| Chim. N° 05 | Réactions acido-basiques. Cours. | 
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| Programme 2012 : Réaction chimique par échange de proton. Programme 2012 : Physique et Chimie Programme 2020 : Physique et Chimie | 
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		QCM N° 04 
		
		
		
		
		Sous forme de tableau | 
Exercices :
| La liqueur de Daquin. | 
Pour aller plus loin :
| Mots clés : Acides et bases ; Produit ionique de l'eau ; constante d'acidité ; acides et bases en solution aqueuse ; réactions acido-basiques ; domaines de prédominance ; ... | 
I- Produit ionique de l’eau et application.
- Quelle est la valeur du pH de l’eau pure ?
- Qu’est-ce que l’eau pure ?
- Comment peut-on obtenir de l’eau pure ?
- A 25 °C, l’eau pure a un pH = 7.
- En conséquence, l’eau pure contient des ions oxonium H3O+.
- La concentration des ions oxonium peut se déduire de la définition du pH d’une solution aqueuse diluée :
- [ H3O+ ]eq = 10 – pH mol / L => [ H3O+ ]eq = 1,0 × 10 –7 mol / L
- D’où proviennent ces ions oxonium ?
- Comment peut-on expliquer la présence des ions oxonium dans l’eau pure ?
- L’eau pure est partiellement ionisée.
- Il se produit une réaction acido-basique entre deux molécules d’eau.
- Il y a un échange de protons entre deux molécules d’eau.
H2O (ℓ) + H2O (ℓ) = H3O+ (aq) + HO –(aq) (1)
- La réaction (1) est appelée autoprotolyse de l’eau.
2)- Avancement final de la réaction d’autoprotolyse de l’eau.
| - Application 1 : à 25 °C, un volume V = 1,0 L d’eau a un pH = 7. - dresser le tableau d’avancement de la réaction. - Déterminer la valeur du taux d’avancement final de la réaction. - Calculer les quantités de matière et les concentrations des différentes espèces chimiques à l’équilibre chimique. Conclusion. - Donner l’expression du quotient de la réaction. En déduire la valeur de la constante d’équilibre de cette réaction. | 
- Tableau d’avancement de la réaction d’autoprotolyse de l’eau.
| 
		  Équation | 2 H2O (ℓ) | = | H3O+ (aq) | + HO –(aq) | |
| 
		  état | 
		  Avancement 
		  x 
		  (mol) | 
		  (mol) |   | 
		  (mol) | 
		  (mol) | 
| 
		  
		  État
          initial (mol) | 
		  0 | 
		  ni
		  =
          
          
          55,6 |   | 0 | 
		  0 | 
| 
		  
		  Au
          cours de la 
		  
		  transformation | 
		  x | ni – 2 x | 
		  
		  x | x  | |
| 
		  
		  Avancement 
		  
		  final | 
		  xf | 
		ni 
		– 
		2 xf  | xf | xf | |
| 
		  
		  Avancement 
		  
		   maximal | xmax | 
		  n 
		  i
          – 2
		  xmax 
		  
          
          
          = 0 |   | xmax | xmax | 
- En conséquence :
- Taux d’avancement final de la réaction :
| τ = | x f | 
|  | |
| x max | 
- Expression de l’avancement final :
- On connaît la valeur du pH de la solution.
- En conséquence :
- xf = [ H3O+ ]eq . V avec [ H3O+ ]eq = 10– pH mol / L
- xf ≈ 1,0 × 10–7 × 1,0 => xf ≈ 1,0 × 10–7 mol
- D’autre part :
| xmax = | xf | ni | |
|  | ≈ |  | |
| xmax | 2 | ||
| xmax ≈ | 27,8 mol | ||
- Taux d’avancement final :
| τ = | x f | 1,0 × 10 – 7 | |
|  | ≈ |  | |
| xmax | 27,8 | ||
| τ ≈ | 3,6 × 10 – 9 | ||
- Quantités de matière des différentes espèces chimiques à l’équilibre :
| 
		  
		  Équation | 2 H2O (ℓ) | = | H3O+ (aq) | + HO –(aq) | |
| 
		  état | Avancement 
		  x 
		  (mol) | 
		  (mol) |   | 
		  (mol) | 
		  (mol) | 
| 
		  État
          initial (mol) | 
		  0 | 
		  ni 
		  =
          55,6 |   | 0 | 
		  0 | 
| 
		  Avancement 
		  final | xf | 
		neq  
		 
