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L’acide formique, HCOOH, est un acide faible qui se trouve principalement dans les fourmis des bois. Si 0,02 mole de HCOOH est dissout dans un litre d’eau à 25 degrés Celsius, quelle est la concentration de H3O+ si le 𝐾 𝑎 de HCOOH est de 1,8 fois 10 puissance moins quatre ? Arrondissez votre réponse à une décimale près.
L’acide formique, également connu sous le nom d’acide méthanoïque, est un acide carboxylique contenant un atome de carbone. En dessinant la formule développée de l’acide formique, nous pouvons clairement voir le groupe fonctionnel acide carboxylique dans cette molécule. Il contient un atome de carbone doublement lié à un premier atome d’oxygène et lié par une simple liaison à un second atome d’oxygène, qui est lié à un atome d’hydrogène. En tant qu’acide faible, lorsque des molécules d’acide formique sont placées dans l’eau, certaines des molécules d’acide formique se dissocient en réagissant avec les molécules d’eau. Les molécules d’eau acceptent les protons des molécules d’acide formique et forment l’ion hydronium. Les ions hydronium, parfois appelés ions hydroxonium, ont la formule H3O+.
Dans chaque molécule d’acide formique, la liaison oxygène-hydrogène dans le groupe fonctionnel d’acide carboxylique s’est rompue. Une fois que le proton a été donné à la molécule d’eau, il reste un anion carboxylate. Puisque l’anion carboxylate est dérivé de l’acide formique dans ce cas, il s’appellerait l’ion formiate, parfois appelé l’ion méthanoate. À 25 degrés Celsius, cette réaction atteint finalement un équilibre pour lequel nous pouvons écrire la constante de dissociation de l’acide.
L’expression de la constante de dissociation acide, ou 𝐾 𝑎, pour cette réaction particulière serait écrite comme la concentration en ions H3O+ multipliée par la concentration en ions formiate divisée par la concentration en acide formique dans la solution. Les crochets placés autour de chaque espèce dans cette expression désignent des unités de concentration. La concentration d’eau n’est pas incluse dans cette expression car elle est très grande par rapport aux autres espèces du mélange.
À partir de l'équation représentant le processus de dissociation, nous pouvons voir qu'une molécule d'acide formique produit toujours un ion formiate et un ion hydronium. Par conséquent, à l'équilibre, la quantité d'ions formiate libérée est exactement égale à la quantité d'ions hydronium dans le mélange d'équilibre. Nous pouvons donc simplifier l’expression 𝐾 𝑎 de sorte qu’elle soit égale à la concentration en ions hydronium au carré divisée par la concentration de l’acide formique dans le mélange. La valeur de 𝐾 𝑎 pour l’acide formique est égale à 1,8 fois 10 puissance moins quatre. Cela équivaut à la concentration en ion hydronium au carré divisée par la concentration de l’acide formique.
Puisque nous avons affaire à un acide faible ici, le taux réel de dissociation qui se produit est très, très faible. Nous pouvons donc supposer que la concentration en acide formique dans cette expression sera équivalente à la concentration en acide formique avant toute dissociation. En fait, pour trouver cette concentration en acide formique dans notre problème, il suffit de prendre le nombre de moles d’acide formique prises au début et de le diviser par le volume d’eau dans lequel il a été placé en litres.
Puisque nous avons placé 0,02 mole d’acide formique dans un litre d’eau, la concentration en acide formique est de 0,02 divisée par un. Nous avons maintenant une expression 𝐾 𝑎 qui nous montre que 1,8 fois 10 puissance moins quatre est égal à la concentration en ion hydronium au carré divisée par 0,02. Si nous multiplions les deux côtés de l’expression par 0,02, nous pouvons obtenir la concentration en ion hydronium au carré. La concentration en ion hydronium au carré est donc égale à 1,8 fois 10 puissance moins quatre multiplié par 0,02. La concentration de l’ion hydronium au carré est égale à 3,6 fois 10 puissance moins six.
Pour trouver la concentration en ions hydronium pour répondre à cette question, nous devons trouver la racine carrée de 3,6 fois 10 puissance moins six. En utilisant une calculatrice, la valeur numérique pour cette opération de racine carrée est d’environ 1,8973 fois 10 puissance moins trois. Pour répondre à la question, nous devons arrondir notre réponse une décimale près. En arrondissant à une décimale, nous obtenons 1,9 fois 10 puissance moins trois comme concentration en ions hydronium dans cette solution. Puisque nous avons affaire à des moles et des litres pour le volume dans cette question, nos unités de concentration seront des moles par litre.
La bonne réponse à une décimale près pour la concentration en ions hydronium dans cette solution d'acide formique est de 1,9 fois 10 puissance moins trois moles par litre.
