Fiche de révision : Acides bases et équilibre chimique

📋 Plan du Cours

1. Concentrations et définitions acido-basiques
2. Couples et réactions acide-base
3. Eau amphotère et autoprotolyse
4. Force des acides et des bases
5. pH et prédominance des espèces
6. Solutions tampons et indicateurs
7. Acides alpha-aminés
8. Équilibre et avancement chimique
9. Quotient constante et évolution

📖 1. Concentrations et définitions acido-basiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide de Brønsted : espèce chimique capable de céder au moins un ion hydrogène H⁺
• Base de Brønsted : espèce chimique capable de capter au moins un ion hydrogène H⁺

📝 Points essentiels

📐 Formule — La concentration en soluté apporté, ou concentration de fabrication, vérifie $C=\frac{n_{\mathrm{soluté}}}{V_{\mathrm{sol}}}$ et concerne l’espèce introduite sans tenir compte de son devenir.

📐 Formule — La concentration d’une espèce X effectivement présente dans la solution vérifie $[X]=\frac{n_X}{V_{\mathrm{sol}}}$.

💡 Astuce mémo

Soluté apporté = fabrication ; [X] = espèce réellement présente

📖 2. Couples et réactions acide-base

🔑 Notions clés & Définitions

• Couple acide-base : formé d’un acide et de sa base conjuguée, entre lesquels on passe par transfert d’un ion hydrogène

★ À maîtriser

📐 Formule — La demi-équation d’un couple acide-base s’écrit $AH\rightleftharpoons A^-+H^+$ ou $A^-+H^+\rightleftharpoons AH$.

📌 Dans une réaction acide-base, l’acide d’un couple réagit avec la base d’un autre couple selon $\mathrm{Acide}_1+\mathrm{Base}_2\rightarrow\mathrm{Base}_1+\mathrm{Acide}_2$ ou avec une double flèche si la transformation n’est pas totale.

Compléments

• La réaction entre l’acide éthanoïque et l’ion cyanure s’écrit $\mathrm{CH_3COOH+CN^-\rightarrow CH_3COO^-+HCN}$.

💡 Astuce mémo

Acide 1 + Base 2 → Base 1 + Acide 2

📖 3. Eau amphotère et autoprotolyse

🔑 Notions clés & Définitions

• Espèce amphotère : à la fois l’acide d’un couple et la base d’un autre couple

★ À maîtriser

• L’autoprotolyse de l’eau correspond à la réaction $2\,H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+HO^-(aq)$.

📐 Formule — Le produit ionique de l’eau vérifie $K_e=[H_3O^+]_{eq}[HO^-]_{eq}$ et $pK_e=-\log(K_e)$.

Compléments

• À 25 °C, le produit ionique de l’eau vaut $K_e=1{,}0\times10^{-14}$ et $pK_e=14$.

• Dans l’eau pure à 25 °C, les concentrations vérifient $[H_3O^+]=[HO^-]=10^{-7}\ \mathrm{mol.L^{-1}}$.

💡 Astuce mémo

Autoprotolyse de l’eau → H₃O⁺ et HO⁻ → Ke

📖 4. Force des acides et des bases

★ À maîtriser

• Un acide fort réagit totalement avec l’eau, tandis qu’un acide faible réagit selon une transformation non totale.

• Une base forte réagit totalement avec l’eau, tandis qu’une base faible réagit selon une transformation non totale.

• L’espèce conjuguée d’une espèce forte est indifférente, tandis que l’espèce conjuguée d’une espèce faible est également faible.

📐 Formule — Pour un couple acide-base faible A/B, la constante d’acidité vérifie $K_A=\frac{[B]_{eq}[H_3O^+]_{eq}}{[A]_{eq}}$ et $pK_A=-\log(K_A)$.

Compléments

• Pour l’acide éthanoïque, le couple CH₃COOH/CH₃COO⁻ a $pK_A=4{,}8$, tandis que pour NH₄⁺/NH₃, $pK_A=9{,}2$.

