Professeur : Mohamed lemine ould Hasnat

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2 I. Solutions acides faibles 1.1. Observation Le ph d une solution d acide éthanoïque CH 3 COOH de concentration molaire c A = 10 2 mol/l est égale à 3, Interprétation Raisonnons sur un volume égal à V (en litre). La solution d acide éthanoïque résulte de la mise en solution dans l eau de d acide éthanoïque CH 3 COOH. L équation de la réaction produite : CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO + H 3 O + Le ph de la solution est égal à 3, 4 ; on a donc : [H O ] = 10, mol/l La quantité de matière d ion H 3 O dans la solution est : n = [H O ] V = V mol Alors que la quantité de matière d acide éthanoïque CH 3 COOH introduite en solution est : n = c V = 10 V mol Par comparaison : n H3 O < n CH 3 COOH ; donc, toutes les molécules CH 3 COOH introduites n ont pas réagi avec l eau : La transformation mettant en jeu la réaction de l acide éthanoïque CH 3 COOH avec l eau est partielle. Le facteur d ionisation de cet acide est défini par : α = [CH COO ] = [H O ] = c c 10 = = 4% 1

3 4% des molécule CH 3 COOH introduites dans l eau sont transformées en ions H 3 O et CH 3 COO. On dit que l acide éthanoïque CH 3 COOH est un acide faible. L acide faible est l acide qui réagit partiellement avec l eau. Même définition pour les bases faibles : La base faible est la base qui réagit partiellement avec l eau. L équation de la réaction s écrit avec deux flèches dans les deux sens ( ). II. Propriétés fondamentales 2.1. Loi de Le Chatelier Soit la réaction réversible A + B C + D en équilibre chimique. Alors le mélange réactionnel contient les réactifs et les produits. Si on ajoute un constituant A (par exemple), la réaction qui consomme A (sens 1) est favorisée par rapport à la réaction inverse. Si on élimine un constituant du mélange B (par exemple), la réaction qui produit B (sens 2) est favorisée. Lorsqu on perturbe un système chimique à l équilibre, en faisant varier un de ses facteurs, la réaction qui s oppose à la variation de ce facteur est favorisée L électroneutralité On se limitera à des ions portants chacun une charge élémentaire. Les solutions aqueuses sont électriquement neutres d où : 2

4 Si la solution contient des ions positifs et des ions négatifs, alors la somme des concentrations des ions positifs en solution est égale à la somme des concentrations des ions négatifs Conservation de la matière Soit la réaction de l acide (faible) AH avec l eau AH + H 2 O A + H 3 O en équilibre chimique. Si on additionne les quantités de matière de ce qui est en solution transformé en A et ce qui n a pas changé AH, on obtient la quantité de matière de l acide introduit initialement en solution : n A 0 = n AH + n A en divisant par le volume V de la solution on obtient : c = [AH] + [A ] III Constante d acidité : K ; pk 3.1. Définition La constante d acidité K A est la constante d équilibre associée à l équation de la réaction d un acide avec l eau. L équation générale s écrit : Et la constante d équilibre associée : acide + H O base + H 3 O K A = [base] [H 3O ] [acide] Les concentrations sont les concentrations à l équilibre. 3

5 On définit la grandeur pk d un couple acide/base par la relation : Exercice résolu 1 pk A = logk A ou K A = 10 pk A La mesure du ph d une solution de méthanamine, CH 3 NH 2, de concentration c égale à mol. L 1, donne ph = 11, Montrer qu il s agit d une base faible. 2. Écrire l équation de la réaction de méthanamine et l eau. 3. Dresser le bilan qualitatif et quantitatif des espèces contenues dans la solution. 4. En déduire la constante d acidité du couple CH 3 NH 3 CH 3 NH Calculer le coefficient d ionisation de méthanamine dans sa solution. Solution 1. Le ph de la solution est supérieure à 7 : la méthanamine est donc une base. Pour une solution de base forte de concentration c aurait pour ph : ph = 14 + logc = 14 + log5.10 = 12,7. Comme le ph de la solution est plus faible (ph = 11,6), la méthanamine est une base faible. 2. L équation de la réaction : CH NH + H O CH NH + OH. 3. Le bilan qualitatif des espèces : CH NH ; CH NH ; OH, H O et H O. Le bilan qualitatif des espèces : [H 3 O ] = 10 ph = 10, = 2, mol. L 1 [OH ] = 10 ph 14 = 10, = 10, = 3, mol. L 1 L électroneutralité : puisque la solution est électriquement neutre : [H O ] + [CH NH ] = [OH ] 4

