Fiche de révision : Acides, pH et dosages chimiques

📋 Plan du Cours

1. Définitions des acides et des bases
2. Couples acide-base et espèces amphotères
3. Réactions acide-base et transfert de proton
4. Polarisation et familles chimiques
5. Mesure et interprétation du pH
6. Spectroscopies UV-visible et infrarouge
7. Conductance et conductivité ionique
8. Gaz parfait et mesure de pression
9. Dosages par étalonnage
10. Dilution et concentrations commerciales
11. Principe et équivalence du titrage
12. Repérage expérimental de l’équivalence

📖 1. Définitions des acides et des bases

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide de Brønsted : Johannes Brönsted, 1923 - Espèce chimique capable de céder un proton H⁺.
• Base de Brønsted : Johannes Brönsted, 1923 - Espèce chimique capable de capter un proton H⁺.

📝 Points essentiels

• Selon Boyle, un acide a une saveur aigre, corrode les métaux et colore le tournesol en rouge, tandis qu’une base est visqueuse et colore le tournesol en bleu. - Robert Boyle, 1650

• Selon Arrhenius, un acide libère des protons en solution aqueuse et une base y libère des ions hydroxyde HO⁻. - Svante August Arrhenius, 1884

• Selon Lewis, un acide accepte un doublet d’électrons et une base donne un doublet d’électrons. - Gilbert Newton Lewis, 1939

💡 Astuce mémo

Brønsted : transfert de H⁺ ; Lewis : transfert de doublet

📖 2. Couples acide-base et espèces amphotères

🔑 Notions clés & Définitions

• Couple acide-base : Un couple acide-base réunit deux espèces conjuguées qui se transforment l’une en l’autre par perte ou gain d’un proton H⁺ et se note AH/A⁻.
• Espèce amphotère : Une espèce amphotère peut jouer le rôle d’acide ou de base selon le couple considéré ; l’eau et l’ion hydrogénocarbonate HCO₃⁻ en sont des exemples.

★ À maîtriser

📐 Formule - La demi-équation d’un couple acide-base s’écrit $\mathrm{AH = A^- + H^+}$, où le signe égal indique que la transformation peut se faire dans les deux sens.

• L’eau est l’acide du couple H₂O/HO⁻ et sa base conjuguée est l’ion hydroxyde HO⁻.

• L’eau est la base du couple H₃O⁺/H₂O et son acide conjugué est l’ion oxonium H₃O⁺.

Compléments

• La dissolution du dioxyde de carbone dans l’eau forme l’acide carbonique instable selon CO₂(g) + H₂O(ℓ) ⇄ H₂CO₃(aq).

💡 Astuce mémo

L’eau au centre, capable de donner H⁺ à droite ou d’en capter à gauche

📖 3. Réactions acide-base et transfert de proton

🔑 Notions clés & Définitions

• Réaction acide-base : Une réaction acide-base met en jeu deux couples différents et transfère un proton de l’acide de l’un vers la base de l’autre.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour AH/A⁻ et B⁻/BH, le transfert de proton s’écrit $\mathrm{AH + B^- \rightarrow A^- + BH}$.

Compléments

• Les réactions acido-basiques sont rarement totales.

• Entre l’acide carbonique et l’ion hydroxyde, la réaction s’écrit H₂CO₃ + HO⁻ → HCO₃⁻ + H₂O.

• Les ions ammonium NH₄⁺ et hydroxyde HO⁻ réagissent selon NH₄⁺ + HO⁻ ⇌ NH₃ + H₂O, les ions sodium et chlorure étant spectateurs.

💡 Astuce mémo

Acide du premier couple + base du second → base du premier + acide du second

📖 4. Polarisation et familles chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide carboxylique : Un acide carboxylique de formule générale R—COOH peut céder le proton de sa fonction carboxyle et former un ion carboxylate R—COO⁻.
• Amine : Une amine possède un atome d’azote dont le doublet non liant peut capter un proton H⁺ ; les amines sont donc des bases de Brønsted.

📝 Points essentiels

• L’acide conjugué d’une amine est appelé ion alkylammonium.

• La méthanamine CH₃—NH₂ est la base du couple CH₃—NH₃⁺/CH₃—NH₂.

