Acides et bases : une approche particulaire

Certaines solutions aqueuses provoquent une sensation de brûlure sur une coupure, effervescent au contact d’un métal ou font changer la couleur d’un papier indicateur. Ces phénomènes résultent de modifications au niveau des particules dissoutes. En particulier, les acides et les bases modifient la concentration en ions hydronium et hydroxyde dans l’eau. Le pH étant une mesure logarithmique de la concentration en ions hydronium, l’acidité est, en fin de compte, une question de concentration en $[H_3O^+]$.

Il est souvent possible de relier une manifestation macroscopique à une cause au niveau particulaire.

• La couleur d’un indicateur change parce que ses molécules gagnent ou perdent un proton, modifiant ainsi leur répartition électronique et leur absorption de la lumière.
• La conductivité augmente en présence d’un plus grand nombre d’ions, car les ions en mouvement transportent la charge électrique à travers la solution.
• La réactivité avec certains métaux se produit lorsque des ions $H_3O^+$ sont disponibles pour être réduits en $H_2(g)$, tandis que les atomes de métal sont oxydés en ions métalliques.

Consigne de sécurité Le goût et le contact direct avec la peau ne constituent pas des méthodes valables pour identifier les acides ou les bases, car les solutions corrosives peuvent léser les tissus sans avertissement.

Transfert de proton dans l’eau

Dans le modèle de Brønsted-Lowry, un acide cède un proton $H^+$ et une base accepte un proton. Un transfert de proton ne consiste pas en un proton libre flottant longuement dans l’eau ; le proton est transféré d’une molécule à une autre et, dans l’eau, il est transporté sous forme d’ion hydronium, $H_3O^+$.

Une première approche particulaire utile consiste à considérer l’eau comme un participant actif. Lorsqu’une molécule d’acide $HA$ est introduite dans l’eau, une molécule d’eau peut accepter son proton pour former un ion $H_3O^+$ et la base conjuguée $A^-$. L’équation équilibrée au niveau particulaire est la suivante :

$$HA(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+A^-(aq)$$

Le bilan des atomes et des charges confirme la conservation.

• Atomes à gauche : $H$ : $1+2=3$, $A$ : 1, $O$ : 1
• Atomes à droite : $H$ : 3, $A$ : 1, $O$ : 1
• Charge à gauche : 0
• Charge à droite : $(+1)+(-1)=0$

De même, une base $B$ peut accepter un proton provenant de l’eau, produisant $BH^+$ et $OH^-$. L’idée fondamentale est que les acides et les bases se définissent par leur rôle dans le transfert de proton, et que l’eau est souvent la molécule qui reçoit ou fournit ce proton.

Visualisez le modèle particulaire du transfert de protons dans l’eau.

Trois définitions et leur importance

Différentes définitions mettent en évidence des aspects et des types de réactions différents. Un acide d’Arrhenius augmente la concentration en $[H_3O^+]$ dans l’eau, tandis qu’une base d’Arrhenius augmente celle en $[OH^-]$. Cette approche convient à de nombreux cas en milieu aqueux, comme $HCl(aq)$ et $NaOH(aq)$, mais elle ne permet pas de classer comme bases les substances qui ne contiennent pas d’ions $OH^-$.

La définition de Brønsted-Lowry est plus large car elle repose sur le transfert de protons, même en l’absence d’ions $OH^-$ dans la formule de la base. Par exemple, $NH_3$ est une base au sens de Brønsted-Lowry car elle accepte un proton provenant de l’eau.

Un acide de Lewis accepte un doublet d’électrons et une base de Lewis en cède un ; cette définition va donc au-delà du simple transfert de protons. Une molécule comme $BF_3$ est un acide de Lewis car le bore possède une orbitale vacante capable d’accueillir un doublet libre, bien que $BF_3$ ne contienne aucun atome d’hydrogène susceptible d’être cédé.

Découvrez comment certaines substances courantes correspondent à une définition mais pas à une autre.