Les réactions acido-basiques en dehors d'un laboratoire
Les réactions dites acido-basiques sont très nombreuses dans la vie courante, en dehors de nos laboratoires, universités et maisons : au-dehors, les réactions acido-basiques sont légion. La pluie contient de l'acidité, par exemple, et en croisant différents oxydes présents dans l'air, cela peut donner des acides beaucoup plus forts. Différents composés, appelés bases en chimie, réagissent au contact d'une foule d'éléments acides dans la vie de tous les jours. On appelle cela une réaction acido-basique !
Tout ou presque, dans la vie, procède d'un rapport de bases et d'acides. Notre corps lui-même réagit à un certain degré d'acidité, tel une usine chimique qui contrôle en quelque sorte le rapport acido-basique de ce que nous ingérons, et qui régule également l'acidité dans notre sang. Les bases et les acides sont des éléments fondamentaux de toute l'histoire de l'humanité en ce qu'ils affectent tout domaine chimique, à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de notre corps !
Définitions d'une base et d'un acide
Les chimistes se plaisent à utiliser la définition du chimiste danois Joannes Brönsted concernant ce qu'est un acide en chimie. Tout comme pour comprendre les liaisons chimiques, comprendre les définitions d'une base et d'un acide nécessite de bien cerner tous les détails. Un acide est une substance capable de transmettre un ou plusieurs proton(s) à une autre substance, ces protons étant sous la forme d'ions hydrogène H+. Toutes les espèces chimiques contenant des atomes d'hydrogène ne sont pas nécessairement acides pour autant. La première théorie de l'acidité d'une solution est en réalité due au chimiste français Lavoisier. Il faut noter que les acides ne cèdent des protons qu'en solution liquide (mais pas nécessairement aqueuse). Les acides sont donc capables de se transformer en libérant des ions hydrogène H+.
Une base recueille au contraire des protons, sous forme d'ions hydrogène H+ donc. Mais si les bases captent ces ions hydrogène, il faut dire que les ions se transforment en quelque chose d'autre. Il s'agit donc d'un échange d'ions hydrogènes entre un acide et une base. Un exemple de base est l'ammoniac : l'ammoniac est une base étant donné qu'elle peut capter un proton. Un exemple d'acide est l'acide chlorhydrique, car il peut libérer un proton (ion hydrogène).
En résumé donc :
| Nombre d'atome(s) de carbone contenu(s) dans la chaîne | Nom de la molécule | |||
|---|---|---|---|---|
| 1 | méthane | |||
| 2 | éthane | |||
| 3 | propane | |||
| 4 | butane | |||
| 5 | pentane | |||
| 6 | hexane | |||
| 7 | heptane | |||
| 8 | octane | |||
| 9 | nonane | |||
| 10 | décane | |||
| ... | ... |
Deux couples d'acides et de bases
Dans toute réaction acido-basique, en chimie, deux couples sont nécessaires. C'est également le chimiste danois Joannes Brönsted qui décréta que deux couples acido-basiques sont nécessaires. Dans la formule, on note toujours l'acide à gauche et la base à droite, au sein du couple. Cependant, il faut savoir que dans le couple acido-basique, un même élément, une même espèce donc, peut changer de nature en passant d'acide à basique et réciproquement, en récupérant ou en lâchant pour cela son ion hydrogène H+. Pour que la base devienne acide par exemple, il faut qu'elle récupère un ion H+, et inversement, pour que l'acide devienne base, il faut qu'il lâche son ion H+.
Il faut savoir qu'un acide ne libère pas un ion H+ comme cela, automatiquement, sans raison particulière. A chaque fois qu'un acide se sépare de son ion hydrogène, c'est parce qu'il y a donc une base qui le lui prend. C'est pourquoi il y a toujours, nécessairement, deux couples dans une réaction acido-basique : l'acide du couple A va lâcher son ion H+ car il est récupéré par la base du couple B, et inversement, l'ion hydrogène du couple B va être récupéré par la base du couple A. Avec un seul couple, la réaction ne se produit pas.
Dans chaque couple acido-basique, lorsque la base a intercepté le proton de l'acide de l'autre couple, on parle de "base conjuguée" ainsi que d' "acide conjugué".
Le cas des espèces amphotères (ou ampholytes)
En chimie, si nous parlons d'espèces dites acides et d'espèces dites bases, il faut également dire qu'il existe des espèces chimiques faisant à la fois partie des bases et des acides. Ces espèces possédant des propriétés à la fois acides et basiques sont dites amphotères, signifiant en grec "chacun des deux". Le plus bel exemple que l'on puisse prendre est l'eau : elle peut à la fois servir d'acide en libérant un proton, et à la fois servir de base en captant un ion. Il s'agit bien ici de l'eau pure, très utilisée dans les solutions, et dont le pH est exactement de 7. L'eau pure est donc neutre, mais pas l'eau de mer par exemple, qui, elle, dispose d'un pH supérieur à 7, alcalin donc.
