ChimieForces des acides et des basesChap.8

(1)

T^ale Spé Thème : Constitution et transformation de la matière TP16

Chimie Forces des acides et des bases 

Chap.8

Objectifs du TP

 Estimer la valeur de la constante d’acidité d’un couple acide-base à l’aide d’une mesure de pH.

 Mesurer le pH de solutions d’acide ou de base de concentration donnée pour en déduire le caractère fort ou faible de l’acide ou de la base.

I. Force des acides et des bases

 Tous les acides et les bases ne sont pas équivalents car ils ne se comportent pas de la même façon avec l’eau.

 Comment caractériser la force de ces espèces ?

 Peut-on associer à chaque couple acide-base une valeur qui nous renseigne sur cette force ? Document 1 : Rôle de l’eau

 L’eau est une espèce amphotère qui peut réagir avec une base en jouant le rôle d’acide ou avec un acide en jouant le rôle de base.

 Un acide est faible si sa réaction avec l’eau n’est pas totale. Cet équilibre est caractérisé par une constante d’équilibre appelée constante d’acidité KA. Si la réaction est totale, l’acide (ou la base) est qualifié(e) de fort(e).

 La réaction entre deux molécules d’eau, l’une jouant le rôle d’acide et l’autre le rôle de base, conduit à un équilibre appelé autoprotolyse de l’eau. Cette réaction est modélisée par l’équation : 2 H2O(ℓ) ⇆ H3O⁺(aq) + HO^-(aq)

 La constante de cet équilibre, notée KE est appelée produit ionique de l’eau : KE = [H3O⁺(aq)]  [HO^-(aq)] KE = 1,010^-14 à 25 °C.

Document 2 : Données

 Masse molaire de l’éthanoate de sodium CH3CO2Na : M = 136,0 g.mol^-1

 pK = - ℓog K K = 10^-pK ; pKE = 14 ; pKA (CH3CO2H (aq)/CH3CO2-

(aq)) = 4,8 ; pKA (NH4+

(aq)/NH3(aq)) = 9,3 Document 3 : Matériel

 Béchers 50 mL et 100 mL  Balance de précision  Solutions d’acide éthanoïque C = 1,0.10^-2 et 1,00 mol.L^-1

 Burette graduée de 25,0

mL  Coupelle + spatule  Solution d’acide chlorhydrique

C = 1,0.10^-2 mol.L^-1

 pH-mètre étalonné  Ethanoate de sodium solide  Solution d’hydroxyde de sodium C = 1,0.10^-2 mol.L^-1

 Eprouvette graduée 100

mL  Pissette eau distillée  Solution d’ammoniaque

C = 1,0.10^-2 mol.L^-1

05/02/22 tempfile_1702.docx

(2)

Protocole expérimental (Réaliser)

1) Mesurer le pH des 4 solutions de concentration C = 1,0.10^-2 mol.L^-1 afin de compléter la première ligne du tableau :

Acide chlorhydrique (H3O⁺(aq) + Cℓ^-(aq))

Acide éthanoïque CH3CO2H(aq)

Hydroxyde de sodium (Na⁺(aq) + HO^-(aq))

Ammoniaque NH3(aq)

pH

Taux d’avancement τ (%) Acide/Base fort(e)/faible

(3)

Exploitation (Analyser)

2) Ecrire l’équation de la réaction d’un acide AH avec l’eau.

3) Compléter le tableau d’avancement suivant.

équation de la réaction  AH (aq) + H2O (ℓ)  A^-(aq) + H3O⁺(aq)

Etat initial x = 0 n = C  V Etat final xf

Si la réaction

est totale x = xmax

4) En déduire la relation entre xf et le pH, puis celle entre xmax et la concentration C en acide.

5) Déterminer l’expression du taux d’avancement τ = xf/xmax en fonction du pH et de C.

Calculer sa valeur pour les 2 acides. Conclure.

6) La même démarche pour une base A^-(aq) réagissant avec l’eau donne τ = 10⁽^pH−14) C ^. Calculer sa valeur pour les 2 bases. Conclure.

Problème (Raisonner-Valider)

7) A partir du quotient de réaction QR, montrer que la constante d’acidité de l’acide éthanoïque s’écrit :

KA = C × τ²

c⁰×(1−τ) ^{où c}^o = 1,0 mol.L^-1.

8) Calculer KA, puis le pKA correspondant. Cette valeur expérimentale est-elle cohérente en admettant un écart relatif inférieur à 5 %.