💡 Astuce mémo

Acide fort : réaction totale ; acide faible : réaction limitée

📖 5. pH et prédominance des espèces

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme de prédominance : représente l’espèce majoritaire d’un couple acide-base en fonction du pH

📝 Points essentiels

📐 Formule — Le pH d’une solution vérifie $pH=-\log\left(\frac{[H_3O^+]}{c^\circ}\right)$ et, avec les concentrations usuelles, $[H_3O^+]=10^{-pH}$.

📌 Pour une solution d’acide de concentration apportée C, un acide fort vérifie $pH=-\log(C)$, tandis qu’un acide faible vérifie $pH>-\log(C)$.

📌 Dans un couple A/B, l’acide A prédomine si pH<pK_A, les deux espèces sont en quantités égales si pH=pK_A, et la base B prédomine si pH>pK_A.

💡 Astuce mémo

pH < pKA : acide ; pH = pKA : égalité ; pH > pKA : base

📖 6. Solutions tampons et indicateurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Solution tampon : solution dont le pH varie peu après un ajout modéré d’eau, d’acide ou de base
• Indicateur coloré : couple acide-base dont les deux espèces conjuguées ont des couleurs différentes

★ À maîtriser

📌 Un mélange équimolaire d’un acide et de sa base conjuguée, tel que [AH]=[A⁻], est une solution tampon de pH égal à pK_A.

Compléments

• La zone de virage d’un indicateur est approximativement l’intervalle $pK_A-1\le pH\le pK_A+1$.

💡 Astuce mémo

Tampon : pH stable ; eau seule : pH fortement modifié

📖 7. Acides alpha-aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide alpha-aminé : possède un groupement carboxyle —COOH et un groupement amine —NH₂ sur le même atome de carbone, appelé position α
• Amphion : espèce amphotère formée par transfert interne d’un ion H⁺ dans un acide α-aminé en solution aqueuse

📝 Points essentiels

• 🔄 Quand le pH augmente, les formes prédominantes se succèdent ainsi:
  1. cation
  2. amphion
  3. anion

💡 Astuce mémo

Cation → amphion → anion quand le pH augmente

📖 8. Équilibre et avancement chimique

🔑 Notions clés & Définitions

• Équilibre dynamique : état où les réactions directe et opposée se produisent simultanément à la même vitesse, si bien que la composition macroscopique reste constante

📝 Points essentiels

📌 Une transformation totale consomme complètement au moins un réactif limitant, tandis qu’une transformation non totale laisse tous les réactifs présents à l’état final.

📐 Formule — Le taux d’avancement vérifie $\tau=\frac{x}{x_{max}}$ et le taux final $\tau_f=\frac{x_f}{x_{max}}$; une transformation totale a $\tau_f=1$, tandis qu’une transformation non totale a $\tau_f<1$.

💡 Astuce mémo

Totale : réactif limitant disparu ; non totale : réactifs et produits persistent

📖 9. Quotient constante et évolution

🔑 Notions clés & Définitions

• Constante d’équilibre : valeur du quotient de réaction à l’équilibre, soit $K(T)=Q_{r,eq}$; elle est sans dimension et ne dépend que de la température

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour $aA+bB\rightleftharpoons cC+dD$, le quotient de réaction est $Q_r=\frac{(C)^c(D)^d}{(A)^a(B)^b}$, où les activités sont sans dimension.

📌 Si $Q_r<K(T)$, le système évolue spontanément dans le sens direct et Qr augmente; si $Q_r>K(T)$, il évolue dans le sens opposé et Qr diminue; si $Q_r=K(T)$, il est à l’équilibre.

Compléments

• Pour la réaction de l’acide méthanoïque avec l’eau à 25 °C, $K(T)=1{,}8\times10^{-4}$; avec les concentrations données, $Q_r=5{,}0\times10^{-5}<K(T)$, donc l’évolution est directe.

💡 Astuce mémo

Qr < K : direct ; Qr = K : équilibre ; Qr > K : opposé

📊 Tableaux de synthèse

Force des acides et bases

Critère d’évolution spontanée