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Objectif Le pH permet de mesurer l’acidité d’une solution. Comment est-il défin

Objectif Le pH permet de mesurer l’acidité d’une solution. Comment est-il défini ? Comment mesure-t-on le pH d’une solution ? 1. Notion de pH a. pH d'une solution aqueuse Le potentiel hydrogène, noté pH, permet de mesurer l’acidité ou la basicité d’une solution. Il est lié à la concentration en ions oxonium H3O+ dans la solution. La valeur du pH est un nombre sans unité compris entre 0 et 14. À une température de 25 °C : • Le pH d’une solution neutre est pH = 7,0. • Le pH d’une solution acide est compris entre 0 et 7,0. • Le pH d’une solution basique est compris entre 7,0 et 14. b. Définition du pH Si le pH d'une solution acide est faible, c'est parce qu'il libère des protons H+ selon l'équation : HA → A- + H+, donc la concentration des ions H+ augmente. À l'opposé, si le pH d'une base est fort, c'est qu'elle capte les protons H+, ce qui fait baisser leur concentration. Il y a donc une relation entre le pH et la concentration des protons. Remarque : associés à l'eau, on note aussi les protons H+ sous la forme d'ions oxonium H3O+. Au lycée, on se limitera à l'étude des solutions diluées de mono-acides et de monobases qui ne mettront en jeu qu'un seul proton. NB : une solution diluée est une solution dont la concentration est : 10-5 mol.L-1 < Csolution < 10-1 mol.L-1. Le pH des solutions diluées est défini par l'expression simplifiée : pH = – log [H3O+] ou [H3O+] = 10-pH. Le symbole log représente le logarithme décimal. [H3O+] est le nombre sans dimension correspondant à la concentration molaire des ions oxonium en mol.L-1 Attention : le pH est un nombre sans dimension (pas d'unité). 2. Mesure du pH a. Indicateur coloré Un indicateur coloré est une espèce chimique qui change de couleur en fonction de la valeur du pH. Par exemple, le BBT est un indicateur coloré qui est bleu en milieu basique, vert en milieu neutre, et jaune en milieu acide. Si l'on introduit quelques gouttes de BBT dans une solution aqueuse, celle-ci prend une teinte que l’on compare à une échelle de teinte (qui sert de référence). Introduire quelques gouttes d’un indicateur coloré dans une solution permet donc de déterminer l’ordre de grandeur de son pH, mais pas la valeur précise du pH. b. Mesure au papier pH Le papier pH est une bande de papier imbibée d’un indicateur universel. L’indicateur universel est constitué d’un mélange d’indicateurs colorés dont les teintes varient graduellement en fonction du pH. Le papier pH a donc une teinte qui varie en fonction de la valeur du pH. Le papier pH se présente sous la forme de bandes étroites de papier. L’échelle des teintes de l’indicateur en fonction du pH est imprimée sur le boitier. En déposant une goutte de solution (de pH inconnu) sur un morceau de papier pH, on détermine une valeur approximative de la valeur du pH en comparant la couleur obtenue avec celle de l’échelle. c. Mesure au pH-mètre On peut mesurer la valeur du pH avec un pH-mètre. Le pH-mètre est un appareil de mesure constitué d’une électrode double reliée à un boitier électronique indiquant la valeur du pH. Avant utilisation, le pH-mètre doit être étalonné avec deux solutions tampons. Une solution tampon est une solution dont le pH est stable et connu avec précision. On étalonne le pH-mètre avec une solution tampon de pH = 7,0 (pH neutre), puis avec une solution tampon acide (4,0) ou basique (9,0). Une fois étalonné, on rince l’électrode, et on la plonge dans la solution aqueuse dont on cherche à déterminer le pH. La lecture du pH se fait sur l’écran du boitier électronique. L'essentiel • Le pH d’une solution est lié à la concentration en ions oxonium [H3O+]. • Le pH d’une solution aqueuse varie entre 0 et 14 à 25 °C. • Plus la concentration en ions oxonium est élevée, et plus le pH est faible. • Plus la concentration en ions oxonium est faible, et plus le pH est élevé. • La relation entre le pH et la concentration des ions oxonium est : pH = – log [H3O+] ou [H3O+] = 10–pH. • Le pH n'a pas d'unité. • La valeur du pH peut se déterminer avec un indicateur coloré, du papier pH ou mesuré avec un pH- mètre. Objectifs • Présenter la notion de constante d’acidité d’un couple acide/base. • Donner quelques exemples. • Donner la relation entre le pH, le pKA et les concentrations des formes acides et basiques. • Expliquer comment bâtir un diagramme de prédominance et comment s’en servir. 