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Fiche explicative de la leçon : Acidité et basicité Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à définir les acides et les bases, à comprendre leurs propriétés caractéristiques, et à identifier des espèces acides et basiques dans des réactions chimiques.

Les acides et les bases sont des substances que nous retrouvons partout autour de nous. Le tableau suivant répertorie certains des acides et des bases communs que nous sommes susceptibles de connaître.

Nom chimiqueFormule chimiqueRetrouvé dans
AcidesAcide acétiqueCHCOOH3le vinaigre
Acide carboniqueHCO23les boissons gazeuses
Acide citriqueCHO687les agrumes et bonbons acidulés
Acide chlorhydriqueHCll’estomac
Acide lactiqueCHO363le lait
BasesHydroxyde de sodiumNaOHles agents nettoyants et les plastifiants dans les mélanges de ciment
Bicarbonate de sodiumNaHCO3le bicarbonate de soude
Carbonate de calciumCaCO3les antiacides
Hydroxyde de magnésiumMg(OH)2le lait de magnésie

Nous pouvons admettre que les citrons sont acides et que les produits nettoyants comme l’ammoniac et l’eau de Javel sont basiques, mais qu’en est-il d’une substance qui est désignée comme étant un acide ou une base?

Les termes acide et alcalin (base) existent depuis des siècles. Dans les années 1800, il était déjà bien connu que les acides et les bases présentaient certaines propriétés, mais il n’y avait toujours pas de définition formelle permettant de les classifier.

Propriétés des acidesPropriétés des bases
Goût acidulé
Change la couleur du papier tournesol au rouge
Goût amer
Change la couleur du papier tournesol au bleu
Sensation visqueuse

En 1887, le scientifique suédois Svante Arrhénius a proposé la première définition largement acceptée d’un acide et d’une base. Arrhénius a défini les acides comme étant des substances qui s’ionisent lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau pour produire des ions hydrogène (H+) ou pour augmenter la concentration en ions hydrogène dans une solution.

Définition : Acide d’Arrhénius

Un acide d’Arrhénius est une substance qui produit des ions hydrogène (H+) ou qui augmente la concentration en ions hydrogène lorsqu’elle est dissoute dans l’eau.

L'acide chlorhydrique (HCl) est un exemple d’acide d’Arrhénius. Lorsque le HCl est dissout dans l’eau, il s’ionise en ions H+ et Cl:HCl()H()+Cl()gaqaqH2O()l+

Les ions H+ ne restent pas libres en solution et sont récupérés par les molécules d’eau pour former des ions hydronium (HO3+). L’équation chimique ci-dessus est souvent utilisée pour abréger cette réaction. Cependant, l’équation chimique suivante en est une représentation plus précise:HCl()+HO()HO()+Cl()aqlaqaq23+

Selon la définition d’Arrhénius, les bases sont classées comme étant des substances qui s’ionisent dans l’eau pour produire des ions hydroxyde (OH) ou pour augmenter la concentration en ions hydroxyde dans une solution.

Définition : Base d’Arrhénius

Une base d’Arrhénius est une substance qui produit des ions hydroxyde (OH) ou qui augmente la concentration en ions hydroxyde lorsqu’elle est dissoute dans l’eau.

L'hydroxyde de sodium (NaOH) est un exemple de base d’Arrhénius. Lorsque le NaOH est dissout dans l’eau, il s’ionise en Na+ et en OH. La réaction complète est illustrée ci-dessous:NaOH()Na()+OH()saqaqH2O()l+

Exemple 1: Identifier la définition d’un acide d’Arrhénius

Selon la théorie d’Arrhénius, laquelle des affirmations suivantes peut définir un acide?