6 Soit : [CH NH ] = [OH ] [H O ] or [H O ] [OH ] D où : [CH 3 NH 3 ] [OH ] = 3, mol. L 1 La conservation de la matière : c = CH 3 NH 2 + [CH 3 NH 3+ ] Soit : : CH 3 NH 2 = c [CH 3 NH 3 ] = , , mol. L 1 4. La constante d acidité a pour expression : 5. Le coefficient d ionisation : K A = [base] [H 3O ] [acide] α = [acide] c B = [CH NH ] [H O ] [CH NH = 4,6 10 2,51 10 ] 3,98 10 = 2, = [CH NH ] = [OH ] 3,98 10 = c c 5.10 = 0,0796 8% 3.2. La force relative des acides et des bases Cas des acides Comparaison des ph Un acide est d autant plus fort qu il cède plus facilement un proton. Pour une concentration donnée, la solution d acide contenant davantage d ions hydronium H 3 O (ph le plus petit) correspond à l acide le plus fort. Deux solutions de même concentration, la solution de l acide le plus fort a le ph le plus petit. Comparaison des constantes d acidité K A D après l expression de la constante d acidité : K = [B] [H O ] 5

7 L acide le plus fort donne plus de H 3 O et de B : le numérateur augmente et par conséquence K augmente, puisque la grandeur pk A = logk A varie en sens inverse de K A, cette grandeur diminue. L acide est d autant plus fort que la constante d acidité K A de son couple est plus grande et donc son pk A est plus petit Cas des bases Comparaison des valeurs de ph Une base est d autant plus forte qu elle fixe plus facilement un proton. Pour une concentration donnée, la solution de la base contenant davantage d ions hydroxyde OH, alors moins d ions hydronium H 3 O (ph le plus grand) correspond à la base la plus forte. Deux solutions de même concentration, la solution de la base la plus forte a le ph le plus grand. Comparaison des constantes d acidité K A D après l expression de la constante d acidité : K = [B] [H O ] La base la plus forte donne plus de OH et de A : le dénominateur augmente et par conséquence K A diminue, puisque la grandeur pk A = logk A varie en sens inverse de K A, cette grandeur augmente. La base est d autant plus forte que la constante d acidité K A de son couple est plus petite et donc son pk A est plus grand. Exercice résolu 2 L acide benzoïque est un additif alimentaire présent dans certaines boissons. C est un acide de formule brute C 6 H 5 COOH. 1. On réalise une solution aqueuse d acide benzoïque à 2 g. L 1. Écrire l équation-bilan de la réaction de l acide sur l eau et calculer, en mol. L 1, la concentration c de l acide. 2. La mesure du ph de cette solution donne ph = 3. Montrer que l acide benzoïque est un acide faible. Calculer son coefficient d ionisation. 6

8 3. Calculer les concentrations des espèces chimique présentes dans la solution, en déduire la valeur du pk A du couple : acide benzoïque/ion benzoate. 4. L acide benzoïque est-il un acide plus fort ou plus faible que l acide acétique de pk A = 4, 75? Données : M(H) = 1 g. mol 1 M(C) = 12 g. mol 1 M(O) = 16 g. mol 1. Solution 1. L acide benzoïque réagit avec l eau pour donner l ion hydronium et l ion benzoate selon l équation bilan : C H COOH + H O C H COO + H O La masse molaire de l acide benzoïque vaut : M = = 122 g. mol Dans m = 2 g d acide benzoïque on a n = = = 1,64 10 mol d acide. La concentration molaire en acide benzoïque vaut donc : c = 1, mol. L De ph = 3 on tire [H 3 O ] = 10 = 10 3 mol. L 1. Cette concentration est plus petite que c : la réaction de l acide benzoïque et l eau est limitée ; c est un acide faible. Son coefficient d ionisation α vaut : α = [H 3O ] 10 = = 0,0609 6, 1% c a 1, Les espèces présentes : C H COOH ; C H COO ; OH, H O et H O. Le bilan qualitatif des espèces : [H 3 O ] = 10 ph = 10 3 mol. L 1 [OH ] = 10 ph 14 = 10 = mol. L 1 L électroneutralité : puisque la solution est électriquement neutre : [OH ] + [C H COO ] = [H O ] Soit : [C H COO ] = [H O ] [OH ] or [OH ] [H O ] D où : [C 6 H 5 COO ] [H 3 O ] = 10 3 mol. L 1 La conservation de la matière : c = C H COOH + [C H COO ] 7

