11 LES EQUILIBRES ACIDO-BASIQUES

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1 11 LES EQUILIBRES ACIDO-BASIQUES Avant de résoudre les sujets de réflexion et les applications numériques ci-dessous, les notions suivantes doivent impérativement être revues : acide fort ; base forte ; acide faible ; base faible ; couple acide-base conjugué ; constante d acidité ; constante de basicité ; force d un acide (ou d une base) ; autoprotolyse de l eau ; équivalence ; milieu tampon ; limites d une solution tampon ; polyacide ; acide aminé ; phmètre ; indicateur coloré ; degré ou % d ionisation ; amphotère ; zwittérion ; ph isoélectrique ; acides et bases organiques. Quelle serait la nature des réactifs à mettre en présence pour observer au point d équivalence lors d un titrage acido-basique, une solution de ph = 7, de ph > 7 et de ph < 7? 11.1 Sujets de réflexion 1. Le ph du suc gastrique est compris entre 1,5 et 3,5. Quelle est la gamme de concentration en H 3 O + de celui-ci? 2. Expliquez pourquoi le ph de l eau distillée est généralement de 5,7 et non de 7,0. Est-il utile de préciser la température dans cet énoncé? 3. L acide acétylsalicylique (constituant de l aspirine) est un monoacide de K a = 3, Le sel de sodium de l acide acétylsalicylique sera-t-il acide, basique ou neutre? 11.2 Applications numériques 1. Calculez le ph des solutions aqueuses suivantes : a) HCl (1, mol/l) b) HCl (1, mol/l) c) CH 3 COOH (1, mol/l) d) CH 3 COOH (1, mol/l) 2. Pour chacun des mélanges suivants, écrivez la réaction ionique et calculez le ph de la solution finale : a) 5,0 ml de NaOH(aq) 0,450 mol/l ajoutés à 45,0 ml de HCl(aq) 0,020 mol/l. b) 20,0 ml de KOH(aq) 0,200 mol/l ajoutés à 20,0 ml de HNO 2 (aq) 0,200 mol/l. c) 20,0 ml de C 6 H 5 NH 2 (aq) 0,250 mol/l ajoutés à 40,0 ml de HCl(aq) 0,100 mol/l. 64

2 3. On titre 50,0 ml de CH 3 NH 2 (aq) 0,25 mol/l par HCl(aq) 0,35 mol/l. a) Quel est le ph de la solution initiale de CH 3 NH 2 (aq)? b) Quel est le ph après addition de 10,0 ml HCl(aq) 0,35 mol/l? c) Quel volume de HCl(aq) 0,35 mol/l faut-il ajouter pour atteindre le point d équivalence? d) Quel volume de HCl(aq) 0,35 mol/l faut-il ajouter pour atteindre la demi-équivalence? e) Calculez le ph au point de demi-équivalence. f) Calculez le ph au point d équivalence et suggérez un indicateur coloré approprié. g) Quel est le ph après addition de 45,0 ml HCl(aq) 0,35 mol/l? h) Schématisez l allure de la courbe. i) Comparez l allure de cette courbe avec celle d un titrage d une base forte par un acide fort. 4. On désire préparer un mélange tampon de ph = 3,5. On dispose des solutions aqueuses suivantes : - acide formique 0,1 mol/l - acide chloracétique 0,1 mol/l - acide acétique 0,1 mol/l - NaOH 0,2 mol/l a) Quel acide vous permettra-t-il de préparer le mélange tampon le plus efficace? b) Comment préparer le mélange tampon le plus efficace en partant de 200 cm 3 de la solution aqueuse de NaOH? c) A 150 ml de mélange tampon préparé, on ajoute : - 15 ml de HCl(aq) 0,2 mol/l. Calculez le ph ml de NaOH(aq) 0,1 mol/l. Calculez le ph ml d eau. Calculez le ph. Concluez. 5. On titre un échantillon de 25,0 ml d une solution aqueuse d acide tartrique par du KOH(aq) 0,100 mol/l et on construit la courbe de ph à partir des données obtenues. Une augmentation brusque du ph se produit après l addition de 17,0 ml du réactif de titrage, et une autre augmentation brusque se produit après l addition de 34,0 ml. a) Expliquez pourquoi il y a deux augmentations brusques du ph. b) Quelle est la molarité de la solution d acide tartrique? c) Quelle est la concentration (analytique) de l ion tartrate après l addition de 34,0 ml de réactif de titrage? d) Quel est le ph de la solution après l ajout de 17,0 ml et après l ajout de 34,0 ml de KOH(aq) 0,100 mol/l? e) Quel est le ph de la solution après l addition de 8,5 ml du réactif titrant? 65

