Physique-Chimie Terminale Spécialité

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Préparation aux épreuves du Bac
1. Constitution et transformations de la matière
Ch. 1
Modélisation des transformations acide-base
Ch. 2
Analyse physique d'un système chimique
Ch. 3
Méthode de suivi d'un titrage
Ch. 4
Évolution temporelle d'une transformation chimique
Ch. 5
Évolution temporelle d'une transformation nucléaire
BAC
Thème 1
Ch. 6
Évolution spontanée d'un système chimique
Ch. 7
Équilibres acide-base
Ch. 8
Transformations chimiques forcées
Ch. 9
Structure et optimisation en chimie organique
Ch. 10
Stratégies de synthèse
BAC
Thème 1 bis
2. Mouvement et interactions
Ch. 11
Description d'un mouvement
Ch. 12
Mouvement dans un champ uniforme
Ch. 13
Mouvement dans un champ de gravitation
Ch. 14
Modélisation de l'écoulement d'un fluide
BAC
Thème 2
3. Conversions et transferts d'énergie
Ch. 15
Étude d’un système thermodynamique
Ch. 16
Bilans d'énergie thermique
BAC
Thème 3
4. Ondes et signaux
Ch. 17
Propagation des ondes
Ch. 18
Interférences et diffraction
Ch. 19
Lunette astronomique
Ch. 20
Effet photoélectrique et enjeux énergétiques
Ch. 21
Évolutions temporelles dans un circuit capacitif
BAC
Thème 4
Annexes
Ch. 22
Méthode
Chapitre 7
Cours

Équilibres acide-base

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1
Constante d'acidité

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A
Constante d'acidité

Un acide réagit avec l'eau selon la réaction d'équation :


Si cette réaction est totale, alors cet acide est dit fort. On utilise alors le symbole pour l'équation de la réaction. Si cette réaction est équilibrée, c'est un acide faible.

Un couple acide faible/base faible est caractérisé par sa constante d'acidité , correspondant à la réaction de l'acide avec l'eau et ne dépendant que de la température :



 : constante d'acidité
 : concentration en ion oxonium (mol⋅L-1)
 : concentration de la forme basique (mol⋅L-1)
 : concentration de la forme acide (mol⋅L-1)
 : concentration standard égale à mol⋅L-1
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Éviter les erreurs

  • Les concentrations sont toutes exprimées en (mol⋅L-1).
  • Les constantes et n'ont pas d'unité.
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Pas de malentendu

  • Lorsqu'une réaction est limitée, on dit qu'elle atteint un état d'équilibre. Attention, cet état d'équilibre est dynamique, c'est-à-dire que la réaction directe et la réaction inverse se produisent simultanément, à la même vitesse.
  • Raisonner sur la constante d'acidité ou sur le amène à la même conclusion. L'une se base sur des puissances de négatives tandis que l'autre est comprise entre et dans l'eau.
  • La dangerosité d'un acide n'est pas liée à sa force, mais à sa concentration en solution.
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Vocabulaire

Acide (ou base) faible

Acide (ou base) fort(e)


Acide (ou base) faible : acide (ou base) dont la réaction avec l'eau est équilibrée.

Acide (ou base) fort(e) : acide (ou base) qui réagit totalement avec l'eau.
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B
Échelle des

Le d'un couple acide-base est défini par :
ou

 Plus le du couple est grand (ou plus la constante d'acidité est petite), moins l'acide se dissocie dans l'eau.

En effet, plus est grand par rapport à , plus la constante est petite. Ainsi, plus le d'un acide est grand, plus cet acide est faible.
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C
Constante d'acidité de l'eau

L'eau appartient à deux couples acide-base :
  • donc ;
  • donc .

L'équation de réaction de l'eau avec elle-même, appelée autoprotolyse, s'écrit :



 La constante d'acidité liée à cette réaction, appelée produit ionique de l'eau et notée , est calculée à l'aide de la relation suivante :



Pour une température donnée, le produit ionique de l'eau a la même valeur pour toutes les solutions aqueuses. À °C, .
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Doc. 1
de quelques couples acide-base courants

pKA de quelques couples acide-base courants
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Crédits : lelivrescolaire.fr
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Supplément numérique

Retrouvez une sur la constante d'acidité.
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2
Diagramme de prédominance

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A
Cas général

  • Si , alors , donc .
  • Si , la base prédomine. Alors donc .
  • Si , l'acide prédomine. Alors donc .

  Ces informations se résument sur un diagramme appelé diagramme de prédominance :

Diagramme de prédominance
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Crédits : lelivrescoclaire.fr
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B
Cas des indicateurs colorés

Soit le couple acide-base d'un indicateur coloré.

  Une solution contenant un indicateur coloré aura la couleur de la forme prédominante.

