Base (chimie) - Base (chemistry)

Les savons sont des bases faibles formées par la réaction d' acides gras avec l'hydroxyde de sodium ou l'hydroxyde de potassium .

En chimie , il existe trois définitions courantes du mot base , appelées bases d'Arrhenius, bases de Brønsted et bases de Lewis. Toutes les définitions s'accordent pour dire que les bases sont des substances qui réagissent avec les acides comme proposé initialement par G.-F. Rouelle au milieu du XVIIIe siècle.

Svante Arrhenius a proposé en 1884 qu'une base est une substance qui se dissocie en solution aqueuse pour former des ions hydroxyde OH . Ces ions peuvent réagir avec les ions hydrogène (H + selon Arrhenius) issus de la dissociation des acides pour former de l'eau dans une réaction acide-base . Une base était donc un hydroxyde métallique tel que NaOH ou Ca(OH) 2 . De telles solutions aqueuses d'hydroxyde étaient également décrites par certaines propriétés caractéristiques. Ils sont glissants au toucher, peuvent avoir un goût amer et changer la couleur des indicateurs de pH (par exemple, faire virer au bleu le papier de tournesol rouge ).

Dans l'eau, en modifiant l' équilibre d' autoionisation , les bases donnent des solutions dans lesquelles l' activité des ions hydrogène est inférieure à celle de l'eau pure, c'est-à-dire que l'eau a un pH supérieur à 7,0 dans des conditions standard. Une base soluble est appelé alcalin si elle contient et libère OH - ions quantitativement . Les oxydes métalliques , les hydroxydes et en particulier les alcoxydes sont basiques et les bases conjuguées d' acides faibles sont des bases faibles.

Les bases et les acides sont considérés comme des opposés chimiques car l'effet d'un acide est d'augmenter la concentration en hydronium (H 3 O + ) dans l'eau, alors que les bases réduisent cette concentration. Une réaction entre des solutions aqueuses d'un acide et d'une base est appelée neutralisation , produisant une solution d'eau et un sel dans lequel le sel se sépare en ses ions composants. Si la solution aqueuse est saturée d'un soluté de sel donné , tout sel supplémentaire de ce type précipite hors de la solution.

Dans la théorie acide-base plus générale de Brønsted-Lowry (1923), une base est une substance qui peut accepter des cations hydrogène (H + ) - autrement connus sous le nom de protons . Cela inclut les hydroxydes aqueux puisque OH - réagit avec H + pour former de l'eau, de sorte que les bases d'Arrhenius sont un sous-ensemble des bases de Brønsted. Cependant, il existe également d'autres bases de Brønsted qui acceptent les protons, comme les solutions aqueuses d' ammoniac (NH 3 ) ou ses dérivés organiques ( amines ). Ces bases ne contiennent pas d'ion hydroxyde mais réagissent néanmoins avec l'eau, entraînant une augmentation de la concentration en ion hydroxyde. De plus, certains solvants non aqueux contiennent des bases de Brønsted qui réagissent avec les protons solvatés . Par exemple dans l' ammoniac liquide , NH 2 - est l'espèce ionique basique qui accepte les protons de NH 4 + , l'espèce acide dans ce solvant.

GN Lewis s'est rendu compte que l'eau, l'ammoniac et d'autres bases peuvent former une liaison avec un proton en raison de la paire d' électrons non partagée que possèdent les bases. Dans la théorie de Lewis , une base est un donneur de paires d'électrons qui peut partager une paire d'électrons avec un accepteur d'électrons décrit comme un acide de Lewis. La théorie de Lewis est plus générale que le modèle de Brønsted car l'acide de Lewis n'est pas nécessairement un proton, mais peut être une autre molécule (ou ion) avec une orbitale basse vacante qui peut accepter une paire d'électrons. Un exemple notable est le trifluorure de bore (BF 3 ).

D' autres définitions des bases et des acides ont été proposées dans le passé, mais ne sont pas couramment utilisées aujourd'hui.

