ST2S Thème 2 - ACIDES ET BASES DANS LES MILIEUX BIOLOGIQUES Chapitre 1 : ACIDES FAIBLES ET BASES FAIBLES EN SOLUTION

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1 ST2S Thème 2 - ACIDES ET BASES DANS LES MILIEUX BIOLOGIQUES Chapitre 1 : ACIDES FAIBLES ET BASES FAIBLES EN SOLUTION 1. ECHELLE DE Sur les étiquettes d minérales, on peut lire suivi d une valeur voisine de 7. Le est une grandeur liée à l acidité. La valeur du est comprise entre 0 et 14 - Les solutions acides ont un inférieur à 7. <7 - L pure a un égal à 7: elle est dite neutre - Les solutions basiques ont un supérieur à 7. >7 de en acides Une solution est : - d autant plus acide que son faible - d autant plus basique que son est élevé 2. LE DES SOLUTIONS AQUEUSES DEFINITION. Toute solution contient des ions H3O. La concentration molaire de ces ions peut varier de quelques mol.l -1 (solutions fortement acides) à quelques mol.l -1 (solutions fortement basiques). La grandeur permet de comparer commodément les valeurs des concentrations des ions H 3 O dans diverses solutions. Pour se rendre compte de l échelle importante des grandeurs de la concentration en ions oxonium qui ne peuvent être représentés sur un axe à une échelle unitaire, on peut visualiser les concentrations à l aide d une échelle de longueurs logarithmique. On retiendra que le est lié à la concentration des ions H3O par la relation: = - log [H 3 O ] Dans cette relation [H3O ] représente le nombre qui mesure la concentration molaire des ions H3O dans la solution exprimée en mol.l -1. Inversement, la valeur du permet de calculer la concentration molaire des ions H3O, par la relation : [H 3 O ] = 10 - Exemple 1. Calculer le d une solution aqueuse contenant des ions oxonium de concentration [H3O] = 3,0 x 10-5 mol.l -1 = - log ( ) = 4,5 Exemple 2. Calculer la concentration en ions oxonium d une solution aqueuse de 1 = 8,2 [H3O ] 1 = 10-8,2 = mol.l -1 Exemple 3. Calculer la concentration en ions oxonium d une solution aqueuse de 2 = 6,2 2 [H3O ] 1 = 10-6,2 = 6, mol.l -1 On remarque que 1 > 2 alors que [H3O]1 < [H3O]2 0 de en basiques 14 4 Remarques. 1- Lorsque la concentration en ions H3O augmente, le diminue, [H3O ] et inversement. 2- Dans toute solution aqueuse, le produit ionique Ke est constant : Ke = [H3O ]. [HO - ] = ; pke = 14 Donc, connaissant [H3O ] on peut connaître [HO - ] et inversement. Exemple 4 : Si [H3O ]= 10-8, que vaut [HO - ]? H3O ]. [HO - ] = donne [HO - ] = / [H3O ] Donc [HO - ] = / 10-8 = 10-6 Conclusion : [HO - ] = 10-6 mol.l MESURE DU. La mesure approchée du se détermine à l aide de papier. C est un papier imprégné d un mélange d indicateurs colorés. Ce papier change de couleur en fonction du de la solution. Une détermination précise du s effectue à l aide d un -mètre. (voir TP)