  1. une substance qui change la couleur d’une solution aqueuse
  2. une substance qui s’ionise en solution aqueuse pour produire des ions OH
  3. une substance qui pétille lorsqu’elle est déposée dans une solution aqueuse
  4. une substance qui dissout toute substance déposée dans une de ses solutions
  5. une substance qui s’ionise en solution aqueuse pour produire des ions H+

Réponse

Svante Arrhénius a défini un acide comme étant une substance qui produit des ions hydrogène (H+) ou qui augmente la concentration en ions hydrogène lorsqu’elle est dissoute dans l’eau. Les ions hydrogène sont produits quand un acide s’ionise en solution. La bonne réponse est donc E.

Bien que les définitions d’un acide et d’une base d’Arrhénius soient utiles, elles demeurent limitées. Ces définitions s’appliquent uniquement aux substances qui ont été dissoutes dans l’eau. Cependant, des réactions acido-basiques peuvent se produire lorsque les espèces sont dissoutes dans d’autres solvants et même lorsqu’elles sont en phase gazeuse.

En 1932, deux scientifiques, Johannes Brønsted et Thomas Lowry, ont proposé indépendamment des nouvelles définitions d’un acide et d’une base afin d'inclure davantage de substances et de conditions de réaction. Ils estimaient que les réactions acido-basiques impliquaient le transfert d’un proton (H+) à partir d’un acide vers une base. Par conséquent, selon la définition de Brønsted-Lowry, un acide est un donneur de proton, alors qu'une base est un accepteur de proton.

Définition : Acide de Brønsted–Lowry

Un acide de Brønsted–Lowry est une substance qui peut perdre ou donner des protons (H+) au cours d'une réaction.

Définition : Base de Brønsted–Lowry

Une base de Brønsted–Lowry est une substance qui peut gagner ou accepter des protons (H+) au cours d'une réaction.

Les substances qui ont été classées comme étant des acides d’Arrhénius sont toujours considérées comme étant des acides selon la définition de Brønsted–Lowry;cette règle s'applique également aux bases d’Arrhénius. Une base d’Arrhénius peut parfois être appelée un alcalin. Un alcalin représente une base qui est soluble dans l’eau. Tous les alcalins sont des bases, mais toutes les substances que nous pouvons classer comme étant des bases selon la définition de Brønsted–Lowry ne sont pas des alcalins.

Exemple 2: Compléter la définition d’une base de Brønsted–Lowry

Complétez la phrase suivante:selon la théorie de Brønsted-Lowry, une base est définie comme étant .

  1. un accepteur de H+
  2. un accepteur de OH
  3. un donneur de H+
  4. un donneur de OH
  5. un donneur de HO2

Réponse

Selon la théorie de Brønsted-Lowry, les réactions acido-basiques se produisent lorsqu’un acide transfère un proton à une base. L'ion H+ et le proton sont souvent utilisés de manière interchangeable, en particulier en ce qui concerne les acides et les bases, étant donné que l'ion H+ contient un proton mais ne contient pas d’électron ou de neutron. Si l'ion H+ est transféré à la base, nous pouvons donc faire référence à la base comme étant un accepteur de H+. Par conséquent, nous devons compléter la phrase avec les mots « un accepteur de H+ ».

Arrhénius a précisé que les produits d’une réaction acido-basiques sont un sel et de l’eau. Cette définition repose sur le fait que la base contient un hydroxyde. Cependant, de nombreuses bases de Brønsted–Lowry ne contiennent pas d’hydroxyde. Par conséquent, lors de la réaction d’un acide avec une base qui ne contient pas d’hydroxyde, il est plus utile de prendre en considération le transfert de proton.

L’équation chimique ci-dessous illustre la réaction entre un acide et une base de Brønsted–Lowry:

Un acide de Brønsted–Lowry doit contenir un atome d’hydrogène qui peut être perdu sous forme d'ion H+, alors qu'une base de Brønsted–Lowry doit pouvoir accepter un ion H+. L'espèce produite lorsqu’un acide perd un proton s’appelle la base conjuguée, alors que l'espèce produite lorsqu'une base gagne un proton s’appelle l’acide conjugué:

Exemple 3: Identifier l’équation chimique pour l’ionisation de l’acide nitrique

L’acide nitrique (HNO3) en solution s’ionise complètement pour former une solution acide. Laquelle des équations suivantes illustre l’ionisation du HNO3?

