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Physique-Chimie · 2 Bac Sciences Physiques

Évolution des systèmes chimiques (acide-base)

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Définition de Brønsted : Un acide est une espèce chimique capable de libérer un proton $H^+$. Une base est capable d'en capter un.
  • Couple acide/base : Noté $(AH/A^-)$, lié par la demi-équation : $AH \rightleftharpoons A^- + H^+$.
  • Produit ionique de l'eau : $K_e = [H_3O^+][HO^-] = 10^{-pK_e}$. À 25°C, $pK_e = 14$.
  • Constante d'acidité $K_A$ : Pour la réaction $AH + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+$, on a $K_A = \frac{[A^-]{éq}[H_3O^+]{éq}}{[AH]_{éq}}$.
  • Relation $pH$ et $pK_A$ : $pH = pK_A + \log\left(\frac{[A^-]{éq}}{[AH]{éq}}\right)$.
  • Taux d'avancement final $\tau$ : $\tau = \frac{x_{f}}{x_{max}}$. Pour un acide dans l'eau, $\tau = \frac{10^{-pH}}{C}$.

Méthodes à maîtriser

  • Calcul du pH : Savoir utiliser $pH = -\log[H_3O^+]$.
  • Diagramme de prédominance : Si $pH < pK_A$, l'acide prédomine. Si $pH > pK_A$, la base prédomine.
  • Détermination de $x_f$ : Utiliser la mesure du pH pour trouver $[H_3O^+]{éq}$ puis $x_f = [H_3O^+]{éq} \cdot V$.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : Solution d'acide éthanoïque à $C = 10^{-2} mol/L$ avec $pH = 3,4$. $\tau = \frac{10^{-3,4}}{10^{-2}} \approx 0,04 = 4%$. La réaction est limitée.
  • Exemple 2 : Calcul du $pK_A$ si $pH = pK_A$ quand $[AH] = [A^-]$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que $K_A$ ne dépend que de la température.
  • Confondre $x_{max}$ (réaction totale) et $x_f$ (réaction limitée).
  • Négliger l'autoprotolyse de l'eau sans vérifier si le pH est proche de 7.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Évolution des systèmes chimiques (acide-base)

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Quelle est la valeur du produit ionique de l'eau à 25°C ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que tous les acides réagissent totalement avec l'eau ?

Non, seuls les acides forts réagissent totalement avec l'eau ($\tau = 1$). Les acides faibles, qui constituent la majorité des acides étudiés en terminale, réagissent partiellement ($\tau < 1$). La réaction est alors limitée et aboutit à un état d'équilibre chimique.

💡 À retenir : Un acide est fort si sa réaction avec l'eau est totale, sinon il est faible.

Kifach n7seb xmax ila kan l'acide da3if ?

Pour calculer $x_{max}$, on suppose que la réaction est totale, comme si l'acide était fort.

  1. On écrit l'équation : $AH + H_2O \rightarrow A^- + H_3O^+$.
  2. On utilise le tableau d'avancement : $n(AH){initial} - x{max} = 0$.
  3. Donc $x_{max} = C \cdot V$.

💡 À retenir : $x_{max}$ se calcule toujours comme si la réaction était totale, peu importe la nature de l'acide.

Pourquoi on utilise le pH pour calculer KA ?

Le $K_A$ est une constante d'équilibre. Pour la calculer, il faut connaître les concentrations des espèces à l'équilibre. Le pH permet d'accéder directement à la concentration en ions oxonium $[H_3O^+]_{éq} = 10^{-pH}$. À partir de là, on déduit les autres concentrations via le tableau d'avancement.

💡 À retenir : Le pH est l'outil expérimental principal pour mesurer l'état d'équilibre d'un système acide-base.

Chno hiya l'utilité dyal diagramme de prédominance ?

Il sert à savoir quelle forme (acide ou base) est la plus présente dans la solution pour une valeur de pH donnée.

  1. Si $pH < pK_A$, la forme acide $AH$ prédomine.
  2. Si $pH > pK_A$, la forme basique $A^-$ prédomine.
  3. Si $pH = pK_A$, les deux formes sont en concentrations égales.

💡 À retenir : Le diagramme permet de visualiser rapidement l'état du système sans calcul complexe.

Est-ce que le pKA change si on dilue la solution ?

