Chapitre 1 pH des solutions acides et basiques

L’ESSENTIEL

Le pH d’une solution est lié à la concentration des ions H₃0⁺dans la solution:

pH = −log [H₃0⁺]_final ou [H₃O⁺] = 10^−pH

Attention : cette relation n’est valable que pour des concentrations en H₃O⁺comprises entre 10⁻¹ mol·L⁻¹ et 10⁻¹³ mol·L⁻¹.

Couple acide (AH)/base (A⁻) dans l’eau : AH_(aq) + H₂O_(l) = A⁻_(aq) + H₃0⁺.

On peut associer à cette réaction une constante d’équilibre, Ka (appelée constante d’acidité), telle que:

. Cette constante ne dépend que de la température.

.

De la formule précédente et sachant que, par convention, une espèce prédomi-ne sur une autre si sa concentration est 10 fois supérieure à l’autre, on peut dé-duire le domaine de prédominance de l’espèce acide et basique du couple:

Un indicateur coloré est un couple acide-base dont la forme acide et basique ont des couleurs différentes. Dans ce cas, la teinte sensible de l’indicateur coloré est celle qu’il prend dans sa zone de virage, c’est-à-dire pour un pH compris entre pKa − 1 et pKa + 1.

Un acide est dit plus fort qu’un autre si:

à concentration égale, le taux d’avancement de sa réaction avec l’eau est plus grand. Autrement dit son pH est plus petit ;

le Ka de son couple est plus grand (donc pKa plus petit).

À un acide de plus en plus fort correspond une base conjuguée de plus en plus faible.

On dit qu’un acide est fort s’il se dissocie totalement dans l’eau. À l’état final, on peut alors écrire pH = -log C avec C la concentration en acide apporté.

EXEMPLE : ACIDECHLORHYDRIQUE

On dit qu’une base est forte si elle se dissocie totalement dans l’eau. À l’état final, on peut alors écrire que pH = pKe + log C avec C la concentration en base apportée.

EXEMPLE : SOUDE (OU SOLUTION AQUEUSE D’HYDROXYDEDESODIUM)

Le taux d’avancement, défini par, est égal à 1 (ou 100 %) pour un acide fort, et est inférieur à 1 (à 100 %) pour un acide faible.

Une réaction acido-basique est une réaction de transfert de protons entre un acide AH_1(aq) d’un couple AH₁/A₁⁻ et une base A₂⁻_(aq) d’un autre couple AH₂/A₂⁻:

AH_1(aq) + A₂⁻_(aq) = A₁⁻_(aq) + AH_2(aq)

dont la constante d’équilibre associée est:

K = 10^{pKa2 − pKa1}= 10^∆pH.

Une réaction acido-basique est quasi totale si ∆ pKa > 4.

L’eau : soit les couples H₂O/HO⁻(Ka = 1) et H₃O⁺/H₂O (Ka = 10⁻¹⁴):

H₂O_(l) + H₂O_(l) = HO⁻+ H₃O⁺. C’est l’autoprotolyse de l’eau.

La constante d’équilibre associée à cette réaction est Qr_éq = Ke = [H₃O⁺]_éq× [HO⁻]_éq.

C’est le produit ionique de l’eau.

À 25 °C, Ke = 1,0 × 10⁻¹⁴ soit pKe = −log Ke = 14.

Le pH des solutions aqueuses est compris entre 0 et 14.

À 25 °C:

Solution tampon : par définition, une solution tampon est une solution dont la composition est telle que son pH varie très peu par ajout modéré d’acide, de base ou d’eau. Une telle solution est obtenue au cours d’un titrage acido-basique pour : c’est la demi-équivalence. À ce point, [A⁻]_E/2 = [AH]_E/2 et pH_E/2 = pKa du couple AH/A⁻.

S’ENTRAÎNER

QCM

EFOM 2010

QUESTION 1 : COUPLE DE L’EAU

Soit la réaction suivante 2 H₂O_(l) = H₃O⁺_(aq) + HO⁻_(aq).

Quelles sont les affirmations exactes ?

A. Elle n’a lieu que dans l’eau pure

B. Elle correspond à la dismutation de l’eau

C. Elle prouve que l’eau est de la famille des ampholytes

D. Elle permet de calculer le pH de neutralité de l’eau pure en fonction de la température

F. Toutes ces affirmations sont fausses

QUESTION 2 : pKa ET FORCE D’UN ACIDE

Quelles sont les affirmations exactes ?

