il n y a q.r. d., ions HrO (aq) et Cl- (aq) et qu'il n'y a aucune molcule HCI hydrate. Par contre, certains acies, dont I'acide actique (CH3COOH), que I'on trouve dans le vinaigre, s'ionisent beaucoup moins. Lionisation incomplte de l'acide actique est reprsente de la faon suivante: cH3c00H

CH3COOH(aq) + HrO(/) .

- CH3COO-(aq) + H3O+(aq)

En o CHTCOO- est appelion actate. crivantla formule de I'acide actique ^HTCOOH, ionisableest dans le on indique que I'hydrogne r la faion suivante de groupe-COOH. indique que la raction est rversible, Dans une quation, la double flche -Au danslesdeux sens. dbut, un certainnombre de q,t'.Ii. peut s'effectuer c'est--dire pour former desions_cH3coo- et H3O+- Avec.le s'ionisenr curcoou molcules de ionsCHTCOO- et HrO+ ragissent manire reformerdesmolce.tainJdes remps, d'acides'ioniun stadeo lesmolcules l" ..r1., CHTCOOH. FinalemJ.rt, ractionatteint l'tat chimique On senret se-reformenr la mmevitesse. appellequilibre chimique bien qu'il y ait lequel aucunetransformationnette n'est observe, d.ans d'un systme Ainsi, I'acideactiqueest un lectrolyte une acrivitconrinueau niveau molculaire. faible parceque son ionisationdansI'eau est incomplte.Par contre, I'acidechlorhy drique donne en solution desions HrO* et Cl- qui n ont pastendance reformerdes par HCI: une ionisation.o-pit. estreprsente une quationdont la flche molcules est simple. de catgories ractions les |.2 Danslessections 1.4, noustudierons trois principales et de en milieu aqueux:les ractions prcipitation,de neutralisation d'orydorduction'

El

de ractions PrciPitation Les

r.Animation n Les de ractionsprcipitation

nouspouvonsmaindes gnrales solutionsallueuses, Aprsavoir tudilesproprits qui et importantes ont lieu en milieu aqueux. couranres rZactions ,"n, voir quelques par les Dans cettesection,nous aborderons ractions de prcipitation, caractrises un solide la formation d'un produit insoluble,appelprcipit.On appelleprcipit metde les de qui insoluble sespre la solution.Habituellement, ractions prcipitation de quand une solution aqueuse nitrate exemple, ioniques.Par tenr en 1.r,d.r .omposs (KI), il seforme de plomb tPb(No3irl estajouie une solutiond'iodurede potassium un prcipitjaune d'iodure de plomb (PbIr): :

Pb(NOr)r(aq)+ 2KI(aq)----+PbI,G) + ZI{NO'(aQ

i

i

Chapitre 1 . Les ractionsen milieuaqueux

Une raction prcipitation de indsirable... rduisentle transfertde chaleur,diminuant ainsi paisLe calcaire (CaCOr) et la dolomite (CaCO, . MgCOr), des substancestrs rpandues la surface de la Terre, le retrouvent souvent dans les eaux d'approvisionnement. Selon le tableau I.2 (p. 8), le carbonate de calcium est insoluble dans I'eau. Cependant, en prsencede dioxyde de carbone dissous (provenant de I'atmosphre), la raction suivante a lieu:

I'efficacit la durabilit notammentdeschaudires et et destuyaux. Dans les ruyaux d'eau chaudedesmaisons, ils peuventrestreindre mmeempcher circulation et la de I'eau (uoir lafigure ci-dessou). Pour enlevercesdpts des tuyaux, les plombiers utilisent un procdsimple qui consiste y introduire de petitesquantitsd'acide chlorhydrique: CaCOr(s) + 2HCl(aq) ---+ CaClr(aq) + H2O(/) + COr(g) De cettemanire,CaCO, estconverrien CaCl' un compos solubledansl'eau.