Non, le $pK_A$ est une constante thermodynamique qui ne dépend que de la température. La dilution modifie le pH et les concentrations des espèces, mais le rapport $\frac{[A^-][H_3O^+]}{[AH]}$ reste égal à $K_A$ à température constante.

💡 À retenir : $K_A$ est indépendant de la concentration initiale et du pH.

Kifach n3ref wach l'acide 9wi wla da3if ghir men pH ?

Tu compares le pH mesuré à la valeur théorique du pH d'une solution d'acide fort de même concentration $C$ ($pH_{th} = -\log(C)$).

  1. Si $pH_{mesuré} = -\log(C)$, l'acide est fort.
  2. Si $pH_{mesuré} > -\log(C)$, l'acide est faible.

💡 À retenir : Un acide faible donne toujours un pH plus élevé qu'un acide fort à concentration égale.

Le produit ionique de l'eau Ke change-t-il avec la température ?

Oui, le $K_e$ dépend de la température. Bien qu'on utilise souvent $K_e = 10^{-14}$ à 25°C, cette valeur augmente avec la température. Il faut toujours vérifier la valeur donnée dans l'énoncé de l'exercice.

💡 À retenir : $K_e$ n'est égal à $10^{-14}$ qu'à 25°C.

Est-ce que l'eau peut se comporter comme un acide ?

Oui, l'eau est une espèce amphotère (ampholyte). Elle appartient à deux couples : $(H_3O^+/H_2O)$ où elle est base, et $(H_2O/HO^-)$ où elle est acide. Elle peut donc réagir avec elle-même (autoprotolyse).

💡 À retenir : L'eau est le solvant universel des réactions acide-base car elle peut donner ou capter un proton.

Pourquoi on néglige souvent les ions HO^- dans le calcul du pH d'un acide ?

Dans une solution acide, $[H_3O^+] \gg [HO^-]$. Comme le produit ionique $K_e = [H_3O^+][HO^-] = 10^{-14}$, si le pH est inférieur à 6, la concentration en $HO^-$ est négligeable devant celle des $H_3O^+$.

💡 À retenir : On ne considère les $HO^-$ que si le milieu est basique ou proche de la neutralité.

Comment calculer le taux d'avancement tau ?
  1. Déterminer $x_f$ à partir du pH : $x_f = 10^{-pH} \cdot V$.
  2. Déterminer $x_{max}$ à partir de la concentration initiale : $x_{max} = C \cdot V$.
  3. Faire le rapport : $\tau = \frac{x_f}{x_{max}} = \frac{10^{-pH}}{C}$.

💡 À retenir : $\tau$ est toujours compris entre 0 et 1.

Est-ce que la constante KA est la même pour tous les acides ?

Non, chaque couple acide/base possède son propre $K_A$ (ou $pK_A$). Plus le $pK_A$ est petit, plus l'acide est fort.

💡 À retenir : $pK_A = -\log(K_A)$.

Est-ce que la réaction entre un acide et une base est toujours totale ?

Non, cela dépend de la différence entre les $pK_A$ des deux couples. Si la différence est grande, la réaction est considérée comme totale. Sinon, elle est limitée. (à vérifier par le professeur : le programme se concentre sur la réaction acide/eau, mais le principe de la constante $K$ s'applique).

💡 À retenir : La constante de réaction $K = 10^{pK_{A2} - pK_{A1}}$ détermine si la réaction est totale ou limitée.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Une solution aqueuse d'acide méthanoïque $HCOOH$ de concentration $C = 1,0 \times 10^{-2} mol/L$ a un pH de 2,9.

  1. Écrire l'équation de la réaction avec l'eau.
  2. Calculer le taux d'avancement $\tau$.
  3. Calculer la constante d'acidité $K_A$ du couple $HCOOH/HCOO^-$.
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Exercice 2

On mélange un volume $V_1 = 20 mL$ d'acide éthanoïque à $C_1 = 0,1 mol/L$ et $V_2 = 20 mL$ de solution d'hydroxyde de sodium à $C_2 = 0,1 mol/L$.

  1. Écrire l'équation de la réaction.
  2. Calculer les quantités de matière initiales. La réaction est-elle totale ?
  3. Déterminer la composition du système à l'état final.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Soit un acide faible $AH$ de $pK_A = 4,8$. On prépare une solution à $C = 10^{-3} mol/L$.

  1. Calculer le pH de la solution.
  2. Déterminer le rapport des concentrations $[A^-]/[AH]$ à l'équilibre.
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