  1. HNO()+H()HNO()3+23aqaqaq
  2. HNO()H()+NO()3+3aqaqaq
  3. HNO()NO()+OH()32aqaqaq
  4. HNO()HNO()+O()32aqaqaq
  5. 2HNO()2H()+N()+3O()3+22aqaqgg

Réponse

Un acide, tel que défini par Brønsted et Lowry, est une substance qui peut perdre ou donner un proton (H+) au cours d'une réaction. L’acide nitrique peut donner un proton pour devenir un ion nitrate (NO3). Lorsque l’acide est en solution, les molécules d’eau peuvent accepter un proton pour se transformer en ions hydronium (HO3+):

Aucun des choix de réponse n’inclut des molécules d’eau comme deuxième réactif. Nous pouvons abréger l’équation chimique en éliminant le HO2 des deux côtés de l’équation et en ajoutant le symbole d’état (aq) pour indiquer que toutes les espèces sont dissoutes dans l’eau:HNO()H()+NO()3+3aqaqaq

L’équation qui illustre l’ionisation de l’acide nitrique est donc celle qui est présentée dans le choix de réponse B.

Les acides et les bases conjugués se comportent de la même façon que les acides et les bases. L’acide conjugué pourrait donner un proton à la base conjuguée afin de reformer l’acide et la base d’origine:

Les réactions acido-basiques peuvent donc potentiellement se produire dans les deux sens. L'orientation générale d’une réaction acido-basique est déterminée par la force de l’acide et de la base.

La force d’un acide ou d’une base dépend de la capacité de la substance à s’ioniser. Les acides et les bases qui peuvent s’ioniser complètement lorsqu’ils sont dissouts dans l’eau sont considérés comme étant forts.

Définition : Acides forts ou bases fortes

Les acides forts ou les bases fortes sont des acides ou des bases qui peuvent s’ioniser complètement lorsqu’ils sont dissouts dans l’eau.

L’acide chlorhydrique est un exemple d’acide fort. Lorsqu’il est dissout dans l’eau, toutes les molécules d’acide chlorhydrique s’ionisent en ions H+ et Cl. Les ions H+ sont récupérés par les molécules d’eau pour former du HO3+:HCl()+HO()HO()+Cl()aqlaqaq23+

La base conjuguée d’un acide fort et l’acide conjugué d’une base forte ne peuvent pas s’ioniser pour reformer les réactifs d’origine en solution:

Ainsi, les réactions impliquant des acides forts et des bases fortes sont complètes. L’équation chimique de ces réactions utilise une flèche de réaction allant vers la droite ().

Les acides et les bases qui ne s’ionisent pas complètement lorsqu’ils sont dissouts dans l’eau sont considérés comme étant faibles. La base conjuguée d’un acide faible et l’acide conjugué d’une base faible sont capables de s’ioniser pour reformer les réactifs d’origine.

Définition : Acides ou bases faibles

Les acides ou les bases faibles sont des acides ou des bases qui s’ionisent seulement partiellement lorsqu’ils sont dissouts dans l’eau.

L’ammoniac (NH3) est une base faible. Lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau, certaines des molécules d’ammoniac s’ionisent en ion ammonium (NH4+). Au même moment, certains de ces ions ammonium nouvellement formés peuvent perdre un proton pour reformer de l’ammoniac:NH()+HO()NH()+OH()32+4aqlaqaq

Les réactions impliquant un acide et une base faibles sont à l'état d'équilibre. L’équation chimique représentant ces réactions utilise une double flèche ().

Les figures suivantes illustrent la différence de comportement entre un acide fort (HI) et un acide faible (HF) dans l’eau.

