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15 • Transformations chimiques en solution aqueuse – Réactions acidobasiques…
Le premier tend à rendre la solution acide, et le second à la rendre basique. Pour évaluer le sens
de l’effet global, il faut nécessairement se référer aux valeurs des constantes d’acidité des deux
couples ; on peut en effet montrer [Cours 18.3.1d] que dans une telle situation [H 3 O ϩ ] ϭ
(K a1 K a2 ) 1/2 (ou encore pH ϭ (pK a1 ϩ pK a2 )/2). Dans le cas présent, pH ϭ 9,2 et la solution est
basique ; elle contient les espèces : H 2 O, H 3 O ϩ , HO – , NH 4
ϩ , CN – et HCN.
d) L’ion NO 3
– est une base très faible, puisque son acide conjugué HNO 3 , est un acide très fort :
on peut considérer qu’il n’interagit pas avec l’eau. NH 4
ϩ est un acide faible, et sa réaction avec
l’eau rend la solution acide (voir ci-dessus). Les espèces présentes sont : H 2 O, H 3 O ϩ , HO – ,
NO 3
– , NH 4
ϩ et NH 3 .
Exercice 15.5
Quelles sont les espèces moléculaires ou ioniques présentes dans les solutions
aqueuses des composés suivants ? Peut-on dire a priori si ces solutions sont
neutres, acides ou basiques ?
a) NaHCO 3
b) NaHSO 4
c) NaH 2 PO 4
d) NaHS
Solution
■ La cation Na ϩ , présent dans les quatre composés, est indifférent. Les anions HCO 3
– ,
HSO 4
– , HPO 4
2– et HS – sont-ils acides ou basiques ?
Ils sont amphotères, c’est-à-dire à la fois acides et basiques. Ils appartiennent en effet tous à la
famille des bases conjuguées résultant de la dissociation progressive d’un diacide (H 2 CO 3 ,
H 2 SO 4 ou H 2 S) ou d’un triacide (H 3 PO 4 ). En solution, ils participent donc simultanément à deux
équilibres ; par exemple :
HCO 3
– ϩ H 2 O
H 2 CO 3 ϩ HO – (K a1 )
et
HCO 3
– ϩ H 2 O
CO 3
2– ϩ H 3 O ϩ (K a2 )
L’une de ces réactions tend à rendre la solution acide et l’autre tend à la rendre basique. Formellement, la situation est comparable à celle d’une solution de deux couples dont les acides sont
faibles (par exemple NH 4 CN, [Ex. 15.4]), et le résultat final dépend des valeurs des deux constantes d’acidité (ou des deux pK a ), puisque [H 3 O ϩ ] ϭ (K a1 K a2 ) 1/2 et pH ϭ (pK a1 ϩ pK a2 )/2.
Quelle règle simple à appliquer, à partir de la valeur du produit K a1 K a2 , ou de la somme pK a1 ϩ
pK a2 , pourrait-on utiliser pour déterminer si la solution est acide, basique ou neutre ?
La solution est acide si K a1 K a2 > 1.10 –14 , ou si (pK a1 ϩ pK a1 ) < 14 (puisqu’alors [H 3 O ϩ ] > 1.10 –7
et pH < 7). Elle est basique si K a1 K a2 < 1.10 –14 ou si (pK a1 ϩ pK a1 ) > 14 ; elle est neutre si K a1 K a2
ϭ 1.10 –14 ou si pK a1 ϩ pK a2 ϭ 14.
Les couples concernés dans chacun des quatre cas sont :
a) H 2 CO 3 /HCO 3
– (K a ϭ 1,3.10 –4 ) et HCO 3
– /CO 3
2– (K a ϭ 5,0.10 –11 ). La solution est (légèrement)
basique ; elle contient les espèces Na ϩ , H 2 CO 3 , HCO 3
– , CO 3
2– , H 3 O ϩ et HO – .
b) H 2 SO 4 /HSO 4
– (K a ϭ 1,0.10 9 ) et HSO 4
– /SO 4
2– (K a ϭ 1,0.10 –2 ). La solution est acide ; elle
contient les espèces Na ϩ , H 2 SO 4 , HSO 4
– , SO 4
2– , H 3 O ϩ et HO – .
c) H 3 PO 4 /H 2 PO 4
– (K a ϭ 7,6.10 –3 ) et H 2 PO 4
– /HPO 4
2– (K a ϭ 6,3.10 –8 ). La solution est acide ; elle
contient les espèces Na ϩ , H 3 PO 4 , H 2 PO 4
– , HPO 4
2– , PO 4
3– , H 3 O ϩ et HO – .
d) H 2 S/HS – (K a ϭ 1,0.10 –7 ) et HS – /S 2– (K a ϭ 1,2.10 –13 ). La solution est basique ; elle contient
les espèces Na ϩ , H 2 S, HS – , S 2– , H 3 O ϩ et HO – .
