EXERCICES Acides / Bases. A - Généralités sur les équilibres acido-basiques

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1 EXERCICES Acides / Bases A - Généralités sur les équilibres acido-basiques 1. Ecrire les équations des réactions de chacun des édifices suivants sur l eau ; en déduire s il s agit d acides, de bases ou d ampholytes acido-basiques. - HCO 3 HNO 3 S 2-2- SO 4 2+ Zn(H 2 O) 6 + C 6 H 5 NH 3 C 2 H 5 O - - H 2 PO 4 Br - SO 2 2. Calculer les constantes thermodynamiques des réactions acido-basiques suivantes : C 6 H 5 COO - + H 2 O = C 6 H 5 COOH + OH - pk A = 4,2 - HCO 3 = CO 2 + OH - pk A = 6,4 et 10 HCO H 2 O = CO H 3 O + HF + OH - = F - + H 2 O pk A = 3,2 PO H 3 O + = HPO H 2 O pk A = 2,2 7,2 12,1 3. Soit l acide benzoïque pour lequel K A = 6, a) Démontrer sur cet exemple la relation entre la constante d acidité K A et le coefficient de dissociation α d un acide faible. b) Calculer le coefficient de dissociation α de l acide benzoïque en solution à 1, mol.l -1 et à 1, mol.l Classer par ordre de basicité décroissante les bases suivantes, en justifiant la réponse : C 2 O 4 2- (pk A = 4,1) ; SO 4 2- (pk A = 2,1) ; C 6 H 5 NH 2 (pk B = 9,4) ; CH 3 COO - (K A = 1, ). 5. Représenter le diagramme de prédominance des différentes formes acido-basiques correspondant au dioxyde de carbone en solution aqueuse. pk A1 = 6,4 ; pk A2 = 10,3. 6. Dans une solution de soude on fait barboter du dioxyde de carbone CO 2 à raison de 0,100 mol.l -1. Le ph final est ph = 10,8. Calculer les concentrations molaires des espèces OH -, CO 2 (aq), HCO 3 -, CO 3 2- dans le mélange obtenu. Pour CO 2 (aq) : pk A1 = 6,4 ; pk A2 = 10,3. 7. Dans une solution d hydrogénophosphate de potassium à 0,100 mol.l -1, on ajoute de l acide chlorhydrique avec une variation de volume négligeable. Le ph final est ph = 6,8. Calculer les concentrations molaires des espèces H 3 PO 4, H 2 PO 4 -, HPO 4 2-, PO 4 3- dans le mélange obtenu. Pour H 3 PO 4 : pk A1 = 2,1 ; pk A2 = 7,2 ; pk A3 = 12,3. B Calculs de ph Toute relation donnant le ph sera démontrée et toute approximation sera justifiée. I- Calculer le ph des solutions suivantes : 1. Acides forts a. solution d acide nitrique 0,0100 mol.l -1 puis 1, mol.l -1. b. un mélange de 100,0 ml d acide nitrique à 0,0100 mol.l -1 et 200,0 ml d acide chlorhydrique à 0,0500 mol.l -1. 1

