chap 1 : définition et mesure du pH I. Solutions d`acide

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TSMP
Cours chimie
chap 1 : définition et mesure du pH
Introduction : le vinaigre et le jus de citron ont un goût « piquant » car ces liquides
sont acides. Dans ce chapitre, nous allons découvrir le caractère acide ou basique
d’une solution aqueuse. Nous apprendrons aussi à « mesurer » cette acidité en
définissant mathématiquement la notion de pH. Nous définirons aussi le « produit
ionique de l’eau » à partir de l’étude des solutions d’acide chlorhydrique et
d’hydroxyde de sodium.
I.
Solutions d’acide chlorhydrique : définition du pH
1. Solutions diluées d’acide chlorhydrique
a)
Caractéristiques des solutions
Dissolution
Obtention :
HCl
+
H2O
H3 O+(aq)
+
Cl-(aq)
totale
Noms
Etats physiques
Rem : la formule HCl ne correspond donc pas à celle d’une solution d’acide chlorhydrique mais seulement au chlorure d’hydrogène
qui est un gaz incolore !
b) Mesures de pH
[H3O+] en mol.L-1
1,0.10-5
1,0.10-4
1,0.10-3
1,0.10-2
Calcul de
– Log [H3O+]
pH mesuré
Conclusion :
2. Définition du pH
Les propriétés acides ou basiques d’une solution dépendent de la concentration en ions hydronium [H3O+] qui peut varier de 10 mol/L
à 10-15 mol/L. La 1ère solution est 1 million de milliards de fois plus acide que la 2nde ! Cette échelle très étendue n’est pas très
pratique. La notion de pH utilise alors une échelle plus commode.
d’où
Rem 1 : [H3O+] doit être exprimée en mol.L-1.
Rem 2 : le pH n’a pas d’unité.
Rem 3 : lorsque [H3O+] est divisée par 10 (donc l’acidité de la solution), le pH augmente de …………. Unité.
Exo 1 :
a) Calculer le pH d’une solution d’acide chlorhydrique obtenue en dissolvant 0,045 mol de chlorure d’hydrogène dans 100 mL d’eau.
b) L’étiquette d’une eau minérale indique pH = 6,5. En déduire la concentration des ions hydronium [H3O+].
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3. Echelle de pH
D’après les mesures effectuées en classe, classer les substances suivantes : coca, vin blanc, vinaigre, limonade, jus de fruit, lessive,
détartrant (anti-calcaire), débouche-canalisation…
Solutions ……………………
0
1
2
3
4
5
6
Solutions ……………………
7
8
9
10
11
12
13
14
pH
Solutions ……………………..
Un peu de culture :
Exo 2 : Souvenirs, souvenirs… (aïe, aïe, aïe)
Sur l’étiquette d’une solution d’acide chlorhydrique on peut lire :
- densité par rapport à l’eau : d = 1,19
- pourcentage massique de chlorure d’hydrogène utilisé : P = 37 %
Déterminer la concentration molaire des ions hydronium [H3O+] et le pH d’une telle solution.
Données M(H) = 1 g/mol et M(Cl) = 35,5 g/mol
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4.
Mesures du pH
Le pH d’une solution se détermine en utilisant
un pH.mètre,
du papier pH
ou un
indicateur coloré
A l’aide d’une flèche, relier le dispositif
à sa définition :
Substance organique
dont la couleur en
solution dépend du pH
Papier imprégné d’un mélange
de plusieurs indicateurs colorés
puis séché.
Millivoltmètre électronique relié à
une double électrode mesurant une
tension proportionnelle à [H3O+]
Mesure rapide et
grossière
Mesure rapide et assez précise :
précision 1 unité pH
Mesure plus longue et très
précise : précision 0,1 unité pH
5.
Solutions concentrées d’acide chlorhydrique
a)
Mesures de pH
[H3O+] en mol.L-1
1,0.10-1
1,0
Calcul de
– Log [H3O+]
Conclusion :
pH mesuré
b) Limite de notre définition du pH
Nous admettrons que notre définition pH = - log [H3O+] n’est applicable que si [H3O+] ≤ 10-1 mol.L-1 dans le cas de solutions dites
……………………..
II. Solutions d’hydroxyde de sodium : définition du produit ionique de l’eau
1. Solutions diluées d’hydroxyde de sodium
a)
caractéristiques des solutions
Obtention :
NaOH
Dissolution
totale
Na+(aq)
+
HO-(aq)
Noms
Etats physiques
Rem : la formule NaOH ne correspond donc pas à celle d’une solution d’hydroxyde de sodium mais seulement à celle d’un cristal
ionique d’hydroxyde de sodium qui est un sel solide blanc (formé d’ions) !
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b) Mesures de pH
[HO-] en mol.L-1
1,0.10-5
1,0.10-4
1,0.10-3
1,0.10-2
pH mesuré
Calcul de
[H3O+] = 10-pH
Calcul de
[H3O+]*[HO-]
Conclusion :
2. Définition du produit ionique de l’eau

Toute solution aqueuse contient, entre autres, des ions …………………………..... H3O+ et des ions ………..……………..…
HO- dont les concentrations sont liées par la relation :

Ke est appelée : produit ionique de l’eau (sa valeur ne dépend que de la température).

