Ainsi, log ([H 3 O + ] )<log (K e. log([h 3 O + ])< 1 2 log K e ph< 1 2 pk e.

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1 PARTIE 3 : ACIDES ET BASES CHAPITRE 6 (CHIMIE) : RÉACTION PAR ÉCHANGE DE PROTON I LES SOLUTIONS AQUEUSES ACIDO-BASIQUES 1 Mesure du ph d une soluton Le ph (pour potentel d hydrogène), grandeur sans unité comprise entre 0 et 14, donne une indicaton de l acidité d une soluton aqueuse On dispose essentellement de deux méthodes pour mesurer le ph d une soluton aqueuse : Le papier ph permet d évaluer le ph à l unité près, voire au dixième d unité près (pour des papiers très ciblés) On dépose une goute de soluton sur une bandelete de papier, et on compare la couleur de la bandelete avec une échelle de teintes fournie par le constructeur Le ph-mètre est un instrument de mesure comprenant une sonde ph-métrique connectée à un boîter de lecture Après avoir étalonné la sonde, on la plonge dans la soluton et le boîter donne une mesure au dixième d unité près 2 Défniton du ph Le ph d une soluton est défni par la relaton ph= log [H 3 O ], où [H 3 O ] est la concentraton molaire en ions oxonium H 3 O, exprimée en moll -1 et log est la foncton logarithme décimal (foncton inverse de la foncton 10 x ) La relaton inverse, donnant la valeur de la concentraton en ions oxonium connaissant la valeur du ph, est [H 3 O ]=10 ph Côté maths : 10 log x =log (10 x )=x log (a b) = log a log b log (1/a) = - log a log (a/b) = log a log b log (a b ) = blog a Remarques : Lorsque le ph est donné avec un chifre après la virgule, la concentraton molaire en ions oxonium est obtenue avec deux chifres signifcatfs Cete règle reste valable si la valeur du ph est supérieure à 10 (et donc donnée avec trois chifres signifcatfs) Plus le ph est faible, plus la soluton est acide, donc plus la concentraton en ions oxonium est élevée Une multplicaton de la concentraton en ions oxonium par 10 correspond à une diminuton du ph d une unité 3 Produit ionique de l eau Expérimentalement, on constate que l eau distllée conduit légèrement le courant électrique Elle content donc une pette quantté d ions : des ions oxonium H 3 O et des ions hydroxyde HO -, en raison d une réacton limitée d autoprotolyse de l eau : 2 H 2 O (l) H 3 O (aq) HO - (aq) TS Le produit des concentratons molaires en ions H 3 O et HO - est le même quelle que soit l acidité de la soluton On appelle donc produit ionique de l eau la constante, sans dimension, K e = [H 3 O ] [HO - ] Sa valeur dépend uniquement de la température À 25 C, on a K e = 1, On défnit aussi la grandeur sans dimension pk e = log K e = 14 (à 25 C) Remarque : puisque le produit [H 3 O ] [HO - ] est constant, alors la concentraton en H 3 O diminue lorsque la concentraton en HO - augmente, et réciproquement Applicaton : Compléter le tableau ci-dessous ph [H 3 O ] [HO - ] 4,0 1, moll -1 1, moll -1 4,4 3, moll -1 2, moll -1 7,0 1, moll -1 1, moll -1 8,2 6, moll -1 1, moll -1 9,3 5, moll -1 2, moll -1 13,3 4, moll -1 2, moll -1 4 Concentraton en ion oxonium et noton de soluton acide, basique ou neutre Si [H 3 O ] > [HO - ], alors [H 3 O ] 2 > K e, donc [H 3 O ] > K e Ainsi, log ([H 3 O ] )>log (K e ) log ([H 3 O ] )> 1 2 log K e log([h 3 O ])< 1 2 log K e ph< 1 2 pk e Une soluton aqueuse est dite acide si [H 3 O ] > [HO - ], donc si ph < 7 à 25 C Si [H 3 O ] = [HO - ], alors [H 3 O ] 2 = K e, donc [H 3 O ] = K e Ainsi, log ([H 3 O ] )=log (K e ) log ([H 3 O ] )= 1 2 log K e ph= 1 2 pk e Une soluton aqueuse est dite neutre si [H 3 O ] = [HO - ], donc si ph = 7 à 25 C Si [H 3 O ] < [HO - ], alors [H 3 O ] 2 < K e, donc [H 3 O ] < K e Ainsi, log ([H 3 O ] )<log (K e ) log ([H 3 O ] )< 1 2 log K e log([h 3 O ])> 1 2 log K e ph> 1 2 pk e Une soluton aqueuse est dite basique si [H 3 O ] < [HO - ], donc si ph > 7 à 25 C Chapitre 5 Réacton par échange de proton Page 1 / 5