Observez comment dans la solution de HI, un acide fort, il y a une ionisation complète en ions I et HO3+, alors que dans la solution de HF, un acide faible, il reste quelques molécules de HF présentes dans la solution qui n'ont pas été ionisées.

Il est important de reconnaître la différence entre la force et la concentration des acides et des bases. La force indique la capacité de la substance à s’ioniser. Les acides et les bases sont forts lorsque toutes les molécules s’ionisent complètement, et sont faibles lorsque seulement certaines d’entre elles s’ionisent.

La concentration indique la quantité d'une substance dissoute dans un volume donné. Lorsqu'une grande quantité de substance est dissoute, la solution est concentrée, alors que lorsqu'une petite quantité de substance est dissoute, la solution est considérée comme étant diluée. Il est donc possible d’avoir des solutions diluées d’acides forts ou des solutions concentrées de bases faibles.

De plus, nous pouvons décrire des solutions comme étant plus ou moins acides ou basiques que d’autres solutions. Les solutions deviennent plus acides lorsque leur concentration en ions hydrogène augmente et que leur concentration en ions hydroxyde diminue. Les solutions deviennent plus basiques lorsque leur concentration en ions hydroxyde augmente et que leur concentration en ions hydrogène diminue.

Exemple 4: Identifier la différence entre les acides forts et les acides faibles

Lequel des énoncés suivants décrit correctement la différence entre un acide fort et un acide faible?

  1. En solution aqueuse, un acide fort s’ionise partiellement, tandis qu’un acide faible s’ionise complètement.
  2. Un acide fort est plus concentré qu’un acide faible.
  3. En solution aqueuse, un acide fort contient moins d’ions qu’un acide faible.
  4. En solution aqueuse, un acide fort s’ionise complètement, tandis qu’un acide faible s’ionise partiellement.
  5. Un acide faible est plus concentré qu’un acide fort.

Réponse

Un acide fort est une substance qui s’ionise complètement en solution. Une flèche de réaction allant vers la droite () est utilisée pour indiquer que toutes les molécules d’acides s’ionisent. Un acide faible est une substance qui s’ionise seulement partiellement en solution. Une double flèche () est utilisée pour indiquer que seulement certaines molécules d’acides s’ionisent.

La concentration d’un acide n'a aucun lien avec sa force. L’affirmation qui décrit correctement la différence entre un acide fort et un acide faible est celle exprimée par le choix de réponse D.

Il existe un nombre limité d’acides forts et de bases fortes. Les sept acides forts et les huit bases fortes sont présentés dans les tableaux suivants:

Acides forts
Nom de l’acide (formule)Réaction d’ionisation
Acide chlorhydrique (HCl)HCl()+HO()HO()+Cl()aqlaqaq23+
Acide bromhydrique (HBr)HBr()+HO()HO()+Br()aqlaqaq23+
Acide iodhydrique (HI)HI()+HO()HO()+I()aqlaqaq23+
Acide nitrique (HNO3)HNO()+HO()HO()+NO()323+3aqlaqaq
Acide chlorique (HClO3)HClO()+HO()HO()+ClO()323+3aqlaqaq
Acide perchlorique (HClO4)HClO()+HO()HO()+ClO()423+4aqlaqaq
Acide sulfurique (HSO24)HSO()+HO()HO()+HSO()2423+4aqlaqaq
Bases fortes
Nom de la base (formule)Réaction d’ionisation
Hydroxyde de lithium (LiOH)LiOH()Li()+OH()saqaqH2O()l+
Hydroxyde de sodium (NaOH)NaOH()Na()+OH()saqaqH2O()l+
Hydroxyde de potassium (KOH)KOH()K()+OH()saqaqH2O()l+
Hydroxyde de rubidium (RbOH)RbOH()Rb()+OH()saqaqH2O()l+
Hydroxyde de césium (CsOH)CsOH()Cs()+OH()saqaqH2O()l+
Hydroxyde de calcium (Ca(OH)2)Ca(OH)()Ca()+2OH()22+saqaqH2O()l
Hydroxyde de strontium (Sr(OH)2)Sr(OH)()Sr()+2OH()22+saqaqH2O()l
Hydroxyde de baryum (Ba(OH)2)Ba(OH)()Ba()+2OH()22+saqaqH2O()l

La majorité des acides et des bases sont considérés comme étant faibles. Les tableaux suivants présentent quelques acides et bases faibles courants.

