Les acides et les bases en solution

Le pH d'une solution aqueuse

A) Définitions

a) Le pH : potentiel hydrogène

La relation de définition du pH est valable entre 0 et 14, quelles que soient les concentrations des ions.

Une solution acide a un pH compris entre 0 et 7.

Une solution neutre a un pH égal à 7,0.

Une solution basique a un pH compris entre 7 et 14.

Plus le pH est bas (< 7) et plus la solution est acide, inversement, plus le pH est élevé (> 7) et plus la solution est basique.

b) La relation entre pH et concentration en ion H₃O⁺ 

Les propriétés acides ou basiques d’une solution vont dépendre de la concentration en ion oxonium H₃O⁺, notée [H₃O⁺].

Les chimistes mesurent une grandeur liée à la concentration en ion oxonium notée [H₃O⁺] :

Inversement, la concentration en ions oxonium [H₃O⁺] est liée au pH par : [H₃O⁺] = 10^–pH.

Plus une solution contient des ions H₃O⁺, plus son pH est faible.

B) La mesure du pH

Le pH peut être mesuré avec du papier pH en trempant un agitateur en verre dans la solution à tester et en touchant ensuite le papier pH avec celui-ci. Le papier pH prend ensuite une teinte qui correspond à un certain pH. La méthode est rapide mais peu précise : le pH est déterminé à une unité près.

Une technique plus précise consiste à utiliser un pH-mètre : il faut rincer la sonde de pH avec de l’eau déminéralisée puis l’essuyer avant de la tremper dans la solution. Il faut homogénéiser la solution pour mesurer correctement la valeur du pH. Cette méthode est plus précise : le pH est déterminé à 0,1 près.

Les acides et les bases en solution aqueuse

A) Les acides et les bases selon la théorie de Brönsted

Un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H⁺ en solution aqueuse.

Une base est une espèce chimique capable de capter un proton H⁺ en solution aqueuse.

B) Les couples acide/base

Un couple acide/base comporte un acide A et une base B. Une demi-équation lie les deux espèces chimiques : A = B + H⁺

Les espèces A et B sont dites conjuguées et forment le couple A/B. On utilise le signe égal dans les demi-équations. La forme acide est écrite en premier dans un couple acide-base.

La molécule d’eau fait partie de deux couples acide/base : H₃O⁺/H₂O et H₂O/OH^–.Elle peut capter ou céder un proton H⁺.

C) La réaction acide/base

Une réaction acide/base est une réaction au cours de laquelle il y a un transfert de proton H⁺. Elle se produit entre l’acide A₁Hd’un couple ${\text{A}}_1{\text{H/A}}_1^{-}$ et la base ${\text{A}}_2^{-}$ d’un autre couple ${\text{A}}_2{\text{H/A}}_2^{-}$ pour former les deux espèces conjuguées ${\text{A}}_1^{-}$ et A₂H.

L’équation s’écrit directement : A₁H + ${\text{A}}_2^{-}$$\rightleftarrows$${\text{A}}_1^{-}$ + A₂H car il y a échange d’un seul proton dans chaque couple. On ne sait pas si la réaction est totale ou non.

Ainsi, si on considère la réaction du chlorure d’hydrogène HCl faisant partie du couple HCl/Cl^– avec l’eau H₂O, il faut prendre H₃O⁺/H₂O car HCl doit réagir avec une base. L’équation s’écrit :

D) Les acides forts

Lors de la réaction avec l’eau, un acide AH va céder un proton à l’eau H₂O qui agit comme une base. On obtient alors les deux espèces conjuguées A^– et H₃O⁺ selon l’équation :

AH + H₂O $\rightleftarrows$ A^– + H₃O⁺

Lorsque l’acide AH est fort, cette réaction avec l’eau est totale et la base conjuguée A^– ne réagit pas du tout avec l’eau, elle est très faible. On met une simple flèche dans l’équation :

AH + H₂O $\to$ A^– + H₃O⁺

Le pH d’une solution d’acide fort de concentration c peut être calculé selon pH = – log c.

Si pour une solution acide le pH d’une solution est supérieur à – log c, alors il s’agit d’un acide faible.

E) Les acides faibles

Si l’acide AH est faible, la réaction avec l’eau est partielle : tout l’acide AH ne se transforme pas et la base conjuguée A^– est une base faible, elle réagit partiellement avec l’eau. On met un signe = ou une double flèche dans l’équation :

AH + H₂O $\rightleftarrows$ A^– + H₃O⁺

Lors de la dilution d’une solution acide, le pH augmente et tend vers 7,0 (la neutralité) si on dilue beaucoup. Dans le cas d’une solution d’acide fort, si la solution est diluée 10 fois, le pH augmente de 1.

