COURS DE SCIENCES PHYSIQUES Classe de BAC STAV

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1 NOM et Prénom de l élève : COURS DE SCIENCES PHYSIQUES Classe de BAC STAV ACTIVITÉS 1 CONDUCTIVITÉ D UNE SOLUTION 2 DISSOCIATION IONIQUE DE L EAU 3 NOTION DE ph ACIDE OU BASE? 4 ACIDE OU BASE SELON BRÖNSTED 5 DOSAGES ACIDO-BASIQUES 6 CONSTANTE D ACIDITE : LE pka 1

2 Activité 1 OBJECTIFS Mesurer une conductivité. Expliquer pourquoi une solution est conductrice du courant. 1- Définition La conductivité ( ) représente l aptitude d une solution à conduire le courant électrique. Cette grandeur ayant pour unité le Siemens par mètre (S/m). Autre multiple utilisé : le millisiemens par centimètre (ms/cm) L appareil de mesure se nomme un conductimètre. Electrode de mesure Conductimètre 2- Expérience Pour mesurer la conductivité d une solution, il suffit de tremper l électrode dans la solution et de lire directement le résultat. 2-1 Quelle est la valeur mesurée? 2-2 Quelle sont les espèces responsables de la conductivité dans une eau? 3- Conclusion La minéralisation d une eau est liée directement à la quantité d ions présents dans cette eau. Ce sont les ions présents dans cette eau qui permettent le passage d u courant dans une solution. Plus la conductivité sera grande, plus cette eau renfermera des ions en solution. 2

3 Activité 2 OBJECTIFS Comprendre la dissociation de l eau. Utiliser le produit ionique de l eau. 1- Expérience L eau pure est un liquide incolore qui ne renferme que des molécules d eau (H 2 O). On a vu qu une solution est conductrice du courant si elle renferme des ions. Mesure de la conductivité de l eau pure. 1-1 Que constate t-on? 1-2 Quelle interprétation pouvez-vous faire? 2- Conclusion Comme la conductivité est faible mais non nulle, alors l eau pure renferme des ions en très faible quantité. Ces ions ne peuvent être constitué que de l élément hydrogène (H) et oxygène (O). C est ions sont : - L ion hydronium ou oxonium (H 3 O + ). - L ion hydroxyde (OH - ou HO - ). Pour obtenir la synthèse de ses ions à partir des molécules d eau, il faut écrire l équation bilan : H 2 O + H 2 O H 3 O + + HO - C est l autoprotolyse de la molécule d eau. Le symbole ( ) dans l équation permet d indiquer que simultanément coexiste les espèces chimiques suivantes : H 2 O, H 3 O + et HO -. Toutes solutions aqueuses (dont le solvant est de l eau) renferment au moins les espèces chimiques suivantes : - Des molécules d eau H 2 O en très très grande quantité. - Des ions hydronium H 3 O + en très faible quantité. - Des ions hydroxydes HO - en très faible quantité. 3

4 3- Le produit ionique de l eau Le produit de la concentration molaire en ions H 3 O + par la concentration molaire en ions HO - est toujours constant et est égale à K e. avec [H 3 O + ] et [HO - ] sont des concentrations molaires exprimées en mol/l Exprimer alors [H 3 O + ] en fonction de [HO - ] et K e ; Puis [HO - ] en fonction de [H 3 O + ] et K e. 4- Application 4-1 La concentration dans une solution aqueuse en ion hydronium [H 3 O + ] = 10-5 mol/l ; Calculer la concentration en ion hydroxyde [HO - ]. 4-2 La concentration dans une solution aqueuse en ion hydroxyde [HO - ] = 10-2 mol/l ; Calculer la concentration en ion hydronium [H 3 O + ]. 4

5 Activité 3 OBJECTIFS Attribuer a un produit s il est acide, basique ou neutre. Calculer le ph d une solution connaissant sa concentration. 1- Activité documentaire Vous utiliser dans la vie courante certain nombre de produits qui sont soit acides, soit basiques, soit neutres. 1-1 Intuitivement, pouvez-vous dire si les produits proposés sont acides, basique ou neutre? acide basique neutre acide basique neutre acide basique neutre acide basique neutre acide basique neutre acide basique neutre 1-2 Comment vérifier vos hypothèses 2- Notion de ph Le ph est une valeur comprise entre 0 et 14. Si le ph < 7, on dit que la solution est acide. Si le ph > 7, la solution est basique. Et un ph 7, la solution est neutre. Le ph est une échelle logarithmique (Multiplier par 10 le degré d acidité ou d alcalinité). Exemple : Solution de ph 5 = 10 plus acide qu une solution de ph 6. Solution de ph 4 = 100 plus acide qu une solution de ph 6 5

