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Physique-Chimie · 2ème Année Bac — SVT

Transformations liées à des réactions acido-basiques en solution aqueuse

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

1. Définition de Brønsted

  • Un acide est une espèce capable de céder un proton $H^+$.
  • Une base est une espèce capable de capter un proton $H^+$.
  • Un couple acide/base est noté $AH / A^-$. La réaction est : $AH \rightleftharpoons A^- + H^+$.

2. Espèce amphotère Une espèce est amphotère si elle peut se comporter soit comme un acide, soit comme une base (exemple : l'eau $H_2O$).

3. Le pH et l'autoprotolyse de l'eau L'eau subit une réaction : $2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-$.

  • Le produit ionique de l'eau : $K_e = [H_3O^+][OH^-]$. À 25°C, $K_e = 10^{-14}$.
  • Le pH est défini par : $pH = -\log[H_3O^+]$ et $[H_3O^+] = 10^{-pH}$.

4. Acides et bases forts vs faibles

  • Acide fort : Réaction totale avec l'eau. $[H_3O^+] = C$. Donc $pH = -\log(C)$.
  • Base forte : Réaction totale avec l'eau. $[OH^-] = C$. Donc $pH = 14 + \log(C)$.
  • Acide faible : Réaction limitée (équilibre). On utilise la constante d'acidité $K_a$ : $$K_a = \frac{[A^-]{eq}[H_3O^+]{eq}}{[AH]_{eq}}$$ On définit $pK_a = -\log(K_a)$.
  • Base faible : Réaction limitée. On utilise $K_b = \frac{[AH]{eq}[OH^-]{eq}}{[A^-]_{eq}}$ avec $K_a \cdot K_b = K_e$.

5. Solution tampon C'est un mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée en proportions voisines. Son pH varie très peu lors de l'ajout de petites quantités d'acide ou de base, ou lors de la dilution. $$pH = pK_a + \log\frac{[Base]}{[Acide]}$$

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer le pH : Identifier si l'acide/base est fort ou faible avant d'appliquer la formule.
  2. Utiliser le $K_a$ : Passer de $K_a$ à $pK_a$ et inversement.
  3. Calculer le pH d'une solution tampon : Utiliser la relation $pH = pK_a + \log\frac{[Base]}{[Acide]}$.
  4. Déterminer le sens d'une réaction : Comparer les $pK_a$ des couples en présence.

Exemples corrigés

Exemple 1 : Calculer le pH d'une solution d'acide chlorhydrique ($HCl$) de concentration $C = 10^{-2} \text{ mol/L}$. Solution :

  1. $HCl$ est un acide fort.
  2. Formule : $pH = -\log(C)$.
  3. $pH = -\log(10^{-2}) = 2$.

Exemple 2 : Soit un couple $AH/A^-$ avec $pK_a = 4,8$. On mélange $0,1 \text{ mol}$ de $AH$ et $0,1 \text{ mol}$ de $A^-$. Quel est le pH ? Solution :

  1. C'est une solution tampon car $[Base] = [Acide]$.
  2. Formule : $pH = pK_a + \log\frac{0,1}{0,1} = pK_a + \log(1)$.
  3. Comme $\log(1) = 0$, alors $pH = pK_a = 4,8$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre la formule de l'acide fort ($pH = -\log C$) et de l'acide faible ($pH = \frac{1}{2}(pK_a - \log C)$).
  • Oublier que le $K_e$ dépend de la température.
  • Utiliser $[H_3O^+]$ au lieu de $[OH^-]$ dans les calculs de bases.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Transformations liées à des réactions acido-basiques en solution aqueuse

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Quelle est la relation correcte pour le pH d'un acide fort ?

❓ Questions fréquentes

Chno hiya l-farq bin acide fort ou faible?

La différence principale est le degré de dissociation (réaction) dans l'eau :

  1. Un acide fort réagit totalement avec l'eau ($AH + H_2O \rightarrow A^- + H_3O^+$). Toute la concentration initiale est transformée en ions $H_3O^+$.
  2. Un acide faible réagit partiellement ($AH + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+$). Il existe un équilibre entre la forme non dissociée et la forme dissociée.

💡 À retenir : Fort = Réaction totale ; Faible = Réaction limitée (équilibre).

Kifach n7seb pH dyal solution tampon?

Pour calculer le pH d'une solution tampon, on utilise la relation de Henderson-Hasselbalch :

  1. Identifier les concentrations de l'acide faible $[AH]$ et de sa base conjuguée $[A^-]$.
  2. Appliquer la formule : $pH = pK_a + \log\frac{[Base]}{[Acide]}$.
  3. Remplacer les valeurs et calculer.

💡 À retenir : $pH = pK_a + \log\frac{[A^-]}{[AH]}$.

Chno howa l-amphotère?

Une espèce amphotère est une espèce chimique qui peut se comporter de deux manières :

  1. Comme un acide (en cédant un proton $H^+$).
  2. Comme une base (en captant un proton $H^+$). L'exemple le plus classique est l'eau $H_2O$ qui peut devenir $OH^-$ (acide) ou $H_3O^+$ (base).