2 2. Bases fortes a. solution d hydroxyde de sodium 1, mol.l -1 puis 1, mol.l -1. b. un mélange de 200,0 ml de soude à 5, mol.l -1 et 300,0 ml de potasse à 2, mol.l Acides faibles a. solution d acide éthanoïque 0,0100 mol.l -1 puis 1, mol.l -1 (pk A = 4,8). b. solution d acide monochloroéthanoïque 0,0100 mol.l -1 (pk A = 2,9). 4. Bases faibles a. solution d ammoniaque 0,0100 mol.l -1 puis 1, mol.l -1 (pk A = 9,2). b. solution d éthylamine 0,0100 mol.l -1 (pk A = 10,6). 5. Polyacides et polybases a. solution d acide phosphorique 0,100 mol.l -1 (H 3 PO 4 pk A1 = 2,1 ; pk A2 = 7,2 et pk A3 = 12,1). b. solution d acide sulfurique centimolaire (pk A1 = 0 ; pk A2 = 1,9). c. solution d acide sulfurique 1, mol.l -1 (pk A1 = 0 ; pk A2 = 1,9). d. solution à 0,0100 mol.l -1 de phosphate de sodium (H 3 PO 4 pk A1 = 2,1 ; pk A2 = 7,2 et pk A3 = 12,1). 6. Ampholytes a. solution à 0,100 mol.l -1 puis 1, mol.l -1 d hydrogénocarbonate de sodium (H 2 CO 3 pk A1 = 6,3 ; pk A2 = 10,4). b. solution à 0,100 mol.l -1 d hydrogénooxalate de sodium (H 2 C 2 O 4 pk A1 = 1,2 ; pk A2 = 4,3). 7. Mélanges a. V 1 = 30,0 ml d une solution de soude c 1 = 0,100 mol.l -1 + V 2 = 100 ml d une solution d acide chlorhydrique c 2 = 0,020 mol.l -1 + V 3 = 50,0 ml d une solution de chlorure de sodium c 3 = 0,0100 mol.l -1. b. acide chlorhydrique 0,100 mol.l -1 et acide éthanoïque 0,100 mol.l -1 (pk A = 4,8). c. acide éthanoïque 0,100 mol.l -1 (pk A = 4,8) et chlorure d ammonium 0,100 mol.l -1 (pk A = 9,2). d. acide éthanoïque 0,100 mol.l -1 (pk A = 4,8) et acide méthanoïque 0,0100 mol.l -1 (pk A = 3,8). e. acide éthanoïque à 0,0100 mol.l -1 et éthanoate de sodium à 0,0200 mol.l -1 (pk A = 4,8). f. acide éthanoïque à 1, mol.l -1 et éthanoate de sodium à 2, mol.l -1 (pk A = 4,8). g. solution de nitrite d ammonium 0,100 mol.l -1 (HNO 2 pk A = 3,3 et NH 4 + pk A = 9,2). II- Calculer le ph des solutions suivantes : 1. solution d acide chlorique centimolaire (pk A = 0) 2. solution de chlorate de sodium décimolaire 3. solution de chlorure d ammonium décimolaire (pk A = 9,2) 4. solution de nitrate de zinc 0,0100 mol.l -1 (pk A = 9,6) 5. solution d acide orthoborique centimolaire (H 3 BO 3 pk A = 9,2) 6. solution de benzoate de sodium centimolaire (pk A = 4,2) 7. solution d hypochlorite de sodium centimolaire (pk A = 7,5) 8. solution d oxalate de sodium décimolaire (H 2 C 2 O 4 pk A1 = 1,2 ; pk A2 = 4,3) 9. solution d acide sulfureux centimolaire (H 2 SO 3 pk A1 = 1,9 ; pk A2 = 7,2) 10. solution de sulfite de sodium centimolaire (H 2 SO 3 pk A1 = 1,9 ; pk A2 = 7,2) 2

3 11. solution à 0,200 mol.l -1 d hydrogénophosphate de sodium (H 3 PO 4 pk A1 = 2,1 ; pk A2 = 7,2 et pk A3 = 12,1). 12. solution d hydrogénosulfate de sodium décimolaire (pk A1 = 0 ; pk A2 = 1,9) 13. solution d hydrogénosulfure d ammonium centimolaire (H 2 S pk A1 = 7,0 ; pk A2 = 14,0 et NH + 4 pk A = 9,2) 14. solution d hydrogénophosphate de sodium et d ammonium centimolaire (H 3 PO 4 pk A1 = 2,1 ; pk A2 = 7,2 et pk A3 = 12,1 et NH + 4 /NH 3 pk A = 9,2). 15. solution de phosphate d ammonium centimolaire (H 3 PO 4 pk A1 = 2,1 ; pk A2 = 7,2 et pk A3 = 12,1 et NH + 4 /NH 3 pk A = 9,2). 16. solution de borax centimolaire : Na 2 B 4 O 7, 10 H 2 O 2 Na B 4 O 7 et B 4 O H 2 O 2 H 3 BO B(OH) 4 H 3 BO 3 / B(OH) - 4 pk A = 9,2 III- Calculer le ph des mélanges suivants : 1. V 1 = 250 ml d une solution d acide chlorhydrique c 1 = 0,100 mol.l -1 + V 2 = 500 ml d une solution d acide fluorhydrique c 2 = 0,100 mol.l -1 (pk A = 3,2). 2. V 1 = 1,00 L d une solution d ammoniaque c 1 = 0,0200 mol.l -1 (pk A = 9,2) + V 2 = 10,00 ml d une solution de cyanure de sodium c 2 = 2,00 mol.l -1 (pk A = 9,3). 3. V 1 = 200 ml d une solution d ammoniaque de concentration c 1 = 0,200 mol.l -1 et V 2 = 400 ml d une solution de chlorure d ammonium de concentration c 2 = 0,150 mol.l -1. (pk A = 9,2). 4. On mélange V 1 = 20,00 ml d une solution d acide éthanoïque de concentration molaire c 1 = 0,100 mol.l -1 avec un volume V 2 d une solution de soude de concentration molaire c 2 = 0,100 mol.l -1. Calculer à 25 C le ph du mélange obtenu dans les 3 cas suivants : V 2 = 14,00 ml V 2 = 20,00 ml V 2 = 24,00 ml CH 3 COOH / CH 3 COO - pk A = 4,8 C Applications 1. Pour chacune des solutions suivantes, donner les espèces majoritaires et le rapport entre les concentrations de chaque acide et de leur base associée : a. solution d'hydrogénocarbonate de potassium, à ph = 4 / à ph = 8 / à ph = 13 pka : 6,4 10,3 b. mélange acide acétique et ammoniac, à ph = 2 / à ph = 6 / à ph = 12 pka : 4,8 9,2 c. mélange acide acétique et acide formique, à ph = 1 / à ph = 3 / à ph = 7 pka : 4,8 3,8 d. mélange acide oxalique et aniline, à ph = 2 / à ph = 8 / à ph = 11 pka : 1,2 et 4,3 4,6 e. solution d'acide phosphorique, à ph = 4 / à ph = 9 pka : 2,1 ; 7,2 et 12,3. 2. L acide malonique HOOC CH 2 COOH est un diacide noté H 2 A. Le document ci-dessous donne son diagramme de distribution en fonction du ph : les courbes représentent les pourcentages de chacune des espèces H 2 A, HA - et A 2- en fonction du ph. 3