Acides faibles
Nom de l’acide (formule)Réaction d’ionisation
Acide fluorhydrique (HF)HF()+HO()HO()+F()aqlaqaq23+
Cyanure d’hydrogène (HCN)HCN()+HO()HO()+CN()aqlaqaq23+
Sulfure d’hydrogène (HS2)HS()+HO()HO()+HS()223+aqlaqaq
HS()+HO()HO()+S()23+2aqlaqaq
Acide carbonique (HCO23)HCO()+HO()HO()+HCO()2323+3aqlaqaq
HCO()+HO()HO()+CO()323+32aqlaqaq
Acide phosphorique (HPO34)HPO()+HO()HO()+HPO()3423+24aqlaqaq
HPO()+HO()HO()+HPO()2423+42aqlaqaq
HPO()+HO()HO()+PO()2423+43aqlaqaq
Acide acétique (CHCOOH3)CHCOOH()+HO()HO()+CHCOO()323+3aqlaqaq
Eau (HO2)HO()+HO()HO()+OH()223+llaqaq
Bases faibles
Nom de la base (formule)Réaction d’ionisation
Ammoniac (NH3)NH()+HO()NH()+OH()324+aqlaqaq
Triméthylamine ((CH)N)33(CH)N()+HO()(CH)NH()+OH()33233+aqlaqaq
Eau (HO2)HO()+HO()HO()+OH()223+llaqaq

Exemple 5: Identifier quelle solution représente une base faible

Laquelle des solutions suivantes représente un exemple de base faible?

  1. une solution à 2 mol/L de NH3
  2. une solution à 0,1 mol/L de NaOH
  3. une solution à 0,2 mol/L de Ba(OH)2
  4. une solution à 1 mol/L de LiOH
  5. une solution à 0,5 mol/L de KOH

Réponse

Les hydroxydes métalliques, tels que NaOH peuvent s’ioniser en cations métalliques et en ions hydroxyde lorsqu’ils sont dissouts dans l’eau. Les substances qui produisent des ions hydroxyde en solution sont considérées comme étant des bases selon la définition d’Arrhénius. L’ammoniac (NH3) a un doublet non liant d’électrons qui peut accepter un ion H+. Les substances pouvant agir comme accepteurs d'ions H+ sont considérées comme étant des bases selon la définition de Brønsted-Lowry. Par conséquent, tous les choix de réponse représentent des solutions basiques.

La concentration de chacune de ces solutions est différente. La concentration constitue une mesure de la quantité d'une substance dans un volume donné, mais elle n’indique pas la force d’une base. La force d'une base dépend de la capacité de cette substance à s’ioniser en solution. Les substances qui s’ionisent complètement en solution sont considérées comme étant fortes, tandis que celles qui s’ionisent seulement partiellement en solution sont considérées comme étant faibles.

Il existe huit bases fortes, qui sont toutes des hydroxydes de métaux alcalins ou des hydroxydes de métaux alcalino-terreux. Il s'agit de LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2 et Ba(OH)2. Ces huit composés s’ionisent complètement lorsqu’ils sont dissouts dans l’eau. Toutes les autres bases s’ionisent seulement partiellement lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau.

En examinant les choix de réponse, nous pouvons constater que les choix B à E mentionnent tous une base forte. Alors, le choix de réponse qui représente un exemple de base faible est A.