CaCOr(s)+ COr(aq)+ HrO(/) ------> C*+(aq) + 2HCO^(aq) o HCOI estI'ion hydrognocarbonare.On appelle eau dure une eau qui contient des ions Caz+ etlouMgt*, et eau douceune eau qui n'en contient presque pas. La prsence de ces ions dans I'eau la rend impropre certainesapplications domestiques et industrielles. Quand I'eau qui contient des ions Caz+ et HCO; est chauffe ou bouillie, la raction en solution esr inverse,et il y a production d'un prcipit de CaCOr: Ca2+(aq) + 2HCOt(aq) ---->

CaCOr(s) COr(aq)+ H2O(/) +et le dioxyde de carbone s'chappede la solution: COr(aq) --' COz(g) Le carbonate de calcium solide form de cette manire est le principal compos qui s'accumuledans les chaudires, les chauffe-eau, les ruyaux et les bouilloires. Ces dpts

Dpts calcaires obstruant tuyau un d'eau chaude. dpts Ces sont surtout constitus CaCO, unpeudeMgCOr. de avec

IEI Les ractions acido-basiquesIl existe des acides et des basesque I'on utilise courammenr - par exemple, I'aspirine et le lait de magnsie(ou magnsiehydrate) -, mais dont on ignore le nom chimique: l'aspirine est de l'acide actylsalicylique, et le lait de magnsieest de I'hydroxyde de magnsium. En plus de constituer les substancesde base de nombreux produits rndicinaux et domestiques, les acides et les basesjouent un rle important dans certains procds industriels et sont essentielsau bon fonctionnement des organismes vivants. Avant d'tudier les ractions acido-basiques,il faut d'abord comprendre la nature des acides et des bases.

acido-basiques 1.3 Les ractions

13

gnrales acides desbases et des Lespropritsnous avons dfini un acide Au cours de l'tude de la nomenclature dans Chimie gnrale, dans I'eau pour donner des ions H+, et une basecomme qui s'ionise comme une substance une substance qui s'ionise dans l'eau pour donner des ions OH . C'est le chimiste sudoisSvanteArrhenius qui, la fin du xx' sicle,formula ces dfinitions dans le but dont les proprits en solution aqueusetaient bien connues. de classerdes substancesNOTE Nous verrons la page suivante la de nature l'ionH+ dansI'eau. vritable

Les acides. . . Les acides ont un got aigre, piquant; par exemple, le vinaigre doit son got I'acide actique,et les citrons et les autresagrumes le doivent I'acide citrique. Les acidesprovoquent des modifications de couleur des colorants vgtaux; par exemple, ils font passerle tournesol du bleu au rouge. Les acidesragissenravec certains mtaux, dont le zinc,le magnsium et le fer, pour produire de I'hydrogne gazeux. La raction entre I'acide chlorhydrique et le magnsium en est un exemPle:NOTE et La plupartdes acides (hydracides oxacides)sont solublesdans l'eau.

zHCl(aq)+ MgG)-'MsClzQ

+ Hr(g)

.

commeNarCOr, et avec ragissent lescarbonates leshydrognocarbonates, Isacides de carbonegazeux(uoir la caco, et NaHCO' pour produire du dioxyde : figure 1.6). Par exemplei

' :

2HCl(aq) + CaCOr(t) -_--> CaClr(aq) -r H2O(/) + COr(aq) HCI(aq) * NaHCOT(s)NaCl(a4) + HrO(/) + COr(aq)ncune 1.6 forde de Unmorceau craie tableau, principalement ragit deCaCOr, me chlorhydrique. de avec l'acide

Les solutions aqueusesacides conduisent I'lectricit.

Les basesLes basesont un got amer. Les basessont visqueusesau toucher; Par exemple' les savons,qui contiennent des bases,ont cette caractristique. Les basesprovoquent des modifications de couleur des colorants vgtaux; par exemple, elles font passerle tournesol du rouge au bleu. basiquesconduisent I'lectricit. Les solutions aeueuses Bronsted Nicolaus Johannes (1 947) 879-1

de et Lesacides lesbases Bronsted-Lowrypar labores Arrhenius ne s'appliquent qu'aux soluLes dfinitions des acideset desbases En tions aqueuses. 1923, JohannesBronsted, un chimiste danois, etThomas M. Lowry, un chimiste anglais, proposrent de manire indpendante des dfinitions largiesqui dcrivaient un acide comme donneur de protons et une basecomme accepteur de proqui ragissentde cette faon des acides de tons. On appelle maintenant les substances Bronsted-Lowry er des basesde Bronsted-Lowry. Notons que cesdfinitions ne ncessitent pas que les acidesou les basessoient en solution aqueuse.

