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

Variation du pH au cours d'une réaction entre un acide et une base

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• montrer qu'une réaction entre un acide et une base, dont l'un au moins est fort, est pratiquement totale ;
• décrire et interpréter les courbes de variation du pH lors de l'ajout d'une base forte à un acide (fort ou faible) et d'un acide fort à une base faible ;
• déterminer le point d'équivalence, la concentration d'une solution et un pKa à partir d'une courbe de dosage ;
• choisir un indicateur coloré et définir une solution tampon.
Prérequis : pH des solutions, constante d'acidité, tableau d'avancement.

Situation de départ

Pour contrôler la qualité d'un vinaigre ou d'un détartrant, le laboratoire détermine la concentration exacte de l'acide qu'il contient : il réalise un dosage.
Comment suivre une réaction acide-base pour en déduire une concentration inconnue ?

I. Une réaction acide-base pratiquement totale

On mélange 10 mL d'acide méthanoïque à 2,0.10-2 mol.L-1 (2,0.10-4 mol) et 5,0 mL de soude à 2,0.10-2 mol.L-1 (1,0.10-4 mol d'ions OH-) : HCOOH + OH- HCOO- + H2O. Les ions OH- sont limitants : xmax = 1,0.10-4 mol.
Le pH mesuré, 3,8, donne [OH-] = 10-10,2 = 6,3.10-11 mol.L-1, soit dans 15 mL : n(OH-) restant = 9,5.10-13 mol. Donc xf = xmax à 10-8 près : τf = 1.

Le même résultat se lit sur la constante d'équilibre :

K = [HCOO-][HCOOH].[OH-] = KaKe = 1014 - 3,75 = 1010,25
La réaction d'un acide faible avec une base forte, d'une base faible avec un acide fort, et a fortiori d'un acide fort avec une base forte, est pratiquement totale.

II. Dosage d'un acide fort par une base forte

Animation

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-74621F2FDOSAGE pH-MÉTRIQUE3,52pH-mètreburette graduéesolution titrante (soude)solution à doseragitateur magnétiqueélectrode combinée© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 1 — Montage d'un dosage pH-métrique. Le pH-mètre est étalonné au préalable avec des solutions tampons ; on agite après chaque ajout.

On verse la solution titrante de soude (burette) dans un volume VA d'acide chlorhydrique, et on relève le pH après chaque ajout. La courbe pH = f(VB) présente trois parties : une faible augmentation, un saut de pH brusque, puis une nouvelle faible augmentation. Elle a un seul point d'inflexion, situé au milieu du saut : le point d'équivalence E.

Point d'équivalence

  • à l'équivalence, la quantité d'ions OH- versée est égale à la quantité initiale d'acide : CA.VA = CB.VBE ;
  • E se détermine par la méthode des tangentes : on trace deux tangentes à la courbe, parallèles, de part et d'autre du saut ; E est sur la parallèle équidistante ;
  • pour un acide fort et une base forte, pHE = 7 à 25 °C : la solution ne contient que des ions spectateurs (Na+, Cl-).

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-74621F2FACIDE FORT ET BASE FORTEVB(mL)pH510152025302468101214zone de virage du BBTEHCl : 20 mL, 0,010 mol/L(20 mL ; 7,0)© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 2 — Courbe calculée pour 20 mL d'acide chlorhydrique à 0,010 mol.L-1 et une soude de même concentration. Méthode des tangentes : deux tangentes parallèles (orange) et la parallèle équidistante (verte) qui coupe la courbe en E.

Remarques

• On peut aussi repérer E par la méthode de la courbe dérivée : d pH/dVB est maximale à l'équivalence (logiciel d'acquisition).
• Le pHE reste égal à 7, mais le saut de pH est d'autant plus grand que les solutions sont plus concentrées.

Exemple

20,0 mL d'une solution d'acide nitrique sont dosés par la soude à 5,0.10-2 mol.L-1 ; VBE = 12,4 mL. Donc CA = 5,0.10-2 x 12,4/20,0 = 3,1.10-2 mol.L-1.

III. Dosage d'un acide faible par une base forte

Animation

Pour l'acide éthanoïque dosé par la soude, la courbe présente deux points d'inflexion : le point de demi-équivalence et le point d'équivalence. Le pH initial est plus élevé et le saut de pH plus petit que pour un acide fort de même concentration.

Points remarquables

  • à la demi-équivalence (VB = VBE/2), la moitié de l'acide a réagi : [AH] = [A-], donc pH = pKa ; c'est une méthode de détermination du pKa ;
  • autour de la demi-équivalence, le pH varie peu : le mélange se comporte comme une solution tampon ;
  • à l'équivalence, la solution contient la base faible A- : pHE > 7.

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-74621F2FACIDE FAIBLE ET BASE FORTEVB(mL)pH510152025302468101214phénolphtaléineHCl de même concentrationEDCH3COOH : 20 mL, 0,10 mol/LpH = pKa = 4,75pH = 8,7© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 3 — Acide éthanoïque (0,10 mol.L-1) dosé par la soude (0,10 mol.L-1) : D est le point de demi-équivalence, E le point d'équivalence. En tirets : acide chlorhydrique de même concentration.

pH à l'équivalence

À l'équivalence, tout se passe comme si l'on avait dissous de l'éthanoate de sodium à la concentration C' = CA.VA/(VA + VBE) = 0,050 mol.L-1 : pHE = (pKe + pKa + log C')/2 = (14 + 4,75 + log 0,050)/2 = 8,7.

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