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Chapitre 1
Acides et bases
Note : Activités des solutés :l"activité d"un soluté A est le rapport :aA= [A]=C0, avecC0= 1mol:L1et est donc un nombre sans dimension. C"est la grandeur quiintervient en réalité dans l"écriture des constantes d"équilibre (cf. § 1.3) qui sont donc
bien sans dimension, et des pH (cf. § 1.1.1) etpKadans lesquels l"argument du log est bien sans dimension aussi. En pratique on ometC0dans l"écriture.1.1 pH de solutions aqueuses
1.1.1 Définition du pH et exemples
Le pH ("potentiel hydrogène") d"une solution, défini par Søren Sørensen en 1909, s"écrit : pH=log[H3O+] où H3O+est l"ion hydronium, ou oxonium, aussi appelé "proton hydraté" puisqu"il s"agit
d"un proton (H +) attaché à une molécule d"eau.La concentration [H
3O+] est donnée enmol:L1, et comme indiqué dans la note pré-
liminaire la concentration unitaireC0est omise.Une solution aqueuse est dite :
neutre si son pH v aut7, i.e. [H3O+]= 107mol:L1(à 25C);
acide si son pH est inférieur à 7, i.e. [H3O+]>107mol:L1(à 25C);
basique si son pH est sup érieurà 7, i.e. [H3O+]<107mol:L1(à 25C).
Quelques exemples :
AcideNeutreBasique
jus de citron (2)eau pure (pH 7 à 25C)eau minérale
vinaigre (4)sang (7,4)savon sucs gastriques (2)Javel acide chlorhydriquelait de magnésium1.1.2 Mesure du pH
Les indicateurs colorés de pH sont des composés organiques prenant une teinte dif- férente selon le pH du milieu. Quelques gouttes d"indicateur ajoutées dans une solution indiquent si son pH est supérieur ou inférieur à la "zone de virage" correspondant au 12CHAPITRE 1. ACIDES ET BASES
changement de teinte (dans cette zone la couleur est la somme des deux teintes). Voici quelques exemples :NomTeinte acideZone de virageTeinte basiqueHélianthinerouge3;1< pH <4;4jaune
Rouge de méthylerouge4;2< pH <6;3jaune
Vert de bromocrésoljaune3;8< pH <5;4bleu
Bleu de bromothymoljaune6;0< pH <7;6bleu
Phénolphtaléineincolore8;0< pH <10;0rose
On peut aussi citer des indicateurs naturels comme le jus de chou rouge et ses multiples changements de teinte :pH0 - 23 - 44 - 67 -89 - 1213 - 14Teinterougerosevioletbleuvertjaune
Le papier pH est un buvard fin imbibé de plusieurs indicateurs colorés, fournissant ainsi une échelle de teintes (cf. Fig. 1.1.a). Ceci permet une mesure approximative de pH : pH= 1. Enfin, un pH-mètre fournit une mesure précise de pH :pH= 0;005. Il s"agit d"unemesure indirecte : on mesure une différence de potentiel entre les deux électrodes représen-
tées en Fig. 1.1.b. Dans ce cas les deux électrodes sont couplées. L"électrode de référence
est une ECS (pour "électrode au calomel saturé", où "calomel" est l"abréviation de chlorure
mercureux Hg2Cl2), dans un bain de KCl saturé (à3mol:L1) (ce qui permet au potentiel
de cette électrode de rester constant). L"électrode indicatrice est une électrode Ag/AgCl, dans le même bain de KCl saturé contenu dans une électrode de verre (bulle de verre très fin au contact de la solution étudiée). Un échange entre les ions HO -de la solutionà tester et les ions Na
+de l"électrode de verre crée une différence de potentiel entre la face interne de la membrane de verre et la solution à tester, proportionnelle à la diffé- rence de pH. La tension entre le potentiel de l"électrode au calomel saturé et l"électrodede référence interne est alors une fonction linéaire du pH de la solution. Il est nécessaire
d"étalonner l"ensemble pH-mètre-électrode avant une série de mesures, pour s"assurer que la conversion entre tension et pH est correcte.1.2 Couples acide/base
1.2.1 Acides et bases de Brønsted
La théorie de Johannes Brønsted (1923) définit les acides et les bases : un acide est une esp ècec himiquecapable de lib érerun proton ; une base est une esp ècec himiquecapable de capter un proton.Deux espèces chimiques AH et A
-forment un couple acide/base si et seulement si elles vérifient la demi-équation : AH (aq)= A- (aq)+ H+Quelques exemples :
eau/ion h ydroxyde: H2O = HO-+ H+
ion h ydronium/eau: H3O+= H2O + H+
acide acétique/ion acétate : CH3COOH = CH3COO-+ H+
1.2. COUPLES ACIDE/BASE3
a)b) Figure1.1 -Gauche :papier pH et échelle de teinte. Crédits :Foucher 2de pro.Droite : électrode au Calomel pour pH-métrie. Crédits :Fascicule de TP CM11 L"eau peut être aussi bien acide que base, on dit que c"est un ampholyte, ou encore une espèce amphotère. Remarque "hors-programme" :il existe d"autres définitions des acides et bases, notam- ment la théorie d"Arrhénius, dans laquelle une base est une espèce capable de céder union hydroxyde, ou la théorie de Lewis basée sur les doublets d"électrons libres. Une même
espèce chimique peut être classée différemment dans ces différentes théories.