CG_01 LES ACIDES ET LES BASES

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1 CG_01 LES ACIDES ET LES BASES

2 Sommaire Introduc6on Historique I Rôle acido basique de l eau II Force des acides et des bases III Applica:ons IV Calculs de ph Méthode de la RP V Calculs de ph de mélanges VI Les solu:ons tampons

3 Historique 1680 : Nicolas Léméry Acides = pe:tes pointes, bases = pores 1776 : Lavoisier Les acides forts sont des molécules contenant un ou plusieurs atomes d oxygènes (HNO 3, H 2 SO 4 ) 1884 : Arrhénius Un acide libère H 3 O + en solu:on, une base libère OH en solu:on (pas de no:on de couple)

4 Historique 1923 : Bronsted et Lowry Acide : espèce suscep:ble de libérer un proton, base : espèce suscep:ble de capter un proton. No:on de couple acide/base conjuguée 1923 : Lewis Généralisa:on du concept : Acide : accepteur d un doublet d électrons Base : Donneur d un doublet d électrons Cf. Chimie organique acide et base de Lewis

5 Sommaire Introduc:on Historique I Rôle acido basique de l eau 1 ) L eau solvant amphotère 2 ) Produit ionique de l eau 3 ) Réac6on acido basique dans l eau II Force des acides et des bases III Applica:ons IV Calculs de ph Méthode de la RP V Calculs de ph de mélanges VI Les solu:ons tampons

6 I Rôle acido basique de l eau 1 ) L eau solvant amphotère H 2 O H + + OH Couple H 2 O/OH H 2 O + H + H 3 O + Couple H 3 O + /OH AH + H 2 O = A + H 3 O + Acide + Base = base conj + acide conj B + H 2 O = BH + + OH Base + acide = acide conj + base conj

7 I Rôle acido basique de l eau 2 ) Produit ionique de l eau H 2 O + H 2 O = H 3 O + + OH 3 ) Réac:on acido basique dans l eau AH + H 2 O = A + H 3 O + Vérifier que K A.K B = K e

8 Sommaire Introduc:on Historique I Rôle acido basique de l eau II Force des acides et des bases 1 ) Défini6on du ph 2 ) Acides forts Bases fortes 3 ) Acides faibles Bases faibles 4 ) Echelle d acidité III Applica:ons IV Calculs de ph Méthode de la RP V Calculs de ph de mélanges VI Les solu:ons tampons

9 II Forces des acides et des bases 1 ) Défini:on du ph Résultats expérimentaux : Pour 3 solu:ons à 0,1 mol.l 1 Soluté ph h (mol.l 1 ) HCl 1 0,1 CH 3 COOH 2 0,01 HCN 5 0,00001

10 II Forces des acides et des bases 2 ) Acides forts Bases fortes Dissocia:on totale : AH + H 2 O A + H 3 O + Ou protona:on totale : B + H 2 O BH + OH pk A (Ac. fort) = 0 (non défini) pk A (Base forte) = 14 Ex. d acides forts dans l eau : HCl, HNO 3, H 2 SO 4, HI, HBr, HClO 4... Ex. de bases fortes dans l eau : NaOH, KOH, amidure NH 2-, alcoolate RO -, CsOH, Ca(OH) 2...

11 II Forces des acides et des bases 3 ) Acides faibles Bases faibles Dissocia:on par:elle: AH + H 2 O = A + H 3 O + AH + H 2 O = A + H 3 O + EI Co ε ε EF Co x x x taux d avancement (ici de dissociation) : AH + H 2 O = A + H 3 O + EI Co ε ε EF Co.(1 α) Co.α Co.α

12 II Forces des acides et des bases 4 ) Echelle d acidité pk A OH - H 2 O (14) Basicité Accepteurs de particules (11) A - AH (pk A ) (3) Donneurs de particules Acidité H 2 O H 3 O + (0)

13 Sommaire Introduc:on Historique I Rôle acido basique de l eau II Force des acides et des bases III Applica6ons 1 ) Domaine de prédominance 2 ) Détermina6on de constantes d équilibre 3 ) Avancement d une réac6on IV Calculs de ph Méthode de la RP V Calculs de ph de mélanges VI Les solu:ons tampons

14 III Applica:ons 1 ) Domaines de prédominance Pour le couple AH/A : exprimons le ph en fonc:on de K A Exprimons les pourcentages en chacune des espèces en fonction du ph

15 III Applica:ons 1 ) Domaines de prédominance Prenons l exemple du couple CH 3 COOH/CH 3 COO pk A = 4,8

16 100% 90% %AH = f(ph) %A - = f(ph) 80% 70% 60% [CH 3 COOH>CH 3 COO - ] [CH 3 COOH<CH 3 COO - ] 50% 40% 30% pk A = 4,8 ph %AH %A 20% 10% 0% ph = 4, ph

17 III Applica:ons 2 ) Détermina:on de constantes d équilibre entre 2 espèces acido basiques Que vaut le K de la réaction entre NH 3 (pk A = 9,3) et l acide acétique (pk A = 4,7)?