2 3. ACIDES ET DES BASES DE BRONSTED DEFINITIONS Un ACIDE AH au sens de Brönsted est une entité chimique capable de CÉDER un ou plusieurs PROTON (s) H Selon la demi-équation acido-basique : HA = H A - (1) Acide Nom Demi-équation HCl CH3-COOH NH 4 H3O H2O Chlorure d hydrogène acide acétique ion ammonium ion oxonium HCl=Cl- H CH3-COOH = CH3-COO- H NH 4 = NH 3 H H3O = H2O H H 2 O=HO - H Une BASE B au sens de Brönsted est une entité chimique capable de CAPTER un ou plusieurs PROTON (s) H selon la demi-équation acido-basique : B H = BH (2) Base Nom Demi-équation NH3 CH3-COO- Cl - HO - H2O Ammoniac ion acétate ion chlorure ion hydroxyde NH 3 H = NH 4 CH3-COO - H = CH3-COOH Cl - H =HCl HO - H =H2O H2O H = H3O Remarque : L apparaît à la fois comme acide et comme base, on dit que c est une espèce chimique AMPHOTÈRE 3.2. LES COUPLES ACIDE / BASE ET LA DEMI-EQUATION ACIDO-BASIQUE. Quand un acide AH fournit un proton H, il produit une espèce chimique A - capable de fixer ce proton. Dans la demiéquation (1), l espèce chimique A - est donc une base : c est LA BASE CONJUGUÉE de l acide AH. De même, quand une base capte un proton H, elle engendre une espèce chimique susceptible de perdre ce proton. Dans la demi-équation (2) l espèce chimique BH est donc un acide : c est L ACIDE CONJUGUÉ de la base considérée. A tout acide correspond donc une base et à toute base correspond un acide. L ensemble de deux espèces conjuguées constitue UN COUPLE ACIDO-BASIQUE. : HA/A - ATTENTION : l acide est écrit avant la base. A un couple acide/base, on associe LA DEMI-ÉQUATION ACIDO-BASIQUE, qui peut être écrite dans un sens ou dans l autre : ACIDE = H BASE CONJUGUÉE Exemples : Couples Nom de l acide Nom de la base NH 4 / NH 3 CH 3 -COOH / CH -COO - H 3 O / H 2 O H 2 O / HO - ion ammonium acide acétique ion oxonium Ammoniac ion acétate ion hydroxyde Exemple : Écrire la demi-équation acido-basique du couple CH 3 NH 3 / CH 3 NH 2 : CH 3 NH 3 = H CH 3 NH 2 Indiquer qui est la base : CH 3 NH 2 ; qui est l acide : CH 3 NH 3

3 4. ACIDE FORT & ACIDE FAIBLE Un acide fort est un acide qui réagit TOTALEMENT avec l. Il est complétement dissocié dans l, seule la forme basique existe en solution aqueuse mais elle est indifférente à l (elle ne réagit pas avec l ). On pourra écrire l équation: AH(aq) H2O A - (aq) H3O (aq) On aura alors la relation entre la concentration C en acide dans la solution et la concentration [H 3 O] : [H 3 O] = C Un acide faible est un acide qui réagit PARTIELLEMENT avec l. Il.existe dans l. On pourra écrire l équation: AH(aq) H2O(liq) A - (aq) H3O (aq) On aura alors la relation entre la concentration C de la solution et la concentration [H 3 O] :... [H 3 O] < C Exemple 5. Une solution d acide benzoïque C6H5COOH de concentration molaire apportée C = 1,0 x 10-2 mol/l possède un =3,1. 1. Calculer la concentration en ions H 3 O : [H 3 O] =10 - = 10-3,1 = 7, mol.l L acide benzoïque est-il un acide fort ou un acide faible? 7, < 1,0 x 10-2 donc [H 3 O] < C. C est donc un acide faible. 3. Ecrire l équation de la réaction de l acide C6H5COOH avec l : C 6 H 5 COOH H 2 O == H 3 O C 6 H 5 COO - Exemple 6. Une solution d acide chlorhydrique HCl de concentration molaire apportée C = 1,0 x 10-4 mol/l possède un égal à 4,0. 1. Calculer la concentration en ions H3O : [H 3 O] = 10 - = 10-4 mol.l L acide chlorhydrique est-il un acide fort ou un acide faible?.c est un acide fort car C = [H 3 O] 3. Ecrire l équation de la réaction de l acide HCl avec l : HCl H 2 O H 3 O Cl - 5. CONSTANTE D EQUILIBRE Ka D UNE REACTION ACIDO BASIQUE DEFINITION. L équilibre chimique entre HA, acide faible, et A - se traduit donc par la réaction réversible suivante : HA H2O = A - H3O Par définition la grandeur Ka appelée CONSTANTE D ACIDITÉ et caractéristique du couple HA/A -, a pour expression : Ka = [H 3 O]. [A-] / [HA] Comme on définit le, on définit la valeur logarithmique du Ka : pka = - log Ka Exemple 7. On considère la réaction C 6 H 5 CO 2 H H 2 O = C 6 H 5 COO - H 3 O Donner l expression de sa constante d équilibre Ka : Ka = (C 6 H 5 COO - ). (H 3 O ) / (C 6 H 5 CO 2 H ) Exemple 8. On donne la valeur Ka = 5 x 10-11, grandeur caractéristique du couple HCO 3 - / CO En déduire la valeur du pka de ce couple : pka = - log Ka soit, pka = -log (5 x ) = 10,3 Il s agit donc d un acide faible. 2. Ecrire l équation de la réaction de l acide HCO 3 - avec l : HCO 3 - H 2 O == CO 3 2- H 3 O Remarque : pka = 14 pour le couple H 2 O / HO- ; Pour les acides faibles 14<pKa< 0 ; pka = 0 pour le couple H 3 O]/H 2 O