3 11.3 Solutions des applications numériques 1. a) 2,00 ; b) 6,98 ; c) 2,88 ; d) 4,47 2. a) 12,43 ; b) 8,07 ; c) 4,00 ; d) 1,31 3. a) 12,02 ; b) 11,05 ; c) 35,7 ml ; d) 17,9 ml ; e) 10,64 ; f) 5,74 ; g) 1,47 4. a) acide formique ; b) 1095 ml ; c) 2,91 ; 3,71 ; 3,5 5. b) 6, mol/l ; c) 2, mol/l ; d) 3,70 ; 8,41 ; e) 3, Travaux personnels 1. L hypochlorite de sodium est le constituant actif de nombreux agents décolorants. a) Une solution aqueuse d hypochlorite de sodium mol/l est-elle acide, basique ou neutre? Justifiez. b) Calculez le ph de cette solution. c) Calculez le rapport des concentrations de l hypochlorite d hydrogène et de sa base conjuguée dans une solution décolorante dont le ph a été ajusté à 6,5. 2. Dites et justifiez si les solutions aqueuses de ces sels sont acides, basiques ou neutres : KI, CsF, CrI 3, C 6 H 5 NH 3 Cl, Na 2 CO 3 3. Quel est le ph d une solution aqueuse d acide éthanoïque 0,10 mol/l? A 10,0 ml de cette solution, on ajoute : a) 5,0 ml de NaOH(aq) 0,10 mol/l. Quel est le ph de la nouvelle solution? b) 5,0 ml de HCl(aq) 0,10 mol/l. Quel est le ph de la nouvelle solution? c) 5,0 ml de Ba(OH) 2 (aq) 0,10 mol/l. Quel est le ph de la nouvelle solution? 4. On titre 25,0 ml de CH 3 COOH(aq) 0,10 mol/l par NaOH(aq) 0,10 mol/l. a) Quel est le ph de la solution initiale de CH 3 COOH(aq)? b) Quel est le ph après addition de 10,0 ml NaOH(aq) 0,10 mol/l? c) Quel volume de NaOH(aq) 0,10 mol/l faut-il ajouter pour atteindre la demi-équivalence? d) Calculez le ph au point de demi-équivalence. e) Quel volume de NaOH(aq) 0,10 mol/l faut-il ajouter pour atteindre le point d équivalence? f) Calculez le ph au point d équivalence et suggérez un indicateur coloré approprié. g) Schématisez l allure de la courbe et comparez l allure de cette courbe avec celle d un titrage d un acide fort par une base forte. 66

