Fiche de révision : Chapitre 1: transformation Acide-Base

📋 Plan du Cours

1. Théorie acide-base de Brønsted
2. Définition et mesure du pH
3. Spectroscopie et mesures physiques
4. Calculs et propriétés du pH
5. Mesure et interprétation du pH
6. Identification par spectroscopie
7. Mesures par absorbance et conductivité
8. Dosages par étalonnage

📖 1. Théorie acide-base de Brønsted

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide de Brønsted : Espèce chimique susceptible de céder un proton H⁺.
• Base de Brønsted : Espèce chimique susceptible de capter un proton H⁺.
• Ampholyte : Un ampholyte est une espèce qui peut se comporter à la fois comme un acide et comme une base ; l’eau est amphotère, car elle appartient aux couples H₃O⁺/H₂O et H₂O/OH⁻.

★ À maîtriser

• Un couple acide-base conjugué est relié par la transformation Acide ⇌ Base + H⁺, où H⁺ représente le proton échangé.

• Les couples acide-base classiques sont : acide éthanoïque/ion éthanoate, ion ammonium/ammoniaque, ion oxonium/eau, eau/ion hydroxyde, dioxyde de carbone dissous/ion hydrogénocarbonate, ion hydrogénocarbonate/ion carbonate

Compléments

• Dans le bilan chimique d’une réaction acide-base, le proton H⁺ échangé n’apparaît pas.

• Dans une neutralisation entre H₃O⁺ et HO⁻, les ions Na⁺ et Cl⁻ sont spectateurs et peuvent être omis de l’équation de réaction.

💡 Astuce mémo

L’acide cède H⁺ ; la base capte H⁺.

📖 2. Définition et mesure du pH

🔑 Notions clés & Définitions

• pH : Le pH est une grandeur sans dimension appelée potentiel hydrogène et définie par $\mathrm{pH}=-\log\left(\frac{[\mathrm{H_3O^+}]}{c^\circ}\right)$, avec $c^\circ=1\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$.
• Concentration standard : Concentration de référence fixée par convention à 1 mol·L⁻¹.

★ À maîtriser

• Le pH peut être mesuré avec du papier indicateur-pH à code couleur ou avec une électrode de verre reliée à un pH-mètre.

Compléments

• L’état standard correspond à une température de 298 K (25 °C) et à une pression de 1 bar, soit 10⁵ Pa.

• L’électrode de verre est sensible à la température et est principalement fiable pour des pH compris entre 3 et 11.

📖 3. Spectroscopie et mesures physiques

★ À maîtriser

📐 Formule - La loi de Beer-Lambert s’écrit $A=k\cdot c$ et est valable ici pour $c<10^{-2}\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$.

📐 Formule - La loi de Kohlrausch s’écrit $\sigma=\sum_i\lambda_i[X_i]$, où σ est la conductivité, λᵢ la conductivité molaire ionique de l’ion i et [Xᵢ] sa concentration.

Compléments

• Un spectre d’absorption UV-visible présente les longueurs d’onde des radiations absorbées et des pics caractéristiques de l’espèce dissoute ; il renseigne sur la capacité de la solution à absorber la lumière qui la traverse.

• Un spectre infrarouge représente la transmittance en fonction du nombre d’onde et permet de repérer des bandes d’absorption, des groupes caractéristiques et une zone d’empreintes digitales.

📐 Formule - La relation entre le nombre d’onde et la longueur d’onde est $\bar{\nu}=\frac{1}{\lambda}$ lorsque λ est exprimée en centimètres.

📐 Formule - La conductance vérifie $G=\frac{1}{R}=\frac{I}{U}$, où G s’exprime en siemens, R en ohms, I en ampères et U en volts.

📖 4. Calculs et propriétés du pH

★ À maîtriser

📐 Formule - La concentration en ions oxonium se déduit du pH par $[\mathrm{H_3O^+}]=c^\circ\times10^{-\mathrm{pH}}$.