2 II LES COUPLES ACIDO-BASIQUES DANS LA THÉORIE DE BRØNSTED 1 Défniton des acides et des bases selon Brønsted En 1923, le danois Johannes Brønsted et l anglais Thomas Lowry proposent indépendamment une même défniton des acides et des bases Un acide selon Brønsted est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs ions H Une base selon Brønsted est une espèce chimique capable de gagner un ou plusieurs ions H Exemple : L acide éthanoïque CH 3 -COOH est capable de perdre un ion H pour former l ion éthanoate CH 3 -COO - L acide éthanoïque est donc un acide selon Brønsted L ammoniac est capable de gagner un ion H pour former l ion ammonium NH 4 L ammoniac est donc une base selon Brønsted L ion phosphate PO 4 3- est capable de gagner trois ions H pour former l acide phosphorique H 3 PO 4 2 Noton de couple acide/base En cédant un ion H, un acide AH se transforme en base A - On dit que ces deux espèces chimiques sont conjuguées Elles forment un couple acide/base La demi-équaton (appelée demi-équaton acidobasique) reliant un acide et sa base conjuguée est : AH = A - H Remarques : Les couples CH 3 COOH/CH 3 COO - et NH 4 / sont des couples acide/base On note toujours l acide avant la base dans un couple acide/base L eau appartent à deux couples acide/base diférents : H 3 O /H 2 O et H 2 O/HO - On dit que l eau est un ampholyte (ou espèce amphotère) 3 Réactons acidobasiques L acide d un couple A 1 H/A 1- peut perdre un ion H Cet ion H est alors récupéré par la base d un autre couple A 2 H/A 2- Demi-équatons acidobasiques : A 1 H = A 1- H A 2- H = A 2 H Équaton de la réacton : - A 1 H A 2 A 1- A 2 H Exemple : réacton entre l acide éthanoïque et l ammoniaque en soluton aqueuse Demi-équatons acidobasiques : CH 3 COOH (aq) = CH 3 COO - (aq) H (aq) H = NH 4 (aq) Équaton de la réacton : (aq) CH 3 COOH (aq) CH 3 COO - (aq) NH 4 (aq) III DES ACIDES BIEN DIFFÉRENTS 1 Mise en évidence expérimentale cf TP : On mesure le ph d une soluton d acide éthanoïque et d acide chlorhydrique à c = 1, moll -1 On obtent : ph aceth = 3,0 et ph acchl = 2,1 2 Comportement de l acide chlorhydrique en soluton aqueuse Pour préparer 1 L de soluton d acide chlorhydrique, il faut n HCl = c V, soit n HCl = 1, ,0 = 1, mol Lors de la dissoluton du chlorure d hydrogène dans l eau, il se produit la réacton : HCl (aq) H 2 O (l) H 3 O (aq) Cl - (aq) Expérimentalement, le ph de la soluton vaut 2,1 Donc la concentraton en ions H 3 O dans la soluton vaut [H 3 O ]=10 ph, soit [H 3 O ]=10 2,1 =7, moll 1 Ainsi, aux incerttudes de mesure près, on a montré que la totalité des molécules de chlorure d hydrogène a été transformée en ions oxonium et chlorure dans la soluton 3 Comportement de l acide éthanoïque en soluton aqueuse Pour préparer 1 L de soluton d acide éthanoïque, il faut n CH3COOH = c V, soit n CH3COOH = 1, ,0 = 1, mol Lors de la dissoluton de l acide éthanoïque dans l eau, il se produit la réacton : CH 3 COOH (aq) H 2 O (l) H 3 O (aq) CH 3 COO - (aq) Expérimentalement, le ph de la soluton vaut 3,0 Donc la concentraton en ions H 3 O dans la soluton vaut [H 3 O ]=10 ph, soit [H 3 O ]=10 3,0 =1, moll 1 Ainsi, même en tenant compte des incerttudes de mesure, il apparaît que seule une pette parte (ici, 10%) des molécules d acide éthanoïque a été transformée en ions oxonium et éthanoate dans la soluton 4 Noton de force des acides et des bases En conclusion, puisque l acide chlorhydrique a réagi en plus grande proporton lors de sa dissoluton dans l eau que l acide éthanoïque, on dira que l acide chlorhydrique est un acide plus fort que l acide éthanoïque La même noton existe pour les bases : une base est dite plus forte qu une autre si elle réagit en plus grande proporton lors de sa dissoluton dans l eau Chapitre 5 Réacton par échange de proton Page 2 / 5