1. La constante d'acidité KA Problématique : si on sait facilement trouver le lien entre la concentration d'un acide fort et le pH, les choses sont plus délicates avec un acide faible. On pourrait penser utiliser le taux d’avancement final (pourcentage de molécules AH passées sous forme ). Toutefois, dépend de la concentration initiale en acide : • Un acide faible concentré réagit peu avec l’eau, soit faible. • Un acide faible dilué réagit plus avec l’eau, soit fort. Définition : pour un couple acide-base , on appelle constante d’acidité la quantité : . Pour un couple donné, la constante d’acidité ne dépend que de la température. Celle-ci sera fixée à 25 °C. Concrètement, est indépendante des conditions initiales, c'est-à-dire de la concentration initiale en acide faible dissous, contrairement à . Dans cette expression, les concentrations doivent obligatoirement être exprimées en mol/L et à l’équilibre chimique, d’où l’indice (eq). est sans dimension. En fait, un « 1 mol/L » associé au solvant (l’eau) « se cache » au dénominateur. L’explication de cela est hors programme, mais retenons que l’eau, en tant que solvant, ne doit pas apparaître dans . 2. Le pKa Définition : De la même manière que l’on définit le pH par et , on définit le par ou . Comme le , le est sans dimension. Échelle de : Le , et par extension le sont de bonnes « étiquettes » afin de cataloguer les couples acide/base. On construit alors une échelle de : Plus un acide est fort, plus sa base conjuguée est faible, et inversement. Plus le est fort, plus un acide est faible et plus sa base conjuguée est forte. Cette année, seuls les acides et bases en solution aqueuse sont considérés. On se limite alors au domaine 0–14. Le couple a un égal à puisque l’eau ne doit pas apparaître dans l’expression de . On retrouve l’expression du produit ionique , et on a : , en accord avec notre échelle de . Remarque : la notion de (ou de ) n’a pas de sens pour un acide fort ou une base forte. D’autre part, on parle de pour un couple acide/base, et pas seulement pour l’acide. 3. Diagramme de prédominance À partir de l’expression du , on établit la relation . Démonstration : On applique un logarithme décimal à l’expression , ce qui donne , ou bien : . Puisque et , on trouve alors . Diagramme de prédominance : en raisonnant par rapport à cette formule, on établit que: • Si , alors , ou , donc . • Si , alors , ou , donc . • Si , alors , ou , donc . Pour un couple donné, on a alors le diagramme de prédominance : Connaissant le et le , on peut donc indiquer quelle forme domine : ou . L'essentiel Le produit ionique de l’eau vaut à 25 °C. Pour un couple acide/base (faibles), on définit la constante d’acidité par : . C’est une constante pour une température donnée. D’autre part : avec ou . Objectif : De nombreuses solutions commerciales (comme le vinaigre) font intervenir des acides ou des bases courantes. Il est donc utile de connaître lescouples dans lesquels interviennent ces espèces chimiques afin de mieux prévoir leur transformation. Toutes les solutions aqueuses, qu'elles soient acides, neutres ou basiques, contiennent à la fois des ions oxonium (H3O+) et des ions hydroxyde (HO–). D'où proviennent ces ions ? Les ions oxonium H3O+ sont présents dans des quantités différentes dans les solutions acides et basiques : il y en a généralement une part importante dans les solutions acides et une part faible dans les solutions basiques. L'eau possède la particularité d'apparaître à la fois dans les solutions acides et dans les solutions basiques. 1. Les solutions acides Toutes les solutions acides contiennent des ions oxonium H3O+ (aq)en plus grande quantité que les ions hydroxyde HO–. a. Le couple H3O+(aq) / H2O(l) L'eau est le plus connu des solvants. Il fait intervenir l'ion oxonium H3O+ (aq) qui appartient au couple H3O+ (aq) / H2O(l) dont l'eau H2O(l) est la base conjuguée. La demi-équation correspondant à ce couple s'écrit : H3O+ (aq) = H2O(l) + H+ (aq) Remarque : L'ion H+ dans l'eau est hydraté. Il devient l'ion oxonium H3O+ (aq), noté parfois par simplification H+ (aq). b. Solutions aqueuses contenant les ions uploads/s3/ fiches-de-cours-chimie.pdf