4 5.2. CLASSIFICATION DES COUPLES ACIDO-BASIQUES. On retiendra : Un acide est d autant plus faible que le Ka du couple auquel il appartient est.petit et donc que son pka est grand Une base est d autant plus faible que le Ka du couple auquel elle appartient est.élevé et donc que son pka est petit Pour un couple acide/base, plus l acide est.fort et plus la base est faible. pka Ka Exemple 9 Couples C 3 H 6 O 3 / C 3 H 6 O - ; C3H4O3/ C3H3O3 - ; C2H4O2/C2H3O2 - ; C9H8O4/ C9H7O4 - a / a b / b c / c d / d pka 3,9 2,5 4,8 3,5 Classer les bases ci-dessus du plus fort au plus faible : c - a d b Classer les acides ci-dessous du plus fort au plus faible : b d a c Conclusion : Plus pka est faible ( et Ka élevé), plus l acide est fort et sa base conjuguée est faible Plus pka est grand ( et Ka petit ), plus l acide est faible et sa base conjuguée est forte. 6. DOMAINES DE PREDOMINANCE. 6.1 DIAGRAMMES D après la définition du et du pka pour une solution contenant le couple HA /A-, on démontre que : = pka log (A - ) / (AH). Si de la solution est inférieur au pka du couple, alors (A-)/ (AH) <1 et (HA) > (A-) : on dit que AH est prédominant par rapport à la forme basique A -. Si de la solution est supérieur au pka du couple, alors (A-)/ (AH) >1 et (HA)< (A-) : on dit que A- est prédominant par rapport à la forme acide AH. Si est égal à pka, alors la solution contient autant de forme acide que de forme basique du couple AH/A - On définit ainsi graphiquement les domaines de prédominance de l acide HA et de sa base conjuguée A - -. Forme AH prédominante <pka (AH) = (A-) pka Forme A - prédominante > pka Exemple 10. L acide benzoïque C6H5-COOH appartient au couple C6H5-COOH - / C6H5-COO- qui a pour valeur de pka = 4,2. Le mètre indique 3,1 pour le d une boisson. 1. Ecrire l équation de réaction de l acide benzoïque avec l :. C 6 H 5 CO 2 H H 2 O = C 6 H 5 COO - H 3 O 2. Tracer le diagramme de prédominance du couple. C 6 H 5 CO 2 H prédominant C 6 H 5 COO - prédominant = 3,1 pka = 4,2 3. En déduire l espèce prédominante dans la boisson : à =4,2 c est la forme acide C 6 H 5 CO 2 H qui prédomine dans la boisson.

5 6.2. APPLICATION AUX INDICATEURS COLORES DE. De manière plus générale, les indicateurs colorés de sont constitués par des couples acide/base dont les espèces conjuguées ont des couleurs différentes. Notons HInd et Ind- les espèces acide et basique d un indicateur coloré. En solution aqueuse, le couple HInd / Ind-, de constante d acidité Ka, est en équilibre selon l équation : HInd H2O == Ind - H 3 O La teinte de l indicateur dépend de l espèce qui prédomine et donc du de la solution. On définit 3 domaines HInd : couleur 1 Mélange Couleurs 1 et 2 Ind- : couleur 2 pka - 1 pka - 1 Quand le est compris entre pka - 1 et pka 1, la couleur observée est un mélange des deux couleurs correspondant aux formes acide et basique : c est la zone de virage de l indicateur. Exemple : pour la Phénolphtaléine, on donne la zone de virage : Incolore 8,1-9,8 Rose fuschia Cela signifie : pour un < 8,1, la couleur est incolore pour un > 9,8, couleur rose fuschia Application 11. On donne le pka = 6,8 du Bleu de Bromothymol (BBT). C est un indicateur coloré : la forme acide est jaune, la forme basique bleue. 1 ) Tracer le diagramme de prédominance caractéristique des indicateurs colorés. Faire apparaître les couleurs des différentes zones. On fait le diagramme de prédominance : JAUNE VERT BLEU = 4,8 6,8-1= 5,8 6,8 1=7,8 = 6,3 2 ) Quelle est la couleur prise par une solution contenant du BBT, dont le mesuré vaut 4,8? JAUNE 3 ) Même question pour une solution contenant du BBT, dont le mesuré vaut 6,3? VERT