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Acides, bases et autoprotolyse de l'eauEn solution aqueuse, un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H+, tandis qu'une base est capable de capter un proton. Un acide et sa base conjuguée forment un couple acide/base noté AH/A−, comme CH3COOH/CH3COO− ou NH4+/NH3. L'eau est une espèce amphotère : elle peut se comporter à la fois comme acide et comme base, ce qui conduit à la réaction d'autoprotolyse. Cette réaction, très limitée, est caractérisée par le produit ionique de l'eau Ke, qui vaut 1,0×10−14 à 25 °C. Dans toute solution aqueuse diluée, on a donc [H3O+]×[HO−] = Ke, ce qui relie toujours les concentrations des ions oxonium et hydroxyde.
📖 Définition
Un acide est une espèce qui cède un proton H+ ; une base est une espèce qui capte un proton H+.
📢 Rappel
Le pH mesure l'acidité : pH = −log[H3O+] ; plus il est faible, plus la solution est acide.
⭐ À retenir
À 25 °C, Ke = [H3O+][HO−] = 1,0×10−14 et pKe = 14.
💡 À retenir : Toute solution aqueuse contient à la fois des ions H3O+ et HO−, liés par le produit ionique de l'eau.
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Force des acides et diagramme de prédominanceLe pH d'une solution aqueuse diluée est défini par pH = −log[H3O+] avec [H3O+] en mol·L−1. Pour un couple acide/base AH/A−, la constante d'acidité Ka est la constante d'équilibre de la réaction de l'acide avec l'eau : AH + H2O ⇌ A− + H3O+. On utilise plus souvent le pKa = −log Ka ; plus le pKa est faible, plus l'acide est fort et plus la base conjuguée est faible. À partir du pKa, on peut prévoir l'espèce majoritaire : si pH < pKa, la forme acide AH domine ; si pH > pKa, la forme basique A− domine. Cette comparaison est essentielle pour comprendre le comportement des indicateurs colorés ou des médicaments selon le pH du milieu.
📖 Définition
Le pKa d'un couple acide/base est défini par pKa = −log Ka.
🔍 Exemple
Pour le couple acide éthanoïque/ion éthanoate, pKa = 4,8 : dans le vinaigre (pH ≈ 2,5), la forme acide CH3COOH domine.
⭐ À retenir
Un acide est d'autant plus fort que son pKa est faible.
💡 À retenir : Le pKa permet de prévoir l'espèce majoritaire d'un couple : acide si pH < pKa, base si pH > pKa.
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Réactions entre acides et basesLorsqu'on mélange un acide d'un couple et une base d'un autre couple, une réaction acido-basique peut avoir lieu, modélisée par un transfert de proton. Pour prévoir son sens, on calcule le quotient de réaction initial Qr,i puis on le compare à la constante d'équilibre K de la réaction. Si Qr,i < K, le système évolue dans le sens direct ; si Qr,i > K, il évolue dans le sens inverse. La constante K s'exprime simplement à partir des pKa : pour la réaction entre l'acide AH1 et la base A2−, K = 10^(pKa2 − pKa1). Par exemple, la réaction entre l'acide éthanoïque (pKa = 4,8) et l'ion hydrogénocarbonate (pKa du couple CO2,H2O/HCO3− = 6,4) est favorable, car K = 10^(6,4−4,8) > 1, ce qui explique l'effervescence du vinaigre avec le bicarbonate.
📢 Rappel
Le quotient de réaction Qr se calcule comme la constante K mais avec les concentrations initiales.
🔍 Exemple
Vinaigre + bicarbonate de sodium : dégagement de CO2 car la réaction est fortement favorable.
⭐ À retenir
Une réaction acido-basique est favorisée si elle fait intervenir l'acide le plus fort et la base la plus forte.
💡 À retenir : Comparer Qr,i à la constante d'équilibre K permet de prévoir le sens d'évolution d'une réaction acido-basique.
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Solubilité et précipitationUn solide ionique peu soluble, comme le chlorure d'argent AgCl ou le carbonate de calcium CaCO3, se dissout partiellement dans l'eau selon un équilibre hétérogène. Cet équilibre est caractérisé par le produit de solubilité Ks, constante d'équilibre de la réaction de dissolution. Pour un solide de formule générale MX(s) ⇌ M+(aq) + X−(aq), on a Ks = [M+][X−]. Lorsqu'on mélange des ions, on calcule le quotient de réaction Qs = [M+]i[X−]i ; si Qs > Ks, le solide précipite, sinon la solution reste limpide. Ce phénomène explique le tartre dans les canalisations : les ions calcium et carbonate présents dans l'eau dure forment du carbonate de calcium solide lorsque leur produit de concentrations dépasse Ks.
📖 Définition
Le produit de solubilité Ks est la constante d'équilibre de dissolution d'un solide ionique dans l'eau.
🔍 Exemple
Le tartre des bouilloires est du carbonate de calcium CaCO3 qui précipite lorsque l'eau est dure.
⭐ À retenir
Si Qs > Ks, il y a précipitation ; si Qs < Ks, la solution est non saturée.
💡 À retenir : La précipitation se produit lorsque le quotient de réaction Qs dépasse le produit de solubilité Ks.