A. Un acide faible est d’autant plus fort que le pKa du couple auquel il appartient est élevé

B. Plus le pKa d’un couple acide-base est petit, plus l’acide du couple est dissocié dans l’eau, à concentration apportée égale

C. Plus un acide faible est dilué, plus il a tendance à être fort

D. La dilution n’a aucune influence sur la dissociation d’un acide AH dans l’eau

E. Lorsqu’un acide est faible dans l’eau, sa base conjuguée est forte dans l’eau

pH solution acide fort

Le pH d’une solution d’acide chlorhydrique telle que [H₃O⁺] = 4·10⁻³ mol·L⁻¹ vaut:

A. 2,6

B. 3,4

C. 2,4

D. 3,6

pH solution base forte

À 25 °C, le pH d’une solution d’hydroxyde de sodium telle que [OH⁻] = 2,5·10⁻³ mol·L⁻¹ vaut:

A. 11,6

B. 12,4

C. 12,6

D. 11,4

Dilution, pH solution acide fort et indicateur coloré

Couleurs du « rouge d’alizarine »:

À partir d’une solution d’acide chlorhydrique S à 11 mol·L⁻¹, on prépare 200 mL d’une solution S’ à 0,1 mol·L⁻¹. Puis on dilue 100 fois S’ pour obtenir S’’.

À un échantillon de S’’, on ajoute quelques gouttes d’un indicateur coloré : le rouge d’alizaline.

Que vaut le volume de la solution S prélevé ?

A. 22 mL

B. 1,8 mL

C. 5,5 mL

La teinte de la solution S’’ est alors:

D. Jaune

E. Violet

Dilution, pH d’une solution base forte

Soit 50 mL d’une solution d’hydroxyde de sodium de pH égal à 11. On additionne un volume V d’eau distillée à la solution précédente pour amener le pH à 10.

La valeur de V est égale à:

A. 50 mL

B. 500 mL

C. 100 mL

D. 200 mL

E. 450 mL

Berck 2010 − pKa et acide bromoéthanoïque

Couple acide-base : C₂H₃BrO₂/C₂H₃BrO₂⁻.

On dissout m = 1,2 g de cet acide dans V = 500 mL d’eau distillée. Le pH de la solution est égal à pH = 2,3.

Calculer le pKa de ce couple acide/base.

A. 2,4

B. 2,7

C. 3,1

D. 4,8

E. 9,2

ADERF 2010 − pH

On mesure le pH de deux solutions aqueuses d’acide de même concentration C = 1,0·10⁻³ mol·L⁻¹. L’une est de l’acide chlorhydrique et l’autre de l’acide éthanoïque. Le pH de la solution aqueuse d’acide chlorhydrique est égal à pH₁ = 3,0. Le pH de la solution aqueuse d’acide éthanoïque est égal à pH₂ = 3,8.

Quelles sont les affirmations exactes ?

A. La concentration en ions H₃O⁺_(aq) de la solution d’acide éthanoïque est supérieure à C

B. La concentration en ions H₃O⁺_(aq) de la solution d’acide éthanoïque est inférieure à C

C. La concentration en ions H₃O⁺_(aq) de la solution d’acide chlorhydrique est égale à C

D. L’acide éthanoïque est totalement dissocié dans l’eau

E. Le taux d’avancement de la réaction de dissociation de l’acide chlorhydrique dans l’eau est inférieur à 1

ADERF 2010 − pKa (sans calculatrice)

On dispose de deux solutions de même pH:

une solution aqueuse d’acide benzoïque de concentration C = 5,0·10⁻² mol·L⁻¹ ;

une solution d’acide chlorhydrique de concentration C = 1,0·10⁻³ mol·L⁻¹.

L’acide chlorhydrique est un acide totalement dissocié dans l’eau.

On supposera que l’acide benzoïque est un acide très partiellement dissocié dans l’eau à la concentration C.

Données : log (5) ≈ 0,70.

Quelle est la valeur du pKa du couple acide benzoïque/ion benzoate ?

A. 3,7

B. 4,7

C. 5,7

D. 6,7

E. 9,2

EFOM 2009 − Constante de réaction (sans calculatrice)

On dispose d’une solution de chlorure d’ammonium (NH₄⁺_(aq) + Cl⁻_(aq)) de concentration en soluté apporté c₀ = 1,0 10⁻³ mol·L⁻¹ et dont le pH est 6,1. On donne 10^−6,1 = 7,9·10⁻⁷.

Déterminer la constante d’équilibre K de la réaction de NH₄⁺_(aq) avec l’eau.

A. 3,3·10⁻¹⁰

B. 6·10⁻⁹

C. 1,6·10⁻⁶

D. 6,2·10⁻¹⁰

E. 4,5·10⁻¹⁰

F. Autre

EFOM 2009 − Éthylamine (sans calculatrice)

Le pH d’une solution aqueuse d’éthylamine C₂H₅NH₂, de concentration en soluté apporté c = 0,10 mol·L⁻¹ est égal à 12 à 25 °C.

On considère la réaction de l’éthylamine avec l’eau.

Calculer le taux d’avancement final t de la réaction de l’éthylamine avec l’eau.

