Équilibres chimiques et pH

Équilibres chimiques et pH

1. Réaction non totale et équilibre

Une réaction n'est pas toujours totale : elle peut s'arrêter avant l'épuisement des réactifs. Le système atteint un état d'équilibre dynamique dans lequel les réactions directe et inverse ont même vitesse.

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

2. Quotient de réaction et constante d'équilibre

Le quotient de réaction : $Q_r = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$

À l'équilibre, $Q_r = K$ (constante d'équilibre à température donnée).

• Si $Q_r < K$ : évolution dans le sens direct.
• Si $Q_r > K$ : évolution dans le sens inverse.
• Si $Q_r = K$ : équilibre.

3. Autoprotolyse de l'eau et pH

$2\,H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + HO^-$

Produit ionique : $K_e = [H_3O^+][HO^-] = 10^{-14}$ à 25 °C.

Définition du pH : $\mathrm{pH} = -\log([H_3O^+])$

• Solution acide : pH < 7 ; basique : pH > 7 ; neutre : pH = 7 (à 25 °C).

4. Acides et bases (Brønsted)

• Acide : espèce capable de céder un proton H⁺.
• Base : espèce capable de capter H⁺.
• Couple acide/base : AH/A⁻. Ex. CH₃COOH / CH₃COO⁻.

Constante d'acidité : $K_a = \frac{[A^-][H_3O^+]}{[AH]} \quad ; \quad pK_a = -\log K_a$

Diagramme de prédominance :

• Si pH < pKa : forme AH majoritaire.
• Si pH > pKa : forme A⁻ majoritaire.

5. Solutions tampons

Une solution tampon = mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée en concentrations proches. Son pH varie peu par ajout modéré d'acide, de base ou par dilution. Équation d'Henderson-Hasselbalch : $pH = pK_a + \log\frac{[A^-]}{[AH]}$

Applications : sang humain (pH ≈ 7,40 régulé par HCO₃⁻/CO₂), milieux biologiques, dosages.

6. Titrage acide-base

• Suivi pH-métrique : recherche de l'équivalence (saut de pH).
• À l'équivalence : $n_{acide} = n_{base}$ (ajusté par stœchiométrie).
• Choix d'un indicateur coloré : zone de virage encadrant le pH à l'équivalence.

À retenir

• $Q_r$ et $K$ décident du sens d'évolution.
• pH = −log[H₃O⁺] ; Ke = 10⁻¹⁴ à 25 °C.
• pKa fixe le domaine de prédominance.
• Tampon = mélange AH/A⁻ ≈ équimolaire.