MartinLowry Thomas (1874-1e36)

Chapitre1 o Les ractions milieuaoueux en

Les acides Bronsted-Lowry deLacide chlorhydrique est un acide de Bronsted-Lowry parce qu'il donne un proton dans I'eau:

HCI(aq)------>H+(dq) Ct-(aq) +

i

Il faut noter que I'ion H+ esr un atome d'hydrogne qui a perdu son lecrron; c'esr . donc seulement un proton nu. La dimension d'.tn proto., est'enrriron 10-15 m comparativement 10-10 m pour un atome ou un ion moyen. Une si petite particule charge ne Peut exister comme telle dans I'eau, causede sa forte attracrion pour le ple ngatif (l'atome d: Hr9 c'est pourquoi le proton existe l'tat hydrat, .o-. l,indque 9l la figure 1.7. Pour I'ionisation de I'acide chlorhydrique, on devrair donc crire:

Diagramme potentiel de lectrostatique H3O+ deI'ion Dans type reprsentation ce de aux couleursl'arc-en-ciel, de lesrgions les plus riches lectrons rouges en sont et pauvres bleues, lesplus sont

i nar|r^ * HrO(/)--- H3O*(aq) Ct-(aq) + i :'.-'''.-''...',,.-''''''''-'....'',1

ad.enw-+*C.HCI + H2O

----)

HsO*

cl-

iffiffilonisation HCI de dans pour I'eau former hydroniuml,ion l,ion et chlorure

Le proton hydrat, est appelion hydronium. cette quationreprsente Tro*r une ractionau coursde laquelleun acidede Bronsted-Lowry (HCl) donn.,rr pro,ol une basede Bronsted-Lowry (HrO). Des tudesexprimentales ont dmontr que I'ion hydronium peut s'hydrater . davantage s'associant plusieursmolcules en dteau.Toutefoir, .o--. les proprits acides proton ne sont pastouches le degrd'hydratation,on urilisep"rfoi, ..r.or. du par la notation H+(aq) pour reprsenter proron hydrat,mme si la notati,onHro+ est le plus prochede la ralit.Ces deux notationsreprsentent mme espce i'olution la en aqueuse. Parmilesacides courammentutilissen laboratoir ily al'acidechlorhydrique(HCl), e, I'acide nitrique (HNor, l_a_cide actique(cH3cooH), I'acide ,,rlfuriqrr. (Hrso4) et I'acide (HrPOa).Lestroispremiers phosphorique sontdesmonoacides; -ot .ial ,r.r est un acidequi ne peur librer qu'un seulion hydrogne par unit d'acide:

HCI(aq) + HzO(l) -- H3O*(aq)+ Ct-(aq) HNOr(a4) + H2O(/) ----+H3O*(aq)+ NOr(aq) cH3cooH(aq) + HrO(l): cH3coo-(aq) + Hro+(aq)

acido-basiques 1.3 Lesractions

15

Comme nous l'avons dj mentionn, I'ionisation de I'acide actique en milieu aqueux est incomplte (remarquez la flche double) : il s'agit donc d'un lectrolyte faible (uoir le tableau 1.1,P. 6).Par consquent,on I'appelle aussiacide faible. Par contre, HCI et HNO, sont des acides forts parce qu'ils sont des lectrolytes forts: en solution, ils s'ionisent compltement (remarquez les flches simples). Lacide sulfurique (HrS04) est un diacide, c'est--direun acide pouvant cder deux ions H d par unit en deux tapes istinctes

wrso.k,Q+ Hro(/) --

+ H3O*(aq) HSOnQq) i + }:.SOi,+ HrO(/) =- H3O*(aq) SOI (aq) i

H2SO4 esr un lectrolyte fort et un acide fort (la premire tape de I'ionisation est HSO, est un acide faible, d'o la flche double qui indique que l'ionicompl-te),-mais sation est incomplte pour la deuxime tape prsenteci-dessus. Les triacides, qui librent trois ions H+ par unit, sont relativement peu nombreux. Le plus connu est I'acide phosphorique, lequel s'ioniseainsi:

: HrPOn@fl+ lHrO(l) . s I H2PO|@ + ]H2O(t) i HPO?-(aq) + H2O(/)s

'H.O+(aq) + H2POi(aq)

i + HuO+(aq) HPO|-(aq) i + HuO+(aq) POI-(aq) l..i ......................