A. 0,079

B. 0,10

C. 0,05

D. 2,5 10⁻³

E. 0,33

F. Autre

Saint-Michel 2010 − Acide base

QUESTION 1

Une solution S₁ d’acide HA₁ de concentration C₁ et une solution S₂ d’acide HA₂ de concentration C₂ supérieure à C₁ ont le même pH. Le taux d’avancement final de la réaction de l’acide HA₁ sur l’eau est τ₁. Le taux d’avancement final de la réaction de l’acide HA₂ sur l’eau est τ₂. La constante d’équilibre de la réaction de l’acide HA₁ sur l’eau est K₁. La constante d’équilibre de la réaction de l’acide HA₂ sur l’eau est K₂.

Quelles sont les affirmations exactes ?

A. τ₁ = τ₂

B. τ₁ > τ₂

C. K₁ > K₂

QUESTION 2

À 30 mL d’une solution tampon de pH = 4,2 d’acide benzoïque de concentration dans le mélange 0,10 mol·L⁻¹ et de benzoate de sodium, on ajoute 1,5 mL d’acide chlorhydrique de concentration c = 0,10 mol·L⁻¹, sans variation de volume.

Données : pKa(C₆H₅COOH/C₆H₅COO⁻) = 4,2.

Quelles sont les affirmations exactes ?

A. L’équilibre de dissociation de l’acide benzoïque se déplace dans le sens direct

B. Le pH final vaut 3,7

C. La quantité de matière d’acide benzoïque à l’état final est 0,15 mol

D. Si on dilue 10 fois la solution résultante le pH est 4,7

pH d’un mélange acide fort et base forte

Le pH d’un mélange de 40 mL de soude (0,2 mol·L⁻¹), 60 mL d’acide chlorhydrique (0,1 mol·L⁻¹) et 100 mL d’eau salée (0,1 mol·L⁻¹) est de:

A. 2

B. 4

C. 9

D. 11

E. 12

Berck 2009 − pH mélange base faible, acide fort

On dissout 7,2 g de benzoate de sodium C₆H₅COONa dans 250 mL d’eau distillée. On verse dans un bécher 75 mL de la solution précédente et 25 mL d’acide chlorhydrique de concentration C = 0,050 mol·L⁻¹. On ne tient pas compte de la réaction des ions benzoate avec l’eau.

Données : couple acide-base : C₆H₅COOH/C₆H₅COO⁻pK_a = 4,2. C : 12 ; H : 1 ; O : 16 ; Na : 23 g·mol⁻¹.

Calculer le pH de la solution dans le bécher:

A. 4,2

B. 4,8

C. 5,2

D. 5,6

E. 6,1

F. Aucune réponse correcte

EFOM 2009 − Hydroxylamine et acide nitrique (pH)

À 25 °C, on mélange 200 mL d’hydroxylamine NH₂OH à 10⁻² mol·L⁻¹ et 1 mL d’acide nitrique de concentration molaire C_A = 1,0 mol·L⁻¹. La réaction entre l’hydroxylamine et l’acide nitrique est totale. La solution obtenue a un pH égal à 6,0. Quelle(s) est (sont) la (les) proposition(s) exacte(s) ?

A. Dans la solution [NO₃⁻] = 5·10⁻³ mol

B. L’équation de la réaction acide/base qui a lieu est : NH₂OH + H₃O⁺= NH₃OH⁺+ H₂O

C. x_max = 2·10⁻³ mol·L⁻¹

D. pKa(NH₃OH⁺/NH₂OH) = 6,0

E. Dans le mélange il y a 10⁻⁸ mol d’ion hydroxyde

pH d’un mélange de deux solutions de soude

On dissout 0,1 g d’hydroxyde de sodium dans 200 mL d’eau pure. La dissolution du solide ne fait pas augmenter le volume de la solution. À cette solution on ajoute 300 mL d’une solution d’hydroxyde de sodium dont le titre est 0,2 g·L⁻¹.

Le pH arrondi au dixième de la solution est égal à:

A. 12,2

B. 11,9

C. 13

D. 11,6

E. 2,4

EFOM 2009 − pH d’un mélange

À V₀ = 10 mL d’une solution d’acide chlorhydrique de concentration C₀ = 0,01 mol·L⁻¹ et de pH₀ = 2,0 (solution S₀), on ajoute V = 20 mL d’une solution de chlorure de potassium (K⁺_(aq) + Cl⁻_(aq)) de même concentration C₀. On complète avec de l’eau distillée afin d’obtenir V₁ = 100 mL d’une solution notée S₁.

On fabrique une solution S₂ de volume V₂ = 500 mL en ajoutant à S₁, 400 mL de solution S₀.

Quelle(s) est (sont) la (les) proposition(s) exacte(s) ?

