Classe de première STL : Fiche de CHIMIE N 6 CHIMIE GENERAL / Equilibres /Acides et Bases très dissociés

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1 Classe de première STL : Fiche de CHIMIE N 6 CHIMIE GENERAL / Equilibres /Acides et Bases très dissociés 1. Mathématiques: Le logarithme décimal ou log 10 est le logarithme de base dix. Il est défini en tous les réels strictement positifs x. Les propriétés : log(1) = 0 log(10) = 1 log (a.b) = log(a) + log(b) log (a/b) = log(a) - log(b) log(a b ) =b.log(a) si a = - log(b) alors b =10 a log (10 x ) = x. Introduction du ph et de sa mesure a) H + ou H 3 O +? Le solvant est le plus souvent l eau : c est l espèce majoritaire en solution. Le ou les solutés sont les espèces minoritaires. Le proton H + n existe pas en solution, il est systématiquement hydraté ( entouré de molécules d eau) et s écrit H 3 O + : ion oxonium. Dans une solution aqueuse : (10-4 mol.l -1 c 10 - mol.l -1 ) ph = - log[h 3 O + ] [H 3 O + ] = 10 - ph Précision des mesures :le ph peut être mesuré à 0,01 unité près, ce qui entraîne une incertitude relative d environ 5 %. Conséquence : chiffres significatifs suffisent pour toute concentration calculée à partir d un ph. b) Mesure du ph d une solution indicateur coloré qui est une substance organique dont la couleur dépend du ph papier ph qui est un papier imbibé d indicateur coloré ph-mètre qui est un voltmètre relié à deux électrodes plongées dans la solution. L une des électrodes est une référence dont le potentiel électrique est indépendant du ph. L autre est l électrode de verre dont le potentiel électrique est une fonction linéaire du ph (ces deux électrodes peuvent être associées au sein d une sonde unique).dans une solution aqueuse : c) Acides et bases On obtient une solution en dissolvant un soluté (constituant minoritaire) dans un solvant (constituant majoritaire). Une solution est aqueuse si le solvant est de l eau ; elle peut contenir des ions ou des molécules. Les réactions qui impliquent un échange de protons H + entre les réactifs sont appelées réactions acido-basiques. Brønsted a défini : un acide, qui est une espèce chimique capable de céder un proton H + une base, qui est une espèce chimique capable de capter un proton H + Si ph < 7 alors [H 3 O + ] > 10-7 mol/l : les solutions sont acides Si ph > 7 alors [H 3 O + ] < 10-7 mol/l : les solutions sont basiques Si ph = 7 alors [H 3 O + ] = 10-7 mol/l : les solution sont neutres. 3. L autoprotolyse de l eau. L eau pure est faiblement ionisée, ce qui s explique par le fait que la molécule d eau soit à la fois un acide et une base. Au sein du solvant se produit en permanence une réaction entre molécules d eau H O + H O = H 3 O + + HO Mais H 3 O + + HO sont respectivement un acide et une base; et on peut vérifier expérimentalement que lorsqu on les met en présence ils réagissent entre eux selon: H 3 O + + HO = H O + H O Par conséquent deux réactions inverses l une de l autre ont lieu en même temps et dans les mêmes conditions dans l eau pure ; cela conduit à l obtention d un équilibre ; dans le cas de l eau, on l appelle autoprotolyse. Cet équilibre est caractérisé par sa constante : produit ionique: à 5 C, K e = 1, K e ne dépend que de la température (Ke augmente quand la température augmente) Dans l eau pure il y a autant d ions oxonium que d ions hydroxyde ( électroneutralité ) On définit le pk e = log K e (pk e = 14,0 à 5 C) [H 3 O + ] = [HO ] = 1, mol.l -1 ph = 1 pk e =7 à 5 C les quantités d'ions hydroxyde et oxonium produits par cet équilibre sont très faibles ; la plupart du temps, elles seront négligées devant celles apportées par les autres espèces. Cette relation n'est pas vérifiée que pour l'eau pure: elle est tout le temps valable.