Compléments

• Les relations de calcul du pH et de la concentration en ions oxonium sont valables pour [H₃O⁺] ≤ 10⁻² mol·L⁻¹.

• Le logarithme décimal est défini pour tout réel strictement positif et vérifie log(a × b) = log a + log b, log 1 = 0 et log 10 = 1.

• Le logarithme décimal est la fonction réciproque de la fonction 10ˣ : si a > 0 et x = log a, alors a = 10ˣ.

💡 Astuce mémo

[H₃O⁺] augmente → pH diminue.

📖 5. Mesure et interprétation du pH

★ À maîtriser

📌 Le pH décroît quand la concentration en ions oxonium H₃O⁺ augmente.

• Le pH de l’eau pure vaut 7, ce qui correspond à [H₃O⁺] = 10⁻⁷ mol · L⁻¹.

• Le pH-mètre mesure de façon fiable les pH de 1 à 13, avec une incertitude de 0,1 unité, soit pour des concentrations en H₃O⁺ de 10⁻¹ à 10⁻¹³ mol · L⁻¹.

📌 Dans le diagramme de Flood, la relation pH = −log([H₃O⁺]/c°) est valide pour des concentrations comprises entre 10⁻² et 10⁻⁶˒⁵ mol · L⁻¹.

Compléments

• Une solution contenant [H₃O⁺] = 0,010 mol · L⁻¹ a un pH égal à 2.

• Une solution de pH égal à 8,5 a une concentration en ions oxonium de 3,2 × 10⁻⁹ mol · L⁻¹.

• Le papier pH évalue le pH d’une solution aqueuse avec une précision d’une unité.

• La relation entre le pH et la concentration en ions oxonium peut être testée en mesurant le pH de solutions d’acide chlorhydrique obtenues par dilutions successives d’un facteur 10.

• Le diagramme de Flood représente la fonction pH = f(−log([H₃O⁺]/c°)).

📌 Dans la zone des faibles dilutions du diagramme de Flood, la relation pH = −log([H₃O⁺]/c°) n’est pas valide.

📌 Dans la zone des fortes dilutions du diagramme de Flood, le pH de l’eau solvant impose un pH égal à 7.

💡 Astuce mémo

Plus de H₃O⁺, pH plus bas ; l’eau pure reste à 7.

📖 6. Identification par spectroscopie

🔑 Notions clés & Définitions

• Transmittance : Quotient de l’intensité de la radiation transmise par celle de la radiation incidente ; elle est sans unité et s’exprime en pourcentage.

★ À maîtriser

• Un photon n’est absorbé par une molécule ou un atome que si son énergie correspond exactement à celle nécessaire à un changement de niveau d’énergie, selon $E_2-E_1=h\nu$.

• La spectroscopie par absorption analyse les fréquences absorbées pour renseigner sur les niveaux d’énergie et la structure des espèces chimiques.

• Le spectre d’absorption UV-visible, qui représente l’absorbance en fonction de la longueur d’onde, est caractéristique de la solution et permet d’identifier l’espèce dissoute.

• La spectroscopie IR renseigne sur les types de liaisons et permet d’identifier les groupes caractéristiques d’une molécule.

📌 En spectroscopie IR, les bandes au-dessus de 1 300 cm⁻¹ caractérisent différents types de liaisons, tandis que la zone sous 1 300 cm⁻¹, dite zone des empreintes digitales, permet d’identifier une molécule par comparaison avec un spectre de référence.

Compléments

• En spectroscopie UV-visible, l’énergie absorbée par les photons est gagnée par les électrons et un spectrophotomètre mesure l’absorbance de la solution pour chaque radiation lumineuse.

• Le spectre UV-visible du bleu de méthylène présente notamment des maxima d’absorption à 295 nm dans l’UV et à 660 nm dans le visible.

• En spectroscopie IR, l’énergie absorbée par les photons infrarouges fait vibrer les atomes autour des liaisons covalentes.

📐 Formule - Le nombre d’onde est l’inverse de la longueur d’onde : $\tilde{\nu}=\frac{1}{\lambda}$ ; si λ est exprimée en cm, le nombre d’onde s’exprime en cm⁻¹.