Propriétés

Les propriétés générales des bases comprennent :

  • Les bases concentrées ou fortes sont caustiques sur la matière organique et réagissent violemment avec les substances acides.
  • Les solutions aqueuses ou les bases fondues se dissocient en ions et conduisent l'électricité.
  • Réactions avec les indicateurs : les bases virent au bleu papier tournesol rouge, au rose phénolphtaléine, gardent le bleu de bromothymol dans sa couleur naturelle de bleu, et virent au jaune orangé de méthyle.
  • Le pH d'une solution basique dans des conditions standard est supérieur à sept.
  • Les bases sont amères.

Réactions entre les bases et l'eau

La réaction suivante représente la réaction générale entre une base (B) et de l'eau pour produire un acide conjugué (BH + ) et une base conjuguée (OH ) :

B (aq) + H 2 O ( l ) ⇌ BH + (aq) + OH (aq)

La constante d'équilibre, K b , pour cette réaction peut être trouvée en utilisant l'équation générale suivante :

K b = [BH + ] [OH - ] / [B]

Dans cette équation, la base (B) et la base extrêmement forte (la base conjuguée OH ) sont en compétition pour le proton. En conséquence, les bases qui réagissent avec l'eau ont des valeurs constantes d'équilibre relativement faibles. La base est plus faible lorsqu'elle a une valeur constante d'équilibre inférieure.

Neutralisation des acides

Fumées d'ammoniac provenant d'hydroxyde d'ammonium aqueux (dans un tube à essai) réagissant avec de l'acide chlorhydrique (dans un bécher ) pour produire du chlorure d'ammonium (fumée blanche).

Les bases réagissent avec les acides pour se neutraliser à un rythme rapide à la fois dans l'eau et dans l'alcool. Lorsqu'il est dissous dans l'eau, l' hydroxyde de sodium à base forte s'ionise en hydroxyde et en ions sodium :

NaOH → Na+
+ OH

et de même, dans l'eau, le chlorure d'hydrogène acide forme des ions hydronium et chlorure :

HCl + H
2
O
H
3
O+
+ Cl

Lorsque les deux solutions sont mélangées, le H
3
O+
et OH
les ions se combinent pour former des molécules d'eau :

H
3
O+
+ OH
→ 2 heures
2
O

Si des quantités égales de NaOH et de HCl sont dissoutes, la base et l'acide se neutralisent exactement, ne laissant que NaCl, en fait du sel de table , en solution.

Des bases faibles, telles que le bicarbonate de soude ou le blanc d'œuf, doivent être utilisées pour neutraliser tout déversement d'acide. La neutralisation des déversements d'acide avec des bases fortes, telles que l'hydroxyde de sodium ou l'hydroxyde de potassium , peut provoquer une violente réaction exothermique, et la base elle-même peut causer autant de dommages que le déversement d'acide d'origine.

Alcalinité des non-hydroxydes

Les bases sont généralement des composés capables de neutraliser une quantité d'acides. Le carbonate de sodium et l' ammoniac sont tous deux des bases, bien qu'aucune de ces substances ne contienne de l' OH
groupes. Les deux composés acceptent H + lorsqu'ils sont dissous dans des solvants protiques tels que l'eau :

Na 2 CO 3 + H 2 O → 2 Na + + HCO 3 + OH
NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH

À partir de là, un pH , ou acidité, peut être calculé pour des solutions aqueuses de bases. Les bases agissent également directement comme donneurs de paires d'électrons :