2 4. Identifier un acide et une base fortement dissociés Acides forts Bases fortes HCl, HCl g + H O = H 3 O + + Cl - NaOH (s) NaOH (s) = Na + aq + HO - aq HBr, HBr l + H O = H 3 O + + Br - KOH (s) KOH (s) = K + aq + HO - aq HNO 3, HNO 3 + H O = H 3 O NO 3 H SO 4, H SO 4 + H O = H 3 O SO 4 5. Le ph des acides très dissociés dits "forts". Ces acides sont très dissociés dans l'eau ; l équilibre chimique est très déplacé dans le sens de la dissolution. Le caractère acide de la solution est lié au ph de celle-ci. Plus la concentration des ions H 3 O + est élevée et plus le ph est petit. (1) H O + H O = H 3 O + + HO Bilan des équations : Bilan des espèces : - () HCl +H O = Cl - + H 3 O + H O Cl H 3 O + HO - On notera C HCl la concentration en gaz HCl dissout. Etat initial x = 0 n i (HCl) = Etat final HCl H O Cl - H 3 O + C HCl V sol n i (H O) (Grande quantité, venant du solvant) 0 ε (Très petite quantité, venant de l autoprotolyse) n i (HCl) = 0 En excès + ε = n i (HCl) = C HCl V sol La quantité de matière finale en ions H 3 O + est égale à : n f (H ) = + ε Cas où ε est négligeable Expression du ph : ph = - log([h 3 O + ] ) ph = - log n(h 3O + ) V = -log V ph = - log (C HCl x V ) V = - log C HCl ph = - log C Acide C HCl > 10-6 mol / L Cette relation n est valable que pour des monoacides (HCl ; HNO 3 ) pas pour des diacides (H SO 4 ) ou triacides (H 3 PO 4 ). Cas où ε n est pas négligeable C HCl 10-6 mol / L Exemple : C HCl = 10-8 mol / L ph = - log([h 3 O + ] ) = 8 impossible, la solution serait basique. [H 3 O + ]=[HO - ] + [Cl - ] électroneutralité Ke = [H 3 O + ][HO - ] produit ionique C ph = log( ph = 6,98 Acide + Acide + C 4Ke ) La relation ph = - log C Acide n est plus valable pour des solutions très diluées.

3 6. Le ph des bases très dissociées dites "fortes". Ces bases sont très dissociées dans l'eau ; l équilibre chimique est très déplacé dans le sens de la dissolution. Le caractère basique de la solution est lié au ph de celle-ci. Plus la concentration des ions HO - est élevée et plus le ph est grand. (1) H O + H O = H 3 O + + HO Bilan des équations : Bilan des espèces : () NaOH (s) + H O = H O + HO - + Na + H O Na + H 3 O + HO - On notera C NaOH dissoute. la concentration en "soude" solide NaOH Etat initial Etat final x = 0 NaOH (s) H O H O HO - Na + n i (NaOH) = n i (H O) n i (H O) ε C NaOH V sol n i (NaOH) = 0 (Grande quantité, venant du solvant) (Grande quantité, venant du solvant) (Très petite quantité, venant de l autoprotolyse) En excès En excès + ε 0 = n i (NaOH) = C NaOH V sol La quantité de matière finale en ions HO - est égale à : n f (HO - ) = + ε Cas où ε est négligeable C NaOH > 10-6 mol / L Expression du ph : ph = - log[h 3 O + ] K e = [H 3 O + ].[HO - ] Cas où ε n est pas négligeable C NaOH 10-6 mol / L Exemple : C NaOH = 10-8 mol / L ph = 14+ log C NaOH ph = - log K e [HO - ] ph = 14 + log n f (HO - ) V = -logk e + log ([HO - ] ) ph = 14 + log V ph = 14 + log (C NaOH x V ) V ph = 14 + log ( C NaOH ) ph = 14 + log( 10-8 ) = 6 (impossible car le milieu serait acide) Expression du ph : C ph = log( ph =7,0 Base + Base + C 4Ke ) ph = 14 + log C Base La relation ph =14 + log C Cette relation n est valable que pour des Base n est plus valable pour des solutions très diluées. monobases (NaOH ; KOH). Conclusion : le ph d une solution obtenue à partir d un monoacide ou d une monobase peu diluée se calcule facilement quand l espèce chimique est très dissociée dans l eau.

