Chimie · 4ème Sc.expThème 3 : Les réactions acide-base · Chapitre 1

Application de la loi d'action de masse aux réactions acide-base

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• définir un acide et une base selon Brönsted et écrire un couple acide/base ;
• appliquer la loi d'action de masse à l'ionisation propre de l'eau (produit ionique Ke) et aux réactions acide-base ;
• prévoir le sens d'évolution spontanée d'un système contenant des acides et des bases ;
• définir les constantes d'acidité Ka et de basicité Kb d'un couple, et les pKa, pKb ;
• distinguer acides et bases forts, faibles et inertes et les classer ;
• calculer la constante d'équilibre d'une réaction acide-base.
Prérequis : loi d'action de masse, conditions d'évolution spontanée, notion de pH.

Situation de départ

Le vinaigre et l'acide chlorhydrique dilué sont tous deux des acides, mais le second attaque bien plus vivement le calcaire à la même concentration. L'ammoniac des produits ménagers et la soude sont deux bases, mais d'efficacité très différente.
Comment comparer la force des acides et des bases ?

I. Rappels : acides et bases de Brönsted

Animation

  • un acide est une entité chimique, chargée ou non, capable de céder un proton H+ ; une base est une entité capable d'en capter un ;
  • un acide et la base obtenue après la perte d'un proton forment un couple acide/base conjugués, noté acide/base, d'équation formelle acide base + H+ ;
  • une réaction acide-base est un transfert de proton entre l'acide d'un couple et la base d'un autre couple : elle met toujours en jeu deux couples.

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-198416D6TRANSFERT DE PROTONHCOOHHCOO-- H+couple 1CH3COO-CH3COOH+ H+couple 2H+acide 1 + base 2donnebase 1 + acide 2© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 1 — L'acide du couple 1 cède un proton H+ que capte la base du couple 2.

Exemple

Dans HCOOH + CH3COO- HCOO- + CH3COOH, les couples sont HCOOH/HCOO- et CH3COOH/CH3COO-. L'eau est une espèce ampholyte : acide du couple H2O/OH- et base du couple H3O+/H2O.

II. Ionisation propre de l'eau

Animation

L'eau pure conduit très faiblement le courant : elle contient des ions H3O+ et OH-, formés par la réaction acide-base très limitée 2 H2O H3O+ + OH-. La loi d'action de masse donne, dans toute solution aqueuse diluée à l'équilibre :

[H3O+].[OH-] = Ke
Ke est le produit ionique de l'eau ; il ne dépend que de la température : Ke = 1,0.10-14 à 25 °C, soit pKe = - log Ke = 14. Il augmente avec la température (1,0.10-13 à 60 °C) : l'ionisation propre de l'eau est endothermique.

Exemple

Dans une solution où [OH-] = 2,0.10-4 mol.L-1, à 25 °C : [H3O+] = Ke/[OH-] = 10-14/(2,0.10-4) = 5,0.10-11 mol.L-1.

III. Loi d'action de masse et réactions acide-base

1. Expression de la loi d'action de masse

Pour une réaction mettant en jeu les couples acide1/base1 et acide2/base2, acide1 + base2 base1 + acide2, la fonction des concentrations est :

π = [base1].[acide2][acide1].[base2]      et      πéq = K
L'eau solvant n'apparaît pas dans π. K ne dépend que de la température.

2. Sens d'évolution spontanée

  • si π < K : la réaction directe (sens 1) se produit spontanément ;
  • si π > K : la réaction inverse (sens 2) se produit spontanément ;
  • si π = K : le système est en équilibre.
  • les réactions acide-base sont très rapides : l'équilibre est atteint presque instantanément.
Exemple

Pour HCOOH + CH3COO- HCOO- + CH3COOH (K = 10), on prépare un système où [HCOOH] = 0,010 mol.L-1, [CH3COO-] = 0,020 mol.L-1, [HCOO-] = 0,050 mol.L-1 et [CH3COOH] = 0,080 mol.L-1 : π = 0,050 x 0,0800,010 x 0,020 = 20 > K : c'est la réaction inverse qui se produit.

IV. Constantes d'acidité et de basicité

1. Constante d'acidité Ka

Pour comparer les acides, on les fait tous réagir avec la même base de référence, l'eau (couple de référence H3O+/H2O) : AH + H2O A- + H3O+. Sa constante d'équilibre est la constante d'acidité du couple :

Ka = [A-].[H3O+][AH]          pKa = - log Ka          Ka = 10-pKa
Exemples à 25 °C : CH3COOH/CH3COO- : Ka = 1,8.10-5, pKa = 4,75 ; NH4+/NH3 : Ka = 5,6.10-10, pKa = 9,25.
Pour les couples de l'eau, on garde la concentration de l'eau, [H2O] = 55,35 mol.L-1 : H3O+/H2O : Ka = 55,35, pKa = - 1,74 ; H2O/OH- : Ka = Ke/55,35 = 1,8.10-16, pKa = 15,74.

2. Constante de basicité Kb

De même, on compare les bases par leur réaction avec l'eau (couple de référence H2O/OH-) : A- + H2O AH + OH-, de constante :

Kb = [AH].[OH-][A-]          pKb = - log Kb
En multipliant les deux expressions : Ka.Kb = Ke, donc pKa + pKb = pKe = 14 à 25 °C.

Mimba-Educ ouvre bientôt

Tu as découvert le début de ce cours. La suite s'ouvrira le 22 novembre 2026, jour de l'ouverture officielle du site.

Visiter un autre cours