OBJECTIFS : Mesurer le ph d'une solution aqueuse Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour déterminer une constante d acidité

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1 PRTIE 3 : Réactions chimiques et milieux biologiques TP 18 La chimie du K (ou constante d acidité) OBJECTIFS : Mesurer le ph d'une solution aqueuse Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour déterminer une constante d acidité CONTEXTE DU SUJET : ClaudeLouis Berthollet fut le premier, en 1803, à comprendre que toutes les réactions chimiques ne sont pas totales. Dans son Essai de statique chimique, il écrivit la première formule permettant de définir à priori les quantités présentes à l'équilibre. C est ainsi qu en chimie, on définit une constante d'équilibre qui caractérise l'état d'équilibre d'une réaction. Nous allons déterminer la constante d équilibre d une réaction acidobasique, appelée constante d acidité. Document 1 : Le ph ClaudeLouis Berthollet ( ) Le ph d une solution est lié à la concentration des ions oxonium, H 3 O +, présents dans la solution par la relation : ph = log[h 3 O + ] soit [H 3 O + ] = 10 ph Document 2 : Transfert de proton entre un acide et une base de couples différents. Un acide est une espèce chimique capable de céder au moins un proton H + : H + H + Une base est une espèce chimique capable de capter au moins un proton H + : + H + H Un couple acide/base, est défini par la demiéquation acidobasique : H + H + ou BH + B + H +. La double flèche indique que l'échange peut se produire dans les deux sens. Le couple est noté H / ou BH + /B. Exemple : acide méthanoïque/ion méthanoate HCO 2 H (aq) /HCO 2 (aq) : HCO 2 H (aq) HCO 2 (aq) + H + Une réaction acidobasique met en jeu deux couples acide/base. Elle résulte du transfert d'un proton H + entre l'acide d'un couple et la base d'un autre couple. + Exemple : réaction entre NH 4 (aq) /NH 3(aq) et HCO 2 H (aq) /HCO 2 (aq) : HCO 2 H (aq) HCO 2 (aq) + H + NH 3(aq) + H + + NH 4 (aq) + HCO 2 H (aq) + NH 3(aq) HCO 2 (aq) + NH 4 (aq) La double flèche indique que la réaction peut se produire dans les deux sens. Document 3 : cide fort ou acide faible Un acide H est faible si sa réaction avec l eau n est pas totale : H (aq) + H 2 O (l) (aq) + H 3 O + (aq) L'acide H n'est pas totalement transformé en ions. La réaction est symbolisé par. Exemple : l'acide éthanoïque est un acide faible. Un acide H est fort si sa réaction avec l eau est totale : H (aq) + H 2 O (l) (aq) + H 3 O + (aq) L'acide H est totalement transformé en ions. La réaction est symbolisé par. Exemple : l'acide chlorhydrique HCl est un acide fort.

2 Document 4 : Qu estce qu une constante d équilibre? Une réaction chimique ne se traduit pas toujours par la disparition complète d un réactif (limitant) en étant qualifiée alors de réaction totale. De nombreuses réactions sont partielles et aboutissent à un équilibre (chimique) entre les réactifs de départ et les produits de la réaction. L avancement final est alors inférieur à l avancement maximal. En chimie, une constante d'équilibre caractérise l'état d'équilibre d'une réaction. Elle représente donc un état qui ne peut pas évoluer de manière spontanée. La valeur de la constante d'équilibre dépend uniquement de la réaction chimique considérée et de la température. Les constantes d'équilibre sont généralement données à 25 C. Document 5 : Constante d équilibre acidobasique K et pk associé Les différents couples acidobasiques ne réagissent pas tous entre eux de façon identique. Certaines réactions sont violentes, d'autres sont plus modérées, d'autres ne se font quasiment pas. C'est la constante d'acidité, et surtout le pk des différents couples, qui permet de caractériser un couple et de comparer la force relative des couples. On peut ainsi prévoir l'évolution des réactions acidobasiques. Le pk d un couple acidebase H (aq)/ (aq) est une grandeur importante, qui peutêtre déterminée à partir des deux espèces conjuguées H (aq) et (aq). Pour un couple acidebase, noté H (aq) / (aq), le ph de la solution est lié au pk du couple par la relation : ph = pk + log [ H] insi, le pk d un couple acide/base peutêtre déterminé graphiquement en exploitant le graphe : ph = f log [ H] On en déduit la constante d acidité à l aide de la relation = 10 pk K (car pk = logk ) PRODUITS ET MTÉRIEL À DISPOSITION : solution aqueuse d acide éthanoïque de concentration en soluté apporté C H = 1,0 x 10 1 mol.l 1 ; solution d ions éthanoate de concentration en soluté apporté phmètre avec solutions tampon et notice d étalonnage ; agitateur magnétique ; deux burettes graduées ; ordinateur avec le logiciel Regressi et son mode d emploi ; matériel usuel de laboratoire C = 1,0 x 10 1 mol.l 1

3 NLYSER : 15 min conseillées 1. Comment peuton déterminer graphiquement le pk d un couple acide/base? 2. Élaborez un protocole pour déterminer le pk du couple acide éthanoïque / ion éthanoate : CH 3 COOH / CH 3 COO. PPEL N 1 ppeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental RÉLISER : 30 min conseillées Effectuer les manipulations pour remplir le tableau cidessous : V H (ml) 25,0 25,0 25,0 25,0 20,0 10,0 5,0 V (ml) 5,0 10,0 20,0 25,0 25,0 25,0 25,0 ph mesuré V Tracer le graphique ph = f log V H PPEL N 2 ppeler le professeur pour lui présenter vos résultats VLIDER : 45 min conseillées 3. Quelles sont les espèces chimiques présentes dans chaque mélange acidebase préparé précédemment?

4 4. Pour un volume V de solution d acide H et pour un volume V B de solution d éthanoate de sodium, établir le tableau d avancement pour la transformation associée à l équation : H (aq) + H 2 O (l) (aq) + H 3 O + (aq) Vous raisonnerez comme si les solutions mélangées initialement contenaient les quantités de matière de soluté apporté pour les préparer. Équation chimique H (aq) + H 2 O (l) (aq) + H 3 O + (aq) État du système vancement quantités de matière (mol) État initial x = 0 En cours de transformation État final (lors de la mesure de ph) x x f C V + x 5. Établir que. = [ ] H C. V x H H f f 6. Quand on mesure le ph, dans quel état le système se trouvetil? Comment peuton calculer la valeur de l avancement x f? 7. Justifier que dans le domaine de ph de travail, en comparant x f avec C. V et. CH V H, la relation : = est une bonne approximation lorsque C C V H H [ H] V =.

5 8. Quelle est la nature de la fonction ph = f(log [] [H] )? Noter l équation du modèle choisi. Estce cohérent? 9. En déduire la valeur expérimentale du pk puis celle du K du couple CH 3 COOH / CH 3 COO. La valeur de référence est K,th = 1, pour le couple CH 3 COOH / CH 3 COO. Quelles sont les sources d erreurs pouvant expliquer l écart avec la valeur déterminée expérimentalement? PPEL N 3 ppeler le professeur pour lui présenter votre méthode de détermination POUR S ÉVLUER nalyser coefficient 1 B Réaliser coefficient 2 B C D B C D Valider coefficient 3 B C D B C D B C D B C D B C D B C D B C D B C D Note nalyser coefficient 1 C D Réaliser coefficient 2 B C D B C D Valider coefficient 3 B C D B C D B C D B C D B C D B C D B C D B C D Note