(H3PO4, H2PO; et HPOI-) sont des acidesfaibles,d'oir Notez que cestrois espces l'utilisation d'une flche double pour chaque tape d'ionisation. Les anions tels HrPO; et HPOI- peuvenr aussi tre gnrsquand des composs ioniques tels NaHrPOn et NarHPOn se dissolvent dans I'eau.

d'acide Une bouteille (HrP0o) phosphorique

de Les bases Bronsted-Lowrydu Lesdonnes tableau1.1 montrent que I'hydroxydede sodium (NaOH) et l'hydroxyde forts. C'est dire qu'ils sont compltement de baryum [Ba(OH)r] sonr deslectrolytes en ioniss solution:

H'o> N"*(aq) + oT-(aq) Hzo, g^2+ (6q) + zOH- (aq) Ba(OH)r(s) NaoHG)Lion OHpeut accepter un proton comme le montre l'quation qui suit:

+ : HrO+(aq) OH-(aq)-----'zHzo(l)Donc, OH- est une basede Bronsted-Lowry. Lammoniac (NH3) est classparmi les basesde Bronsted-Lowry parce qu'il peut accepterun ion H*, cmme le montrent la figure t . 3 ( p . 1 6 ) e t l ' q u a t i o ns u i v a n t e :

NHr(aq) + H2O(/) --

NH](aq) + OH-(aq)

16

Chapitre1 o Les ractions milieuaqueux en

Lammoniac esr un lecrrolyte faible (c'est donc une basefaible) car seule une fraction des molcules NH. dissoutes ragissent avec I'eau pour former des ions NHj

eroH-.ncune 1,8 lonisation I'ammoniac l'eau de dans pour former ammoniumI'ion I'ion el hydroxyde

w.&1.&.NHe

.t&NH;

Hzo

oH-

La baseforte la plus couramment utilise en laboratoire est l'hydroxyde de sodium, cause de son faible cot et de sa grande solubilit. (En fait, tous les hydroxydes de mtaux alcalins sont solubles.) Quant la basefalble la plus utilise, c'est une solution aqueused'ammoniac, quelquefois appele tort hydroxyde d'ammonium (il n'y a pas de preuve que le compos NH.OH existe rellement). Tous les lments du groupe 2A forment des hydroxydes de type M(oH),, o M esr un mtal alcalino-rerreux. De ces hydroxydes, seul Ba(oH), est soluble. Lis hydroxydes de magnsium et de calcium, eux, sont utiliss en mdecine et dans I'industrie. Les hydroxydes des aurres mraux, comme Al(OH)3 et Zn(OH)r, sont insolubles et utiliss moins courammenr.

Dites si les espces suivantessont des basesou des acidesde Brsnsted-Lowry: a) HBr; b) NO, ; c) HCO;.

Une bouteille d'ammoniac aqueux

Quelles sont les caractristiquesd'un acide de Bronsted-Lowry? Contient-il au moins un atome H ionisable?Sauf dans le cas de l'ammoniac, la plupart des basescouranressont des anions.

a)

on sait que HCI est un acide. Br et Cl tanr rous deux des halognes(groupe ZA), on s'attend ce que HBr s'ionise ainsi dans l'eau: HBr(aq) + HrO(l) -----+H3O+(aq) + Br (aq) HBr est donc un acide de Bronsted-Lowry.

b)

En solution, I'ion nitrite peur acceprerun proron pour former I'acide nirreux: NO;(aq) i HrO+(aq) ---+ HNOr(a4) + HrO(l)

Cette proprit fait de NO; c)

une basede Brsnsted-Lowry.

Lion hydrognocarbonateest un acide de Bronsted-Lowry parce que, en solurion, il s'ionisede la faon suivanre: HCO;(aq) + HzO(l) =H3O+ (aq) + COru @q)

C'est aussiune basede Bronsted-Lowry parce qu'il peut acceprerun proron:

HCO;(aq) * HrO+(aq) i-

HrCOr(aq) + HrO(/)

acido-basiques 1.3 Les ractions

acides qu parce il possde la fois desproprits un On dit que I'ion HCO; est ampbotre l'eau. comme dansle casde et basiques : a) de ou sont desacides desbases Bronsted-Lowry: SOI- ; suivantes i Oi.., si lesespces i b) HI; c) H'PO;. r1.29 1-30 et

de ractions neutralisation LesUne raction acido-basique, aussi appeleraction de neutralisation, est une raction donnent gnralement enrre un acide et une base.Les ractionsacido-basiquesaqueuses de I'eau et un sel, qui est un compos ionique form d'un cation autre que H+ et d'un par anion autre que OH-- ou O2-. Elles sont habituellement reprsentes l'quation gnrale suivante:NOTE

r.Animation o Les de ractions neutralisation

acide * base -----+ sel * eau

La plupart des ractionsacidobasiques sont des ractions comoltes.

