animation phet

Le pH

Relation de Sørensen

Le caractère acide ou basique d'une solution est mesuré par le pH, une grandeur sans unité.

Le pH est lié à la concentration des ions oxonium H3O+H_3 O^+ par la relation:

pH=log[H3O+]pH=-\log[H_3 O^+]
Incertitudes lors des mesures de pH

Une mesure de pH avec un pH-mètre de lycée s'effectue avec une incertitude absolue de 0,05 unité de pH.   La concentration en ions oxonium calculée à partir du pH ne peut contenir au mieux deux chiffres significatifs.

Contrôle du pH : solution tampon

Pour contrôler le pH d'un milieu, on utilise une solution tampon.

Une solution tampon est une solution dont le pH varie peu par ajout de petites quantités d'acide, de base ou d'eau.

Le contrôle du pH joue un grand rôle en milieu biologique.

pH du sang

Le pH du sang doit être compris entre 7,38 et 7,42.

Solutions acide et basique

Toute solution aqueuse contient des ions oxonium H3O+H_3O^{+} et HOHO^{-} en raison de l'équilibre d'autoprotolyse de l'eau.

2 H2O(l)H3O(aq)++HO(aq)\mathrm{2~H_2O_{(l)} \rightleftharpoons H_3O^{+}_{(aq)} + HO^{-}_{(aq)}}

Produit ionique de l'eau

On constate expérimentalement que le produit [H3O+].[HO-] est une constante, on l'appelle produit ionique de l'eau noté Ke.

A 25°C, Ke = 1,0 x 10-14

Utiliser le produit ionique de l'eau
  1. Calculer les concentrations [H3O+] et [HO-] d'un solution de pH=2,0
  2. Calculer les concentrations [H3O+] et [HO-] d'un solution de pH=7,0
  3. Calculer les concentrations [H3O+] et [HO-] d'un solution de pH=10,0

Solutions acides et basiques

Une solution est:

  • acide si:
  • basique si:
  • neutre si:

Couples acide/base

À la différence des couples d'oxydoréduction qui échangent des électrons, les couples acide/base échangent des ions hydrogène H+ (ou protons).

Acide et base au sens de Brönsted

Acide de Brönsted

Un acide est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs ions hydrogène H+.

  • acide carboxylique
  • eau
Base de Brönsted

Une base est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs ions hydrogène H+.

  • amine
  • eau

Demi-équation acide-base

On associe à un couple acide-base une demi-équation d'échange de proton sous une des forme suivante:

  • acide/base : acide = base + H+
  • AH/A- : AH = A- + H+
  • BH+/B : BH+ = B + H+
  • Couple de l'acide éthanoique
  • Couple de la base méthanamine
  • Couples de l'eau

Acide et bases fortes : réactions totales

Les acides et bases fortes réagissent de façon totale avec l'eau (ou entre eux).

réaction totale

Une réaction est totale si les réactifs réagissent entièrement jusqu'à la disparition du réactif limitant.

On utilise une simple flèche pour l'écriture de ce type de réactions:

reˊactif(s)produit(s)r\acute{e}actif(s) \longrightarrow produit(s)
  • acides forts: chlorure d'hydrogène : HCl(g), acide nitrique : HNO3(l).
  • bases fortes: l'hydroxyde de sodium NaOH(s), éthanolate de sodium : NaC2H5O.
Calcul du pH 
  • cas d'un acide fort de concentration c:
  • cas d'une base forte de concentration c:
Réaction entre un acide fort et une base forte

Ce type de réaction est totale et libère une grande énergie thermique.

Exemple : réaction entre l'acide chloryhydrique et la soude. Thumbnail of Youtube video K6btETvO6gk

Equation de réaction :

Calcul de l'élévation de température.(Qréaction = -55 kJmol-1)

Acides et bases faibles : notion d'équilibre chimique

Les acides et bases faibles réagissent de façon équilibrée avec l'eau (ou entre eux).

Equilibre chimique

Un équilibre chimique est une réaction non totale. Dans l'état final, le réactif limitant n'est pas entièrement consommé et les réactifs et les produits coexistent.

On utilise une double flèche pour l'écriture de ce type de réactions:

reˊactif(s)produit(s)r\acute{e}actif(s) \leftrightarrows produit(s)
  • acide faible: l'acide éthanoïque
  • base faible: l'ammoniac

Constante d'acidité KA et pKA

La force d'un acide est mesurée par sa constante d'acidité KA.

CNX Chem 14 03 strengths.png
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Pour un couple acide/base:

KA=[base][H3O+][acide]K_A=\frac{[base][H_3O^+]}{[acide]}

On utilise souvent le pKA:

pKA=log(KA)pK_A = - \log(K_A)

Diagrammes de prédominance

Un diagramme de prédominance indique quelles espèces chimiques acides ou basiques sont majoritaires en fonction du pH.

On peut démontrer que:

pH=pKA+log([base][acide])pH=pK_A+\log\left(\frac{[base]}{[acide]}\right)

Donc:

  • si pH=pKA:
  • si pH<pKA:
  • si pH>pKA:

Diagramme de prédominance des acides carboxylique

Couple pKA
RCO2H/RCO2\sf R-CO_2H/R-CO_2^{-} 2pKA52 \lesssim pK_A \lesssim 5

Diagramme de prédominance des amines

Couple pKA
RNH3+/RNH2\sf R-NH_3^+/R-NH_2 9pKA119 \lesssim pK_A \lesssim 11

Diagramme de prédominance des acides aminés

Composés bifonctionnels contenant des groupes fonctionnels carboxyle et amine et possédant ainsi deux pKA.

l'alanine : pKa1=2,33, pKa2=9,71 à 25 °C formule topologique de l'alanine