Les concentrations en ions oxonium, en acide et base conjuguée sont alors reliées entre elles par la relation :

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1 TPC2 DETERMINATION D'UNE CONSTANTE D'ACIDITE D'UN COUPLE ACIDO-BASIQUE PAR PH-METRIE. CONTEXTE Le vinaigre est aussi vieux que la civilisation elle-même, peut-être plus. Les bactéries qui transforment l éthanol en acide acétique sont présentes partout dans le monde, et toute culture fabriquant la bière ou le vin a inévitablement découvert le vinaigre, résultat naturel de l évolution de ces boissons alcoolisées laissées à l air libre. Les anciens romains faisaient bouillir le «vin aigre» dans des récipients de plomb pour produire un sirop très sucré, le sapa ou sucre de plomb, qui provoqua de nombreux empoisonnements au plomb dans l aristocratie romaine. Partons à la découverte de cet acide particulier! DOCUMENTS MIS A DISPOSITION DU CANDIDAT DOCUMENT 1 COMPOSITION DU VINAIGRE Bien connu pour ses qualités gustatives, le vinaigre est aussi utilisé aujourd hui comme produit ménager pour ses propriétés désinfectantes et détartrantes. Son ph est compris entre 2,0 et 3,0 et il contient majoritairement de l acide éthanoïque de formule CH 3 COOH. L acide éthanoïque, notée AH, est un acide faible. Sa base conjuguée, noté A -, est l ion éthanoate CH 3 COO DOCUMENT 2 MELANGE D UN ACIDE FAIBLE ET DE SA BASE CONJUGUEE En l absence d autres acides ou bases, le mélange d une quantité n i (AH) d un acide faible et d une quantité n i (A ) de sa base conjuguée dans l eau conduit à l équilibre chimique suivant : CH 3 COOH (aq) + CH 3 COO (aq) CH 3 COOH (aq) + CH 3 COO (aq) De ce fait, les concentrations des deux espèces ne varient pas et restent égales aux concentrations initiales dans le mélange : = n i (AH) V melange et [A ] eq = n i (A ) V melange DOCUMENT 3 CONSTANTE D ACIDITE KA D UN COUPLE ACIDE (AH) / BASE (A-) Dans le cas d un acide faible AH, sa dissolution dans l eau n est pas totale. La solution finale est alors une solution aqueuse dans laquelle coexistent l acide et sa base conjuguée dans un état dit d équilibre. AH + H 2 O A + H 3 O + Les concentrations en ions oxonium, en acide et base conjuguée sont alors reliées entre elles par la relation : K a = [A ] eq [H 3 O + ] eq (1) Où Ka est une constante ne dépendant que de la température du milieu réactionnel. Cette constante est appelée CONSTANTE D ACIDITE associée au couple acido-basique AH/A-. A cette constante est associée la grandeur pka définie par : pka = log (K a ) Le ph d'une solution contenant un acide AH et sa base conjuguée A- d'un couple acido-basique AH/A- est alors lié à la proportion d'acide et de base conjugués par la relation : ph = pka + log ( [A ] eq ) (2)

2 MATERIEL MIS A DISPOSITION DU CANDIDAT 1 solution aqueuse d'acide éthanoïque de concentration molaire en soluté C AH = 1, mol/l 1 solution aqueuse d'éthanoate de sodium de concentration molaire en soluté apporté C A = 1, mol/l 1 ph-mètre avec solutions tampons ph = 4 et ph = 7 1 agitateur magnétique Deux burettes graduées 1 ordinateur avec Excel Quelques béchers 1. ELABORATION D'UN PROTOCOLE EXPERIMENTAL - Compétence ANALYSER Une méthode pour déterminer la constante d'acidité Ka d'un couple acido-basique AH/A- (ou plus précisément son pka) consiste à exploiter la courbe d'évolution ph = f(log ( [A ] eq ). (a) A l'aide du document 1, expliquer comment l'exploitation graphique de cette courbe d'évolution permet d'évaluer le pka d'un couple acido-basique (b) Montrer, à l aide du document 2 et en rédigeant bien votre réponse, que lorsqu un volume VA d acide AH de concentration C est mélangé à un volume VB de même concentration C en sa base conjugué, le rapport des concentrations en acide et base conjugué à l équilibre vérifie la relation : [A ] eq V B V A (c) En déduire un protocole expérimental qui permettra de déterminer le pka du couple acide éthanoïque CH 3 COOH / ion éthanoate CH 3 COO. Vous n oublierez pas de préciser la verrerie utilisée.