💡 À retenir : Amphotère = peut être acide OU base.

Quelle est la relation entre Ka et Kb pour un couple acide/base ?

Pour un couple acide/base donné, le produit de la constante d'acidité ($K_a$) et de la constante de basicité ($K_b$) est toujours égal au produit ionique de l'eau ($K_e$) : $$K_a \cdot K_b = K_e$$ À 25°C, cela revient à dire : $pK_a + pK_b = 14$.

💡 À retenir : $K_a \cdot K_b = K_e$.

Si on dilue un acide fort, comment évolue son pH ?
  1. La concentration $[H_3O^+]$ diminue car $[H_3O^+] = C$.
  2. Comme $pH = -\log[H_3O^+]$, si la concentration diminue, le pH augmente.
  3. Le pH se rapproche de 7 (neutralité).

💡 À retenir : Dilution d'un acide $\rightarrow$ $C \downarrow \rightarrow pH \uparrow$.

Comment déterminer si une réaction est acide-base à partir de deux couples ?
  1. On compare les $pK_a$ des deux couples en présence.
  2. La réaction se fait toujours du couple ayant le $pK_a$ le plus élevé vers celui ayant le $pK_a$ le plus faible.
  3. L'acide le plus fort (petit $pK_a$) réagit avec la base la plus forte (petit $pK_b$).

💡 À retenir : La réaction va du $pK_a$ le plus grand vers le $pK_a$ le plus petit.

Pourquoi le pH d'une solution tampon est-il stable ?

La solution tampon contient à la fois un acide et sa base conjuguée :

  1. Si on ajoute un peu d'acide ($H^+$), la base présente dans la solution réagit pour le neutraliser.
  2. Si on ajoute un peu de base ($OH^-$), l'acide présent dans la solution réagit pour le neutraliser. Cela maintient les rapports de concentration presque constants.

💡 À retenir : Présence simultanée de l'acide et de la base pour "éponger" les variations.

Quelle est la valeur de Ke à 25°C ?

À 25°C, le produit ionique de l'eau est : $$K_e = [H_3O^+][OH^-] = 10^{-14}$$ Cela implique que $pH + pOH = 14$.

💡 À retenir : $K_e = 10^{-14}$ à 25°C.

Peut-on avoir un pH supérieur à 14 ou inférieur à 0 ?

Théoriquement, avec des concentrations extrêmement élevées (très concentrées), le pH peut dépasser 14 ou descendre sous 0. Cependant, dans les exercices de lycée et les conditions standards, le pH est compris entre 0 et 14.

💡 À retenir : Possible en théorie, mais rare en pratique scolaire.

Quelle est la différence entre [H3O^+] et pH ?
  • $[H_3O^+]$ est la concentration molaire des ions hydronium (en $\text{mol/L}$).
  • $pH$ est une échelle logarithmique sans unité qui permet de mesurer l'acidité. La relation est : $pH = -\log[H_3O^+]$.

💡 À retenir : $[H_3O^+]$ est une concentration, $pH$ est un indice.

Comment calculer le pKa si on connaît Ka ?

On utilise la définition logarithmique : $$pK_a = -\log(K_a)$$ Exemple : Si $K_a = 10^{-5}$, alors $pK_a = -\log(10^{-5}) = 5$.

💡 À retenir : $pK_a = -\log(K_a)$.

Si une solution a un pH = 7, est-elle acide ou basique ?

À 25°C, une solution avec $pH = 7$ est dite neutre.

  • $pH < 7$ : Acide.
  • $pH > 7$ : Basique.

💡 À retenir : $pH = 7$ est le point neutre.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Exercice 1 (Niveau Facile) : On considère une solution d'acide nitrique $HNO_3$ de concentration $C = 0,05 \text{ mol/L}$. L'acide nitrique est un acide fort.

  1. Calculer la concentration en ions $[H_3O^+]$.
  2. Calculer le pH de la solution.

Exercice 2 (Niveau Moyen) : Soit l'acide éthanoïque $CH_3COOH$ de concentration $C = 0,1 \text{ mol/L}$. On donne $pK_a(CH_3COOH/CH_3COO^-) = 4,76$.

  1. Calculer le pH de cette solution (on suppose que l'acide est faible).
  2. Calculer le taux d'avancement final $\tau$ de la réaction de dissociation de l'acide dans l'eau.

Exercice 3 (Niveau Examen National) : On prépare une solution tampon en mélangeant $V_a = 100 \text{ mL}$ d'une solution d'acide faible $HA$ à $C_a = 0,2 \text{ mol/L}$ et $V_b = 200 \text{ mL}$ d'une solution de sa base conjuguée $A^-$ à $C_b = 0,1 \text{ mol/L}$. On donne $pK_a = 5,0$.

  1. Calculer les quantités de matière initiales $n_{acide}$ et $n_{base}$.
  2. Calculer le pH de la solution obtenue après mélange.
  3. On ajoute $1 \text{ mL}$ d'une solution d'acide fort de concentration $C_h = 1 \text{ mol/L}$ dans le mélange. Expliquer qualitativement l'évolution du pH.
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