Acide polyprotique

Définition

Un acide polyprotique est un acide pouvant perdre plusieurs protons par molécule. On les classe en acides diprotiques, qui libèrent 2 protons, et en acides triprotiques, qui en libèrent 3. Une analyse de courbes de titrage permet de mettre en évidence les acides et les bases polyprotiques.

Un acide polyprotique (triprotique) :

Un acide polyprotique comme l'acide phosphorique est du type triprotique car il peut perdre 3 protons.

Explications

Les acides polyprotiques sont une classe d'acides capables de libérer plusieurs protons par molécule lors de réactions acido-basiques. Leur opposé est un acide monoprotique qui ne libère (et ne peut pas plus) qu'un seul et unique proton. Les espèces polyprotiques impliquent le mouvement de 3 hydrogènes acides ou plus.

Quelques acides polyprotiques sont l'acide sulfurique (H₂SO₄), l'acide sulfureux (H₂SO₃), l'acide orthophosphorique (H₃PO₄) et l'acide carbonique (H₂CO₃). Ces acides présentent des étapes de dissociation distinctes, ce qui les rend particulièrement utiles dans diverses applications chimiques.

Dans les acides polyprotiques, l'élimination des hydrogènes acides implique des constantes d'ionisation acides distinctes : K1, K2 et K3. La forme entièrement protonée se comporte comme un acide monoprotique, tandis que la forme entièrement déprotonée agit comme une base. Les formes intermédiaires nécessitent des équations spécifiques pour calculer les concentrations en [H⁺], utilisant des constantes qui se complètent, telles que Ka et Kb.

✅ Les acides sont classés selon le nombre de protons par molécule qu'ils peuvent céder lors d'une réaction. Les acides tels que HCl, HNO₃ et HCN, qui contiennent un atome d'hydrogène ionisable par molécule, sont appelés acides monoprotiques.

En détails

Les acides diprotiques contiennent deux atomes d'hydrogène ionisables par molécule, et leur ionisation se déroule en deux étapes. La première ionisation tend à être plus fréquente que la seconde. Par exemple, l'acide sulfurique, un acide diprotique fort, subit la séquence d'ionisation suivante :

1^ère ionisation : H₂SO₄ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + HSO₄^- (aq) (Ka₁ = supérieur à 10²; dissociation complète)
2^nde ionisation : HSO₄^- (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + SO₄^2- (aq) (Ka₂ = 1,2 × 10^-2)

Ce mode d'ionisation par étapes est caractéristique de tous les acides polyprotiques. L'acide carbonique (H₂CO₃) est un exemple d'acide diprotique faible. Lors de sa première étape d'ionisation, des ions hydronium (H₃O⁺) et des ions bicarbonate (HCO₃^-) sont produits en quantités relativement faibles.

1^ère ionisation : H₂CO₃ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + HCO₃^- (aq)

L'ion bicarbonate lui-même peut également fonctionner comme un acide. Lors de sa seconde ionisation, il génère des ions hydronium et des ions carbonate (CO₃^2-), bien qu'en quantités encore plus faibles que lors de la première réaction.

2^nde ionisation : HCO₃^- (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + CO₃^2- (aq)

Pour les acides diprotiques faibles, si la première constante d'ionisation est au moins 20 fois supérieure à la seconde, la première ionisation peut être traitée séparément lors du calcul des concentrations. Cela implique de déterminer les espèces impliquées dans l'ionisation initiale avant de traiter celles formées lors des étapes suivantes. Cette approche est illustrée par des exemples pratiques.

Les acides triprotiques, qui possèdent trois atomes d'hydrogène ionisables, suivent un schéma similaire de dissociation par étapes. L'acide phosphorique (H₃PO₄) en est un parfait exemple. Comme pour les acides diprotiques, leurs ionisations successives se produisent avec une ampleur décroissante, ce qui se traduit par des constantes d'ionisation acides progressivement plus faibles. Cette tendance, caractéristique des acides polyprotiques, montre généralement des différences entre les constantes d'ionisation séquentielles de l'ordre de 10⁵ à 10⁶.

1^ère ionisation : H₃PO₄ (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + H₂PO₄^- (aq) (Ka₁ = 7,5 × 10^-3)
2^ème ionisation : H₂PO₄^- (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + HPO₄^2- (aq) (Ka₂ = 6,2 × 10^-8)
3^ème ionisation : HPO₄^2- (aq) + H₂O (l) ⇌ H₃O⁺ (aq) + PO₄^3- (aq) (Ka₃ = 4,2 × 10^-13)

Bien que la présence de trois réactions de dissociation puisse sembler compliquer les calculs d'équilibre dans une solution de H₃PO₄, les différences significatives entre les constantes d'ionisation successives simplifient l'analyse. Ces différences entraînent des variations minimes de concentration à chaque étape, ce qui permet l'application de méthodes et d'hypothèses mathématiques simplifiées.

Bases polyprotiques

Les bases polyprotiques, comme les acides polyprotiques, peuvent subir plusieurs étapes de transfert de protons. Un exemple notable est l'ion carbonate (CO₃^2-), qui agit comme une base diprotique en acceptant deux protons :

Comme pour les acides polyprotiques, les constantes d'acceptation de protons des bases diminuent à chaque étape. Ainsi, les calculs d'équilibre pour les bases polyprotiques utilisent des approches analogues à celles employées pour les acides polyprotiques.

En rapport avec "acide polyprotique"

• acide diprotique

  

  Un acide diprotique est un acide polyprotique pouvant céder deux protons à d'autres atomes.

• acide phosphorique

  

  L'acide phosphorique est le principal acide oxygène du phosphore et l'un des acides inorganiques les plus importants.

• H3O+

  

  H3O+, ou écrit scientifiquement H₃O⁺, est l'ion hydronium, une forme solvatée que prend spontanément l'ion hydrogène, avec un proton H⁺ dans l'eau H₂O.

• titrage

  

  Le titrage ou la titrimétrie est une méthode d'analyse chimique quantitative en laboratoire utilisée pour déterminer la concentration inconnue d'un réactif...