CO 3 2− + H + → HCO 3
NH 3 + H + → NH 4 +

Une base est également définie comme une molécule qui a la capacité d'accepter une liaison de paire d'électrons en entrant dans la couche de valence d'un autre atome grâce à sa possession d'une paire d'électrons. Il existe un nombre limité d'éléments qui ont des atomes capables de fournir à une molécule des propriétés de base. Le carbone peut servir de base au même titre que l' azote et l' oxygène . Le fluor et parfois les gaz rares possèdent également cette capacité. Cela se produit généralement dans des composés tels que le butyllithium , les alcoxydes et les amides métalliques tels que l'amide de sodium . Les bases de carbone, d'azote et d'oxygène sans stabilisation par résonance sont généralement très fortes, ou superbases , qui ne peuvent pas exister dans une solution aqueuse en raison de l'acidité de l'eau. La stabilisation par résonance, cependant, permet des bases plus faibles telles que les carboxylates ; par exemple, l'acétate de sodium est une base faible .

Des bases solides

Une base forte est un composé chimique basique qui peut éliminer un proton (H + ) de (ou déprotoner ) une molécule d'un acide même très faible (comme l'eau) dans une réaction acide-base. Des exemples courants de bases fortes comprennent les hydroxydes de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux, comme NaOH et Ca(OH)
2
, respectivement. En raison de leur faible solubilité, certaines bases, telles que les hydroxydes alcalino-terreux, peuvent être utilisées lorsque le facteur de solubilité n'est pas pris en compte. Un avantage de cette faible solubilité est que "de nombreux antiacides étaient des suspensions d'hydroxydes métalliques tels que l'hydroxyde d'aluminium et l'hydroxyde de magnésium". Ces composés ont une faible solubilité et ont la capacité d'arrêter une augmentation de la concentration de l'ion hydroxyde, empêchant ainsi les dommages aux tissus de la bouche, de l'œsophage et de l'estomac. Au fur et à mesure que la réaction se poursuit et que les sels se dissolvent, l'acide gastrique réagit avec l'hydroxyde produit par les suspensions. Les bases fortes s'hydrolysent presque complètement dans l'eau, ce qui entraîne un effet de nivellement ." groupes C-H faiblement acides en l'absence d'eau Voici une liste de plusieurs bases fortes :

Hydroxyde de lithium LiOH
Hydroxyde de sodium NaOH
L'hydroxyde de potassium KOH
Hydroxyde de rubidium RbOH
Hydroxyde de césium CsOH
L'hydroxyde de magnésium Mg(OH)
2
Hydroxyde de calcium Ca(OH)
2
Hydroxyde de strontium Sr(OH)
2
Hydroxyde de baryum Ba(OH)
2
Hydroxyde de tétraméthylammonium N(CH
3
)
4
OH
Guanidine HNC(NH
2
)
2

Les cations de ces bases fortes apparaissent dans les premier et deuxième groupes du tableau périodique (métaux alcalins et alcalino-terreux). Les hydroxydes d'ammonium tétraalkylés sont également des bases fortes car ils se dissocient complètement dans l'eau. La guanidine est un cas particulier d'espèce exceptionnellement stable lorsqu'elle est protonée, de manière analogue à la raison pour laquelle l'acide perchlorique et l'acide sulfurique sont des acides très forts.

Les acides avec ap K un de plus d'environ 13 sont considérés comme très faibles, et leurs bases conjuguées sont solides bases.

Superbases

Les sels du groupe 1 de carbanions, d'amides et d'hydrures ont tendance à être des bases encore plus fortes en raison de l'extrême faiblesse de leurs acides conjugués, qui sont des hydrocarbures stables, des amines et du dihydrogène. Habituellement, ces bases sont créées en ajoutant des métaux alcalins purs tels que le sodium dans l'acide conjugué. On les appelle superbases , et il est impossible de les conserver en solution aqueuse car ce sont des bases plus fortes que l'ion hydroxyde. En tant que tels, ils déprotonent l'eau acide conjuguée. Par exemple, l'ion éthoxyde (la base conjuguée de l'éthanol) en présence d'eau subit cette réaction.