6 3- Comment mesure t-on le ph? 3-1 Le papier ph Electrode C est un papier qui prend une couleur donnée en fonction du ph de la solution. Par comparaison sur des étalons de couleurs, on détermine le ph d une solution. (Précision : l unité ph). ph-mètre 3-2 Le ph-mètre Appareil de mesure qui vous renseigne sur la valeur du ph d une solution. (Précision : au 10 ème unité ph) 3-3 L indicateur coloré Prend une couleur en fonction du ph de la solution (Précision : indique si la solution est acide, basique ou neutre) Le Bleu de Bromothymol : Pour un ph < 6 (Acide) : couleur jaune ; Un ph > 7,6 (Basique) : couleur bleue ; Couleur vert pour un ph compris entre 6 et 7,6 (Neutre). 4- Comment calculer le ph d une solution Le ph est lié à la concentration en ion hydronium (H 3 O + ) d une solution. Par exemple : Une solution de concentration en ions hydronium [H 3 O + ] = 10-1 mol/l présente un ph = 1. Si la concentration est [H 3 O + ] = 10-2 mol/l le ph est de 2 etc Inversement, si le ph = 9, cela signifie que dans cette solution [H 3 O + ] = 10-9 mol/l. On obtient l échelle suivante : [H 3 O + ] mol/l ph 6

7 La notion de ph a été introduite en 1909 par le chimiste danois Soërensen. Il est plus simple d exprimer l acidité d une solution par son ph que par sa concentration en ions hydronium (H 3 O + ). On en déduit que : [H 3 O + ] = 10 -ph mol/l Alors : ph = - log [H 3 O + ] EX n 1 : Le citron, la concentration en ions hydronium [H 3 O + ] = 2, mol/l. Calculer son ph. EX n 2 : L eau de Javel diluée peut-être utilisée comme désinfectant. Le ph de telle solution est égal à ph = 9,6. Calculer la concentration en ions hydronium [H 3 O + ] et hydroxyde [HO - ]. Ex n 3 : Une solution de soude a une concentration en ions hydroxyde [HO - ] = 6, mol/l Calculer la concentration en ions [H 3 O + ] et le ph d une telle solution. 5- Conclusion Si le ph < 7 alors la solution est acide et la concentration en ions [H 3 O + ] > [HO - ] Si le ph = 7 alors la solution est neutre et la concentration en ions [H 3 O + ] = [HO - ] Si le ph > 7 alors la solution est basique et la concentration en ions [H 3 O + ] < [HO - ] 7

8 Activité 4 OBJECTIFS Définir un acide et une base selon Brönsted. Ecrire la réaction entre un acide et une base 1- Historique Précédemment on a vu que la molécule d eau (H 2 O) donnait naissance a des ions hydronium (H 3 O + ) et des ions hydroxyde (OH - ). C est ions H 3 O + et OH - ne figure jamais sur les étiquettes d eau pourtant leur importance va permettre de caractériser les solutions acides et basiques. C est le chimiste danois Brönsted qui à proposé la théorie de l acido-basicité fondée sur l échange de protons H Cas d un acide Un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H +. A 1 B 1 + H + On dit que B 1 est la base conjuguée de l acide A 1 Exemple : 3- Cas d une base Une base est une espèce chimique capable d accepter un proton H +. B 2 + H + A 2 On dit que A 2 est l acide conjugué de la base B 2 Exemple : 4- Le couple acide base 4-1 Définition Un couple acide/base est l ensemble d un acide et d une base succeptibles de s échanger un proton H + selon la demi-équation acido-basique : A B + H + On dit que le couple acide base est A/B Les deux entités sont appelé acide ou base conjuguée. 8

9 4-2 Quelques couples acide/base importants Couples Forme acide Forme basique Demi-équation acido-basique HCl/Cl - CH 3 COOH/CH 3 COO - H 2 O HO - H 3 O + H 2 O NH 3 + H + NH 4 + H 2 SO 4 H + + HSO 4 - CO 2, H 2 O/HCO 3-5- Composés amphotères Un composé amphotère est un composé qui peut se comporter comme un acide ou une base au sens de Brönsted. La molécule d eau : H 2 O L ion hydrogénosulfate : HSO 4-9