3 5 Réactons totales ou limitées Lorsque le réactf limitant est intégralement consommé à l état fnal, on dit que la réacton chimique est totale On note alors l équaton de la réacton avec une fèche ( ) Lorsque le réactf limitant est encore présent en quanttés non négligeables à l état fnal, on dit que la réacton chimique est limitée Dans ce cas, l état fnal est le résultat d un équilibre chimique entre la réacton dans le sens direct (des réactfs vers les produits) et dans le sens inverse (des produits vers les réactfs) On note alors l équaton de la réacton avec une double-fèche ( ) HCl (aq) H 2 O (l) H 3 O (aq) Cl - (aq) CH 3 COOH (aq) H 2 O (l) H 3 O (aq) CH 3 COO - (aq) IV ACIDES FORTS ET BASES FORTES 1 Défniton Un acide est dit fort si sa réacton de dissoluton dans l eau est totale ou quasi-totale quelle que soit la concentraton initale en acide apporté La réacton s écrit alors : AH (aq) H 2 O (l) H 3 O (aq) A - (aq) Une base est dite forte si sa réacton de dissoluton dans l eau est totale ou quasi-totale quelle que soit la concentraton initale en base apportée La réacton s écrit alors : B (aq) H 2 O (l) HO - (aq) BH (aq) 2 ph d une soluton d acide fort La réacton entre un acide fort et l eau est totale ou quasi-totale Le tableau d avancement s écrit donc : Équaton de la réacton AH (aq) H 2 O (l) H 3 O (aq) A - (aq) État inital x = 0 mol n excès 0 0 État fnal x f n x f = 0 excès x f = n x f = n On appelle concentraton en acide apporté c= n V, avec V volume de la soluton (en L) Puisque la réacton est totale, le réactf limitant AH est totalement consommé Donc d après le tableau d avancement, la quantté de matère fnale en ions oxonium vaut n, soit [H 3 O ]= n V =c Ainsi, le ph d une soluton d acide fort vaut ph= log [H 3 O ] soit ph= log c (avec c exprimée en moll -1 ) 3 ph d une soluton de base forte La réacton entre une base forte et l eau est totale ou quasi-totale Le tableau d avancement s écrit donc : Équaton de la réacton B (aq) H 2 O (l) HO - (aq) BH (aq) État inital x = 0 mol n excès 0 0 État fnal x f n x f = 0 excès x f = n x f = n Puisque la réacton est totale, le réactf limitant B est totalement consommé Donc d après le tableau d avancement, la quantté de matère fnale en ions hydroxyde vaut n, soit [ HO - ]= n V =c Pour déterminer le ph de la soluton, il faut trouver la concentraton en ions oxonium On l obtent grâce au produit ionique de l eau : On a donc [H 3 O ]= K e [HO - ] =K e c ph= log [H 3 O ]= log( K e c ) ph= logk e logc Ainsi, le ph d une soluton de base forte vaut ph=pk e logc (avec c exprimée en moll -1 ) 4 Précautons d emploi Les acides et les bases sont corrosifs Le contact avec la peau ou l œil peut provoquer de graves brûlures De plus, leur réacton avec la peau entraîne une élévaton de température (réacton exothermique) Il est donc nécessaire de porter une blouse, des gants et des lunetes de protecton lorsqu on manipule des acides ou des bases fortes (à des concentratons supérieures à 0,1 moll -1 ) Enfn, si de l eau est versée sur une soluton d acide fort ou de base forte concentrée, il y a un risque de projectons de gouteletes de soluton acide ou basique En résumé : pas d eau dans l acide! 