5.6 : Effet nivelant et solutions acido-basiques non aqueuses

Cette leçon définit l'effet nivelant dans les solutions acides et basiques et son rôle dans les solutions aqueuses et non aqueuses. Il est essentiel de comprendre la nature concurrente des différentes espèces dans un système chimique.

L'effet nivelant d'un solvant

Un acide générique (HA) réagit avec la base générique (B^-) pour produire la base conjuguée correspondante (A^-) et l'acide conjugué (HB):

Figure 1: Une réaction acide-base générique

Cependant, si la réaction a lieu dans un solvant (HX), le solvant peut également participer à la réaction, en fonction de La puissance de son acide ou base conjugué correspondant. Cela conduit à deux situations.

Pour le premier type, supposons que l'acide générique (HA) dans une réaction soit un acide plus faible que le solvant (HX). Dans un tel cas, B− déprotonera le solvant pour produire la base conjuguée du solvant (X-), conduisant à une consommation totale de B^- et à son indisponibilité pour interagir avec le réactif (HA):

Figure 2:Réaction illustrant l'effet de nivellement d'un solvant sur une base générique

Ce phénomène est appelé l'effet nivelant de la base par un solvant.

Alternativement, supposons que la base générique (B-) dans une réaction soit une base plus faible que le solvant (HX). Dans un tel cas, HA protonera le solvant pour produire la base conjuguée du solvant (H2X), conduisant à une consommation totale de HA et à son indisponibilité pour interagir avec le réactif (B-):

Figure 3:Réaction illustrant l'effet de nivellement d'un solvant sur un acide générique

Ce phénomène est appelé l'effet nivelant de l'acide par un solvant.

L'effet nivelant de l'eau sur une base forte

Pour visualiser l'effet nivelant du solvant sur les bases fortes, considérez une solution aqueuse d'acétylène réagissant avec de l'amide de sodium. Dans cet exemple, l'acétylène (pK_a=25) est un acide plus faible que le solvant, l'eau (pK_a=15.7), comme le montre la relation inverse entre l'acidité et la valeur de pK_a. Par conséquent, comme indiqué dans la Figure 4, l'ion amide déprotonera l'eau au lieu de l'acétylène, démontrant l'effet nivelant de l'eau sur les bases fortes.

Figure 4:Exemple d'effet de nivellement dans une réaction entre l'acétylène, l'amide de sodium et l'eau

Étant donné que les ions hydroxyde sont plus stables dans cette réaction, l'équilibre favorise la formation des ions hydroxyde qui remplacent les ions amide dans la solution. Cependant, les ions hydroxyde ne sont pas assez basiques pour déprotoner l'acétylène, le laissant intact dans le solvant. Par conséquent, pour déprotoner l'acétylène en utilisant l'amide, le choix du solvant joue un rôle clé. Il est nécessaire d'utiliser un solvant comme l'ammoniac avec un pK_a de 38 qui est supérieur au pK_a de l'acétylène (25). Cela rend l'acétylène l'acide plus fort pour garantir que le solvant ne soit pas déprotoné.

L'effet nivelant de l'eau sur un acide fort

De même, pour comprendre l'effet nivelant du solvant sur les acides forts, considérez une solution aqueuse d'acide perchlorique interagissant avec la morpholine. Dans cet exemple, la morpholine (pK_a=8.36) est une base plus faible que le solvant qui est l'eau (pK_a=15.7), comme le montre la relation directe entre la basicité et la valeur de pK_a. Par conséquent, comme indiqué dans la Figure 5, l'acide perchlorique protonera l'eau au lieu de la morpholine, démontrant l'effet nivelant de l'eau sur les acides forts.

Figure 5:Exemple d'effet de nivellement dans une réaction entre l'acide perchlorique, la morpholine et l'eau

Étant donné que les ions hydronium sont plus stables dans cette réaction, l'équilibre favorise la formation des ions hydronium qui remplacent les ions perchlorate de la solution. Cependant, les ions hydronium ne sont pas assez acides pour protoner la morpholine, la laissant intacte dans le solvant. Par conséquent, pour protoner la morpholine en utilisant l'acide perchlorique, le choix du solvant joue un rôle clé. Il est nécessaire d'utiliser un solvant comme l'acide benzoïque avec un pK_a de 4.2 qui est inférieur au pK_a de la morpholine (8.36). Cela rend la morpholine la base plus forte pour garantir que le solvant ne soit pas protoné.

En résumé, le choix du solvant doit satisfaire des conditions clés - il ne doit pas être déprotoné par la base plus forte ou protoné par l'acide plus fort avant d'interagir avec l'autre réactif. Typiquement, l'eau est le solvant utilisé dans la plupart des réactions, appliquant un effet nivelant sur les acides forts et les bases fortes. Par conséquent, les réactions utilisant des acides plus forts que H₃O⁺ et des bases plus fortes que OH^- ne peuvent pas être utilisées dans l'eau.