A. Le pH de la solution S₁ est pH₁ = 3,0

B. Dans S₂, [K⁺_(aq)] = 2·10⁻³ mol·L⁻¹

C. Dans S₁, [Cl⁻_(aq)] = 10⁻³ mol·L⁻¹

D. La solution 2 est plus acide que la solution 1

E. La quantité de matière d’ion chlorure présente dans S₂ est 3·10⁻⁴ mol

Saint-Michel 2009 − Acide base pH

QUESTION 1 : CHLORURE D’AMMONIUM ET SOUDE

On place en solution dans l’eau pure 0,20 mol de chlorure d’ammonium NH₄Cl et 0,10 mol d’hydroxyde de sodium NaOH de manière à obtenir un litre de solution.

Données : pK_a (NH₄⁺/NH₃) = 9,2.

Le pH de la solution obtenue est:

A. 1,0

B. 9,2

C. 2

D. 4,1

QUESTION 2 : ACIDE ACÉTHYLSALYCILIQUE

L’acide acéthylsalycilique C₉H₈O₄ noté HA est l’acide conjugué de l’ion acéthylsalycilate noté A⁻. Le pKa du couple vaut 3,5 à 37 °C. À cette température le pH est de 1,5 dans l’estomac et 7,5 dans le sang.

Quelle(s) est (sont) les réponses exactes ?

A. L’acide acéthylsalycilique est appelé vitamine C dans le langage courant.

B. L’espèce prédominante du couple AH/A⁻dans l’estomac est A⁻.

C. Le rapport [A⁻]/[AH] est de 100 dans l’estomac.

D. Le rapport [A⁻]/[AH] est de 10 000 dans le sang.

QUESTION 3 : ACIDE NITREUX

Soit une solution de 50 mL d’acide nitreux HNO₂ de concentration apportée C = 1,0.10⁻² mol·L⁻¹. Le taux d’avancement final τ de la réaction entre l’acide nitreux et l’eau est 0,22.

Quelle(s) est (sont) les réponses exactes ?

A. La base conjuguée de HNO₂ est NO₃⁻

B. L’acide nitreux est un acide fort

C. L’avancement final est égal à 0,11 mmol

D. Le pH de la solution est égal à 2,0

Saint-Michel 2008 − Acide base pH

QUESTION 1 : ACIDE-BASE

Soit 6 solutions aqueuses obtenues par dissolution dans l’eau pure, à une certaine température, de 6 produits différents:

solution (1) : chlorure de potassium (K⁺ + Cl⁻) ;

solution (2) : chlorure d’ammonium NH₄⁺+ Cl^−;

solution (3) : hydroxyde de potassium K⁺ + HO⁻;

solution (4) : ammoniac NH₃

solution (5) : chlorure d’hydrogène HCl ;

solution (6) : fluorure de potassium K⁺ + F⁻.

Données : toutes les solutions ont la même concentration C = 0,01 mol·L⁻¹. pK_a(NH₄⁺/NH₃) = 9,2 ; pK_a(HF/F⁻) = 3,2 ; pK_e = 13.

Quelles sont les affirmations exactes ?

A. Le pH de la solution (1) est supérieur au pH de la solution (6)

B. Le pH de la solution (6) est supérieur au pH de la solution (4)

C. Le pH de la solution (2) est supérieur au pH de la solution (5)

D. Le pH de la solution (1) est égal à 7

E. Le pH de la solution (3) est inférieur au pH de la solution (4)

QUESTION 2 : ACIDE-BASE

Soit une solution aqueuse d’un acide AH, de concentration molaire Ca, dans laquelle se produit la réaction : AH_(aq) + H₂O_(l) = A⁻_(aq) + H₃O⁺.

Données : τ = 0,2 ; Ca = 8·10⁻³ mol·L⁻¹.

La constante d’acidité du couple AH_(aq)/A⁻_(aq) vaut:

A. 4·10⁻³

B. 4·10⁻⁴

C. 3·10⁻²

D. 5·10⁻³

E. 2·10³

Les questions 1, 2, 3 sont dépendantes les unes des autres.

QUESTION 1

Le sang est un milieu tamponné dont le pH dépend, entre autres, du couple acido-basique régulateur CO₂, H₂O/HCO₃⁻ de pKa = 6,09 à la température de 37 °C.

Données : pH sanguin = 7,39.

Quelles affirmations sont exactes ?

A. Le couple régulateur permet au sang d’absorber un afflux modéré d’acidité.

B. L’ion HCO₃⁻ est l’ion hydrogénocarbamate.

C. Dans le sang, l’ion HCO₃⁻ est la forme prédominante du couple régulateur.

D. Dans le sang le rapport base/acide du couple régulateur est de 0,05.

E. L’ion HCO₃⁻ intervient en qualité d’acide dans le couple régulateur.

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