4 Calcul ph - dilution 1. A 37 C, le produit ionique de l'eau est égal à, Quel est le ph correspondant à la neutralité à cette température?. A 60 C, le produit ionique de l eau vaut Ke = 9, quel est le ph de cette eau? 3. A la température de 0 C, le produit ionique de l 'eau est égal à 1, a. Déterminer le pke de l'eau à 0 C b. Quel est le ph correspondant à la neutralité à 0 C c. Le ph d'une solution est égal à 1,4 à 0 C. Quel le concentration des ions HO - (aq) dans cette 4. Calculer le ph de solutions suivantes : HCl à 0,001 mol/l HCl à 0,04 mol/l 5. Quelle est le concentration en ions H 3 O + des solution de HCl suivantes : ph = 14 ph = 7 ph = 5 ph = Calculer le nombre de moles de H 3 O + dans une solution de 750 ml de ph =. 7. La transformation de l'acide nitrique HNO 3 avec l'eau est totale. a. Écrire l'équation de la réaction de l'acide nitrique sur l'eau. b. Calculer le ph d'un litre d'une solution aqueuse dans laquelle on a introduit initialement 0,10 mol d'acide nitrique. c. Quelle quantité de matière en acide nitrique faut-il introduire pour obtenir un litre de solution de ph égal à,0? Donnée: couple acide nitrique/ion nitrate: HNO 3(aq) /NO - 3(aq). 8. -ph et dilution La transformation du bromure d'hydrogène HBr(g) avec I'eau est totale. a. Écrire l'équation de la réaction du bromure d'hydrogène sur l'eau sachant que le couple acidobasique bromure d'hydrogène/ion bromure s'écrit HBr(g)/Br - (aq). b. Calculer le ph d'une solution de bromure d'hydrogène dont la concentration en soluté apportée est : c= 0,10 mol.l -1. c. On prélève 10,0 ml de la solution précédente qu'on, introduit dans une fiole jaugée de 100 ml, et on complète avec de l'eau distillée. Calculer le ph de cette nouvelle solution. 9. ph et dilution On dispose d'une solution d'acide chlorhydrique dont le ph est de,6. À l'aide de cette solution, on désire préparer 100 ml d'une solution d'acide chlorhydrique dont le ph vaut 3,0. Décrire l opération sachant que l on dispose d une fiole jaugée de 100 ml et de pipette jaugées de 5,10,0 ml 10. Démonstration a. Soit une solution aqueuse de base forte de concentration C B. Donner l expression de son ph en fonction de C B. (ne pas démontrer). b. A quelle condition cette relation est-elle valable? c. Donner l expression du ph d une solution d acide fort de concentration C A. Démontrer cette relation 11. ph et base a. On a dissout une masse m de potasse (KOH) dans une fiole de 00mL. Ecrire la réaction de dissolution de ce cristal dans l eau. b. On plonge la sonde d un ph-mètre dans la solution précédente et on peut lire ph =10,8. Déterminer la concentration C KOH de l espèce dissoute à partir d un tableau d avancement. c. Comment aurait-il été possible de retrouver plus rapidement le résultat de la question précédente?.

5 Calcul ph - dilution 1. A 37 C, le produit ionique de l'eau est égal à, Quel est le ph correspondant à la neutralité à cette température?. A 60 C, le produit ionique de l eau vaut Ke = 9, quel est le ph de cette eau? 3. A la température de 0 C, le produit ionique de l 'eau est égal à 1, a. Déterminer le pke de l'eau à 0 C b. Quel est le ph correspondant à la neutralité à 0 C c. Le ph d'une solution est égal à 1,4 à 0 C. Quel le concentration des ions HO - (aq) dans cette 4. Calculer le ph de solutions suivantes : HCl à 0,001 mol/l HCl à 0,04 mol/l 5. Quelle est le concentration en ions H 3 O + des solution de HCl suivantes : ph = 14 ph = 7 ph = 5 ph = Calculer le nombre de moles de H 3 O + dans une solution de 750 ml de ph =. 7. La transformation de l'acide nitrique HNO 3 avec l'eau est totale. a. Écrire l'équation de la réaction de l'acide nitrique sur l'eau. b. Calculer le ph d'un litre d'une solution aqueuse dans laquelle on a introduit initialement 0,10 mol d'acide nitrique. c. Quelle quantité de matière en acide nitrique faut-il introduire pour obtenir un litre de solution de ph égal à,0? Donnée: couple acide nitrique/ion nitrate: HNO 3(aq) /NO - 3(aq). 8. ph et dilution La transformation du bromure d'hydrogène HBr(g) avec I'eau est totale. a. Écrire l'équation de la réaction du bromure d'hydrogène sur l'eau sachant que le couple acidobasique bromure d'hydrogène/ion bromure s'écrit HBr(g)/Br - (aq). b. Calculer le ph d'une solution de bromure d'hydrogène dont la concentration en soluté apportée est : c= 0,10 mol.l -1. c. On prélève 10,0 ml de la solution précédente qu'on, introduit dans une fiole jaugée de 100 ml, et on complète avec de l'eau distillée. Calculer le ph de cette nouvelle solution. 9. ph et dilution On dispose d'une solution d'acide chlorhydrique dont le ph est de,6. À l'aide de cette solution, on désire préparer 100 ml d'une solution d'acide chlorhydrique dont le ph vaut 3,0. Décrire l opération sachant que l on dispose d une fiole jaugée de 100 ml et de pipette jaugées de 5,10,0 ml 10. Démonstration a. Soit une solution aqueuse de base forte de concentration C B. Donner l expression de son ph en fonction de C B. (ne pas démontrer). b. A quelle condition cette relation est-elle valable? c. Donner l expression du ph d une solution d acide fort de concentration C A. Démontrer cette relation 11. ph et base a. On a dissout une masse m de potasse (KOH) dans une fiole de 00mL.Ecrire la réaction de dissolution de ce cristal dans l eau. b. On plonge la sonde d un ph-mètre dans la solution précédente et on peut lire ph =10,8. Déterminer la concentration C KOH de l espèce dissoute à partir d un tableau d avancement. c. Comment aurait-il été possible de retrouver plus rapidement le résultat de la question précédente?