18 III Applica:ons * On travaille en solution aqueuse, penser à la présence de l eau (en tant qu acide ET base) * La réaction la plus probable susceptible de se faire est celle entre l acide le plus fort et la base la plus forte. (Règle du «gamma») * La constante d équilibre vaut : pk A OH - H 2 O (14) NH 3 NH + 4 (9,3) CH 3 COO - CH 3 COOH (4,7) H 2 O H 3 O + (0)

19 III Applica:ons 3 ) Avancement d une réac:on Déterminer l avancement de réaction et le taux d avancement de l acide pour la réaction dans l eau de chacun des acides : HF (pk A = 3,2) HSO 4 - (pk A = 1,9) Co = 0,1 mol.l -1 Pour HF, on obtient x = 7, mol.l -1 Pour HSO 4 -, x = 3, mol.l -1 Pour HF, on obtient α = 7,6 % Pour HSO 4 -, α = 30 %

20 Sommaire Introduc:on Historique I Rôle acido basique de l eau II Force des acides et des bases III Applica:ons IV Calculs de ph Méthode de la RP 1 ) Généralités 2 ) Principe de la Réac6on Prépondérante (RP) 3 ) Cas d un monoacide fort 4 ) Cas d une monobase forte 5 ) Cas d un monoacide faible 6 ) Cas d une monobase faible 7 ) Cas des polyacides 8 ) Cas des polybases 9 ) Cas des ampholytes V Calculs de ph de mélanges VI Les solu:ons tampons

21 IV Calculs de ph Méthode de la RP 1 ) Généralités Objec:f : Calculer le ph dans milieu dont on connaît la composi:on Décrire le système Etablir si besoin des hypothèses pour simplifier les calculs (à vérifier lors du résultats)

22 IV Calculs de ph Méthode de la RP 2 ) Principe de la RP a) Etablir la liste des espèces chimiques réellement mises en solution (en quantité non négligeable) b) Repérer les acides, bases et ampholytes, et classer les couples associés sur une échelle de pk A c) Y entourer les espèces listées ci-avant d) Ecrire la réaction de plus grande constante ( = la RP ) càd la réaction entre l acide le plus fort et la base la plus forte e) Calculer K : si la réaction est totale : faire un bilan de matière et recommencer la méthode si la réaction est équilibrée : le système est à l équilibre : faire un bilan de matière qui permet notamment de calculer le ph de la solution f) Faire les vérifications nécessaires : toutes les espèces négligées dans le calcul doivent avoir des concentrations effectivement négligeables devant les autres

23 3 ) Cas d un monoacide fort Méthode de la RP 1 er cas : on néglige l autoprotolyse (hyp) ph = -log(co)=pco Vérifier l hypothèse : 1<pH<6,5 2 ième cas : on :ent compte de l autoprotolyse de l eau H 3 O + proviennent de l acide fort et de l autoprotolyse [H 3 O + ] = [AH] + [OH - ] Résoudre l équa:on du 2 nd degré! Même raisonnement pour la base forte

24 5 ) Cas d un monoacide faible Méthode de la RP 1 er cas : on néglige l autoprotolyse (hyp1) h 2 + h.k A - Co.K A = 0 Résoudre l équa:on du 2 nd degré! Vérifier l hypothèse 1 : 1<pH<6,5

25 5 ) Cas d un monoacide faible Méthode de la RP 2 ième cas : on néglige l autoprotolyse de l eau (hyp1) et on considère la RP très peu avancée (hyp2) ph = ½ (pk A log(co)) Vérifier l hypothèse 1 : 1<pH<6,5 Vérifier l hypothèse 2 : ph<pk A - 1 Même raisonnement pour la base faible

26 7 ) Cas des polyacides Méthode de la RP 1 er cas : on ne considère que la première acidité (hyp1) et on néglige l autoprotolyse (hyp2) polyacide = monoacide faible ou fort Vérifier l hypothèse 1 : ph<pk A2-1 Vérifier l hypothèse 2 : 1<pH<6,5 2 ième cas : on :ent compte de la deuxième acidité, on néglige l autoprotolyse de l eau (hyp 1) Cas à connaître : lorsque la première acidité est forte [H 3 O + ] = Co + [A 2- ] Résoudre l équa:on du 2 nd degré! Même raisonnement pour les polybases

27 8 ) Cas des ampholytes Méthode de la RP Comment calculer le ph puisque [H 3 O + ] n apparaît pas? Utiliser la formule ph = ½ (pk A1 + pk A2 ) Remarque : le ph ne dépend pas de Co

28 Sommaire Introduc:on Historique I Rôle acido basique de l eau II Force des acides et des bases III Applica:ons IV Calculs de ph Méthode de la RP V Calculs de ph de mélanges 1 ) Mélanges d acides 2 ) Mélange acide faible avec sa base conjuguée 3 ) Mélange quelconque VI Les solu:ons tampons

29 Sommaire Introduc:on Historique I Rôle acido basique de l eau II Force des acides et des bases III Applica:ons IV Calculs de ph Méthode de la RP V Calculs de ph de mélanges VI Les solu6ons tampons 1 ) Présenta6on 2 ) Calculs de varia6on de ph 3 ) Prépara6on d une solu6on tampon 4 ) No6on de pseudo tampon

30 Défini:on 1 ) Présenta6on Etude du dosage de CH 3 COOH par une solution de soude : Autour du pk A Domaine d Henderson Grand ΔV soude

31 2 ) Calculs de varia6on de ph Un tampon est d autant plus efficace que son ph varie peu quand on le perturbe par ajout d acide fort, de base forte ou par dilu:on. - Soit faible - On introduit le pouvoir tampon :

32 3 ) Prépara6on d une solu6on tampon On choisit un couple dont le pk A est proche du ph désiré. - un mélange équimolaire d AH et d A - - un mélange d AH avec une base forte en défaut - un mélange d A - avec un acide fort en défaut

33 4 ) No6on de pseudo tampon Solu:ons d ampholyte ph = ½ (pk A1 + pk A2 )