9 Soit : : C 6 H 5 COOH = c [C 6 H 5 COO ] = 1, , mol. L 1 Pour la valeur du pk, on utilise la relation : pk = logk avec : K = [ ] [ ] K =, = 6,5. 10 d où pk A = logk A = log (6,5. 10 ) = 4, Le pk de l acide benzoïque est plus faible que celui de l acide acétique : l acide benzoïque est donc un acide légèrement plus fort que l acide acétique. IV Diagramme de prédominance 4.1. Domaine de prédominance Définition Une espèce est prédominante devant une autre espèce si sa concentration dans la solution est supérieure à celle de cette autre espèce Relation fondamentale entre ph et pk A Raisonnons dans le cas d un couple acide/base. La formule de définition de la constante d acidité d un couple A/B : K = [B] [H O ] Peut encore s écrire (en prenant le logarithme décimal de ses deux membres) : logk = log [ ] + log[h [ ] O ] soit log[h O ] = logk + log [ ] [ ] D où : ph = pk A + log [B] Domaine de prédominance La relation précédente permet de définir trois cas selon la valeur de ph : 8

10 ph = pk A : log [B] = 0 [B] = Pour ph = pk A, les concentrations des deux espèces conjuguées sont égales. ph < pk A : log [B] < 0 [B] < Pour ph < pk A, la forme acide du couple est prédominante devant la forme basique. ph > pk A : log [B] > 0 [B] > Pour ph > pk A, la forme basique du couple est prédominante devant la forme acide Diagramme de prédominance Les résultats précédents se traduisent par le diagramme suivant : 4.2. Distribution des espèces acido-basiques Pour une solution de concentration c, contenant les deux espèces conjuguées A et B on a : + [B] = c et K = [B] [H O ] On en déduit : K = (c ) [H O ] Soit : K = (c ) [H O ] d où [ ] = [ ] = [ ] Les pourcentages des espèces A et B : 9

11 De même : c = [B] c = ph pk A pk A ph Exercice résolu 3 L eau de Javel est une solution aqueuse de chlorure de sodium et d hypochlorite de sodium. L ion hypochlorite, constituant actif de l eau de Javel, est la base conjuguée de l acide hypochloreux ClOH, qui se forme lorsqu on ajoute un acide dans l eau de Javel. 1. À quel couple acide/base appartient le constituant actif de l eau de javel? 2. À partir de quel ph peut-on considérer que ce constituant actif est prédominant? 3. Tracer le diagramme de prédominance. 4. Calculer le rapport [ ] pour un ph égale à 7,5. [ ] Donnée : pour le couple ClOH ClO : pk = 7,3. Solution 1. Le constituant actif de l eau de javel, appartient au couple ClOH ClO. 2. L ion hypochlorite prédomine sur l acide hypochloreux si [ClO ] > [ClOH] autrement dit si : ph > pk, soit ph > 7,3. 3. le diagramme de prédominance : dominance de ClOH dominance de ClO 7,3 ph 4. On utilise la relation : ph = pk + log [ClO ] [ClOH] on en déduit : log [ClO ] [ClOH] = ph pk. On a donc : [ClO ] [ClOH] = 10pH pk A = 10 7,5 7,3 = 10, = 1, 6 10

K W = [H 3 O + ] [OH - ] = 10-14 = K a K b à 25 C. [H 3 O + ] = [OH - ] = 10-7 M Solution neutre. [H 3 O + ] > [OH - ] Solution acide

K W = [H 3 O + ] [OH - ] = 10-14 = K a K b à 25 C. [H 3 O + ] = [OH - ] = 10-7 M Solution neutre. [H 3 O + ] > [OH - ] Solution acide La constante d autoprotolyse de l eau, K W, est égale au produit de K a par K b pour un couple acide/base donné : En passant en échelle logarithmique, on voit donc que la somme du pk a et du pk b d un

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