• Dans le spectre IR de la 5-hydroxypentan-2-one, la bande large et forte entre 3 200 et 3 500 cm⁻¹ correspond au groupe hydroxy O—H, tandis que la bande fine et forte à 1 720 cm⁻¹ correspond au groupe carbonyle C=O des cétones.

• Les tables de données spectroscopiques permettent d’attribuer les bandes d’absorption IR à des groupes caractéristiques d’atomes.

💡 Astuce mémo

UV-visible repère l’espèce ; IR repère ses liaisons.

📖 7. Mesures par absorbance et conductivité

🔑 Notions clés & Définitions

• Conductance : Inverse de sa résistance R et traduit sa capacité à conduire le courant électrique ; elle s’exprime en siemens.
• Conductivité : Proportionnelle à la conductance, s’exprime en S · m⁻¹ et ne dépend que de la température et de la nature de la solution.

★ À maîtriser

📐 Formule - La loi de Beer-Lambert exprime la proportionnalité entre l’absorbance A et la concentration c : $A=k\cdot c$, où k est un coefficient de proportionnalité en L · mol⁻¹.

📌 Pour appliquer correctement les mesures et lois présentées, les concentrations doivent rester inférieures à 10⁻² mol · L⁻¹.

📐 Formule - Dans un mélange de plusieurs espèces chimiques, l’absorbance totale est la somme des absorbances de chaque espèce : $A=\sum_i A_i=\sum_i k_i\cdot c_i$.

📐 Formule - La loi de Kohlrausch relie la conductivité aux conductivités molaires ioniques et aux concentrations ioniques : $\sigma=\sum_i \lambda_i[X_i]$.

Compléments

• L’absorbance dépend de la nature et de la concentration de la solution, de la longueur d’onde, de l’épaisseur traversée par la lumière et de la température.

📌 Pour améliorer la précision spectrophotométrique, on choisit la longueur d’onde d’absorption de la solution, puis on mesure au maximum d’absorption λmax.

📐 Formule - La conductance vérifie $G=\frac{1}{R}=\frac{I}{U}$, où R est la résistance, I l’intensité du courant et U la tension.

• La conductance dépend de la température, de la nature et de la concentration de la solution ainsi que de la géométrie de la cellule de mesure.

📐 Formule - La conductivité et la conductance sont reliées par $\sigma=\frac{\ell}{S}G$, où ℓ est l’écart entre les électrodes et S leur surface.

• La conductivité molaire ionique dépend de la température.

📌 La loi de Kohlrausch n’est valable que pour des concentrations inférieures à 10⁻² mol · L⁻¹.

• Pour une solution de NaCl de concentration c, la loi de Kohlrausch donne $\sigma=(\lambda_{Na^+}+\lambda_{Cl^-})c$, car [Na⁺] et [Cl⁻] valent chacun c.

• Les concentrations ioniques utilisées dans le calcul de la conductivité σ s’expriment en mol · m⁻³.

📌 La conductivité σ et la conductance G d’une solution sont proportionnelles à la concentration en soluté apporté c.

📖 8. Dosages par étalonnage

★ À maîtriser

• Un dosage par étalonnage consiste à préparer par dilution, à partir d’une solution-mère de concentration connue, une gamme de solutions-filles de concentrations connues, puis à tracer une courbe reliant une grandeur mesurable à la concentration.

• Les grandeurs mesurables utilisables sont :

  • l’absorbance
  • la conductance
  • la conductivité

• Pour déterminer une concentration inconnue, on mesure l’absorbance, la conductance ou la conductivité de la solution à doser, puis on déduit sa concentration de la courbe d’étalonnage.

Compléments

📌 La gamme étalon doit couvrir des concentrations qui coïncident avec celle de la solution inconnue, et les mesures et lois utilisées ne sont valables que pour des concentrations inférieures à 10⁻² mol · L⁻¹.

💡 Astuce mémo

Solutions étalons → courbe → mesure inconnue → concentration.