          ≈ 
		   55,6 | 
		xf  
          
          ≈  1,0
		
		× 10 – 7 
		 | 
		xf  
		
		
          ≈
		 
          1,0 
          
		× 10 – 7 
           
           | |
- En conséquence :
- La réaction d’autoprotolyse de l’eau est une réaction très limitée.
- Seulement 2 molécules d'eau sur 556 millions participent à la formation des ions :
- Considérons 1L d'eau pure à 25° C :
- n (H2O) ≈ 55,6 mol => n (H3O+) ≈ 1,0 × 10– 7 mol => n (HO –) ≈ 1,0 × 10 – 7 mol
- D’autre part : [H3O+]eq = [HO –]eq ≈ 1,0 × 10 – 7 mol / L
- expression du quotient de la réaction d’autoprotolyse de l’eau.
- Qr = [H3O+].[HO –]
- Lorsque l’équilibre chimique est atteint : Qr,eq = [H3O+]eq.[HO –]eq = K
- Valeur numérique de K : à 25 °C, le pH de l’eau pure vaut 7 :
- Qr,eq = K e ≈ 1,0 × 10 – 14
- La constante d’équilibre associée à l’équation d’autoprotolyse de l’eau, notée Ke est appelée produit ionique de l’eau.
- Ke = [H3O+]eq.[HO –]eq
| - Application 2 : Calculer la valeur du produit ionique de l’eau à 25 °C. - à 25 °C, Ke ≈ 1,0 × 10 – 14. | 
- La valeur du produit ionique de l’eau dépend de la température.
- Elle croît avec la température.
- Remarque : pour des raisons de commodité, on utilise le pKe.
- pK e = – log K e => K e = 10 – pKe à 25 °C, pK e ≈ 14.
| Température en ° C | Ke | pKe | 
| 0° | 1,1 × 10 – 15 | 14,96 | 
| 25° | 1,0 × 10 – 14 | 14,00 | 
| 40° | 3,0 × 10 – 14 | 13,53 | 
| 60° | 9,5 × 10 – 14 | 13,02 | 
| 80° | 2,5 × 10 – 13 | 12,60 | 
| 100° | 5,5 × 10 – 13 | 12,26 | 
4)- Les solutions aqueuses et le produit ionique de l’eau.
- Dans toutes les solutions aqueuses, le produit ionique de l’eau vaut : Ke = [H3O+]eq.[HO –]eq
- En utilisant le pKe, on peut écrire :
- pKe = - log [H3O+]eq - log [HO –]eq
- pKe = pH - log [HO –]eq
- pH = pKe + log [HO –]eq
- Ke est indépendant de la présence et de la nature des substances dissoutes.
- Ke ne dépend que de la température de la solution.
- Pour une solution aqueuse à 25 °C, on peut écrire que :
- Ke = [H3O+]eq.[HO –]eq ≈ 1,0 × 10 – 14
| - Application 3 : Le pH d'une solution S à 25 °C est égal à 2,0. - Une solution aqueuse S1 porte l’indication : [H3O+]eq ≈ 6,5 × 10 – 5 mol / L - et une solution aqueuse S2 porte l’indication : [HO -]eq ≈ 6,5 × 10 – 5 mol / L - Que peut-on déduire de ces différentes valeurs ? | 
- Étude de la solution S.
- pH = 2 => [H3O+]eq = 10 – pH = 1,0 × 10 – 2 mol / L
- D'autre part :
- Ke = [H3O+]eq.[HO –]eq ≈ 1,0 × 10 – 14
- [HO –]eq = 10 pH – pKe ≈ 1,0 × 10 – 12 mol / L
- Étude de la solution S1.
- On peut calculer la valeur du pH de la solution et la valeur de la concentration en ions hydroxyde.
- Valeur du pH de la solution S1.
- pH = – log [H3O+]eq => pH = – log (6,5 × 10 – 5) => pH ≈ 4,2
- Concentration en ions hydroxyde.
- [HO –]eq = 10 pH – pKe => [HO –]eq = 10 4,2 – 14 => [HO –]eq ≈ 1,6 × 10 – 10 mol / L
- Étude de la solution S2.
- On peut calculer la valeur de la concentration en ions oxonium puis la valeur du pH de la solution.
- Concentration en ions oxonium.
-  
 
   
- Valeur du pH de la solution S1.
- On peut utiliser l’expression suivante :
- pH = p Ke + log [HO –]eq => pH = 14 + log (5,5 × 10 – 10) => pH ≈ 4,7
5)- Solutions neutres, acides, basiques.
- Une solution neutre contient autant d'ions oxonium que d'ions hydroxyde.
-  
 