6 Calcul ph - dilution 1. H O+H O =H 3 O + + HO - Etat avancement H O H O H 3 O + HO - Initial 0 solvant solvant 0 0 Final xf solvant solvant xf xf Ke = [H 3 O + ][ HO - ] =, [H 3 O + ]=[ HO - ] Ke = [H 3 O + ]² =, [H 3 O + ]=, [H 3 O + ]= 1, mol/l ph= - log ([H 3 O + ]) = - log(1, ) = 6,81. Ke = [H 3 O + ][ HO - ] = 9, [H 3 O + ]=[ HO - ] Ke = [H 3 O + ]² =, [H 3 O + ]= 9, [H 3 O + ]= 3, mol/l ph= - log ([H 3 O + ]) = - log(3, ) = 6,51 3. A la température de 0 C, le produit ionique de l'eau est égal à 1, a. pke = - log (1, ) = 15 b. [H 3 O + ]= 1, ph= - ½ pke = 7,5C c. [H 3 O + ]= 10 -ph = 10-1,4 = 3, mol/l Ke = [H 3 O + ][ HO - ] donc Ke [H 3 O + ] = [ HO- ] = 1, , =, mol/l 4. ph = - log ( 0,001) = -log(10-3 ) = 3 HCl à 0,001 mol/l ph = - log ( 0,04) = -log( ) 1, [H 3 O + ]= 10 -ph = 10 - mol/l, n(h 3 O + )= 10 - x 7, = 7, mol 7. a. HNO 3(aq) + H O = H 3 O + + NO - 3(aq).. b. L acide est entièrement dissocié donc ph = -log(c acide ) =-log(0,10)= 1 c. ph = -log(c acide ) donc c acide = 10 -ph =10 - mol/l 8. a. HBr(g) + H O = H 3 O + + Br - (aq). b. ph = -log c = -log 0,10 = 1. c. C mère xv mère = C fille xv fille donc C fille = C mèrexv mère = V fille d. 9. C mère = 10 -,6 mol/l, C fille = 10-3 mol/l, V fille = 100 ml C mère xv mère = C fille xv fille donc V mère = C fillexv fille = 10-3 x 100 C mère 10. Démonstration a. ph = 14 + log C Base b. ution pas trop diluée c. ph = - log([h 3 O + ] )= - log n(h 3 O + ) = -log V V 0,10 x ,6 = 39,8 soit 40 = 0,01 mol/l. ph = -log (c fille ) =. = - log (C HCl x V ) = - log C HCl = - log C Acide V 11. a. KOH + H O = HO - + K + État avancement KOH H O HO - K + b. Initial 0 n solvant 0 0 [H 3 O + ] = 10 -ph = 10-10,8 = 1, Final xf 0 = n-xf solvant xf xf 11 mol/l soit n(h 3 O + ) = [H 3 O + ]x V = 1, x0,=3, mol Ke = [H 3 O + ][ HO - Ke ] donc [H 3 O + ] = [ HO- ] = soit n(ho - ) = xf= [HO - ]x V = 6, x0, =1, mol D près le tableau d avancement n(koh) = xf = 1, mol soit c(koh) = n(koh) = xf = 6, mol/l , = 6, mol/l V V = 1, , c. Pour une base ph = 14 + log C base log C base = ph 14 donc C base = 10 (ph 14) = 10 (10,8-14) = 10-3, = 6, mol/l