Cas des indicateurs colorés
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Démonstration

Pour un couple , le s'écrit :


Par passage au logarithme, le vaut :


On peut donc écrire :


Soit

Alors,
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Éviter les erreurs

  • La forme basique d'un couple acide-base peut prédominer même si le de la solution aqueuse est acide, du moment qu'il est supérieur au du couple.
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Doc. 2
Chou rouge

Chou rouge
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Crédits : sciencephotos/Alamy
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C
Cas des acides -aminés

Le groupe carboxyle possède des propriétés acides et le groupe amine des propriétés basiques. Ainsi, un acide ‑aminé peut exister sous trois formes et son diagramme de prédominance sera :

Diagramme de prédominance de l'acide α-aminé
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 La forme possédant une charge positive et une charge négative est appelée zwitterion.
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Application
Une solution acide peut être titrée en réalisant un titrage pH-métrique ou un titrage colorimétrique avec un indicateur coloré.

Pour repérer l'équivalence d'un titrage colorimétrique, la zone de virage doit être située le plus au centre possible du saut de .

On considère le titrage d'une solution d'acide éthanoïque par une solution d'hydroxyde de sodium . Quelle serait l'allure de la courbe représentant l'évolution du en fonction du volume de soude versé ?

Corrigé
La courbe obtenue ressemble à celle du .

Le saut de fait passer le de à environ. Le meilleur indicateur coloré est donc celui dont la zone de virage correspond à peu près à ces valeurs : le rouge de phénol.
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Vocabulaire

Acide -aminé

Forme majoritaire

Forme prédominante

Indicateur coloré

Teinte sensible


Acide -aminé : molécule organique qui possède une fonction acide carboxylique et une fonction amine sur le même atome de carbone.

Forme majoritaire : forme d'un couple acide‑base dont la concentration est au moins dix fois supérieure à celle de l'autre forme.

Forme prédominante : forme d'un couple acide-base dont la proportion est supérieure à %.

Indicateur coloré : couple acide-base dont les formes acide et basique ont des couleurs différentes.

Teinte sensible : couleur due au mélange des couleurs des formes acide et basique d'un indicateur coloré.
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Pas de malentendu

Bien qu'il présente une zone positive et une zone négative, le zwitterion est neutre. Sous sa forme zwitterionique, l'acide aminé n'a ni perdu ni capté d'ion .

Zwitterion
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Crédits : lelivrescolaire.fr

Forme non ionisée (à gauche). Zwitterion (à droite).
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Données

  • Zones de virages d'indicateurs colorés de :
    rouge de méthyle
    rouge de phénol
    bleu de thymol
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Doc. 3
Titrage d'un vinaigre par

Titrage d'un vinaigre par HO-
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Crédits : lelivrescolaire.fr
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3
Solution tampon

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A
Définition

Une solution tampon contient un acide faible et sa base conjuguée en concentration de même ordre de grandeur.

Le d'une solution tampon est proche du du couple acide-base présent dans la solution.

  Une solution tampon est une solution dont le varie très peu lors d'un ajout modéré d'acide ou de base ou lors d'une dilution modérée.

Remarque : si une seule de ces propriétés est vérifiée, la solution est appelée pseudo-tampon.
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Doc. 4
Lac Gentau

Lac Gentau
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Crédits : Myrabella/Wikimedia

Les lacs sont des milieux tamponnés, leur varie peu pendant l'année.
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B
Utilisations

Les solutions tampons peuvent être utilisées pour étalonner un pH-mètre, pour séparer des espèces chimiques, dans les milieux biologiques, etc.

Dans les milieux biologiques, les processus biochimiques sont très sensibles aux variations de . La majorité des enzymes ne sont actives que pour un proche de . Dans le sang par exemple, le est régulé autour de par divers couples acide-base.

Exemple : étalonnage d'un pH-mètre

Pour étalonner un pH-mètre, il faut procéder par étapes en commençant par calibrer l'appareil pour une solution tampon de . Ensuite, il faut répéter cette opération avec une solution tampon de .

Cet étalonnage nécessite, pour améliorer la qualité des mesures, d'effectuer plusieurs fois le calibrage à égal à ou (car les réglages sont dépendants l'un de l'autre). Pour des mesures du milieu basique, on remplace la solution tampon du par une solution tampon à .
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Pas de malentendu

Une solution tampon se fabrique de plusieurs manières. Lors d'un titrage, une solution est tampon lorsque le volume de solution titrante est égal à .
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Doc. 5
Exemple de solutions tampons

Exemple de solutions tampons
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Crédits : lelivrescolaire.fr

Certaines solutions tampons sont colorées pour éviter les confusions lors de l'étalonnage du pH‑mètre.
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Supplément numérique

Découvrez le titrage d'un acide fort par une base forte en vidéo en .

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