Par exemple, lorsqu'une solution de HCI est mlangeavecune solution de NaOH, il se produit Ia raction suivante:

:

HCI(aq) + NaOH(a4) --+ NaCl(a4) + H2O(/)

Cependant, comme cet acide et certe base sont tous deux des lectrolltes forts, ils sont compltement ioniss en solution' Lquation ionique est:

-">Na+(aq) + Cl-(aq)+ zHzo(l) + + HuO+(aq) Cl-(aq)+ Na+(aq) OlH-(aq);;;;;;;;,,.;;;--i

i

HuO+(aq) + OH-(aq)'-----' 2HzO(l)

Les ions Na+ et Cl- sont tous deux des ions spectateurs' Si cette raction tait effectueavecdes quantits molaires galesd'acide et de base, cette raction serait totale, c'est--direqu il n'y aurait, la fin de la raction, que du sel et aucune trace d'acide ou de base. C'est une caractristique des ractions de neutralisation. voyons mainrenant la raction entre NaOH et I'acide cyanhydrique (HCN), un acide faible:

NOTE Pour qu'une ractionsoit totale, il faut que tous les ractifs soient totalement consomms. Ces ractifs avoir ragi doivent ncessairement dans les proportions stchiompar quitriquesindiques l'quation librede la raction.

HCN(a4) * NaOH(a4) -+

NaCN(a4) + H2O(/)

ffi

chapitre . Lesractions miljeu 1 en aqueux

Dans ce casl'quationionique est: ;

i

HCN(a4) * Na+(aq)+ OH-(aq) -------rNa+(aq)CN-(ae) + H2O(/) +

l

i

HCN(a4) + OH-(aq) ->

CN-(aq) + HrO(l)

:

Les quations molculaires suivantes reprsentent d'autres exemples de ractions de neutralisation:

HF(aq) + KOH(aq) ------>KF(aq) HrO(l) + IJ.SO'(;,Q + 2NaOH(aq)------>NarSOn@fl + 2H2O(l) Ba(OH)r(aq) 2HNO3@ ------, + Ba(NOr)r(aq) 2HrO(l) +

Les ractions neutralisation formation gaz de avec d'unCertains sels comme les carbonates (constitus des ions CO32-), les hydrognocarbonates (constitus des ions HCO, ), les sulfites (constitus des ions SOl) et les sulfures (constitus des ions S2-) ragisient avec les acides pour former des iroduits gazevx. Voici, par exemple, l'quation molculaire de la raction entre le carbonate de sodium [NarCO, (s)J et I' acide chlorhydriqu e [HCl(a q)l :

+ NarCOu@q) 2HCl(aq) ------2NaCl(aq)+ HrCOu@fl

l

Une raction semblable est prsente la figure de Chimie en acrion, (p. i2). Lacide carbonique est instable, et s'il est suffisammenr concentr en solution, il se dcomposeainsi:

;. i HrCOr(aq) -

HrO(/) + COr(g)

i

Voyons quelques autres ractions semblablesimpliquant des selsdj mentionns:

iii ,i;

NaHCO T(aq)+ HCl(aq) -----+ NaCl(aq) + HrO(l; + COr(g) NarSOr( aq) + 2HCl(aq) --------> 2NaCl(aq) + H2O(/) + SOr(g)

: : i

:

IqS@q)+ zHCl(aq) ------+ 2KCl(aq)+ HrS(s)

i

'29

Chapitre1 . Les ractions milieuaqueux en

En se dplaant de haut en bas dans le groupe 7A, nous observons que le pouvoir oxydant de ces lments diminue du fluor I'iode. Le difluor (Fr) peut donc remplacer les ions chlorure, bromure et iodure en solution. En fait, il est si rctif qu'il ragit aussi avec I'eau; ces ractions avec le difluor ne peuvent donc pas avoir lieu en solution aqueuse. Par contre, le dichlore (Clr) peut dplacer les ions bromure et iodure dans les solutions aqueuses selon les quations suivantes:0 -1-l 0

Clr(g) + 2KBr(aq) -->0 -1

2KCl(aq) + Brr(l)-i 0

Clr( + 2NaI(aq) +Les quations ioniques sont: io|0 -t

2JN"c.t(a I2(, +

-l

: clr(g) + 2Br- (aq) -------> 2Cl-(aq) + Brr(l)-l

0

-1

:

Clr(g)

2I (aq) -+

0

zCl-(aq) + Ir(s)

A son tour, le dibromure (Brr) peut dplacerI'ion iodure en solution:

Lebrome, liquide un fumant rougetre, estprpar par industriellement ractiondudichlore deI'eau mer, avec de une importante source d'ions bromure.