   
- À 25° C, pKe = 14 et pH = 7 pour les solutions neutres.
- Une solution acide contient plus d'ions oxonium que d'ions hydroxyde
- À 25° C, pK e = 14 et pH < 7 pour les solutions acides.
- Une solution basique contient plus d'ions hydroxyde que d'ions oxonium.
- À 25° C, pKe = 14 et pH > 7 pour les solutions basiques.
- L’équation de la réaction entre un acide AH et l’eau s’écrit :
AH (aq) + H2O (ℓ) = A– (aq) + H3O+(aq)
- cette réaction fait intervenir les couples acide / base suivants : AH (aq) / A– (aq) et H3O+(aq) / H2O (ℓ)
- La constante d’équilibre associée à cette réaction est appelée constante d’acidité notée KA.
- Expression :
- 
 
    
 
- constante d’acidité du couple : AH (aq) / A – (aq)
- Remarque 1 : La constante d’acidité dépend de la température.
- Remarque 2 : On peut utiliser le 
   
  pK
  A.
- pKA = - log KA => KA = 10 - pKA
- D’autre part :
- généralisation :
- Pour tout couple Acide / Base, noté A / B tel que :
| A (aq) + H2O (aq) = B (aq) + H3O+(aq) | 
| Acide Base conjuguée | 
 
-  
  
   
2)- Constantes d’acidité des couples de l’eau.
| - Application 4 : - Déterminer les valeurs des constantes d’acidité KA1 et KA2 des couples (1) et (2) de l’eau : - H3O+(aq) / H2O (ℓ) et H2O (ℓ) / HO - (aq) - En déduire les valeurs 
  de   pKA1 et 
 
pKA2. | 
- Étude du couple (1).
H3O+(aq) + H2O (ℓ) = H3O+(aq) + H2O (ℓ)
-  
 
   
- étude du couple (2).
H2O (ℓ) + H2O (ℓ) = H3O+(aq) + HO – (aq)
- KA2 = [H3O+]eq . [HO –]eq = Ke = 1,0 × 10 – 14
- KA2 = 1,0 × 10 – 14 et pKA2 = 14
III- Comportement des acides et des bases en solution 
  aqueuse. 
 
  
1)- Comportement des solutions acides.
| - Application 5 : 
  Comparaison
  du comportement des acides en solution. On donne : 
 - écrire les équations des réactions de ces acides avec l’eau. - Calculer le taux d’avancement final pour chaque réaction. - Classer les acides par ordre de dissociation croissante. - Tirer une conclusion générale. | 
- équations des réactions de ces acides avec l’eau.
HCOOH (aq) + H2O (ℓ) = H3O+(aq) + HCOO – (aq) (1)
CH3COOH (aq) + H2O (ℓ) = H3O+(aq) + CH3COO – (aq) (2)
- Taux d’avancement final pour chaque réaction et Tableau d’avancement de la réaction :
| 
		
		Équation | AH (aq) + | H2O (ℓ) | = | A– (aq) | + H3O+(aq) | |
| 
		état | 
		Avancement 
		  x
          (mmol) | 
		mol | 
		mol |   | 
		mol | 
		mol | 
| 
		État
          initial (mol) | 
		0 | 
		ni 
           = C.V  | excès |   | 0 | ε | 
| 
		Au
          cours de la 
		  transformation | 
		x | ni – x | excès | 
		x | 
		x + 
		
		 
		ε | |
| 
		Avancement 
		  final | xf | ni – xf | 
		excès | xf | 
		xf  | |
| 
		Avancement 
		   maximal | 
		xmax | 
		ni – xmax 
		
          = 0 | 
		excès |   | xmax | 
		xmax 
		 
		
		 | 
 
- 
 
   
 