5 Réacton entre un acide fort et une base forte La réacton entre l acide fort d un couple et la base forte d un autre couple est une réacton quasi-totale Lorsqu un acide fort est dissout dans l eau, il réagit intégralement pour produire des ions H 3 O De même, lorsqu une base forte est dissoute dans l eau, elle réagit intégralement pour produire des ions HO - Ainsi, la réacton entre un acide fort et une base forte se rapporte donc toujours à la réacton entre les ions H 3 O et les ions HO - : H 3 O (aq) HO - (aq) 2 H 2 O (l) Remarque : Cete réacton est exothermique L élévaton de température associée à cete réacton est d autant plus importante que la quantté de réactf limitant est importante Chapitre 5 Réacton par échange de proton Page 3 / 5

4 V ACIDES FAIBLES ET BASES FAIBLES 1 Défniton Un acide est dit faible si sa réacton de dissoluton dans l eau est limitée quelle que soit la concentraton initale en acide apporté La réacton s écrit alors : AH (aq) H 2 O (l) H 3 O (aq) A - (aq) Une base est dite faible si sa réacton de dissoluton dans l eau est limitée quelle que soit la concentraton initale en base apportée La réacton s écrit alors : B (aq) H 2 O (l) HO - (aq) BH (aq) 2 Couples acide/base La base conjuguée d un acide faible est une base faible Ainsi, ces deux espèces chimiques forment un couple acide faible / base faible Pour un couple donné, plus l acide est fort, plus sa base conjuguée est faible, et réciproquement Ainsi, un acide fort peut être vu comme l acide d un couple dont la base conjuguée est tellement faible qu elle ne réagit pas (on peut la considérer comme une espèce spectatrice) Exemple : HCl est un acide fort, Cl - est une base très faible 3 Constante d acidité K a Un couple acide faible / base faible est caractérisé par une constante sans dimension, appelée constante d acidité, notée K a Sa valeur ne dépend que de la température du milieu Soit la réacton de dissoluton de l acide faible AH dans l eau : AH (aq) H 2 O (l) H 3 O (aq) A - (aq) Lorsque les concentratons des espèces n évoluent plus, on a ateint l état fnal, fruit d un équilibre chimique entre les deux réactons {réactfs produits} et {produits réactfs} Ainsi, toutes les espèces sont présentes à l état fnal On défnit alors la constante d acidité du couple comme K a = [H 3 O ] f [ A - ] f [AH] f Remarque : l eau n apparaît pas dans l expression car c est le solvant (elle est remplacée par la valeur 1) couple ion ammonium NH 4 (aq) / ammoniaque (aq) On dissout du chlorure d ammonium dans l eau : NH 4 Cl (s) NH 4 (aq) Cl - (aq) Équaton de la réacton : NH 4 (aq) H 2 O (l) (aq) H 3 O (aq) La constante d acidité associée à ce couple est K a = [H 3 O ] f [ ] f [NH 4 ] f couple ion oxonium H 3 O (aq) / eau H 2 O (l) Équaton de la réacton : H 3 O (aq) H 2 O (l) H 2 O (l) H 3 O (aq) La constante d acidité de ce couple vaut donc K a = [H 3 O ] f [H 3 O ] f =1,0 couple eau H 2 O (l) / ion hydroxyde HO - (aq) Équaton de la réacton : H 2 O (l) H 2 O (l) HO - (aq) H 3 O (aq) La constante d acidité de ce couple vaut donc K a =[H 3 O ] f [HO - ] f =K e =10 14 Un acide est d autant plus fort que la proporton d acide réagissant avec l eau est grande À savoir : un acide est d autant plus fort que la valeur de sa constante d acidité est élevée Remarque : les valeurs des K a des diférents couples sont accessibles dans des tables 4 Échelle des pk a Les constantes d acidité des couples acide/base prennent des valeurs dont les ordres de grandeur sont très diférents C est pourquoi on utlise une échelle logarithmique pour les comparer On défnit donc une nouvelle grandeur : pk a = - log K a Ainsi, K a =10 pk a Le pk a des couples en soluton aqueuse est compris entre 0 et pk e (valeurs fxées par les couples de l eau) À savoir : Un acide est d autant plus fort que sa valeur de pk a est faible 5 Domaine de prédominance D après la défniton de la constante d acidité : pk a = log( [H 3 O ] [A - ] [ AH] ) = log[h 3O ] log( [ A- ] [AH] ) ( =ph log [A- ] [ AH] ) Ainsi, on peut relier les concentratons des espèces acide et basique d un couple au ph de la soluton et au pk a du couple Si ph < pk a, alors log( [ A- ] [AH]) =ph pk a<0 [A- ] [AH] <1 [ A - ]<[ AH] : l acide prédomine lorsque ph < pk a Si ph > pk a, alors log( [ A- ] [AH]) =ph pk a>0 [A- ] [AH] >1 [ A - ]>[ AH] : la base prédomine lorsque ph > pk a Chapitre 5 Réacton par échange de proton Page 4 / 5

5 Si ph = pk a, alors log( [ A- ] [AH]) =ph pk a=0 [A- ] [AH] =1 [ A - ]=[ AH] : lorsque ph = pk a, l acide et la base du couple sont en proportons égales On peut regrouper ces résultats dans un diagramme de prédominance : HA A - ph pk a Remarque : l espèce acide du couple est présente (et peut même être prédominante) dans un milieu dit basique, et l espèce basique du couple est présente (et peut même être prédominante) dans un milieu dit acide Applicaton : tracer sur le même axe les diagrammes de prédominance des couples CH 3 COOH / CH 3 COO - (pk A = 4,8) et NH 4 / (pk A = 9,2) Quelle est, pour chaque couple, l espèce prédominante dans une soluton de ph 6,5? CH 3 COOH CH 3 COO - 9,2 ph 4,8 NH 4 6,5 : CH 3 COO - et NH 4 sont prédominants VI LA CHIMIE DES MILIEUX BIOLOGIQUES 1 Les acides α-aminés Les protéines consttuent, après l eau, les espèces chimiques les plus abondantes dans les cellules (environ 20% en masse) Leur rôle est fondamental dans le fonctonnement d un organisme vivant (structure, catalyse, récepton de signaux, transport de substances,) Ce sont des macromolécules consttuées d un enchaînement d espèces chimiques appelées acides α-aminés U n a c i d e α-aminé possède au moins deux groupes caractéristques, présentant chacun des propriétés acidobasiques : un groupe carboxyle -COOH et un groupe amino -NH 2 L acide carboxylique est l acide faible du couple acide carboxylique / ion carboxylate, dont le pk a est compris entre 2 et 5 Demi-équaton acidobasique : R-COOH = RCOO - H NH 2 R CH COOH L amine est la base faible du couple ion alkylammonium / alkylamine, de pk a compris entre 9 et 10 Demi-équaton acidobasique : R-NH 2 H = R- Le diagramme de prédominance d un acide α-aminé tent compte des deux couples acidobasiques présents dans la molécule : pk a1 pk a2 R-COOH R-COO - R- R CH COOH R CH COO - Remarque : fnalement, la formule générale n existe jamais en soluton! 2 Solutons tampons Défniton : une soluton tampon est une soluton dont le ph varie très peu lors de l ajout d une quantté modérée d acide, de base ou d eau Généralement, on obtent une soluton tampon en mélangeant un acide faible et sa base faible conjuguée à des concentratons voisines Il faut alors que le pk a du couple choisi soit proche du ph atendu de la soluton 3 ph des milieux biologiques Les processus biochimiques des organismes vivants sont très sensibles aux variatons de ph Le ph du sang humain est maintenu dans une plage étroite autour de 7,4 Cete régulaton est assurée par la présence de plusieurs couples acidobasiques dissouts - dans le plasma sanguin, parmi lesquels le couple (CO 2,H 2 O)/HCO 3 de pk a = 6,3 à 37 C L actvité catalytque des enzymes est très dépendante du ph Ainsi, la trypsine est la plus efcace à un ph proche de 8 (ph du milieu intestnal), alors que l efcacité de la pepsine est maximale dans le milieu acide de l estomac Applicaton : 11, 12 P 340, 17 P 341, 19, 20 P 342 R-NH 2 R CH COO - Chapitre 5 Réacton par échange de proton Page 5 / 5 NH 2 ph