Mais l'eau pure n'est certainement pas l'unique espèce chimique amphotère, loin de là ! On peut également compter dans cette catégorie : l'oxyde d'aluminium, les acides aminés (qui disposent à la fois d'aminés -NH2, basiques, et de carboxyliques, -COOH, acides), ainsi que les oxydes et hydroxyde de métaux.
Comment expliquer l'écriture : H+ ?
En chimie, les formules arrivent très vite dans l'apprentissage, et l'on peut vite se perdre, même lorsque l'on connaît bien le domaine. Rappelons qu'un atome d'hydrogène dispose du numéro atomique 1, et que donc par conséquent il dispose d'un seul proton et d'un seul électron. Or, si l'on a un ion H+, cela signifie que l'atome d'hydrogène a perdu son électron ici, et a donc une charge positive : il ne dispose plus que d'un proton désormais !
Pourquoi parle-t-on d'ions plutôt que de protons ?
En fait, les ions sont des atomes (ou des molécules, autrement dit des groupes d'atomes) ayant soit perdu soit gagné un ou plusieurs électron(s). Il existe donc deux types d'ions : les ions négatifs s'appellent les anions et représentent des atomes ou groupes d'atomes ayant gagné des électrons (leur charge est donc négative). Les ions positifs sont appelés les cations et ont quant à eux perdu un ou plusieurs électrons (leur charge est donc positive). A l'état normal, nous sommes d'accord que les atomes détiennent un nombre similaire de protons et d'électrons. Mais justement, dans le cas des ions, il s'agit d'atomes ayant un nombre non équivalent de protons et d'électrons.
Les protons H+ ne peuvent se déplacer en milieu aqueux, et pourtant, la majeure partie des réactions acido-basiques se déroulent en milieu aqueux. Comment est-ce possible donc ? Comme pour la chimie organique et globalement comme pour tout aspect de la chimie, vous devez vous rappeler de certaines règles et formules. Pour se déplacer dans le milieu aqueux, l'ion H+ s'accroche à une molécule d'eau (H2O, donc), formant ainsi l'ion H3O+. C'est sous cette forme-ci que le proton originel peut se déplacer, devenu ion H3O+.
Réaction acido-basique totale ou partielle : acides forts ou faibles, bases fortes ou faibles
Lorsque la réaction acido-basique est totale, l'ion hydrogène de la solution a été complètement ionisé, autrement dit il a été convenablement et presque entièrement transféré de la molécule d'acide originelle à une molécule d'eau, ayant donc formé un ion hydronium. Ainsi, une grande partie des molécules / ions de l'acide ont perdu leur atome d'hydrogène acide. Lorsque c'est le cas, on dit que l'acide utilisé est un acide fort. Lorsqu'au contraire, seule une infime partie des molécules / ions de l'acide ont perdu leur atome d'hydrogène acide, on dit que l'acide en question est un acide faible. L'acide faible a donc été très peu ionisé durant la réaction acido-basique chimique.
Parmi les acides forts, on peut noter l'acide bromhydrique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique ou encore l'acide sulfurique, des acides systématiquement manipulés sous des formes extrêmement diluées par des élèves suivant des cours de chimie secondaire. Mais l'on parle également de bases fortes et de bases faibles, en chimie ! Les bases fortes (oxydes et hydroxydes des métaux alcalins et alcalino-terreux, 1ère et 2ème colonnes du tableau périodique donc) sont complètement ionisées dans l'eau. A l'inverse, les bases faibles (typiquement, l'ammoniaque, les amines) ne le sont pas complètement.
Les polyacides et les monoacides
Qu'est-ce qu'un polyacide et qu'est-ce qu'un monoacide exactement ? Sous l'apparence de termes complexes, la définition est en réalité simple à comprendre. Un monoacide, aussi appelé acide monofonctionnel, ne libère qu'un seul ion H+, contrairement aux acides dits polyacides, et pouvant donc libérer plusieurs ions H+. Les polyacides libèrent leurs protons (ions H+) de manière successive (un ion après l'autre).
Il faut noter que, forcément, les polyacides génèrent plusieurs réactions acido-basiques successives, étant donné que plusieurs protons sont libérés.
Comment connaître le pH d'une solution ?
En chimie, toute solution est soit neutre, acide ou basique. On dit que la solution est neutre lorsque son pH est égal à 7, le pH variant de 0 à 14. Lorsque le pH de la solution est supérieur à 7, on dit qu'elle est basique, et lorsque son pH est inférieur à 7, on dit qu'elle est acide. Contrairement à ce que l'on pourrait aisément penser, les solutions très basiques sont tout autant dangereuses que les solutions très acides ! Tout est question d'équilibre, dans la vie, et surtout en chimie ! Alors, avez-vous tout compris ?
Une méthode assez simple pour déterminer l'acidité ou l'alcalinité d'une solution est d'analyser sa quantité d'ions H3O+ (oxonium) et d'ions OH- (ions hydroxyde) :
- si la solution contient une plus grande quantité d'ions H3O+, alors elle est acide ;
- si la solution contient une plus grande quantité d'ions OH-, alors elle est basique.
N'oublions pas que plus le pH est petit, plus la solution est acide ! Et inversement.
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