Solutions d'hydroxyde de sodium et d'acide chlorhydrique

La soude apporte des ions hydroxyde \(\ce{HO-}\), l'acide chlorhydrique des ions oxonium \(\ce{H3O+}\) ; quand on les mélange, ils se « neutralisent » deux à deux pour donner de l'eau, et on peut s'en servir pour mesurer une concentration inconnue.

Objectifs

Préparer une solution d'hydroxyde de sodium et calculer sa concentration molaire.
Connaître la formule des ions de chaque solution et savoir les identifier par des tests.
Écrire l'équation de la réaction entre les ions \(\ce{H3O+}\) et \(\ce{HO-}\).
Exploiter un dosage : à l'équivalence, \(C_a V_a = C_b V_b\).
Respecter les règles de sécurité avec ces produits corrosifs.

1. La solution d'hydroxyde de sodium

Notions clés

L'hydroxyde de sodium \(\ce{NaOH}\) est un solide blanc (pastilles). Il se dissout très bien dans l'eau, en dégageant de la chaleur (dissolution exothermique) :

\[ \ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + HO-(aq)} \]

La solution obtenue, appelée soude, contient des ions sodium \(\ce{Na+}\) et des ions hydroxyde \(\ce{HO-}\). Elle est basique : son pH est supérieur à 7.

Concentration molaire : \[ C = \frac{n}{V} \qquad \text{avec} \qquad n = \frac{m}{M}, \qquad M(\ce{NaOH}) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ g/mol}. \]

Exemple résolu : préparer une solution

Moussa veut préparer \(V = 250\) mL de soude de concentration \(C = 0{,}20\) mol/L. Quelle masse de pastilles doit-il peser ?

On convertit le volume : \(V = 250 \text{ mL} = 0{,}250 \text{ L}\).

Quantité de matière nécessaire : \[ n = C \times V = 0{,}20 \times 0{,}250 = 0{,}050 \text{ mol}. \]

Masse à peser : \[ m = n \times M = 0{,}050 \times 40 = 2{,}0 \text{ g}. \]

Il dissout \(2{,}0\) g de pastilles dans un peu d'eau distillée, verse dans une fiole jaugée de \(250\) mL, puis complète jusqu'au trait de jauge.

Quels ions contient une solution d'hydroxyde de sodium ?

\(\ce{H3O+}\) et \(\ce{Cl-}\)
\(\ce{Na+}\) et \(\ce{HO-}\)
\(\ce{Na+}\) et \(\ce{Cl-}\)

La dissolution de \(\ce{NaOH}\) libère des ions sodium \(\ce{Na+}\) et des ions hydroxyde \(\ce{HO-}\), responsables du caractère basique.

2. La solution d'acide chlorhydrique

Notions clés

Le chlorure d'hydrogène \(\ce{HCl}\) est un gaz très soluble dans l'eau. En se dissolvant, il réagit avec l'eau :

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

La solution obtenue, l'acide chlorhydrique, contient des ions oxonium \(\ce{H3O+}\) et des ions chlorure \(\ce{Cl-}\). Elle est acide : son pH est inférieur à 7.

Identifier les ions

flowchart LR
  A[Solution inconnue] --> B[Quelques gouttes de BBT]
  B -->|Jaune| C[Milieu acide ions oxonium]
  B -->|Bleu| D[Milieu basique ions hydroxyde]
  A --> E[Ajout de nitrate argent]
  E -->|Précipité blanc qui noircit à la lumière| F[Ions chlorure]
  A --> G[Test de flamme]
  G -->|Flamme jaune| H[Ions sodium]

Bleu de bromothymol (BBT) : jaune en milieu acide, vert vers la neutralité, bleu en milieu basique.
Phénolphtaléine : incolore en milieu acide ou neutre, rose en milieu nettement basique.
Ions chlorure : avec le nitrate d'argent, précipité blanc de chlorure d'argent \(\ce{AgCl}\), qui noircit à la lumière : \(\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}\).
Ions sodium : ils colorent une flamme en jaune.

On ajoute du nitrate d'argent à une solution et un précipité blanc apparaît, qui noircit à la lumière. Quel ion a-t-on mis en évidence ?

\(\ce{H3O+}\)
\(\ce{Na+}\)
\(\ce{Cl-}\)

Les ions argent \(\ce{Ag+}\) forment avec les ions chlorure un précipité blanc de chlorure d'argent, qui noircit à la lumière.

3. La réaction entre l'acide chlorhydrique et la soude

Notions clés

Quand on mélange les deux solutions, les ions oxonium et hydroxyde réagissent pour former de l'eau. La réaction est rapide, totale et dégage de la chaleur :

\[ \ce{H3O+(aq) + HO-(aq) -> 2H2O(l)} \]

Les ions \(\ce{Na+}\) et \(\ce{Cl-}\) ne participent pas : ce sont des ions spectateurs. Si on fait évaporer l'eau d'un mélange où l'acide et la base ont été apportés en mêmes quantités, il reste du chlorure de sodium \(\ce{NaCl}\), le sel de cuisine.