15 • Transformations chimiques en solution aqueuse – Réactions acidobasiques…
Le premier tend à rendre la solution acide, et le second à la rendre basique. Pour évaluer le sens
de l’effet global, il faut nécessairement se référer aux valeurs des constantes d’acidité des deux
couples ; on peut en effet montrer [Cours 18.3.1d] que dans une telle situation [H 3 O ϩ ] ϭ
(K a1 K a2 ) 1/2 (ou encore pH ϭ (pK a1 ϩ pK a2 )/2). Dans le cas présent, pH ϭ 9,2 et la solution est
basique ; elle contient les espèces : H 2 O, H 3 O ϩ , HO – , NH 4
ϩ , CN – et HCN.
d) L’ion NO 3
– est une base très faible, puisque son acide conjugué HNO 3 , est un acide très fort :
on peut considérer qu’il n’interagit pas avec l’eau. NH 4
ϩ est un acide faible, et sa réaction avec
l’eau rend la solution acide (voir ci-dessus). Les espèces présentes sont : H 2 O, H 3 O ϩ , HO – ,
NO 3
– , NH 4
ϩ et NH 3 .
Exercice 15.5
Quelles sont les espèces moléculaires ou ioniques présentes dans les solutions
aqueuses des composés suivants ? Peut-on dire a priori si ces solutions sont
neutres, acides ou basiques ?
a) NaHCO 3
b) NaHSO 4
c) NaH 2 PO 4
d) NaHS
Solution
■ La cation Na ϩ , présent dans les quatre composés, est indifférent. Les anions HCO 3
– ,
HSO 4
– , HPO 4
2– et HS – sont-ils acides ou basiques ?
Ils sont amphotères, c’est-à-dire à la fois acides et basiques. Ils appartiennent en effet tous à la
famille des bases conjuguées résultant de la dissociation progressive d’un diacide (H 2 CO 3 ,
H 2 SO 4 ou H 2 S) ou d’un triacide (H 3 PO 4 ). En solution, ils participent donc simultanément à deux
équilibres ; par exemple :
HCO 3
– ϩ H 2 O
H 2 CO 3 ϩ HO – (K a1 )
et
HCO 3
– ϩ H 2 O
CO 3
2– ϩ H 3 O ϩ (K a2 )
L’une de ces réactions tend à rendre la solution acide et l’autre tend à la rendre basique. Formellement, la situation est comparable à celle d’une solution de deux couples dont les acides sont
faibles (par exemple NH 4 CN, [Ex. 15.4]), et le résultat final dépend des valeurs des deux constantes d’acidité (ou des deux pK a ), puisque [H 3 O ϩ ] ϭ (K a1 K a2 ) 1/2 et pH ϭ (pK a1 ϩ pK a2 )/2.
Quelle règle simple à appliquer, à partir de la valeur du produit K a1 K a2 , ou de la somme pK a1 ϩ
pK a2 , pourrait-on utiliser pour déterminer si la solution est acide, basique ou neutre ?
La solution est acide si K a1 K a2 > 1.10 –14 , ou si (pK a1 ϩ pK a1 ) < 14 (puisqu’alors [H 3 O ϩ ] > 1.10 –7
et pH < 7). Elle est basique si K a1 K a2 < 1.10 –14 ou si (pK a1 ϩ pK a1 ) > 14 ; elle est neutre si K a1 K a2
ϭ 1.10 –14 ou si pK a1 ϩ pK a2 ϭ 14.
Les couples concernés dans chacun des quatre cas sont :
a) H 2 CO 3 /HCO 3
– (K a ϭ 1,3.10 –4 ) et HCO 3
– /CO 3
2– (K a ϭ 5,0.10 –11 ). La solution est (légèrement)
basique ; elle contient les espèces Na ϩ , H 2 CO 3 , HCO 3
– , CO 3
2– , H 3 O ϩ et HO – .
b) H 2 SO 4 /HSO 4
– (K a ϭ 1,0.10 9 ) et HSO 4
– /SO 4
2– (K a ϭ 1,0.10 –2 ). La solution est acide ; elle
contient les espèces Na ϩ , H 2 SO 4 , HSO 4
– , SO 4
2– , H 3 O ϩ et HO – .
c) H 3 PO 4 /H 2 PO 4
– (K a ϭ 7,6.10 –3 ) et H 2 PO 4
– /HPO 4
2– (K a ϭ 6,3.10 –8 ). La solution est acide ; elle
contient les espèces Na ϩ , H 3 PO 4 , H 2 PO 4
– , HPO 4
2– , PO 4
3– , H 3 O ϩ et HO – .
d) H 2 S/HS – (K a ϭ 1,0.10 –7 ) et HS – /S 2– (K a ϭ 1,2.10 –13 ). La solution est basique ; elle contient
les espèces Na ϩ , H 2 S, HS – , S 2– , H 3 O ϩ et HO – .