CH
3
CH
2
O
+ H
2
O
CH
3
CH
2
OH
+ OH

Des exemples de superbases courantes sont :

Les superbases les plus fortes n'ont été synthétisées qu'en phase gazeuse :

Bases faibles

Une base faible est une base qui ne s'ionise pas complètement dans une solution aqueuse , ou dans laquelle la protonation est incomplète. Par exemple, l' ammoniac transfère un proton à l'eau selon l'équation

La constante d'équilibre pour cette réaction à 25 °C est de 1,8 x 10 -5 , de sorte que l'étendue de la réaction ou le degré d'ionisation est assez faible.

Bases de Lewis

Une base de Lewis ou un donneur de paire d'électrons est une molécule avec une paire d'électrons à haute énergie qui peut être partagée avec une orbitale vacante à basse énergie dans une molécule acceptrice pour former un adduit . En plus de H + , les accepteurs possibles (acides de Lewis) comprennent des molécules neutres telles que BF 3 et des ions métalliques tels que Ag + ou Fe 3+ . Les adduits impliquant des ions métalliques sont généralement décrits comme des complexes de coordination .

Selon la formulation originale de Lewis , lorsqu'une base neutre forme une liaison avec un acide neutre, une condition de stress électrique se produit. L'acide et la base partagent la paire d'électrons qui n'appartenait autrefois qu'à la base. En conséquence, un moment dipolaire élevé est créé, qui ne peut être détruit qu'en réarrangeant les molécules.

Bases solides

Voici des exemples de bases solides :

  • Mélanges d'oxydes : SiO 2 , Al 2 O 3 ; MgO, SiO 2 ; CaO, SiO 2
  • Embases montées : LiCO 3 sur silice ; NR 3 , NH 3 , KNH 2 sur alumine ; NaOH, KOH monté sur silice sur alumine
  • Produits chimiques inorganiques : BaO, KNaCO 3 , BeO, MgO, CaO, KCN
  • Résines échangeuses d'anions
  • Charbon traité à 900 degrés Celsius ou activé avec N 2 O, NH 3 , ZnCl 2 -NH 4 Cl-CO 2

En fonction de la capacité d'une surface solide à former avec succès une base conjuguée en absorbant un acide électriquement neutre, la résistance basique de la surface est déterminée. "Le nombre de sites basiques par unité de surface du solide" est utilisé pour exprimer la quantité de base trouvée sur un catalyseur de base solide. Les scientifiques ont développé deux méthodes pour mesurer la quantité de sites basiques : le titrage avec de l'acide benzoïque à l'aide d'indicateurs et l'adsorption d'acide gazeux. Un solide avec une force basique suffisante absorbera un indicateur acide électriquement neutre et fera changer la couleur de l'indicateur acide en la couleur de sa base conjuguée. Lors de l'exécution de la méthode d'adsorption d'acide gazeux, de l'oxyde nitrique est utilisé. Les sites basiques sont ensuite déterminés en utilisant la quantité de dioxyde de carbone qui est absorbée.

Des bases comme catalyseurs

Les substances basiques peuvent être utilisées comme catalyseurs hétérogènes insolubles pour les réactions chimiques . Quelques exemples sont les oxydes métalliques tels que l'oxyde de magnésium , l'oxyde de calcium et l' oxyde de baryum ainsi que le fluorure de potassium sur l'alumine et certaines zéolites . De nombreux métaux de transition font de bons catalyseurs, dont beaucoup forment des substances basiques. Des catalyseurs basiques ont été utilisés pour des hydrogénations , la migration de doubles liaisons , dans la réduction de Meerwein-Ponndorf-Verley , la réaction de Michael et de nombreuses autres réactions. CaO et BaO peuvent être des catalyseurs hautement actifs s'ils sont traités avec de la chaleur à haute température.