Brr(l) + 2I-(aq) ------+ 2Br-(aq) + Ir(s) jSi I'on renversele rle des halognesdans ces ractions, il n'y aura pas de raction. Ainsi, le dibrome ne peut pas dplacer les ions chlorure, et le diiode ne peur pas dplacer les ions bromure ni les ions chlorure.

IE Laconcentration solutions la dilution des etAvant d'tudier la stchiomtrie des ractions en milieu aqueux la section 1.6, nous devons savoir comment exprimer la composition des solutions par des units de concentration et aussi savoir comment prparer les quantits ncessaires ractifs. de

Laconcentration solutions desLa concentration d'une solution est une grandeur indiquant la quantit de solut prsente dans une quantit de solution donne. (Ici, nous tiendrons pour acquis que le solut est un liquide ou un solide et que le solvant esr un liquide.) Lune des units les plus utilisespour exprimer la concentration en chimie esr la concentration molaire volumique (C), aussi appele molarit. La concentration molaire volumique est le nombre de moles de solut contenu par unit de volume de solution en litrei; elle est dtermine par l'quation suivanre :NOTE C est le symbole de la grandeur,et est " molespar litre" (mol/L) l'unitde la concentration molairevolumioue. Comme cette unit est trs utilise, les chimistes reprsentent la souvent par le symboleM. moles de solut i :

concentrationmolaire volumique : :

volume de solution (L)

(1.1)

.i

et des solutions la dilution 1.5 La concentration

ou algbriquement:

c:+

(r.2)

Bien sr, cette dfinition ne nous oblige pas travailler avec exactement un litre de solution (puisqu'il s'agit d'un rapport). Il importe de ne pas oublier de convertir en litres le volume de la solution s'il est exprim dans une autre unit (le plus souvent: en millilitres). Ainsi, une solution de 500 mL contenant},73\ mol de C6HI2O6 a une concentration de |,46 mol/L:"-_-'.-'.---''-_-_"_"-..-.--.----i

C-

mol : 0,730 I,46mollL L 0,500

i ii

Lunit de la concentrarion molaire volumique est la mole par litre (mol/L): un volume de 500 mL de solution contenant 0,730 moI de CuHrrO, quivaut donc 1,46 mol/L. Notez que la concentration, comme la massevolumique, est une grandeur inrensive, c'est--dire que sa valeur ne dpend pas de la quantit de solution prsente.

NOTE D'autresmaniresd'exprimer la compositiond'une solution(sa concentration) seront expliquesau chapitre 2. Uannexe4 prsenteun tableau explicatif des diffrents modes d'expression de la concentrationcouramment utiliss.

d'une Laprparation solutionMaintenant, voyons comment on prpare une solution d'une concentration molaire volumique donne. D'abord, il faut peser le solut de faon exacte et le transftrer dans un ballon volumtrique, l'aide d'un entonnoir (uoir laf.gure 1.16). Puis' il faut verser de I'eau dans le ballon (jusqu environ la moiti de sa capacit) et agiter soigneusedu ment pour dissoudre le solide. Aprs dissolution complre solide, il faut ajouter lentejauge. Connaissant le volume de la ment de I'eau pour amener le volume au trait de solution (qui est le volume du ballon) et la quantit (en moles) de compos dissous,on peut calculer la concentration molaire de la solution I'aide de l'quation 1.1. Notez de que, dans cette mthode de prparation d'une solution, il n'est pas ncessaire confinal de la natre le volume exact d'eau qu'il a fallu ajouter tant donn que le volume solution est connu: c'est le volume indiqu sur le ballon volumtrique.

Animation ' Laprparation solution d'une

+Trait

de jauge du ballon

-Mnisque

*bl. 6

t

d'une Mthode prparation solution de molaire donne deconcentration place quantit connue d'un une 6 0n volumtrique, dans solut solide unballon puis y ajoute l'eau l'aide d'un on de entonnoir. pour leballon lentement @ 0nagite lesolide. dissoudre du dissolution compltesolide, @ Aprs jusqu'au dejauge, trait de onajoute I'eau et de levolume lasolution Connaissant dissoute,peut 0n laquantit solut de molaire la calculerconcentration volumique lasolution. de

@

o

Chapitre1 o Les ractions milieuaqueux en

Combien de grammes de dichromate de potassium (CrrOr) sont ncessaires pour prparer une solution de250 mL ayant une concentration molaire volumique de2,16 mol/L?