Fais varier la quantité d'acide initiale \(a\) (en mmol) et la concentration \(c\) de la soude (en mol/L, soit des mmol par mL). En abscisse : le volume de soude versé en mL. Une courbe montre les ions \(\ce{H3O+}\) qui restent, l'autre les ions \(\ce{HO-}\) en excès. Elles se touchent en zéro à l'équivalence.

Le dosage (titrage)

Pour connaître la concentration \(C_a\) d'un acide chlorhydrique, on en place un volume \(V_a\) connu dans un bécher avec quelques gouttes de BBT, et on verse la soude de concentration \(C_b\) connue à la burette, goutte à goutte, jusqu'au virage du jaune au vert.

Légende le montage du dosage :

Exemple résolu : doser un acide

Dans un bécher, Nadia place \(V_a = 20{,}0\) mL d'acide chlorhydrique de concentration inconnue et quelques gouttes de BBT. Elle verse une soude de concentration \(C_b = 0{,}10\) mol/L. Le BBT vire au vert pour \(V_{bE} = 16{,}0\) mL. Cherche \(C_a\) avant de dérouler la correction.

Le virage au vert indique l'équivalence : les ions \(\ce{H3O+}\) et \(\ce{HO-}\) ont été apportés en mêmes quantités.

Relation à l'équivalence : \(C_a V_a = C_b V_{bE}\), donc \[ C_a = \frac{C_b V_{bE}}{V_a}. \]

Les volumes sont dans la même unité (mL), inutile de les convertir : \[ C_a = \frac{0{,}10 \times 16{,}0}{20{,}0} = 0{,}080 \text{ mol/L}. \]

Vérification de bon sens : il a fallu moins de soude (16 mL) que le volume d'acide (20 mL), donc l'acide est moins concentré que la soude : \(0{,}080 < 0{,}10\). Cohérent.

À toi de jouer

Dans l'exemple précédent, on fait évaporer le mélange obtenu à l'équivalence. Quelle masse de chlorure de sodium obtient-on ? Données : \(M(\ce{NaCl}) = 58{,}5\) g/mol.

Voir la solution

À l'équivalence, la quantité d'ions \(\ce{Na+}\) apportés (égale à celle des \(\ce{HO-}\)) vaut \[ n = C_b V_{bE} = 0{,}10 \times 0{,}0160 = 1{,}6 \times 10^{-3} \text{ mol}, \] et il y a autant d'ions \(\ce{Cl-}\). On obtient donc \(1{,}6 \times 10^{-3}\) mol de \(\ce{NaCl}\) :

\[ m = n \times M = 1{,}6 \times 10^{-3} \times 58{,}5 \approx 0{,}094 \text{ g}. \]

On mélange \(10\) mL d'acide chlorhydrique à \(0{,}10\) mol/L et \(10\) mL de soude à \(0{,}10\) mol/L, avec du BBT. Quelle couleur observe-t-on ?

Vert
Jaune
Bleu

On apporte \(1{,}0\) mmol de \(\ce{H3O+}\) et \(1{,}0\) mmol de \(\ce{HO-}\) : c'est exactement l'équivalence, le mélange est neutre et le BBT est vert.

Erreurs fréquentes

Oublier les charges des ions : on écrit \(\ce{HO-}\) et \(\ce{H3O+}\), jamais « HO » ou « H3O ».
Oublier de convertir les mL en L dans \(n = C \times V\) (sauf dans \(C_a V_a = C_b V_b\) où l'unité est la même des deux côtés).
Croire que \(\ce{Na+}\) et \(\ce{Cl-}\) réagissent : ce sont des ions spectateurs.
Confondre égalité des volumes et égalité des quantités de matière à l'équivalence.
Verser l'eau dans l'acide concentré : projections dangereuses.

Récapitulatif

Soude : \(\ce{Na+ + HO-}\), basique (pH supérieur à 7), BBT bleu.
Acide chlorhydrique : \(\ce{H3O+ + Cl-}\), acide (pH inférieur à 7), BBT jaune.
Réaction : \(\ce{H3O+ + HO- -> 2H2O}\), rapide, totale, exothermique.
Équivalence : \(C_a V_a = C_b V_{bE}\), BBT vert.

Ion hydroxyde

HO⁻ : responsable du caractère basique, BBT bleu.

Ion oxonium

H₃O⁺ : responsable du caractère acide, BBT jaune.

Test des ions chlorure

Nitrate d'argent : précipité blanc AgCl qui noircit à la lumière.

Ions spectateurs

Na⁺ et Cl⁻ : présents mais ne réagissent pas.

Équivalence

Ca × Va = Cb × VbE : autant de HO⁻ versés que de H₃O⁺ au départ.