10 6- Réaction acide base selon Brönsted La réaction acide-base est un transfert de protons (H + ) de l acide d un couple acide/base à la base d un autre couple acide/base. EXEMPLES 1- Réaction de l acide chlorhydrique (HCl) sur l hydroxyde de sodium (Na + + OH - ). 2- Réaction de l acide chlorhydrique (HCl) sur l ammoniac (NH 3 ). 3- Réaction de l acide éthanoïque ou acétique (CH 3 COOH) sur l ammoniac (NH 3 ). 4- Réaction de l acide éthanoïque ou acétique (CH 3 COOH) sur l ion hydrogénocarbonate (HCO 3 - ). 10

11 Activité 5 OBJECTIFS Déterminer la concentration d un acide ou d une base en utilisant un dosage par colorimétrie ou potentiométrique. 1- Définition Doser ou titrer une espèce chimique consiste à déterminer la concentration molaire de cette espèce. Cela revient aussi à déterminer la quantité de matière (en moles) de cette espèce présente pour un volume donné de cette solution. L espèce dont on veut déterminer sa concentration molaire s appelle le réactif titré. Il est situé dans le bécher. Dans la burette graduée se trouve le réactif titrant dont on connait sa concentration molaire. 2- Protocole opératoire et point d équivalence Si l acide est le réactif titré, alors on neutralise l acide par une base. A l équivalence A l équivalence, le réactif titrant et le réactif titré se trouve dans les proportions stœchiométriques de l équation du dosage : H 3 O + + HO - 2 H 2 O (1 mole d acide neutralise 1 mole de base d après l équation bilan ci-dessus) 11

12 L équivalence est obtenue lorsque les ions H 3 O + provenant de l acide ont été neutralisés par les ions HO - provenant de la base. n Acide = n Base C A V A = C B V B C A : Concentration molaire de l acide ; C B : Concentration molaire de la base. En mol/l. V A : Volume d acide et V B : Volume de Base. Exprimé en Litre. 3- Titrage ph-métrique C est le tracé d une courbe montrant l évolution du ph en fonction du réactif titrant versé. Méthode des tangentes pour trouver le point d équivalence : On trace deux tangentes à la courbe, parallèles et situées de part et d autre du point équivalent. On trace ensuite la parallèle à ces deux tangentes, équidistante de celle-ci. Son intersection avec la courbe détermine le point d équivalence : E. On trouve le volume à l équivalence V E sur l axe des abscisses. 4- Le titrage colorimétrique Ce titrage est basé sur un changement de couleur de la solution titrée. Ce changement de couleur est provoqué par l addition d un indicateur coloré dans la solution titrée. Les indicateurs colorés les plus utilisés sont : - Le bleu de bromotymol (BBT) : virage du jaune au bleu en passant par le vert. - La phénol phtaléine (PP) : virage de l incolore au rose violacé. 12

13 Pour trouver l indicateur coloré le plus approprié, il faut que la zone de virage corresponde à la valeur du ph à l équivalence (ph E ). Dans cet exemple, il faut utiliser la phénolphtaléine comme indicateur coloré. (Passage de l incolore au rose). Application : On veut déterminer la concentration molaire (C A ) d une solution d acide éthanoïque (CH 3 COOH). Pour cela on dose 20 ml d acide par de la soude ou hydroxyde de sodium (Na + + OH - ) de concentration C B = 0,1 mol/l. Le virage de l indicateur s effectue pour un volume a l équivalence V E = 12,4 ml. 1- Compléter le schéma ci-contre : 2- Ecrire l équation du dosage. 3- Calculer la concentration molaire de cet acide. 13

14 Activité 6 OBJECTIFS Classer la force des acides selon leur pk a Trouver les zones de prédominances des espèces chimiques en fonction du ph. 1- Expression de la constante d acidité : K a AH + H 2 O H 3 O + + A - L expression de la constant K a est donné par : Exemple : Ecrire l équation de dissociation de l acide éthanoïque puis donner l expression du K a. 2- Notion du pk a Pour comparer la force des acides, la valeur du K a est peu commode. Pour y pallier, on définit une grandeur logarithmique : le pk a : 14

15 3- Domaine de prédominance des espèces AH et A - Application : Faire le diagramme de prédominance pour l acide éthanoïque. 4- Ou trouver la valeur du pk A sur une courbe ph-métrique Relation d Anderson : A la demi équivalence : [A - ] = [AH] Donc Application : Trouver le pka de l acide éthanoïque : 15

16 16

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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