@@IilCombien de moles de \CrrO, y a-t-il dans 1 L (ou 1000 mL) d'une solution 2,16 mol/L de KrCrrOr? Combien y en a-t-il dans 250 mL de cette solution ? Comment faut-il procderpour convertir lesmolesen grammes ?Une solution lCrr0, de

La premiretapeconsiste dterminerle nombre de molesde CrrO, conrenues dans250 mL ou 0,250L de solution2,16 mol/L: molesd"e I\CrrO, : 0,250I-866 "'r La masse molairede\CrrO, : 0,540mo1 CrrO,

r*."

estde294,2 g/mol, alors:

- Q'540 I!oL&@) grammes de\crrorncessaires :159 g\CrrO,

x (294'2g\cr'o')

t ryslxff?

On peut faire l'approximation suivante: la masse devrait tre donne par lC (mol/L) (glmol)l ou [2 mol/L x 0,250 L X 300 g/mol I : 150 g. La rponse X vol (L) x ,4lL estplausible.

1.54et 1.55

Quelle est la concentration molaire volumique d'une solution aqueusecontenant I,77 g d'thanol (C2H5OH) dans un volume de 85,0 mL?

Lors d'un test clinique en biochimie,une biochimistedoit ajouter3,81 g de glucose (C6H12O6) un mlangeractionnel. Calculezle volume qu elle devraprlever, en millilitres, partir d'une solutionde glucose 2,53 mol/L.

@MtilIl faut d'aborddterminer nombrede molescontenues le dans3,81 g de glucose, puis utiliserl'quationt.2 (p. 29) pour calculer volume. le

EM[fConvertissonsla massedu glucoseen moles:

| 3'8 guffiu *

I molC.H.^O.

t a-o,r rryg

: 2'l r x 10-2 molcuHrrou

des solutionset la dilution 1.5 La concentration

Calculons ensuite le volume de solution qui contiendrait 2,17 X 10-2 mol du solut. En isolant Tdans l'quation 1.2, on obtient:tl -

n

2,1 :@^1x

1 0 - 2m o l C u H , r O u, 1000 mL soln . 1 L soln

: 8,36 mL soln

Si un litre de cette solution contient 2,53 rnol de CuH,rOu, le nombre de moles dans 8,36 mL ou 8,36 x 10-3 L est donc (2,53 mol X 8,36 X 10-3) contenues est ou2,l2 X 10-2 mol. La petite difference due la manirediffrented'arrondir lesnombres.

Calculez le volume, en millilitres, d'une solution de NaoH 6,22 gde NaOH. contiendrait

0,315 mol/L qui

.............r

des Ladilution solutionsles de Pourdesraisons commoditde transportet d'entreposage, solutionssont habituelleBien souvent,il faudra les diluer avant forme trs concentre. sous ment disponibles d'une Le de les utiliser en laboratoire. procdconsistant diminuer la concentration dilution. solution s'appelle 1 exactement L de solutionde KMnO 40,400mol/L que Supposons l'on doiveprparer KMnO4 1,00 mol/L. Pour ce faire,on a besoinde 0,400 mol partii '.r.r. ,ol,rtion de Puisquil y a 1,00 mol de KMnOn dans I L de solution 1,00 mol/L, il y d. tctrrtnOn. aura 0,400 mol de KMnO, dans0,400 x 1 000 mL, ou 400 mL de la mmesolution: 1,00mol 1000 mL soln 0,400mol 400 mL soln Animation ' Laprparation solution d'une par dilution

Ainsi, on peut prlever400 mL de la solution KMnO, 1,00 mol/L et la diluer de 1000 mL en y ajoutantde I'eau(dansun ballonvolumtrique 1 L). Cettemthode mol/L. nous donne donc 1 L de la solution voulue de KMnOn 0,400 que I'ajout de solvant une quantit une dilution, il faut serappeler En effectuant (appele aussisolution mre ou solution stock) en de la solution concenrre donne sans diminuela concenrrarion modifierle nombrede molesde solut(uoirlaf.gure1.17, p. 32); c'estdire que:li i_

de Deux solutions KMnoo ditfrentes deconcentrations

ii i molesde solutavantdilution : molesde solutaprsdilutiont:

,

,

ffi

aqueux 1 en Chapitre ' Lesractions milieu

Puisque la concentration molaire est dfinie par Ie nombre de moles de solut dans un litre de solution, on peut dire que le nombre de moles de solut est donn par:

molesde solutvolume de solution (L)

X volume de solution (L) : moles de solut

C

C7:

molesde solut

HGURE 1.1? Ladilution d'une solution Ladilution solution change d'une ne pas nombre demoles le total de prsentes. nombre lci, le solut l B. total particules de demeure

Solution concentre

Solution dilue

Parceque tout le solut vient de la solution initiale, on peut dire que::aL/i"nale

\--------/ molesde solut aYantla dilution

.t,ia" Ziri.ia

'nal

ii

molesde solut aprsla dilution

(1.3)

o .i,i"t. t Cfi,"I" sont les concentrations molaires initiale et finale de la solution et {.i,i"t t VF,n sont les volumes initial et final de la solution, respectivement. Bien t sr, les units de Vrn,rilrt I/0,, doivent tre les mmes (millilitres ou litres). Afin de vrifier si les rsultatssont plausibles,on doit s'assurer 9ue ,i,i"I. ) C."t.et que Vf,nt) Vrnrr^t

de Dcrivezla prparation 5,00 X 102mL d'une solution de H'SO, 1,75 molil partir d'une solutionde H'SO, 8,61 mol/L.

IE@Iiltant donn que la valeur de la concentration dsireest inferieure celle de la concentration initiale, il s'agit d'une dilution. Rappelez-vousque lors d'une dilution, la concentration diminue, mais le nombre de moles de solut demeure le mme.

EIT[IE[:Cette prsentation des donnes nous aidera faire les calculs:

: .i,i"t. 8,61 mol/L Vrnrr^l:?

Q.a.

: I,75 mollL

: mL Von"1 5,00X 102

en 1.6 La stoechiomtrie chimiedes solutions

33

En utilisant I'quation 1.3, nous avons:

: X (8,61mol/L)((",.,"1) (1,75 moIlL)(5,00 102mL) (1,75 p'sttL)(5,00 X 102mL)tntfll

8,61ptf : 102mL

Ainsi, nous devons diluer 102 mL de la solution de HrSOn 8,61 mol/L avec de I'eau jusqu'au trait de jauge dans un ballon de 500 mL pour obtenir la concentration voulue.

wwmEgil

Comme prvu, on obtient un volume final suprieur au volume initial.

la de Dcrivez prparation 2,00 X 102mL d'une solutionde NaOH 0,866 mol/L, pa.ti. d'unesolution5,07 mol/L. i

1.63et 1.64

des enchimie solutions IE LastchiomtrieDans Chimie gnrale, nous avons vu les calculs stchiomtriques que I'on effectue l'aide de la mthode des moles, qui considre les coefficients d'une quation quilibre comme des relations enrre moles de ractifs et moles de produits. Pour travailler avec moles de des solutions de concentration molaire connue, on utilisera la relation C/: solut. tudions mainrenant deux applications courantes de la stchiomtrie en chimie des solutions: I'analysegravimtrique et le titrage.

gravimtrique lJanalyseLanalyse gravimtrique esr une mthode analytique basesur des mesures de masses utilise pour dterminer la narure ou la quantit d'une substance.La formation d'un prcipit, sa sparation, puis sa peseune fois qu il a t purifi et schconstituent un bon exemple de ce type d'analyse. Gnralement, on applique cette mthode aux composs ioniques. Ainsi, un chantillon d'une substance inconnue est dissous dans de I'eau o il ragit avec une autre substancpour former un prcipit. Ce dernier est filtr, schet pes.Si I'on connat la masseet la formule chimique du prcipit form, il est possible de calculer la massed'un constituant chimique particulier (l'anion ou Ie cation) de l'chantillon initial; ensuite, en ayant la masse du constituant (que I'on a calcule) er la masseinitiale de l'chantillon (que I'on a mesure), on peut dterminer le pourcentage massique du constituant dans le compos original. Voici un exemple de raction souvent utilise en gravimtrie:

,

AgNOr(a4) + NaCl(aq) ----->NaNOr(a4) + AgCl(s) '

ou, exprime sous .;;',;;;;;;;;;;;;;.

;.;;,---

+ As+(aq) CI-(aq)------+AsClG):i

i