F) Les bases fortes

Lors de la réaction avec l’eau, une base B va capter un proton de l’eau H₂O qui agit comme un acide. On obtient alors les deux espèces conjuguées BH⁺ et HO^– selon l’équation :

B + H₂O = BH⁺+ HO^–

Si la base B est forte, cette réaction avec l’eau est totale et l’acide conjugué BH⁺ ne réagit pas du tout avec l’eau, il est très faible. On met une simple flèche dans l’équation :

B + H₂O $\to$ BH⁺+ HO^–

Le pH d’une solution de base forte de concentration c peut être calculé selon pH = 14 + log c.

Si pour une solution basique le pH d’une solution est inférieur à 14 + log c, alors il s’agit d’une base faible.

G) Les bases faibles

Si la base B est faible, cette réaction avec l’eau est partielle et l’acide conjugué BH⁺ est un acide faible, il réagit partiellement avec l’eau, il est très faible. On met un signe = ou une double flèche dans l’équation :

B + H₂O $\rightleftarrows$ BH⁺+ H₃O⁺

Lors de la dilution d’une solution basique, le pH diminue et tend vers 7,0 la neutralité si on dilue beaucoup. Dans le cas d’une solution de base forte, si la solution est diluée 10 fois, le pH diminue de 1.

Le domaine de prédominance

A) Le produit ionique de l’eau

Comme la molécule d’eau fait partie de deux couples acide/base : H₃O⁺/H₂O et H₂O/OH^–, elle peut réagir sur elle-même selon la réaction : H₂O + H₂O $\rightleftarrows$ H₃O⁺ + OH^–.

Cette réaction est un équilibre appelé équilibre d’autoprotolyse de l’eau. Un équilibre est une réaction non totale qui semble ne plus avancer. On associe à cet équilibre une constante d’équilibre, appelé produit ionique de l’eau.

À 25 °C, le produit ionique de l’eau est : K_e = [H₃O⁺] × [HO^–] = 1,0 × 10^–14.

Le produit ionique est une constante. Ainsi, comme le produit entre les concentrations des ions oxonium et hydroxyde doit être constant, lorsqu’une concentration augmente l’autre diminue : plus le pH devient acide, plus la concentration en ions oxonium augmente et plus celle des ions hydroxyde faiblit.

B) La constante d’acidité K_a

On appelle constante d’acidité dans l’eau du couple HA/A^–, notée K_a, la grandeur sans dimension associée à l’équation AH + H₂O $\rightleftarrows$ A^– + H₃O⁺.

Les acides forts font partie de couples pour lesquels le pK_a est négatif, les bases fortes font partie de couples pour lesquels le pK_a est supérieur à 14. Quant aux acides et bases faibles, le pK_a du couple associé est compris entre 0 et 14.

C) Le diagramme de prédominance

Le diagramme de prédominance d’un couple acide-base AH/A^– est un axe de pH, sur lequel figure le pK_a du couple. Il permet de prévoir quelle est l’espèce chimique d’un couple qui prédomine dans une solution dont on connaît le pH.

Ainsi pour le couple CH₃COOH/CH₃COO^–, dont le pK_a vaut 4,8, le diagramme de prédominance est :

Dans une solution contenant les espèces CH₃COOH et CH₃COO^–, si le pH = 2,5, l’espèce CH₃COOH prédomine ; pour pH = 4,8 = pK_a, il y a autant de CH₃COOH et de CH₃COO^– ; si le pH = 6,0, l’espèce CH₃COO^– prédomine bien que le milieu soit acide.

D) Le cas des acides α-aminés

Un acide α-aminé comporte deux fonctions chimiques ayant des propriétés acidobasiques : une fonction amine primaire —NH₂ et un groupe acide carboxylique —COOH.

Les fonctions COOH et NH₂ peuvent s’ioniser de la façon suivante : —COOH = —COO^– + H⁺ et —NH₂ + H⁺ = —NH₃⁺.

Il y a donc deux constantes d’équilibre K_a et deux pK_a.

Le pK_a1, le plus faible correspond à —COOH/—COO^– et le plus fort pK_a2 est associé à —NH₃⁺/—NH₂

En solution, un acide α-aminé peut exister sous plusieurs ionisations en fonction du pH de la solution.

Un acide α-aminé ne peut exister en solution que sous une de ces trois formes ci-dessus. Aussi, la forme NH₂—CRH—COOH avec le radical R est la forme dite solide.

Dans le cas de la glycine, les valeurs des pK_A sont pK_A1 = 2,3 et pK_A2 = 9,9.

E) Les solutions tampon

Une solution tampon est un mélange en même proportion d’un acide et d’une base conjuguée : le pH de la solution est donc égal au pK_a du couple.