• Une liaison entre un hydrogène et un atome plus électronégatif est fortement polarisée, ce qui permet la libération d’un proton par un acide.

💡 Astuce mémo

Liaison H fortement polarisée → libération possible de H⁺

📖 5. Mesure et interprétation du pH

🔑 Notions clés & Définitions

• pH : Le pH est une grandeur sans unité qui caractérise le caractère acide, basique ou neutre d’une solution aqueuse.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour des solutions assez peu concentrées, $\mathrm{pH = -\log\left(\frac{[H_3O^+]}{c^0}\right)}$ avec $\mathrm{c^0 = 1\ mol\,L^{-1}}$.

📐 Formule - La concentration en ions oxonium se déduit du pH par $\mathrm{[H_3O^+] = c^0\,10^{-pH}}$.

Compléments

• Le pH et la concentration en ions oxonium varient en sens inverse.

• Le pH se mesure au papier pH pour en estimer l’ordre de grandeur ou au pH-mètre pour obtenir une mesure plus précise.

💡 Astuce mémo

pH bas : acide ; pH 7 : neutre ; pH haut : basique

📖 6. Spectroscopies UV-visible et infrarouge

🔑 Notions clés & Définitions

• Absorbance : L’absorbance A, sans unité, caractérise la capacité d’une solution à absorber une radiation lumineuse et se mesure avec un spectrophotomètre UV-visible.
• Spectre d’absorption : Un spectre d’absorption représente l’absorbance A en fonction de la longueur d’onde λ, exprimée en nanomètres.

★ À maîtriser

📌 La couleur observée d’une solution colorée est la couleur complémentaire des radiations qu’elle absorbe.

• En spectroscopie IR, les liaisons des molécules organiques absorbent des rayonnements infrarouges pour vibrer, et le spectre représente la transmittance T en fonction du nombre d’onde σ.

Compléments

• Une solution de permanganate de potassium absorbe principalement le vert et apparaît magenta.

• La solution méthanolique d’acide salicylique n’est pas colorée car elle n’absorbe pas dans le visible, entre 400 nm et 800 nm ; ses maxima d’absorption sont à 236 nm et 310 nm.

💡 Astuce mémo

UV-visible : lumière absorbée et couleur ; IR : vibrations des liaisons

📖 7. Conductance et conductivité ionique

🔑 Notions clés & Définitions

• Conductance : La conductance G d’une cellule de conductimétrie est l’inverse de sa résistance et vaut le quotient de l’intensité par la tension.
• Loi de Kohlrausch : Pour une solution suffisamment peu concentrée, la loi de Kohlrausch donne la conductivité comme la somme des produits des conductivités molaires ioniques par les concentrations effectives des ions.

★ À maîtriser

📐 Formule - La loi d’Ohm s’écrit $\mathrm{u = R i}$ et la conductance $\mathrm{G = \frac{1}{R} = \frac{i}{u}}$.

📐 Formule - Dans les conditions usuelles, la conductance vérifie $\mathrm{G = \sigma\frac{S}{\ell}}$ et la conductivité vérifie $\mathrm{\sigma = G\frac{\ell}{S}}$.

📐 Formule - La loi de Kohlrausch s’écrit $\mathrm{\sigma = \sum_i \lambda(X_i)[X_i]}$.

Compléments

• La conductance dépend de : l’aire S de la surface immergée des électrodes, la distance ℓ entre les électrodes, la température de la solution, la concentration de chaque ion, la nature de chaque ion

📖 8. Gaz parfait et mesure de pression

🔑 Notions clés & Définitions

• Gaz parfait : Le gaz parfait est un modèle qui suppose que les molécules sont ponctuelles et que toutes leurs interactions sont négligeables.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’équation d’état du gaz parfait est $\mathrm{PV = nRT}$, avec R = 8,31 J·mol⁻¹·K⁻¹.

Compléments

• Le modèle du gaz parfait est valable à faibles pressions et à des températures éloignées de la température d’ébullition du gaz.

• Dans l’équation d’état, V s’exprime en m³, P en Pa et T en K, avec T(K) = θ(°C) + 273,15.

• Les conversions de volume utiles sont 1 m³ = 1 000 L et 1 L = 10⁻³ m³, et 1 bar = 1,0 × 10⁵ Pa.