   
-  
 
   
- L’acide méthanoïque est plus dissocié que l’acide éthanoïque.
- KA1 => KA2 => τ1 > τ2
| - Pour des solutions aqueuses d’acides de mêmes concentrations : - Le pH est d’autant plus faible que le KA est grand ou le pKA petit. - Le taux d’avancement est d’autant plus grand que le KA est grand ou le pKA petit. - L’acide est d’autant plus dissocié que le KA est grand ou le pKA petit. | 
- Remarque :
- Certains acides comme l’acide chlorhydrique sont totalement dissociés dans l’eau, leur taux d’avancement final est égal à 1.
- La solution aqueuse de cet acide se note :
- {H3O+(aq) + Cl – (aq)}
- Pour les acides méthanoïque et éthanoïque qui sont peu dissociés dans l'eau, on donne à la solution la notation suivante :
- Solution aqueuse d'acide méthanoïque : HCOOH
- Solution aqueuse d'acide éthanoïque : CH3COOH
2)- étude de solutions de bases.
| - Application 6 : Comparaison du comportement des bases en solution. -  On donne : 
 - Écrire les équations des réactions de ces bases avec l’eau. - Calculer le taux d’avancement final pour chaque réaction. - Classer les bases par ordre de dissociation croissante. - Tirer une conclusion générale. | 
- Équations des réactions de ces bases avec l’eau.
CH3NH2 (aq) + H2O (ℓ) = CH3NH3 +(aq) + HO – (aq) (1)
NH3 (aq) + H2O (ℓ) = NH4 +(aq) + HO – (aq) (2)
- Taux d’avancement final pour chaque réaction.
- Tableau d’avancement de la réaction :
| 
		
		Équation | B (aq) + | H2O (ℓ) | = | BH+(aq) | + HO –(aq) | |
| 
		état | 
		Avancement 
		  x
          (mmol) | 
		mol | 
		mol |   | mol | mol | 
| 
		État
          initial (mol) | 
		0 | 
		ni 
		 = C.V  | excès |   | 0 | 
		
		ε | 
| 
		Au
          cours de la 
		  transformation | 
		x | ni – x | excès | 
		x | 
		x + 
		 | |
| 
		Avancement 
		  final | xf | ni – xf | 
		excès | xf | xf + ε ≈ xf | |
| 
		Avancement 
		   maximal | xmax | 
		
		ni
		
		– xmax 
		
          = 0 | 
		excès |   | xmax | xmax + ε ≈ xmax | 
 
-  
  
-  
  
- La méthylamine est plus dissociée que l’ammoniac.
- KA1 < KA2 => τ1 > τ2
| - Pour des solutions aqueuses de bases de mêmes concentrations : - Le pH est d’autant plus élevé que le KA est petit ou le pKA grand. - Le taux d’avancement est d’autant plus grand que le KA est petit ou le pKA grand. - La base est d’autant plus dissociée que le KA est petit ou le pKA grand. | 
 
IV- Constante d’équilibre K des réactions acido-basiques. 
 
  
1)- Relation entre K et les constantes d’acidité des couples acide / base.
- Considérons la réaction entre l’acide A1H et la base A2–.
- Équation de la réaction :
A1H + A2– = A2H + A1–
- Cette réaction met en jeu les couples : A1H / A1– et A2H / A2–
- À chaque couple est associé une constante d’acidité :
-  
 
   
- 
- La réaction entre l’acide A1H et la base A2– est caractérisée par une constante d’équilibre K :
-  
 
   
- On peut exprimer K en fonction de KA1 et KA2.
-  
 
   
-  
 
   
- La constante d’équilibre de la réaction dépend des constantes d’acidité des couples acide / base mis en jeu.
2)- Réaction entre l’acide éthanoïque et l’ammoniac.
| - Application 7 : On verse un volume V1 = 20 mL d’une solution d’acide éthanoïque de concentration C1 = 1,0 × 10 – 2 mol / L dans un volume V1 = 20 mL d’une solution d’ammoniac de concentration C2 = 1,0 × 10 – 2 mol / L. - On donne les pK A des deux couples acide / base qui interviennent : - Acide éthanoïque : pK A1 = 4,8 et Ammoniac pK A2 = 9,2. - Écrire l’équation de la réaction entre l’acide éthanoïque et l’ammoniac. - Calculer la constante d’équilibre de cette réaction. - Le pH de la solution obtenue est égal à 7. - Calculer la concentration des différentes espèces présentes à l’équilibre chimique. - Quelle conclusion peut-on tirer ?. | 
- Correction :
- Équation de la réaction :
CH3COOH (aq) + NH3 (aq) = CH3COO – (aq) + NH4 +(aq) (2)
- Constante d’équilibre de cette réaction.
- 
-  
 
   
- Concentration des différentes espèces chimiques.
- Concentration en ions oxonium.
- [H3O+]eq = 10 – pH mol / L ≈ 1,0 × 10 – 7 mol / L
- Concentration en ions hydroxyde.
- [HO -]eq = 10 pH – pKe => [HO -]eq = 10 7 – 14 => [HO –]eq ≈ 1,0 × 10 – 7 mol / L
- Quantité de matière en soluté apporté : napp = C1 . V1 = C2 . V2 ≈ 2,0 × 10 – 4 mol
- Avancement final de la réaction :
| 
		  