Programmation (Analyser)

 Un programme informatique permet de tracer le diagramme de distribution de l’acide et de sa base conjuguée en fonction du pH.

 Ouvrir le logiciel EduPython et charger le fichier Diagramme distribution.py présent dans les documents de votre classe (PC).

 Modifier le programme en indiquant la valeur du pKA de l’acide éthanoïque.

 Exécuter le programme et répondre aux questions suivantes. S’il reste du temps en fin de TP, recommencer avec l’ion ammonium NH4+…

(4)

9) Quelle relation existe-t-il entre [AH (aq)] et [A^-(aq)] lorsque pH = pKA ? Expliquer si la concentration C en acide influe sur la valeur du pKA.

10) Pour pH < pKA, quelle est l’espèce prédominante ? Et lorsque pH > pKA ? Pour quels pH, [AH] = 90% [A^-] et [AH (aq)] = 90% [A^-(aq)] ?

11) Tracer son diagramme de prédominance : axe horizontal de pH avec les zones où prédomine chaque forme du couple.

(5)

II. Détermination expérimentale d’une constante d’acidité

 Comment déterminer avec plus de précision la constante d’acidité de l’acide éthanoïque ? Document 4 : Protocole expérimental

 A partir d’une solution d’acide éthanoïque, notée AH de concentration 1,00 mol.L^-1 (prélevée à la burette graduée) et d’éthanoate de sodium solide, sa base conjuguée notée A^-, préparer quatre solutions sont la composition est donnée dans le tableau ci-dessous :

S1 S2 S3 S4

VAH (en mL) 10,0 10,0 5,0 5,0

nAH (en mmol)

mA- (en g) 1,36 0,68 1,36 2,72

nA- (en mmol)

Veau (en mL) 60 60 60 60

pH

Document 5 : pH à l’équilibre

 Les concentrations en acide [AH] et en base conjuguée [A^-] sont liées par l’une des quatre relations suivantes :

 pH = - pKA + ℓog

−¿A^¿

[¿ ¿

[

AH

]

⁾

¿¿

;  pH = pKA - ℓog

−¿A^¿

[¿ ¿

[

AH

]

⁾

¿¿

;  pH = pKA + ℓog

−¿A^¿

[¿ ¿

[

AH

]

⁾

¿¿

;  pH = - pKA

- ℓog

−¿A^¿

[¿ ¿

[

AH

]

⁾

¿¿

Document 6 : Accord entre valeurs expérimentale et de référence

 Lorsqu’on réalise plusieurs fois la mesure de la même grandeur pKA, on peut calculer son incertitude statistique élargie u(pKA) telle que u(pKA) =

2× σ_n−1

√

^N ^{avec σ}^n-1 l’écart type sur les N mesures.

Groupe 1 2 3 4 5 6 7 8 9

pKA

(6)

 Le résultat de la mesure est en accord avec la valeur de référence si le quotient

|

^pKA−pK_{A réf}

|

u(pK_A) est  à 1.

Document 7 : Solution tampon

 Une solution est qualifiée de solution tampon si elle contient l’acide faible et sa base conjuguée en quantité

équimolaire. Ainsi, elle garde approximativement le même pH après dilution, ou après addition de faibles quantités d’acide ou de base.

 Dans le sang humain, la solution tampon physiologique formée du couple H2CO3(aq)/HCO3−

(aq) maintient le pH sanguin entre 7,35 et 7,45.

Question préalable (Analyser)

1) Vérifier que pour chaque solution du document 4, l’égalité suivante est valable :

−¿A^¿

¿

¿¿ =

n_A^−¿

n_AH

¿

Protocole expérimental (Réaliser-Analyser) 12) Réaliser le protocole expérimental du doc.4.

13) Proposer une démarche permettant de déterminer quelle relation du doc.5 est correcte.

→ Aide : Indiquer le graphique à tracer, les calculs à mener...



Appeler le professeur pour valider la démarche, la mettre en œuvre, puis conclure.



Exploitation (Analyser-Valider)

14) En déduire la valeur expérimentale du pKA du couple acide éthanoïque / ion éthanoate.

15) Déterminer si le résultat de la mesure est en accord avec la valeur de référence.

Problème (Raisonner-Réaliser-Valider)

16) Parmi les quatre solutions préparées, quelle est celle qui peut servir de solution tampon ? Le vérifier expérimentalement.