📖 9. Dosages par étalonnage

🔑 Notions clés & Définitions

• Dosage par étalonnage : Un dosage par étalonnage détermine une concentration inconnue à partir d’une grandeur physique qui dépend de la concentration de l’espèce en solution.

★ À maîtriser

• Pour un dosage par étalonnage, on prépare des solutions étalons encadrant la concentration inconnue, mesure X pour chaque étalon, trace X en fonction de C, modélise la courbe, mesure X pour l’inconnue, puis lit graphiquement sa concentration.

Compléments

• En spectrophotométrie ou en conductimétrie, le graphique d’étalonnage est une droite passant par l’origine, car l’absorbance et la conductivité sont proportionnelles à la concentration.

💡 Astuce mémo

Étalons → mesures → courbe → inconnue

📖 10. Dilution et concentrations commerciales

🔑 Notions clés & Définitions

• Titre massique : Le titre massique Pₘ d’une solution est le rapport de la masse de soluté à la masse de solution, exprimé en pourcentage.
• Densité : La densité d’une solution est le rapport de sa masse volumique à celle de l’eau, les deux masses volumiques étant exprimées dans la même unité.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le titre massique vérifie $\mathrm{P_m = \frac{m_{soluté}}{m_{solution}}\times 100}$.

• Pour diluer une solution, on prélève la solution mère, on la transfère dans une fiole jaugée, on ajoute de l’eau distillée, puis on complète au trait de jauge et on homogénéise.

📐 Formule - Lors d’une dilution, les concentrations et volumes vérifient $\mathrm{C_{mère}V_{mère}=C_{fille}V_{fille}}$.

Compléments

📐 Formule - La densité vérifie $\mathrm{d = \frac{\rho}{\rho_{eau}}}$, et la masse d’une solution vérifie $\mathrm{m_{solution}=\rho V}$.

• La solution commerciale d’acide chlorhydrique à 32,0 % et de densité 1,16 a une concentration calculée de 10,2 mol·L⁻¹.

💡 Astuce mémo

Densité → masse de solution → masse de soluté → quantité de matière

📖 11. Principe et équivalence du titrage

🔑 Notions clés & Définitions

• Titrage : Un titrage détermine avec précision la quantité de matière ou la concentration d’une espèce dissoute dans une solution aqueuse.
• Équivalence : L’équivalence est l’état du titrage où le titrant versé et le titré ont réagi en proportions stœchiométriques et où le réactif limitant change.

★ À maîtriser

📌 La réaction support d’un titrage doit être unique, rapide et totale.

📌 Le réactif titrant de concentration connue est placé dans la burette, tandis que le réactif titré de concentration inconnue est placé dans un bécher ou un erlenmeyer.

📐 Formule - Pour aA + bB → cC + dD, l’équivalence vérifie $\mathrm{\frac{n(A)}{a}=\frac{n(B)_{versé}}{b}}$, soit $\mathrm{\frac{C_A V_A}{a}=\frac{C_B V_E}{b}}$.

Compléments

• Un dosage par titrage peut reposer sur un suivi colorimétrique, conductimétrique ou pH-métrique, selon les espèces et la réaction support.

💡 Astuce mémo

Avant l’équivalence, le titrant limite ; après, le titré limite

📖 12. Repérage expérimental de l’équivalence

★ À maîtriser

• Lors d’un titrage pH-métrique, on suit le pH pendant l’ajout du titrant et l’équivalence est repérée par un saut de pH.

• Lors d’un titrage conductimétrique, on suit la conductivité au fur et à mesure de l’ajout du titrant et l’équivalence se repère par un changement brutal de pente.

Compléments

• La méthode des tangentes repère l’équivalence en traçant deux tangentes parallèles de part et d’autre du saut, puis une perpendiculaire, une parallèle passant par son milieu et le point d’intersection avec la courbe.

• Avec la méthode de la dérivée, le volume équivalent correspond à l’extrémum de la courbe dpH/dV.

💡 Astuce mémo

pH : saut ; conductivité : changement de pente

📊 Tableaux de synthèse

Méthodes de repérage de l’équivalence

Grandeurs des méthodes d’analyse