3 APPEL n 1 Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental ou en cas de difficulté 2. MISE EN ŒUVRE DU PROTOCOLE - Compétence REALISER En répartissant le travail au sein de votre binôme, effectuer les manipulations nécessaires pour remplir le tableau ci-dessous. Volume d'acide éthanoïque versé (en ml) Volume d'éthanoate de sodium versé (en ml) [A ] eq log ( [A ] eq ) PH VA VB 25,0 ml 5,0 ml 25,0 ml 8,0 ml 25,0 ml 12,5 ml 25,0 ml 20,0 ml 25,0 ml 25,0 ml 5,0 ml 25,0 ml 8,0 ml 25,0 ml 12,5 ml 25,0 ml 20,0 ml 25,0 ml

4 3. EXPLOITATION DES RESULTATS - Compétence VALIDER (a) Tracer, à l aide d un tableur-grapheur (Excel par exemple), la courbe d évolution ph = f(log ( [A ] eq )) APPEL n 2 Appeler le professeur pour lui présenter votre graphique ou en cas de difficulté (b) Déduire du graphique la valeur du pka, puis du Ka du couple acide éthanoïque CH 3 COOH / ion éthanoate CH 3 COO, après en avoir rappelé les expressions. (c) La valeur de référence est Ka,th = 1, pour le couple CH 3 COOH/ CH 3 COO. Comparer la valeur expérimentale à la valeur théorique et en déduire la qualité expérimentale de votre expérience. (d) Quelles sont les sources d'erreur pouvant expliquer l'éventuel écart avec la valeur déterminée expérimentalement. Ranger votre paillasse avant de continuer la suite

5 TPC2BIS DETERMINATION D'UNE CONSTANTE D'ACIDITE D'UN COUPLE ACIDO-BASIQUE PAR CONDUCTIMETRIE. Si, comme vu précédemment, des mesures de ph permettent de déterminer expérimentalement la valeur de la constante d acidité d un couple, une mesure de conductivité le peut tout aussi bien, dans la mesure où la dissolution d un acide faible dans l eau met en jeu des espèces ioniques. DOCUMENTS MIS A DISPOSITION DU CANDIDAT DOCUMENT 1 - QUELQUES RAPPELS DE CONDUCTIMETRIE La conductivité d'une solution ionique, notée et exprimée en Siemens par mètre (S.m -1 ), est une grandeur physique évaluant l aptitude d une solution à conduire le courant électrique. Elle dépend de la nature des ions présents en solution et de leur concentration en solution selon la loi de Kohlrausch : = (λ ion [ion]) où λ ion désigne la conductivité ionique molaire d'un ion de la solution en ms.mol -1.m² [ion] la concentration molaire effective en ions en mol.m -3 DONNEES DE QUELQUES CONDUCTIVITES IONIQUES MOLAIRES Ion H 3 O + CH 3 COO - C 6 H 5 COO - i (S.m 2.mol -1 ) 35, , MESURE DE LA CONDUCTIVITE DE QUELQUES SOLUTIONS DILUEES D ACIDE ETHANOÏQUE Compétences ANALYSER et REALISER A l aide de la solution précédente, préparer 50,0 ml de solution diluée 10 fois après avoir préalablement évaluée le volume de solution «mère» à prélever. Indiquer alors le matériel nécessaire pour cette dilution Etalonner le conductimètre à l aide d une solution de chlorure de potassium à 0,01 mol/l, puis nettoyer la cellule conductimétrique. Verser 50,0 ml de la solution diluée dans un bécher préalablement séché. Mesurer la conductivité de 50,0 ml de cette solution d acide éthanoïque de concentration molaire C = 1, mol/l. Noter la valeur obtenue ci-dessous. σ 1 =

6 2. EXPLOITATION DES RESULTATS ET ESTIMATION DE LA CONSTANTE D ACIDITE DU COUPLE H 3 COOH / CH 3 COO - Compétence VALIDER a. Ecrire la réaction de dissolution de l'acide éthanoïque CH 3 COOH (acide faible) dans l eau et donner l expression de la constante d acidité du couple CH 3 COOH / CH 3 COO b. Après avoir identifié les ions majoritairement présents en solution à l aide de l équation de la réaction de dissolution, donner l expression de la conductivité de la solution d acide éthanoïque à l aide du document 4. c. Compléter le tableau d avancement, sachant que la quantité initiale d acide éthanoïque est égale à n i (AH) = C V Equation chimique Etat initial x = 0 n i (AH) = C V Etat final réèl x f d. Après avoir établi une relation entre les concentrations finales [CH 3 COO ] eq et [H 3 O + ] eq, montrer que : [H 3 O + σ ] eq = λ(h 3 O + ) + λ(ch 3 COO ) Puis calculer la valeur de cette concentration dans le cas des solutions pour lesquelles la conductivité a été mesurée. Les résultats des calculs seront consignés dans le tableau prévu à cet effet page suivante. Bien détailler votre raisonnement

7 e. Sachant que l acide éthanoïque initialement introduit s est dissocié partiellement en ions éthanoates, en déduire une relation simple entre la concentration initiale en acide éthanoique C = [CH 3 COOH] i et les concentrations à l équilibre [CH 3 COOH] eq et [CH 3 COO ] eq ETAT INITIAL ETAT FINAL CH 3 COOH CH 3 COOH CH 3 COO f. En faisant le calcul à partir des valeurs expérimentales, il est possible de montrer que l acide ne s est pratiquement pas dissocié de sorte que C [CH 3 COOH] eq. Dans le cadre de cette approximation, calculer la constante d acidité Ka du couple acide éthanoïque CH 3 COOH / ion éthanoate CH 3 COO Ranger votre paillasse

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