Chimie : réactions acide-base

1. Définitions de Brønsted

• Acide : espèce capable de céder un proton H⁺.
• Base : espèce capable de capter un proton.

Couple acide/base : $AH / A^-$ avec $AH \rightleftharpoons A^- + H^+$.

Exemples : $\text{CH}_3\text{COOH}/\text{CH}_3\text{COO}^-$, $\text{NH}_4^+/\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{O}/\text{OH}^-$, $\text{H}_3\text{O}^+/\text{H}_2\text{O}$.

2. Réaction acide-base

Échange de proton entre l'acide d'un couple et la base d'un autre :

$AH + B \rightleftharpoons A^- + BH^+$

3. Équilibre de l'eau

$2\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^-$

Produit ionique : $K_e = [\text{H}_3\text{O}^+][\text{OH}^-] = 10^{-14}$ à 25 °C.

4. pH

$\mathrm{pH} = -\log[\text{H}_3\text{O}^+]$

• pH < 7 : solution acide.
• pH = 7 : neutre.
• pH > 7 : basique.

Mesure : papier pH (approx.), indicateurs colorés (BBT, hélianthine, phénolphtaléine), pH-mètre.

5. Force d'un acide

Acide fort : entièrement dissocié dans l'eau ($\text{HCl}, \text{HNO}_3, \text{H}_2\text{SO}_4$). pH d'une solution de concentration $c$ : $\mathrm{pH} = -\log c$.

Acide faible ($\text{CH}_3\text{COOH}$) : dissociation partielle. Constante d'acidité :

$K_a = \frac{[A^-][\text{H}_3\text{O}^+]}{[AH]}, \quad \mathrm{p}K_a = -\log K_a$

Plus $K_a$ est grand (pKₐ petit), plus l'acide est fort.

6. Diagrammes de prédominance et de distribution

• $\mathrm{pH} < \mathrm{p}K_a$ : forme acide majoritaire.
• $\mathrm{pH} > \mathrm{p}K_a$ : forme basique majoritaire.
• $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a$ : $[AH] = [A^-]$.

7. Solutions tampons

Mélange en quantités voisines de l'acide $AH$ et de sa base conjuguée $A^-$. pH peu sensible aux ajouts modérés d'acide ou de base.

Formule (Henderson-Hasselbalch) : $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log([A^-]/[AH])$.

Rôle biologique : sang ($\text{HCO}_3^-/\text{H}_2\text{CO}_3$), pH = 7,40 ± 0,05.

8. Titrages acide-base

Méthode pour déterminer la concentration d'une espèce acide ou basique par réaction avec une solution titrante.

Équivalence : $n_{acide} = n_{base}$ → $C_a V_a = C_b V_{b,éq}$.

Repérage :

• Méthode des tangentes ou dérivée maximale sur courbe pH = f(V).
• Indicateur coloré dont la zone de virage contient le pH à l'équivalence.

À retenir

• $\mathrm{pH} = -\log [\text{H}_3\text{O}^+]$, $K_e = 10^{-14}$.
• $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a \Leftrightarrow [AH] = [A^-]$.
• À l'équivalence : $C_a V_a = C_b V_{b,éq}$.