Les acides qui s’ionisent pour produire un seul ion H+ sont appelés monoprotiques, car ils produisent un seul proton. L’acide carbonique et l’acide phosphorique, qui ont été présentés dans le tableau des acides faibles, peuvent produire plus d’un ion H+ en solution. Les acides capables de produire deux protons distincts sont appelés diprotiques, alors que les acides capables de produire plus de deux protons sont appelés polyprotiques.

Les acides diprotiques et polyprotiques donnent un proton à la fois et le don du premier proton se produit plus facilement que celui du deuxième ou du troisième proton. Dans le cas de l’acide sulfurique, un acide fort, le premier proton est ionisé facilement et complètement à partir de la molécule:HSO()+HO()HO()+HSO()2423+4aqlaqaq

Cependant, le deuxième proton dans le produit HSO4 s’ionise seulement dans une faible proportion. Par conséquent, le HSO4 est un acide faible:HSO()+HO()HO()+SO()423+42aqlaqaq

Il existe plusieurs acides qui contiennent plus d’un atome d’hydrogène, mais ce ne sont pas tous les atomes d’hydrogène qui peuvent s’ioniser. L'acide acétique (CHCOOH3) contient quatre atomes d’hydrogène, mais seulement l’atome d’hydrogène lié à l’oxygène s’ionise lorsqu’il est dissout dans l’eau:

+H2OH3O+++H2OH3O++CHHHCOOHCHCHHOOCHCHHOOHCHCOOHH

L’eau est répertoriée à la fois comme étant un acide faible et une base faible. En observant une molécule d’eau, nous pouvons constater qu’elle peut perdre un proton pour se transformer en ion hydroxyde (OH):

Nous pouvons également constater que l’atome d’oxygène dans la molécule d’eau a un doublet non liant d'électrons qui peut accepter un proton. Cela transformerait la molécule d’eau en ion hydronium (HO3+):

Des molécules comme l’eau qui peuvent se comporter à la fois comme un acide ou une base sont appelées amphotères.

Définition : Amphotère

Les espèces amphotères peuvent se comporter comme un acide ou une base.

Si l’eau peut se comporter comme un acide ou une base, cela signifie qu’une molécule d’eau peut subir une réaction acido-basique avec une autre molécule d’eau. Au cours de cette réaction acido-basique, la molécule d’eau acide va perdre un proton, alors que la molécule d’eau basique va gagner un proton:

La réaction illustrée ci-dessus s'appelle l'autoprotolyse de l’eau.

Réaction : Autoprotolyse de l’eau

L’équation chimique de la réaction acido-basique équilibrée entre deux molécules d’eau est HO()+HO()HO()+OH()223+llaqaq

Cette réaction se produit dans tous les échantillons d’eau, mais comme l’eau est à la fois un acide faible et une base faible, seulement une fraction des molécules d’eau y participe. Malgré la présence de cette réaction acido-basique dans l’eau pure, il s'agit d'une solution neutre. En effet, une quantité égale d’ions hydronium et d’ions hydroxyde est produite.

Résumons maintenant ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Arrhénius a défini les acides comme étant des substances qui produisent des ions H+ ou qui augmentent la concentration en ions H+ lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau.
  • Arrhénius a défini les bases comme étant des substances qui produisent des ions OH ou qui augmentent la concentration en ions OH lorsqu’elles sont dissoutes dans l’eau.
  • Selon la théorie de Brønsted-Lowry, un acide est un donneur de proton (H+), alors qu'une base est un accepteur de proton.
  • Les acides forts et les bases fortes s’ionisent complètement en solution, tandis que les acides et les bases faibles s'ionisent seulement partiellement.
  • Les molécules d’eau peuvent se comporter à la fois comme un acide ou comme une base.
  • Deux molécules d’eau peuvent participer à une réaction acido-basique qui s'appelle l'autoprotolyse de l’eau:HO()+HO()HO()+OH()223+llaqaq

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