4 5. Pour reproduire les conditions acido-basiques du sang, on souhaite préparer un tampon phosphate de ph = 7,40. a) Quel doit être le rapport des concentrations des ions HPO 2 4 et H 2 PO 4? b) Quelle masse de Na 2 HPO 4 faut-il ajouter à 500 ml de NaH 2 PO 4 (aq) 0,10 mol/l pour préparer le tampon? 6. Soit 200 cm 3 d une solution aqueuse de chlorure d hydrogène préparée à partir de 13,22 cm 3 d une solution aqueuse de chlorure d hydrogène concentrée à 30 % en masse (de masse volumique égale à 1,15 g/cm 3 ) et d eau. Quel volume de solution aqueuse d hydroxyde de sodium 0,509 mol/l faut-il utiliser pour neutraliser complètement 10,00 cm 3 de solution? 7. Calculez le ph d une solution aqueuse préparée en dissolvant 0,120 mole d acide éthanoïque et 0,100 mole de HCl dans 1 litre d eau. Calculez la concentration en CH 3 COO dans cette solution a) Quel doit être le rapport des concentrations des ions CO 3 et HCO 3 dans une solution tampon de ph = 11,0? b) Quelle masse de K 2 CO 3 (aq) doit-on ajouter à 1,0 L de KHCO 3 (aq) 0,100 mol/l pour préparer une solution tampon de ph = 11,0? c) Quelle masse de KHCO 3 (aq) faut-il ajouter à 1,0 L de K 2 CO 3 (aq) 0,100 mol/l pour préparer une solution tampon de ph = 11,0? d) Quel volume de K 2 CO 3 (aq) 0,200 mol/l faut-il ajouter à 100,0 ml de KHCO 3 (aq) 0,100 mol/l pour préparer une solution tampon de ph = 11,0? 9. Le pourcentage de déprotonation de l acide benzoïque dans une solution aqueuse 0,110 mol/l est 2,4 %. Quel est le ph de la solution et quel est le K a de l acide benzoïque? Comparez la valeur obtenue pour le K a avec celle dans les Tables de constantes. 10. L'acide lactique est un acide faible présent dans le lait. Son sel de calcium est une source de calcium pour les animaux en pleine croissance. Une solution saturée de ce sel, qui peut être représenté par Ca(Lact) 2, a une concentration en Ca 2+ de 0,26 mol/l et un ph de 8,40. En supposant que le sel est complètement dissocié, calculez le K a de l acide lactique. 11. On applique un courant de 11,3 A à 1,25 L d'une solution aqueuse de HBr 0,552 mol/l. Au cours du processus, une certaine quantité des H + se convertit en H 2 (g), qui se dégage de la solution. Quel est le ph de la solution après 73 min? 67

5 11.5 Solutions des travaux personnels 1. b) 9,26 ; c) 10,5 3. 2,88 ; a) 4,76 ; b) 1,48 ; c) 8,79 4. a) 2,88 ; b) 4,58 ; c) 12,5 ml ; d) 4,76 ; e) 25 ml ; f) 8,73 5. a) 1,59 ; b) 11,29 g 6. 12,3 ml 7. 1,00 ; 2, mol/l 8. a) 4,69 ; b) 64,8 g ; c) 2,15 g ; d) 235 ml 9. 6, ; 2, , , Exercices de défi 1. On considère un couple acido-basique HA/A caractérisé par son pk a et on souhaite étudier les proportions de chacune des deux espèces en fonction du ph de la solution dans laquelle se trouvent celles-ci. a) Quelle est la composition du milieu (% de chaque espèce) à pk a 1 et pk a 2? Déduisez l espèce majoritaire en-dessous du pk a du couple. b) Quelle est la composition du milieu (% de chaque espèce) à pk a +1? Déduisez l espèce majoritaire au-dessus du pk a du couple. c) Quelle est la composition du milieu (% de chaque espèce) lorsque ph = pk a? [Réponses : a) 9,1 % A et 90,9 % HA ; 0,99 % A et 99,01 % HA ; b) 90,9 % A et 9,1 % HA ; c) 50 % A et 50 % HA] 2. On mélange un échantillon de 5,55 g d un acide faible ayant un K a de 1, avec 5,00 ml d une solution aqueuse de NaOH 6,00 mol/l. On dilue la solution résultante jusqu à un volume de 750 ml. La solution a un ph mesuré de 4,25. Quelle est la masse molaire de l acide faible? [Réponse : 129 g/mol] 68

6 3. Le sang est tamponné par l acide carbonique et l ion bicarbonate. Dans le plasma sanguin normal, les concentrations sont de 0,024 mol/l pour HCO 3 et de 0,0012 mol/l pour H 2 CO 3 (à la température corporelle, pk a = 6,1 pour H 2 CO 3 ). a) Quel est le ph du plasma sanguin? b) Si le volume de sang chez un adulte normal est de 5,0 L, quelle masse de HCl le système tampon du sang pourrait-il neutraliser avant que le ph baisse en deçà de 7,0 (ce qui serait mortel)? c) Si le volume est le même que dans la question (b), quelle masse de NaOH pourrait être neutralisée avant que le ph dépasse 7,8? [Réponses : a) 7,4 ; b) 0,30 g ; c) 0,14 g] 69

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