		  Équation | CH3COOH (aq) | + NH3 (aq) | = | CH3COO – (aq) | + NH4 +(aq) | |
| 
		  
		  état | 
		  x 
		  (mol) |   |   |   |   |   | 
| 
		  État
          initial (mol) | 
		  0 | 
		  napp
		  
           = C1.V1 | 
		  napp
		  
           = C2.V2 |   | 0 | 0 | 
| 
		  Au
          cours de la 
		  transformation | 
		  x | napp – x | napp – x | 
		  x | x | |
| 
		  Avancement 
		  final | 
		  xf  | 
		  napp
          – xf  | napp – xf | xf | xf | |
| 
		  Avancement 
		   maximal | xmax | 
		napp 
		– x   max  | napp – x max |   | xmax | xmax | 
- Expression de K en fonction de xf.
-  
 
   
- expression de l’avancement final :
-  
 
   
- Concentration des différentes espèces chimiques. (Étude rapide)
- Concentration des ions ammonium.
-  
 
   
- Concentration des ions éthanoate.
-  
  
- Concentration en acide éthanoïque.
-  
  
- 
- [NH4 +]eq ≈ 160 [CH3COOH]eq
- Conclusion :
- [CH3COO -]eq ≈ [NH4 +]eq >> [CH3COOH]eq ≈ [NH3]eq
- On peut considérer que la réaction entre l’acide éthanoïque et l’ammoniac est quasi totale.
- Concentration des différentes espèces chimiques. (Étude détaillée)
- Concentration des ions ammonium.
-  
 
   
- Concentration des ions éthanoate.
-  
 
   
- d’autre part :
- Concentration en acide éthanoïque.
-  

- Concentration en ammoniac.
- D’après le tableau d’avancement :
- [CH3COOH] eq ≈ [NH3] eq = 3,1 × 10 – 5 mol / L
- Conclusion :
- [CH3COO –] eq ≈ [NH4 +] eq >> [CH3COOH] eq ≈ [NH3] eq
- On peut considérer que la réaction entre l’acide éthanoïque et l’ammoniac est quasi totale.
- On peut écrire :
CH3COOH (aq) + NH3 (aq) → CH3COO – (aq) + NH4 +(aq) (2)
- Conclusion générale :
| L’ordre de grandeur de la constante d’équilibre K d’une réaction chimique permet de savoir si la transformation chimique est totale, équilibrée ou très limitée. -  
  Si  K
 ≥ 
10 4 
 la transformation 
  chimique est quasi totale.  - Si K ≈ 1 la transformation chimique est équilibrée. - Si K ≤ 10 – 4 la transformation chimique est très limitée. | 
V- Diagramme de distribution et domaines de prédominance. 
 
  
- La relation :
-  
  
- qui découle de la réaction :
| A (aq) + H2O (ℓ) = B (aq) + H3O+(aq) | 
| Acide Base conjuguée | 
- Permet de considérer trois cas :
- Premier cas : si
- L'acide et la base conjuguée ont la même concentration.
- Deuxième cas : si
- La base B est l'espèce prédominante
- Troisième cas : si
- L’acide A est l’espèce prédominante.
- Exemple : couple CH3COOH / CH3COO –
- représentation sur un axe horizontal : couple AH / A–.
 
  
2)- Application aux indicateurs colorés de pH. (En relation avec le TP de chimie N° 5)
- Les indicateurs colorés sont constitués par des couples acide faible / base faible dont les espèces conjuguées ont des teintes différentes.
- Écriture symbolique :
- On admet, de façon générale, que l'indicateur coloré prend sa teinte acide si :
- On admet, de façon générale, que l'indicateur prend sa teinte basique si :
-  
 
   
- Dans la zone de pH, comprise entre pKAi – 1 ≥ pH ≥ pKAi + 1, l’indicateur coloré prend sa teinte sensible.
- Les couleurs des teintes acide et basique se superposent.
- Cette zone est appelée zone de virage de l’indicateur coloré.
- La séance de TP chimie N° 5 permet de déterminer la valeur du pKAi du B.B.T.
- Domaine de prédominance : : zone de virage : 6,0 – 7,6.
 
  
- Remarque : la zone de virage est inférieure à 2 unités pH car la teinte acide est jaune et la teinte basique est bleue.
- L’œil peut bien distinguer les deux couleurs.
- Il se peut que la zone de virage soit supérieure à 2 unités pH si l’œil a du mal à distinguer les deux couleurs.
| 
		
		QCM N° 04 
		
		
		
		
		Sous forme de tableau | 
| La liqueur de Daquin. |