Utilisations des socles

  • L'hydroxyde de sodium est utilisé dans la fabrication de savon, de papier et de rayonne en fibres synthétiques .
  • L'hydroxyde de calcium (chaux éteinte) est utilisé dans la fabrication de poudre de blanchiment.
  • L'hydroxyde de calcium est également utilisé pour nettoyer le dioxyde de soufre, qui est causé par les gaz d'échappement, que l'on trouve dans les centrales électriques et les usines.
  • L'hydroxyde de magnésium est utilisé comme « antiacide » pour neutraliser l'excès d'acide dans l'estomac et guérir l'indigestion.
  • Le carbonate de sodium est utilisé comme soude de lavage et pour adoucir l'eau dure.
  • Le bicarbonate de sodium (ou hydrogénocarbonate de sodium) est utilisé comme bicarbonate de soude dans la cuisson des aliments, pour la fabrication de poudres à pâte, comme antiacide pour soigner l'indigestion et dans les extincteurs à l'acide de soude.
  • L'hydroxyde d'ammonium est utilisé pour éliminer les taches de graisse sur les vêtements

Acidité des bases

Le nombre d' ions hydroxyde ionisables (OH-) présents dans une molécule de base s'appelle l'acidité des bases. Sur la base de l'acidité, les bases peuvent être classées en trois types : monoacide, diacide et triacide.

Bases monoacides

Lorsqu'une molécule d'une base par ionisation complète produit un ion hydroxyde , la base est dite une base monoacide. Des exemples de bases monoacides sont :

L' hydroxyde de sodium , l' hydroxyde de potassium , l' hydroxyde d'argent , l' hydroxyde d'ammonium , etc.

Bases diacides

Lorsqu'une molécule de base par ionisation complète produit deux ions hydroxyde , la base est dite diacide. Des exemples de bases diacides sont :

Hydroxyde de baryum , l' hydroxyde de magnésium , l' hydroxyde de calcium , de zinc hydroxyde , fer (II) de l' hydroxyde , de l' hydroxyde d' étain (II) , plomb (II) l' hydroxyde , l' hydroxyde de cuivre (II) , etc.

Bases triacides

Lorsqu'une molécule de base par ionisation complète produit trois ions hydroxyde , la base est dite triacide. Des exemples de bases triacides sont :

Hydroxyde d' aluminium , hydroxyde ferreux , or trihydroxyde ,

Étymologie du terme

Le concept de base découle d'une notion alchimique plus ancienne de « la matrice » :

Le terme "base" semble avoir été utilisé pour la première fois en 1717 par le chimiste français Louis Lémery , comme synonyme de l'ancien terme paracelsien "matrice". Conformément à l' animisme du XVIe siècle , Paracelse avait postulé que les sels naturels poussaient dans la terre à la suite d'un acide universel ou d'un principe séminal ayant imprégné une matrice terreuse ou un utérus. ... Sa signification moderne et son introduction générale dans le vocabulaire chimique sont cependant généralement attribuées au chimiste français Guillaume-François Rouelle . ... En 1754, Rouelle définissait explicitement un sel neutre comme le produit formé par l'union d'un acide avec toute substance, qu'il s'agisse d'un alcali hydrosoluble, d'un alcali volatil, d'une terre absorbante, d'un métal ou d'une huile, capable de servant de "base" au sel "en lui donnant une forme concrète ou solide". La plupart des acides connus au XVIIIe siècle étaient des liquides volatils ou « esprits » capables de distillation, tandis que les sels, par leur nature même, étaient des solides cristallins. C'est donc la substance qui neutralisait l'acide qui détruisait soi-disant la volatilité ou l'esprit de l'acide et qui conférait la propriété de solidité (c'est-à-dire, donnait une base concrète) au sel résultant.

—  William Jensen, L'origine du terme "base"

Voir également

Les références

  • Whitten, Kenneth W. ; Peck, Larry; Davis, Raymond E.; Lockwood, Lisa ; Stanley, George G. (2009). Chimie (9e éd.). ISBN 978-0-495-39163-0.
  • Zumdahl, Steven; DeCoste, Donald (2013). Principes chimiques (7e éd.). Mary Finch.