On peut définir
d’où
3. Autoprotolyse de l’eau
Il est très difficile d’avoir de l’eau pure car on y trouve toujours quelques traces d’ions parasites ou de gaz dissouts. Des laboratoires
spécialisés ont réussi à en obtenir et ont remarqué un caractère très légèrement conducteur de l’eau pure.
Cela révèle la présence d’ions même dans l’eau pure. Ces laboratoires ont également mesuré le pH d’une telle solution et ont obtenu
7,0 à 25°C.
A 25°C, le pH de l’eau pure est égal à 7,0
Calculer les concentrations en ions hydronium et hydroxydes :
L’eau pure contient des ions …………………………..... H3O+ et des ions ………..……………….… HO- en concentrations
……………………………..
Ces ions proviennent de la réaction limitée d’autoprotolyse de l’eau :
H2O
+
H2O
Rem : Ke peut être vue comme la constante d’équilibre de cette réaction :
Exo 3 : bizarre, bizarre…
a) Calculer la concentration de H2O dans l’eau pure.
b) En déduire le pourcentage de molécules d’eau participant à la réaction d’autoprotolyse de l’eau.
H3O+ +
HO-
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4. Solutions concentrées d’hydroxyde de sodium
a)
Mesures de pH
[HO-] en mol.L-1
1,0.10-1
1,0
pH mesuré
Calcul de
[H3O+] = 10-pH
Calcul de
[H3O+]*[HO-]
Conclusion :
b) Limite de notre définition du produit ionique
Nous admettrons que notre définition Ke = [H3O+]*[HO-] n’est applicable que si [H3O+] ≤ 10-1 mol.L-1
ou [HO-] ≤ 10-1 mol.L-1 dans le cas de solutions dites ………………..
5. Relation entre le pH et [HO-]
Exo 4 : A partir du produit ionique de l’eau établir les relations suivantes :
III.
[HO-] = 10(pH – pKe) et
pH = pKe + log [HO-]
Solutions aqueuses acides ou basiques
1. Définition simple à 25°C
On peut caractériser la neutralité, l’acidité ou la basicité d’une solution aqueuse par la valeur de son pH à la température standard
de 25°C (comme dans les petites classes…).
Compléter les traits :
a)
Une solution neutre a un pH …………….
donc [H3O+] = …………….. = ……………. mol.L-1 et [HO-] = ……………… = …………… = ………….. mol.L-1.
Alors [H3O+] ……... [HO-].
b) Une solution acide a un pH ……………
donc [H3O+] = …………….. >……………. mol.L-1 et [HO- ] = ……………… < ………….. mol.L-1.
Alors [H3O+] ……... [HO-].
c)
Une solution basique a un pH ……………
donc [H3O+] = …………….. <……………. mol.L-1 et [HO- ] = ……………… > ………….. mol.L-1.
Alors [H3O+] ……... [HO-].
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2. Définition générale
ATTENTION ! La définition basée sur le pH n’est plus valable si la température n’est pas de 25°C ! Il faut alors comparer les
concentrations en ions hydronium et hydroxydes.
a) Une solution est neutre si elle contient …………….…….. d’ions hydronium que d’ions hydroxydes : [H3O+] ……... [HO-]
b) Une solution est acide si elle contient ………………..….. d’ions hydronium que d’ions hydroxydes : [H3 O+] ……... [HO-]
c)
Une solution est basique si elle contient …………….…….. d’ions hydronium que d’ions hydroxydes : [H3O+] ……... [HO-]
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Cours chimie
chap 1 : définition et mesure du pH : EXERCICES
Ex1 : a) Ecrire l’équation de dissolution permettant d’obtenir une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (ou soude).
b) Déterminer le pH à 25°C d’une solution d’hydroxyde de sodium de concentration c = 2,4.10-3mol/L.
Ex2 : Compléter le tableau suivant à 25°C :
[H3O+] en mol.L-1
[HO-] en mol.L-1
pH
Nature de la solution
9,4
4,5.10-2
2,6
6,2.10-9
1,8.10-5
7,6
8,6.10-6
neutre
Ex3 : Calculer le pH de l’eau pure à 0°C (où Ke = 4,8.10-13) et à 99°C (où Ke = 1,2.10-15)
Ex4 : A 60°C (où Ke = 9,6.10-14) une solution aqueuse a un pH de 6,8. Est-elle acide, neutre ou basique ?
Ex5 : pH, dissolution et dilutions (part 1)
1) Ecrire l’équation de dissolution permettant d’obtenir une solution aqueuse d’acide chlorhydrique.
2) Quel volume de chlorure d’hydrogène est nécessaire pour obtenir 1,0 L de solution d’acide chlorhydrique de pH = 2,3 ? On
donne le volume molaire à 25°C : V m = 24,5 L/mol.
3) Une solution S0 d’acide chlorhydrique a un pH = 2,3. A l’aide de cette solution, on souhaite préparer V1 = 1000 mL de
solution S1 ayant un pH = 3,0. Calculer le volume de prise de solution S0 à diluer pour obtenir S1.
4) On dispose d’une solution S’0 d’hydroxyde de sodium de concentration C’0 = 5,0.10-2 mol/L. On prépare, par dilution, 100
mL d’une solution S’1 en diluant 20 fois S’0. Déterminer les pH de S’0 et S’1 à 25°C.
Ex6 : pH, dissolution et dilutions (part 2)
On dispose de 1000 mL d’une solution S0 d’hydroxyde de sodium de concentration C0 = 1,0.10-2 mol/L obtenue par dissolution
d’hydroxyde de sodium solide.
1) Ecrire l’équation de dissolution et en déduire la masse d’hydroxyde de sodium solide utilisée pour préparer S0.
2) Quel volume d’eau faut-il ajouter à 50 mL de S0 pour obtenir une solution S1 de pH = 10,7 ?
3) Quelle masse d’hydroxyde de sodium solide aurait-il fallu dissoudre pour préparer directement le même volume de S1 ?