4 a) Donner pour chacun des pourcentages son expression en fonction de h et des constantes d acidité notées K A1 et K A2 de l acide malonique. b) Déduire du diagramme les valeurs de pk A1 et pk A2. 3. Identification d'un indicateur coloré. On dispose d'un flacon d'indicateur coloré avec comme seule indication sa concentration molaire : C 0 = 2, mol.l -1. On mesure son ph : 4,2. Le couple acide/base présent dans cet indicateur coloré sera noté HInd/Ind. La solution d'indicateur coloré a été préparée à partir de la forme acide de l'indicateur : HInd. a. Déterminer l avancement et le taux de dissociation final de la réaction de l'acide HInd avec l'eau. b. Donner l'expression littérale de la constante d'acidité K A de la réaction de l'acide HInd sur l'eau. La calculer et identifier l'indicateur à l'aide des données du tableau suivant : Indicateur Couleur acide Zone de virage Couleur basique pk A Hélianthine rouge 3,1 4,4 Jaune orangé 3,7 Vert de Bromocrésol jaune 3,8 5,4 bleu 4,7 Bleu de Bromothymol jaune 6,0 7,6 bleu 7,0 Phénolphtaléine incolore 8,2 10,0 fuschia 9,4 4. On dose un volume V 1 = 100,0 ml d une solution ammoniaque de concentration molaire c 1 = 0,050 mol.l -1 par une solution d acide chlorhydrique de concentration c 2 = 0,050 mol.l -1. a. Calculer à 25 C le ph du mélange obtenu selon les différents volumes d acide chlorhydrique versés : V 2 = 40,0 ml V 2 = 100,0 ml V 2 = 130,0 ml b. Vérifier vos résultats avec la courbe de dosage ci-dessous, obtenue à l aide du logiciel de simulation Dozzzaqueux. 4

5 NH 4 + / NH 3 pk A = 9,2 5. On mélange un volume V 1 = 10,00 ml d une solution de carbonate de sodium de concentration molaire c 1 = 0,060 mol.l -1 avec un volume V 2 d une solution d acide chlorhydrique de concentration molaire c 2 = 0,100 mol.l -1. a. Calculer le ph du mélange obtenu selon les différents volumes d acide chlorhydrique versés : V 2 = 1,80 ml; 6,00 ml ; 10,20 ml ; 12,00 ml ; 13,80 ml b. Vérifier vos valeurs en traçant la courbe de dosage à l aide du logiciel Dozzzaqueux. On donne pk A1 = 6,3 et pk A2 = 10,3 6. Etude d un acide aminé naturel Un acide aminé naturel a pour formule : Ce composé existe à l état solide et en solution aqueuse sous la forme : appelée amphion ou ion dipolaire ou zwitterion 1) Expliquer pourquoi? 2) Quelle est la formule de la base conjuguée de l amphion? 3) Quelle est la formule de l acide conjugué de l amphion? 4) L amphion intervient dans 2 couples acide /base ; dans le cas ou R est le groupe méthyle (l acide aminé est l alanine) les constantes d acidité des deux couples sont : K A1 = 10-2,3 ; K A2 = 10-9,9. - Attribuer à chaque couple sa constante d acidité. - Etablir le domaine de prédominance de chaque espèce. 5) a) Calculer à 25 C le ph d une solution d alanine de concentration c = 0,100 mol.l -1. b) A 100 ml de cette solution on ajoute sans variation de volume 5, mol de chlorure d hydrogène ; calculer la nouvelle valeur du ph. c) Refaire le même calcul si l on ajoute 5, mol de soude. 5