Document : Situation de départ

Dans un laboratoire, un élève mélange une solution d’acide chlorhydrique (HCl) avec une solution d’hydroxyde de sodium (NaOH). Après le mélange, il remarque que le pH de la solution se rapproche de 7. Le professeur explique que cette transformation résulte d’une réaction acido-basique qui se produit entre les espèces présentes dans la solution aqueuse.

Comment décrire les transformations chimiques associées aux réactions acido-basiques en solution aqueuse et quelles sont les espèces chimiques mises en jeu ?

Activité expérimentale : L'eau distillée pure

L'eau distillée qu'on utilise en laboratoire n'est pas pure à 100%. La mesure de conductivité et le pH de l'eau pure à la température de $25^\circ C$ donne les valeurs : $\sigma = 5,5 \cdot 10^{-6} \text{ S.m}^{-1}$ et $pH = 7,0$.

Questions :

1 Justifier la présence des ions oxonium ${H_3O^+}$ et des ions hydroxyde ${HO^-}$ dans l'eau.

2 Écrire l'équation de la réaction entre l'acide $H_2O$ et la base $H_2O$.

3 Déterminer, à $25^\circ C$, pour un volume $V = 1 \text{ L}$ d'eau pure, l'avancement de la réaction à l'équilibre $x_{eq}$ et l'avancement maximal $x_{max}$ (on donne $\rho_{eau} = 1 \text{ g/mL}$ et $M = 18 \text{ g/mol}$).

4 Déduire le taux d'avancement final de cette réaction.

Activité documentaire : Comprendre l'équilibre acido-basique

La dissolution d'un acide faible générique $AH$ dans l'eau s'accompagne d'un équilibre chimique menant à la formation de sa base conjuguée $A^-$ et d'ions oxonium.

Questions :

1 Écrire l'équation de la réaction qui se produit lors de la dissolution de l'acide $AH$ dans l'eau.

2 Selon les règles des quotients de réaction à l'équilibre, proposer l'expression de la constante d'acidité $K_A$ associée à cette équation, en omettant le solvant (eau).

Activité expérimentale : Force d'un acide

On considère, à $25^\circ C$, deux solutions aqueuses de même concentration $C = 1,0 \cdot 10^{-2} \text{ mol/L}$ :
- $S_1$ : Solution d'acide éthanoïque ($pH = 3,4$ ; $K_{A1} = 1,6 \cdot 10^{-5}$).
- $S_2$ : Solution d'acide benzoïque ($pH = 3,1$ ; $K_{A2} = 6,3 \cdot 10^{-5}$).

Questions :

1 En utilisant la relation $[{H_3O^+}]_{eq} = 10^{-pH}$, déterminer le taux d'avancement final $\tau$ pour chaque solution.

2 Comparer les $K_A$ et les taux d'avancement $\tau$. Quelle conclusion peut-on tirer sur la force de l'acide benzoïque par rapport à l'acide éthanoïque ?

Exercice 1 : Étude de la constante d'acidité $K_A$

Une solution aqueuse d'acide méthanoïque $HCOOH$ de concentration apportée $C = 3,0 \cdot 10^{-2} \text{ mol/L}$ a un $pH$ égal à $2,65$ à $25^\circ C$.

Questions :

1 Écrire l'équation de la réaction qui se produit lors de la mise en solution de l'acide méthanoïque dans l'eau.

2 Dresser le tableau descriptif d'évolution (tableau d'avancement) de la transformation chimique.

3 Déterminer la valeur de la concentration des ions oxonium $[H_3O^+]_{eq}$ à l'équilibre.

4 Déterminer l'expression de l'avancement maximal $x_{max}$ et le calculer pour un volume V=1L.

5 Montrer que le taux d'avancement final s'écrit $\tau = \frac{10^{-pH}}{C}$.

6 Calculer $\tau$. Que peut-on conclure sur l'état final de cette réaction ?

7 Montrer que l'expression de la constante d'acidité est : $K_A = \frac{C \cdot \tau^2}{1 - \tau}$.

8 En déduire les valeurs numériques de la constante d'acidité $K_A$ et du $pK_A$ du couple considéré.

Exercice 2 : Exploitation du diagramme de distribution

Le document ci-dessous représente le diagramme de distribution d'un mélange d'acide benzoïque ${C_6H_5COOH}_{(aq)}$ (noté $AH$) et d'ion benzoate ${C_6H_5COO^-}_{(aq)}$ (noté $A^-$) à $25^\circ C$. La concentration molaire totale apportée en acide et base conjugués est $C = 10 \text{ mmol/L}$ (soit $1,0 \cdot 10^{-2} \text{ mol/L}$).

Questions :

1 Attribuer à chaque courbe (la courbe noire descendante et la courbe bleue montante) l'espèce chimique correspondante ($AH$ ou $A^-$).

2 En exploitant graphiquement ce diagramme, déterminer la valeur du $pK_A$ du couple $AH / A^-$. Justifier.

3 Écrire l'équation de la réaction de l'acide benzoïque avec l'eau.

4 Déterminer l'espèce prédominante dans un mélange où le $pH = 3,0$. Justifier.

5 Pour une solution dont le $pH = 5,0$, lire graphiquement les pourcentages des deux espèces $\%AH$ et $\%A^-$.

6 Sachant que $C = [AH] + [A^-] = 1,0 \cdot 10^{-2} \text{ mol/L}$, calculer les concentrations effectives des deux espèces à ce $pH = 5,0$.

7 Déduire le taux d'avancement final $\tau$ à $pH = 5,0$, sachant que $[A^-]$ formée correspond à l'avancement final par unité de volume.

8 Si on ajoute quelques gouttes d'Hélianthine (zone de virage : 3,1 - 4,4 / couleurs : Rouge - Jaune) à la solution de départ de $pH = 5,0$, quelle sera la couleur observée ?